Tổng quan luận án

Đề tài luận án tiến sĩ: "Xây dựng và sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học Kĩ thuật điện tử cho sinh viên ngành Sư phạm Công nghệ"
Tác giả: Đặng Minh Đức
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Trọng Khanh
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
Chuyên ngành: Lý luận và Phương pháp dạy học bộ môn Kỹ thuật công nghiệp (Mã số: 9140111)
Năm bảo vệ: 2023

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Nghị quyết số 29-NQ/TW của Đảng và các chính sách phát triển giáo dục của Nhà nước định hướng chuyển mạnh quá trình giáo dục từ truyền thụ kiến thức sang phát triển toàn diện phẩm chất và năng lực người học, đặc biệt là năng lực giải quyết vấn đề và tư duy sáng tạo. Trong Chương trình giáo dục phổ thông năm 2018, thiết kế kĩ thuật được xác định là một trong năm năng lực thành phần cốt lõi của năng lực công nghệ. Do đó, đào tạo giáo viên ngành Sư phạm Công nghệ đòi hỏi phải hình thành và phát triển năng lực thiết kế kĩ thuật và tư duy kĩ thuật cho sinh viên.

Trong thực tế đào tạo giáo viên Công nghệ, việc sử dụng bài toán kĩ thuật nói chung và bài toán thiết kế kĩ thuật nói riêng trong dạy học các học phần Kĩ thuật điện tử còn phụ thuộc vào kinh nghiệm cá nhân của từng giảng viên, hiệu quả chưa cao. Các công trình nghiên cứu trước đây chủ yếu dừng lại ở bài toán kĩ thuật nói chung hoặc đi sâu vào các dạng bài toán chẩn đoán kĩ thuật, bài toán phân tích kĩ thuật, chưa có công trình nghiên cứu hệ thống về cơ sở lí luận, quy trình xây dựng và quy trình sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học kĩ thuật.

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu lí luận về bài toán thiết kế kĩ thuật, xây dựng và sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học một số học phần Kĩ thuật điện tử thuộc chương trình đào tạo giáo viên ngành Sư phạm Công nghệ nhằm phát triển tư duy kĩ thuật cho sinh viên, góp phần nâng cao chất lượng dạy học.

Giả thuyết khoa học

Nếu xây dựng được một số dạng bài toán thiết kế kĩ thuật thỏa mãn các yêu cầu của bài toán kĩ thuật, yêu cầu về sư phạm và sử dụng chúng khi dạy học về Kĩ thuật điện tử trong quá trình đào tạo giáo viên ngành Sư phạm Công nghệ, sẽ giúp sinh viên phát triển được tư duy kĩ thuật, qua đó nâng cao được chất lượng dạy học.

Nhiệm vụ nghiên cứu

Luận án xác định 5 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu cơ sở lí luận về bài toán thiết kế kĩ thuật, tư duy kĩ thuật và vai trò của bài toán thiết kế kĩ thuật trong việc phát triển tư duy kĩ thuật cho người học nhằm nâng cao chất lượng quá trình dạy học kĩ thuật.
  2. Nghiên cứu quá trình dạy học các học phần về Kĩ thuật điện tử trong chương trình đào tạo giáo viên ngành Sư phạm Công nghệ.
  3. Nghiên cứu xác lập qui trình xây dựng và sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học về Kĩ thuật điện tử.
  4. Xây dựng một số bài toán thiết kế kĩ thuật thuộc nội dung về Kĩ thuật điện tử và phương pháp sử dụng chúng nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả dạy học.
  5. Kiểm nghiệm đánh giá tính khả thi và hiệu quả của các qui trình, biện pháp đã đề xuất.

