Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ "Dạy học Kĩ thuật lập trình cho sinh viên ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông theo hướng phát triển tư duy điện toán" do nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Anh Thi thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Hà Nội (năm 2022), thuộc chuyên ngành Lý luận và phương pháp dạy học bộ môn Kĩ thuật công nghiệp (mã số: 9.11), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đặng Văn Nghĩa và TS. Nguyễn Hùng Chính.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

  • Định hướng đổi mới giáo dục đại học: Nghị quyết số 29-NQ/TW của Hội nghị Trung ương 8 khóa XI về đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo xác định nhiệm vụ đổi mới mạnh mẽ phương pháp dạy và học theo hướng hiện đại, chuyển từ lối truyền thụ một chiều sang phát triển năng lực, dạy cách học, cách nghĩ, kích thích tính tích cực, tự lực và sáng tạo của người học; đồng thời đẩy mạnh ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông trong giáo dục.
  • Yêu cầu thực tiễn về nguồn nhân lực Kĩ thuật điện tử - viễn thông (KTĐT-VT): Trong bối cảnh công nghiệp hóa và chuyển đổi số, ngành KTĐT-VT đóng vai trò then chốt trong việc tạo dựng hạ tầng kết nối, thu thập, lưu trữ và xử lý thông tin. Dữ liệu từ Trung tâm Dự báo nhu cầu nhân lực và Thông tin thị trường lao động Thành phố Hồ Chí Minh cho thấy nhu cầu tuyển dụng lao động ngành KTĐT-VT giai đoạn 2020–2025 đạt khoảng 1,6 vạn người/năm, và dự báo đến năm 2030 nhu cầu nhân lực khối ngành này sẽ tăng gấp 2,5 lần so với năm 2015. Theo thống kê của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội, hằng năm có 1,4 triệu kỹ sư tham gia lực lượng lao động nhưng chỉ khoảng 15% trong số đó được đào tạo chính quy, dẫn đến tình trạng thiếu hụt kỹ sư chất lượng cao có năng lực tư duy độc lập và kỹ năng thích ứng công nghệ.
  • Vị trí học phần Kĩ thuật lập trình: Trong các thiết bị và hệ thống điện tử – viễn thông hiện đại, bộ xử lý và vi điều khiển đóng vai trò xử lý trung tâm. Học phần Kĩ thuật lập trình cung cấp nền tảng cấu trúc dữ liệu và thuật toán — hai yếu tố cốt lõi của lập trình theo định thức của Niklaus Wirth ("Programs = Data Structures + Algorithms"). Việc giải quyết các bài toán về điều khiển, định tuyến, phủ sóng và tối ưu mạng viễn thông đòi hỏi sinh viên phải nắm vững kỹ thuật lập trình và năng lực tư duy thuật toán.
  • Khoảng trống nghiên cứu: Mặc dù các nghiên cứu trong nước đã giải quyết nhiều khía cạnh về phát triển tư duy kỹ thuật, tư duy thuật giải trong dạy học môn Toán và Tin học phổ thông, nhưng chưa có công trình nghiên cứu hệ thống về lý luận và biện pháp sư phạm nhằm phát triển tư duy điện toán cho sinh viên ngành KTĐT-VT thông qua học phần Kĩ thuật lập trình ở bậc đại học.

