Tổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sở

Tổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học cơ sởTổ chức dạy học chủ đề Stem robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của 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

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

DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Đọc là

CTGDPT chương trình giáo dục phổ thông

GD STEM giáo dục STEM (Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật, Toán học)

SD standard deviation (độ lệch chuẩn)

ES effect size (giá trị mức độ ảnh hưởng)

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

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 95Bảng 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 96Bảng 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 100Bảng 5.1 - Mô tả mẫu trong thực nghiệm sư phạm 121Bảng 5.2 - Tiến trình thực nghiệm hai chủ đề STEM robotics trong TNSP lần 2 123Bảng 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 124Bảng 5.4 - Rubrics đánh giá năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics theo chủ đề 125Bảng 5.5 - Cấu trúc bài kiểm tra năng lực giải quyết vấn đề theo tư duy máy tính126Bảng 5.6 - Điểm trung bình cho từng biểu hiện hành vi của học sinh qua 2 chủ đề 143Bảng 5.7 - Kết quả Wincoxon rank test đối với bài kiểm tra trước và sau tác động 152Bảng 5.8 - Kết quả Wilcoxon Signed Ranks Test từng kĩ năng TDMT đối với 2 nhóm 152

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

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

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

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

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

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

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

- 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

- 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

Dữ liệu khảo sát và thực nghiệm được xử lí định lượng bằng phần mềm SPSS 20.0, thông qua mô tả thống kê, đồ thị và các phép kiểm định tham số (ANOVA, t-test, tương quan Pearson), và kiểm định phi tham số (Wilcoxon Rank Test)

7 Thiết kế nghiên cứu và cấu trúc luận án

Đề tài cấu trúc theo 5 chương, được thể hiện như sơ đồ hình 1.1

Hình 1.1 - Sơ đồ thiết kế nghiên cứu và cấu trúc luận án

Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu - trình bày kết quả các nghiên cứu

trong và ngoài nước liên quan: (1) GD STEM robotics; (2) GD STEM robotics trong giáo dục vật lí; (3) bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics

Chương 2 Cơ sở lí luận về tổ chức chủ đề STEM robotics nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề - trình bày tổng hợp cơ sở lí luận chung về GD STEM,

GD STEM robotics, năng lực GQVĐ từ đó làm rõ cơ sở lí luận cụ thể cho đề tài gồm: (1) cấu trúc năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics; (2) quy trình xây dựng chủ

đề tích hợp STEM robotics; (3) tiến trình tổ chức dạy học chủ đề STEM robotics

Chương 3 Cơ sở thực tiễn về GD STEM robotics - trình bày kết quả thực

tiễn về GD STEM robotics ở Tp HCM thông qua tình hình tham gia hoạt động và

thái độ đối với GD STEM robotics của HS và GV Kết quả khảo sát củng cố nhu cầu thực tiễn cần làm rõ quan điểm và định hướng GD STEM robotics trong nhà trường

Chương 4 Xây dựng các chủ đề STEM robotics bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề - làm rõ sự cụ thể hóa GD STEM robotics trong chương trình các môn

học (CTGDPT 2018), từ đó định hướng xây dựng một số chủ đề STEM robotics tích hợp trong chương trình KHTN (chủ đề khoa học Năng lượng và sự biến đổi) sử dụng

bộ thiết bị vi điều khiển Arduino; trình bày kết quả xây dựng một chủ đề theo quy trình và tiến trình đã đề xuất

Chương 5 Thực nghiệm sư phạm - trình bày kết quả nghiên cứu TNSP qua 2

lần thực hiện Kết quả TNSP lần 1 hỗ trợ điều chỉnh cấu trúc năng lực GQVĐ trong

GD STEM robotics và ghi nhận điểm cần điều chỉnh trong quy trình xây dựng và tổ chức chủ đề STEM robotics Kết quả TNSP lần 2 cho phép rút ra các kết luận kiểm chứng giả thuyết nghiên cứu dựa trên việc đánh giá các biểu hiện của HS trong quá trình tham gia hoạt động

Kết luận và đề xuất - tổng hợp kết quả đã thực hiện được, đối chiếu với mục

tiêu, nhiệm vụ và các đóng góp của đề tài; đề xuất và trao đổi về các vấn đề vướng mắc để làm định hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài

8 Đóng góp mới của luận án

- Hệ thống cơ sở lí luận về GD STEM robotics, năng lực GQVĐ, từ đó xác định cấu trúc năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics

- Thực trạng về GD STEM robotics tại Tp.HCM thông qua kết quả khảo sát HS, khảo sát GV STEM và phỏng vấn GV vật lí đối với lĩnh vực

- Làm rõ quy trình xây dựng và tiến trình tổ chức chủ đề STEM robotics nhằm bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics

- Định hướng lựa chọn và thiết kế một số chủ đề STEM robotics tích hợp trong CTGDPT 2018, cụ thể môn Khoa học tự nhiên (chủ đề Năng lượng và sự biến đổi)

- TNSP bước đầu khẳng định hiệu quả của quy trình xây dựng và tiến trình tổ chức chủ đề STEM robotics nhằm bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics của HS

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Nghiên cứu về giáo dục STEM robotics

1.1.1 Quan điểm tiếp cận giáo dục STEM robotics

Với nhiều quan điểm tiếp cận robotics trong giáo dục, Jung (2018) chỉ ra hai quan điểm về vai trò của robotics trong các nghiên cứu đã thực hiện [73] Thứ nhất, robotics là công cụ hỗ trợ dạy học các môn học khác như vật lí, toán,… giúp HS hiểu sâu kiến thức và tăng hứng thú trong học tập [32, 46, 67, 95, 116] Thứ hai, robotics

là công cụ để HS tiếp cận và tìm hiểu chính lĩnh vực đó, thường thể hiện trong các chương trình hay khóa học robotics Theo Jung (2018), hướng tiếp cận xem robotics

là lĩnh vực học tập phù hợp với đặc trưng tích hợp của GD STEM, trong đó hoạt động robotics trong giáo dục cần được phát triển theo hướng chuyển dịch từ tư duy “hộp đen” sang tư duy “hộp trắng” đối với HS, tức là thay vì sử dụng robot hoàn chỉnh để học tập thì HS tương tác với thiết bị để hiểu cấu tạo và cách vận hành robot [31, 85] Jung (2018) làm rõ định hướng nghiên cứu tích hợp robotics vào GD STEM trong nhà trường bằng cách phân tích mối liên hệ giữa GD STEM và lĩnh vực robotics Theo nghiên cứu, robotics bao hàm kiến thức trong các lĩnh vực STEM như kiến thức vật lí và các kĩ năng như phân tích, dự đoán Các hoạt động thực hành, GQVĐ, thiết

kế kĩ thuật và khám phá khoa học đặc trưng cho robotics là một phần trong GD STEM [73] GD STEM robotics có thể tạo cơ hội cho HS tiếp cận môi trường công nghệ -

kĩ thuật và cụ thể hóa các kiến thức toán và khoa học Theo đó, robotics có thể hiểu

là một chủ đề học tập trong GD STEM, tạo môi trường cho HS trải nghiệm về sản phẩm robotics, đồng thời khám phá và tìm hiểu các kiến thức liên môn [28, 84] Định hướng nghiên cứu này cần được quan tâm và phát triển trong tương lai [56]