Khách thể, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Khách thể nghiên cứu: Quá trình dạy học Kĩ thuật điện tử trong đào tạo giáo viên ngành Sư phạm Công nghệ.
  • Đối tượng nghiên cứu: Bài toán kĩ thuật, bài toán thiết kế kĩ thuật, tư duy kĩ thuật và quá trình dạy học các nội dung về Kĩ thuật điện tử.
  • Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng và sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học nội dung về Kĩ thuật điện tử thuộc chương trình đào tạo giáo viên ngành Sư phạm Công nghệ.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Tác giả đã tổng thuật các hướng nghiên cứu liên quan đến bài toán nhận thức, bài toán kĩ thuật và thiết kế kĩ thuật trong giáo dục:

  • Nghiên cứu về bài toán nhận thức: Các nhà tâm lí học và giáo dục học như M.I. Macmutov, I.Ia. Lecne; tại Việt Nam có Vũ Đức Lưu, Lê Đình Trung (trong môn Sinh học), Đỗ Thị Thúy Hằng (trong môn Hóa học) đã nghiên cứu vai trò của bài toán nhận thức đối với việc kích thích tính tích cực và phát triển tư duy sáng tạo của người học.
  • Nghiên cứu về bài toán kĩ thuật (BTKT) và tư duy kĩ thuật (TDKT):
    • Các nhà nghiên cứu Liên Xô như T.V. Kudriasep (nghiên cứu tâm lí học của tư duy kĩ thuật và cấu trúc TDKT thông qua hoạt động giải bài toán kĩ thuật), V.S. Xcacun (cấu trúc và đặc điểm của BTKT trong dạy nghề), S.Ia. Batưsep (biện pháp xây dựng và sử dụng BTKT).
    • Các nhà nghiên cứu Việt Nam: Phạm Ngọc Uyển (hình thành tư duy kĩ thuật cho học sinh phổ thông), Nguyễn Văn Khôi (tiếp cận công nghệ và giải bài tập kĩ thuật), Trần Khánh Đức (nhiệm vụ kĩ thuật và công nghệ trong khoa học tư duy), Nguyễn Trọng Khanh (xây dựng hệ thống lí luận về khái niệm, đặc điểm, phân loại BTKT và quy trình giải bài toán trong dạy học Kĩ thuật công nghiệp lớp 11).
    • Các nghiên cứu chuyên sâu về từng dạng BTKT cụ thể: Trần Quốc Cường (bài toán chẩn đoán kĩ thuật trong dạy nghề Điện tử dân dụng), Nguyễn Thị Thanh Huyền (bài toán phân tích kĩ thuật trong dạy học Động cơ đốt trong - Ô tô), cùng các công bố của Trần Tuấn Hải, Đàm Thị Lan Phương, Vũ Thị Thùy Vân.
  • Nghiên cứu về thiết kế kĩ thuật (TKKT) và phương pháp giải quyết vấn đề thiết kế:
    • Lý thuyết giải các bài toán sáng chế (TRIZ) của G.S. Altshuller; phương pháp phân tích hình thái học của Allen; kỹ thuật công não (Brainstorming) của Osborn; dạy học theo dự án của Prince và Felder (2006); các mô hình tối ưu hóa điều kiện ràng buộc của Cagan và Agogino, Dixon và Penny; các định nghĩa và quy trình thiết kế của Mourtos, Nicolai, Linda C. Schmidt, Tamer Shahin và Yousef Haik, Budynas và Nisbett, Cross, Dieter và Schmidt, Dym, Khandani.
    • Tại Việt Nam: Trần Anh Tuấn (quá trình thiết kế và phát triển sản phẩm), Nguyễn Thanh Nam (phương pháp thiết kế kĩ thuật), Phạm Văn Khôi, Nguyễn Thị Mai Lan.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình trước đây của Nguyễn Trọng Khanh mới dừng lại ở việc khái quát hóa lí luận về bài toán kĩ thuật nói chung; Kudriasep chỉ đề cập sơ bộ ban đầu về bài toán thiết kế kĩ thuật; các tác giả Trần Quốc Cường và Nguyễn Thị Thanh Huyền đi sâu vào bài toán chẩn đoán và phân tích kĩ thuật. Chưa có công trình nào tập trung nghiên cứu có hệ thống về lí luận bài toán thiết kế kĩ thuật (khái niệm, đặc điểm, cấu trúc CIPO, phân loại), cũng như xác lập quy trình xây dựng và quy trình sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật gắn với việc phát triển tư duy kĩ thuật trong dạy học các học phần Kĩ thuật điện tử cho sinh viên ngành Sư phạm Công nghệ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và các khái niệm cốt lõi

