dạy học kĩ thuật lập trình cho sinh viên ngành kĩ thuật điện tử viễn thông theo hướng phát triển tư duy điện toán

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI ---    --- NGUYỄN THỊ ANH THI DẠY HỌC KĨ THUẬT LẬP TRÌNH CHO SINH VIÊN NGÀNH KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG THEO HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯ DUY ĐIỆN TOÁN LUẬN Á

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

-    -

NGUYỄN THỊ ANH THI

DẠY HỌC KĨ THUẬT LẬP TRÌNH CHO SINH VIÊN NGÀNH KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

THEO HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯ DUY ĐIỆN TOÁN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC

HÀ NỘI - 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

-    -

NGUYỄN THỊ ANH THI

DẠY HỌC KĨ THUẬT LẬP TRÌNH CHO SINH VIÊN NGÀNH KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

THEO HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯ DUY ĐIỆN TOÁN

Chuyên ngành: LL&PPDH bộ môn KTCN

Mã số: 9.14.01.11

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

HÀ NỘI – 2022

LỜI CAM ĐOAN

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

Hà Nội, ngày tháng năm 2022

Tác giả

Nguyễn Thị Anh Thi

LỜI CẢM ƠN

Tôi muốn tỏ lòng biết ơn đến tất cả mọi người đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án này theo nhiều cách thức khác nhau Trước hết, tôi xin chân thành nhớ ơn sâu sắc đến PGS TS Đặng Văn Nghĩa và TS Nguyễn Hùng Chính – các Thầy đã trực tiếp hướng dẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Tôi chân thành cảm ơn các Thầy Cô thuộc bộ môn Phương pháp dạy học, khoa Sư phạm Kĩ thuật, trường Đại học Sư phạm Hà Nội, cùng với các Thầy Cô trong Hội đồng khoa học khoa Sư phạm Kĩ thuật đã có những góp ý quý báu trong suốt quá trình sinh hoạt nghiên cứu tại bộ môn, giúp luận án được hoàn thiện tốt hơn

Tôi trân trọng cảm ơn Quý phòng ban ở trường Đại học Sư phạm Hà Nội và các nhà khoa học ở một số Viện nghiên cứu, Trường Đại học đã quan tâm, tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu, quá trình khảo sát và kiểm nghiệm kết quả cũng như quá trình hoàn thành luận án của mình

Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu, Khoa Công nghệ thông tin, Khoa Sư phạm và Quý phòng ban Trường Đại học Quy Nhơn

đã cho phép tôi và hỗ trợ kinh phí đào tạo cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập và hoàn thành chương trình đào tạo Tiến sỹ Chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè và các bạn sinh viên đã chia sẻ

và động viên tôi trong thời gian học tập

Đặc biệt nhất, tôi xin dành sự biết ơn đến Ba Mẹ và Gia đình đã sát cánh chia sẻ cùng tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Hà Nội, ngày tháng năm 2022

Tác giả

Nguyễn Thị Anh Thi

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài nghiên cứu 1

2 Mục đích nghiên cứu 5

3 Khách thể, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5

4 Giả thuyết khoa học của luận án 5

5 Nhiệm vụ nghiên cứu 6

6 Phương pháp nghiên cứu 6

7 Đóng góp mới của luận án 7

8 Cấu trúc luận án 7

Chương 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ PHÁT TRIỂN

TƯ DUY ĐIỆN TOÁN TRONG DẠY HỌC 8

1.1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ PHÁT TRIỂN TƯ DUY ĐIỆN TOÁN TRONG DẠY HỌC 8