Mục đích, giả thuyết khoa học và nhiệm vụ nghiên cứu

  • Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu cơ sở lý luận về phát triển tư duy và tư duy điện toán; trên cơ sở đó xây dựng, đề xuất các biện pháp sư phạm nhằm phát triển tư duy điện toán trong dạy học môn Kĩ thuật lập trình cho sinh viên ngành KTĐT-VT.
  • Giả thuyết khoa học: Nếu trên cơ sở nghiên cứu lý luận về tư duy, xây dựng được khái niệm và các yếu tố cấu thành tư duy điện toán, đề xuất được các định hướng và biện pháp dạy học môn Kĩ thuật lập trình cho sinh viên ngành KTĐT-VT thì sẽ phát triển tư duy điện toán cho sinh viên, góp phần nâng cao chất lượng dạy học và đào tạo kỹ sư ngành KTĐT-VT tại các trường đại học, cao đẳng kỹ thuật.
  • Nhiệm vụ nghiên cứu (được đánh số theo văn bản luận án):
    1. Nghiên cứu lý luận về tư duy điện toán và phát triển tư duy điện toán trong dạy học cho sinh viên ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông;
    2. Khảo sát thực trạng dạy và học ở ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông với cách tiếp cận phát triển tư duy điện toán;
    3. Phân tích nội dung, đề cương chi tiết, đặc điểm và phương pháp dạy học môn Kĩ thuật lập trình dưới góc độ phát triển tư duy điện toán;
    4. Xây dựng khái niệm, tiến trình dạy học và đề xuất biện pháp dạy học theo định hướng phát triển tư duy điện toán cho sinh viên; xây dựng giáo án minh họa thuộc học phần Kĩ thuật lập trình;
    5. Tiến hành thực nghiệm sư phạm và phương pháp chuyên gia để đánh giá hiệu quả sử dụng giải pháp, kiểm nghiệm giả thuyết khoa học và tính khả thi của đề tài.

Khách thể, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Khách thể nghiên cứu: Quá trình dạy học học phần Kĩ thuật lập trình cho sinh viên ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống khái niệm, khung lý luận về tư duy và tư duy điện toán; lý luận về phát triển tư duy điện toán trong dạy học; quá trình dạy học phát triển tư duy điện toán cho sinh viên ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian khảo sát thực trạng: Các trường đại học có đào tạo ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông tại khu vực miền Trung và Tây Nguyên.
    • Không gian và đối tượng thực nghiệm sư phạm: Sinh viên ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông của Trường Đại học Quy Nhơn.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu về tư duy và tư duy điện toán

Tác giả luận án tổng quan lịch sử nghiên cứu lý luận dạy học và tâm lý học nhận thức liên quan đến tư duy thành các nhóm:

  1. Nghiên cứu quốc tế về tư duy và phát triển tư duy:

    • Các luận điểm nền tảng của các tác giả cổ điển và hiện đại: X. Rubinstein (bản chất nhận thức của tư duy); V. Cruchetxki (phân loại tư duy tích cực, độc lập, sáng tạo, lý luận); Itenxơn (tư duy hình tượng, thực hành, khoa học, logic); Jean Piaget (tư duy cụ thể và tư duy hình thức); V. V. Davydov (tư duy lý luận và tư duy kinh nghiệm).
    • Nghiên cứu về phương pháp kích thích tư duy và dạy học sáng tạo: G. Giuravliov (nhiệm vụ dạy học sáng tạo ở bậc đại học); P. Kapitxa (phát triển tư duy tự lập); Richard Feynman (phương pháp tư duy mới thay cho tư duy lặp lại); phương pháp TRIZ (ứng dụng thủ thuật sáng tạo trong kỹ thuật); Edward De Bono (kỹ thuật tư duy); Tony Buzan (sơ đồ tư duy).
    • Nghiên cứu về tư duy kỹ thuật và tư duy thuật toán: Faraponova và cộng sự (đặc điểm tư duy kỹ thuật); T. Xcacun (dạy học nêu vấn đề và thuật toán hóa); A. Ralston, Gal-Ezer và Orna Lichtenstein (đặc điểm và ứng dụng tư duy thuật toán trong giảng dạy toán học).
  2. Nghiên cứu trong nước về phát triển tư duy:

    • Trong môn Toán: Các công trình nghiên cứu về tư duy sáng tạo, tư duy logic, tư duy hàm, tư duy biện chứng, tư duy phê phán của các tác giả trong nước; nghiên cứu của Vương Dương Minh về tư duy thuật giải trên hệ thống số phổ thông (xác định 5 hoạt động T1-T5); nghiên cứu của Nguyễn Chí Trung về tư duy thuật toán cho học sinh trung học phổ thông; nghiên cứu của Bùi Văn Nghị, Vương Dương Minh và Nguyễn Anh Tuấn về tiếp cận thuật toán trên máy tính.
    • Trong giảng dạy Vật lý và Kỹ thuật: Ngô Diệu Nga (tư duy khoa học kỹ thuật môn Vật lý lớp 8); Nguyễn Trọng Khanh, Nguyễn Văn Khôi, Nguyễn Đức Thành (phát triển tư duy kỹ thuật và tư duy thuật toán cho học sinh, sinh viên cao đẳng kỹ thuật).
  3. Nghiên cứu quốc tế về tư duy điện toán (Computational Thinking - CT):

