Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ khoa học giáo dục với đề tài "Tổ chức dạy học chủ đề STEM robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sở" được tác giả Lê Hải Mỹ Ngân thực hiện năm 2022 tại Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, thuộc chuyên ngành Lí luận và phương pháp dạy học bộ môn Vật lí (mã số: 9.11), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Văn Biên và PGS.TS. Nguyễn Đông Hải.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong bối cảnh triển khai Chương trình Giáo dục phổ thông (CTGDPT) 2018 tại Việt Nam, giáo dục STEM được định hướng tiếp cận liên môn nhằm hình thành và phát triển các phẩm chất, năng lực cốt lõi cho học sinh, đặc biệt là năng lực giải quyết vấn đề (GQVĐ) và sáng tạo, cùng các năng lực công nghệ, tin học và khoa học tự nhiên. Công văn số 3089/BGDĐT-GDTrH năm 2020 của Bộ Giáo dục và Đào tạo đã làm rõ ba hình thức triển khai giáo dục STEM trong nhà trường: dạy học các môn khoa học theo bài học STEM, hoạt động trải nghiệm STEM và hoạt động nghiên cứu khoa học kĩ thuật.

Tuy nhiên, việc tổ chức giáo dục STEM robotics trong trường phổ thông tại Việt Nam còn gặp phải các khoảng trống lí luận và rào cản thực tiễn:

  1. Khoảng trống về cơ sở lí thuyết: Các nghiên cứu về STEM robotics trong nước chủ yếu triển khai ở các trung tâm ngoại khóa hoặc câu lạc bộ dựa trên các bộ tài liệu đi kèm thiết bị thương mại; chưa có hệ thống cơ sở lí luận hoàn chỉnh về cấu trúc năng lực GQVĐ đặc thù trong lĩnh vực robotics cũng như quy trình thiết kế và tiến trình dạy học chủ đề tích hợp trong nhà trường.
  2. Khoảng trống về hướng tiếp cận năng lực: Các công trình quốc tế và trong nước về GQVĐ trong robotics thường tập trung vào khía cạnh lập trình thuật toán đơn lẻ, chưa làm rõ bản chất GQVĐ toàn diện khi học sinh đối diện với một thử thách kĩ thuật (thiết kế, chế tạo phần cứng kết hợp lập trình điều khiển).
  3. Rào cản về thiết bị và nhân lực: Các bộ thiết bị robot thương mại (như Lego) có chi phí cao, khó phổ cập đại trà; đồng thời giáo viên các môn học STEM (Khoa học tự nhiên/Vật lí, Toán học, Tin học, Công nghệ) còn lúng túng trong việc phối hợp liên môn và xác định vị trí tích hợp kiến thức.

Mục tiêu nghiên cứu

Xác định cơ sở lí luận và thực tiễn về giáo dục STEM robotics, năng lực GQVĐ; từ đó đề xuất quy trình xây dựng chủ đề và tiến trình tổ chức chủ đề STEM robotics trong nhà trường nhằm bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong giáo dục STEM robotics của học sinh trung học cơ sở (THCS).

Giả thuyết nghiên cứu

Nếu xác định được cấu trúc năng lực GQVĐ trong giáo dục STEM robotics, đề xuất quy trình xây dựng chủ đề cùng với tiến trình tổ chức chủ đề STEM robotics dựa trên cơ sở lí luận giáo dục STEM robotics, năng lực GQVĐ và cơ sở thực tiễn đối với giáo dục STEM robotics và thực hiện tổ chức theo tiến trình đó thì có thể bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong giáo dục STEM robotics cho học sinh THCS.

Câu hỏi nghiên cứu

Văn bản luận án đặt ra ba câu hỏi nghiên cứu cụ thể:

  1. Năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục STEM robotics là như thế nào?
  2. Làm thế nào để xây dựng và tổ chức một chủ đề STEM robotics nhằm bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong giáo dục STEM robotics?
  3. Liệu có thể dựa trên quá trình GQVĐ theo tư duy máy tính (TDMT) và quy trình thiết kế kĩ thuật (TKKT) để tổ chức dạy học chủ đề STEM robotics nhằm bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong giáo dục STEM robotics?

