Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển nhanh chóng của các công cụ trí tuệ nhân tạo tạo sinh (Generative AI) đang mở ra hướng tiếp cận mới trong công tác thiết kế học liệu và chuẩn bị bài giảng của giáo viên. Đồ án môn học "Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong giáo dục" do nhóm sinh viên ngành Sư phạm Khoa học Tự nhiên (thuộc Khoa Hóa học và Khoa Công nghệ Thông tin, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh) thực hiện tập trung vào việc khai thác AI để hỗ trợ soạn thảo bộ hồ sơ bài dạy hoàn chỉnh theo Chương trình Giáo dục phổ thông 2018 của Bộ Giáo dục và Đào tạo.

Chủ đề bài học được lựa chọn để thực nghiệm thiết kế là Bài 41: "Môi trường và các nhân tố sinh thái" thuộc Chương VIII (Sinh vật và Môi trường), phân môn Sinh học trong môn Khoa học tự nhiên lớp 8.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể trong văn bản bao gồm:

  1. Nghiên cứu và áp dụng công cụ AI (ChatGPT) để sinh giáo án (kế hoạch bài dạy) chuẩn sư phạm 45 phút, đánh giá hạn chế và cải tiến câu lệnh (prompt) nhằm thu được giáo án tối ưu.
  2. Ứng dụng công cụ Gamma AI để tự động hóa việc thiết kế bài trình chiếu (slides) bài giảng điện tử cho 4 khối kiến thức trọng tâm của bài học, đồng thời phân tích những sai sót về bố cục, hình ảnh và định dạng của AI.
  3. Sử dụng công cụ AI để xây dựng đề kiểm tra đánh giá 15 phút bám sát mục tiêu học tập.
  4. Xây dựng phiếu đánh giá và Rubric chấm điểm bài kiểm tra 15 phút với sự hỗ trợ của AI.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là quá trình thiết kế câu lệnh (Prompt Engineering) và chất lượng các sản phẩm học liệu sư phạm do AI tạo ra. Phạm vi nghiên cứu được xác định trong khuôn khổ bài dạy 1 tiết (45 phút) môn Khoa học tự nhiên lớp 8, thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh vào tháng 5 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và quy chuẩn sư phạm

Nghiên cứu dựa trên các yêu cầu chuẩn mực của Chương trình Giáo dục phổ thông 2018 đối với môn Khoa học tự nhiên lớp 8. Cấu trúc một kế hoạch bài dạy chuẩn bao gồm các thành phần: thông tin định danh (chủ đề, ngày soạn, ngày dạy, lớp dạy, thời lượng), mục tiêu bài học (phát triển hiểu biết/nhận thức và kỹ năng), phương pháp dạy học (thảo luận nhóm nhỏ, quan sát - thực hành, trình bày cá nhân), phương tiện dạy học, tiến trình giảng dạy chia theo bảng hoạt động (Hoạt động của giáo viên, Hoạt động của học sinh, Nội dung bài học) và tiêu chí đánh giá kết quả học tập.

Đối với bài trình chiếu điện tử, nghiên cứu xác lập hai nhóm tiêu chuẩn đánh giá:

  • Tiêu chuẩn nội dung: Tính chính xác, khoa học, bám sát chương trình, ngôn ngữ súc tích, có câu hỏi kích thích tư duy và ví dụ minh họa trực quan.
  • Tiêu chuẩn hình thức: Bố cục thẩm mỹ, phông chữ và cỡ chữ dễ đọc, căn lề văn bản chuẩn (Justify cho đoạn văn, Center cho tiêu đề), hình ảnh chất lượng cao và không xảy ra lỗi ngắt dòng làm rơi chữ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp thực nghiệm tương tác người - máy (Prompt Engineering): Thiết lập quy trình thử nghiệm câu lệnh qua nhiều bước: đưa ra prompt ban đầu -> ghi nhận và phân tích kết quả đầu ra của AI -> chỉ ra khiếm khuyết về cấu trúc hoặc nội dung -> tinh chỉnh prompt với các ràng buộc chi tiết (đóng vai chuyên gia sư phạm, quy định số cột, quy định lề, yêu cầu ví dụ, kiểm soát việc xóa nội dung cũ) -> đánh giá kết quả cải tiến.
  • Phương pháp phân tích - đối sánh sư phạm: Đối chiếu trực tiếp các sản phẩm do ChatGPT và Gamma AI sinh ra với yêu cầu giảng dạy thực tế để xác định những phần AI làm tốt và những phần bắt buộc giáo viên phải can thiệp thủ công.
  • Công cụ sử dụng: Mô hình ngôn ngữ lớn ChatGPT (phiên bản ChatGPT-3.5) phục vụ tạo văn bản giáo án, bài kiểm tra, rubric; nền tảng Gamma AI phục vụ tạo lập bài thuyết trình đa phương tiện.

