Chương 1. Cơ sở khoa học: Từ lý luận đến thực tiễn 1. Xác suất thống kê trong nghiên cứu giáo dục học và các khoa học xã hội Khoa học thống kê là một lĩnh vực của khoa học toán học liên quan tới việc thu thập, phân tích và diễn giải hay giải thích và trình bày số liệu. Các nhà thống kê giúp cải thiện chất lượng của số liệu với việc thiết kế thực nghiệm và lấy mẫu nghiên cứu.
Xác suất thống kê cũng cung cấp những công cụ để dự đoán và dự báo bằng việc sử dụng số liệu và các mô hình thống kê. Xác suất thống kê được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực học thuật khác nhau, bao gồm khoa học tự nhiên và xã hội, quản lý của chính phủ và kinh doanh. Các phương pháp thống kê có thể được sử dụng để tóm tắt hay mô tả tập hợp của số liệu, gọi là thống kê mô tả (descriptive statistics). Điều này rất hữu ích trong nghiên cứu, khi nhà nghiên cứu muốn phổ biến kết quả nghiên cứu hoặc thực nghiệm của họ.
Hơn nữa, các mẫu trong số liệu có thể được mô hình hóa theo cách mà có thể kiểm soát được tính ngẫu nhiên và tính không chắc chắc trong quan sát, và sau đó được sử dụng để đưa ra các suy luận về quá trình hay về tổng thể (population) được nghiên cứu; cái này được gọi là thống kê suy luận (inferential statistics). Suy luận là không thể thiếu được trong khoa học khách quan vì nó mang lại những dự đoán (dựa trên số liệu) một cách lôgic. Nhằm xác định tính chính xác của những dự đoán này, những ước đoán này cũng được kiểm tra, là một phần của phương pháp khoa học. Các nhà nghiên cứu giáo dục học và khoa học xã hội cần biết và sử dụng xác suất thống kê, nhưng họ không cần biết quá sâu về toán học.
Vì hiện nay các chương trình phần mềm xác suất thống kê ngày càng phổ biến và mạnh mẽ (như SPSS, SAS và R), và các công thức tính đã được lập trình sẵn, thì yêu cầu về khả năng toán học không phải là chủ chốt. Nhưng những phần mềm này chỉ giúp được rất ít trong việc lên kế hoạch nghiên cứu, lựa chọn kỹ thuật phù hợp và diễn giải kết quả. Vì vậy, đối với các nhà giáo dục học, hiểu ý nghĩa của những thuật toán và mô hình thống kê khác nhau trong những khung cảnh khác nhau mới là điều quan trọng. Việc hiểu biết xác suất thống kê giúp nhà giáo dục hiểu được và đánh giá được chất lượng các bài nghiên cứu.
Trong dạy học, điều này là quan trọng, khi các giáo viên áp dụng các thành tựu nghiên cứu mới vào công việc giảng dạy của mình. Một giáo viên giỏi sẽ biết đọc các nghiên cứu mới về phương các phương pháp sư phạm và ứng dụng những phương pháp mới trong tiết dạy học của mình. Thứ hai, họ có thể thực hiện được các nghiên cứu giáo dục học (Schuyten G. Trong giáo dục học và các khoa học xã hội, nghiên cứu có vai trò rất quan trọng vì nó giúp con người nhìn nhận thế giới một cách khách quan.
Con người luôn có xu hướng 4 nhìn nhận mọi sự vật hiện tượng theo xu hướng chủ quan, theo cái nhìn của cá nhân mình. Xác suất thống kê giúp làm giảm tính chủ quan và tăng cường tính khách quan. Xác suất thống kê giúp nhà nghiên cứu khái quát hóa ra cái chung, cái tổng quát. Vì mọi nghiên cứu xã hội đều có giới hạn về thời gian, tài chính, không gian, độ tin cậy nên hầu như không bao giờ có nghiên cứu nào có thể “vươn tới” mọi đối tượng cần nghiên cứu hay có thể đạt được độ chính xác tuyệt đối.
