Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học giáo dục: Dạy học kỹ thuật lập trình cho sinh viên ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông theo hướng phát triển tư duy điện toán

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học giáo dục "Dạy học kỹ thuật lập trình cho sinh viên ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông theo hướng phát triển tư duy điện toán" nghiên cứu cơ sở lý luận về phát triển tư duy, tư duy điện toán, trên cơ sở đó, xây dựng các biện pháp để phát triển tư duy điện toán trong dạy học môn Kĩ thuật lập trình cho sinh viên ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học giáo dục: Dạy học kỹ thuật lập trình cho sinh viên ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông theo hướng phát triển tư duy điện toán

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 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: Lý luận và PPDH bộ môn Kỹ thuật công nghiệp Mã số: 9.14.01.11 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC HÀ NỘI – 2022
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHĨA 2. TS. NGUYỄN HÙNG CHÍNH Phản biện 1: PGS. TS. Phạm Ngọc Thắng Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Phản biện 2: PGS. TS. Đỗ Anh Tuấn Trung tâm công nghệ Laser – Viện ứng dụng công nghệ Phản biện 3: PGS. TS. Trần Đăng Hưng Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Sư phạm Hà Nội vào hồi giờ , ngày tháng năm 202 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia, Hà Nội ; - Thư viện Trường Đại học Sư phạm Hà Nội.
1 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 Trung ương 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.” 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 Kỹ 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
2 nay, nguồn cung cấp nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực kỹ thuật còn thiếu hụt lớn. 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. 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. 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,... 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 ĐT–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 Kỹ thuật điện tử - viễn thông Trong nghị quyết của Đảng 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 nói nổi tiếng của ông Niklaus Wirth: “Programs = Data Structures + Algorithms” (Chương trình = Cấu trúc dữ liệu + Thuật toán). Việc
3 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. 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 tưu 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. 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”. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu cơ sở lý luận về phát triển tư duy, tư duy điện toán, trên cơ sở đó, xây dựng các biện pháp để phát triển tư duy điện toán trong dạy học môn Kĩ thuật lập trình cho sinh viên ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông. 3. Khách thể, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Khách thể nghiên cứu Quá trình dạy học học phần Kĩ thuật lập trình cho sinh viên ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông. 3.2. Đối tượng nghiên cứu - Hệ thống khái niệm, khung lý luận về tư duy và tư duy điện toán. - Lý luận về phát triển tư duy và tư duy điện toán trong dạy học. - Quá trình dạy học phát triển tư duy điện toán trong dạy học cho sinh viên ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông. 3.3 Phạm vi nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu thực trạng: Các trường đại học có đào tạo ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông tại khu vực miền Trung và Tây Nguyên. - Phạm vi thực nghiệm: sinh viên ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông của trường Đại học Quy Nhơn.