1.1.1 Nghiên cứu về phát triển tư duy trong dạy học 9

1.1.2 Nghiên cứu về phát triển tư duy điện toán trong dạy học 15

1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 23

1.2.1 Tư duy 23

1.2.2 Điện toán 27

1.2.3 Tư duy điện toán 27

1.2.4 Phát triển tư duy điện toán 30

1.2.5 Một số khái niệm khác 31

1.3 PHÁT TRIỂN TƯ DUY ĐIỆN TOÁN CHO SINH VIÊN TRONG DẠY HỌC 34

1.3.1 Đặc điểm của tư duy điện toán 34

1.3.2 Các thành tố của tư duy điện toán 37

1.3.3 Bản chất dạy học phát triển tư duy điện toán trong dạy học lập

trình cho sinh viên 41

1.3.4 Đánh giá mức độ phát triển tư duy điện toán của sinh viên 50

1.3.5 Một số định hướng phát triển tư duy điện toán cho sinh viên 55

1.4 THỰC TRẠNG PHÁT TRIỂN TƯ DUY ĐIỆN TOÁN CHO SINH VIÊN KTĐT-VT TẠI CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHU VỰC MIỀN TRUNG VÀ TÂY NGUYÊN 58

1.4.1 Mục đích, đối tượng, nội dung và phương pháp khảo sát 58

1.4.2 Kết quả khảo sát 60

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 69

Chương 2 PHÁT TRIỂN TƯ DUY ĐIỆN TOÁN CHO SINH VIÊN TRONG DẠY HỌC MÔN KĨ THUẬT LẬP TRÌNH 70

2.1 PHÂN TÍCH CHƯƠNG TRÌNH MÔN KĨ THUẬT LẬP TRÌNH 70

2.1.1 Khái lược cấu trúc chương trình đào tạo ngành KTĐT - VT 70

2.1.2 Đặc điểm nội dung môn học Kĩ thuật lập trình 71

2.2 MỘT SỐ BIỆN PHÁP DẠY HỌC PHÁT TRIỂN TƯ DUY ĐIỆN TOÁN CHO SINH VIÊN KTĐT-VT 75

2.2.1 Biện pháp 1: Lựa chọn nội dung chứa đựng cơ hội để hình thành và phát triển tư duy điện toán cho SV 75

2.2.2 Biện pháp 2: Hướng dẫn SV phân rã hoạt động lập trình thành những hoạt động thành phần, phân chia vấn đề phức tạp thành đơn giản hơn theo trình tự xác định 96

2.2.3 Biện pháp 3: Hình thành thói quen khái quát hóa bài toán, kiểm tra, đánh giá các chương trình kết quả và xây dựng chương trình với nhiều thuật toán khác nhau sao cho chương trình hiệu quả hơn 104

2.3 TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC MÔN KĨ THUẬT LẬP TRÌNH PHÁT TRIỂN TƯ DUY ĐIỆN TOÁN CHO SINH VIÊN KTĐT, VT 109

2.3.1 Tiến trình tổ chức dạy học môn Kĩ thuật lập trình nhằm phát triển

tư duy điện toán cho sinh viên KTĐT-VT 109

2.3.2 Một số giáo án minh họa trong dạy học môn Kĩ thuật lập trình 118

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 127

Chương 3 KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 129

3.1 MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP KIỂM NGHIỆM 129

3.1.1 Mục đích 129

3.1.2 Phương pháp kiểm nghiệm 129

3.1.3 Đối tượng kiểm nghiệm 129

3.2 NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ KIỂM NGHIỆM BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHUYÊN GIA 130

3.2.1 Nội dung và tiến trình thực hiện 130

3.2.2 Đánh giá kết quả 131

3.3 NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 134

3.3.1 Nội dung và tiến trình thực nghiệm 134

3.3.2 Tiến hành thực nghiệm 135

3.3.3 Phương pháp đánh giá kết quả thực nghiệm 136

3.3.4 Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm 137

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 143

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 145

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 147

TÀI LIỆU THAM KHẢO 148 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CNTT – TT Công nghệ thông tin và truyền thông