Nội dung chính theo từng chương

Sử dụng công cụ AI sinh ra giáo án

Nhóm tác giả tiến hành khảo nghiệm khả năng lập kế hoạch bài dạy của ChatGPT qua hai giai đoạn:

[Prompt 1: Yêu cầu chung] -> [Kết quả sơ lược] -> [Prompt 2: Bổ sung cấu trúc 3 cột & mục tiêu] -> [Kết quả Bảng I-1] -> [Hiệu chỉnh sư phạm thủ công] -> [Kế hoạch bài dạy hoàn chỉnh Bảng I-2]
  • Prompt ban đầu: Đưa ra yêu cầu đóng vai nhà sư phạm tạo giáo án Bài 41 môn KHTN 8. Kết quả ChatGPT trả về chỉ là tóm tắt kiến thức dạng gạch đầu dòng, chưa đáp ứng quy cách của một giáo án chính thức theo quy định của Bộ Giáo dục và Đào tạo.
  • Prompt cải tiến: Tác giả bổ sung định nghĩa cấu trúc giáo án hoàn chỉnh, yêu cầu phân chia tiến trình thành 3 cột rõ ràng (Hoạt động giáo viên, Hoạt động học sinh, Nội dung bài học). Kết quả ChatGPT đã xuất ra được khung bài dạy (Bảng I-1: Tiến trình giảng dạy).
  • Hiệu chỉnh của tác giả: Do ChatGPT chỉ mới liệt kê hoạt động một cách chung chung mà chưa cụ thể hóa phương thức tổ chức, tác giả đã trực tiếp biên soạn lại bảng tiến trình chi tiết (Bảng I-2: Tiến trình bài dạy – Sau cải tiến) với thời lượng 45 phút gồm:
    • Khởi động (5 phút): Chiếu hình ảnh các môi trường sống, đặt câu hỏi gợi mở khái niệm.
    • Hình thành kiến thức mới (30 phút): Gồm Hoạt động 2.1 (10 phút) tìm hiểu khái niệm và 4 loại môi trường sống (nước, đất, trên cạn/không khí, sinh vật); Hoạt động 2.2 (20 phút) phân loại nhân tố vô sinh, hữu sinh và hoàn thành Phiếu học tập số 1.
    • Đánh giá kết quả: Đánh giá qua sự tham gia thảo luận nhóm và sản phẩm phiếu học tập.

AI tạo slides bài giảng với sự hỗ trợ của công cụ AI

Nhóm tác giả sử dụng Gamma AI để tạo lập các trang trình chiếu cho 4 mạch kiến thức chính của Bài 41, trải qua quá trình tinh chỉnh câu lệnh và xử lý giao diện qua 33 hình ảnh minh chứng (từ Hình II-1 đến Hình II-33):

Mạch nội dung Vấn đề phát sinh từ AI Giải pháp cải tiến câu lệnh / Can thiệp thủ công
1. Giới thiệu về các nhân tố sinh thái Slide ban đầu (Hình II-1) thiếu ví dụ, thiếu liên kết hình ảnh; AI lấy nhầm hình ảnh "hợp tác, cạnh tranh của con người" (Hình II-7) thay vì sinh vật. Tinh chỉnh prompt chỉ định rõ "mối quan hệ giữa các sinh vật" (Hình II-8); yêu cầu bổ sung ví dụ minh họa và sơ đồ chu trình vật chất.
2. Môi trường sống của sinh vật Slide bị lỗi canh lề Align Left, lỗi rơi chữ (Hình II-9); khi yêu cầu đặt câu hỏi khai thác thì AI xóa mất toàn bộ lý thuyết cũ (Hình II-14); không tạo được biểu đồ tròn cho số liệu tác động của con người (Hình II-18). Bổ sung prompt ràng buộc: "giữ nguyên nội dung cũ và đặt câu hỏi bên cạnh" (Hình II-15); tự tay sửa lỗi rơi chữ và tự vẽ biểu đồ số liệu bên ngoài.
3. Giới hạn sinh thái Nội dung phân bổ theo khung xương quá dài, tràn khỏi màn hình slide (Hình II-27); thiếu ví dụ cụ thể và lỗi canh lề giữa cho phần thân bài. Yêu cầu prompt rút gọn bố cục vừa vặn 1 slide PowerPoint, căn lề Center cho tiêu đề và Justify cho nội dung (Hình II-28); chỉnh sửa thủ công các vị trí rớt chữ.
4. Vai trò của môi trường và các nhân tố sinh thái Đã áp dụng kinh nghiệm prompt tích hợp (yêu cầu đồng thời căn lề Center/Justify và hình ảnh minh họa), tuy nhiên tiêu đề vẫn thưa và rớt dòng (Hình II-30). Cải tiến prompt yêu cầu tái cấu trúc bố cục gọn gàng, định dạng chuẩn (Hình II-31).