    • Thuật ngữ "Computational Thinking" được Seymour Papert sử dụng năm 1980 trong tác phẩm Mindstorms gắn với ngôn ngữ LOGO.
    • Jeannette Wing công bố định nghĩa năm 2006, sau đó bổ sung và chuẩn hóa vào năm 2011 và 2014, xác định tư duy điện toán là quá trình tư duy nhằm hình thành vấn đề và biểu diễn giải pháp sao cho con người, máy tính hoặc cả hai có thể thực thi một cách hiệu quả.
    • Các định nghĩa và quan điểm mở rộng: Alan Bundy (2007 - ảnh hưởng của CT đến khoa học và nhân văn); Peter Denning (2009 - lịch sử phát triển từ tư duy thuật toán thập niên 1950-1960); Hemmendinger (2010); Steve Furber (2012); Aman Yadav và cộng sự (2014 - tóm tắt vấn đề và tạo giải pháp tự động hóa).
    • Tích hợp và đánh giá CT trong giáo dục: Wright, Rich & Leatham (2012); Balanskat & Englehardt (2015); CSTA và ISTE (Barr & Stephenson 2011); Lye & Koh (2014 - khảo cứu thực nghiệm với ngôn ngữ Scratch); Lu & Fletcher (2009); Grover & Pea (2013); Anderson (2016 - mô hình 5 kỹ năng); Mueller và cộng sự; Repenning, Basawapatna, Escherle; Lawanto và cộng sự (công cụ Dr Scratch); Brasiel và cộng sự (công cụ FUN! trên nền Python).
  4. Nghiên cứu trong nước về tư duy điện toán:

    • Hồ Sĩ Đàm tiếp cận thuật ngữ dưới tên "tư duy máy tính" trong Chương trình Giáo dục phổ thông 2018; Học viện STEAM tiếp cận thuật ngữ "tư duy máy tính" hoặc "tư duy điện toán"; một số nghiên cứu dịch là "tư duy tính toán". Nhìn chung, các nghiên cứu trong nước trước đây chủ yếu dừng lại ở các thảo luận ban đầu, hoạt động STEM ngoại khóa, chưa có nghiên cứu chính quy nào đi sâu vào việc phát triển tư duy điện toán thông qua môn học lập trình cho khối ngành kỹ thuật ở bậc đại học.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết khoảng trống về cơ sở lý luận và quy trình sư phạm: xác lập định nghĩa, xác định các thành tố cấu thành tư duy điện toán phù hợp với đào tạo kỹ thuật; đề xuất các biện pháp dạy học và tiến trình tổ chức hoạt động học tập môn Kĩ thuật lập trình cho sinh viên ngành KTĐT-VT; xây dựng công cụ và giáo án thực nghiệm sư phạm để kiểm chứng tính hiệu quả tại trường đại học.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và các khái niệm cơ bản

