Tài liệu Luận án tiến sĩ tổ chức dạy học chủ đề stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh trung học cơ sở

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI LÊ HẢI MỸ NGÂN TỔ CHỨC DẠY HỌC CHỦ ĐỀ STEM ROBOTICS NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CỦA HỌC SINH TRUNG HỌC CƠ SỞ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC Hà Nội, 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI LÊ HẢI MỸ NGÂN TỔ CHỨC DẠY HỌC CHỦ ĐỀ STEM ROBOTICS NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CỦA HỌC SINH TRUNG HỌC CƠ SỞ CHUYÊN NGÀNH: LÍ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC BỘ MÔN VẬT LÍ MÃ SỐ: 9.14.01.11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS NGUYỄN VĂN BIÊN 2. PGS.TS NGUYỄN ĐÔNG HẢI Hà Nội, 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả của luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Tác giả Lê Hải Mỹ Ngân LỜI CẢM ƠN Để có thể hoàn thành luận án nghiên cứu này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình về mọi mặt từ nhà trường, thầy cô, gia đình và bạn bè. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Sau Đại học, Ban Chủ nhiệm Khoa Vật lí và Bộ môn Phương pháp giảng dạy Vật lí trường Đại học Sư phạm Hà Nội, đã tạo môi trường học tập học thuật cao và thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập tại nhà trường. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lí và Bộ môn Phương pháp giảng dạy Vật lí trường Đại học Sư phạm Tp.Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi được học tập bồi dưỡng chuyên môn, luôn động viên, chia sẻ về cả tinh thần và chuyên môn để tôi có thể thực hiện tốt công việc học tập của mình. Trong quá trình làm nghiên cứu, tôi được trao đổi chuyên môn và học tập từ rất nhiều thầy cô. Quan trọng nhất, tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Cô tổ Phương pháp giảng dạy Vật lí trường Đại học Sư phạm Hà Nội, chiếc nôi đầu ngành trong nghiên cứu giáo dục. Thầy cô đã cho tôi rất nhiều bài học và chia sẻ quý giá trong quá trình nghiên cứu. Bên cạnh đó, tôi cũng có cơ hội tiếp cận và học hỏi từ nhiều thầy cô là chuyên gia STEM ở nhiều nơi. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả Thầy Cô đã dạy cho tôi những bài học giá trị về chuyên môn. Đặc biệt, trên cả hai tiếng cảm ơn, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới THẦY PGS.TS. Nguyễn Văn Biên đã dành nhiều thời gian trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, tạo điều kiện cho tôi phát triển năng lực nghiên cứu trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. Không chỉ về chuyên môn, THẦY còn là một tấm gương sáng cho tôi về đạo đức của một người giảng viên trong công tác giảng dạy và nghiên cứu. Bên cạnh đó, tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ quý giá của Thầy PGS.TS. Nguyễn Đông Hải, người luôn giúp đỡ, định hướng và chỉ bảo tôi trong nghiên cứu và cả trong cuộc sống. Sự hướng dẫn, dìu dắt của hai Thầy đã giúp tôi có động lực để cố gắng phát triển bản thân mình nhiều hơn. Hành trình nghiên cứu sinh đôi khi gặp khó khăn, sự chia sẻ và đồng hành của anh chị đồng nghiệp, bạn bè và học trò là nguồn động lực lớn đối với mỗi người. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Hương, chị Trang, chị Minh, chị Thảo, anh Nga, chị Tâm, bạn Lan, bạn Ngân đã luôn bên cạnh, động viên và hỗ trợ tôi trong mọi hoàn cảnh. Cảm ơn em T.Khuyên đã chia sẻ các khó khăn tâm lí và cho tôi nhiều bài học về nghiên cứu trong quá trình NCS. Cảm ơn bạn Đức đã đồng hành trong hành trình “cùng tiến” này. Cảm ơn các học trò V.Hải, M.Hạnh, M.Thảo, T.Vy, H. Phương, Đ.Anh, Đ.Phương, Q.Thắng, K.Ánh... đã phối hợp và chia sẻ cùng cô làm nghiên cứu. Cảm ơn các thầy cô ở trường THCS-THPT Hoa Sen đã nhiệt tình tạo điều kiện để tôi thực nghiệm sư phạm. Cảm ơn các anh chị em NCS tại Tổ Phương pháp giảng dạy, Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội đã cùng chia sẻ những vui vẻ và cả những khó khăn trong quá trình học tập. Cuối cùng và cũng là quan trọng nhất, tôi xin gửi lòng biết ơn trân trọng sâu sắc và vô cùng đặc biệt đến GIA ĐÌNH yêu quý của mình, những người thân vừa là nơi che chở vừa là nguồn động lực lớn lao đối với bản thân tôi trong cuộc sống. Với tất cả lòng biết ơn chân thành từ trái tim, tôi xin trân trọng cảm ơn TẤT CẢ. MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT ............................................................... i DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... ii DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. iv MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .........................................8 1.1. Nghiên cứu về giáo dục STEM robotics ...........................................................8 1.1.1. Quan điểm tiếp cận giáo dục STEM robotics ......................................8 1.1.2. Thiết bị trong giáo dục STEM robotics ................................................9 1.1.3. Hình thức tổ chức giáo dục STEM robotics .......................................10 1.1.4. Tác động của giáo dục STEM robotics đối với học sinh ...................12 1.2. Nghiên cứu về giáo dục STEM robotics trong giáo dục vật lí .....................13 1.2.1. Robotics là công cụ hỗ trợ dạy học vật lí ...........................................14 1.2.2. Giáo dục vật lí lồng ghép trong chủ đề robotics ................................15 1.3. Nghiên cứu về phát triển năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục STEM robotics .....................................................................................................................17 1.4. Những vấn đề được tiếp tục nghiên cứu trong luận án ................................20 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÍ LUẬN VỀ TỔ CHỨC CHỦ ĐỀ STEM ROBOTICS NHẰM BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ .............................22 2.1. Giáo dục STEM ................................................................................................22 2.1.1. Khái niệm giáo dục STEM .................................................................22 2.1.2. Mô hình tích hợp trong giáo dục STEM ............................................22 2.1.3. Hình thức tổ chức giáo dục STEM trong nhà trường .........................24 2.2. Giáo dục STEM robotics .................................................................................25 2.2.1. Khái niệm giáo dục STEM robotics ...................................................25 2.2.2. Vai trò của giáo dục STEM robotics ..................................................26 2.2.3. Phân loại giáo dục STEM robotics .....................................................27 2.2.4. Các mức độ nhiệm vụ học tập trong giáo dục STEM robotics ..........28 2.2.5. Mối liên hệ giữa các lĩnh vực trong giáo dục STEM robotics ...........29 2.2.6. Đánh giá trong giáo dục STEM robotics ............................................30 2.3. Năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục STEM robotics .........................31 2.3.1. Khái niệm và cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề .............................31 2.3.2. Mối liên hệ năng lực giải quyết vấn đề và tư duy máy tính ...............33 2.3.3. Xây dựng cấu trúc năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics .........34 2.4. Quy trình xây dựng chủ đề STEM robotics nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề .............................................................................................................43 2.4.1. Nguyên tắc sư phạm trong xây dựng chủ đề STEM robotics ............43 2.4.2. Quy trình xây dựng chủ đề STEM robotics .......................................43 2.4.3. Định hướng tích hợp giáo dục vật lí trong chủ đề STEM robotics ....50 2.5. Tiến trình tổ chức dạy học chủ đề STEM robotics nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề ......................................................................................................54 2.5.1. Dạy học giải quyết vấn đề ..................................................................54 2.5.2. Giải quyết vấn đề theo quy trình thiết kế kĩ thuật ..............................55 2.5.3. Giải quyết vấn đề dựa trên tư duy máy tính trong chủ đề STEM robotics ...............................................................................................................................56 2.5.4. Tiến trình tổ chức dạy học chủ đề STEM robotics ............................59 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ........................................................................................64 CHƯƠNG 3. CƠ SỞ THỰC TIỄN VỀ GIÁO DỤC STEM ROBOTICS .........65 3.1. Giáo dục STEM robotics ở Việt Nam .............................................................65 3.2. Thực trạng học sinh tham gia giáo dục STEM robotics ...............................66 3.2.1. