Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư và sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, việc trang bị kỹ năng lập trình cho học sinh phổ thông trở thành một yêu cầu cấp thiết. Tại Việt Nam, theo báo cáo của ngành giáo dục Hà Nội năm học 2021-2022, việc dạy lập trình cho học sinh phổ thông còn nhiều hạn chế, đặc biệt là kỹ năng lập trình trên ngôn ngữ Pascal chưa đáp ứng được yêu cầu đổi mới chương trình giáo dục phổ thông năm 2018. Môn Tin học, trong đó có lập trình, hiện vẫn được xem là môn học phụ, chưa được đầu tư đúng mức về giáo viên, cơ sở vật chất và tài liệu giảng dạy. Điều này dẫn đến phần lớn học sinh chưa có kỹ năng lập trình cơ bản, ảnh hưởng đến định hướng nghề nghiệp trong lĩnh vực công nghệ thông tin.

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu xây dựng hệ thống bài tập lập trình trên Python dành cho học sinh phổ thông, nhằm nâng cao hiệu quả dạy và học lập trình theo chương trình cải cách giáo dục phổ thông năm 2018. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào học sinh lớp 11 tại các trường phổ thông trên địa bàn Hà Nội trong năm học 2021-2022. Việc xây dựng hệ thống bài tập lập trình Python không chỉ giúp học sinh phát triển tư duy thuật toán, kỹ năng giải quyết vấn đề mà còn góp phần định hướng nghề nghiệp trong lĩnh vực khoa học máy tính.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp tài liệu bài tập lập trình phù hợp với trình độ học sinh phổ thông, đồng thời hỗ trợ giáo viên trong việc đổi mới phương pháp giảng dạy lập trình. Qua đó, góp phần nâng cao năng lực tin học cho học sinh, đáp ứng yêu cầu phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao trong thời đại số.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết về giáo dục STEM và mô hình phát triển năng lực tin học cho học sinh phổ thông. Giáo dục STEM (Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học) nhấn mạnh vai trò tích hợp liên môn, phát huy sáng tạo và kỹ năng thực hành của học sinh. Môn Tin học, đặc biệt là lập trình Python, được xem là trung tâm kết nối các yếu tố STEM, giúp học sinh phát triển tư duy thuật toán và kỹ năng giải quyết vấn đề.

Mô hình phát triển năng lực tin học được xây dựng dựa trên năm thành phần năng lực: sử dụng và quản lý công nghệ thông tin, ứng xử phù hợp trong môi trường số, giải quyết vấn đề với sự hỗ trợ của công nghệ, ứng dụng công nghệ trong học tập và hợp tác trong môi trường số. Các khái niệm chính bao gồm: ngôn ngữ lập trình Python, cấu trúc dữ liệu cơ bản (list, string, file), cấu trúc điều khiển (rẽ nhánh, lặp), chương trình con (hàm), thuật toán sắp xếp và tìm kiếm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính của nghiên cứu bao gồm tài liệu chương trình giáo dục phổ thông năm 2018, các tài liệu chuyên ngành về ngôn ngữ lập trình Python, khảo sát thực trạng dạy học lập trình tại các trường phổ thông trên địa bàn Hà Nội, và các tài liệu tham khảo quốc tế về giáo dục STEM và phát triển năng lực tin học.

Phương pháp phân tích được sử dụng là phân tích định tính và định lượng. Phân tích định tính tập trung vào đánh giá đặc điểm ngôn ngữ Python, yêu cầu chương trình giáo dục và nhu cầu học sinh. Phân tích định lượng dựa trên khảo sát số liệu về số lượng học sinh, giáo viên, cơ sở vật chất và kết quả học tập lập trình.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 9/2021 đến tháng 7/2022, bao gồm các bước: khảo sát thực trạng, phân tích lý thuyết, xây dựng hệ thống bài tập, thử nghiệm và hoàn thiện hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thực trạng dạy lập trình tại phổ thông còn nhiều hạn chế: Theo khảo sát, trung bình mỗi lớp học lập trình có từ 45 đến 50 học sinh, trong khi số lượng máy tính chỉ đủ cho khoảng 60% học sinh thực hành. Hơn 70% giáo viên Tin học chưa được đào tạo chuyên sâu về lập trình Python, dẫn đến hiệu quả giảng dạy thấp.