  1. Thiết kế kĩ thuật (TKKT): Là quá trình áp dụng các nguyên lí khoa học và kiến thức kĩ thuật để xác định các thông tin cần thiết cho việc chế tạo hoặc phát triển các thiết bị, hệ thống, sản phẩm kĩ thuật, công nghệ.
  2. Năng lực thiết kế kĩ thuật: Là tổ hợp các thuộc tính tâm sinh lí của cá nhân cho phép vận dụng kiến thức, kĩ năng và thái độ để thực hiện quá trình thiết kế kĩ thuật.
  3. Bài toán thiết kế kĩ thuật: Là một dạng bài toán kĩ thuật, đặt ra yêu cầu thiết kế quy trình hoặc sản phẩm kĩ thuật có tính mới, có ưu điểm vượt trội nhất định và quá trình giải bài toán tuân thủ các bước của quy trình thiết kế kĩ thuật.
  4. Tư duy kĩ thuật (TDKT): Là một loại tư duy của con người khi nghiên cứu, giải quyết các vấn đề đặt ra trong lĩnh vực kĩ thuật. Cấu trúc TDKT gồm 4 thành phần: khái niệm, hình tượng, vật thể, thực hành. TDKT có 3 đặc điểm: tính chất lí thuyết và hành động; liên hệ chặt chẽ giữa hình ảnh và khái niệm; tính thực tiễn và linh hoạt.
  5. Cấu trúc bài toán TKKT (CIPO):
    • Bối cảnh (Context - C): Yếu tố thực tiễn, bối cảnh kinh tế - xã hội, môi trường, kỹ thuật làm điểm tựa tham chiếu.
    • Vấn đề (Input/Problem - I): Nhu cầu thiết kế, tình huống kỹ thuật đặt ra.
    • Dữ kiện (Process/Data - P): Các thông số kỹ thuật, cơ sở khoa học, giới hạn phạm vi thiết kế.
    • Yêu cầu (Output/Requirements - O): Các chỉ tiêu định lượng, thông số kỹ thuật cụ thể cần đạt được ở sản phẩm hoặc quy trình.
Thành phần Ý nghĩa sư phạm và kĩ thuật
Bối cảnh (C) Đặt bài toán vào thực tế (tiết kiệm năng lượng, an toàn, môi trường) để đảm bảo tính khả thi
Vấn đề (I) Nêu nhu cầu thực tế cần giải quyết, khơi gợi nhu cầu nhận thức và thiết kế
Dữ kiện (P) Cung cấp thông số, nguyên lí cơ bản hoặc để khuyết dữ kiện để sinh viên tự giả định
Yêu cầu (O) Mệnh đề xác định mục tiêu định lượng (công suất, điện áp, ngưỡng tác động, kích thước)

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp các nhóm phương pháp định tính và định lượng:

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, tổng hợp, khái quát hóa các tài liệu tâm lí học, giáo dục học, tài liệu chuyên ngành Kĩ thuật điện tử để xây dựng khung lí luận về bài toán TKKT và TDKT.
  • Phương pháp điều tra, khảo sát thực trạng: Sử dụng phiếu hỏi giảng viên và sinh viên tại các cơ sở đào tạo ngành Sư phạm Công nghệ nhằm đánh giá thực trạng dạy học Kĩ thuật điện tử dưới góc độ sử dụng bài toán TKKT.
  • Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Tổ chức dạy học thực nghiệm qua 2 vòng trên các lớp thực nghiệm (TN) và đối chứng (ĐC) với các nội dung dạy học Kĩ thuật điện tử cụ thể.
  • Phương pháp thực nghiệm mô phỏng và chế tạo nguyên mẫu: Thiết kế mạch, mô phỏng và lắp ráp thử nghiệm thực tế các mạch điện tử để kiểm tra tính khả thi của các bài toán TKKT trước khi đưa vào bài học.
  • Phương pháp chuyên gia: Lấy ý kiến các giảng viên, chuyên gia giáo dục kĩ thuật về tính khả thi, sự phù hợp của quy trình xây dựng và hệ thống bài toán đề xuất.
  • Phương pháp thống kê toán học: Sử dụng kiểm định giả thuyết thống kê T-Test (Student), phân tích tần suất điểm $x_i$, tần suất phần trăm, tần suất hội tụ tiến và vẽ đồ thị phân bố điểm nhằm so sánh kết quả giữa nhóm thực nghiệm và đối chứng.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