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Việc bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong giáo dục STEM robotics của học sinh.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về nội dung: Tổ chức chủ đề tích hợp STEM robotics cho học sinh THCS tập trung bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong giáo dục STEM robotics; trọng tâm tích hợp nội dung mạch kiến thức Năng lượng và sự biến đổi trong môn Khoa học tự nhiên (KHTN) với bộ thiết bị vi điều khiển mã nguồn mở Arduino Uno R3.
    • Về đối tượng khảo sát thực trạng: Khảo sát 388 học sinh và 107 giáo viên các môn Toán, KHTN, Tin học, Công nghệ, cùng 11 giáo viên Vật lí được phỏng vấn sâu tại Thành phố Hồ Chí Minh.
    • Về thực nghiệm sư phạm: Tổ chức dạy học thực nghiệm qua 2 giai đoạn trên đối tượng học sinh THCS tại Thành phố Hồ Chí Minh (trong đó có học sinh Trường THCS-THPT Hoa Sen).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tổng thuật các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước theo ba mạch nội dung chính:

- Vai trò & Tiếp cận       - Công cụ hỗ trợ           - Quy trình TKKT
  (Jung, 2018;               dạy học Vật lí             (Priemer, 2019)
   Sanders, Moore)           (Benitti, 2012)          - Chiến thuật phân rã
- Thiết bị & Linh kiện     - Bối cảnh tích hợp          (Barak, 2009, 2016)
  (Alimisis, 2010;           chủ đề (Stevens,         - Đánh giá hành vi &
   Chen, 2018)               WaterBotics;               mức độ nhiệm vụ
- Hình thức tổ chức          Badeleh, 2021)             (Komis, 2016;
  (Anwar, 2019;                                         Xia & Zhong, 2018)
   Ching, 2019)

Các hướng nghiên cứu trước đây

  1. Nghiên cứu về giáo dục STEM robotics và thiết bị:

    • Jung (2018) chỉ ra hai quan điểm tiếp cận robotics: (1) robotics là công cụ hỗ trợ dạy học các môn học khác và (2) robotics là đối tượng học tập độc lập.
    • Alimisis (2010) và Benitti (2012) phân tích vai trò của bộ thiết bị Lego robotics đối với học sinh 11–14 tuổi, đồng thời nhấn mạnh nhu cầu chuyển dịch sang các bộ thiết bị có tính linh hoạt cao trong thiết kế phần cứng.
    • Khine và cộng sự (2017), Chen (2018) so sánh đặc tính giữa bộ thiết bị Lego Mindstorms EV3 và vi điều khiển mã nguồn mở Arduino Uno, xác định vi điều khiển mã nguồn mở giúp giảm chi phí và gia tăng tính tự do trong thiết kế kĩ thuật.
    • Anwar (2019), Ching (2019) và dự án TERECoP (2009) ở châu Âu nghiên cứu các hình thức triển khai robotics chính quy và phi chính quy (trại hè, câu lạc bộ, cuộc thi WRO, FIRA).
    • Tại Việt Nam, các tác giả Nguyễn Thị Vân Anh (2019), Nguyễn Thanh Nga (2016), Tưởng Duy Hải, Kiều Thị Quyên (2021) đã bước đầu xây dựng các chủ đề STEM chế tạo thiết bị ứng dụng Arduino, Kidscode, Micro:bit hoặc thiết bị cảm biến Coach.

  2. Nghiên cứu về STEM robotics trong giáo dục Vật lí:

    • Sullivan (2008) và Benitti (2012) tổng kết khoảng 80% nghiên cứu dùng robot hỗ trợ dạy học các khái niệm động học, định luật Newton, chuyển động thẳng đều.
    • Chương trình WaterBotics của Trung tâm Stevens (Hoa Kỳ) với hơn 2.600 học sinh sử dụng Lego Mindstorms NXT để học về lực đẩy, sự nổi, định luật Newton; nghiên cứu của Badeleh (2021) sử dụng chủ đề robot cứu hộ để phát triển tính sáng tạo và kết quả học tập Vật lí của học sinh lớp 11.