Xác suất thống kê có các biện pháp dự đoán, dự báo toàn bộ nhóm đối tượng nào đó (ví dụ như học sinh phổ thông, giáo viên, sinh viên đại học) từ một mẫu nghiên cứu với số lượng nhất định (ví dụ như học sinh ở 3 trường phổ thông, giáo viên ở một phường, xã nào đó hoặc sinh viên bộ môn Toán, Lý, Hóa của Đại học Giáo dục). Phân phối chuẩn (Normal Distribution) a. Khái niệm Khi khảo sát một tập mẫu (Samples), ta tiến hành phép đo trên các thuộc tính (fields) của mẫu, vấn đề quan tâm của người phân tích thường gặp là: Giá trị cao nhất, thấp nhất trong các giá trị là bao nhiêu, giá trị trung bình, mức độ dao động giữa các giá trị, có bao nhiêu đối tượng có giá trị nhỏ hơn (lớn hơn) một giá trị đã cho Khi đã có giá trị của thuộc tính trên các đối tượng cần đo, ta xác định được tần suất xuất hiện của các giá trị đó, tiếp theo ta biểu diễn chúng lên một hệ tọa độ gồm trục các giá trị và tần suất/ xác suất xuất hiện, đường nối các đỉnh của biểu đồ ta được đường cong phân phối chuẩn. Chẳng hạn: để xác định điểm thi tuyển sinh đại học môn toán của một tỉnh, người ta chọn ngẫu nhiên 36 học sinh với kết quả như sau: 3, 1, 5, 6, 5, 6, 5, 7, 8, 3, 9, 3, 2, 4, 5, 6, 5, 6, 8, 9, 10, 4, 4, 5, 6, 8, 7, 7, 8, 6, 4, 5, 5, 6, 5 Hình 1 5 Đường cong phân phối xác xuất (Hình 1) được biểu diễn bằng hàm: ( x )2 1 f ( x) e 2 2 2 Trong đó: =3.71828 : Giá trị trung bình, = i x n : Độ lệch chuẩn, = (x ) i 2 (n là số phần tử của mẫu) n 1 xi: các giá trị quan sát được i=1.
Ý nghĩa Với đường cong phân phối chuẩn ta có thể: Tính xác suất tại một điểm P(x=a), chẳng hạn: Khi lấy ngẫu nhiên một HS thì xác suất để học sinh đó đạt điểm 10 là bao nhiêu P(x=10) (có bao nhiêu HS đạt điểm 10) Tính xác suất trong 1 đoạn, chẳng hạn: Có bao nhiêu học sinh có điểm thi nhỏ hơn 3, hoặc lớn hơn 3, hoặc từ 3 đến 7 điểm) Tính giá trị của điểm x khi biết xác suất, chẳng hạn: SV A làm bài với số điểm bao nhiêu để có khoảng 10% thí sinh có điểm thi nhỏ hơn điểm thi của A. Khi biểu diễn phổ điểm, vấn đề đặt ra là phổ điểm như thế nào là tốt, hoàn toàn tùy thuộc vào mục đích của việc kiểm tra, đánh giá. Nếu kiểm tra, đánh giá vào mục đích chọn lựa ra những sinh viên giỏi nhằm tuyển chọn thì phổ điểm nên trải rộng và đều từ điểm thấp đến điểm cao. Nếu kiểm tra, đánh giá nhằm mục đích đánh giá việc hoàn thành một chương trình thì phổ điểm nên tập trung, ít phân tán ra xa.
