luận án tiến sĩ xây dựng và sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học kĩ thuật điện tử cho sinh viên ngành sư phạm công nghệ

Nghiên cứu về bài toán kĩ thuật nói chung, bài toán thiết kế kĩ thuật nói riêng còn một số vấn đề cần làm rõ cả về lí luận và thực tiễn Mục tiêu quan trọng của dạy học kĩ thuật là phát t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

ĐẶNG MINH ĐỨC

XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ

CHO SINH VIÊN NGÀNH SƯ PHẠM CÔNG NGHỆ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC

HÀ NỘI - 2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

ĐẶNG MINH ĐỨC

XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ

CHO SINH VIÊN NGÀNH SƯ PHẠM CÔNG NGHỆ

Chuyên ngành : LL và PPDH bộ môn Kỹ thuật công nghiệp

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN TRỌNG KHANH

HÀ NỘI - 2023

Tác giả cam đoan công trình nghiên cứu này do chính tác giả thực hiện Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực, khách quan và chưa được công bố bởi ai hay ở bất ở bất kỳ nghiên cứu nào khác Các thông tin trích dẫn sử dụng trong luận án đều được chỉ rõ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình

Hà Nội, ngày tháng năm 2023

Tác giả

Đặng Minh Đức

Tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc tới: Ban Giám hiệu, Phòng sau Đại học, Trung tâm Thông tin - Thư viện, quí Cô/Thầy ở Khoa Sư phạm Kĩ thuật - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội cùng các nhà khoa học đã quan tâm, tạo điều kiện, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu, thực nghiệm sư phạm và hoàn thành luận án của mình

Đặc biệt, tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Trọng Khanh – Khoa Sư phạm Kĩ thuật, trường Đại học Sư phạm Hà Nội đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề tài nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn quí Cô/Thầy đang giảng dạy tại Bộ môn Công nghệ Điện – Điện tử khoa Sư phạm Kĩ thuật và các chuyên gia giáo dục kĩ thuật ở trường đại học, cao đẳng đã đóng góp những ý kiến quý báu giúp tác giả hoàn thiện luận án của mình

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, các em sinh viên đã động viên, khích lệ và hỗ trợ hoàn thành luận án này!

Hà Nội, ngày tháng năm 2023

Tác giả

Đặng Minh Đức

MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 4

3 KHÁCH THỂ, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4

4 GIẢ THUYẾT KHOA HỌC 4

5 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 4

6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5

7 ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 5

8 CẤU TRÚC LUẬN ÁN 6

Chương 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC 7

1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC 7

1.1.1 Tình hình nghiên cứu về bài toán kĩ thuật 7

1.1.2 Tình hình nghiên cứu về bài toán thiết kế kĩ thuật 12

1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 14

1.2.1 Thiết kế kĩ thuật 14

1.2.2 Năng lực thiết kế kĩ thuật và qui trình thiết kế kĩ thuật 17

1.2.3 Bài toán thiết kế kĩ thuật 21

1.2.4 Một số khái niệm liên quan 23

1.3 LÍ LUẬN VỀ XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC 27

1.3.1 Lí luận về bài toán thiết kế kĩ thuật 27

1.3.2 Xây dựng bài toán thiết kế kĩ thuật 35

1.3.3 Sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học 41

1.3.4 Vai trò của bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học 44

CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO GIÁO VIÊN CÔNG NGHỆ DƯỚI GÓC ĐỘ SỬ

DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT 49

1.4.1 Kĩ thuật điện tử trong Chương trình đào tạo giáo viên ngành Sư phạm Công nghệ 49

1.4.2 Khảo sát thực trạng dạy học Kĩ thuật điện tử trong Chương trình đào đạo giáo viên Công nghệ dưới góc độ sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật 52

Kết luận chương 1 58

Chương 2: XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ 60

2.1 CƠ SỞ XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ 60

2.1.1 Khái lược về các học phần Kĩ thuật Điện tử trong chương trình đào tạo giáo viên Công nghệ 60

2.1.2 Khả năng xây dựng và sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học kĩ thuật điện tử 62

2.1.3 Năng lực xây dựng và sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học Kĩ thuật Điện tử 63

2.1.4 Đề xuất một số nội dung dạy học Kĩ thuật điện tử có thể triển khai bài toán thiết kế kĩ thuật 65

2.2 XÂY DỰNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT DÙNG TRONG DẠY HỌC KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ 66

2.1.1 Xây dựng bài toán thiết kế mới 66

2.2.2 Xây dựng bài toán thiết kế đáp ứng 67

2.2.3 Xây dựng bài toán thiết kế cải tiến 81

2.2.4 Xây dựng bài toán thiết kế lựa chọn 88

2.3 SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ 94

2.3.2 Sử dụng bài thiết kế kĩ thuật trong kiểm tra đánh giá 110

Kết luận chương 2 112

Chương 3: KIỂM NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ 114

3.1 MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ, PHƯƠNG PHÁP VÀ ĐỐI TƯỢNG KIỂM NGHIỆM 114

3.1.1 Mục đích kiểm nghiệm 114

3.1.2 Nhiệm vụ kiểm nghiệm 114

3.1.3 Đối tượng kiểm nghiệm 115

3.1.4 Phương pháp kiểm nghiệm 115

3.2 KIỂM NGHIỆM ĐÁNH GIÁ QUA THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 117

3.2.1 Lựa chọn nội dung dạy học và cách thức lấy mẫu kiểm nghiệm 117

3.2.2 Qui trình thực hiện 119

3.2.3 Kết quả kiểm nghiệm đánh giá 122

3.3 KIỆM NGHIỆM ĐÁNH GIÁ BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHUYÊN GIA 132

3.3.1 Nội dung và tiến trình thực hiện 132

3.3.2 Kết quả kiểm nghiệm đánh giá 134

Kết luận Chương 3 138

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 140

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 143

TÀI LIỆU THAM KHẢO 144

Viết tắt Viết đầy đủ

Bảng 1.1 So sánh một số quan điểm về quá trình TKKT 20

Bảng 1.2 Mô tả biểu hiện sự phát triển của TDKT 47

Bảng 1.3 Các môn học Kĩ thuật điện tử trong chương trình đào tạo SPCN 50

Bảng 1.4 Kết quả khảo sát về sử dụng bài toán TKKT trong dạy học 53

Bảng 2.1 Đề xuất nội dung dạy học có thể xây dựng và sử dụng bài toán TKKT 65

Bảng 2.2 Danh mục linh kiện thiết bị mạch điện cảm biến nhịp thở 76

Bảng 2.3 Danh mục các thành phần thiết kế bộ đếm 90

Bảng 2.4 Danh mục thiết bị và thông số kĩ thuật 94

Bảng 3.1 Đối tượng, số lượng SV của lớp TN và lớp ĐC 115

Bảng 3.2 Nội dung kiểm nghiệm sư phạm 118

Bảng 3.3 Số người học đạt điểm xi 126

Bảng 3.4 Số % người học đạt điểm xi 126

Bảng 3.5 Số % người học đạt điểm xi trở lên 127

Bảng 3.6 Bảng mô tả các thông số và giá trị trong kiểm định T-Test qua TNSP vòng 1 128

Bảng 3.7 Số người học đạt điểm xi 129

Bảng 3.8 Số % người học đạt điểm xi 129

Bảng 3.9 Số % người học đạt điểm xi trở lên 129

Bảng 3.10 Bảng mô tả các thông số và giá trị trong kiểm định T-Test qua TNSP vòng 2 131

Bảng 3.11 Tổng hợp kết quả phiếu điều tra 134

Hình 1.6 Cấu trúc bài toán TKKT 31

Hình 1.7 Qui trình xây dựng bài toán thiết kế kĩ thuật 37

Hình 1.8 Qui trình sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật 44

Hình 2.1 Chuyển mạch dùng transistor 69

Hình 2.2 Khuếch đại thuật toán làm việc ở chế độ khóa 69

Hình 2.3 Mạch đèn điện cảm ứng ánh sáng 71

Hình 2.4 giải pháp thiết kế mạch điện ứng dụng bộ khóa điện tử 73

Hình 2.5 Một số ứng dụng của khuếch đại thuật toán 74

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch điện cảm biến áp suất 76

Hình 2.7 Sơ đồ khối mạch điện cảm biến nhịp thở 77

Hình 2.8 Mạch điện trang trí ứng dụng mạch đa hài 78

Hình 2.14 Phương án tăng dòng tải cho mạch ổn áp 84

Hình 2.15 Thông số kĩ thuật ghi trên sạc điện thoại 85

Hình 2.16 Bộ DMUX 1-4 86

Hình 2.17 Mạch phân loại sản phẩm dùng DMUX 87

Hình 2.18 Mô tả bài toán thiết kế số 4 88

Hình 2.19 Thiết kế bộ đếm dạng bài toán thiết kế lựa chọn 90

Hình 2.21 Sơ đồ mạch điện máy rửa tay không tiếp xúc 93

Hình 2.22 Khảo sát cảm biến nhiệt độ TMP36 100

Hình 2.23 Thiết bị báo cháy đơn giản sử dụng nguyên lý giãn nở vì nhiệt 102

Hình 2.24 Sơ đồ lắp đặt mạch điện báo cháy 104

Hình 3.1 Biểu đồ phân bố điểm kiểm tra 124

Hình 3.2 biểu đồ so sánh biểu hiện phát triển TDKT qua dự án cuối

MỞ ĐẦU 1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

1.1 Yêu cầu của xã hội về phát triển tư duy sáng tạo cho người học và định hướng đổi mới giáo dục và đào tạo của Đảng, Nhà nước