  3. Nghiên cứu về năng lực giải quyết vấn đề và tư duy máy tính:

    • Xia và Zhong (2018), Priemer (2019) chỉ ra rằng quy trình thiết kế kĩ thuật (TKKT) kết hợp tư duy khoa học là con đường tối ưu để GQVĐ phức hợp trong STEM.
    • Barak (2009, 2016) đề xuất thang phân loại nhiệm vụ P3 (Practice - Problem-solving - Project), chứng minh học sinh chuyển dịch từ phương thức "thử - sai" sang chiến thuật phân rã vấn đề (decomposition) – một kĩ năng cốt lõi của tư duy máy tính (TDMT).
    • Hoàng Vân Đông và Nguyễn Trung Khánh (2020), Yin (2019) nghiên cứu bồi dưỡng TDMT thông qua lập trình robot.

Khoảng trống luận án giải quyết

Luận án định vị nghiên cứu vào việc khắc phục sự rời rạc giữa lí luận và thực tiễn triển khai: tích hợp TDMT vào quy trình TKKT để xây dựng cấu trúc năng lực GQVĐ đặc thù trong giáo dục STEM robotics (bao gồm cả phân tích hệ thống, thiết kế phần cứng điện tử và lập trình điều khiển); xây dựng tiến trình tổ chức dạy học theo hướng sử dụng vi điều khiển mã nguồn mở Arduino Uno R3 có chi phí thấp, tích hợp trực tiếp vào mạch kiến thức môn Khoa học tự nhiên của CTGDPT 2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  • Khái niệm giáo dục STEM robotics: Luận án định nghĩa giáo dục STEM robotics là quan điểm dạy học trong đó học sinh khám phá và vận dụng kiến thức tích hợp thông qua nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot để giải quyết vấn đề thực tiễn.
  • Mô hình tích hợp STEM: Vận dụng mô hình hệ thống ròng rọc của Kelley (2016) và chu trình học tập dựa trên thiết kế của Kolodner (2002), Yata (2020), đặt hoạt động Thiết kế kĩ thuật (E) làm điểm tựa liên kết Khám phá khoa học (S), Hiểu biết công nghệ (T) và Tư duy toán học (M).
  • Mô hình cấu trúc Robot: Tiếp cận theo Alimisis (2012) gồm 3 khối chức năng: Cảm biến (thu nhận tín hiệu) $\rightarrow$ Bộ não/Vi điều khiển (xử lí thông tin) $\rightarrow$ Bộ phận vận hành/Cơ cấu chấp hành (tương tác môi trường).
  • Khung năng lực GQVĐ: Tổng hợp từ CTGDPT 2018, tài liệu PISA (2004, 2015), nghiên cứu của Nguyễn Thị Lan Phương (2016) và Đỗ Hương Trà (2019), đối chiếu tương ứng với các thao tác tư duy máy tính (phân rã vấn đề, lựa chọn thông tin, tư duy thuật toán, đánh giá và khái quát hóa).
Thao tác tư duy máy tính Thành tố năng lực GQVĐ chung Hợp phần năng lực GQVĐ trong GD STEM Robotics
Xác định vấn đề Tìm hiểu tình huống vấn đề A. Tìm hiểu vấn đề
Phân rã vấn đề Phân tích không gian vấn đề A. Tìm hiểu vấn đề
Lựa chọn thông tin Nghiên cứu kiến thức nền B. Đề xuất giải pháp
Tư duy thuật toán Thiết lập kế hoạch giải pháp B. Đề xuất giải pháp
Đánh giá và sửa lỗi Thực hiện và điều chỉnh C. Thực hiện và đánh giá
Khái quát hóa Đánh giá, xây dựng vấn đề mới C. Thực hiện và đánh giá