Dữ liệu khảo sát từ giảng viên, sinh viên ngành Sư phạm Công nghệ; dữ liệu điểm số các bài kiểm tra định kì, điểm đánh giá dự án cuối khóa và kết quả phiếu hỏi ý kiến chuyên gia trong quá trình thực nghiệm sư phạm tại Trường Đại học Sư phạm Hà Nội và các cơ sở đào tạo liên quan.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lý luận và thực tiễn về xây dựng và sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lí luận về bài toán kĩ thuật, bài toán TKKT, tư duy kĩ thuật, đồng thời phân tích thực trạng dạy học Kĩ thuật điện tử ngành Sư phạm Công nghệ.

1. Khái quát quy trình thiết kế kĩ thuật trong dạy học: Tác giả so sánh các quan điểm quốc tế về quy trình thiết kế kĩ thuật và đề xuất quy trình 5 bước áp dụng trong dạy học:

Nghiên cứu Các bước trong quy trình TKKT
MDE (2006) Xác định nhu cầu $\rightarrow$ Nghiên cứu $\rightarrow$ Phát triển giải pháp $\rightarrow$ Chọn giải pháp $\rightarrow$ Xây dựng mẫu $\rightarrow$ Đánh giá $\rightarrow$ Truyền đạt $\rightarrow$ Thiết kế lại
Hynes et al. (2011) Xác định vấn đề $\rightarrow$ Nghiên cứu $\rightarrow$ Phát triển giải pháp $\rightarrow$ Chọn giải pháp $\rightarrow$ Xây dựng mẫu thử $\rightarrow$ Kiểm tra $\rightarrow$ Hoàn thiện
Guerra et al. (2012) Xác định nhu cầu $\rightarrow$ Mô tả nhu cầu $\rightarrow$ Phân tích hệ thống $\rightarrow$ Tạo khái niệm $\rightarrow$ Thể hiện $\rightarrow$ Kiểm tra $\rightarrow$ Hoàn thiện
Heo (2014) Xác nhận vấn đề $\rightarrow$ Tạo và chọn ý tưởng $\rightarrow$ Nghiên cứu phát triển $\rightarrow$ Chế tạo $\rightarrow$ Đánh giá $\rightarrow$ Trình bày $\rightarrow$ Cải tiến
Luận án đề xuất 1) Xác định vấn đề $\rightarrow$ 2) Nghiên cứu vấn đề, đề xuất phương án $\rightarrow$ 3) Lựa chọn phương án $\rightarrow$ 4) Thực hiện phương án $\rightarrow$ 5) Đánh giá, điều chỉnh thiết kế

2. Bốn đặc điểm của bài toán TKKT:

  • Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn cuộc sống và sản xuất.
  • Thường thiếu dữ kiện hoặc dữ kiện không rõ ràng (đòi hỏi người học phải tự đưa ra giả định về bối cảnh).
  • Thường có nhiều phương án giải quyết (đòi hỏi sự cân nhắc, đánh đổi để chọn giải pháp phù hợp nhất).
  • Mang tính định lượng và tuân thủ quy trình kĩ thuật chặt chẽ.

3. Phân loại bài toán TKKT trong dạy học:

  • Bài toán thiết kế mới: Đòi hỏi đưa ra khái niệm sản phẩm chưa từng tồn tại (mức độ cao nhất).
  • Bài toán thiết kế đáp ứng: Điều chỉnh giải pháp kĩ thuật hiện có để thỏa mãn nhu cầu hoặc môi trường sử dụng mới.
  • Bài toán thiết kế cải tiến: Thay đổi một phần kết cấu/thông số để nâng cao hiệu suất, độ an toàn hoặc giảm giá thành.
  • Bài toán thiết kế lựa chọn: Lựa chọn và phối hợp các linh kiện/module tiêu chuẩn có sẵn theo thông số tính toán.