Trong bối cảnh của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, xu thế toàn cầu hóa và sự hội nhập quốc tế sâu rộng thì nguồn nhân lực chất lượng cao sẽ là chìa khóa quyết định sự phát triển ở mỗi quốc gia Với vai trò là mục tiêu, vừa là động lực thúc đẩy phát triển Mỗi con người cần được phát triển các kiến thức, kĩ năng cần thiết cùng với khả năng thích ứng linh hoạt để đối mặt với các tình huống mới, công việc khác nhau trong môi trường xã hội thay đổi nhanh chóng Trong bài toán về phát triển nguồn nhân lực thì đổi mới giáo dục và đào tạo có vai trò quan trọng và được coi là khâu đột phá Việc đổi mới cần có sừ đồng bộ cả về mục tiêu, nội dung, chương trình và phương pháp dạy học Đổi mới cách dạy, cách học để quá trình dạy học không chỉ là quá trình truyền thụ kiến thức mà cần phát triển ở người học năng lực giải quyết vấn đề và khả năng tư duy sáng tạo (TDST) Khuyến khích và hình thành ở người học các phương pháp và kĩ thuật cần thiết để tự nắm bắt cơ hội, có năng lực đổi mới sáng tạo trong thực tiễn Tạo ra những giá trị mới, giải pháp hiệu quả cho các thách thức trong công việc và cuộc sống

Chính sách phát triển giáo dục của nhiều quốc gia đã chỉ rõ, nếu không có sự chuẩn bị về mặt con người để sẵn sàng đối phó với những thách thức mới thì sẽ nhanh chóng bị tụt hậu Nghị quyết số 29-NQ/TW của Đảng [2] về đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo nêu rõ quan điểm chỉ đạo “… chuyển mạnh quá trình giáo dục từ trang bị kiến thức sang phát triển toàn diện năng lực và phẩm chất người học …” và mục tiêu tổng quát là “giáo dục con người Việt Nam phát triển toàn diện và phát huy tốt nhất

tiềm năng, khả năng sáng tạo của mỗi cá nhân” Thực hiện nghị quyết của Đảng, Thủ tướng chính phủ đã phê duyệt các chương trình mục tiêu quốc gia về chiến lược phát triển giáo dục giai đoạn 2011 – 2020 [11] Mục tiêu trọng tâm là “đổi mới căn bản và toàn diện theo hướng chuẩn hoá, hiện đại hoá, xã hội hoá, dân chủ hóa và hội nhập quốc tế; chất lượng giáo dục được nâng cao một cách toàn diện, gồm: giáo dục đạo đức, kĩ năng sống; phát triển thể chất, trí tuệ và năng lực thực hành, ”

Nhìn nhận từ yêu cầu xã hội và chủ chương chính sách đều cho thấy tính cần thiết về đổi mới giáo dục Dạy học ngoài mục tiêu trang bị kiến thức thì cần chú trọng phát triển trí tuệ và tư duy cho người học Hình thành, phát triển các phẩm chất và năng lực cần thiết đáp ứng nhu cầu công việc và cuộc sống sau này

1.2 Dạy học phát triển năng lực thiết kế và tư duy kĩ thuật trong đào tạo giáo viên ngành Sư phạm Công nghệ là một yêu cầu cấp thiết

Sư phạm Công nghệ (SPCN) là ngành đào tạo giáo viên dạy môn Công nghệ ở phổ thông hoặc chuyên ngành kĩ thuật ở các cơ sở giáo dục nghề nghiệp Nghiên cứu chương trình của nhiều trường đại học có đào tạo chuyên ngành này nhận thấy Mục tiêu năng lực chủ yếu đó là hình thành, phát triển ở người học năng lực công nghệ và tư duy kĩ thuật (TDKT) Trong đó, năng lực thiết kế kĩ thuật (TKKT) là năng lực thành phần, giữ vai trò trọng tâm của giáo dục công nghệ

Chương trình giáo dục phổ thông năm 2018 đã thể hiện rõ sự thay đổi căn bản về mục tiêu, triết lý giáo dục [7], [8], [9] Quan điểm xuyên suốt trong xây dựng chương trình giáo dục đó là chuyển từ truyền thụ tri thức và học tập thụ động sang phát triển năng lực và phẩm chất người học Theo chương trình 2018, TKKT là một trong năm năng lực thành phần của năng lực công nghệ cần hình thành và phát triển ở học sinh

Như vậy, việc hình thành và phát triển ở người học năng lực TKKT và TDKT là một yêu cầu có tính cấp thiết trong giáo dục công nghệ Yêu cầu này đã được cụ thể hóa bằng nhiều hình thức và phương pháp dạy học kĩ thuật, trong đó có sử dụng bài toán TKKT Tuy nhiên, hiệu quả sử dụng bài toán TKKT chưa thực sự cao, việc phát triển năng lực TKKT và TDKT vẫn còn một số điểm hạn chế

1.3 Nghiên cứu về bài toán kĩ thuật nói chung, bài toán thiết kế kĩ thuật nói riêng còn một số vấn đề cần làm rõ cả về lí luận và thực tiễn

Mục tiêu quan trọng của dạy học kĩ thuật là phát triển năng lực và tư duy kĩ thuật (TDKT) cho người học Việc phát triển này được thực hiện thông qua nhiều phương pháp, hình thức, cho hiệu quả khác nhau Nhiều nghiên cứu cho thấy, sử dụng bài toán kĩ thuật (BTKT) trong dạy học là một trong những biện pháp phù hợp, hiệu quả, có tính khả thi

Theo lĩnh vực nghiên cứu [30], BTKT được chia ra nhiều dạng bài toán như: phân tích, chẩn đoán, thiết kế, công nghệ, v.v Trong đó, bài toán TKKT là một dạng BTKT có tính thực tiễn cao, cần phải nghiên cứu, tìm tòi để xây dựng Thực tiễn dạy học về Kĩ thuật điện tử (KTĐT) trong chương trình đào tạo giáo viên Công nghệ cho thấy Nhiều nội dung dạy học về KTĐT có thể triển khai thành bài toán TKKT, nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề và tư duy sáng tạo cho sinh viên (SV); qua đó góp phần hình thành và phát triển năng lực và TDKT ở người học Tuy nhiên, hiệu quả của việc xây dựng, sử dụng và triển khai bài toán TKKT phụ thuộc vào mỗi giảng viên (GV) Điều đó đặt ra nhu cầu nghiên cứu lí luận về bài toán TKKT; xác lập các qui trình chung, thống nhất về xây dựng và sử dụng bài toán TKKT trong dạy học kĩ thuật nói chung, dạy học KTĐT nói riêng

Vì những lý do trên đây, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu của luận án là “Xây dựng và sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học Kĩ thuật điện tử cho viên ngành Sư phạm Công nghệ”

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lí luận về bài toán TKKT, xây dựng và sử dụng bài toán TKKT trong dạy học một số học phần KTĐT thuộc chương trình đào tạo giáo viên ngành SPCN nhằm phát triển TDKT cho SV; góp phần nâng cao chất lượng dạy học.

