CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ DẠY HỌC THEO ĐỊNH HƯỚNG STEM CHỦ ĐỀ ROBOTICS VÀ QUY TRÌNH DẠY HỌC 6E Giáo dục STEM 1.1 Khái niệm STEM và giáo dục STEM STEM là chữ viết tắt của khoa học (Science), công nghệ (Technology), kỹ thuật (Engineering), toán học (Mathematics). Giáo dục STEM là phương thức giáo dục tích hợp. Khác với các loại hình giảng dạy truyền thống tử trước - có sự phân tách các môn học một cách riêng rẽ, giáo dục STEM kết hợp 2 hay nhiều môn học chính trên lớp kết hợp bốn thành tố khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học nhằm mục đích tập trung phát triển khả năng suy nghĩ, giải quyết tình huống trong thực tế [9].
Trong dự thảo chương trình giáo dục phổ thông tổng thể [2], giáo dục STEM đã được chú trọng thông qua các biểu hiện cụ thể như sau: - Chương trình giáo dục phổ thông mới có đầy đủ các môn học STEM: Toán học, Khoa học tự nhiên, Công nghệ, Tin học; - Vị trí vai trò của giáo dục tin học và giáo dục công nghệ trong chương trình giáo dục phổ thông mới được chú trọng hơn; - Các chủ đề STEM được thể hiện trong chương trình môn học tích hợp ở giai đoạn giáo dục cơ bản như các môn Tự nhiên và Xã hội , Khoa học, Tin học và Công nghệ (ở tiểu học), môn Khoa học tự nhiên (ở trung học cơ sở); - Định hướng đổi mới phương pháp giáo dục nêu trong chương trình giáo dục phổ thông tổng thể phù hợp với giáo dục STEM ở cấp độ dạy học tích hợp chủ đề liên môn, vận dụng kiến thức liên môn giải quyết các vấn đề thực tiễn; Như vậy giáo dục STEM hiện nay đang là một vấn đề rất được quan tâm đưa vào trường học – môi trường giáo dục chính thức. Giáo dục STEM đưa vào trường học dưới một trong ba hình thức: tích hợp đơn môn, tích hợp đa môn hoặc tích hợp liên môn [6, 7].2 Các cách tiếp cận dạy học tích hợp STEM - Đa ngành o Dạy học theo chủ đề o Bám sát vào chuẩn kiến thức o Chỉ xoay quanh chủ đề và không có mở rộng ngoài chủ đề - Liên ngành 3 Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp o Kết hợp từ 2 môn học trở lên vào dạy học o Mục tiêu học tập là từ một khái niệm, hình thành các khái niệm mới hay học được một kỹ năng mới - Xuyên ngành o Kiến thức và kỹ năng được triển khai nhờ sự kết hợp từ hai hay nhiều thành tố STEM o Áp dụng cho các vấn đề, dự án thực tế o Hình thành sự hiểu biết sâu rộng về một khái niệm, kiến thức mới (David Lee EdTech, 26/7/2015) STEM Robotics 1.1 Giới thiệu về STEM Robotics Robotics là một nhánh liên kết giữa kỹ thuật và khoa học bao gồm các ngành như kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật thông tin, khoa học máy tính và các ngành khác. Theo định nghĩa của NASA, khoa học robot là lĩnh vực nghiên cứu về robot, trong đó robot được hiểu là các hệ thống máy móc có thể được sử dụng để thực hiện một nhiệm vụ. Robot có hai loại bao gồm robot tự vận hành (tự động hóa) theo chức năng đã thiết lập và robot có người điều khiển hoặc tác động để thực hiện một nhiệm vụ [10].