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................66 3.2.2. Thiết kế nghiên cứu ............................................................................67 3.2.3. Kết quả và thảo luận ...........................................................................68 3.3. Thực trạng quan điểm của giáo viên đối với giáo dục STEM robotics .......71 3.3.1. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................71 3.3.2. Thiết kế nghiên cứu ............................................................................71 3.3.3. Kết quả và thảo luận ...........................................................................73 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ........................................................................................81 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG CHỦ ĐỀ STEM ROBOTICS BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ ................................................................................82 4.1. Giáo dục STEM robotics trong chương trình giáo dục phổ thông 2018 .....82 4.1.1. Định hướng giáo dục STEM robotics trong chương trình 2018 ........82 4.1.2. Tích hợp giáo dục vật lí trong chủ đề STEM robotics sử dụng vi điều khiển Arduino ........................................................................................................84 4.2. Xây dựng chủ đề STEM robotics xe robot di chuyển theo đường kẻ đen sử dụng vi điều khiển Arduino Uno ...........................................................................94 4.2.1. Chủ đề xe robot di chuyển theo đường vạch đen thẳng .....................94 4.2.2. Định hướng phát triển chủ đề xe robot di chuyển theo vạch kẻ đen ..97 4.3. Thiết kế tổ chức chủ đề STEM robotics bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề - chủ đề mô hình xe robot di chuyển theo vạch kẻ đen thẳng ........................99 4.3.1. Mục tiêu phát triển năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục STEM robotics của học sinh ...........................................................................................100 4.3.2. Tiến trình tổ chức dạy học chủ đề STEM robotics mô hình xe robot di chuyển theo vạch kẻ đen thẳng ...........................................................................102 4.3.3. Kế hoạch tổ chức dạy học chủ đề STEM robotics mô hình xe robot di chuyển theo vạch kẻ đen thẳng ...........................................................................107 4.3.4. Đánh giá năng lực giải quyết vấn đề thiết kế chế tạo xe robot di chuyển theo vạch kẻ đen của học sinh .............................................................................114 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ......................................................................................120 CHƯƠNG 5. THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM ........................................................121 5.1. Mục đích thực nghiệm sư phạm ...................................................................121 5.2. Thiết kế thực nghiệm sư phạm .....................................................................121 5.2.1. Đối tượng thực nghiệm.....................................................................121 5.2.2. Tiến trình thực nghiệm .....................................................................122 5.2.3. Công cụ đánh giá và phương pháp xử lí dữ liệu ..............................124 5.3. Kết quả thực nghiệm sư phạm lần 1.............................................................127 5.3.1. Kết quả nghiên cứu...........................................................................127 5.3.2. Thảo luận ..........................................................................................129 5.4. Kết quả thực nghiệm sư phạm lần 2.............................................................131 5.4.1. Kết quả nghiên cứu...........................................................................131 5.4.2. Thảo luận ..........................................................................................153 KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 ......................................................................................156 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................157 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ..........................................161 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................163 PHỤ LỤC ...............................................................................................................172 i DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Đọc là HS học sinh GV giáo viên CTGDPT chương trình giáo dục phổ thông THCS trung học cơ sở THPT trung học phổ thông GD STEM giáo dục STEM (Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật, Toán học) KHTN khoa học tự nhiên GQVĐ giải quyết vấn đề TDMT tư duy máy tính SD standard deviation (độ lệch chuẩn) ES effect size (giá trị mức độ ảnh hưởng) TTĐ trước tác động STĐ sau tác động TKKT thiết kế kĩ thuật TNSP thực nghiệm sư phạm Tp.HCM Thành phố Hồ Chí Minh ii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 - Cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề và sáng tạo theo CTGDPT 2018 ...32 Bảng 2.2 - Cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề theo tác giả Đỗ Hương Trà ............32 Bảng 2.3 - Mối liên hệ quá trình tư duy giải quyết vấn đề và tư duy máy tính ........33 Bảng 2.4 - Cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề trong GD STEM robotics ..............35 Bảng 2.5 - Cơ sở đề xuất biểu hiện hành vi GQVĐ trong GD STEM robotics ........36 Bảng 2.7 - Tiêu chí chất lượng biểu hiện hành vi năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục STEM robotics............................................................................................38 Bảng 2.8 - Nội dung và yêu cầu cần đạt các môn học liên quan trong chủ đề robot hút bụi tránh vật cản ........................................................................................................46 Bảng 2.9 - Kiến thức, kĩ năng nền tảng và cách vận dụng để giải quyết các nhiệm vụ trong chủ đề robot hút bụi tự động tránh vật cản ......................................................48 Bảng 2.10 - Hoạt động HS và GV trong tiến trình tổ chức chủ đề STEM robotics .60 Bảng 3.1- Kết quả Cronbach’s α các thành tố trong bảng hỏi học sinh ....................67 Bảng 3.2 - Đặc điểm mẫu khảo sát học sinh .............................................................67 Bảng 3.3 - Mô tả thống kê điểm trung bình về sự tò mò, sự tự tin và nhận thức về ý nghĩa của lĩnh vực robotics đối với các nhóm học sinh ............................................70 Bảng 3.4 - Kết quả sánh t-test về sự tò mò và sự tự tin giữa các nhóm đối tượng học sinh khác nhau về giới tính/ kinh nghiệm lập trình ...................................................70 Bảng 3.5 - Đặc điểm mẫu khảo sát giáo viên............................................................72 Bảng 3.6 - Trung bình, độ lệch chuẩn cho các mệnh đề thành tố lợi ích và khó khăn trong giáo dục STEM robotics. .................................................................................77 Bảng 3.7 - Kết quả so sánh ANOVA về quan điểm khó khăn giữa các nhóm GV khác nhau về môn học và kinh nghiệm tham gia hoạt động STEM robotics ....................78 Bảng 4.1 - Thành phần năng lực Thiết kế kĩ thuật, chương trình môn Công nghệ cấp tiểu học và trung học cơ sở .......................................................................................83 Bảng 4.2 - Các mạch nội dung và yêu cầu cần đạt về điện trong chương trình môn KHTN có thể vận dụng trong chủ đề STEM robotics sử dụng vi điều khiển Arduino ...................................................................................................................................85 iii Bảng 4.3 - Nội dung và yêu cầu cần đạt các môn học liên quan trong chủ đề robot di chuyển theo vạch kẻ đen ...........................................................................................95 Bảng 4.4 - Kiến thức, kĩ năng nền tảng và cách vận dụng để giải quyết các nhiệm vụ trong chủ đề xe robot di chuyển theo vạch kẻ đen thẳng ..........................................96 Bảng 4.5 - Mục tiêu phát triển năng lực giải quyết vấn đề khi tổ chức dạy học chủ đề STEM robotics mô hình robot di chuyển theo vạch kẻ đen thẳng ..........................100 Bảng 5.1 - Mô tả mẫu trong thực nghiệm sư phạm ................................................121 Bảng 5.2 - Tiến trình thực nghiệm hai chủ đề STEM robotics trong TNSP lần 2 ..123 Bảng 5.3 - Biểu hiện hành vi năng lực giải quyết vấn đề trong các hoạt động của tiến trình tổ chức chủ đề STEM robotics .......................................................................124 Bảng 5.4 - Rubrics đánh giá năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics theo chủ đề .................................................................................................................................125 Bảng 5.5 - Cấu trúc bài kiểm tra năng lực giải quyết vấn đề theo tư duy máy tính126 Bảng 5.6 - Điểm trung bình cho từng biểu hiện hành vi của học sinh qua 2 chủ đề .................................................................................................................................143 Bảng 5.7 - Kết quả Wincoxon rank test đối với bài kiểm tra trước và sau tác động .................................................................................................................................152 Bảng 5.8 - Kết quả Wilcoxon Signed Ranks Test từng kĩ năng TDMT đối với 2 nhóm .................................................................................................................................152 iv DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 - Các hoạt động học tập vật lí với chủ đề robot cứu hộ [42].....................16 Hình 1.2 - Khung lí thuyết nghiên cứu của đề tài .....................................................21 Hình 2.1 - Mô hình giáo dục STEM tích hợp theo Kelley (2016) ............................23 Hình 2.2 - Sơ đồ cấu trúc và nguyên lí hoạt động của robot ....................................25 Hình 2.3 - Các mức độ nhiệm vụ học tập trong giáo dục STEM robotics................28 Hình 2.4 - Mối liên hệ giữa các lĩnh vực trong giáo dục STEM robotics.................30 Hình 2.5 - Các mức độ hành vi năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics ............38 Hình 2.6 - Sơ đồ các nội dung và nhiệm vụ học tập ứng với các biểu hiện hành vi trong thành tố năng lực B1. Nghiên cứu thông tin ....................................................42 Hình 2.7 - Quy trình xây dựng chủ đề STEM robotics .............................................44 Hình 2.8 - Giáo dục vật lí/khoa học trong các hoạt động chủ đề STEM robotics ....50 Hình 2.9 - Minh họa một số nội dung tích hợp vật lí - khoa học trong chủ đề hệ thống cảnh báo chất lượng nước .........................................................................................53 Hình 2.10 - Tiến trình dạy học giải quyết vấn đề (theo Nguyễn Văn Cường) .........54 Hình 2.11 - Quy trình thiết kế kĩ thuật trong giáo dục STEM ..................................56 Hình 2.12 - Tiến trình thiết kế chế tạo sản phẩm robot dựa trên tư duy máy tính ....58 Hình 2.13 - Tiến trình tổ chức dạy học chủ đề STEM robotics theo quy trình thiết kế kĩ thuật và giải quyết vấn đề theo tư duy máy tính ...................................................60 Hình 2.14 - Biểu hiện năng lực giải quyết vấn đề trong tiến trình tổ chức dạy học chủ đề STEM robotics ....................................................................................................63 Hình 3.1 - Tình hình giáo viên tham gia các hoạt động giáo dục về robotics ..........66 Hình 3.2 - Tỉ lệ các trường trong việc trang bị bộ thiết bị robotics ..........................66 Hình 3.3 - Sơ đồ khái quát cấu trúc bảng hỏi học sinh ............................................67 Hình 3.4 - Kết quả thống kê học sinh tham gia các hoạt động robotics ...................68 Hình 3.5- Kết quả thống kê học sinh tham gia cuộc thi robotics ..............................69 Hình 3.6 - Kết quả thống kê học sinh trải nghiệm bộ thiết bị robotics .....................69 Hình 3.7 - Sơ đồ khái quát cấu trúc bảng hỏi giáo viên ............................................72 Hình 3.8 - Quan điểm của giáo viên về GD STEM robotics ...................................74 v Hình 3.9 - Quan điểm giáo viên về GD STEM robotics theo kinh nghiệm hoạt động STEM robotics ..........................................................................................................75 Hình 3.10 - Quan điểm GV phụ trách các môn học khác nhau về GD STEM robotics ...................................................................................................................................75 Hình 3.11 - Quan điểm giáo viên theo kinh nghiệm giảng dạy về GD STEM robotics ...................................................................................................................................76 Hình 4.1 - Chủ đề F. Giải quyết vấn đề với sự trợ giúp của máy tính trong chương trình môn tin học cấp THCS .....................................................................................82 Hình 4.2 - Yêu cầu cần đạt về Lập trình trực quan, môn tin học lớp 8.....................83 Hình 4.3 - Mạch điện sử dụng Arduino Uno R3 là nguồn điện cho cảm biến .........86 Hình 4.4 - Mạch điện nối tiếp với Arduino Uno R3, buzzer và điện trở phù hợp ....86 Hình 4.5 - Sử dụng rơ-le làm công tắc điện tử để kích hoạt máy bơm .....................87 Hình 4.6 - Các hoạt động khám phá và thiết kế trong chủ đề xe robot di chuyển theo vạch kẻ đen ................................................................................................................98 Hình 5.1 - Tiến trình tổ chức thực nghiệm sư phạm lần 1 ......................................122 Hình 5.2 - Tiến trình tổ chức thực nghiệm sư phạm lần 2 ......................................123 Hình 5.3 - Các linh kiện cơ bản cần sử dụng trong hai chủ đề TNSP lần 2 ...........123 Hình 5.4 - Bài làm phân tích hệ thống cấp nước tự động đơn giản của học sinh ...128 Hình 5.5 - Biểu đồ tiêu chí chất lượng các chỉ số hành vi năng lực GQVĐ của HS trong chủ đề hệ thống cung cấp nước tự động ........................................................129 Hình 5.6 - Bản thiết kế robot di chuyển vạch kẻ đen thẳng ....................................137 Hình 5.7 - Bản vẽ thiết kế robot hút bụi tránh vật cản đơn giản .............................139 Hình 5.8 - Bản vẽ thiết kế robot hút bụi tránh vật cản đơn giản .............................140 Hình 5.9 - Sản phẩm robot hút bụi tự động tránh vật cản .......................................141 Hình 5.10 - Kết quả ghi nhận thử nghiệm và cách điều chỉnh của học sinh...........142 Hình 5.11 - Đồ thị điểm trung bình chất lượng hành vi GQVĐ của HS qua 2 chủ đề .................................................................................................................................144 Hình 5.12 - Tỉ lệ số lượng HS theo chất lượng hành vi trong hợp phần A. Tìm hiểu vấn đề qua 2 chủ đề .................................................................................................145 vi Hình 5.13 - Số lượng HS theo chất lượng hành vi trong hành vi B1.2 ...................146 Hình 5.14 - Biểu đồ chất lượng hành vi của 3 HS phát triển ổn định qua 2 chủ đề148 Hình 5.15 - Biểu đồ chất lượng hành vi của 2 học sinh 13BN và 25DT ................148 Hình 5.16 - Biểu đồ chất lượng hành vi của 3 học sinh 07TH, 18TP và 11 KL.....149 Hình 5.17 - Biểu đồ năng lực học sinh nhóm có biểu hiện chưa ổn định ...............150 Hình 5.18 - Biểu đồ chất lượng hành vi của 2 học sinh 05GB và 09MH ...............150 Hình 5.19 - Biểu đồ năng lực học sinh nhóm có biểu hiện đặc biệt .......................151 1 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Theo Hiệp hội quốc gia kĩ sư chuyên nghiệp [66], mọi công dân cần trang bị năng lực cần thiết về Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật, Toán học (STEM) để có thể thích ứng với những thách thức của cuộc cách mạng công nghiệp thời đại mới. Việc thúc đẩy giáo dục STEM (GD STEM) được chú trọng ở hầu hết cấp học tại nhiều nước trên thế giới. GD STEM được kì vọng không chỉ nâng cao trình độ khoa học mà còn kích thích hứng thú của học sinh (HS) đối với các ngành nghề liên quan đến khoa học [50]. Song, một chương trình GD STEM độc lập trong nhà trường chưa khả thi ở nhiều quốc gia [51]. Các chủ đề tích hợp STEM trong chương trình giáo dục phổ thông (CTGDPT) là một trong các định hướng GD STEM trong nhà trường hiện nay được quan tâm và chú trọng [15, 17, 23]. Trong thời đại IoT và công nghệ 4.0, lĩnh vực robotics được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm tích hợp vào giáo dục, phản ánh qua số lượng các bài báo có từ khóa “robotics” và “giáo dục - education” ngày càng tăng trong nhiều năm gần đây [36, 92]. Robotics được nhận định là lĩnh vực có tiềm năng để thực