Ở Việt Nam, các nghiên cứu GD STEM robotics cũng được quan tâm theo hướng robotics là một lĩnh vực học tập để HS khám phá và trải nghiệm thông qua chế tạo những sản phẩm công nghệ hiện đại Một số trường trung học ở Tp.HCM triển khai các câu lạc bộ STEM hoặc robotics dưới sự hướng dẫn của GV để thực hiện một

số chủ đề chế tạo sản phẩm robot như xe năng lượng mặt trời, máy rửa tay tự động… [13] Một số đề tài hoặc tài liệu có mục tiêu xây dựng chủ đề STEM robotics về các

sản phẩm thông minh nhằm bồi dưỡng năng lực của HS [16] Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên do TS Nguyễn Thanh Nga trực tiếp hướng dẫn xây dựng hai chủ đề STEM robotics bao gồm thiết bị sạc pin sử dụng năng lượng mặt trời và thiết bị cảnh báo chất lượng không khí [16] Bộ tài liệu Hoạt động giáo dục STEM của nhóm tác giả Tưởng Duy Hải sử dụng Coach trong dạy học cũng là một phương thức tích hợp sản phẩm công nghệ (cảm biến, máy tính,…) vào dạy học khoa học ở các cấp lớp Tài liệu đã đề xuất một số chủ đề theo định hướng sử dụng các thiết bị để khảo sát và ghi nhận dữ liệu [11] Nhìn chung, nghiên cứu GD STEM robotics ở Việt Nam đang được quan tâm theo quan điểm là một lĩnh vực HS cần trải nghiệm trong thời đại công nghệ 4.0 Tuy nhiên, quan điểm tiếp cận và cơ sở lí luận cụ thể về GD STEM robotics vẫn chưa được hệ thống trong các nghiên cứu, nên cần được phân tích làm rõ để làm nền tảng tích hợp GD STEM robotics trong nhà trường

1.1.2 Thiết bị trong giáo dục STEM robotics

Trong GD STEM robotics, bộ thiết bị là một nền tảng quan trọng trong tổ chức các hoạt động học tập Một số nghiên cứu tổng hợp đã chỉ ra rằng bộ thiết bị Lego robotics được sử dụng phổ biến nhất trong các nghiên cứu GD STEM robotics [80, 114] Chẳng hạn, Alimisis (2010) nghiên cứu với HS từ 11-14 tuổi ở Hy Lạp mới tiếp cận, trong đó HS sử dụng bộ thiết bị Lego tìm hiểu các khái niệm về chuyển động để thiết kế hệ thống xe di chuyển trong trung tâm thành phố [29] Kết quả nghiên cứu cho thấy nhu cầu “tự do hóa” trong thiết kế của HS rất cần được quan tâm Điều này phù hợp với nghiên cứu Benitti (2012) cho rằng các bộ thiết bị có tính linh hoạt về linh kiện tạo cơ hội mở trong thiết kế cần được thúc đẩy phát triển hơn [46] Theo Khine (2017), với sự phát triển không ngừng của công nghệ, các vi điều khiển ngày càng đa dạng và giảm thiểu chi phí, tạo điều kiện thuận lợi cho GV tiếp cận và tổ chức hoạt động STEM robotics trong dạy học Chen (2018) thực hiện so sánh hai bộ thiết bị Lego Mindstorms EV3 và Arduino Uno, cho thấy mỗi bộ thiết bị đều có ưu

và nhược điểm riêng, được lựa chọn sử dụng tùy vào mục tiêu và điều kiện thực tiễn Theo Chen (2018), bộ thiết bị Lego có đặc tính tính hợp và chính xác cao nhưng chi

phí đắt, còn bộ thiết bị vi điều khiển mã nguồn mở như Arduino thường linh hoạt, tương thích với nhiều linh kiện, giá thành thấp, song lắp ráp khó khăn hơn [56].Ở Việt Nam, nhiều bộ thiết bị robotics đã được sử dụng ở các trung tâm hoặc trường học, đặc biệt là Lego với các dòng sản phẩm đáp ứng trình độ HS, tạo tiền đề cho HS tham gia các cuộc thi sáng tạo robot trong nước và quốc tế [21] Tuy nhiên, các bộ sản phẩm Lego chưa phải là lựa chọn đối với đa số trường học, do hạn chế về kinh phí Trong điều kiện thực tiễn ở nước ta, một số nghiên cứu được thực hiện sử dụng các bộ thiết bị vi điều khiển với chi phí thấp, chẳng hạn tác giả Nguyễn Thị Vân Anh (2019) sử dụng vi điều khiển Arduino kết hợp phần mềm Kidscode để hướng dẫn HS thực hiện dự án Nông nghiệp thông minh [1] Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên do TS Nguyễn Thanh Nga trực tiếp hướng dẫn tổ chức chủ đề Cánh đồng quang năng chế tạo thiết bị tái tạo pin bằng năng lượng mặt trời tích hợp mạch Arduino để nâng cao hiệu suất [16]

Tóm lại, bộ thiết bị robotics là một yếu tố quan trọng trong GD STEM robotics

Bộ thiết bị thương mại với hình thái sẵn có (như Lego) và bộ thiết bị sử dụng các vi điều khiển mã nguồn mở (như Arduino) là hai hình thức thiết bị phổ biến được sử dụng trong nghiên cứu GD STEM robotics Gần đây, bộ thiết bị mã nguồn mở đang được quan tâm nhằm thúc đẩy sự tự do trong thiết kế kĩ thuật, phù hợp với định hướng tăng cường yếu tố kĩ thuật – công nghệ trong GD STEM [56, 74]

1.1.3 Hình thức tổ chức giáo dục STEM robotics

Anwar (2019) khẳng định GD STEM robotics trong môi trường học tập chính quy(trong trường học) và không chính quy (ngoài trường học) đều có tác động tích cực đối với HS [37] Trong môi trường ngoài trường học, hoạt động STEM robotics

