Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu - trình bày kết quả các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan: (1) GD STEM robotics; (2) GD STEM robotics trong giáo dục vật lí; (3) bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics. Cơ sở lí luận về tổ chức chủ đề STEM robotics nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề - trình bày tổng hợp cơ sở lí luận chung về GD STEM, GD STEM robotics, năng lực GQVĐ từ đó làm rõ cơ sở lí luận cụ thể cho đề tài gồm: (1) cấu trúc năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics; (2) quy trình xây dựng chủ đề tích hợp STEM robotics; (3) tiến trình tổ chức dạy học chủ đề STEM robotics. Cơ sở thực tiễn về GD STEM robotics - trình bày kết quả thực tiễn về GD STEM robotics ở Tp.
HCM thông qua tình hình tham gia hoạt động và 7 thái độ đối với GD STEM robotics của HS và GV. Kết quả khảo sát củng cố nhu cầu thực tiễn cần làm rõ quan điểm và định hướng GD STEM robotics trong nhà trường. Xây dựng các chủ đề STEM robotics bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề - làm rõ sự cụ thể hóa GD STEM robotics trong chương trình các môn học (CTGDPT 2018), từ đó định hướng xây dựng một số chủ đề STEM robotics tích hợp trong chương trình KHTN (chủ đề khoa học Năng lượng và sự biến đổi) sử dụng bộ thiết bị vi điều khiển Arduino; trình bày kết quả xây dựng một chủ đề theo quy trình và tiến trình đã đề xuất. Thực nghiệm sư phạm - trình bày kết quả nghiên cứu TNSP qua 2 lần thực hiện.
Kết quả TNSP lần 1 hỗ trợ điều chỉnh cấu trúc năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics và ghi nhận điểm cần điều chỉnh trong quy trình xây dựng và tổ chức chủ đề STEM robotics. Kết quả TNSP lần 2 cho phép rút ra các kết luận kiểm chứng giả thuyết nghiên cứu dựa trên việc đánh giá các biểu hiện của HS trong quá trình tham gia hoạt động. Kết luận và đề xuất - tổng hợp kết quả đã thực hiện được, đối chiếu với mục tiêu, nhiệm vụ và các đóng góp của đề tài; đề xuất và trao đổi về các vấn đề vướng mắc để làm định hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài. Đóng góp mới của luận án - Hệ thống cơ sở lí luận về GD STEM robotics, năng lực GQVĐ, từ đó xác định cấu trúc năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics.
- Thực trạng về GD STEM robotics tại Tp.HCM thông qua kết quả khảo sát HS, khảo sát GV STEM và phỏng vấn GV vật lí đối với lĩnh vực. - Làm rõ quy trình xây dựng và tiến trình tổ chức chủ đề STEM robotics nhằm bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics. - Định hướng lựa chọn và thiết kế một số chủ đề STEM robotics tích hợp trong CTGDPT 2018, cụ thể môn Khoa học tự nhiên (chủ đề Năng lượng và sự biến đổi). - TNSP bước đầu khẳng định hiệu quả của quy trình xây dựng và tiến trình tổ chức chủ đề STEM robotics nhằm bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics của HS.
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Nghiên cứu về giáo dục STEM robotics 1. Quan điểm tiếp cận giáo dục STEM robotics Với nhiều quan điểm tiếp cận robotics trong giáo dục, Jung (2018) chỉ ra hai quan điểm về vai trò của robotics trong các nghiên cứu đã thực hiện [73]. Thứ nhất, robotics là công cụ hỗ trợ dạy học các môn học khác như vật lí, toán,… giúp HS hiểu sâu kiến thức và tăng hứng thú trong học tập [32, 46, 67, 95, 116].