  • Khái niệm tư duy: Tiếp cận theo định nghĩa của Nguyễn Trọng Khanh: Tư duy là quá trình tâm lý phản ánh những thuộc tính bản chất, những mối liên hệ và quan hệ bên trong có tính quy luật của sự vật, hiện tượng trong hiện thực khách quan mà trước đó ta chưa biết. Quá trình tư duy bao gồm 5 đặc điểm (tính có vấn đề, tính gián tiếp, tính trừu tượng và khái quát, liên hệ với ngôn ngữ, quan hệ với nhận thức cảm tính) và 5 giai đoạn theo mô hình Platonov: (1) Xác định vấn đề; (2) Huy động tri thức, kinh nghiệm; (3) Sàng lọc liên tưởng, hình thành giả thuyết; (4) Kiểm tra giả thuyết; (5) Giải quyết vấn đề và kiểm tra kết quả. Các thao tác trí tuệ cơ bản gồm: phân tích, tổng hợp, so sánh, trừu tượng hóa và khái quát hóa.
  • Khái niệm thuật toán và tư duy thuật toán:
    • Thuật toán: Dãy hữu hạn các thao tác được sắp xếp theo một trình tự xác định, mỗi thao tác thực hiện đơn trị nhằm biến đổi dữ liệu vào (INPUT) thành dữ liệu ra (OUTPUT) sau một số hữu hạn bước.
    • Tư duy thuật toán: Theo Donald Knuth gồm 3 thao tác: xây dựng giải pháp, chứng minh tính đúng đắn, phân tích độ phức tạp. Theo Vương Dương Minh gồm 5 hoạt động: T1 (thực hiện theo thuật toán cho trước), T2 (phân tích hoạt động thành các thao tác thành phần), T3 (mô tả chính xác quá trình), T4 (khái quát hóa quá trình), T5 (so sánh và chọn thuật toán tối ưu).
  • Khái niệm tư duy điện toán do tác giả đề xuất:

    "Tư duy điện toán là một loại tư duy nhằm giải quyết một bài toán thông qua các hoạt động phân rã, nhận dạng để hình thành bài toán và hoạt động xây dựng từng bước thực hiện bài toán theo hướng xử lý tự động của máy tính."

  • Bốn thành tố cấu thành tư duy điện toán trong luận án:
    1. Phân rã vấn đề (Decomposition): Kỹ thuật chia một vấn đề/bài toán phức tạp thành các thành phần nhỏ hơn, dễ quản lý và giải quyết (phương pháp chia để trị).
    2. Nhận dạng mẫu (Pattern recognition): Xác định các điểm tương đồng, khác biệt và các quy luật lặp lại trong các bài toán nhằm áp dụng giải pháp đã biết.
    3. Thiết kế thuật toán (Algorithm design): Xây dựng lược đồ các bước xử lý tuần tự, rõ ràng, có điểm kết thúc để giải quyết bài toán theo hướng tự động hóa.
    4. Trừu tượng hóa và tổng quát hóa (Abstraction and Generalization): Loại bỏ các chi tiết không cần thiết, giữ lại các đặc tính bản chất để mô hình hóa; điều chỉnh giải pháp để có thể áp dụng cho một lớp bài toán tương tự.
  • Thang đo mức độ hiểu biết: Ứng dụng thang đo SOLO (Structure of Observed Learning Outcomes) của Biggs và Collis để đánh giá các mức độ nhận thức của sinh viên trong quá trình học lập trình.
Tác giả / Nghiên cứu Các yếu tố cấu thành tư duy điện toán
Barr & Stephenson (2011) Phân rã vấn đề, Phép phân tích, Sự tự động hóa, Đánh giá thực thi, Trừu tượng hóa, Tổng quát hóa, Song song hóa, Sự mô phỏng hóa
Selby & Woollard (2013) Phân rã, Thuật toán, Đánh giá hiệu quả và những hạn chế, Trừu tượng hóa, Tổng quát hóa
Lee và cộng sự (2011) Phân rã vấn đề, Thuật toán và luồng điều khiển, Biểu thức điều kiện, Gỡ lỗi, Trừu tượng hóa và khái quát mẫu, Tư duy lặp lại, đệ quy và song song
Grover & Pea (2013) Phân rã theo cấu trúc (mô-đun hóa), Thuật toán, Phát hiện và gỡ lỗi hệ thống, Trừu tượng hóa, Hệ thống ký hiệu biểu diễn
Angeli và cộng sự (2016) Phân rã vấn đề, Tư duy thuật toán, Trừu tượng hóa, Xử lý thông tin có hệ thống
Nguyễn Thị Anh Thi (2022) Phân rã vấn đề, Nhận dạng mẫu, Thiết kế thuật toán, Trừu tượng hóa và tổng quát hóa