đa dạng, mục tiêu chính là tạo hứng thú cho HS khi sử dụng các bộ thiết bị robotics theo hướng dẫn Dự án TERECoP ở châu Âu (2009) bồi dưỡng GV tích hợp robotics trong nhà trường khẳng định rằng hoạt động robotics cần dựa vào cơ sở lí luận dạy học và góp phần vào mục tiêu giáo dục đối với HS [29, 33] Kết quả khảo sát trong

dự án cho thấy lĩnh vực robotics hầu như không được đề cập trong chương trình nhà trường ở các quốc gia [104].Theo Benitti (2012), hầu hết các hoạt động robotics trong

nhà trường được tổ chức dưới hình thức hoạt động ngoại khóa, hoặc hội trại khoa học Nhiều nghiên cứu GD STEM robotics ghi nhận hiệu quả đối với HS qua hình thức trại hè khoa học và cuộc thi robotics [38, 76, 94] Hiện nay, hướng nghiên cứu

GD STEM robotics lồng ghép trong nhà trường để hướng đến mục tiêu giáo dục

chung đang được quan tâm thúc đẩy [80, 83] Trong quyển“Robotics in STEM

education”, Khine và cộng sự tổng hợp các công bố về GD STEM robotics từ 2013

đến 2017 cho thấy việc thực hiện GD STEM robotics trong nhà trường cho HS vẫn còn khó khăn và đòi hỏi nghiên cứu sâu hơn cho từng bối cảnh giáo dục [80] Tác giả trình bày một số ví dụ hoạt động ngoại khóa kết nối với chương trình chính khóa để

GV tích hợp robotics trong dạy học Tuy nhiên, các phương thức triển khai GD STEM robotics vẫn còn là hướng mở, cần tiếp tục nghiên cứu

Gần đây, một số nghiên cứu đã xây dựng khóa học tích hợp STEM robotics trong nhà trường, để HS có thể vận dụng kiến thức liên quan trong chương trình và khám phá một số kiến thức mới Ching (2019) xây dựng chương trình tích hợp STEM robotics theo hình thức dự án nhằm nâng cao thái độ và kết quả học tập của HS lớp 4-6 [58] Chen (2018) xây dựng khoá học tích hợp STEM robotics cho HS lớp 10 thông qua chủ đề thiết kế chế tạo thuyền tự vận hành [56] Các nghiên cứu đều cho thấy kết quả tác động tích cực đối với HS về cả kiến thức lẫn kĩ năng Ching (2019) cho rằng các chương trình tích hợp STEM robotics với thời lượng phù hợp có thể xem là một nội dung bổ sung vào các môn học STEM trong chương trình, giúp GV

dễ dàng thực hiện, đồng thời tạo cơ hội cho HS tiếp cận lĩnh vực robotics Bên cạnh định hướng xây dựng khóa học, một số nghiên cứu quan tâm làm rõ tiến trình tổ chức

GD STEM robotics Blackley (2019) sử dụng bộ thiết bị Lego Wedo tổ chức hoạt động trong 4 tuần, dựa trên bối cảnh và yêu cầu giáo dục ở Úc, nhằm bồi dưỡng năng lực công nghệ của HS [48] Nghiên cứu xây dựng hoạt động học theo chu trình 4 bước, gồm mô hình hóa (modelling), khám phá (exploring), thử thách (challenging)

và đánh giá (evaluating) với mức độ hướng dẫn của GV giảm dần để tăng cường tính chủ động của HS trong GQVĐ Baek (2019) nghiên cứu tác động của chiến lược dạy học U2MC (Understand/Use - Modify - Create ) đối với quá trình tiếp cận lĩnh vực

robotics và kĩ năng lập trình của HS qua dự án Cuộc sống trên sao Hỏa [43] Castro (2018) phát triển chương trình STEM robotics dựa trên lí thuyết kiến tạo và đánh giá hiệu quả củng cố kiến thức STEM đối với HS [52] Nghiên cứu của Castro cũng cho thấy chương trình STEM robotics có thể thúc đẩy hiệu quả dạy học, bất kể yếu tố giới tính và độ tuổi, song cần quan tâm đến bối cảnh giáo dục để thiết kế hoạt động học tập phù hợp Các nghiên cứu cho thấy định hướng phát triển các khóa học hoặc chủ

đề STEM robotics và nghiên cứu tác động của các tiến trình tổ chức là một vấn đề được quan tâm để lồng ghép STEM robotics trong nhà trường

GD STEM robotics ở Việt Nam đầu tiên xuất hiện trong các chương trình trải nghiệm tại các trung tâm ngoài nhà trường hoặc trong các chương trình ngoại khóa/ngoài giờ tại nhà trường… Hầu hết các chương trình bước đầu được xây dựng theo tài liệu kèm theo bộ thiết bị robotics tạo điều kiện để HS dễ dàng tiếp cận robotics

[21] Tại Việt Nam, một trong những hình thức phổ biến cho HS tiếp cận lĩnh vực

robotics là các cuộc thi sáng tạo robot như World Robotics Olympiad (WRO), Federation of International Robot- Soccer Association (FIRA Leagues) hay một số cuộc thi trong nước như Robotacon, Mini First Challenge (MFC) Phổ biến nhất hiện nay có thể đề cập là WRO (World Robotics Olympiad) - cuộc thi robot toàn cầu dành cho HS, sinh viên từ 10 đến 25 tuổi Với mục tiêu hỗ trợ HS đam mê robotics tham gia các cuộc thi, câu lạc bộ là hình thức tổ chức GD STEM robotics phổ biến trong nhà trường hiện nay Một số nghiên cứu đã thể hiện mối quan tâm tích hợp GD STEM robotics trong nhà trường, nhưng còn rời rạc, thể hiện qua việc xây dựng các chủ đề STEM robotics [1, 16] Do đó, việc làm rõ quy trình xây dựng chủ đề và tiến trình tổ chức chủ đề STEM robotics theo định hướng phát triển năng lực phù hợp cho HS là hướng đi phù hợp trong bối cảnh giáo dục Việt Nam hiện nay

1.1.4 Tác động của giáo dục STEM robotics đối với học sinh

GD STEM robotics cho thấy tiềm năng tác động với HS về nhiều mặt như mang lại hiệu quả dạy học vật lí, kĩ thuật, công nghệ,… [46, 49, 91, 116]; bồi dưỡng các kĩ năng hợp tác, GQVĐ [65, 80, 94, 110, 114]; tạo hứng thú định hướng nghề nghiệp STEM [26, 61, 64] Chẳng hạn, Karahoca (2011) cho rằng hoạt động robotics cải

thiện khả năng thiết kế mạch điện của HS từ 10-15 tuổi [63] Williams (2007) nhận thấy việc dạy robotics cho HS THCS giúp nâng cao kiến thức và kĩ năng vật lí [111] Badeleh (2021) ghi nhận sự phát triển năng lực sáng tạo và nâng cao kết quả học tập vật lí của HS lớp 11 khi dạy học lồng ghép trong quá trình thiết kế chế tạo robot [42]