4. Quy trình xây dựng bài toán TKKT gồm 3 bước:

  • Bước 1: Phác thảo bài toán (Lựa chọn nội dung dạy học; Phân loại thiết kế; Xác định vấn đề; Đề xuất phương án khả thi).
  • Bước 2: Thiết kế thử nghiệm (Thực hiện mô phỏng, thử nghiệm mạch nguyên mẫu để xác thực tính khả thi).
  • Bước 3: Hoàn thiện bài toán (Xác định cấu trúc CIPO, biên soạn tài liệu hướng dẫn và tiêu chí đánh giá).

5. Kết quả khảo sát thực trạng: Khảo sát thực trạng cho thấy các giảng viên đều nhận thức được tầm quan trọng của phát triển TDKT và sử dụng BTKT. Tuy nhiên, việc xây dựng và tổ chức cho sinh viên giải các bài toán TKKT còn hạn chế do thiếu quy trình bài bản, thiếu hệ thống bài toán được thiết kế chuẩn mực và tài liệu hướng dẫn sư phạm cụ thể.

Chương 2: Xây dựng và sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học Kĩ thuật điện tử

Chương 2 trình bày các nội dung cụ thể về việc hiện thực hóa lí luận vào các học phần Kĩ thuật điện tử thuộc chương trình đào tạo Sư phạm Công nghệ.

1. Đề xuất các nội dung dạy học Kĩ thuật điện tử có thể triển khai bài toán TKKT: Tác giả xác định các nội dung trọng tâm: Mạch chỉnh lưu và nguồn ổn áp một chiều, Mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp) làm việc ở chế độ khóa và so sánh, Mạch đa hài, Mạch đếm xung kĩ thuật số (bộ đếm nhị phân, đếm thập phân), Hệ thống điều khiển vòng kín và mạch cảm biến.

2. Xây dựng các dạng bài toán TKKT điển hình:

Dạng bài toán TKKT Ví dụ minh họa trong dạy học KTĐT Vấn đề kĩ thuật cần giải quyết
Thiết kế đáp ứng Mạch sạc dự phòng điện thoại di động từ pin/năng lượng mặt trời Thay đổi khâu hạ áp và chỉnh lưu từ lưới điện xoay chiều sang sử dụng nguồn năng lượng tái tạo/pin một chiều
Thiết kế cải tiến Mạch nguồn ổn áp 5V nâng dòng tải từ 1A lên 2.5A Bổ sung linh kiện chịu dòng (transistor công suất) hoặc chuyển đổi giải pháp sang nguồn xung
Thiết kế lựa chọn Lựa chọn linh kiện cho bộ nguồn một chiều ổn áp 5V/2A; Lựa chọn IC đếm và giải mã hiển thị LED 7 thanh Tính toán dòng, áp, tra cứu thông số linh kiện tiêu chuẩn để phối ghép mạch
Thiết kế mới (mức độ học tập) Mạch máy rửa tay sát khuẩn không tiếp xúc; Mạch cảm biến nhịp thở; Mạch báo cháy dùng cảm biến nhiệt TMP36 Phối hợp cảm biến, mạch so sánh tín hiệu, mạch điều khiển khóa điện tử và cơ cấu chấp hành

3. Quy trình sử dụng bài toán TKKT trong tiến trình dạy học: Tác giả đề xuất quy trình tổ chức dạy học gồm các pha:

  • Giao bài toán (tạo tình huống có vấn đề từ bối cảnh thực tiễn).
  • Hướng dẫn sinh viên phân tích bối cảnh, xác định dữ kiện thiếu và lập kế hoạch thiết kế.
  • Tổ chức cho sinh viên thảo luận nhóm, tìm kiếm phương án, tính toán thông số và vẽ sơ đồ nguyên lí.
  • Thực hiện chế tạo/mô phỏng mạch điện và thử nghiệm trên thiết bị thực tế.
  • Đánh giá, điều chỉnh giải pháp và tổng kết bài học.