Sử dụng AI để tạo bài kiểm tra 15 phút

Nhóm tác giả xây dựng câu lệnh trên ChatGPT nhằm thiết kế ma trận và bộ câu hỏi kiểm tra nhanh 15 phút nhằm đo lường mức độ nắm bắt kiến thức của học sinh sau bài học. Văn bản ghi nhận quá trình đưa ra tiêu chí kiểm tra, phân tích độ phân hóa của câu hỏi và chỉ ra việc ChatGPT có thể tạo câu hỏi trắc nghiệm nhanh nhưng cần giáo viên rà soát lại tính chuẩn xác của các phương án gây nhiễu.

Rubric chấm bài kiểm tra

Nhóm tác giả ứng dụng AI để sinh các tiêu chí đánh giá định lượng cho bài kiểm tra 15 phút. Nội dung phần này thiết lập các bảng đánh giá chi tiết:

  • Bảng IV-1: Phiếu tự đánh giá bài kiểm tra 15 phút.
  • Bảng IV-2: Phiếu đánh giá bài kiểm tra 15 phút.
  • Bảng IV-3: Bảng tổng hợp ưu điểm và nhược điểm của công cụ AI.
  • Bảng IV-4: Rubric chấm bài kiểm tra phân cấp theo từng mức độ đạt được của học sinh.

Kết quả và đóng góp

Kết quả cụ thể

  1. Hoàn thiện bộ hồ sơ bài dạy tích hợp: Xây dựng thành công kế hoạch bài dạy 45 phút theo mẫu 3 cột chuẩn mực sư phạm, bộ slide bài giảng gồm 33 trang trình chiếu được chuẩn hóa bố cục, 01 đề kiểm tra 15 phút và hệ thống 04 bảng đánh giá/rubric.
  2. Hệ thống hóa năng lực và hạn chế của các công cụ AI:
Ưu điểm của AI:

Hạn chế của AI:

Đóng góp sư phạm và phương pháp luận

  • Đồ án chứng minh rằng các công cụ AI như ChatGPT-3.5 và Gamma AI đóng vai trò như một "trợ lý học liệu", giúp giảm tải thời gian chuẩn bị phần khung thô cho giáo viên.
  • Nhóm tác giả đã đúc kết được quy trình kỹ thuật đặt câu lệnh (Prompt Engineering) chuyên biệt cho ngành sư phạm: Muốn AI tạo sản phẩm chuẩn mực, người dùng phải cung cấp đầy đủ thông tin về vai trò, đối tượng học sinh, chương trình đào tạo, cấu trúc bảng và các ràng buộc kỹ thuật hiển thị.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Giới hạn phiên bản AI: Nghiên cứu sử dụng mô hình ChatGPT-3.5 nên khả năng mở rộng chi tiết nội dung sư phạm còn hạn chế, đòi hỏi giáo viên phải tự bổ sung nhiều bước tổ chức hoạt động.
  • Giới hạn kỹ thuật của nền tảng tạo slide: Gamma AI chưa hỗ trợ kiểm soát chặt chẽ lỗi rơi chữ (ngắt dòng typography) và không thể tự động dựng biểu đồ số liệu thống kê trực tiếp trên slide theo yêu cầu prompt.
  • Phạm vi thực nghiệm: Nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở việc tạo lập hồ sơ bài dạy trên môi trường số cho 01 bài học lý thuyết (Bài 41, KHTN 8), chưa triển khai dạy thực nghiệm trên đối tượng học sinh thực tế để đo lường chỉ số tiếp thu bài giảng.

Hướng phát triển tiếp

  • Mở rộng quy trình prompt engineering để xây dựng đồng bộ hồ sơ bài dạy cho toàn bộ các bài học thuộc Chương VIII (Sinh vật và Môi trường) và toàn bộ chương trình Khoa học tự nhiên cấp THCS.
  • Thử nghiệm tích hợp các mô hình AI thế hệ mới hơn nhằm khắc phục triệt để các lỗi về ngữ cảnh sinh học và xử lý biểu đồ số liệu tự động.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này có giá trị thực tiễn đối với:

  • Sinh viên ngành Sư phạm (Khoa học Tự nhiên, Sinh học, Hóa học): Tham khảo quy trình xây dựng bài giảng điện tử và giáo án chuẩn theo Chương trình GDPT 2018 bằng cách kết hợp AI.
  • Giáo viên phổ thông: Nắm bắt được các mẫu prompt hiệu quả, nhận diện trước các lỗi sai phổ biến của AI (lỗi rơi chữ, lấy sai hình ảnh ngữ cảnh) để chủ động kiểm duyệt học liệu.
  • Người nghiên cứu ứng dụng AI trong giáo dục (EdTech): Tham khảo bảng tổng hợp ưu - nhược điểm và chuỗi thực nghiệm tương tác người - máy trên ChatGPT và Gamma AI.