4 4. Giả thuyết khoa học của luận án Nếu trên cơ sở nghiên cứu lý luận về tư duy, xây dựng khái niệm và các yếu tố cấu thành tư duy điện toán, đề xuất được các định hướng và biện pháp phát triển tư duy điện toán trong dạy học môn Kĩ thuật lập trình cho SV ngành KTĐT-VT thì sẽ phát triển tư duy điện toán cho SV, góp phần nâng cao chất lượng dạy học và đào tạo kĩ sư ngành KTĐT-VT ở các trường Đại học, Cao đẳng kĩ thuật. 5. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu lý luận về tư duy điện toán và phát triển tư duy điện toán trong dạy học cho sinh viên ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông; - Khảo sát thực trạng dạy và học ở ngành Kĩ thuật điện tử - viễn thông với cách tiếp cận phát triển tư duy điện toán; Phân tích nội dung, đề cương chi tiết, đặc điểm và PPDH môn Kĩ thuật lập trình dưới góc độ phát triển TDĐT; - Xây dựng khái niệm, tiến trình dạy học và đề xuất biện pháp dạy học theo định hướng phát triển TDĐT cho sinh viên; xây dựng giáo án minh họa thuộc học phần Kĩ thuật lập trình; - Tiến hành thực nghiệm sư phạm và phương pháp chuyên gia để đánh giá hiệu quả sử dụng giải pháp, kiểm nghiệm giả thuyết khoa học và tính khả thi của đề tài. 6. Phương pháp nghiên cứu - Các phương pháp nghiên cứu lí thuyết: Phân tích, tổng hợp, khái quát hóa những kinh nghiệm quốc tế và trong nước, các công trình có liên quan về tư duy điện toán, lí luận dạy học về dạy học phát triển tư duy điện toán để xây dựng cơ sở lí luận của đề tài. - Các phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Điều tra, thực nghiệm sư phạm, phương pháp chuyên gia nhằm khảo sát thực tế, kiểm nghiệm và đánh giá các biện pháp đã đề xuất. - Phương pháp thống kê toán học: Xử lý số liệu trong khảo sát thực trạng và kiểm nghiệm, đánh giá các biện pháp dạy học đã đề xuất. 7. Đóng góp mới của luận án + Tổng quan được các khái niệm tư duy điện toán từ các tác giả khác và kế thừa để đưa ra khái niệm tư duy điện toán. + Đưa ra được các thành tố của tư duy điện toán gồm 4 thành phần: phân rã vấn đề, nhận dạng mẫu, thiết kế thuật toán, trừu tượng hóa và tổng quát hóa. + Đề xuất được năm định hướng phát triển tư duy điện toán trong dạy học.
5 + Đề xuất được ba biện pháp phát triển tư duy điện toán trong dạy học môn Kĩ thuật lập trình cho sinh viên ngành KTĐT-VT. + Đề xuất được tiến trình tổ chức dạy học môn Kĩ thuật lập trình nhằm phát triển tư duy điện toán cho sinh viên ngành KTĐT-VT. + Vận dụng soạn được hai giáo án minh họa trong dạy học học phần Kĩ thuật lập trình cho sinh viên ngành KTĐT – VT. 8. Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận chung và khuyến nghị, phụ lục, cấu trúc của luận án bao gồm 3 chương như sau: Chương 1. Cơ sở lý luận và thực tiễn về phát triển tư duy điện toán trong dạy học Chương 2: Phát triển tư duy điện toán cho sinh viên trong dạy học môn Kĩ thuật lập trình Chương 3. Kiểm nghiệm và đánh giá NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN Chương 1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ PHÁT TRIỂN TƯ DUY ĐIỆN TOÁN TRONG DẠY HỌC 1.1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ PHÁT TRIỂN TƯ DUY ĐIỆN TOÁN TRONG DẠY HỌC Mục này trình bày khái quát, ngắn gọn về những nghiên cứu trong và ngoài nước về việc phát triển tư duy nói chung và các loại tư duy khác nhau khác trong dạy học cho SV, trong đó có phát triển tư duy điện toán cho SV. Kết quả nghiên cứu cho thấy bản chất, cấu tạo thành phần của các loại tư duy khác nhau, là cơ sở để nghiên cứu vận dụng vào quá trình dạy học để phát triển tư duy điện toán. Một số nghiên cứu đã làm sáng tỏ cơ sở lý luận, thực tiễn về phát triển tư duy điện toán cho người học ở các bậc phổ thông, và một số môn khoa học cơ bản máy tính cho SV đại học. Đến nay, chưa có đề tài nào nghiên cứu hệ thống các vấn đề dạy học Kĩ thuật lập trình phát triển tư duy điện toán cho SV, cụ thể là SV ngành Kỹ thuật điện tử, viễn thông. 1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.2.1 Tư duy Tư duy được coi là một quá trình tâm lý thuộc một giai đoạn của quá trình nhận thức. Tư duy đã được nhiều nhà khoa học ở nhiều lĩnh vực khác nhau nghiên cứu và khái niệm về tư duy được phát biểu ở các góc độ khác nhau.