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  1. Phương pháp nghiên cứu lí luận: Phân tích, tổng hợp văn bản quy phạm, chương trình môn học và tài liệu quốc tế.
  2. Phương pháp điều tra, khảo sát thực tiễn:
    • Sử dụng bảng hỏi khảo sát thái độ, sự tò mò, tự tin của 388 học sinh THCS.
    • Bảng hỏi khảo sát nhận thức về lợi ích và khó khăn của 107 giáo viên thuộc các bộ môn STEM.
    • Phỏng vấn sâu bán cấu trúc 11 giáo viên Vật lí tại TP.HCM.
  3. Phương pháp tham vấn chuyên gia: Thu thập ý kiến chuyên gia giáo dục STEM thông qua phiếu xin ý kiến và các buổi hội thảo khoa học để chuẩn hóa tiêu chí chất lượng rubric.
  4. Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Thiết kế 2 giai đoạn thực nghiệm sư phạm (TNSP lần 1 thăm dò và hoàn thiện công cụ; TNSP lần 2 kiểm chứng tác động đối với các nhóm học sinh).
  5. Kỹ thuật xử lí dữ liệu: Sử dụng phần mềm SPSS 20.0 để tính toán thống kê mô tả (Mean, SD), kiểm định độ tin cậy Cronbach’s alpha, kiểm định tham số ($t$-test, ANOVA, tương quan Pearson), kiểm định phi tham số (Wilcoxon Signed Ranks Test) và tính độ lớn ảnh hưởng (Effect Size - ES).

Nội dung chính theo từng chương

                             CẤU TRÚC 5 CHƯƠNG CỦA LUẬN ÁN

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa các hướng tiếp cận giáo dục STEM robotics trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả phân tích tính hai mặt của việc sử dụng robotics: vừa là phương tiện trực quan hóa kiến thức khoa học trừu tượng, vừa là môi trường giải quyết vấn đề kĩ thuật thực tế. Chương này chỉ ra rằng các nghiên cứu trong nước còn thiếu sự gắn kết chặt chẽ với chương trình chính khóa và chưa có khung đánh giá năng lực GQVĐ dựa trên sự kết hợp giữa quy trình TKKT và TDMT. Từ đó, tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu, 3 câu hỏi nghiên cứu và thiết lập sơ đồ khung lí thuyết làm định hướng cho toàn bộ luận án.

Chương 2: Cơ sở lí luận về tổ chức chủ đề STEM robotics nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề

Chương 2 làm rõ các khái niệm nền tảng, phân biệt hai nhóm thiết bị robotics (thiết bị cơ học/số hóa như Lego và thiết bị điện tử/tự chế tạo sử dụng vi điều khiển mã nguồn mở như Arduino). Trên cơ sở phân tích mối liên hệ giữa các bước của quy trình thiết kế kĩ thuật (TKKT) và các thao tác của tư duy máy tính (TDMT), tác giả đề xuất Cấu trúc năng lực GQVĐ trong giáo dục STEM robotics gồm 3 hợp phần, 6 thành tố và 12 biểu hiện hành vi:

Hợp phần Thành tố Biểu hiện hành vi mã hóa Nội dung biểu hiện hành vi
A. Tìm hiểu vấn đề A1. Phát hiện vấn đề A1.1 Tìm hiểu tình huống vấn đề
A1.2 Phát biểu vấn đề cần giải quyết
A2. Phân tích vấn đề A2.1 Phân tích vấn đề cần giải quyết
B. Đề xuất giải pháp B1. Nghiên cứu thông tin B1.1 Đề xuất linh kiện robot
B1.2 Tìm hiểu thông tin liên quan
B2. Thiết kế giải pháp GQVĐ B2.1 Xây dựng sơ đồ xử lí thông tin
B2.2 Xác định sơ đồ kết nối các bộ phận robot
B2.3 Trình bày phương án thiết kế
C. Thực hiện và đánh giá C1. Thực hiện giải pháp GQVĐ C1.1 Lập kế hoạch thực hiện giải pháp
C1.2 Thực hiện giải pháp
C2. Đánh giá việc giải quyết vấn đề C2.1 Thử nghiệm và đánh giá
C2.2 Phát hiện vấn đề mới cần giải quyết