Về nghiên cứu trong nước, Nguyễn Thị Vân Anh (2019) đã thực hiện chủ đề tích hợp Nông nghiệp thông minh 4.0 cho HS THPT trong câu lạc bộ và ghi nhận được tác động tích cực đối với năng lực sáng tạo của HS [1, 4] Báo cáo của tác giả Kiều Thị Quyên tại hội nghị giảng dạy vật lí toàn quốc năm 2021 giới thiệu một số định hướng sử dụng bộ công cụ Micro:bit để dạy học khoa học kết hợp cho HS giải quyết một số vấn đề tự động hóa trong cuộc sống [18] Đề tài nghiên cứu khoa học của Nguyễn Trung Khánh với sự hướng dẫn của Th.S Hoàng Vân Đông (2020) cho thấy có thể sử dụng công cụ robotics để phát triển TDMT cho HS, tập trung vào việc xây dựng chương trình (lập trình) cho hệ thống robot [12]

Tóm lại, kết quả tổng quan các nghiên cứu về GD STEM robotics cho thấy:

- Quan điểm tiếp cận và cơ sở lí luận GD STEM robotics cần được hệ thống hóa

làm rõ khi thực hiện nghiên cứu GD STEM robotics trong nhà trường

- Trong nghiên cứu GD STEM robotics, bộ thiết bị robotics cần được lựa chọn sao

phù hợp với mục tiêu và đối tượng học Trong đó, định hướng sử dụng bộ thiết bị

có tính chất linh hoạt để HS có thể thiết kế sản phẩm được thúc đẩy phát triển trong tương lai

- GD STEM robotics dưới hình thức các chủ đề hay khóa học tích hợp là định hướng

phù hợp để lồng ghép trong chương trình nhà trường Quy trình xây dựng chủ đề, đặc biệt là định hướng liên hệ giữa các môn học trong chủ đề STEM robotics cần được làm rõ làm nền tảng cho các GV kết nối và làm việc cùng nhau

- GD STEM robotics có thể tác động cho HS củng cố các kiến thức liên quan về khoa học, toán, công nghệ, kĩ thuật, đồng thời thúc đẩy các năng lực khác như

GQVĐ, hợp tác Song các nghiên cứu tác động GD STEM robotics để bồi dưỡng năng lực của HS cần tiếp tục phát triển để khẳng định ý nghĩa GD STEM robotics

1.2 Nghiên cứu về giáo dục STEM robotics trong giáo dục vật lí

Theo Sullivan (2008), robotics là môi trường học tập, góp phần thực hiện các mục tiêu trong giáo dục khoa học nói chung và giáo dục vật lí nói riêng [108] Các nghiên cứu về GD STEM robotics trong mối liên hệ với giáo dục vật lí cho thấy robotics có thể là công cụ hỗ trợ dạy học vật lí [34] hoặc robotics là bối cảnh học tập

để lồng ghép giáo dục vật lí [80]

1.2.1 Robotics là công cụ hỗ trợ dạy học vật lí

Theo Benitti (2012), với quan điểm robotics là một công cụ hỗ trợ dạy học, hầu hết nghiên cứu (khoảng 80%) đều liên quan đến dạy học nội dung vật lí và toán học, chẳng hạn như các định luật Newton, khái niệm động học,… Nghiên cứu khẳng định việc sử dụng thiết bị robotics trong dạy học có tác động tích cực đối với kĩ năng GQVĐ, lập luận và khám phá khoa học [46] Bên cạnh đó, Benitti nhấn mạnh vai trò

GV cần thiết kế các nhiệm vụ học tập có mức độ phù hợp và tạo mối liên hệ để HS sử dụng thiết bị robotics hiệu quả trong tìm hiểu hoặc củng cố kiến thức vật lí Alimisis (2010) tổ chức hoạt động cho 68 HS Hy Lạp từ 11-14 tuổi hoàn toàn mới với robotics, sử dụng bộ Lego Mindstorm NXT thực hiện chuỗi các nhiệm vụ lắp ráp và vận hành xe để tìm hiểu các khái niệm động học [29] Nghiên cứu cho thấy hoạt động làm quen với bộ thiết bị là một bước quan trọng trong hoạt động robotics William (2010) xuất bản quyển “Vật lí với công nghệ robotics: hướng dẫn các hoạt động với công cụ NXT và RCX cho HS trung học” giới thiệu các hoạt động robotics liên quan các chủ đề lực và chuyển động, năng lượng, dao động và sóng, điện và từ [59] Các hoạt động nhằm củng cố kiến thức vật lí thông qua sử dụng bộ thiết bị Lego, chẳng hạn, HS khảo sát tốc độ và gia tốc của một chiếc xe bằng cách sử dụng cảm biến để ghi nhận thông tin và xử lí bằng đồ thị Ashdown (2012) sử dụng Sonarobot, cảm biến siêu âm và bộ điều khiển NXT tổ chức cho HS thiết kế một số thí nghiệm sau khi học về hiệu ứng Doppler [39] Mikropoulos (2013) tổ chức các hoạt động với

xe vận hành sử dụng bộ thiết bị Lego để HS khảo sát chuyển động và tìm hiểu các khái niệm động học [89] HS tự thiết lập cho robot chuyển động theo đường thẳng và quan sát chuyển động trên các quãng đường khác nhau, từ đó rút ra mối liên hệ giữa các đại lượng tốc độ, quãng đường, và thời gian trong chuyển động thẳng đều Tác

giả khẳng định robotics là công cụ hỗ trợ dạy học khoa học hiệu quả, ngay cả với HS chưa biết về lập trình Alimisis (2014) thực hiện với 20 HS lớp 9-10, sử dụng bộ Lego Mindstorm NXT dể lắp ráp xe và lập trình cho xe chuyển động thẳng đều hay biến đổi đều, từ đó ghi nhận các dữ liệu vị trí - thời gian và xử lí dữ liệu bằng đồ thị [32] Tổng hợp các nghiên cứu cho thấy việc sử dụng bộ thiết bị robotics là công cụ hỗ trợ dạy học vật lí thể hiện một số đặc điểm

- Mục tiêu dạy học tập trung vào mục tiêu đặc thù của các môn khoa học, đặc biệt

là vật lí, nhằm hình thành và củng cố kiến thức cho HS [39]