Thứ hai, robotics là công cụ để HS tiếp cận và tìm hiểu chính lĩnh vực đó, thường thể hiện trong các chương trình hay khóa học robotics. Jung (2018) làm rõ định hướng nghiên cứu tích hợp robotics vào GD STEM trong nhà trường bằng cách phân tích mối liên hệ giữa GD STEM và lĩnh vực robotics. Theo nghiên cứu, robotics bao hàm kiến thức trong các lĩnh vực STEM như kiến thức vật lí và các kĩ năng như phân tích, dự đoán. Các hoạt động thực hành, GQVĐ, thiết kế kĩ thuật và khám phá khoa học đặc trưng cho robotics là một phần trong GD STEM [73].
GD STEM robotics có thể tạo cơ hội cho HS tiếp cận môi trường công nghệ - kĩ thuật và cụ thể hóa các kiến thức toán và khoa học. Theo đó, robotics có thể hiểu là một chủ đề học tập trong GD STEM, tạo môi trường cho HS trải nghiệm về sản phẩm robotics, đồng thời khám phá và tìm hiểu các kiến thức liên môn [28, 84]. Định hướng nghiên cứu này cần được quan tâm và phát triển trong tương lai [56]. Ở Việt Nam, các nghiên cứu GD STEM robotics cũng được quan tâm theo hướng robotics là một lĩnh vực học tập để HS khám phá và trải nghiệm thông qua chế tạo những sản phẩm công nghệ hiện đại.
Một số trường trung học ở Tp.HCM triển khai các câu lạc bộ STEM hoặc robotics dưới sự hướng dẫn của GV để thực hiện một số chủ đề chế tạo sản phẩm robot như xe năng lượng mặt trời, máy rửa tay tự động… [13]. Một số đề tài hoặc tài liệu có mục tiêu xây dựng chủ đề STEM robotics về các 9 sản phẩm thông minh nhằm bồi dưỡng năng lực của HS [16]. Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên do TS. Nguyễn Thanh Nga trực tiếp hướng dẫn xây dựng hai chủ đề STEM robotics bao gồm thiết bị sạc pin sử dụng năng lượng mặt trời và thiết bị cảnh báo chất lượng không khí [16].
Bộ tài liệu Hoạt động giáo dục STEM của nhóm tác giả Tưởng Duy Hải sử dụng Coach trong dạy học cũng là một phương thức tích hợp sản phẩm công nghệ (cảm biến, máy tính,…) vào dạy học khoa học ở các cấp lớp. Tài liệu đã đề xuất một số chủ đề theo định hướng sử dụng các thiết bị để khảo sát và ghi nhận dữ liệu [11]. Nhìn chung, nghiên cứu GD STEM robotics ở Việt Nam đang được quan tâm theo quan điểm là một lĩnh vực HS cần trải nghiệm trong thời đại công nghệ 4. Tuy nhiên, quan điểm tiếp cận và cơ sở lí luận cụ thể về GD STEM robotics vẫn chưa được hệ thống trong các nghiên cứu, nên cần được phân tích làm rõ để làm nền tảng tích hợp GD STEM robotics trong nhà trường.
Thiết bị trong giáo dục STEM robotics Trong GD STEM robotics, bộ thiết bị là một nền tảng quan trọng trong tổ chức các hoạt động học tập. Một số nghiên cứu tổng hợp đã chỉ ra rằng bộ thiết bị Lego robotics được sử dụng phổ biến nhất trong các nghiên cứu GD STEM robotics [80, 114]. Chẳng hạn, Alimisis (2010) nghiên cứu với HS từ 11-14 tuổi ở Hy Lạp mới tiếp cận, trong đó HS sử dụng bộ thiết bị Lego tìm hiểu các khái niệm về chuyển động để thiết kế hệ thống xe di chuyển trong trung tâm thành phố [29]. Kết quả nghiên cứu cho thấy nhu cầu “tự do hóa” trong thiết kế của HS rất cần được quan tâm.