Các đại lượng thống kê mô tả (descriptive statistics) Độ lệch chuẩn (Standard Deviation) là đại lượng dùng để đánh giá mức độ phân tán của dữ liệu. Xét cùng một giá trị trung bình, khi độ lệch chuẩn nhỏ dữ liệu có khuynh hướng “tập trung quanh” (gần với) giá trị trung bình (đồ thị nhọn), hình 2.1, ngược lại khi độ lệch chuẩn lớn dữ liệu có khuynh hướng “phân tán” ra xa giá trị trung bình, hình 2. 6 ThiSinh Diem_Mon1 1 5 2 6 3 5 4 7 5 6 6 5 7 6 8 4 9 6 10 5 Hình 2.1 ThiSinh Diem_Mon2 1 1 2 5 3 10 4 4 5 5 6 6 7 2 8 8 9 9 10 5 Hình 2.2 Hình 2 Trung vị (Median) là một số tách giữa nửa lớn hơn và nửa bé hơn của một mẫu, một quần thể, hay một phân bố xác suất. Nó là giá trị giữa trong một phân bố, mà số số nằm trên hay dưới con số đó là bằng nhau.
Điều đó có nghĩa rằng 1/2 quần thể sẽ có các giá trị nhỏ hơn hay bằng số trung vị, và một nửa quần thể sẽ có giá trị bằng hoặc lớn hơn số trung vị. Để tìm số trung vị của một danh sách hữu hạn các số, ta xếp tăng dần tất cả các quan sát, rồi lấy giá trị nằm giữa danh sách. Nếu số quan sát là số chẵn, người ta thường lấy trung bình của hai giá trị nằm giữa. Yếu vị (Mode) là giá trị của dữ liệu có tần suất xuất hiện nhiều nhất Thực chất, đồ thị không phải bao giờ cũng theo dạng hình chuông cân, đều về hai phía của giá trị trung bình, sự phân bố có thể bị lệch trái hoặc phải do tần suất xuất hiện các giá trị là khác nhau, hình 3.
7 Đồ thị lệch phải (đuôi kéo dài bên phải) Đồ thị lệch trái (đuôi kéo dài bên trái) Phân bố điểm thi như trên là không tốt vì có Phân bố điểm thi như trên là tốt vì có ít SV nằm trên điểm TB nhiều SV nằm trên điểm TB Hình 3 3. Phân phối chuẩn tắc (Standardized Norm Distribution) a. Khái niệm SV A tham gia kiểm tra kiến thức tiếng Anh cùng với 40 bạn trong lớp. Có hai tổ chức đánh giá độc lập tổ chức SAT và tổ chức ACT.
A làm bài tiếng Anh với tổ chức SAT được 610 điểm, tổ chức ACT được 28 điểm (hai tổ chức này dùng 2 loại thang đo khác nhau). Vấn đề SV A muốn biết mình làm bài ở tổ chức nào tốt hơn? Như vậy khi phân tích số liệu nhưng dùng các đơn vị đo khác nhau, làm thế nào so sánh được 2 kết quả này, vấn đề đưa 2 phân phối trên về cùng một phân phối mà không cần quan tâm về đơn vị: Phân phối chuẩn tắc Phân phối chuẩn tắc của biến z là phân phối có giá trị trung bình =0 và độ lệch chuẩn =1, hình 4. Hình 4 Một biến x có phân phối chuẩn có giá trị trung bình và độ lệch chuẩn ta đưa x về phân phối chuẩn tắc với biến z= 4. Thang điểm và cách chuyển thang điểm 4.
Thang điểm Trong thực tế khi khảo sát một mẫu ta tiến hành đo lường trên tập mẫu đó, kết quả đo lường thường có dạng phân bố chuẩn, chẳng hạn kết quả điểm thô của tập thí sinh tham gia kiểm tra. Tuy nhiên để so sánh kết quả phép đo với những đại lượng khác nhau, chẳng hạn, kết quả so sánh điểm thi môn văn và điểm môn toán, ta tiến hành chuyển đổi hai phân bố 8 chuẩn trên về cùng một phân phối chuẩn tắc (giá trị trung bình bằng 0 và độ lệch chuẩn bằng 1). Hoặc khi so sánh hai kết quả thi của cùng một bộ môn, ta cũng tiến hành chuyển hai dãy phân bố điểm đó về dạng phân phối chuẩn tắc.