3 KHÁCH THỂ, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Khách thể nghiên cứu: Quá trình dạy học KTĐT trong đào tạo giáo viên nghành SPCN

3.2 Đối tượng nghiên cứu

BTKT, bài toán TKKT, TDKT và quá trình dạy học các nội dung về KTĐT

3.3 Phạm vi nghiên cứu

Xây dựng và sử dụng bài toán TKKT trong dạy học nội dung về KTĐT thuộc chương trình đào tạo giáo viên nghành SPCN

4 GIẢ THUYẾT KHOA HỌC

Nếu xây dựng được một số dạng bài toán TKKT thỏa mãn các yêu cầu của BTKT, yêu cầu về sư phạm và sử dụng chúng khi dạy học về KTĐT trong quá trình đào tạo giáo viên ngành SPCN, sẽ giúp SV phát triển được TDKT, qua đó nâng cao được chất lượng dạy học

5 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

1 Nghiên cứu cơ sở lí luận về bài toán TKKT, TDKT và vai trò của bài toán TKKT trong việc phát triển TDKT cho người học nhằm nâng cao chất lượng quá trình dạy học kĩ thuật

2 Nghiên cứu quá trình dạy học các học phần về KTĐT trong chương trình đào tạo giáo viên ngành SPCN

3 Nghiên cứu xác lập qui trình xây dựng và sử dụng bài toán TKKT trong dạy học về KTĐT

4 Xây dựng một số bài toán TKKT thuộc nội dung về KTĐT và phương pháp sử dụng chúng nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả dạy học

5 Kiểm nghiệm đánh giá tính khả thi và hiệu quả của các qui trình, biện pháp đã đề xuất

6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

6.1 Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Phân tích, tổng hợp, khái quát hóa các công bố, công trình nghiên cứu có liên quan về tâm lí học, lí luận dạy học về BTKT, về phát triển TDKT cho người học để xây dựng mục đích, nhiệm vụ và lí luận của đề tài

6.2 Các phương pháp nghiên cứu thực tiễn

- Điều tra, khảo sát thực tế, thực nghiệm sư phạm và phương pháp chuyên gia để nắm được thực trạng của việc sử dụng BTKT, đặc biệt là bài toán TKKT; kiểm nghiệm và đánh giá các biện pháp đề xuất

- Phương pháp thống kê toán học để xử lý, trực quan hóa dữ liệu dùng trong khảo sát thực trạng và kiểm nghiệm, đánh giá các biện pháp đã đề xuất

- Thực nghiệm, phân tích mô phỏng; thiết kế, chế tạo và thử nghiệm nguyên mẫu, làm cơ sở đánh giá tính khả thi, điều chỉnh nội dung các bài toán TKKT đã đề xuất

7 ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

1 Xây dựng được hệ thống lí luận về bài toán TKKT Trong đó tập trung xây dựng khái niệm, đặc điểm, phân loại của bài toán TKKT; qui trình xây dựng và sử dụng bài toán TKKT trong dạy học, trong kiểm tra đánh giá Xây dựng được các biểu hiện đánh giá mức độ phát triển TDKT của người học

2 Khảo sát, đánh giá thực trạng dạy học các nội dung về KTĐT dưới góc độ xây dựng và sử dụng bài toán TKKT

3 Với những qui trình đã đề xuất, đề tài đã xây dựng được một số bài toán TKKT; hướng dẫn cách sử dụng chúng trong quá trình dạy học về KTĐT và trong kiểm tra đánh giá kết quả học tập, mức độ phát triển TDKT của người học

Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần làm phong phú thêm lí luận chung về BTKT, đề xuất được một biện pháp góp phần nâng cao chất lượng dạy học về KTĐT nói riêng và dạy học kĩ thuật nói chung

8 CẤU TRÚC LUẬN ÁN

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, cấu trúc nội dung chính của luận án gồm 3 chương:

Chương 1: Cơ sở lí luận và thực tiễn của việc xây dựng và sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học

Chương 2: Xây dựng và sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học kĩ thuật điện tử

Chương 3: Kiểm nghiệm và đánh giá

Chương 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC

1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC

1.1.1 Tình hình nghiên cứu về bài toán kĩ thuật 1.1.1.1 Tình hình nghiên cứu về bài toán nói chung

Bài toán hay vấn đề là thứ đã xuất hiện từ rất lâu, khi loài người bắt đầu có nhu cầu chinh phục giới tự nhiên và phải đối mặt với các vấn đề về đấu tranh sinh tồn Để tồn tại và phát triển, họ cần hiểu biết giới tự nhiên để tạo ra công cụ lao động Đó cũng chính là nguồn gốc tự nhiên của bài toán và thiết kế kĩ thuật Qua nhiều thế hệ, kinh nghiệm sống và hiểu biết tự nhiên được đúc kết thành tri thức hoa học chung của nhân loại Tuy nhiên, xã hội ngày càng phát triển, lượng kiến thức ngày càng đồ sộ và tăng theo cấp số nhân Vấn đề, thách thức đặt ra cho con người cũng ngày càng lớn Họ không chỉ có nhiệm vụ giải quyết vấn đề của thực tiễn đặt ra mà cần giải quyết vấn đề một cách sáng tạo dựa trên các phương pháp tư duy tích cực, chủ động để tự mình chiếm lĩnh tri thức mới

Trong nhiều năm gần đây, việc dạy cho người học phương pháp TDST đã thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu về khoa học giáo dục Vai trò của GV không chỉ là dạy những nội dung cụ thể có trong tài liệu, sách giáo khoa hay giáo trình mà cần phải xây dựng các hoạt động học tập tích cực, tình huống hoặc mô phỏng tình huống thực tiễn, vấn đề cần giải quyết dưới dạng bài toán nhận thức; trao cơ hội cho người học tự tìm tòi, khám phá và phát hiện ra tri thức mới

Bài toán nhận thức là một nội dung học tập, một bài tập hay bài toán hoặc câu hỏi chứa đựng vấn đề có tính thách thức, nhằm tạo điều kiện cho

người học phát hiện tri thức mới hoặc vận dụng củng cố kiến thức đã được học bằng những hoạt động tích cực, chủ động, sáng tạo Khi giải bài toán nhận thức, người học không chỉ dừng lại ở mức độ hiểu được kiến thức mà còn biết cách vận dụng vào giải quyết các vấn đề tương tự hoặc phức tạp hơn Từ đó rèn luyện phát triển tư duy và năng lực nhận thức

Bài toán nhận thức hay tính có vấn đề của nhận thức có vai trò quan trọng đối với việc hình thành kiến thức và phát triển tư duy người học [1], [3] Việc này đã được nhiều nhà khoa học tâm lí, giáo dục trên thế giới chú trọng, quan tâm nghiên cứu như: M.Crugliac, X.Ia.Batưsep, X.L.Rubinstein, T.V.Kudriasep, V.A.Scacun, v.v

Vai trò và tác động của bài toán nhận thức với sự phát triển TDST cũng tạo được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu về khoa học giáo dục trong nước Nghiên cứu về bài toán nhận thức trong dạy học môn sinh học đã được các tác giả Vũ Đức Lưu [38], Lê Đình Trung [49] xây dựng thành hệ thống lí luận, các nguyên tắc xây dựng và sử dụng bài toán nhằm phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo của người học

Nghiên cứu về bài toán nhận thức trong dạy học hóa học Tác giả Đỗ Thị Thúy Hằng [23] đã làm rõ vai trò của bài toán với quá trình nhận thức của học sinh Đưa ra qui trình hướng dẫn giải bài toán nhận thức; qui trình xây dựng và sử dụng bài toán nhận thức trong các hoạt động nghiên cứu bài học, dạy học các bài luyện tập - ôn tập, bài học có thí nghiệm - thực hành; qui trình triển khai sử dụng bài toán nhận thức để dạy cho học sinh v.v

1.1.1.2 Tình hình nghiên cứu về bài toán kĩ thuật trong dạy học

Nghiên cứu lí luận về bài toán nói chung, bài toán trong dạy học kĩ thuật nói riêng được các nhà nghiên cứu tâm lí học, giáo dục học về kĩ thuật từ thời Xô viết quan tâm Trong các nghiên cứu của mình, tác giải T.V Kudriasep [83] đặt

trọng tâm nghiên cứu về đặc trưng bài toán trong dạy học kĩ thuật hay BTKT; vai trò của BTKT với việc hình thành và phát triển TDKT cho người học

Đi đi sâu nghiên cứu về cơ sở tâm lí học của TDKT và con đường hình thành nó T.V Kudriasep cùng cộng sự [83] đã tập trung nghiên cứu cấu trúc của TDKT dựa trên hoạt động giải BTKT của học sinh nghề Các nhà nghiên cứu đã tiến hành phân tích các hoạt động kĩ thuật đặc trưng, khái quát hóa chúng dưới dạng các bài toán TKKT nhằm mục đích hình thành và phát triển các kĩ năng thiết kế ở người học; phân tích quá trình người học giải các bài toán đó để xác định cấu trúc, con đường hình thành TDKT

Nhấn mạnh đặc điểm riêng của BTKT với các dạng bài toán nhận thức và vai trò của nó với việc hình thành và phát triển TDKT Tác giả V.A Xcacun [31] tập trung phân tích cấu trúc và đặc điểm của BTKT, vai trò của bài toán (vấn đề) kĩ thuật với phát triển TDKT cho người học trong dạy nghề kĩ thuật Vai trò của BTKT cũng được B.Ia.Batưsep [3] đặc biệt nhấn mạnh Ông đã tập trung nghiên cứu các biện pháp xây dựng và sử dụng chúng trong dạy học kĩ thuật thuộc lĩnh vực đào tạo nghề