Chương này cũng thiết lập Quy trình xây dựng chủ đề STEM robotics gồm 6 bước sư phạm và Tiến trình tổ chức dạy học chủ đề STEM robotics gồm 5 hoạt động học tập:

  1. Hoạt động 1: Xác định vấn đề thiết kế, chế tạo robot.
  2. Hoạt động 2: Nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất giải pháp thiết kế.
  3. Hoạt động 3: Trình bày và thảo luận phương án thiết kế.
  4. Hoạt động 4: Chế tạo mô hình, lập trình và thử nghiệm robot.
  5. Hoạt động 5: Đánh giá, báo cáo sản phẩm và phát triển vấn đề mới.

Chương 3: Cơ sở thực tiễn về giáo dục STEM robotics

Chương 3 trình bày kết quả khảo sát thực trạng giáo dục STEM robotics tại TP.HCM:

  • Khảo sát học sinh ($n = 388$): Tác giả kiểm định độ tin cậy bảng hỏi qua hệ số Cronbach’s alpha. Kết quả phân tích thống kê mô tả và kiểm định $t$-test cho thấy học sinh có mức độ tò mò và nhận thức về ý nghĩa của robotics ở mức cao ($M > 3.8/5.0$), nhưng tỉ lệ được trực tiếp thao tác, trải nghiệm với bộ thiết bị thực tế tại trường còn rất thấp. Học sinh nam và nhóm có kinh nghiệm lập trình thể hiện sự tự tin cao hơn có ý nghĩa thống kê so với học sinh nữ và nhóm chưa từng lập trình.
  • Khảo sát giáo viên ($n = 107$ và phỏng vấn sâu 11 giáo viên): Kết quả kiểm định ANOVA cho thấy giáo viên ở các môn học khác nhau (Toán, KHTN, Tin học, Công nghệ) đều đánh giá cao lợi ích của STEM robotics trong việc phát triển năng lực học sinh. Tuy nhiên, các khó khăn lớn nhất được ghi nhận gồm: kinh phí trang bị thiết bị, hạn chế về năng lực kĩ thuật - lập trình của giáo viên đơn môn, thiếu thời lượng trong phân phối chương trình chính khóa và thiếu tài liệu hướng dẫn tích hợp chi tiết.

Chương 4: Xây dựng chủ đề STEM robotics bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề

Chương 4 cụ thể hóa cơ sở lí luận vào chương trình môn Khoa học tự nhiên cấp THCS (CTGDPT 2018), đặc biệt là mạch nội dung Năng lượng và sự biến đổi (phần Điện học, Mạch điện, Năng lượng). Tác giả lựa chọn hệ thống vi điều khiển Arduino Uno R3 kết hợp các module cảm biến (cảm biến hồng ngoại dò line, cảm biến siêu âm, rơ-le, động cơ DC).

Chương này trình bày chi tiết kế hoạch bài dạy cho chủ đề: "Xe robot di chuyển theo vạch kẻ đen thẳng" và định hướng mở rộng sang các chủ đề khác (Hệ thống cung cấp nước tự động, Robot hút bụi tự động tránh vật cản). Cấu trúc bài dạy xác định rõ:

  • Mục tiêu cần đạt về kiến thức KHTN, Công nghệ, Tin học và mục tiêu phát triển 12 biểu hiện hành vi năng lực GQVĐ.
  • Bảng phân tích thành phần thiết bị, sơ đồ mạch nguyên lí kết nối chân vi điều khiển, thuật toán điều khiển logic (sơ đồ khối).
  • Hệ thống tiêu chí đánh giá chất lượng sản phẩm và bảng Rubric định lượng 4 mức độ chất lượng cho từng chỉ số hành vi.