- Hoạt động học tập hướng đến các nhiệm vụ khám phá kiến thức đơn lẻ, chưa đặt

vào một bối cảnh hoặc vấn đề cụ thể [32]

- Bộ thiết bị có tính hệ thống, thiết kế mang đặc tính tích hợp từ linh kiện, nguyên

liệu đến các hệ thống tương tác kèm theo Các bộ thiết có độ chính xác cao để khảo sát hiện tượng và thu nhận dữ liệu [32, 39]

- Phương pháp tổ chức định hướng HS từ những nhiệm vụ thực hành để làm quen

thiết bị đến các nhiệm vụ phức hợp hơn để tìm hiểu kiến thức [29]

1.2.2 Giáo dục vật lí lồng ghép trong chủ đề robotics

Trong GD STEM tích hợp liên môn, robotics là chủ đề học tập để HS tìm hiểu chính lĩnh vực robotics, qua đó kết nối kiến thức khoa học, kĩ thuật và toán học Chương trình WaterBotics được phát triển bởi Trung tâm đổi mới giáo dục khoa học và kĩ thuật Stevens, đã tổ chức hoạt động cho hơn 2.600 HS trung học ở New Jersey [68] HS tham gia thiết kế, chế tạo, thử nghiệm các robot hoạt động dưới nước sử dụng bộ Lego Mindstorms NXT Chương trình tạo môi trường cho HS tìm hiểu và vận dụng kiến thức trong quá trình thiết kế nhằm hình thành hiểu biết khoa học vật lí

- kĩ thuật, bồi dưỡng các kĩ năng thế kỉ 21 và nâng cao nhận thức nghề nghiệp STEM Khóa học tổ chức dựa trên quy trình TKKT thông qua các nhiệm vụ có độ phức tạp tăng dần Thông qua chuỗi hoạt động, HS lần lượt tìm hiểu các khái niệm như lực đẩy, sự nổi, định luật Newton, lực, năng lượng, Kết quả cho thấy tác động tích cực đối với HS thể hiện qua sự chiếm lĩnh các khái niệm khoa học, công nghệ và kĩ thuật liên quan trong chương trình nhà trường

Chen (2018) thiết kế chủ đề STEM robotics – thuyền tự vận hành – sử dụng vi điều khiển mã nguồn mở để đánh giá tác động đối với kết quả học tập, hứng thú và nhận thức về các lĩnh vực STEM của HS [56] Nghiên cứu thực hiện với 82 HS lớp

10, trong đó nhóm thực nghiệm trải nghiệm khóa học STEM robotics tích hợp sử dụng vi điều khiển Arduino, và nhóm đối chứng tham gia chương trình với bộ thiết bị Lego Kết quả cho thấy chương trình STEM robotics sử dụng vi điều khiển mã nguồn mở giúp HS có cải thiện trong nhận thức về tầm quan trọng, hứng thú và định hướng nghề nghiệp STEM… Nghiên cứu đã đề cập một số gợi ý trong tổ chức GD STEM robotics sử dụng vi điều khiển mã nguồn mở Thứ nhất, GD STEM robotics

có thể thực hiện theo chủ đề tích hợp, liên hệ với các môn học trong chương trình nhà trường Thứ hai, chiến lược tổ chức chủ đề STEM robotics là phân tách thành nhiều nhiệm vụ học tập nhỏ hướng đến giải quyết một vấn đề chung cụ thể Nghiên cứu chỉ

ra rằng các khóa học hay chủ đề STEM robotics có thể mở rộng và phát triển tùy thuộc vào khả năng của HS và mục tiêu dạy học

Gần đây nhất, Badeleh (2021) đánh giá sự phát triển năng lực sáng tạo và kết quả học của HS lớp 11 trong môn vật lí qua quá trình học kết hợp hoạt động STEM robotics [42] Thông qua chủ đề robot cứu hộ, HS lần lượt khám phá và chiếm lĩnh các kiến thức vật lí liên quan (hình 1.1)

Hình 1.1 - Các hoạt động học tập vật lí với chủ đề robot cứu hộ [42]

Có thể thấy rằng nghiên cứu Badeleh thể hiện sự giao thoa của 2 định hướng, chính trong quá trình tương tác với công cụ thực, HS đã có cơ hội hình thành kiến thức và kĩ năng tư duy khoa học Do đó, giáo dục vật lí và GD STEM robotics có liên

hệ tương hỗ nhau Tùy vào mục tiêu, giáo dục vật lí có thể là hoạt động trọng tâm và công cụ robotics là phương tiện hỗ trợ, ngược lại trong định hướng tích hợp, giáo dục vật lí có thể lồng ghép trong quá trình GQVĐ STEM robotics thông qua thiết kế chế tạo một sản phẩm thực Quan trọng, việc lồng ghép giáo dục vật lí trong GD STEM robotics phụ thuộc vào sự can thiệp thông qua thiết kế hoạt động học tập của GV [44]

1.3 Nghiên cứu về phát triển năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục STEM robotics

Nghiên cứu của Xia và Zhong (2018) khẳng định trong quá trình GQVĐ STEM robotics, HS có thể chiếm lĩnh kiến thức STEM liên quan đến các cảm biến, hệ thống vận hành,…; bồi dưỡng thái độ, động lực học tập các môn học STEM, hứng thú nghề nghiệp STEM ; và phát triển các kĩ năng, đặc biệt là GQVĐ và TDMT [114] Theo Anwar (2019), một số nghiên cứu đã ghi nhận tác động của hoạt động robotics có đến

tư duy phản biện và GQVĐ của HS [37] Nugent (2016) khẳng định chương trình GD STEM robotics theo hình thức hoạt động ngoại khóa cho HS trung học dưới dạng hội trại khoa học, câu lạc bộ, và cuộc thi đều hỗ trợ củng cố kiến thức STEM, bồi dưỡng năng lực GQVĐ và tăng hứng thú nghề nghiệp STEM [94]