Việt Nam cũng có rất nhiều công trình nghiên cứu về BTKT của các tác giả như: Trần Sĩ Nguyên, Đặng Ngọc Riệp, Phạm Ngọc Uyển, Trần Khánh Đức, Nguyễn Trọng Khanh, Nguyễn Văn Khôi, Trần Quốc Cường, Nguyễn Thị Thanh Huyền, …

Bằng việc nghiên cứu cấu trúc, con đường và các yếu tố tác động tới sự hình thành và phát triển của TDKT ở người học Tác giả Phạm Ngọc Uyển trong luận án “Hình thành tư duy kĩ thuật (như là một thành tố của sự sẵn sàng tâm lí đi vào lao động) cho học sinh phổ thông” [57], đã cho thấy vai trò quan trọng của BTKT với việc hình thành và phát triển TDKT Tác giả cho rằng “tư duy kĩ thuật có vai trò quyết định đối với việc nắm vững tri thức, kĩ xảo và kĩ năng lao động kĩ thuật mới; TDKT giữ vị trí chủ chốt trong việc lập

kế hoạch lao động, … cũng như việc tìm lời giải cho các bài toán kĩ thuật” [57; tr.71]

Tác giả Nguyễn Văn Khôi [30] trong trong luận án “Phương pháp tiếp cận công nghệ và vận dụng vào giảng dạy chương trình Kĩ thuật Công nghiệp phổ thông”, đã nghiên cứu về BTKT dưới dạng bài tập kĩ thuật và đưa ra qui trình khái quát hướng dẫn giải một số bài tập kĩ thuật phổ biến trong dạy học kĩ thuật

Tác giả Trần Khánh Đức cùng cộng sự trong công trình nghiên cứu về “Khoa học tư duy” đề cập đến BTKT hay nhiệm vụ kĩ thuật và công nghệ Trên cơ sở phân tích đặc điểm, các dạng nhiệm vụ kĩ thuật đặc trưng, tác giả nhấn mạnh vai trò của nó đối với sự hình thành và phát triển của tư duy khoa học, kĩ thuật và công nghệ thông qua hoạt động “giải quyết (các giải pháp, qui trình kĩ thuật), … Các bài toán, nhiệm vụ, vấn đề, tình huống đặt ra trong các lĩnh vực khoa học, kĩ thuật và công nghệ” [20]

Nghiên cứu chuyên sâu về BTKT, tác giả Nguyễn Trọng Khanh [28] với đề tài luận án “Xây dựng và sử dụng bài toán kĩ thuật nhằm nâng cao chất lượng dạy học môn Kĩ thuật công nghiệp lớp 11 trung học phổ thông” đã khảng định vai trò của BTKT đối với phát triển năng lực kĩ thuật (NLKT) và TDKT Trong nghiên cứu này, tác giả đã xây dựng hệ thống lí luận về BTKT, bao gồm: khái niệm, đặc điểm, phân loại BTKT Trên cơ sở đó, tác giả đề xuất các qui trình: qui trình xây dựng và sử dụng bài toán; qui trình giải bài toán dùng trong các khâu của tiến trình dạy học như: nghiên cứu kiến thức, củng cố - luyện tập – vận dụng mở rộng kiến thức, kiểm tra - đánh giá; nghiên cứu xác lập các yêu cầu, điều kiện cần thiết để tổ chức triển khai BTKT trong dạy học Nghiên cứu lí luận làm cơ sở phân loại BTKT, tác giả đã đề xuất các tiêu chí phân loại đặc trưng như: đặc điểm dữ kiện, mục tiêu dạy học của bài toán, lĩnh vực kĩ thuật hay phương pháp, kĩ thuật giải quyết vấn đề, v.v

Lí luận về BTKT còn được tác giả Nguyễn Trọng Khanh đề cập tới trong nghiên cứu “Phát triển năng lực và tư duy kĩ thuật” [29] Trong nghiên cứu này, tác giả đã phân tích rõ vai trò của BTKT trong việc phát triển NLKT mà trọng tâm là phát triển TDKT cho người học Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu của tác giả Nguyễn Trọng Khanh [28] mang tính tổng quan, khái quát về riêng về BTKT; chưa đi sâu nghiên cứu về từng loại BTKT cụ thể như: bài toán TKKT, bài toán công nghệ hay bài toán phân tích, chẩn đoán kĩ thuật

Phát triển lí luận về BTKT, tác giả Trần Quốc Cường với đề tài luận án tiến sĩ “Bài toán chẩn đoán kĩ thuật và vận dụng trong dạy học nghề Điện tử dân dụng” đã nghiên cứu trọng tâm về một dạng của BTKT, đó là bài toán chẩn đoán kĩ thuật Kết quả nghiên cứu cho thấy, với mỗi nội dung dạy học kĩ thuật có thể triển khai thành một loại BTKT phù hợp nhằm phát triển năng lực và TDKT cho người học [14]

Trong luận án tiến sĩ “Thiết kế và sử dụng bài toán phân tích kĩ thuật trong dạy học động cơ đốt trong, ô tô cho sinh viên Sư phạm kĩ thuật” tác giả Nguyễn Thị Thanh Huyền [26] đã đi sâu vào nghiên cứu bài toán phân tích kĩ thuật Kết quả nghiên cứu đã khảng định, sử dụng BTKT thông qua phân tích kĩ thuật là biện pháp hiệu quả góp phần phát triển NLKT và TDKT ở người học

Trong nhiều năm gần đây cũng có nhiều nghiên cứu về BTKT trong dạy học của các tác giả như: Trần Tuấn Hải, Đàm Thị Lan Phương, Vũ Thị Thùy Vân, … [22], [44], [59]

Như vậy, riêng về BTKT có thể thấy, trong giáo dục kĩ thuật thì BTKT có vai trò và ý nghĩa rất lớn đối với việc phát triển TDKT, NLKT cho người học Do đó, BTKT ngày càng được quan tâm nghiên cứu cả về lí luận và thực tiễn nhằm hướng mục tiêu nâng cao chất lượng, hiệu quả dạy học kĩ thuật

1.1.2 Tình hình nghiên cứu về bài toán thiết kế kĩ thuật

Nghiên cứu về bài toán TKKT thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu, gồm cả các kĩ sư thiết kế và các chuyên gia nghiên cứu về giáo dục kĩ thuật Có nhiều công trình nghiên cứu về TKKT với trọng tâm là phát triển các kĩ năng và gải pháp thiết thiết kế sáng tạo

Đầu tiên có thể kể đến đó là các lý thuyết về giải bài toán sáng chế (TRIZ) của Altshuller [65], hoặc phương phương pháp phân tích hình thái học của Allen [63] Một số nhà sư phạm lại vận dụng phương pháp công não (Brain Storming) [77] hay dạy học dựa trên dự án [của Prince and Felder 2006] như một giải pháp của dạy học thiết kế sáng tạo

Cagan và Agogino [66] cho rằng, một thiết kế sáng tạo khi thiết kế đó giải quyết tối đa các điều kiện ràng buộc Hai ông cũng đề xuất một mô hình tính toán tối ưu hóa nhằm mở rộng không gian thiết kế bằng cách thêm vào các điều kiện ràng buộc, từ đó mở rộng được tính năng của sản phẩm thiết kế Dixon và Penny [67]; R.K Penny [79] đặt thiết kế là sự giao thoa giữa hai lĩnh vực: văn hóa (chính trị, xã hội học, kinh tế học, kiến trúc, mỹ thuật) và kĩ thuật (khoa học, khoa học kĩ thuật, khoa học công nghệ, khoa học sản xuất) Trên góc độ tâm lí, TKKT là hoạt động sáng tạo dựa trên nền tảng toán học, vật lý, hóa học, thủy lực học, kĩ thuật điện, kĩ thuật cơ khí, kĩ thuật vật liệu, công nghệ sản xuất, v.v Trên góc độ hệ thống, TKKT là sự tối ưu hóa một đối tượng (sản phẩm kĩ thuật) trong các điều kiện ràng buộc có tính mâu thuẫn; do các điều kiện này thay đổi theo thời gian, sự tối ưu hóa này cũng phụ thuộc vào thời điểm và các bối cảnh xã hội cụ thể Về mặt sản xuất, thiết kế là một phần không thể thiếu của một vòng đời sản phẩm, nó bắt đầu bởi nhu cầu hoặc ý tưởng mới và kết thúc khi sản phẩm hết giai đoạn sử dụng Chu trình này thể hiện quá trình biến các nguyên vật liệu thô thành các sản phẩm có giá trị kinh tế cao hơn