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, tổng hợp, khái quát hóa các văn kiện, chương trình giáo dục, tài liệu khoa học trong và ngoài nước về tư duy, tâm lý học dạy học, lý luận dạy học kỹ thuật công nghiệp và tư duy điện toán.
  • Phương pháp nghiên cứu thực tiễn:
    • Phương pháp khảo sát bằng phiếu hỏi và phỏng vấn: Tiến hành khảo sát thực trạng giảng dạy và học tập đối với giảng viên và sinh viên ngành KTĐT-VT tại các trường đại học khu vực miền Trung và Tây Nguyên.
    • Phương pháp chuyên gia: Lấy ý kiến đánh giá từ các nhà khoa học, chuyên gia phương pháp dạy học và giảng viên chuyên ngành về khung lý thuyết, tính cần thiết và tính khả thi của các biện pháp dạy học được đề xuất.
    • Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Tổ chức dạy học thực nghiệm (lớp thực nghiệm và lớp đối chứng) tại Trường Đại học Quy Nhơn nhằm kiểm tra tính khả thi và hiệu quả của các biện pháp dạy học.
  • Phương pháp thống kê toán học: Sử dụng các công cụ thống kê mô tả và suy luận (lập bảng phân phối tần số, tần suất, tính điểm trung bình, độ lệch chuẩn, hệ số biến thiên, vẽ đồ thị phân bố điểm và đồ thị tần suất tích lũy) để xử lý dữ liệu khảo sát và kết quả kiểm tra thực nghiệm sư phạm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Cơ sở lý luận và thực tiễn về phát triển tư duy điện toán trong dạy học

  • Hệ thống hóa cơ sở lý luận: Phân tích bản chất của tư duy, tư duy kỹ thuật, tư duy thuật toán và tư duy điện toán; xác định các đặc trưng của tư duy điện toán trong môi trường giáo dục đại học kỹ thuật (khái niệm hóa chứ không đơn thuần là lập trình; tư duy nền tảng; tư duy theo cách con người; kết hợp tư duy toán học và tư duy kỹ thuật). Luận án xác định 5 định hướng phát triển tư duy điện toán trong dạy học đại học và phân tích bản chất của quá trình dạy học phát triển tư duy điện toán cho sinh viên ngành KTĐT-VT.
  • Khảo sát thực trạng tại các trường đại học khu vực miền Trung và Tây Nguyên:
    • Khảo sát nhận thức: Thu thập dữ liệu đánh giá của giảng viên và sinh viên về sự cần thiết của việc phát triển tư duy điện toán (Bảng 1.3) và các năng lực, kiểu tư duy cần thiết cho sinh viên ngành KTĐT-VT (Bảng 1.2).
    • Khảo sát phong cách học và phương pháp dạy học: Phân tích phong cách học tập của sinh viên (Bảng 1.4); thực trạng giảng viên sử dụng các phương pháp dạy học truyền thống so với phương pháp tích cực (Hình 1.7); mức độ giảng viên sử dụng các biện pháp kích thích tư duy trong giờ dạy (Hình 1.8).
    • Đánh giá chung: Phần lớn giảng viên và sinh viên nhận thức được tầm quan trọng của tư duy thuật toán và tư duy điện toán, song việc giảng dạy lập trình vẫn còn nặng về truyền thụ cú pháp ngôn ngữ lập trình, thiếu các biện pháp sư phạm rèn luyện bài bản các thành tố của tư duy điện toán.

Chương 2. Phát triển tư duy điện toán cho sinh viên trong dạy học môn Kĩ thuật lập trình