Điều này phù hợp với nghiên cứu Benitti (2012) cho rằng các bộ thiết bị có tính linh hoạt về linh kiện tạo cơ hội mở trong thiết kế cần được thúc đẩy phát triển hơn [46]. Theo Khine (2017), với sự phát triển không ngừng của công nghệ, các vi điều khiển ngày càng đa dạng và giảm thiểu chi phí, tạo điều kiện thuận lợi cho GV tiếp cận và tổ chức hoạt động STEM robotics trong dạy học. Chen (2018) thực hiện so sánh hai bộ thiết bị Lego Mindstorms EV3 và Arduino Uno, cho thấy mỗi bộ thiết bị đều có ưu và nhược điểm riêng, được lựa chọn sử dụng tùy vào mục tiêu và điều kiện thực tiễn. Ở Việt Nam, nhiều bộ thiết bị robotics đã được sử dụng ở các trung tâm hoặc trường học, đặc biệt là Lego với các dòng sản phẩm đáp ứng trình độ HS, tạo tiền đề cho HS tham gia các cuộc thi sáng tạo robot trong nước và quốc tế [21].
Tuy nhiên, các bộ sản phẩm Lego chưa phải là lựa chọn đối với đa số trường học, do hạn chế về kinh phí. Trong điều kiện thực tiễn ở nước ta, một số nghiên cứu được thực hiện sử dụng các bộ thiết bị vi điều khiển với chi phí thấp, chẳng hạn tác giả Nguyễn Thị Vân Anh (2019) sử dụng vi điều khiển Arduino kết hợp phần mềm Kidscode để hướng dẫn HS thực hiện dự án Nông nghiệp thông minh [1]. Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên do TS. Nguyễn Thanh Nga trực tiếp hướng dẫn tổ chức chủ đề Cánh đồng quang năng chế tạo thiết bị tái tạo pin bằng năng lượng mặt trời tích hợp mạch Arduino để nâng cao hiệu suất [16].
Tóm lại, bộ thiết bị robotics là một yếu tố quan trọng trong GD STEM robotics. Bộ thiết bị thương mại với hình thái sẵn có (như Lego) và bộ thiết bị sử dụng các vi điều khiển mã nguồn mở (như Arduino) là hai hình thức thiết bị phổ biến được sử dụng trong nghiên cứu GD STEM robotics. Gần đây, bộ thiết bị mã nguồn mở đang được quan tâm nhằm thúc đẩy sự tự do trong thiết kế kĩ thuật, phù hợp với định hướng tăng cường yếu tố kĩ thuật – công nghệ trong GD STEM [56, 74]. Hình thức tổ chức giáo dục STEM robotics Anwar (2019) khẳng định GD STEM robotics trong môi trường học tập chính quy (trong trường học) và không chính quy (ngoài trường học) đều có tác động tích cực đối với HS [37].
Trong môi trường ngoài trường học, hoạt động STEM robotics đa dạng, mục tiêu chính là tạo hứng thú cho HS khi sử dụng các bộ thiết bị robotics theo hướng dẫn. Dự án TERECoP ở châu Âu (2009) bồi dưỡng GV tích hợp robotics trong nhà trường khẳng định rằng hoạt động robotics cần dựa vào cơ sở lí luận dạy học và góp phần vào mục tiêu giáo dục đối với HS [29, 33]. Kết quả khảo sát trong dự án cho thấy lĩnh vực robotics hầu như không được đề cập trong chương trình nhà trường ở các quốc gia [104]. Theo Benitti (2012), hầu hết các hoạt động robotics trong 11 nhà trường được tổ chức dưới hình thức hoạt động ngoại khóa, hoặc hội trại khoa học.
Nhiều nghiên cứu GD STEM robotics ghi nhận hiệu quả đối với HS qua hình thức trại hè khoa học và cuộc thi robotics [38, 76, 94]. Hiện nay, hướng nghiên cứu GD STEM robotics lồng ghép trong nhà trường để hướng đến mục tiêu giáo dục chung đang được quan tâm thúc đẩy [80, 83]. Trong quyển“Robotics in STEM education”, Khine và cộng sự tổng hợp các công bố về GD STEM robotics từ 2013 đến 2017 cho thấy việc thực hiện GD STEM robotics trong nhà trường cho HS vẫn còn khó khăn và đòi hỏi nghiên cứu sâu hơn cho từng bối cảnh giáo dục [80].