6 Trong phạm vi nghiên cứu này, tác giả sử dụng khái niệm về tư duy của phần lớn các nhà sư phạm: “Tư duy là một quá trình tâm lý phản ánh những thuộc tính bản chất, những mối liên hệ và quan hệ bên trong có tính quy luật của sự vật, hiện tượng trong hiện thực khách quan, mà trước đó ta chưa biết”. 1.2.2 Điện toán Theo từ điển Free Merriam-Webster Dictionary đưa ra ý nghĩa của điện toán hay tính toán (Computation) là một loại phép tính nào đó bao gồm các bước số học và phi số học và tuân theo mô hình được xác định rõ (ví dụ như là thuật toán,…) Khái niệm điện toán (Computing) là hoạt động định hướng mục tiêu (goal-oriented activity) nào đó, có yêu cầu, hưởng lợi từ hoặc tạo ra một chu trình toán học được gọi là thuật toán thực hiện bằng máy tính hay còn gọi là máy điện toán. Điện toán bao gồm thiết kế, phát triển và xây dựng hệ thống phần cứng và phần mềm thuộc máy điện toán; biên tập, tạo cấu trúc và quản lý các loại thông tin; nghiên cứu khoa học trên máy tính; làm cho hệ thống máy tính hoạt động thông minh; tạo ra và sử dụng phương tiện truyền thông và giải trí. Lĩnh vực điện toán bao gồm kỹ thuật máy tính, công nghệ phần mềm, khoa học máy tính, hệ thống thông tin và công nghệ thông tin. 1.2.3 Tư duy điện toán Qua kết quả nghiên cứu một số khái niệm về tư duy điện toán, nghiên cứu đặc điểm, cấu trúc, con đường hình thành và phát triển tư duy điện toán,… trên các tài liệu trong và ngoài nước, có thể nhận định rằng cho đến nay vẫn chưa có một định nghĩa cuối cùng về tư duy điện toán. Theo đó, dựa vào việc tìm ra những điểm tương đồng trong khái niệm và mối quan hệ của các thành phần cốt lõi hình thành nên tư duy điện toán cũng như căn cứ chính vào khái niệm của tác giả Wing, có thể đề xuất khái niệm về tư duy điện toán như sau: “Tư duy điện toán là một loại tư duy nhằm giải quyết một bài toán thông qua các hoạt động phân rã, nhận dạng để hình thành bài toán và hoạt động xây dựng từng bước thực hiện bài toán theo hướng xử lý tự động của máy tính.” 1.2.4 Phát triển tư duy điện toán Phát triển tư duy điện toán là quá trình chuyển biến khả năng giải quyết vấn đề hoàn thiện hơn thông qua sự rèn luyện, học tập theo các kỹ năng hoạt động của tư duy điện toán.