  • Phân tích chương trình môn Kĩ thuật lập trình:
    • Làm rõ cấu trúc chương trình đào tạo ngành KTĐT-VT, phân tích mối quan hệ giữa tư duy điện toán với các môn học chuyên ngành điện tử - viễn thông.
    • Xác định chuẩn đầu ra của học phần Kĩ thuật lập trình (Bảng 2.1) và đặc điểm nội dung môn học (cấu trúc điều khiển if-else, cấu trúc lặp, mảng, hàm/chương trình con, cấu trúc dữ liệu và giải thuật).
  • Ba biện pháp dạy học phát triển tư duy điện toán:
    • Biện pháp 1: Lựa chọn nội dung chứa đựng cơ hội để hình thành và phát triển tư duy điện toán cho sinh viên. Giảng viên chủ động tái cấu trúc hệ thống bài tập và ví dụ, đưa vào các bài toán kỹ thuật gắn liền với ngành KTĐT-VT (xử lý tín hiệu, điều khiển, tối ưu hóa mạch, mã hóa dữ liệu) nhằm kích hoạt khả năng liên tưởng và nhận dạng mẫu của sinh viên.
    • Biện pháp 2: Hướng dẫn sinh viên phân rã hoạt động lập trình thành những hoạt động thành phần, phân chia vấn đề phức tạp thành đơn giản hơn theo trình tự xác định. Rèn luyện cho sinh viên kỹ năng phân tích bài toán (chia để trị), xác định dữ liệu vào/ra, chia nhỏ chương trình thành các hàm, mô-đun chức năng độc lập, vẽ lưu đồ thuật toán trước khi viết mã nguồn.
    • Biện pháp 3: Hình thành thói quen khái quát hóa bài toán, kiểm tra, đánh giá các chương trình kết quả và xây dựng chương trình với nhiều thuật toán khác nhau sao cho chương trình hiệu quả hơn. Hướng dẫn sinh viên thói quen tối ưu hóa mã nguồn, đánh giá độ phức tạp thuật toán, thử nghiệm các trường hợp biên, so sánh các phương án thuật toán khác nhau để chọn ra giải pháp tối ưu.
  • Tổ chức hoạt động dạy học và giáo án minh họa:
    • Xây dựng tiến trình chung tổ chức hoạt động dạy học (Hình 2.3), tiến trình tiếp cận cấu trúc cụ thể của ngôn ngữ lập trình (Hình 2.4), và tiến trình rèn luyện kỹ năng sử dụng cấu trúc (Hình 2.5).
    • Biên soạn 02 giáo án minh họa chi tiết cho các bài học cụ thể trong học phần Kĩ thuật lập trình nhằm hướng dẫn giảng viên triển khai đồng bộ 3 biện pháp sư phạm đã đề xuất.

Chương 3. Kiểm nghiệm và đánh giá

  • Kiểm nghiệm bằng phương pháp chuyên gia:
    • Khảo sát ý kiến của các chuyên gia, nhà khoa học và giảng viên có kinh nghiệm giảng dạy lập trình và phương pháp dạy học kỹ thuật (Bảng 3.1 và Bảng 3.2).
    • Kết quả khảo sát khẳng định các biện pháp sư phạm và tiến trình dạy học đề xuất có cơ sở khoa học vững chắc, phù hợp với chương trình đào tạo ngành KTĐT-VT và có tính khả thi cao.
  • Thực nghiệm sư phạm:
    • Tiến hành thực nghiệm trên 2 nhóm sinh viên ngành KTĐT-VT tại Trường Đại học Quy Nhơn: Lớp Thực nghiệm (TN - học theo các biện pháp và tiến trình phát triển tư duy điện toán) và Lớp Đối chứng (ĐC - học theo phương pháp truyền thống).
    • Đánh giá định lượng kết quả học tập và năng lực tư duy điện toán sau thực nghiệm (đặc biệt sau khi thực nghiệm Biện pháp 2): Thống kê kết quả kiểm tra (Bảng 3.3, Bảng 3.4, Bảng 3.5); tổng hợp các tham số đặc trưng thống kê của 2 lớp (Bảng 3.6); dựng đồ thị tần suất số sinh viên đạt điểm $X_i$ (Hình 3.1) và đồ thị tần suất tích lũy số sinh viên đạt điểm $X_i$ trở xuống (Hình 3.2).
    • Phân tích thống kê cho thấy điểm số trung bình và mức độ thành thạo các thao tác tư duy điện toán của lớp Thực nghiệm cao hơn có ý nghĩa thống kê so với lớp Đối chứng, độ phân tán điểm số thấp hơn, chứng minh hiệu quả sư phạm của các biện pháp đã đề xuất và xác nhận giả thuyết khoa học.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận

  • Tổng quan hệ thống hóa các quan niệm về tư duy điện toán trên thế giới và trong nước; xây dựng định nghĩa khái niệm tư duy điện toán phù hợp với bối cảnh dạy học môn Kĩ thuật lập trình trong đào tạo đại học khối kỹ thuật.
  • Xác định và làm rõ cấu trúc 4 thành tố cốt lõi của tư duy điện toán: (1) Phân rã vấn đề; (2) Nhận dạng mẫu; (3) Thiết kế thuật toán; (4) Trừu tượng hóa và tổng quát hóa.
  • Đề xuất 05 định hướng sư phạm cho việc phát triển tư duy điện toán trong dạy học đại học.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  • Đề xuất hệ thống 03 biện pháp dạy học cụ thể nhằm phát triển tư duy điện toán cho sinh viên ngành KTĐT-VT trong môn Kĩ thuật lập trình:
    1. Lựa chọn nội dung chứa đựng cơ hội hình thành và phát triển tư duy điện toán;
    2. Hướng dẫn phân rã hoạt động lập trình và chia nhỏ vấn đề phức tạp;
    3. Hình thành thói quen khái quát hóa bài toán, kiểm tra, đánh giá và tối ưu hóa chương trình.
  • Xây dựng tiến trình tổ chức hoạt động dạy học môn Kĩ thuật lập trình theo hướng phát triển tư duy điện toán.
  • Soạn thảo 02 giáo án minh họa cụ thể, cung cấp tài liệu thực hành sư phạm trực tiếp cho giảng viên giảng dạy môn Kĩ thuật lập trình ngành KTĐT-VT.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đối với cơ sở đào tạo: Cần rà soát, cập nhật đề cương môn Kĩ thuật lập trình theo hướng gắn kết chặt chẽ với các bài toán chuyên ngành KTĐT-VT; chuyển trọng tâm đánh giá kết quả học tập từ kiểm tra ghi nhớ cú pháp sang đánh giá năng lực giải quyết vấn đề và năng lực tư duy thuật toán.
  • Đối với giảng viên: Cần tích cực áp dụng các biện pháp phân rã bài toán, hướng dẫn sinh viên xây dựng lưu đồ thuật toán và tối ưu hóa mã nguồn; tổ chức các hoạt động học tập tương tác giúp sinh viên rèn luyện 4 thành tố của tư duy điện toán trong từng giờ học lý thuyết và thực hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Địa bàn khảo sát thực trạng mới chỉ tập trung tại các trường đại học có đào tạo ngành KTĐT-VT ở khu vực miền Trung và Tây Nguyên, chưa mở rộng ra quy mô toàn quốc.
  • Địa bàn thực nghiệm sư phạm trực tiếp mới chỉ tiến hành trên đối tượng sinh viên ngành KTĐT-VT tại Trường Đại học Quy Nhơn; số lượng giáo án minh họa dừng lại ở 02 giáo án cho một số bài học cụ thể của học phần.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng phạm vi khảo sát thực trạng và thực nghiệm sư phạm sang các trường đại học kỹ thuật ở các vùng miền khác.
  • Tiếp tục nghiên cứu vận dụng các biện pháp phát triển tư duy điện toán sang các môn học chuyên ngành tiếp theo của ngành KTĐT-VT (như Vi xử lý - Vi điều khiển, Xử lý tín hiệu số, Lập trình nhúng).
  • Xây dựng bộ công cụ tiêu chí và rubric chuẩn hóa để đánh giá định lượng mức độ phát triển từng thành tố tư duy điện toán của sinh viên kỹ thuật.

Giá trị tham khảo

  • Đối với giảng viên và cán bộ quản lý đào tạo: Cung cấp khung lý luận, tiến trình dạy học và hệ thống biện pháp sư phạm cụ thể để tổ chức giảng dạy môn Kĩ thuật lập trình, chuyển đổi phương pháp dạy học từ tập trung vào cú pháp ngôn ngữ sang phát triển năng lực tư duy giải quyết vấn đề.
  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Lý luận và Phương pháp dạy học: Cung cấp tài liệu tham khảo có hệ thống về cơ sở lý thuyết tư duy điện toán, phương pháp khảo sát thực trạng, thiết kế thực nghiệm sư phạm và kỹ thuật xử lý số liệu thống kê trong nghiên cứu khoa học giáo dục.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Khung 4 thành tố tư duy điện toán (Mục 1.3), hệ thống 3 biện pháp dạy học và tiến trình tổ chức dạy học lập trình (Mục 2.2 và 2.3), cùng hệ thống dữ liệu thực nghiệm sư phạm tại Chương 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án định nghĩa tư duy điện toán như thế nào?