4. Sử dụng bài toán TKKT trong kiểm tra đánh giá: Xây dựng ma trận và bảng tiêu chí đánh giá mức độ phát triển tư duy kĩ thuật của sinh viên dựa trên các biểu hiện: khả năng phát hiện vấn đề kĩ thuật, tốc độ đề xuất phương án, tính tối ưu của giải pháp lựa chọn, khả năng lập luận bảo vệ phương án và kĩ năng thực hành lắp ráp, căn chỉnh mạch.

Chương 3: Kiểm nghiệm, đánh giá

Chương 3 trình bày việc kiểm nghiệm thực nghiệm sư phạm và đánh giá bằng phương pháp lấy ý kiến chuyên gia nhằm kiểm chứng giả thuyết khoa học.

1. Tổ chức thực nghiệm sư phạm:

  • Tiến hành qua 2 vòng thực nghiệm tại các lớp sinh viên ngành Sư phạm Công nghệ học các học phần Kĩ thuật điện tử, chia thành nhóm Thực nghiệm (TN - có sử dụng bài toán TKKT theo quy trình đề xuất) và nhóm Đối chứng (ĐC - dạy học theo phương pháp truyền thống).
  • Nội dung kiểm nghiệm bao gồm các bài học: Mạch ứng dụng khuếch đại thuật toán, Thiết kế mạch ổn áp nguồn một chiều, Thiết kế mạch đếm sản phẩm trên băng chuyền, và Dự án thiết kế mạch ứng dụng cuối khóa (mạch máy rửa tay không tiếp xúc, mạch báo cháy, cảm biến nhiệt độ).

2. Kết quả xử lí số liệu thực nghiệm:

  • Số liệu thống kê điểm kiểm tra định kì và điểm dự án cuối khóa cho thấy điểm trung bình của nhóm TN ở cả 2 vòng luôn cao hơn nhóm ĐC.
  • Tỉ lệ sinh viên đạt điểm khá, giỏi ở nhóm TN cao hơn rõ rệt so với nhóm ĐC; tỉ lệ điểm trung bình và yếu giảm mạnh.
  • Đồ thị tần suất hội tụ tiến của nhóm TN nằm lệch hẳn về phía bên phải so với nhóm ĐC, chứng minh năng lực tiếp thu và giải quyết vấn đề kỹ thuật của sinh viên nhóm TN tốt hơn.
  • Kết quả kiểm định T-Test (với mức ý nghĩa $p < 0.05$) khẳng định sự khác biệt về kết quả học tập và biểu hiện phát triển TDKT giữa hai nhóm là có ý nghĩa thống kê, không phải do ngẫu nhiên.

3. Kết quả đánh giá chuyên gia: Phiếu khảo sát ý kiến giảng viên và chuyên gia giáo dục kĩ thuật đánh giá cao tính khoa học, tính khả thi của quy trình xây dựng, quy trình sử dụng bài toán TKKT và hệ thống bài toán minh họa đã xây dựng trong luận án.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận

  1. Hệ thống hóa và làm sáng tỏ cơ sở lí luận về bài toán thiết kế kĩ thuật trong giáo dục kĩ thuật: xác định khái niệm, 4 đặc điểm bản chất, mô hình cấu trúc 4 thành phần CIPO (Bối cảnh - Vấn đề - Dữ kiện - Yêu cầu) và phân loại 4 dạng bài toán TKKT (thiết kế mới, thiết kế đáp ứng, thiết kế cải tiến, thiết kế lựa chọn).
  2. Xây dựng quy trình 5 bước của thiết kế kĩ thuật trong dạy học; quy trình 3 bước xây dựng bài toán TKKT và quy trình tổ chức sử dụng bài toán TKKT trong dạy học và kiểm tra đánh giá.
  3. Xác định hệ thống các tiêu chí và biểu hiện đánh giá mức độ phát triển tư duy kĩ thuật của người học thông qua hoạt động giải bài toán thiết kế kĩ thuật.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Cung cấp bức tranh thực trạng về việc sử dụng bài toán kĩ thuật trong dạy học Kĩ thuật điện tử tại các cơ sở đào tạo giáo viên Công nghệ.
  2. Xây dựng hệ thống bài toán thiết kế kĩ thuật cụ thể thuộc các nội dung cốt lõi của môn Kĩ thuật điện tử (nguồn ổn áp, mạch Op-Amp, mạch đếm xung, mạch cảm biến nhịp thở, máy rửa tay không tiếp xúc, thiết bị báo cháy) kèm theo hướng dẫn sư phạm chi tiết.
  3. Cung cấp tài liệu tham khảo cho giảng viên ngành Sư phạm Công nghệ và giáo viên dạy môn Công nghệ phổ thông trong việc đổi mới phương pháp dạy học và kiểm tra đánh giá theo định hướng phát triển năng lực.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đối với các cơ sở đào tạo đại học: Cần đưa quy trình xây dựng và sử dụng bài toán TKKT vào chương trình bồi dưỡng phương pháp giảng dạy cho giảng viên; bổ sung cơ sở vật chất phòng thực hành - thí nghiệm, linh kiện điện tử để sinh viên có điều kiện thử nghiệm nguyên mẫu thực tế.
  • Đối với giảng viên: Cần chủ động chuyển đổi các bài tập tính toán lí thuyết thuần túy sang dạng bài toán thiết kế gắn với bối cảnh thực tiễn; chú trọng rèn luyện cho sinh viên kỹ năng phát hiện vấn đề và lựa chọn phương án tối ưu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án giới hạn phạm vi nghiên cứu thực nghiệm trong các học phần Kĩ thuật điện tử thuộc chương trình đào tạo giáo viên ngành Sư phạm Công nghệ; chưa mở rộng kiểm nghiệm trên toàn bộ các môn học kỹ thuật khác (kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật nhiệt, động lực) hoặc các chương trình đào tạo kỹ sư công nghệ ngoài khối sư phạm.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng nghiên cứu xây dựng và sử dụng bài toán TKKT cho các môn học kỹ thuật khác trong chương trình đào tạo Sư phạm Công nghệ.
    • Chuyển giao và vận dụng hệ thống bài toán TKKT vào dạy học môn Công nghệ ở trường trung học phổ thông theo định hướng Chương trình giáo dục phổ thông 2018 và giáo dục STEM.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu hữu ích cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Lý luận và Phương pháp dạy học bộ môn Kỹ thuật công nghiệp/Giáo dục học: Tham khảo khung lí luận về bài toán TKKT, cấu trúc CIPO và phương pháp đánh giá tư duy kĩ thuật.
  • Giảng viên các trường đại học, cao đẳng sư phạm kĩ thuật: Sử dụng quy trình 3 bước xây dựng bài toán và quy trình tổ chức dạy học trong Chương 2 để thiết kế bài giảng các học phần Kĩ thuật điện tử, Điện tử tương tự, Điện tử số.
  • Giáo viên môn Công nghệ tại các trường phổ thông: Tham khảo các tình huống kỹ thuật thực tế và quy trình hướng dẫn học sinh thiết kế sản phẩm kỹ thuật, hỗ trợ triển khai hiệu quả chương trình Công nghệ 2018 và hoạt động trải nghiệm STEM.

Câu hỏi thường gặp

1. Bài toán thiết kế kĩ thuật theo mô hình cấu trúc của luận án gồm những thành tố nào?

Theo luận án, cấu trúc bài toán thiết kế kĩ thuật gồm 4 thành tố theo mô hình CIPO:

  1. Bối cảnh (Context - C): Yếu tố thực tiễn, bối cảnh kinh tế, kỹ thuật, môi trường xung quanh bài toán.
  2. Vấn đề (Input/Problem - I): Tình huống hoặc nhu cầu thiết kế kĩ thuật cần giải quyết.
  3. Dữ kiện (Process/Data - P): Các thông số kỹ thuật đã cho, cơ sở khoa học hoặc các giới hạn phạm vi thiết kế.
  4. Yêu cầu (Output/Requirements - O): Các chỉ tiêu kỹ thuật cụ thể mà sản phẩm hoặc quy trình thiết kế phải đạt được.