Như vậy, có thể nhận thấy có nhiều công trình nghiên cứu về TKKT dưới góc độ phát triển các kĩ thuật thiết kế sáng tạo mà chưa đề cập đến nghiên cứu lí luận về các vấn đề thiết kế như một bài toán TKKT

Ở một khía cạnh khác, có thể thấy trong các nghiên cứu về BTKT hầu như chưa đề cập tới bài toán TKKT Trong số nhiều công trình trước đây của các tác giả như: X.L Rubinstein, T.V Kudriasep, V.A Xcacun, I.Ia Lecne, v.v đa số tập trung vào nghiên cứu lí luận về bài toán nói chung, bài toán trong dạy học nghề kĩ thuật hay bài toán phát triển TDKT nói riêng Gần đây nhất, các công trình nghiên cứu về BTKT đa số tập trung vào nghiên cứu lí luận về bài toán và các hình thức triển khai, xây dựng BTKT trong dạy học Chưa nhiều các nghiên cứu chuyên sâu vào một dạng BTKT cụ thể V.A Xcacun thì nghiên cứu sâu hơn về dạng bài toán công nghệ Tác giả T.V Kudriasep đã đề cập tới một dạng của BTKT đó là bài toán TKKT, nghiên cứu của tác giả dừng lại ở việc đề cập sơ bộ ban đầu về khái niệm và đặc trưng của bài toán TKKT Các nghiên cứu của của một số tác giả trong nước như: Phạm Ngọc Uyển, Nguyễn Văn Khôi, Nguyễn Trọng Khanh, v.v về bài tập, bài toán cũng chỉ đề cập đến BTKT nói chung Gần đây nhất, các tác giả Trần Quốc Cường [14], Nguyễn Thị Thanh Huyền [26] đã đi sâu nghiên cứu về bài toán chẩn đoán kĩ thuật và phân tích kĩ thuật

Có thể nói, riêng với bài toán TKKT, cho đến nay vẫn chưa có tác giả nào đi sâu nghiên cứu về khái niệm, đặc điểm, phân loại cấu trúc cũng như qui trình xây dựng và sử dụng chúng trong dạy học kĩ thuật Vì vậy, việc nghiên cứu về bài toán TKKT sẽ rất có ý nghĩa khoa học trong giáo dục kĩ thuật

1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.2.1 Thiết kế kĩ thuật

1.2.1.1 Kĩ thuật

Từ thời Hy Lạp cổ đại, thuật ngữ kĩ thuật đã có với ý nghĩa là công cụ và phương pháp lao động Trong tiếng La tinh, thuật ngữ kĩ thuật bao gồm “ingenium”, có nghĩa là “sự thông minh” và “ingeniare” có nghĩa là “để tạo ra, phát minh ra”

Hiện nay, cũng có nhiều cách định nghĩa khác nhau về thuật ngữ này - Trong từ điển tiếng Việt (Hoàng Phê [43], kĩ thuật được định nghĩa theo hai cách khác nhau: Theo nghĩa phương tiện, kĩ thuật là “ tổng thể nói chung những phương tiện và tư liệu hoạt động của con người, được tạo ra để thực hiện quá trình sản xuất và phục vụ cho các nhu cầu phi sản xuất của xã hội ” Theo nghĩa phương pháp làm việc, kĩ thuật là “tổng thể nói chung những phương pháp, phương thức sử dụng trong một lĩnh vực hoạt động nào đó của con người”

- Từ điển Bách khoa toàn thư Việt Nam [54; quyển 2, tr.550]: kĩ thuật là “kinh nghiệm, kĩ năng, các thao tác, các cơ cấu, các máy móc, các hệ thống, các phương pháp và phương tiện quản lí, khai thác, bảo vệ, xử lí vật chất, năng lượng và thông tin, được xây dựng nhằm mục đích sản xuất và phục vụ các nhu cầu trực tiếp của xã hội Kĩ thuật còn bao hàm tất cả những kĩ năng, kĩ xảo, kinh nghiệm của một dạng hoạt động bất kì như kĩ thuật múa, ca hát, viết văn, hội họa, thể dục, thể thao và kĩ thuật sản xuất, v.v” Đây là cách định nghĩa rộng, kĩ thuật sẽ bao hàm các phương tiện, máy móc và các phương pháp, cách thức tiến hành hoạt động của con người

Theo tổ chức giáo dục EiE, khái niệm kĩ thuật được giới thiệu theo hướng: “kĩ thuật chính là phương pháp giải quyết mọi vấn đề của con người trong cuộc sống một cách thực tiễn và thống nhất”

Trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018 [7] giải thích thuật ngữ “kĩ thuật”: “là ứng dụng khoa học để giải quyết các vấn đề thực tiễn, tạo ra sản phẩm, công nghệ đáp ứng nhu cầu của cuộc sống; là kinh nghiệm và thủ thuật của một dạng hoạt động nhất định”

Như vậy có thể hiểu kĩ thuật là việc áp dụng các nguyên lí khoa học vào giải quyết vấn đề thực tiễn Kĩ thuật cũng bao hàm kinh nghiệm, kĩ năng, thủ thuật của một dạng hoạt động nhất định

1.2.1.2 Thiết kế

Theo vi.wikipedia, thiết kế “là việc tạo ra bản vẽ hoặc qui ước biểu diễn và tạo dựng một đối tượng, một hệ thống hoặc một tương tác giữa người với người có thể đo lường được (các bản vẽ chi tiết kiến trúc, bản vẽ kĩ thuật, qui trình kinh doanh, sơ đồ mạch điện, mẫu cắt may, v.v.)” Trong một số trường hợp, việc xây dựng, tạo hình trực tiếp một đối tượng (như với nghề gốm, công việc kĩ thuật, quản lí, lập trình, và thiết kế đồ họa, v.v.) cũng được coi là hoạt động thiết kế Do đó, "thiết kế" có thể được sử dụng như một danh từ chỉ nghề nghiệp hoặc một động từ chỉ một hoạt động mang tính qui trình Theo nghĩa rộng hơn, thiết kế bao gồm kĩ thuật kết hợp với công nghệ và mỹ thuật ứng dụng

Theo từ điển tiếng Việt, thiết kế là “lập tài liệu kĩ thuật toàn bộ, gồm có bản tính toán, bản vẽ, … để có thể theo đó mà xây dựng công trình, sản xuất thiết bị, sản phẩm, …” [43] Ở đây, sản phẩm cũng được hiểu theo nghĩa chung nhất, là “cái do lao động của con người tạo ra; cái được tạo ra, như là một kết quả tự nhiên”

Nikos J Mourtos [73] coi “Thiết kế là một quá trình mà qua đó người ta biến những ý tưởng và khái niệm thành sản phẩm thỏa mãn những yêu cầu và ràng buộc nhất định”

L M Nicolai [72] đưa ra một định nghĩa đơn giản hơn: kĩ thuật là thiết kế của một loại hàng hóa vì lợi ích của người dùng

Theo tiêu chuẩn ISO 9000:2000: thiết kế là “tập hợp các quá trình chuyển yêu cầu thành các qui định, đặc tính kĩ thuật của sản phẩm, quá trình hay hệ thống”

Trong luận án này, đề cập tới bài toán TKKT trong dạy học thì khái niệm “thiết kế” được hiểu theo nghĩa là một quá trình, một hành động Thiết kế cũng có thể được coi là một qui trình giải quyết vấn đề, phát hiện ra giải pháp mới và để đặt nền tảng cho đổi mới sáng tạo Theo nhận định đó, có thể hiểu “thiết kế là quá trình xác định và biến đổi những ý tưởng, nhu cầu thành sản phẩm, dịch vụ hoặc hệ thống đáp ứng yêu cầu đặt ra”

1.2.1.3 Thiết kế kĩ thuật

Theo từ điển bách khoa Việt Nam [56; tập 4, tr.231], TKKT là “lập hồ sơ kĩ thuật để xây dựng hay cải biến một công trình hay mô hình sản xuất hoặc chế tạo một phương tiện, thiết bị nào đó Hồ sơ bao gồm các bản vẽ tổng thể, chi tiết, kèm theo bảng thống kê vật liệu sử dụng, thuyết minh phần tính toán và những chỉ dẫn cần thiết”

Tác giả Nguyễn Thanh Nam [40; tr.13] với công trình “Phương pháp thiết kế kĩ thuật” đã đưa ra định nghĩa: “thiết kế kĩ thuật là quá trình biến đổi những thông tin về nhu cầu thành kiến thức về sản phẩm” Theo đó, có thể hiểu TKKT là quá trình biến đổi thông tin về nhu cầu thành sơ đồ tổng thể, chi tiết, kèm theo phần tính toán kết cấu, vật liệu sử dụng, nguyên tắc hoạt động và những chỉ dẫn cần thiết để xây dựng một qui trình kĩ thuật hoặc chế tạo ra sản phẩm nào đó