7 1.2.5 Một số khái niệm khác 1.2.5.1 Thuật toán Thuật toán được hiểu là một dãy hữu hạn những thao tác sắp xếp theo một trình tự xác định, mỗi thao tác được thực hiện một cách đơn trị, những thao tác này biến đổi dữ liệu vào (INPUT) của một lớp bài toán và sẽ kết thúc sau một số hữu hạn bước để cho kết quả là dữ liệu ra (OUTPUT), mô tả lời giải của lớp bài toán đó. 1.2.5.2 Tư duy thuật toán Tư duy thuật toán là một dạng tư duy toán học có liên hệ chặt chẽ với việc thực hiện các thao tác tư duy, được sắp xếp theo một trình tự nhất định mà kết quả là giải quyết được nhiệm vụ đặt ra. 1.3 PHÁT TRIỂN TƯ DUY ĐIỆN TOÁN CHO SINH VIÊN TRONG DẠY HỌC 1.3.1 Đặc điểm của tư duy điện toán Tư duy điện toán là một quá trình giải quyết vấn đề bao gồm các đặc điểm sau: Xây dựng các vấn đề theo cách cho phép chúng tôi sử dụng máy tính và các công cụ khác để giúp giải quyết chúng; Tổ chức và phân tích dữ liệu hợp lý; Trình bày dữ liệu thông qua các khái niệm trừu tượng như mô hình và mô phỏng; Tự động hóa các giải pháp thông qua tư duy thuật toán; Xác định, phân tích và triển khai các giải pháp khả thi với mục tiêu đạt được sự kết hợp hiệu quả và hiệu quả nhất giữa các bước và nguồn lực; Tổng quát hóa và chuyển quá trình giải quyết vấn đề này sang nhiều vấn đề khác nhau. 1.3.2 Các thành tố của tư duy điện toán Căn cứ vào khái niệm về tư duy điện toán được phát biểu, tác giả nhận thấy tư duy điện toán là một tổ hợp của nhiều quá trình có mối liên hệ với nhau nhằm giải quyết vấn đề một cách hiệu quả, vận dụng tương tự theo cách thực hiện của máy tính. Những quá trình đó chính là những yếu tố cấu thành nên tư duy điện toán (Hình 1.2). a- Phân rã vấn đề: Đây là một phương pháp để tách các vấn đề ra và chia chúng thành các phần nhỏ hơn và dễ hiểu hơn. Phương pháp này còn được gọi là “Chia để trị”. b- Nhận dạng mẫu: Đây là phương pháp để xác định những điểm tương tự và điểm khác biệt trong vấn đề. c- Thiết kế thuật toán: Đây là quá trình xây dựng một lược đồ gồm các bước theo trình tự để giải quyết được tất cả các vấn đề.
8 d- Trừu tượng hóa và tổng quát hóa: Trừu tượng hóa một vấn đề thành một khái niệm hoặc nguyên tắc. Tổng quát hóa là quá trình điều chỉnh các giải pháp hoặc thuật toán đã xây dựng thành các trạng thái vấn đề khác nhau, ngay cả khi các biến là khác nhau. Hình 1.2. Các yếu tố cấu thành tư duy điện toán Các yếu tố cấu thành tư duy điện toán chính là các quá trình có mối quan hệ với nhau được tổ hợp lại nhằm giải quyết vấn đề một cách hiệu quả, và vận dụng tương tự theo cách làm của máy tính (Hình 1.3). Hình 1.3. Quá trình tư duy điện toán 1.3.3 Bản chất dạy học phát triển tư duy điện toán trong dạy học lập trình cho sinh viên Các đặc điểm chính về tư duy điện toán là 1) đó là cách giải quyết vấn đề và thiết kế hệ thống dựa trên các khái niệm cơ bản của khoa học máy tính; 2) nó có nghĩa là tạo ra và sử dụng các mức độ trừu tượng khác nhau, để hiểu và giải quyết vấn đề hiệu quả hơn; 3) nó có nghĩa là tư duy theo thuật toán và khả năng áp dụng các khái niệm toán học để phát triển các giải pháp hiệu quả, công bằng và an toàn hơn; và 4) nó có nghĩa là không phải khiến con người suy nghĩ như máy tính, mà là phát triển đầy đủ các công cụ tư duy cần thiết để sử dụng hiệu quả máy tính nhằm giải quyết các vấn đề phức tạp của con người. 1.3.4 Đánh giá mức độ phát triển tư duy điện toán của sinh viên 1.3.4.1 Nguyên tắc cơ bản khi đánh giá mức độ phát triển tư duy điện toán Việc đo và đánh giá mức độ phát triển tư duy của người học nên được thực hiện bằng phép đo gián tiếp, kết hợp hai phương tiện đánh giá: kết quả và quá trình học tập của người học.