KTĐT – VT Kĩ thuật điện tử - viễn thông

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 1.1 Yếu tố cấu thành tư duy điện toán của các nhà nghiên cứu

khác nhau 37

Bảng 1.2 Năng lực và kiểu tư duy cần thiết cho SV ngành KTĐT – VT 61

Bảng 1.3 Nhận thức của GV và SV về sự cần thiết của sự phát triển TDĐT cho SV 62

Bảng 1.4 Tổng hợp ý kiến khảo sát SV về phong cách học của SV 64

Bảng 2.1 Chuẩn đầu ra của học phần Kĩ thuật lập trình 73

Bảng 3.1 Thống kê số lượng chuyên gia được xin ý kiến 130

Bảng 3.2 Kết quả khảo sát bằng phiếu hỏi 131

Bảng 3.3 Thống kê kết quả bài kiểm tra lớp ĐC và TN sau thực nghiệm

biện pháp 2 139

Bảng 3.4 Bảng kết quả kiểm tra lớp ĐC sau thực nghiệm biện pháp 2 140

Bảng 3.5 Bảng kết quả kiểm tra lớp TN sau khi thực nghiệm biện pháp 2 140

Bảng 3.6 Tổng hợp tham số đặc trưng lớp TN và ĐC khi thực nghiệm

biện pháp 2 141

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Các giai đoạn của một hành động tư duy 26

Hình 1.2 Các yếu tố cấu thành tư duy điện toán 39

Hình 1.3 Quá trình tư duy điện toán 40

Hình 1.4 Mô phỏng giai đoạn hình thành một chương trình (trên máy tính) từ một bài toán 44

Hình 1.5 Biểu diễn mối quan hệ giữa TDĐT với ngành KTĐT - VT 47

Hình 1.6 Thang đo SOLO về mức độ hiểu biết của SV học lập trình 55

Hình 1.7 Biểu đồ khảo sát tình hình GV sử dụng PPDH 62

Hình 1.8 Mức độ GV sử dụng biện pháp kích thích tư duy trong quá trình dạy học 63

Hình 2.1 Mô hình minh họa quần thể 93

Hình 2.2 Lưu đồ hoạt động cấu trúc lệnh if (a) có mệnh đề else và (b) không có mệnh đề else 100

Hình 2.3 Tiến trình chung tổ chức hoạt động dạy học 113

Hình 2.4 Tiến trình dạy học cho việc tiếp cận cấu trúc cụ thể của ngôn ngữ lập trình 115

Hình 2.5 Tiến trình dạy học rèn luyện kỹ năng sử dụng cấu trúc 118

Hình 3.1 Đồ thị tần suất số SV đạt điểm Xi khi thực nghiệm giáo án số 1 141 Hình 3.2 Đồ thị tần suất số SV đạt điểm Xi trở xuống thực nghiệm giáo án số 1 142

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài nghiên cứu

1.1 Định hướng của Đảng và Nhà nước trong đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo trong thời đại mới

Nghị quyết số 29-NQ/TW – Nghị quyết Hội nghị TW 8 khóa XI về đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo có nêu rõ nhiệm vụ và giải pháp:

“Tiếp tục đổi mới mạnh mẽ phương pháp dạy và học theo hướng hiện đại; phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo và vận dụng kiến thức, kỹ năng của người học; khắc phục lối truyền thụ áp đặt một chiều, ghi nhớ máy móc Tập trung dạy cách học, cách nghĩ, khuyến khích tự học, tạo cơ sở để người học tự cập nhật và đổi mới tri thức, kỹ năng, phát triển năng lực Chuyển từ học chủ yếu trên lớp sang tổ chức hình thức học tập đa dạng, chú ý các hoạt động xã hội, ngoại khóa, nghiên cứu khoa học Đẩy mạnh ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông trong dạy và học” [1]

Một trong những định hướng cơ bản của việc đổi mới giáo dục là chuyển từ nền giáo dục mang tính hàn lâm, kinh viện, xa rời thực tiễn sang một nền giáo dục chú trọng việc hình thành năng lực hành động, phát huy tính chủ động, sáng tạo của người học Định hướng quan trọng trong đổi mới phương pháp dạy học là phát huy tính tích cực, tự lực và sáng tạo, phát triển năng lực hành động, năng lực cộng tác làm việc của người học Đó cũng là những xu hướng quốc tế trong cải cách phương pháp ở nhà trường phổ thông cũng như ở bậc đại học, cao đẳng [5] Để giúp cho sinh viên có thể năng động, tự lực và sáng tạo trong điều kiện công nghệ phát triển mạnh mẽ thì trang bị cho họ cách thức tư duy điện toán với các thuật toán của máy tính là điều cần thiết