2. Luận án phân loại bài toán thiết kế kĩ thuật thành các dạng nào?

Dựa trên mức độ hoạt động sáng tạo và mục đích giải quyết vấn đề, luận án phân chia thành 4 dạng:

  1. Bài toán thiết kế mới: Yêu cầu đưa ra một khái niệm sản phẩm hoàn toàn mới chưa từng có.
  2. Bài toán thiết kế đáp ứng: Điều chỉnh giải pháp kỹ thuật có sẵn để đáp ứng bối cảnh hoặc nhu cầu sử dụng mới.
  3. Bài toán thiết kế cải tiến: Cải tiến một bộ phận/thông số của sản phẩm hiện có nhằm nâng cao hiệu suất, giảm giá thành hoặc mở rộng tính năng.
  4. Bài toán thiết kế lựa chọn: Tính toán và lựa chọn các linh kiện, thiết bị tiêu chuẩn có sẵn để lắp ráp thành sản phẩm hoàn chỉnh.

3. Quy trình thiết kế kĩ thuật dùng trong dạy học do luận án đề xuất gồm mấy bước?

Quy trình gồm 5 bước:

  • Bước 1: Xác định vấn đề.
  • Bước 2: Nghiên cứu vấn đề, đề xuất phương án.
  • Bước 3: Lựa chọn phương án.
  • Bước 4: Thực hiện phương án.
  • Bước 5: Đánh giá, điều chỉnh thiết kế.

4. Giả thuyết khoa học của luận án khẳng định điều gì?

Giả thuyết khoa học của luận án khẳng định: Nếu xây dựng được một số dạng bài toán thiết kế kĩ thuật thỏa mãn các yêu cầu của bài toán kĩ thuật, yêu cầu về sư phạm và sử dụng chúng khi dạy học về Kĩ thuật điện tử trong quá trình đào tạo giáo viên ngành Sư phạm Công nghệ, sẽ giúp sinh viên phát triển được tư duy kĩ thuật, qua đó nâng cao được chất lượng dạy học.

5. Những phương pháp nào được sử dụng để kiểm nghiệm và đánh giá kết quả nghiên cứu trong Chương 3?

Luận án sử dụng hai phương pháp chính trong Chương 3:

  1. Thực nghiệm sư phạm: Tiến hành qua 2 vòng thực nghiệm có nhóm Thực nghiệm và nhóm Đối chứng, xử lí kết quả kiểm tra bằng phương pháp thống kê toán học (kiểm định T-Test, lập bảng tần suất và vẽ đồ thị phân bố hội tụ tiến).
  2. Phương pháp chuyên gia: Khảo sát, thu thập ý kiến đánh giá từ các giảng viên, chuyên gia giáo dục kĩ thuật về tính khả thi và hiệu quả của quy trình cùng hệ thống bài toán đề xuất.

Kết luận

Luận án của tác giả Đặng Minh Đức đã giải quyết một vấn đề cấp thiết trong lý luận và phương pháp dạy học kỹ thuật công nghiệp thông qua việc hệ thống hóa cơ sở lí luận về bài toán thiết kế kĩ thuật và tư duy kĩ thuật. Công trình đã xây dựng thành công cấu trúc CIPO, phân loại 4 dạng bài toán thiết kế, đồng thời xác lập quy trình xây dựng 3 bước và quy trình sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học Kĩ thuật điện tử cho sinh viên ngành Sư phạm Công nghệ. Kết quả thực nghiệm sư phạm và kiểm định thống kê toán học khẳng định việc áp dụng các quy trình và hệ thống bài toán đề xuất giúp nâng cao kết quả học tập và phát triển tư duy kĩ thuật của người học, đáp ứng yêu cầu đổi mới giáo dục công nghệ hiện nay.