hiện GD STEM trong nhà trường [30, 80], giúp HS hiểu về ứng dụng khoa học, kĩ thuật, công nghệ, và toán học, đáp ứng mục tiêu GD STEM [49, 81, 86]. Theo Komis (2016), trong hoạt động robotics, HS cần vận dụng kiến thức tích hợp nhiều lĩnh vực để xây dựng “tri thức” cho chính robot [83]. Li (2020) khẳng định lập trình không phải là thành tố quan trọng nhất trong hoạt động robotics, mà cần chú trọng kĩ năng và kiến thức ở các lĩnh vực khác liên quan [87]. Chevalier (2019) nhấn mạnh quá trình tư duy của HS vận dụng kiến thức nhiều lĩnh vực để giải quyết vấn đề (GQVĐ) mới là mục tiêu quan trọng trong GD STEM robotics [57]. Chính vì tích chất tích hợp liên ngành, việc thực hiện GD STEM robotics trong nhà trường còn gặp trở ngại ngay trong quan điểm của người tổ chức, chính là GV các môn học như khoa học/vật lí, toán học, tin học, công nghệ [98]. Do đó, việc làm rõ quan điểm tiếp cận, đặc trưng cũng như mối 2 liên hệ giữa các lĩnh vực trong GD STEM robotics là cần thiết để góp phần giúp GV ở các môn học khác nhau phối hợp hiệu quả trong việc thực hiện GD STEM robotics. Theo Khine (2017), GD STEM robotics tạo môi trường cho HS vận dụng kiến thức nhiều lĩnh vực để giải quyết các vấn đề thực tiễn, và do đó năng lực GQVĐ có thể được bồi dưỡng thông qua hoạt động STEM robotics [38]. Bên cạnh đó, do đặc trưng gắn liền với công nghệ và máy tính, tư duy máy tính (TDMT) được xem là một cách thức hiệu quả để GQVĐ trong lĩnh vực robotics, với các kĩ năng cốt lõi như tư duy phân rã và tư duy thuật toán [70, 80, 86, 90, 100, 112]. TDMT được hiểu là một cách hình thành ý tưởng khoa học thể hiện qua các bước tư duy rõ ràng cho giải pháp hiệu quả và có thể ứng dụng trong nhiều trường hợp [28]. Theo đó, việc tổ chức các hoạt động STEM robotics dựa trên TDMT có thể góp phần phát triển năng lực GQVĐ trong lĩnh vực này. Định hướng nghiên cứu tổ chức GD STEM robotics dựa trên TDMT nhằm bồi dưỡng năng lực GQVĐ là một định hướng mở, có thể khai thác. Ở Việt Nam, GD STEM được định nghĩa trong CTGDPT tổng thể và được đề cập trong các chương trình môn học liên quan bao gồm Toán, Khoa học, Tin học và Công nghệ [7]. Một điểm mới quan trọng trong CTGDPT 2018 là tính mở, tạo điều kiện cho GV có thể linh hoạt tổ chức các hoạt động học tập và giáo dục theo nhiều phương thức nhằm đạt được mục tiêu phát triển phẩm chất và năng lực của HS. GS.Nguyễn Minh Thuyết - Tổng Chủ biên CTGDPT 2018 nhận định rằng tính mở của CTGDPT 2018 cho phép một số nội dung GD STEM có thể được xây dựng thông qua nội dung giáo dục địa phương, kế hoạch giáo dục của nhà trường và những hoạt động giáo dục được xã hội hoá [20]. CTGDPT 2018 đẩy mạnh chương trình giáo dục môn công nghệ và tin học với mục tiêu phát triển năng lực tiếp cận công nghệ hiện đại của HS, là điều kiện phù hợp để phát triển GD STEM robotics trong nhà trường [7]. Bên cạnh đó, CTGDPT 2018 nêu rõ mục tiêu hình thành và phát triển các năng lực chung quan trọng gồm: năng lực tự học và tự lực, năng lực giao tiếp và hợp tác, năng lực GQVĐ và sáng tạo. Do đó, nghiên cứu cơ sở lí thuyết để thực hiện GD STEM robotics nhằm phát triển năng lực phù hợp của HS là định hướng nghiên cứu phù hợp trong bối cảnh giáo dục Việt Nam thời đại mới. 3 Từ khi bắt đầu, nhiều trung tâm GD STEM ở Việt Nam đã tổ chức các hoạt động khám phá robotics theo các bộ thiết bị, phổ biến nhất là Lego. Hiện nay, khi GD STEM được đẩy mạnh trong nhà trường, một số đơn vị đã phát triển xây dựng những gói sản phẩm để thực hiện việc dạy học theo trình độ HS kết hợp trong chương trình nhà trường, chẳng hạn như Kidscode, GaraSTEM,... Song, cơ sở lí thuyết cho việc thực hiện GD STEM robotics trong nhà trường góp phần bồi dưỡng năng lực HS vẫn là một vấn đề mở. Năm 2020, công văn 3089/GDĐTTrH được ban hành làm rõ ba hình thức có thể triển khai GD STEM trong nhà trường, gồm dạy học các môn khoa học theo bài học STEM; hoạt động trải nghiệm STEM; hoạt động nghiên cứu khoa học kĩ thuật [8]. Trong đó, công văn nêu rõ tinh thần nên thiết kế cho HS trải nghiệm dưới hình thức những bài học cụ thể, có mục đích và nội dung phù hợp, đặc biệt hướng đến phát triển các năng lực và phẩm chất của HS. Trong thời đại công nghiệp 4.0, nhưng bài học trải nghiệm về lĩnh vực STEM robotics là một định hướng phù hợp cho HS trong nhà trường. Các phân tích trên cho thấy CTGDPT 2018 với sự đẩy mạnh giáo dục công nghệ - tin học và sự khuyến khích phát triển GD STEM chính là điều kiện phù hợp thực hiện GD STEM robotics trong nhà trường. Đề tài nhằm làm rõ cơ sở lí luận về GD STEM robotics, đề xuất một cơ sở lí thuyết cho việc tổ chức GD STEM robotics cho HS THCS nhằm hướng đến bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong lĩnh vực robotics. 