Đây là một định nghĩa khá cụ thể để tiếp cận về khoa học robot. Robotics liên quan đến việc thiết kế, xây dựng, vận hành và sử dụng robot, cũng như các hệ thống máy tính để điều khiển, thu nhận thông tin và xử lý thông tin. Lĩnh vực khoa học Robot là một hướng tiếp cận để cho HS thấy rằng kỹ thuật và công nghệ thông tin có thể thú vị bằng cách làm cho kiến thức trừu tượng trở nên cụ thể hoá. Từ định nghĩa về Robotics, ta thấy là lĩnh vực có sự giao thoa giữa khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học.
Từ thiết kế và lập trình đến xây dựng một cỗ máy đều đòi hỏi kiến thức liên ngành cao và khiến HS trải qua một loạt các nhiệm vụ dựa trên việc thực hiện các hoạt động tìm hiểu. Robotics liên quan đến lập trình và điện tử, do đó nó là một phần không thể thiếu của STEM. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng Robotics là một trong những yếu tố thúc đẩy thành công nhất để khiến HS quan tâm đến các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học. Thông qua các hoạt động, HS tích cực tham gia phát triển khả năng giao tiếp, tư duy phê phán và các kỹ năng hợp tác.
Dựa vào vai trò của robot trong quá trình học, những dự án hay hoạt động về Robotics ở trường học được chia làm hai loại: 4 Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp - Robot như là đối tượng học tập: Robot được dạy như một môn học riêng, có các chủ đề liên quan đến Robotics như thiết kế, xây dựng Robot, chương trình robot và trí tuệ nhân tạo. - Robot là công cụ cho học tập: Robot đóng vai trò như một công cụ học tập thường áp dụng cho dạy học liên môn, dạy học dự án trong các môn học Khoa học, toán học, tin học, công nghệ và cung cấp nhiều lợi ích mới cho giáo dục ở tất cả các cấp học. Trong những năm qua những dự án và sáng kiến giáo dục, giảng dạy Robotics được phát triển ở các trường đại học, trường trung học, tiểu học, các trung tâm hoặc các viện nghiên cứu giáo dục. - Nhóm Lifelong Kindergarten tại MIT Media đang phát triển nhiều dự án Robotics mở rộng từ sự khám phá cơ sở của chuyển động cơ học (Learning about Motion) đến học kỹ thuật bằng việc thiết kế Robot.
Mục tiêu của họ là thu hút mọi người vào trải nghiệm học tập sáng tạo, đặc biệt là đối tượng mẫu giáo. - Mạng lưới Robo@Scuola của trường học ở Ấn Độ tập hợp thành một trường mạng độc quyền quốc gia từ bậc tiểu học đến trung học cơ sở. - Kama-Lin (vào năm 2006) lưu ý rằng mặc dù Robotics được sử dụng trong giáo dục khắp thế giới như là một công cụ học tập, nhưng nó chỉ được triển khai trong một số môi trường học tập đặc biệt nhất định. Thông qua nghiên cứu chất lượng các hoạt động, nhà nghiên cứu nhận thấy có rất nhiều lợi ích mà dạy học Robotics mang lại: công nghệ robot hỗ trợ cho HS luyện tập và học những kỹ năng cần thiết như kỹ năng hợp tác, khả năng nhận thức, sự tự tin, sự hiểu biết sâu rộng.
- Những nghiên cứu khác tập trung vào tích hợp Robotics vào những giai đoạn đầu của giáo dục để phát triển các hoạt động thu hút HS và tạo môi trường luyện tập có hiệu quả. Việc xây dụng và lập trình một thiết bị liên quan đến Robot cho phép HS khám phá những hiện tượng cơ học như sự truyền chuyển động, chức năng của bánh rang, những dự án bảo vệ môi trường. Robotics là công cụ hỗ trợ đắt lực cho việc học tập của HS. Hơn 20 năm về trước, Robot lần tiên xuất hiện trong các lớp học ở Mỹ vì mục đích giáo dục.