  2. Python là ngôn ngữ lập trình phù hợp cho học sinh phổ thông: Python đáp ứng các tiêu chí về tính đơn giản, phổ biến và chuyên nghiệp. Cú pháp trong sáng, số lượng từ khóa khoảng 32, hỗ trợ lập trình cấu trúc và hướng đối tượng, giúp học sinh dễ dàng tiếp cận và phát triển kỹ năng lập trình. Python cũng có cộng đồng hỗ trợ rộng lớn và nhiều tài liệu học tập.

  3. Hệ thống bài tập lập trình xây dựng theo 6 nhóm nội dung chính: Bao gồm kiểu dữ liệu đơn giản và câu lệnh, danh sách (list), xâu ký tự (string), tệp (file), chương trình con (hàm), và thuật toán sắp xếp, tìm kiếm. Hệ thống bài tập được thiết kế phù hợp với trình độ học sinh phổ thông, có tính khoa học và sư phạm, đồng thời hỗ trợ phát triển năng lực tư duy thuật toán.

  4. Giải pháp công nghệ hỗ trợ dạy học: Sử dụng môi trường phát triển IDLE Python được đánh giá là phù hợp nhất cho học sinh phổ thông do tính đơn giản, đa nền tảng và các tính năng hỗ trợ như tô màu cú pháp, thụt lề thông minh. Đồng thời, đề xuất triển khai ứng dụng E-Learning giúp học sinh có thể học và thực hành lập trình mọi lúc mọi nơi, tăng cường tương tác và tự học.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của thực trạng hạn chế trong dạy học lập trình là do thiếu hụt giáo viên chuyên môn, cơ sở vật chất chưa đồng bộ và tài liệu giảng dạy chưa phù hợp. Việc lựa chọn Python thay thế Pascal đã được chứng minh là phù hợp với học sinh phổ thông nhờ tính đơn giản và tính ứng dụng cao của ngôn ngữ này. So với các nghiên cứu quốc tế, việc áp dụng Python trong giáo dục phổ thông đã giúp tăng cường hiệu quả học tập và phát triển năng lực tư duy thuật toán.

Việc xây dựng hệ thống bài tập theo nhóm nội dung khoa học giúp học sinh tiếp cận kiến thức một cách hệ thống, từ cơ bản đến nâng cao, đồng thời phát triển kỹ năng giải quyết vấn đề thực tế. Các bài tập được thiết kế có thể minh họa qua biểu đồ tiến trình học tập, bảng thống kê kết quả thực hành, giúp giáo viên và học sinh theo dõi hiệu quả học tập.

Giải pháp công nghệ như sử dụng IDLE Python và ứng dụng E-Learning phù hợp với xu hướng chuyển đổi số trong giáo dục, tạo điều kiện thuận lợi cho việc đổi mới phương pháp dạy học, tăng cường tương tác và tự học của học sinh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường đào tạo và bồi dưỡng giáo viên Tin học: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về lập trình Python cho giáo viên phổ thông, nhằm nâng cao năng lực chuyên môn và phương pháp giảng dạy. Mục tiêu đạt 80% giáo viên Tin học được đào tạo trong vòng 2 năm, do Sở Giáo dục và Đào tạo phối hợp với các trung tâm đào tạo thực hiện.

  2. Cải thiện cơ sở vật chất phòng máy tính: Đầu tư bổ sung máy tính đảm bảo tỷ lệ 1 học sinh 1 máy trong các phòng học Tin học, nâng cấp cấu hình máy tính hiện có và bảo trì định kỳ. Mục tiêu hoàn thành trong 3 năm, do các trường phổ thông và các cấp quản lý giáo dục phối hợp thực hiện.

  3. Phát triển và phổ biến hệ thống bài tập lập trình Python: Triển khai hệ thống bài tập đã xây dựng vào giảng dạy chính thức, đồng thời phát triển thêm các bài tập mở rộng phù hợp với từng cấp học và định hướng nghề nghiệp. Thời gian áp dụng từ năm học 2023-2024, do các trường phổ thông và giáo viên Tin học thực hiện.

  4. Ứng dụng công nghệ E-Learning trong dạy học lập trình: Xây dựng nền tảng học tập trực tuyến hỗ trợ học sinh tự học và thực hành lập trình Python, kết hợp với các hoạt động tương tác, đánh giá trực tuyến. Mục tiêu triển khai thử nghiệm trong năm học 2023-2024, do các đơn vị công nghệ giáo dục và Sở Giáo dục phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Giáo viên Tin học phổ thông: Nhận được tài liệu bài tập lập trình Python phù hợp, hỗ trợ đổi mới phương pháp giảng dạy và nâng cao hiệu quả truyền đạt kiến thức lập trình cho học sinh.