2. Mục đích nghiên cứu Xác định cơ sở lí luận và thực tiễn về GD STEM robotics, năng lực GQVĐ và đề xuất quy trình xây dựng chủ đề và tiến trình tổ chức chủ đề STEM robotics trong nhà trường nhằm bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics của HS trung học cơ sở (THCS). 3. Giả thuyết nghiên cứu Nếu xác định được cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục STEM robotics, đề xuất quy trình xây dựng chủ đề cùng với tiến trình tổ chức chủ đề STEM robotics dựa trên cơ sở lí luận GD STEM robotics, năng lực GQVĐ và cơ sở thực 4 tiễn đối với GD STEM robotics và thực hiện tổ chức theo tiến trình đó thì có thể bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics cho HS THCS. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Tổng quan các nghiên cứu GD STEM robotics, GD STEM robotics trong giáo dục vật lí, các nghiên cứu về năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics. - Hệ thống cơ sở lí luận về GD STEM robotics về khái niệm, vai trò, phân loại bộ thiết bị robotics, phân loại hình thức tổ chức và các đặc trưng cơ bản. - Khảo sát thực trạng GD STEM robotics trong trường trung học, cụ thể về thực trạng tham gia hoạt động của HS; quan điểm của GV các môn học STEM và GV vật lí đối với lĩnh vực. - Đề xuất cấu trúc năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics cho HS THCS, với các biểu hiện hành vi đặc trưng trong lĩnh vực và tiêu chí chất lượng phù hợp. - Đề xuất quy trình xây dựng chủ đề STEM robotics nhằm bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics, trong đó làm rõ định hướng tích hợp nội dung giáo dục vật lí trong chủ đề STEM robotics. - Đề xuất tiến trình tổ chức chủ đề STEM robotics nhằm bồi dưỡng năng lực GQVĐ STEM robotics cho HS THCS. - Phân tích các môn học STEM trong CTGDPT 2018, đặc biệt là môn Khoa học tự nhiên (KHTN) và bộ thiết bị vi điều khiển Arduino để định hướng xây dựng chủ đề STEM robotics. - Thực nghiệm sư phạm (TNSP) đánh giá năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics của HS THCS thông qua tổ chức chủ đề STEM robotics đã xây dựng. 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5.1. Đối tượng nghiên cứu Việc bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics của HS. 5.2. Phạm vi nghiên cứu - Về nội dung, nghiên cứu tổ chức chủ đề tích hợp STEM robotics cho HS THCS tập trung bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics. 5 - Về đối tượng khảo sát: GV và HS tại Tp.HCM. - Về thực nghiệm sư phạm: tổ chức dạy học chủ đề STEM robotics cho HS THCS ở Tp.HCM. 6. Phương pháp nghiên cứu 6.1. Nghiên cứu lí luận - Nghiên cứu cơ sở lí luận GD STEM và GD STEM robotics. - Nghiên cứu tài liệu về năng lực GQVĐ và mối liên hệ giữa GQVĐ với TDMT làm cơ sở đề xuất cấu trúc năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics. - Nghiên cứu quy trình xây dựng chủ đề STEM tích hợp. - Nghiên cứu cơ sở lí luận về dạy học GQVĐ, GQVĐ theo quy trình thiết kế kĩ thuật (TKKT) trong GD STEM và GQVĐ theo TDMT. 6.2. Nghiên cứu khảo sát thực tiễn - Khảo sát tình hình tham gia hoạt động và thái độ của HS đối với STEM robotics với 388 HS một số trường ở Tp.HCM. - Khảo sát thực trạng và quan điểm của GV đối với GD STEM robotics, thực hiện qua hình thức bảng hỏi với 107 GV các môn Toán, KHTN, Tin học, Công nghệ và phỏng vấn 11 GV vật lí tại các trường trung học ở Tp.HCM. 6.3. Tham vấn ý kiến chuyên gia Một số sản phẩm nghiên cứu được xin ý kiến tham vấn của chuyên gia GD STEM. Ý kiến của các chuyên gia được thu thập bằng phiếu hỏi, hội thảo, thảo luận qua các buổi seminar về các kết quả luận án. 6.4. Thực nghiệm sư phạm TNSP kiểm nghiệm giả thuyết nghiên cứu với HS mới tiếp cận robotics. - Nghiên cứu TNSP lần 1 ghi nhận tính khả thi của tiến trình tổ chức và cấu trúc năng lực GQVĐ trong STEM robotics. - Nghiên cứu TNSP lần 2 đánh giá tác động của quy trình xây dựng chủ đề và tiến trình tổ chức đối với năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics của HS. 6.5. Xử lí thống kê trong giáo dục