Ngoài các hoạt động ở trên lớp, nhiều cuộc thi, cuộc triển lãm về Robot diễn ra như Robotfest, Robot Cup, Robot Cup Junior là các cuộc thi quốc tế về Robot. Ngoài ra còn có các cuộc thi trong nước khác như ở Mỹ, cuộc thi The FISRT LEGO League đã thu hút 2800 nhóm 5 Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp HS từ 9 đến 14 tuổi trên toàn thế giới. Ở châu Âu có các cuộc thi như RoboParty - được tổ chức bởi trường đại học Minho - thử thách người tham dự thiết kế robot từ ngôn ngữ lập trình scratch, CEABOT – cuộc thi về robot hình người tí hon, RobotChallenge – Robot tự động,… Hiện nay, để hỗ trợ cho việc giảng dạy Robotics, trên thị trường xuất hiện nhiều bộ kit với mẫu mã đa dạng, phù hợp với từng mục đích sử dụng giảng dạy Robotics cao cấp như LEGO Mindstorm EV3, LEGO Creator Robot explore, LEGO Mindstorm NXT, STEM DIY Robot,… 1.2 Lợi ích của việc áp dụng Robotics vào dạy học STEM - Tăng hứng thú và hoạt động: Trẻ em rất tò mò và muốn tương tác, tìm hiểu thế giới xung quanh. Thông qua chương trình lập trình và lắp ráp trẻ có thể thử nghiệm, vận hành mô hình, trẻ phải di chuyển, hoạt động rất nhiều chứ không ngồi một chỗ làm việc với màn hình máy tính.
- Phát triển tư duy sáng tạo và tư duy phản biện: Lắp ráp Robot, thiết kế các chương trình là các hoạt động đặt trẻ vào vai một người kỹ sư lắp ráp và lập trình. Bằng cách tìm hiểu các động cơ, cảm biến, tạo ra những dự án, trẻ em có thể phát triển khả năng tưởng tượng và khơi gợi khả năng giải quyết vấn đề của chúng. - Phát triển kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng giao tiếp. - Phát triển kỹ năng thiết kế kỹ thuật.
Quy trình dạy học 6E 1.1 Giới thiệu Tiền đề của mô hình dạy học 6E là quy trình dạy học 5E. Quy trình 5E là một quy trình dạy học do Biological Sciences Curriculum Study (BSCS) đặt ra vào năm 1980 nhằm giúp cho giáo viên (GV) dựa vào quy trình này để thiết kế tiến trình dạy học với mục tiêu rèn luyện cho HS các kỹ năng của thế kỷ 21 đặt ra như khả năng thích ứng với môi trường, kỹ năng giao tiếp xã hội, kỹ năng giải quyết vấn đề, khả năng tự quản lý, khả năng tư duy [9]. 5E là viết tắt của 5 chữ E đó cũng chính là 5 giai đoạn áp dụng vào thiết kế tiến trình dạy học, bao gồm Engage – gây hứng thú, Explore – khám phá, Explain – giải thích, Enrich – làm phong phú, Evaluate – đánh giá. Vào năm 2004 ITEEA’s STEM Center for Teaching and Learning (STEM – CTL) đã chọn mô hình giảng dạy 5E của BSCS.
Những tiêu chuẩn giảng dạy trong chương trình Engeneering by DeSIGN™ Model được phát triển theo khung chuẩn BSCS. 6 Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp The Next Generation Science Standards (NGSS) nhấn mạnh việc thực hành thiết kế kỹ thuật như một kỹ năng là một bộ phận không thể thiếu trong giáo dục khoa học mà mọi HS nên học [8]. NGSS đặt thiết kế kỹ thuật ngang với các nội dung học thuật các môn khoa học đặt ra trong chương trình giáo dục K12 của Mỹ. Điều này tạo cơ hội cho các chương trình, mô hình giáo dục phát triển, đặt biệt là STEM.
Khi đó, tiêu chuẩn NGSS đã thúc đẩy việc tăng cường, làm nổi bật lên thành tố T và E trong STEM. STEM – CTL đề ra mô hình chuẩn của BSCS để đáp ứng NGSS.