1.2 Sự cấp thiết về nhu cầu nguồn nhân lực về điện tử viễn thông trong xã hội hiện nay và yêu cầu đặt ra trong đào tạo nguồn nhân lực Kĩ thuật điện

tử - viễn thông

1.2.1 Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, nhu cầu sử dụng và truyền dữ liệu của con người không ngừng tăng cao, hầu như mọi công việc đều giải quyết dựa trên cơ sở các quá trình trao đổi thông tin nhiều chiều, nhiều nguồn, với nhiều hình thức khác nhau từ giọng nói, âm thanh, hình ảnh,… Ngành KTĐT-VT đã hiện thực hóa khả năng liên kết của mỗi người, mỗi quốc gia bằng việc sử dụng các Kĩ thuật công nghệ tiên tiến theo nhiều phương thức khác nhau Trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 hiện nay - cuộc cách mạng về sản xuất thông minh dựa trên các thành tựu đột phá trong lĩnh vực khoa học công nghệ đang diễn ra khắp nơi, ngành KTĐT –

VT cũng như ngành CNTT đóng vai trò quan trọng Đây là hai ngành Kĩ thuật mũi nhọn cho phép tạo ra cơ sở hạ tầng kết nối, trao đổi, thu thập, lưu trữ và

xử lý nguồn thông tin rất lớn của thế giới số

Bên cạnh đó, theo kết quả thống kê từ Trung tâm Dự báo nhu cầu nhân lực và Thông tin thị trường lao động thành phố Hồ Chí Minh cho biết nhu cầu tuyển dụng lao động làm việc trong ngành KTĐT – VT giai đoạn 2020 – 2025 lên đến khoảng 1,6 vạn người/năm và đang có xu hướng tăng lên Dự báo đến năm 2030, nhu cầu nhân lực ngành Kĩ thuật điện, KTĐT – VT tăng gấp 2,5 lần so với năm 2015 Nhưng với thực trạng phổ biến trong thị trường lao động hiện nay là nguồn cung cấp nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực Kĩ thuật còn thiếu hụt lớn Theo số liệu từ Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội, hiện nay tại Việt Nam, mỗi năm có 1,4 triệu kỹ sư tham gia vào lực lượng lao động, nhưng chỉ có 15% trong số đó được đào tạo nghề một cách chính quy

Vì vậy, việc đào tạo nguồn nhân lực chất lượng, đáp ứng được yêu cầu của cuộc cách mạng là nhiệm vụ cấp bách hơn bao giờ hết Để đào tạo được nguồn nhân lực này đặt ra rất nhiều thách thức cho các nhà giáo dục, cần phải

có sự cải tiến và đổi mới phù hợp với thời đại ngày nay, kể cả nội dung, chương trình môn học và phương pháp giảng dạy

1.2.2 Với một trong những mục tiêu của giáo dục đại học là hình thành

và phát triển được nền tảng tư duy của sinh viên trong thời đại mới, tức là có kiến thức chuyên môn toàn diện, nắm vững nguyên lý, quy luật tự nhiên – xã hội, có kỹ năng thực hành cơ bản, có khả năng làm việc độc lập, sáng tạo và giải quyết những vấn đề thuộc ngành được đào tạo [36] Trong đó, các thành phần của tư duy có thể kể đến như biết cách suy luận, phát hiện, giải quyết vấn đề, biết cách học, cách tự học, có tư duy sáng tạo, Thông qua dạy kiến thức và kỹ năng để đạt được mục tiêu là hình thành và phát triển năng lực, đặc biệt là phát triển tư duy - trí tuệ của sinh viên, thông qua việc dạy và học

tư duy, chúng ta sẽ tạo được nền móng trí tuệ - cách suy nghĩ để giải quyết các vấn đề trong thực tiễn sau này cho mỗi sinh viên khi làm việc trong môi trường thực tế Vậy, mục tiêu quan trọng của quá trình dạy và học là giúp cho sinh viên phát triển được tư duy