9 1.3.4.2 Một số cách thức đánh giá mức độ phát triển tư duy điện toán Một số cách thức đánh giá mức độ phát triển năng lực tư duy điện toán như sau: Nội dung đề kiểm tra; Bài tập kiểm tra trình độ vận dụng kiến thức; Bài tập kiểm tra giải quyết vấn đề nhanh; Đề kiểm tra tổng hợp; Đánh giá theo nghiên cứu trường hợp (case study). Sử dụng thang đo SOLO nhằm mô tả 5 mức độ hiểu biết của SV khi giải quyết các vấn đề lập trình và trình bày cách giải thích tương tự về sử dụng thang đo SOLO áp dụng khi người học làm các bài tập viết mã lập trình đơn giản: - Mức 1: SV bắt đầu tiếp cận kiến thức về các cấu trúc lập trình và kỹ năng lập trình. - Mức 2: SV biểu diễn chính xác một số vấn đề của lập trình nhưng không phải tất cả các khía cạnh của vấn đề lập trình. - Mức 3: SV có thể biểu diễn mô tả dòng mã lập trình hoặc thực thi mã lập trình bằng tay cho một trường hợp cụ thể. - Mức 4: SV có thể viết được một chương trình (bằng ngôn ngữ lập trình) trên máy tính để giải quyết vấn đề cụ thể. - Mức 5: SV liên kết các kỹ thuật trong lập trình và ứng dụng linh hoạt vào giải quyết vấn đề. 1.3.5 Một số định hướng phát triển tư duy điện toán cho sinh viên Định hướng 1: Việc phát triển tư duy điện toán cho sinh viên được thực hiện theo hướng tác động đến từng yếu tố cấu thành của tư duy điện toán. Định hướng 2: Để phát triển tư duy điện toán cho SV ngành KTĐT-VT cần chú trọng khai thác các nội dung kiến thức học phần có tiềm năng phát triển tư duy điện toán và định hướng nội dung phù hợp với thời đại. Định hướng 3: Sử dụng các phương pháp dạy học dựa trên lý thuyết tâm lý học hiện đại để phát triển tư duy điện toán cho sinh viên. Định hướng 4: GV tạo môi trường để SV được lựa chọn thực hiện nhiệm vụ học tập theo khả năng, trình độ và gây hứng thú học tập, phát huy tính tích cực trong nhận thức của SV phù hợp với thực tiễn hoàn cảnh, môi trường giáo dục và thực tiễn của SV. Định hướng 5: Dạy học theo hướng phát triển tư duy điện toán phải kết hợp chặt chẽ rèn luyện cho SV tính tổ chức, tính trật tự, tính linh hoạt và sáng tạo trong quá trình học tập.
10 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 Với phương pháp điều tra bằng phiếu hỏi và phỏng vấn 37 GV và 142 SV, đề tài đã khảo sát thực trạng dạy và học cho SV ngành KTĐT - VT theo định hướng phát triển TDĐT tại một số cơ sở đào tạo ngành KTĐT - VT ở khu vực miền Trung và Tây Nguyên. Kết quả khảo sát định tính và định lượng cho thấy: - Việc phát triển TDĐT cho SV là vấn đề quan trọng và cần thiết; Có khả năng phát triển TDĐT cho SV KTĐT - VT thông qua học phần Kĩ thuật lập trình. - TDĐT khá mới mẻ đối với GV và SV và cũng như chưa được tiếp xúc nhiều và ứng dụng trong quá trình dạy và học. Việc phát triển tư duy của SV còn phụ thuộc vào các yếu tố xã hội, yếu tố tâm lý,…. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Thông qua việc nghiên cứu lý luận và thực tiễn về dạy học phát triển tư duy điện toán cho SV, tác giả rút ra một số vấn đề sau: - Đề xuất hệ thống khái niệm về tư duy điện toán, tìm hiểu đặc điểm và bản chất của tư duy điện toán. Về mặt cấu trúc, tư duy điện toán được cấu thành từ năm yếu tố thành phần đó là (1) Phân tích vấn đề; (2) Nhận dạng mẫu; (3) Thiết kế thuật toán; (4) Trừu tượng hóa và tổng quát hóa. - Phân tích thực trạng ảnh hưởng đến việc dạy và học, đến sự hình thành và phát triển tư duy điện toán cho SV. Với kết quả phân tích đã chỉ ra rằng tư duy điện toán khá mới mẻ đối với GV và SV và cũng như chưa được tiếp xúc nhiều và ứng dụng trong quá trình dạy và học. Việc phát triển tư duy của SV còn phụ thuộc vào các yếu tố xã hội, yếu tố tâm lý,… Tư duy điện toán có thể giúp cho sinh viên có khả năng giải quyết các vấn đề cũng như trong quá trình học lập trình. - Đề xuất 5 định hướng dạy học nhằm phát triển tư duy điện toán cho SV. Tóm lại, những kết quả nghiên cứu về mặt lý luận và thực tiễn về dạy học phát triển tư duy điện toán cho SV này làm cơ sở để đề xuất và triển khai các biện pháp dạy học cụ thể nhằm giúp phát triển tư duy điện toán cho SV thông qua học phần Kĩ thuật lập trình ở chương 2.