Vấn đề bồi dưỡng năng lực GQVĐ cho HS trong GD STEM luôn được nhiều nhà nghiên cứu giáo dục quan tâm [109] Priemer (2020) đã đề xuất khung lí thuyết GQVĐ tổng quát cho GD STEM kết hợp với khoa học máy tính dựa trên mô hình GQVĐ của PISA 2013 và các nghiên cứu về GQVĐ trong GD STEM [99] Các biểu hiện năng lực GQVĐ trong GD STEM có mặt trong các pha quan trọng của tiến trình GQVĐ Thông qua phân tích quá trình GQVĐ trong các lĩnh vực STEM, Priemer đã chỉ ra có những hoạt động tương đồng (như khám phá, nghiên cứu) và hoạt động đặc trưng riêng cho mỗi lĩnh vực (như hoạt động tạo ra sản phẩm mẫu trong kĩ thuật) Tác giả đã khẳng định quy trình thiết kế kĩ thuật là phù hợp nhất để GQVĐ công nghệ -

kĩ thuật, cụ thể gồm các bước 1.phát hiện vấn đề, 3.xác định nhu cầu , 4.làm rõ tiêu

chí, 5.lựa chọn giải pháp, 7.chế tạo nguyên mẫu, 10.đánh giá, và 12.điều chỉnh [99]

Nghiên cứu khẳng định, với một vấn đề phức hợp, quá trình GQVĐ có thể lồng ghép các bước tư duy của không chỉ một lĩnh vực mà kết hợp các lĩnh vực khác nhau Do

đó, với thách thức kĩ thuật chế tạo sản phẩm robotics, người học có thể trải qua quy trình TKKT, đồng thời kết hợp quá trình khám phá khoa học và sự hỗ trợ của khoa học máy tính để giải quyết trọn vẹn vấn đề

Barak (2009) thực hiện các khóa học mở rộng trong môn khoa học và công nghệ, gọi là khóa học robotics, để phát triển năng lực GQVĐ cho HS lớp 7-8 Theo nghiên cứu, khi thực hiện dự án robotics, HS thường gặp trở ngại do “khoảng cách” giữa kì vọng trong ý tưởng với tính phức tạp của sản phẩm Vì vậy, nhóm nghiên cứu muốn làm rõ tư duy của HS trong quá trình GQVĐ robotics, thông qua các dự án robotics sử dụng bộ thiết bị Lego Kết quả chỉ ra rằng trong quá trình GQVĐ robotics,

HS mới tiếp cận có xu hướng tạo sản phẩm và thực hiện các thử nghiệm đúng-sai Sau khi trải nghiệm, HS có thể hình thành một số tư duy như tương tự, lựa chọn thông tin để GQVĐ và khắc phục việc thử - sai [45] Atmatzidou (2018) nghiên cứu các mức độ hướng dẫn để phát triển năng lực GQVĐ trong hoạt động STEM robotics, tuy nhiên vẫn tập trung nhiều vào hoạt động lập trình [41] Kết quả cho thấy sự can thiệp phù hợp của GV có tác động tích cực phát triển năng lực GQVĐ của HS Theo phản hồi của HS, hệ thống các hướng dẫn cụ thể rất cần thiết trong quá trình tham gia hoạt động STEM robotics, và cũng giúp HS hình thành tư duy GQVĐ áp dụng trong các lĩnh vực khác như toán hay vật lí HS cũng nhìn nhận chiến thuật GQVĐ hiệu quả nhất là cách phân tách vấn đề, trong nghiên cứu này chính là phân tách chương trình thuật toán thành những phần nhỏ để xử lí [41] Chiến thuật phân tách hay phân

rã vấn đề là một đặc trưng quan trọng của TDMT, cho thấy mối liên hệ mật thiết giữa

tư duy GQVĐ với TDMT trong lĩnh vực robotics

Như vậy, tổng quan các nghiên cứu về phát triển năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics cho thấy một số điểm ghi nhận như sau

- Kiến thức cơ bản về khoa học - công nghệ về robotics là điều kiện cần để HS có

thể GQVĐ trong GD STEM robotics [45, 93]

- Cách thức tổ chức và hướng dẫn phù hợp trong quá trình GQVĐ robotics là tác

động quan trọng nhằm bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong lĩnh vực này [41]

- Con đường GQVĐ trong GD STEM robotics phù hợp theo quy trình thiết kế kĩ

thuật kết hợp với sự hỗ trợ của máy tính [99]

- GQVĐ trong lĩnh vực STEM robotics đang được tập trung ở khía cạnh lập trình

và có liên hệ mật thiết với TDMT [41].

Khine (2017) khẳng định một trong những kết quả quan trọng của GD STEM robotics là TDMT, với quan điểm là một phương thức tư duy để GQVĐ [80].Tổ chức Hiệp hội Quốc tế về Công nghệ trong giáo dục và Hiệp hội GV khoa học máy tính khẳng định TDMT là kĩ năng cần thiết trong giáo dục phổ thông, có liên hệ chặt chẽ với năng lực GQVĐ trong thời đại 4.0 [53, 69, 101, 113] Theo Shute (2017), TDMT

là một phương thức GQVĐ hiệu quả với các giải pháp có thể vận dụng trong các bối cảnh khác nhau [103]

Định hướng nghiên cứu TDMT trong hoạt động robotics thể hiện nhiều trong lập trình Atmatzidou (2016) tổ chức hoạt động robotics cho HS sử dụng Lego Mindstorm nhằm phát triển TDMT thông qua các nhiệm vụ lập trình robot theo mức

độ tăng dần [40] Chevalier (2020) nghiên cứu tiến trình hoạt động robotics bồi dưỡng TDMT, nhấn mạnh vai trò định hướng của GV đối với quá trình GQVĐ của HS [57] Tác giả đề xuất mô hình giải quyết vấn đề tính toán sáng tạo CCPS (creative computational problem- solving) nhằm hạn chế tư duy thử - sai trong hoạt động robotics Theo tác giả, tư duy thử - sai khiến HS mất tập trung ở các quá trình tư duy khác, trong khi đó hoạt động đề xuất ý tưởng giải pháp trước khi thực hiện là rất quan trọng và cần chú ý bồi dưỡng

Hiện nay, một định hướng nghiên cứu khác về TDMT là lồng ghép trong dạy học các lĩnh vực khác ngoài lập trình hay khoa học máy tính Kale (2018) dựa trên cơ sở GQVĐ và mô hình TPACK thảo luận các chiến lược để GV tích hợp TDMT trong môn học như toán, khoa học [75] Điểm cốt lõi trong các chiến lược được đề xuất chính là làm rõ bản chất GQVĐ trong TDMT Nghiên cứu đã phân tích sự hiện diện của quá trình TDMT trong hoạt động GQVĐ thuộc các môn học STEM, như khoa

học, toán học,… song chưa đề cập đến lĩnh vực robotics Yin (2019) nghiên cứu bồi dưỡng TDMT cho HS thông qua môi trường thực hành chế tạo sản phẩm với các bộ thiết bị robotics Kết quả cho thấy chuỗi hoạt động được thiết kế dựa trên TDMT có tác động tích cực đến hiểu biết kiến thức vật lí và kĩ thuật của HS [118] Tuy nhiên, chuỗi các hoạt động mang tính chất riêng lẻ, độc lập, chưa thể hiện sự liên hệ trong một chủ đề thống nhất, đồng thời cũng đòi hỏi điều kiện thời gian và nền tảng thiết bị đa dạng Kopcha (2017) xây dựng chương trình STEM robotics theo định hướng TDMT cho HS lớp 5 và kết quả thực nghiệm cho thấy rằng chương trình tích hợp có thể hỗ trợ tư duy GQVĐ của HS [84].