  2. Nhà quản lý giáo dục và các cơ quan đào tạo: Có cơ sở khoa học để xây dựng chính sách đào tạo giáo viên, đầu tư cơ sở vật chất và phát triển chương trình giảng dạy Tin học theo hướng hiện đại, đáp ứng yêu cầu đổi mới giáo dục phổ thông.

  3. Học sinh phổ thông có định hướng nghề nghiệp CNTT: Sử dụng hệ thống bài tập lập trình Python để nâng cao kỹ năng lập trình, phát triển tư duy thuật toán và chuẩn bị hành trang cho các bậc học cao hơn hoặc nghề nghiệp tương lai.

  4. Các nhà nghiên cứu và phát triển phần mềm giáo dục: Tham khảo mô hình xây dựng hệ thống bài tập lập trình, các nhóm nội dung kiến thức và giải pháp công nghệ hỗ trợ dạy học, từ đó phát triển các sản phẩm phần mềm giáo dục phù hợp với học sinh phổ thông.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn Python làm ngôn ngữ lập trình cho học sinh phổ thông?
    Python có cú pháp đơn giản, dễ hiểu, số lượng từ khóa vừa phải (khoảng 32), hỗ trợ lập trình cấu trúc và hướng đối tượng, phù hợp với trình độ học sinh phổ thông. Ngoài ra, Python có cộng đồng lớn và nhiều tài liệu hỗ trợ, giúp học sinh dễ dàng tiếp cận và phát triển kỹ năng lập trình.

  2. Hệ thống bài tập lập trình Python được xây dựng như thế nào?
    Hệ thống bài tập được chia thành 6 nhóm nội dung chính: kiểu dữ liệu đơn giản và câu lệnh, danh sách (list), xâu ký tự (string), tệp (file), chương trình con (hàm), và thuật toán sắp xếp, tìm kiếm. Mỗi nhóm có các bài tập từ cơ bản đến nâng cao, phù hợp với năng lực học sinh phổ thông.

  3. Giải pháp công nghệ nào được đề xuất để hỗ trợ dạy học lập trình?
    Luận văn đề xuất sử dụng môi trường phát triển IDLE Python do tính đơn giản, đa nền tảng và các tính năng hỗ trợ học tập. Đồng thời, triển khai ứng dụng E-Learning giúp học sinh học và thực hành lập trình mọi lúc mọi nơi, tăng cường tương tác và tự học.

  4. Làm thế nào để khắc phục tình trạng thiếu giáo viên chuyên môn lập trình?
    Cần tổ chức các khóa đào tạo, bồi dưỡng chuyên sâu về lập trình Python cho giáo viên Tin học phổ thông, đồng thời tạo điều kiện để giáo viên nâng cao chuyên môn và đổi mới phương pháp giảng dạy. Đây là giải pháp trọng tâm nhằm nâng cao chất lượng dạy học lập trình.

  5. Hệ thống bài tập lập trình Python có thể áp dụng ở những cấp học nào?
    Hệ thống bài tập chủ yếu thiết kế cho học sinh lớp 11 phổ thông, phù hợp với chương trình cải cách giáo dục phổ thông năm 2018. Tuy nhiên, các bài tập có thể được điều chỉnh để áp dụng cho học sinh trung học cơ sở hoặc các khóa học lập trình cơ bản khác.

Kết luận

  • Luận văn đã khảo sát thực trạng dạy học lập trình tại phổ thông Việt Nam, chỉ ra những hạn chế về giáo viên, cơ sở vật chất và tài liệu giảng dạy.
  • Python được lựa chọn là ngôn ngữ lập trình phù hợp cho học sinh phổ thông nhờ tính đơn giản, phổ biến và chuyên nghiệp.
  • Hệ thống bài tập lập trình Python được xây dựng theo 6 nhóm nội dung chính, đảm bảo tính khoa học và sư phạm, hỗ trợ phát triển năng lực tin học cho học sinh.
  • Giải pháp công nghệ gồm sử dụng môi trường IDLE Python và ứng dụng E-Learning giúp nâng cao hiệu quả dạy và học lập trình.
  • Đề xuất các giải pháp đào tạo giáo viên, cải thiện cơ sở vật chất và triển khai hệ thống bài tập, ứng dụng công nghệ hỗ trợ nhằm nâng cao chất lượng giáo dục lập trình phổ thông trong 2-3 năm tới.

Hành động tiếp theo: Các nhà quản lý giáo dục và giáo viên nên phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời áp dụng hệ thống bài tập lập trình Python vào giảng dạy để nâng cao năng lực tin học cho học sinh phổ thông.