11 Chương 2. PHÁT TRIỂN TƯ DUY ĐIỆN TOÁN CHO SINH VIÊN TRONG DẠY HỌC MÔN KĨ THUẬT LẬP TRÌNH 2.1 PHÂN TÍCH CHƯƠNG TRÌNH MÔN KĨ THUẬT LẬP TRÌNH 2.1.1 Khái lược cấu trúc chương trình ngành KTĐT - VT Chương trình được thiết kế để đảm bảo sinh viên tốt nghiệp đạt được chuẩn đầu ra sau: “… thiết kế, vận hành các hệ thống và sản phẩm điện tử ứng dụng, hệ thống điện tử thông tin và viễn thông, hệ thống điện tử thông minh dựa trên nền tảng hệ nhúng và IoT…”. * Một số học phần cần lập trình hỗ trợ: Lý thuyết điều khiển tự động, Kỹ thuật xung – số, Thiết kế mạch tích hợp, Điện tử thông tin, Kỹ thuật mạch điện tử, Thiết kế điện tử ứng dụng, Kỹ thuật vi xử lý, Thông tin di động,… 2.1.2 Đặc điểm nội dung môn học Kĩ thuật lập trình Kĩ thuật lập trình là kỹ thuật thực thi một giải pháp phần mềm (Chương trình = cấu trúc dữ liệu + giải thuật) dựa trên một hay nhiều ngôn ngữ lập trình phù hợp với yêu cầu đặc thù của ứng dụng. Hay nói một cách khác, Kĩ thuật lập trình = Cấu trúc dữ liệu + Giải thuật + Ngôn ngữ lập trình. Nội dung môn học gồm: Cách sử dụng NNLT cụ thể (C/C++), các Kĩ thuật lập trình, chiến lược thuật toán, minh họa các kỹ thuật liên quan đến lập trình thiết bị,… Những nội dung này có thể thực hiện các yếu tố cấu thành TDĐT trong quá trình DH môn KTLT. 2.2 MỘT SỐ BIỆN PHÁP DẠY HỌC PHÁT TRIỂN TƯ DUY ĐIỆN TOÁN CHO SINH VIÊN KTĐT-VT 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. • Cơ sở đề xuất biện pháp 1: Tư duy điện toán gắn chặt với tư duy thuật toán mà nền tảng của nó là toán học. Tư duy điện toán phải được xác lập ở mức tổng quát, tương thích với tư duy “tin học” (tức là biện pháp kỹ năng trong tư duy điện toán phải gắn kết nối được với các nội dung toán học đó) và lập trình dựa trên nền tảng là tư duy “toán học”. • Mục đích biện pháp 1: - Khai thác, lựa chọn để xây dựng hệ thống nội dung chứa đựng cơ hội rèn luyện, phát triển tư duy điện toán. Nội dung là một số vấn đề gắn với kiến thức cơ bản ở bậc đại học, có cơ hội áp dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau và ứng dụng thực tiễn.