Theo Phạm Văn Khôi [35], TKKT, giai đoạn trung gian của việc lập bản thiết kế máy, thiết kế công trình TKKT của máy bao gồm các giải pháp kết cấu của tất cả các cơ cấu tổng thành, tính toán độ bền, độ chịu mòn, v.v; bản thuyết

minh, qui cách các chi tiết ghép nối chủ yếu, các sản phẩm cần mua sắm

TKKT là phương pháp xác định và giải quyết các vấn đề kĩ thuật TKKT có thể có nhiều dạng khác nhau, nhưng chúng đều bao gồm một thuộc tính chung: bất kì loại TKKT nào cũng là một qui trình [69]

Do đó, TKKT là hoạt động mang tính qui trình gồm nhiều hoạt động như phát hiện vấn đề, tìm kiếm giải pháp, thực hiện giải pháp, thử nghiệm, đánh giá, điều chỉnh thiết kế TKKT cũng liên quan đến các khâu khảo sát nhu cầu, cung cấp dịch vụ hoặc lấy thông tin phản hồi từ người dùng

Như vậy, có thể hiểu TKKT: là quá trình áp dụng các nguyên lí khoa học và kiến thức kĩ thuật để xác định các thông tin cần thiết cho việc chế tạo hoặc phát triển các thiết bị, hệ thống, sản phẩm kĩ thuật, công nghệ

1.2.2 Năng lực thiết kế kĩ thuật và qui trình thiết kế kĩ thuật 1.2.2.1 Năng lực thiết kế kĩ thuật

Theo Từ điển tiếng Việt do Hoàng Phê (chủ biên) đã định nghĩa “năng lực là phẩm chất tâm lí và sinh lí tạo cho con người khả năng hoàn thành một loại hoạt động nào đó với chất lượng cao” [43; tr.66]

Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế OECD “Năng lực là khả năng cá nhân đáp ứng các yêu cầu phức hợp và thực hiện thành công nhiệm vụ trong một bối cảnh cụ thể”

Theo tác giả Đặng Thành Hưng [27; tr.18-26] “năng lực là khái niệm chỉ những thuộc tính có nguồn gốc sinh học, tâm lí và xã hội có thật ở cá nhân cho phép cá nhân đó thực hiện thành công hoạt động nhất định theo yêu cầu hay tiêu chí nhất định và thu được kết quả thấy được trên thực tế”

Tác giả Nguyễn Trọng Khanh [29] đã phát biểu về NLKT như sau: Năng lực kĩ thuật là tổ hợp những thuộc tính tâm sinh lí của cá nhân đáp ứng những đòi hỏi của một hoạt động kĩ thuật nào đó

Dựa trên khái niệm về năng lực, NLKT và TKKT; dưới góc độ giáo dục

kĩ thuật, có thể hiểu: năng lực thiết kế kĩ thuật là tổ hợp các thuộc tính tâm sinh lí của cá nhân cho phép vận dụng kiến thức, kĩ năng và thái độ để thực hiện quá trình thiết kế kĩ thuật

1.2.2.2 Qui trình thiết kế kĩ thuật

Trong thực tiễn sản xuất, qui trình TKKT thuật thường gắn liền với qui trình thiết kế sản phẩm Tùy theo cách thức, mô hình tổ chức thiết kế; cách phối hợp công việc trong mỗi bước; cách phân chia các bước trong quá trình thiết kế và phát triển sản phẩm mà qui trình thiết kế sản phẩm bao gồm các giai đoạn và các bước khác nhau Nhìn chung, các nghiên cứu về qui trình thiết kế sản phẩm [40], [51], [64], [68] gồm ba giai đoạn: 1) thiết kế ý tưởng (hay còn gọi là thiết kế giải pháp); 2) thiết kế phương án (cấu trúc sản phẩm, phương án lắp đặt và thiết kế tham số); 3) Thiết kế chi tiết (bản vẽ kĩ thuật chi tiết, thông tin thử nghiệm chi tiết) Dưới đây trình bày một số qui trình thiết kế sản phẩm:

Hình 1.1 Qui trình thiết kế sản phẩm kĩ thuật

(Tamer Shahin Yousef Haik [64])

Hình 1.2 Qui trình thiết kế sản phẩm (Linda C Schmidt George E Dieter[68])

Hình 1.3 Quá trình thiết kế và phát triển sản phẩm (Trần Anh Tuấn [51]) Trong giáo dục kĩ thuật, TKKT thường được sử dụng như một loạt các công cụ, phương pháp và qui trình định trước Qui trình này bao gồm các bước triển khai dưới dạng các hoạt động học được thiết kế nhằm giúp người học đưa ra các phương án sáng tạo để giải quyết vấn đề Hầu hết các nghiên cứu đề cập qui trình TKKT có các hoạt động: “xác định vấn đề”, “nghiên cứu vấn đề, đề xuất phương án”, “thực hiện phương án tốt nhất” và “đánh giá và

điều chỉnh thiết kế” (Budynas và Nisbett 2015; Cross 2000; Dieter và Schmidt 2013; Dym và cộng sự, 2013; Haik và Shahin 2011; Khandani 2005) [64]

Có thể tìm hiểu quan điểm về qui trình TKKT của các tác giả qua bảng giá khái niệm • Hoàn thiện khái

Trên cơ sở phân tích các kết quả nghiên cứu về qui trình TKKT; phân tích công việc thiết kế công trình, sản phẩm kĩ thuật; quá trình dạy học kĩ thuật; v.v Luận án đề xuất qui trình TKKT dùng trong dạy học bao gồm 5 bước: 1) Xác định vấn đề; 2) Nghiên cứu vấn đề, đề xuất phương án; 3) Lựa

chọn phương án; 4) Thực hiện phương án; 5) Đánh giá, điều chỉnh thiết kế Qui trình cụ thể được thể hiện trên Hình 1.4

Hình 1.4 Qui trình thiết kế kĩ thuật trong dạy học

Như vậy, trong dạy học thì qui trình TKKT được điều chỉnh gọn hơn nhưng vẫn mang đầy đủ nội dung chính của qui trình TKKT trong thực tiễn 1.2.3 Bài toán thiết kế kĩ thuật

1.2.3.1 Bài toán kĩ thuật

Cho đến nay vẫn chưa có sự thống nhất về định nghĩa bài toán nói chung và BTKT nói riêng Trước khi xét đến định nghĩa BTKT, có thể điểm qua một số thuật ngữ và quan điểm có liên quan tới việc định nghĩa bài toán và BTKT

Theo Từ điển tiếng Việt thì [43]:

- Bài toán: “vấn đề cần giải quyết bằng phương pháp khoa học” - Bài tính: “bài toán chỉ đòi hỏi một số phép tính”

- Bài tập: “Bài ra cho học sinh làm để luyện tập vận dụng những điều đã học”

- Vấn đề: “Điều cần được xem xét, nghiên cứu, giải quyết”

- Tình huống: “Sự diễn biến của tình hình, về mặt cần phải đối phó” Về định nghĩa BTKT, V.A Xcacun cho rằng: BTKT là bài toán “có liên quan tới việc vận dụng một cách tổng hợp các kiến thức, kĩ năng và kĩ xảo trong phạm vi sản xuất” Còn theo T.V Kudriasep thì: BTKT là: “bài toán bất kỳ, liên quan tới sự giải quyết các vấn đề kĩ thuật và sản xuất kĩ thuật, tới sự vận dụng tổng hợp kiến thức, kĩ năng, kĩ xảo trong lĩnh vực kĩ thuật và sản xuất” [83]

Nghiên cứu các thuật ngữ, các quan điểm, gồm cả quan điểm nhất quán hai thuật ngữ “bài toán” và “tình huống có vấn đề”; phân tích khái niệm, đặc điểm, phương pháp giải các bài toán, bài tập, vấn đề, nhiệm vụ kĩ thuật được sử dụng trong dạy học kĩ thuật, dạy học lao động, dạy nghề, v.v Nguyễn Trọng Khanh định nghĩa về BTKT như sau:

“BTKT là một bài toán, một vấn đề hay một tình huống thuộc lĩnh vực kĩ thuật, đòi hỏi giải quyết bằng phương pháp khoa học, dựa trên sự vận dụng tổng hợp các kiến thức, kĩ năng và kĩ xảo” [28]