Luận án định nghĩa: Tư duy điện toán là một loại tư duy nhằm giải quyết một bài toán thông qua các hoạt động phân rã, nhận dạng để hình thành bài toán và hoạt động xây dựng từng bước thực hiện bài toán theo hướng xử lý tự động của máy tính.

2. Tư duy điện toán gồm những thành tố cốt lõi nào theo khung phân tích của luận án?

Tác giả xác định tư duy điện toán gồm 4 thành tố cốt lõi:

  1. Phân rã vấn đề: Chia nhỏ bài toán phức tạp thành các phần đơn giản hơn để xử lý;
  2. Nhận dạng mẫu: Xác định các điểm giống và khác nhau, các quy luật lặp lại của bài toán;
  3. Thiết kế thuật toán: Xây dựng các bước giải bài toán rõ ràng, tuần tự và kết thúc được;
  4. Trừu tượng hóa và tổng quát hóa: Loại bỏ chi tiết thứ yếu để khái quát hóa giải pháp cho một lớp bài toán tương tự.

3. Tác giả đề xuất những biện pháp dạy học cụ thể nào trong môn Kĩ thuật lập trình?

Tác giả đề xuất 3 biện pháp sư phạm:

  • Biện pháp 1: Lựa chọn nội dung chứa đựng cơ hội để hình thành và phát triển tư duy điện toán cho sinh viên;
  • Biện pháp 2: Hướng dẫn sinh viên phân rã hoạt động lập trình thành những hoạt động thành phần, phân chia vấn đề phức tạp thành đơn giản hơn theo trình tự xác định;
  • Biện pháp 3: Hình thành thói quen khái quát hóa bài toán, kiểm tra, đánh giá các chương trình kết quả và xây dựng chương trình với nhiều thuật toán khác nhau sao cho chương trình hiệu quả hơn.

4. Địa bàn khảo sát thực trạng và thực nghiệm sư phạm của đề tài được triển khai ở đâu?

Khảo sát thực trạng được thực hiện tại các trường đại học có đào tạo ngành KTĐT-VT ở khu vực miền Trung và Tây Nguyên. Thực nghiệm sư phạm (gồm lớp thực nghiệm và lớp đối chứng) được triển khai trên đối tượng sinh viên ngành KTĐT-VT tại Trường Đại học Quy Nhơn.

5. Luận án sử dụng những căn cứ lý luận nào để xây dựng các giai đoạn tư duy và đánh giá nhận thức lập trình của sinh viên?

Luận án sử dụng mô hình 5 giai đoạn của hành động tư duy theo Platonov (xác định vấn đề, xuất hiện liên tưởng, sàng lọc liên tưởng/hình thành giả thuyết, kiểm tra giả thuyết, giải quyết vấn đề/kiểm tra kết quả) và ứng dụng thang đo SOLO (Structure of Observed Learning Outcomes) của Biggs & Collis để đánh giá các mức độ nhận thức lập trình của người học.


Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Anh Thi đã giải quyết vấn đề lý luận và thực tiễn về phát triển tư duy điện toán cho sinh viên ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông trong môn Kĩ thuật lập trình. Công trình xác lập khung khái niệm gồm 4 thành tố tư duy điện toán, đề xuất 3 biện pháp dạy học cùng tiến trình tổ chức hoạt động học tập và các giáo án minh họa. Kết quả kiểm nghiệm chuyên gia và thực nghiệm sư phạm tại Trường Đại học Quy Nhơn đã xác nhận tính khả thi, hiệu quả của giải pháp và khẳng định giả thuyết khoa học của luận án.