12 - Cài đặt các cơ hội vận dụng kết hợp tư duy điện toán và thiết bị để xác lập thuật toán trước khi viết chương trình, tức là cần đặt sinh viên vào một góc nhìn khác về kiến thức toán học ứng dụng và thiết bị dưới “lăng kính” tư duy điện toán. - Nội dung phải hướng tới phát triển và xác lập được tư duy điện toán ở mức khái quát để có thể tận dụng được thế mạnh của công nghệ nói chung. • Một số nội dung cơ bản: - Thuật toán lặp cho các phương trình phi tuyến tổng quát và ứng dụng. - Thuật toán giải hệ đại số tuyến tính. - Thuật toán nội suy và ứng dụng. - Thuật toán xấp xỉ tích phân. - Mô hình hóa và mô phỏng. 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. • Cơ sở đề xuất biện pháp 2: Trên cơ sở hệ thống các nguyên tắc dạy học theo hướng phát triển tư duy điện toán được nêu ra ở trên và đặc điểm của môn Kĩ thuật lập trình, và với quan điểm dạy học phát triển tư duy chính là việc rèn luyện cho SV thực hiện tốt các hoạt động tư duy thành phần. Để kích thích tư duy cho SV phát triển tư duy điện toán trong quá trình dạy học Kĩ thuật lập trình thì thường diễn ra những hoạt động dạy học chiếm lĩnh tri thức lập trình và rèn luyện kỹ năng sử dụng thành thạo các cấu trúc câu lệnh trong ngôn ngữ lập trình bất kỳ. Những hoạt động cụ thể như GV giúp học sinh kích thích nhu cầu nhận thức tri thức lập trình khi chuẩn bị học cấu trúc của ngôn ngữ lập trình; hoặc hoạt động nhận dạng bài toán và nhận dạng thuật toán sử dụng cấu trúc lệnh nào khi chuẩn bị lập trình,… Trong quá trình hoạt động, GV tách biệt hóa các hoạt động cụ thể trong từng tình huống khác nhau. Khi lập trình, công đoạn quan trọng là xây dựng thuật toán, từ đó mã hóa thành chương trình theo một ngôn ngữ lập trình cụ thể nào đó. Trong quá trình dạy học, GV cần đặc biệt quan tâm truyền thụ cho SV những tri thức phương pháp về tư duy thiết kế thuật toán trong khi tổ chức, điều khiển tập luyện hoạt động thông qua dạy học cấu trúc trong ngôn ngữ lập trình. Quá trình xây dựng một thuật toán cũng là quá trình giải một bài toán (một vấn đề) chưa có thuật toán. Vì vậy, biện pháp hướng dẫn SV phân chia vấn đề phức tạp thành đơn
13 giản hơn theo trình tự xác định sẽ giúp cho GV hướng dẫn cho SV giải quyết bài toán (vấn đề) theo một các bước xác định. • Mục đích của biện pháp 2: Biện pháp này giúp cho SV ngành KTĐT-VT hình thành thói quen tư duy phân rã hoạt động của câu lệnh, chương trình. Từ đó, mới hiểu được bản chất và từng bước hoạt động của câu lệnh để viết chương trình hiệu quả hơn, giúp phát hiện lỗi và kiểm soát lỗi lập trình nhanh hơn. Biện pháp này giúp cho SV ngành KTĐT-VT biết phân chia một bài toán (hoặc một vấn đề) thành nhiều bài toán nhỏ đơn giản hơn (hoặc những việc đơn giản hơn), từ đó giải quyết các bài toán đơn giản (công việc đơn giản) theo từng bước và tuân theo một trình tự nhất định để hoàn thiện nó. Biện pháp này nhằm hình thành và phát triển yếu tố thứ nhất của tư duy điện toán: “Phân rã vấn đề”, yếu tố thứ hai của tư duy điện toán: “Nhận dạng mẫu” và yếu tố thứ ba của tư duy điện toán: “Thiết kế thuật toán”, đồng