Có thể thấy các nghiên cứu GQVĐ gắn với TDMT trong GD STEM robotics tập trung nhiều ở lĩnh vực lập trình, còn các nghiên cứu phân tích TDMT trong GQVĐ chế tạo một sản phẩm robotics chưa được đề cập Vì vậy, chúng tôi nhận thấy một định hướng có thể quan tâm trong nghiên cứu về GD STEM robotics là tích hợp TDMT theo quan điểm là một phương thức GQVĐ nói chung, nhằm hướng đến bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics Với quan điểm robotics là lĩnh vực học tập trong GD STEM, chúng tôi quan tâm việc vận dụng con đường giải quyết vấn

đề STEM robotics dựa trên TDMT kết hợp với quy trình TKKT để tác động đến năng lực GQVĐ của HS trong lĩnh vực này, thông qua đó góp phần vào mục tiêu bồi dưỡng năng lực của GD STEM trong nhà trường

1.4 Những vấn đề được tiếp tục nghiên cứu trong luận án

Dựa trên tổng quan tình hình nghiên cứu thế giới và trong nước về GD STEM robotics, chúng tôi nhận ra rằng (1) hướng nghiên cứu về GD STEM robotics là phù hợp với xu thế phát triển GD STEM hiện nay, cần được quan tâm trong bối cảnh giáo dục Việt Nam; (2) GD STEM robotics có thể góp phần hỗ trợ và thúc đẩy giáo dục vật lí với vai trò là công cụ hỗ trợ dạy học và là một chủ đề học tập để lồng ghép giáo dục vật lí; (3) năng lực GQVĐ đã được đề cập trong các nghiên cứu về GD STEM robotics; (4) TDMT là một phương thức tư duy GQVĐ hiệu quả trong GD STEM robotics Tuy nhiên, các nghiên cứu GD STEM robotics nhằm bồi dưỡng năng lực GQVĐ còn đang tập trung vào các nhiệm vụ lập trình, chưa đề cập rõ năng lực GQVĐ

cho một vấn đề STEM robotics Bên cạnh đó, chưa nhiều nghiên cứu tiếp cận TDMT

để làm rõ quá trình tư duy giải quyết một thử thách kĩ thuật trong lĩnh vực STEM robotics Do đó, một vấn đề chúng tôi quan tâm đó là tích hợp TDMT trong GQVĐ STEM robotics để phát triển năng lực GQVĐ trong lĩnh vực này

Từ đó, một vài câu hỏi được đặt ra để nghiên cứu trong luận án như sau:

(1) Năng lực giải quyết vấn đề trong GD STEM robotics là như thế nào? (2) Làm thế nào để xây dựng và tổ chức một chủ đề STEM robotics nhằm bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics?

(3) Liệu có thể dựa trên quá trình GQVĐ theo TDMT và quy trình TKKT để tổ chức dạy học chủ đề STEM robotics nhằm bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics?

Các câu hỏi nghiên cứu có thể được giải quyết thông qua khung lí thuyết nghiên

cứu thể hiện trên hình 1.2

Hình 1.2 - Khung lí thuyết nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu đặt ra mục tiêu làm rõ quan điểm tiếp cận GD STEM robotics trong nhà trường, để đề xuất cơ sở lí thuyết cho việc thiết kế và tổ chức dạy học chủ đề STEM robotics dựa trên TDMT nhằm mục tiêu bồi dưỡng năng lực GQVĐ của HS

trong lĩnh vực này

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÍ LUẬN VỀ TỔ CHỨC CHỦ ĐỀ STEM ROBOTICS NHẰM BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 2.1 Giáo dục STEM

2.1.1 Khái niệm giáo dục STEM

Theo Sanders, GD STEM là định hướng giáo dục khám phá trong dạy học hai hay nhiều môn STEM, hoặc giữa một chủ đề STEM và các môn học trong nhà trường Tsupros định nghĩa GD STEM là hướng tiếp cận liên ngành, trong đó kiến thức lí thuyết được kết hợp với thực tế thông qua việc HS áp dụng kiến thức STEM vào bối cảnh cụ thể, tạo sự kết nối giữa nhà trường, cộng đồng và xã hội Theo Moore, GD STEM là sự kết hợp một số hoặc bốn lĩnh vực khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học vào một bài học dựa trên sự kết nối giữa các môn và vấn đề thực tiễn [5] Các

khái niệm cho thấy đặc trưng cốt lõi của GD STEM là (1) tích hợp các lĩnh vực, (2)

học tập gắn với vấn đề thực tiễn, (3) mục tiêu phát triển năng lực người học, (4) kết

Trong luận án, GD STEM được tiếp cận theo quan điểm CTGDPT 2018, GD

STEM là mô hình giáo dục dựa trên cách tiếp cận liên môn, giúp HS áp dụng các kiến thức khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học vào giải quyết một số vấn đề thực tiễn trong bối cảnh cụ thể [7] Quan điểm GD STEM ở Việt Nam liên hệ chặt chẽ với

xu hướng thế giới, thể hiện đầy đủ các đặc trưng quan trọng của GD STEM

2.1.2 Mô hình tích hợp trong giáo dục STEM

Mô hình tích hợp STEM thể hiện mối liên hệ giữa các lĩnh vực STEM, là nền tảng triển khai GD STEM [50, 96, 117] Mô hình tích hợp GD STEM của Kelley (2016) làm rõ nội hàm từng lĩnh vực và mối quan hệ giữa các lĩnh vực, trong đó GD STEM là quan điểm dạy học tích hợp nhằm phát triển năng lực liên quan đến hai hoặc nhiều lĩnh vực, liên kết chặt chẽ với năng lực thực hành để GQVĐ thực tiễn [77] Kelley minh họa mô hình GD STEM bằng hệ thống ròng rọc, với hàm ý để hệ thống vận hành hiệu quả thì cần sự thông suốt về vai trò của các lĩnh vực STEM (hình 2.1)