Phần đáng tham khảo nhất trong công trình là chuỗi phân tích cải tiến prompt kèm hình ảnh đối sánh (Hình II-1 đến Hình II-33) và Bảng I-2 về tiến trình bài dạy phân chia thời lượng chi tiết.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao trong lần thử nghiệm đầu tiên, ChatGPT không thể tạo được giáo án đạt chuẩn của Bộ Giáo dục và Đào tạo?

Trong câu lệnh đầu tiên, tác giả chỉ yêu cầu đóng vai nhà sư phạm và nêu tên bài dạy mà không cung cấp cấu trúc mẫu của một giáo án. Do thiếu dữ kiện đầu vào về các thành phần bắt buộc (bảng tiến trình 3 cột, mục tiêu học tập, phương tiện, phương pháp và tiêu chí đánh giá), ChatGPT chỉ phản hồi bằng cách tóm tắt nội dung lý thuyết bài học dạng gạch đầu dòng thông thường.

2. Gamma AI đã gặp sự cố nhầm lẫn ngữ cảnh chuyên môn nào khi tạo slide "Mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ sinh thái"?

Khi tác giả yêu cầu tìm hình ảnh minh chứng cho "mối quan hệ hợp tác, cạnh tranh", Gamma AI đã nhận diện từ khóa theo ngữ cảnh xã hội học và trả về hình ảnh sự hợp tác, cạnh tranh giữa con người với nhau (Hình II-7), thay vì mối quan hệ sinh thái giữa các loài sinh vật trong tự nhiên. Tác giả đã phải sửa prompt thành "mối quan hệ hợp tác, cạnh tranh giữa các sinh vật" để AI chọn đúng ảnh (Hình II-8).

3. Công cụ Gamma AI có tự khắc phục được lỗi rơi chữ (ngắt dòng đứt quãng câu văn) khi người dùng ra lệnh bằng prompt hay không?

Không. Mặc dù tác giả đã nhiều lần tinh chỉnh câu lệnh yêu cầu căn lề Justify và nhấn mạnh "các chữ không bị rơi dòng gây ngắt quãng ý nghĩa của câu", Gamma AI vẫn không thể tự điều chỉnh khoảng cách chữ để xử lý lỗi này. Đây là giới hạn kỹ thuật của công cụ và người dùng bắt buộc phải tự điều chỉnh thủ công.

4. Phản ứng của Gamma AI như thế nào khi được yêu cầu biểu diễn số liệu tác động của con người thành biểu đồ tròn và trích nguồn?

Khi nhận prompt yêu cầu bổ sung số liệu minh họa, vẽ biểu đồ tròn và trích dẫn nguồn, Gamma AI chỉ có thể trích dẫn nguồn thông tin dạng văn bản dưới chân slide nhưng không thể tự động dựng và biểu diễn các số liệu đó dưới dạng biểu đồ tròn trực quan. Giáo viên phải tự chuẩn bị biểu đồ từ phần mềm bên ngoài để chèn vào bài.

5. Tiến trình giảng dạy hoàn chỉnh 45 phút của Bài 41 sau khi nhóm tác giả hiệu chỉnh gồm những mốc thời gian nào?

Theo Bảng I-2 của đồ án, tiến trình bài dạy gồm:

  • Hoạt động 1: Khởi động (5 phút) - Quan sát hình ảnh và trả lời câu hỏi gợi mở về môi trường sống.
  • Hoạt động 2.1: Tìm hiểu khái niệm môi trường sống (10 phút) - Nhận biết khái niệm và phân loại 4 môi trường sống.
  • Hoạt động 2.2: Tìm hiểu các nhân tố sinh thái (20 phút) - Phân loại nhân tố vô sinh, hữu sinh và hoàn thành Phiếu học tập số 1.
  • Thời gian còn lại dành cho hoạt động tổng kết và hướng dẫn đánh giá kết quả học tập.

Kết luận

Đồ án môn học của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã khảo nghiệm toàn diện việc ứng dụng ChatGPT và Gamma AI vào thiết kế hồ sơ bài dạy môn Khoa học tự nhiên lớp 8. Kết quả nghiên cứu khẳng định kỹ thuật thiết kế câu lệnh (Prompt Engineering) đóng vai trò quyết định đến chất lượng học liệu số do AI tạo ra. Mặc dù các công cụ AI giúp tối ưu hóa đáng kể thời gian xây dựng khung giáo án và trình chiếu, sự can thiệp và kiểm duyệt chuyên môn sư phạm của giáo viên vẫn là yếu tố bắt buộc để đảm bảo tính chuẩn xác về khoa học và thẩm mỹ giảng dạy.