Ngày nay, song song với trang bị kiến thức và kỹ năng, việc phát triển

tư duy điện toán cho sinh viên, đặc biệt là sinh viên ngành KTĐT - VT, là rất cần thiết và phù hợp với mục tiêu đào tạo ngành KTĐT - VT Tư duy điện toán bao gồm những kỹ năng thiết yếu cho sinh viên như kỹ năng tư duy thuật toán, kỹ năng tư duy giải quyết vấn đề, kỹ năng tư duy suy luận logic, kỹ năng tư duy trừu tượng, kỹ năng đánh giá vấn đề,… Các trường đại học đào tạo ngành này cần chú trọng trang bị cho sinh viên ngành KTĐT–VT kỹ năng thiết kế hệ thống, phân tích, làm việc nhóm, tương tác, hòa nhập và đặc biệt là khả năng học tập suốt đời bắt kịp và thích nghi với sự thay đổi cực kỳ nhanh chóng của khoa học công nghệ

1.3 Tầm quan trọng của môn Kĩ thuật lập trình đối với sinh viên học ngành

Kĩ thuật điện tử - viễn thông

Trong nghị quyết của Đảng [1] đã chỉ rõ đẩy mạnh ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học cũng có nghĩa trang bị cho sinh viên kiến thức và kĩ

năng lập trình Có thể thấy rằng trong các thiết bị điện tử - viễn thông hiện đại không thể thiếu trái tim của chúng là bộ xử lý, ngay cả những hệ thống tự động ứng dụng cũng có bộ vi điều khiển là nhiệm vụ xử lý trung tâm Chính

vì vậy việc trang bị cho sinh viên kĩ thuật lập trình là rất cần thiết

Trong chương trình đào tạo ngành KTĐT – VT, học phần Kĩ thuật lập trình là một trong những học phần cơ bản dành cho sinh viên Cấu trúc dữ liệu

và Thuật toán được xem như là hai yếu tố quan trọng nhất trong lập trình, đúng như câu nói của nổi tiếng của Niklaus Wirth: “Programs = Data Structures + Algorithms” (Chương trình = Cấu trúc dữ liệu + Thuật toán) Việc nắm vững các cấu trúc dữ liệu và các thuật toán là cơ sở để sinh viên tiếp cận với việc thiết kế và xây dựng phần mềm cũng như sử dụng các công

cụ lập trình hiện đại [14]

Các nội dung học tập trong các học phần điện tử - viễn thông hiện đại luôn gắn chặt với lập trình với các bài toán về điều khiển, các lựa chọn tối ưu trong liên lạc, phủ sóng, kết nối mạng càng nâng cao vai trò của kĩ thuật lập trình Hơn nữa, nội dung học phần này có nhiều bài toán đặt ra có thể khai thác được để kích thích tư duy cho SV Quá trình thao tác theo thuật toán và đánh giá thuật toán, vận dụng thuật toán và giải quyết vấn đề trong thực tiễn

sẽ góp phần bồi dưỡng năng lực và hình thành, phát triển TDĐT cho SV [39]

Tóm lại, với những nhận định trên, bản thân là một giảng viên ngành Công nghệ thông tin, tác giả chọn đề tài tập trung nghiên cứu theo hướng phát triển tư duy điện toán nhằm phát triển các kỹ năng hỗ trợ cho việc lập trình cũng như giải quyết các vấn đề liên quan, phù hợp với đặc điểm các môn học thuộc chuyên ngành KTĐT - VT nhằm tăng tính tích cực chủ động của sinh

viên Đó là đề tài: “Dạy học Kĩ thuật lập trình cho sinh viên ngành Kĩ thuật

điện tử - viễn thông theo hướng phát triển tư duy điện toán”