Theo mô hình này, GD STEM được xây dựng dựa trên lí thuyết nhận thức tình huống, cho rằng việc vận dụng các kiến thức và kĩ năng vào thực tiễn là quan trọng trong quá trình học tập Hình 2.1 cho thấy sự kết nối việc học tập gắn với thực tiễn

thông qua hình ảnh khối vật Vấn đề thực tiễn được kéo bởi hệ thống ròng rọc bao

gồm thiết kế kĩ thuật (E), khám phá khoa học (S), hiểu biết công nghệ (T) và tư duy

toán học (M) Hệ thống được kết nối bởi sợi dây cộng đồng, chính là các đối tượng

liên quan khi triển khai GD STEM, gồm nhà trường, GV, HS, phụ huynh và các đơn vị ngoài nhà trường Trong góc nhìn hẹp hơn, yếu tố cộng đồng có thể hiểu là sự kết nối GV thuộc các lĩnh vực STEM để phối hợp thực hiện GD STEM trong nhà trường

Hình 2.1 - Mô hình giáo dục STEM tích hợp theo Kelley (2016)

Theo Kelley, hoạt động TKKT chính là nền tảng tổ chức GD STEM Nhu cầu phát triển ý tưởng thiết kế và chế tạo sản phẩm để GQVĐ đặt làm điểm tựa, thể hiện bởi khối ròng rọc lớn nối trực tiếp với khối vật nặng vấn đề thực tiễn Hoạt động TKKT cho HS cơ hội khám phá, vận dụng kiến thức khoa học và phát triển khả năng toán học trong thiết kế sản phẩm Kelley làm rõ nội hàm của khoa học trong GD STEM chính là khám phá khoa học, quá trình tìm tòi kiến thức để đề xuất giải pháp

cho sản phẩm kĩ thuật Trong đó, vật lí là nền tảng khoa học cho các thiết bị kĩ thuật, đóng vai trò quan trọng góp phần định hướng thiết kế Mô hình của Kelley làm rõ nội hàm và nhấn mạnh mối liên hệ chặt chẽ giữa các thành tố S, T, E, M thông qua sự kết nối với bối cảnh vấn đề thực tiễn và các nguồn lực liên quan từ cộng đồng

Bên cạnh đó, Yata (2020) làm rõ mô hình tích hợp STEM dựa trên TKKT trong bối cảnh giáo dục Nhật Bản đã chỉ ra sự cần thiết nhấn mạnh công nghệ và kĩ thuật trong định hướng nghiên cứu GD STEM [117] Dựa vào lí thuyết Học tập dựa trên thiết kế của Koloner (2002), nghiên cứu làm rõ mối liên hệ giữa khám phá khoa học

và TKKT trong GD STEM [82] Chu trình Học tập dựa trên thiết kế gồm 2 quá trình:

thiết kế và khám phá Quá trình chuyển đổi giữa thiết kế và khám phá là 2 chiều: thiết kế làm nảy sinh nhu cầu khám phá và khám phá bổ sung thông tin cho thiết kế

Nhìn chung, mô hình GD STEM của Kelley (2016) và Yata (2020) có những

đặc điểm phù hợp với hướng tiếp cận GD STEM robotics của luận án, trong đó TKKT

là nền tảng quan trọng trong GD STEM robotics

2.1.3 Hình thức tổ chức giáo dục STEM trong nhà trường

Dựa vào đặc trưng tích hợp, GD STEM có thể đưa vào trường học theo một trong ba hình thức: tích hợp đơn môn, tích hợp đa môn hoặc tích hợp liên môn [17,

71] Đối với tích hợp đơn môn, chủ đề STEM được xây dựng để dạy học một môn

học, và nội dung kiến thức các môn học khác được cung cấp để hỗ trợ Đối với tích hợp đa môn, chủ đề STEM được áp dụng trong nhiều môn học, song mỗi môn học sẽ giải quyết một nội dung/vấn đề cụ thể trực tiếp liên quan đến môn học đó Tích hợp liên môn thể hiện GD STEM đầy đủ, đòi hỏi sự liên kết giữa các môn học [17] Dựa vào hình thức tổ chức, GD STEM có thể thực hiện theo 3 hình thức được

đề cập trong công văn 3089, bao gồm: dạy học các môn khoa học theo bài học STEM, hoạt động trải nghiệm STEM và hoạt động nghiên cứu khoa học kĩ thuật [8]

- Dạy học các môn khoa học theo bài học STEM là hình thức tổ chức GD STEM

chủ yếu trong trường trung học, được triển khai trong quá trình dạy học các môn học STEM Nội dung bài học STEM bám sát chương trình môn học nhằm thực hiện chương trình GDPT theo thời lượng quy định

- Hoạt động trải nghiệm STEM được tổ chức theo kế hoạch giáo dục của nhà

trường Nội dung trải nghiệm được thiết kế thành hoạt động cụ thể, được mô tả rõ mục đích, yêu cầu, tiến trình và dự kiến kết quả Nội dung trải nghiệm STEM gắn với mục tiêu của CTGDPT, tạo hứng thú và động lực học tập nhằm phát triển phẩm chất

và năng lực của HS Hoạt động trải nghiệm chú trọng các hoạt động nối tiếp ở mức vận dụng (thiết kế, thử nghiệm, thảo luận và chỉnh sửa) của bài học STEM, tập trung vào giải quyết các vấn đề của thực tiễn xã hội, khoa học và công nghệ

- Hoạt động nghiên cứu khoa học kĩ thuật được thực hiện dưới dạng một dự án

nghiên cứu bởi một cá nhân hoặc nhóm hai thành viên, dưới sự hướng dẫn của giáo viên hoặc nhà khoa học có chuyên môn phù hợp

2.2 Giáo dục STEM robotics

2.2.1 Khái niệm giáo dục STEM robotics

Trong giáo dục, Alimisis (2012) làm rõ cấu trúc và nguyên lí hoạt động của robot, gồm: cảm biến nhận biết tín hiệu từ môi trường bên ngoài; bộ não nhận tín hiệu

từ cảm biến và xử lí để gửi tín hiệu cho bộ phận vận hành; bộ phận vận hành tương tác với môi trường bên ngoài để thực hiện nhiệm vụ (hình 2.2) [30] Theo Jung (2018), trong mối liên hệ với GD STEM, robotics là môi trường để HS khám phá vận dụng kiến thức STEM thông qua việc tạo ra sản phẩm robot theo ý tưởng của mình [73]

Hình 2.2 - Sơ đồ cấu trúc và nguyên lí hoạt động của robot

Trong luận án, robotics được xem là một chủ đề học tập trong GD STEM Do

đó, GD STEM robotics được hiểu là một phần thuộc GD STEM, cụ thể trong luận

án, GD STEM robotics là quan điểm dạy học trong đó HS khám phá và vận dụng kiến