1.2.3.2 Khái niệm bài toán thiết kế kĩ thuật

Dựa trên các nghiên cứu về TKKT [64], [68], [73], [78], [79], [80], [81], [82] có thể đưa ra nhận định: TKKT là quá trình đi đến lựa chọn phương án gải quyết vấn đề thỏa mãn tốt nhất các yêu cầu và điều kiện ràng buộc Quá trình TKKT là quá trình ra quyết định dựa trên phương pháp khoa học và TDST

Tác giả Nguyễn Thị Mai Lan [36] cho rằng, bài toán TKKT là “bài toán thuộc lĩnh vực kĩ thuật và sản xuất, yêu cầu xây dựng sơ đồ tổng thể, chi tiết kèm theo phần tính toán, vật liệu sử dụng, nguyên tắc hoạt động và những chỉ

dẫn cần thiết để xây dựng một qui trình kĩ thuật hoặc chế tạo ra sản phẩm nào đó đáp ứng yêu cầu xác định cho trước”

Dựa trên các khái niệm về TKKT và BTKT, có thể coi bài toán TKKT là một vấn đề kĩ thuật đặt ra đối với quá trình TKKT và đòi hỏi phải dùng các kiến thức khoa học, kĩ thuật và toán học để giải quyết Vấn đề kĩ thuật ở đây gồm các yếu tố được cụ thể hóa thành các yêu cầu kĩ thuật như: vật liệu, kiểu dáng, kết cấu, công suất, hiệu suất, tính năng , v.v và nhiều các điều kiện ràng buộc khác như: hiệu quả kinh tế, tính an toàn, tiện dụng, thẩm mĩ, sự tác động tới môi trường, v.v Quá trình tìm ra phương án giải quết bài toán TKKT thường qua các bước: Xác định vấn đề, nghiên cứu vấn đề để tìm các phương án thiết kế tốt nhất; thực hiện phương án; kiểm nghiệm đánh giá và điều chỉnh thiết kế Một số bước của quá trình giải bài toán có thể lặp lại để đi đến phương án tốt nhất

Như vậy, có thể hiểu: Bài toán TKKT là một loại BTKT, đặt ra yêu cầu thiết kế qui trình hoặc sản phẩm kĩ thuật có tính mới, có ưu điểm vượt trội nhất định và quá trình giải bài toán thường tuân thủ các bước của quy trình TKKT 1.2.4 Một số khái niệm liên quan

1.2.4.1 Tư duy kĩ thuật

a) Khái niệm tư duy kĩ thuật

Theo Từ điển Bách khoa toàn thư Việt Nam [56], “tư duy kĩ thuật một dạng của hoạt động tư duy phản ánh một cách khái quát và gián tiếp hiện thực khách quan nhằm vào giải quyết các nhiệm vụ kĩ thuật, các loại toán kĩ thuật, bao gồm 4 thành phần cấu trúc: khái niệm, hình tượng, vật thể, thực hành, liên quan mật thiết với nhau, tác động qua lại và chuyển hoá lẫn nhau” Một số nghiên cứu [9], [20], [23] đã phát biểu khái quát về TDKT “Tư duy kĩ thuật là sự phản ánh khái quát các nguyên lí kĩ thuật, các quá trình kĩ thuật, các thiết bị kĩ thuật dưới dạng các mô hình và kết cấu kĩ thuật nhằm

giải quyết những nhiệm vụ đặt ra trong thực tế sản xuất”; hoặc “Tư duy kĩ thuật là loại tư duy xuất hiện trong lĩnh vực lao động kĩ thuật nhằm giải quyết những bài toán (vấn đề, nhiệm vụ) có tính chất kĩ thuật sản xuất”

Tác giả Trần Khánh Đức cùng cộng sự [20] khi nghiên cứu về khoa học tư duy đã cho rằng, “tư duy khoa học khi nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực kĩ thuật và công nghệ hình thành thành nên tư duy khoa học kĩ thuật và công nghệ”

T.V Kudriasep – tác giả của tài liệu “Tâm lí học tư duy kĩ thuật” đã cho rằng “các vấn đề về tư duy kĩ thuật như là dạng đặc biệt của hoạt động trí óc của con người” N.Z Bogozop, I.G Gozaman, G.V Xakharop thì xem “Tư duy kĩ thuật như là hoạt động hướng vào sự soạn thảo độc lập và giải các bài toán kĩ thuật” [3]

Luận án nghiên cứu về BTKT và chi tiết hơn là bài toán TKKT nên sử dụng khái niệm về TDKT của tác giả Nguyễn Trọng Khanh [29]: “Tư duy kĩ thuật là một loại tư duy của con người khi nghiên cứu, giải quyết các vấn đề đặt ra trong lĩnh vực kĩ thuật”

b) Đặc điểm của tư duy kĩ thuật

Dựa trên những nghiên cứu của các tác giả [20], [26], [28], [29], [46], [57], có thể nhận định, TDKT ngoài mang những đặc điểm chung của tư duy như (tính có vấn đề, tính khái quát, tính gián tiếp, gắn kết chặt chẽ với ngôn ngữ và nhận thức cảm tính, v.v.) thì còn mang một số đặc điểm riêng như sau:

- Tính chất lí thuyết và hành động: TDKT có sự gắn kết chặt chẽ lí thuyết và hành động Tính chất này thể hiện ở sự thống nhất, tác động điều chỉnh lẫn nhau của trí óc (suy nghĩ) và hành động (thao tác vật chất, thực hành)

- Liên hệ chặt chẽ giữa hình ảnh và khái niệm: hình ảnh (ngôn ngữ của TDKT) là những thông tin về đối tượng kĩ thuật được biểu diễn dưới dạng đồ

họa như: bản vẽ kĩ thuật, sơ đồ, kí hiệu, biểu tượng, v.v Khái niệm hay phần trừu tượng, là tri thức được khái quát hóa dựa trên hình ảnh Hình ảnh đóng vai trò điểm tựa, định hướng cho quá trình tiếp nhận và hình thành tri thức Đối với TDKT, hình ảnh có vai trò quan trọng là đòn bẩy thúc đẩy tư duy

- TDKT có tính thực tiễn và linh hoạt: đối tượng của TDKT là những nguyên lí, diễn biến, quá trình kĩ thuật hay sản phẩm kĩ thuật trong thực tiễn Thực tiễn của kĩ thuật rất phong phú và đa dạng; vì vậy, khi giải quyết các vấn đề kĩ thuật đòi hỏi phải vận dụng một cách tổng hợp, linh hoạt các phương pháp, hình thức tư duy để đưa ra phương án giải quyết tối ưu

c) Biểu hiện của sự phát triển tư duy kĩ thuật

- Khả năng phát hiện vấn đề: vấn đề là khởi nguồn của tư duy, việc xác định được vấn đề là một biểu hiện của sự vận dụng phương pháp, hình thức tư duy linh hoạt dựa trên tri thức và vốn hiểu biết về vấn đề kĩ thuật Phương pháp hiệu quả để phát hiện vấn đề là quan sát trực quan (nhận thức lí tính) kết hợp vận dụng kiến và kĩ năng để “hiểu vấn đề” và “phát biểu vấn đề”

- Giải quyết vấn đề: vấn đề kĩ thuật thường yêu cầu người học phải huy động tối đa các phương pháp và hình thức tư duy để giải quyết Để xác định các biểu hiện của sự phát triển TDKT khi giải quyết vấn đề, có thể dựa vào một số dấu hiệu sau: tốc độ giải quyết vấn đề; phương án để giải quyết vấn đề; khả năng lập luận, chứng minh phương án giải quyết vấn đề là hiệu quả; khả năng thực hiện hành động, thao tác khi giải quyết vấn đề,

1.2.4.2 Sáng tạo kĩ thuật

Theo Từ điển Bách khoa toàn thư Việt Nam [55], sáng tạo được hiểu là “Hoạt động tạo ra cái mới Có thể sáng tạo trong bất kì lĩnh vực nào: khoa học (phát minh), nghệ thuật, sản xuất - kĩ thuật (sáng tác, sáng chế), kinh tế, chính trị, v.v.”