Chương 5: Thực nghiệm sư phạm

Chương 5 trình bày tiến trình và kết quả thực nghiệm sư phạm qua 2 giai đoạn:

  • Thực nghiệm sư phạm lần 1: Triển khai nhằm kiểm tra tính khả thi của tiến trình dạy học, mức độ vừa sức của nhiệm vụ và độ phù hợp của bảng tiêu chí Rubric đánh giá hành vi. Kết quả giúp tác giả tinh chỉnh câu chữ mô tả hành vi từ ngữ chung chung sang lượng hóa rõ mức độ tự lực của học sinh.
  • Thực nghiệm sư phạm lần 2: Triển khai dạy học 2 chủ đề liên tiếp (Hệ thống cung cấp nước tự động và Robot hút bụi tự động tránh vật cản) nhằm đo lường sự tiến bộ năng lực GQVĐ của học sinh.

Dữ liệu đánh giá hành vi qua bảng Rubric và điểm bài kiểm tra trước/sau tác động (TTĐ và STĐ) được xử lí bằng phần mềm SPSS:

  • Kết quả kiểm định phi tham số Wilcoxon Signed Ranks Test đối với điểm số đánh giá 12 biểu hiện hành vi cho thấy sự tăng trưởng có ý nghĩa thống kê ($p < 0.05$) từ chủ đề 1 sang chủ đề 2.
  • Học sinh tiến bộ vượt bậc ở các hành vi phân tích vấn đề ($A2.1$), đề xuất sơ đồ xử lí thông tin ($B2.1$), kết nối phần cứng ($B2.2$) và thử nghiệm điều chỉnh lỗi ($C2.1$).
  • Luận án phân tích sâu diễn biến hành vi của từng nhóm học sinh: nhóm học sinh phát triển ổn định (mã hóa 13BN, 25DT), nhóm có biểu hiện chưa ổn định (07TH, 18TP, 11KL) và nhóm có biểu hiện đặc biệt (05GB, 09MH), làm rõ tác động tích cực của việc phân tách nhiệm vụ học tập theo tư duy máy tính.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lí luận

  1. Hệ thống hóa cơ sở lí luận về giáo dục STEM robotics trong môi trường giáo dục phổ thông, xác lập rõ mối liên hệ tương hỗ giữa giáo dục STEM robotics và giáo dục môn Khoa học tự nhiên/Vật lí.
  2. Xây dựng và chuẩn hóa Cấu trúc năng lực GQVĐ trong giáo dục STEM robotics gồm 3 hợp phần, 6 thành tố và 12 biểu hiện hành vi đặc thù, kết hợp chặt chẽ giữa các thao tác tư duy máy tính (TDMT) và quy trình thiết kế kĩ thuật (TKKT).
  3. Đề xuất quy trình 6 bước xây dựng chủ đề và tiến trình 5 hoạt động tổ chức dạy học chủ đề STEM robotics bám sát các yêu cầu cần đạt của CTGDPT 2018.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Cung cấp bộ dữ liệu thực trạng toàn diện về nhận thức, nhu cầu, sự tự tin của học sinh ($n=388$) và những thuận lợi, rào cản của giáo viên ($n=107$) tại TP.HCM đối với giáo dục STEM robotics.
  2. Thiết kế chi tiết hệ thống bài dạy chủ đề STEM robotics (Hệ thống cấp nước tự động, Xe robot di chuyển theo vạch kẻ đen, Robot hút bụi tránh vật cản) sử dụng vi điều khiển mã nguồn mở Arduino Uno R3 có chi phí thấp, tính linh hoạt cao, phù hợp điều kiện kinh tế của trường phổ thông tại Việt Nam.
  3. Xây dựng bộ công cụ đánh giá năng lực GQVĐ gồm hệ thống Rubric định lượng tiêu chí chất lượng hành vi và bài kiểm tra tư duy máy tính đã được chuẩn hóa qua thực nghiệm sư phạm 2 giai đoạn.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đối với cấp quản lí giáo dục: Cần có cơ chế hướng dẫn linh hoạt thời lượng dạy học để các trường chủ động bố trí các chủ đề tích hợp STEM liên môn; đầu tư kinh phí mua sắm trang thiết bị linh kiện điện tử cơ bản với chi phí hợp lí thay vì các bộ kit thương mại đắt tiền.
  • Đối với các trường đại học sư phạm: Xây dựng các chuyên đề bồi dưỡng kĩ thuật vi điều khiển, lập trình trực quan và phương pháp dạy học tích hợp STEM robotics cho sinh viên sư phạm Vật lí, KHTN, Công nghệ và Tin học.
  • Đối với giáo viên phổ thông: Cần tăng cường sinh hoạt chuyên môn liên tổ bộ môn (Toán - KHTN - Tin học - Công nghệ) để cùng thiết kế chủ đề; chuyển đổi phương pháp dạy học từ hướng dẫn từng bước (cầm tay chỉ việc) sang chuyển giao nhiệm vụ mở theo bậc thang nhận thức để phát huy tính tự lực giải quyết vấn đề của học sinh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:

    • Phạm vi khảo sát thực trạng và thực nghiệm sư phạm chỉ mới thực hiện trên mẫu học sinh và giáo viên tại địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh, chưa mở rộng ra các vùng miền có điều kiện kinh tế - xã hội khác nhau.
    • Các chủ đề thực nghiệm chủ yếu tích hợp sâu trong mạch kiến thức Năng lượng và sự biến đổi (phần Điện học) của môn Khoa học tự nhiên, chưa bao quát toàn bộ các mạch nội dung khác của chương trình.
    • Thời lượng thực nghiệm sư phạm còn bị chi phối bởi kế hoạch giáo dục hiện hành của nhà trường phổ thông, dẫn đến việc tổ chức một số hoạt động chế tạo phần cứng phải kết hợp linh hoạt giữa giờ học chính khóa và hoạt động ngoài giờ.

  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:

    • Mở rộng xây dựng các chủ đề STEM robotics tích hợp các mạch kiến thức khác như Cảm biến môi trường, Sinh học tự động hóa, Hóa học trong đo lường chất lượng nước.
    • Thử nghiệm trên các nền tảng vi điều khiển khác (Micro:bit, ESP32, Raspberry Pi) kết hợp ứng dụng Internet vạn vật (IoT) và Trí tuệ nhân tạo (AI) đơn giản cho học sinh cấp THPT.
    • Mở rộng quy mô thực nghiệm sư phạm tại nhiều tỉnh thành để đánh giá độ thích ứng của quy trình dạy học trên các đối tượng học sinh đa dạng.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học ngành Lí luận và PPDH bộ môn Vật lí/Khoa học tự nhiên: Tham khảo khung lí thuyết tích hợp STEM, ma trận cấu trúc năng lực GQVĐ liên kết TDMT và phương pháp xử lí thống kê giáo dục (Cronbach's alpha, ANOVA, Wilcoxon rank test, Effect Size).
  • Giáo viên môn Khoa học tự nhiên, Vật lí, Tin học, Công nghệ cấp THCS: Sử dụng trực tiếp kế hoạch bài dạy, bản vẽ mạch nguyên lí Arduino, lưu đồ thuật toán và bộ Rubric đánh giá năng lực học sinh trong Chương 4 và Chương 5.
  • Cán bộ quản lí chuyên môn, chuyên viên phụ trách STEM tại các Sở/Phòng GD&ĐT: Tham khảo cơ sở lí luận và dữ liệu thực trạng để xây dựng kế hoạch bồi dưỡng giáo viên, định hướng trang bị thiết bị thực hành STEM phù hợp với Thông tư và Công văn chỉ đạo của Bộ Giáo dục và Đào tạo.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án lựa chọn bộ thiết bị vi điều khiển nào để triển khai chủ đề STEM robotics và lí do là gì?

Luận án lựa chọn vi điều khiển mã nguồn mở Arduino Uno R3 kết hợp với các linh kiện điện tử rời (cảm biến hồng ngoại dò line, cảm biến siêu âm, rơ-le, động cơ DC). Lí do lựa chọn gồm:

  • Giá thành thấp, dễ tiếp cận đại trà trong điều kiện kinh tế của các trường phổ thông Việt Nam so với các bộ kit thương mại đóng gói sẵn như Lego Mindstorms.
  • Tính linh hoạt cao về phần cứng, cho phép học sinh tự do thiết kế cấu trúc mạch điện, tìm hiểu nguyên lí hoạt động của từng linh kiện điện tử rời, đáp ứng yêu cầu cần đạt của môn Khoa học tự nhiên và Công nghệ.

2. Cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục STEM robotics của luận án gồm những hợp phần nào?

Cấu trúc năng lực gồm 3 hợp phần, 6 thành tố và 12 biểu hiện hành vi:

  • Hợp phần A. Tìm hiểu vấn đề: gồm 2 thành tố là Phát hiện vấn đề (chỉ số A1.1, A1.2) và Phân tích vấn đề (chỉ số A2.1).
  • Hợp phần B. Đề xuất giải pháp: gồm 2 thành tố là Nghiên cứu thông tin (chỉ số B1.1, B1.2) và Thiết kế giải pháp GQVĐ (chỉ số B2.1, B2.2, B2.3).
  • Hợp phần C. Thực hiện và đánh giá: gồm 2 thành tố là Thực hiện giải pháp GQVĐ (chỉ số C1.1, C1.2) và Đánh giá việc giải quyết vấn đề (chỉ số C2.1, C2.2).

3. Tư duy máy tính (TDMT) được tích hợp vào quá trình giải quyết vấn đề trong luận án như thế nào?

TDMT được tích hợp như một phương thức tư duy giải quyết vấn đề kĩ thuật thông qua 4 thao tác cốt lõi:

  • Phân rã vấn đề: Chia bài toán chế tạo robot phức hợp thành các module chức năng nhỏ (khối cảm biến, khối xử lí, khối chấp hành).
  • Lựa chọn thông tin/trừu tượng hóa: Xác định các thông số kĩ thuật cần thiết của linh kiện và môi trường hoạt động.
  • Tư duy thuật toán: Xây dựng lưu đồ giải thuật, xác định điều kiện logic điều khiển động cơ dựa trên tín hiệu cảm biến.
  • Đánh giá và sửa lỗi (debugging): Kiểm thử từng phần cứng và từng đoạn mã lệnh để định vị, sửa lỗi trong quá trình vận hành mô hình.

4. Kết quả thực nghiệm sư phạm đã chứng minh tính hiệu quả của quy trình tổ chức dạy học ra sao?

Kết quả thực nghiệm sư phạm 2 giai đoạn cho thấy:

  • TNSP lần 1 khẳng định tính khả thi của tiến trình 5 bước và giúp chuẩn hóa thang đo Rubric.
  • TNSP lần 2 với 2 chủ đề liên tiếp ghi nhận sự tăng trưởng điểm đánh giá chất lượng hành vi có ý nghĩa thống kê qua kiểm định Wilcoxon Signed Ranks Test ($p < 0.05$). Học sinh giảm hẳn phương thức "thử - sai" ngẫu nhiên, hình thành thói quen phân tích mạch nguyên lí, lập sơ đồ khối thuật toán và chủ động phát hiện lỗi kĩ thuật để điều chỉnh.

Kết luận

Luận án của tác giả Lê Hải Mỹ Ngân đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu thông qua việc xác lập cơ sở lí luận và thực tiễn vững chắc cho giáo dục STEM robotics ở cấp trung học cơ sở. Công trình đã xây dựng thành công cấu trúc năng lực GQVĐ đặc thù gồm 12 chỉ số hành vi gắn kết với tư duy máy tính, đồng thời đề xuất quy trình 6 bước thiết kế chủ đề và tiến trình dạy học 5 hoạt động sử dụng vi điều khiển Arduino Uno R3. Kết quả thực nghiệm sư phạm khẳng định tính khả thi và hiệu quả của mô hình trong việc nâng cao năng lực giải quyết vấn đề của học sinh, đóng góp thiết thực cho quá trình đổi mới phương pháp dạy học theo định hướng phát triển năng lực của Chương trình Giáo dục phổ thông 2018.