Theo Nguyễn Thị Mai Lan [36], TDST được hiểu là “loại tư duy đột phá tiến hành theo các bước nhảy, có sự tham gia phối hợp của yếu tố trực giác và yếu tố logic, nhằm giải quyết vấn đề mới một cách hiệu quả để tạo ra ý tưởng mới, giải pháp mới, cách giải quyết mới”

Sáng tạo kĩ thuật: Vấn đề hay BTKT thường thiếu dữ kiện, dữ kiện không rõ ràng hoặc không có dữ kiện Vì vậy, có thể coi quá trình giải quyết vấn đề kĩ thuật là một quá trình sáng tạo Trong cả quá trình đó, người học cần nhận ra cơ hội sáng tạo, lựa chọn phương pháp và kĩ thuật phù hợp để tạo ra ý tưởng sáng tạo Dưới góc độ TKKT, biểu hiện sáng tạo có thể đo lường được khi giải quyết vấn đề chính là phương án và cách thức mà người học giải quyết vấn đề Với tính đa phương án, BTKT là một công cụ triển khai hiệu quả để đánh giá sự phát triển TDKT nói chung, sáng tạo kĩ thuật nói riêng

1.2.4.3 Tư duy thiết kế

Dưới góc độ thiết kế sản phẩm, thiết bị hay cung cấp các dịch vụ kĩ thuật Tư duy thiết kế là quá trình liên tục, lặp lại nhằm nghiên cứu nhu cầu người dùng để xác định các hạn chế, giới hạn hiện tại của sản phẩm Xác định lại vấn đề và tạo ra các giải pháp thiết kế sáng tạo Triển khai thử nghiệm trên nguyên mẫu để đánh giá điều chỉnh giải pháp và phương án giải quyết vấn đề; hoàn thiện sản phẩm

Dựa trên các nghiên cứu về TKKT, qui trình TKKT; phân tích, tổng hợp các khái niệm về TDKT và TDST [20], [35], [68] có thể khái quát một số đặc điểm của tư duy thiết kế: tư duy thiết là một dạng của TDKT; mang tính qui trình và hướng đến sự đổi mới, sáng tạo Dưới góc độ giáo dục kĩ thuật và công nghệ, có thể coi tư duy thiết kế “là một dạng tư duy sáng tạo của con người trong quá trình thiết kế, nhằm tìm tòi ra những giải pháp, cách thức mới và hiệu quả để giải quyết vấn đề”

1.3 LÍ LUẬN VỀ XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC

1.3.1 Lí luận về bài toán thiết kế kĩ thuật

1.3.1.1 Đặc điểm của bài toán thiết kế kĩ thuật

Trong dạy học kĩ thuật, khi nghiên cứu về đặc điểm của TDKT và con đường phát triển TDKT, T.V Kuđriasep, B.I Ôpsatcô nhận định, BTKT có hai đặc điểm: 1) Không thể hiện rõ yêu cầu cần tìm hiểu về lĩnh vực hoạt động kĩ thuật mà tư duy của chủ thể nhận thức cần hướng tới; 2) Có nhiều cách giải [3] Còn theo V.A Xcacun thì: nhiều BTKT không có đủ dữ kiện, đôi khi thiếu hẳn dữ kiện [61]

Khi nghiên cứu về đặc điểm, cấu trúc của BTKT, Nguyễn Trọng Khanh [28], [29] đã xác định bốn đặc điểm của BTKT: 1) Các BTKT thường không đủ dữ kiện, dữ kiện không rõ ràng, thậm chí thiếu hoàn toàn các dữ kiện; 2) BTKT thường có nhiều cách giải, cùng một yêu cầu sẽ có nhiều phương án giải quyết khác nhau phụ thuộc vào trình độ, cách tiếp cận bài toán của người giải và công cụ để giải bài toán; 3) BTKT có thể xuất hiện tức thời và đòi hỏi phải giải quyết nhanh chóng; 4) Quá trình giải BTKT thường có thêm khâu đánh giá để lựa chọn phương án tối ưu hoặc hợp lí nhất

Qua nghiên cứu về các đặc điểm của BTKT trên đây, có thể rút ra nhận định rằng, bài toán TKKT mang đầy đủ đặc điểm của BTKT Tuy nhiên, xét riêng về bài toán TKKT thì nó có một số đặc điểm riêng như sau:

- Bài toán TKKT xuất phát từ các yêu cầu thực tiễn: Bài toán TKKT hướng vào giải quyết các vấn đề bằng cách tìm ra các giải pháp nhằm cải thiện các vấn đề còn tồn tại hay nâng cao hiệu quả các yếu tố kinh tế kĩ thuật như: chi phí sản xuất, giá thành sản phẩm, vật liệu, kiểu dáng, kết cấu, hiệu suất, tính ổn định Bài toán TKKT cũng bao gồm các điều kiện ràng buộc khác mà giải pháp thiết kế đưa ra cần phải thỏa mãn như: tính an toàn, yêu

cầu bảo vệ sức khỏe người dùng, các vấn đề về môi trường và biến đổi khí hậu, năng lượng tái tạo và sử dụng năng lượng hiệu quả, v.v Hoặc cũng xuất phát từ giải quyết các vấn đề trong cuộc sống hàng ngày của con người nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống, cuộc sống tiện ích và thông minh

Trong ví dụ dưới đây, từ nhu cầu của cuộc sống, người dùng muốn thay thế một đèn điện truyền thống bằng một đèn điện tự động, an toàn, tiện ích; hiệu suất chiếu sáng và sử dụng năng lượng hiệu quả hơn Bài toán TKKT này có nhiều phương án để giải quyết nhưng nếu xét trong một bối cảnh thực tiễn là đèn chiếu sáng công cộng thì phương án thiết kế sử dụng cảm biến ánh sáng là một phương án phù hợp với nhiều yếu tố kĩ thuật và điều kiện ràng buộc hơn

Hình 1.5 Mạch điện chiếu sáng tự động

- Bài toán TKKT thường thiếu dữ kiện hoặc dữ kiện không rõ ràng: Với bài toán thiết kế mạch điện chiếu sáng tự động như trên, có thể thấy dữ kiện mà bài toán đưa ra là không rõ ràng và thiếu dữ kiện để giải quyết Cụ thể là: yêu cầu bài toán không chỉ rõ thiết kế đèn điện này cho ai, dùng ở đâu và công suất là bao nhiêu? Vì vậy, để giải bài toán cần giả định hoặc chỉ định một bối cảnh và đối tượng sử dụng cụ thể Qua đó đề xuất các thông số kĩ thuật như: tín hiệu sẽ quyết định việc bật – tắt đèn, lựa chọn loại đèn có công suất phù hợp và các linh kiện thiết bị khác cần thiết để thiết kế mạch điện theo yêu cầu

- Bài toán TKKT thường có nhiều phương án giải quyết: Phương pháp khoa học thường đi đến kết luận cho một vấn đề nghiên cứu là đúng hoặc sai

Bài toán TKKT thường có nhiều phương án khác nhau để đi đến kết luận: phương án nào là phù hợp nhất để lựa chọn? Quá trình TKKT là quá trình ra quyết định dựa trên sự cân nhắc và đôi khi phải thỏa hiệp hoặc đánh đổi Phương án thiết kế được lựa chọn là phương án phù hợp nhất với các yêu cầu kĩ thuật và điều kiện ràng buộc đặt ra mà không hẳn là phương án tốt nhất

Phân tích ví dụ trên: trong quá trình đưa ra các phương án giải quyết bài toán thiết kế Có thể đề xuất một số phương án sau để thiết kế mạch điện: 1) Sử dụng cảm biến ánh sáng hoặc cảm biến hồng ngoại chuyển động, 2) Sử dụng bộ hẹn giờ thời gian thực, 3) Sử dụng bộ rơ le thời gian để hẹn giờ đóng cắt mạch điện, v.v Tuy có nhiều giải pháp nhưng nếu xét trong một bối cảnh cụ thể, ví dụ như chiếu sáng công cộng thì phương án phù hợp nhất được chọn là mạch đèn tự động sử dụng cảm biến ánh sáng Bởi vì phương án này phù hợp hơn các phương án còn lại (phương án 2 và 3, đóng cắt theo thời gian thực hoặc rơ le thời gian sẽ không giải quyết được yếu tố thời tiết, đặc điểm chiếu sáng theo mùa, …)

- Bài toán TKKT mang tính định lượng và qui trình: Tính chất định lượng của bài toán TKKT thể hiện ở chỗ: để thiết kế ra sản phẩm đáp ứng yêu cầu, người thiết kế phải xác định hoặc chỉ định được các thông số kĩ thuật của sản phẩm Thông số kĩ thuật phải được xác định trên cơ sở kiến thức kĩ thuật và các nguyên lí khoa học Một trong những tài liệu mô tả chi tiết thông số kĩ thuật của sản phẩm thiết kế đó là bản vẽ kĩ thuật

Yếu tố thứ hai trong đặc trưng này là tính qui trình trong giải quyết bài toán Cụ thể là, để giải quyết bài toán người thiết kế thường phải trải qua các bước của qui trình TKKT như đã trình bày ở trên Quá trình này có những bước phải lặp lại để đi đến sản phẩm thiết kế cuối cùng

Để rõ đặc trưng này của bài toán TKKT, có thể xem xét ví dụ nêu trên Trước tiên, về các thông số kĩ thuật của mạch điện; người thiết kế cần xác