thời phát triển kỹ năng “Sử dụng ngôn ngữ để mô tả các quy tắc gồm một số hữu hạn bước sắp xếp theo một thứ tự nhất định” của tư duy thuật toán. • Cách thức thực hiện biện pháp 2: Trong khi giải quyết vấn đề sẽ có nhiều hoạt động khác nhau thường liên quan mật thiết với nhau, hoặc xuất hiện xen kẽ nhau, lồng vào nhau. Mỗi hoạt động này tương ứng như một thành phần của một hoạt động khác. Trong quá trình dạy Kĩ thuật lập trình, để giúp SV hiểu được công dụng, cú pháp và hoạt động của câu lệnh, cách viết một chương trình, GV phân tích câu lệnh, phân rã chương trình thành những hoạt động thành phần đơn giản sao cho SV dễ tiếp nhận và hiểu được từng hoạt động và cách sử dụng câu lệnh trong chương trình. Phân tách hoạt động là hoạt động sử dụng trí óc chia tổng thể ra từng phần, hoặc tách rõ từng thao tác, từng khía cạnh riêng biệt. Trong dạy học Kĩ thuật lập trình, trong đó có tri thức lập trình, khâu phân tách hoạt động là khâu quan trọng và cần thiết. Phân tách hoạt động và thực hiện các hoạt động thành phần là một yếu tố rất cần thiết đối với một người lập trình, phát triển được khả năng này cho SV không chỉ giúp SV giải quyết các bài toán đơn giản mà còn là hành trang giúp SV tiến xa hơn nữa trong lĩnh vực lập trình. Có thể thực hiện biện pháp này theo các cách thức sau: - Phân tách từng thành phần cụ thể trong cú pháp của một cấu trúc điều khiển lệnh bất kỳ khi học về cấu trúc lệnh.
14 - Tiến hành vẽ lưu đồ hoạt động của một chương trình hay một cấu trúc lệnh bất kỳ. • Ví dụ minh họa thứ nhất trong biện pháp 2: Khi dạy nội dung về cấu trúc lựa chọn (sử dụng ngôn ngữ lập trình C++ để minh họa), GV giới thiệu và phân tích cấu trúc cho SV có thể theo các hoạt động như sau: - Hoạt động 1: Nêu ra dạng tổng quát cấu trúc if có cú pháp: if (E) S1 ; [else S2 ;] - Hoạt động 2: Phân tích từng thành phần trong cấu trúc lệnh: - Hoạt động 3: Phân tích ý nghĩa của cấu trúc: - Hoạt động 4: Phân tích nguyên tắc hoạt động của cấu trúc if: Để SV có thể hiểu rõ hơn hoạt động của cấu trúc lệnh này, GV nên sử dụng các vẽ lưu đồ hoạt động của cấu trúc câu lệnh if nhằm phát triển khả năng tường minh hóa cấu trúc cho SV. - Hoạt động 5: Cho ví dụ minh họa để giải thích rõ hơn về hoạt động của cấu trúc điệu kiện if. Hơn nữa, trong quá trình dạy Kĩ thuật lập trình, sẽ có nhiều bài tập phức tạp được chia nhỏ thành các bài toán đơn giản hơn. Khi lựa chọn dạng bài tập đưa vào bài giảng, GV cần quan tâm đến việc phát hiện các bài toán “con” từ bài tập đó chứ không phải chỉ nhằm mục đích đạt được một lời giải. Từ bài toán ban đầu phân chia nhỏ thành nhiều bài toán đơn giản hơn và thực hiện cách giải theo một trình tự nhất định sẽ giúp việc tính toán dễ dàng hơn. • Ví dụ minh họa thứ hai trong biện pháp 2: Khi hướng dẫn SV làm bài tập “Viết chương trình nhập vào một mảng số nguyên A gồm n số (0 < n
15 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 • Cơ sở đề xuất biện pháp 3: Việc dạy học lập trình cho SV không chỉ dừng lại ở việc SV nắm bắt được các kiến thức về lập trình và có thể viết được chương trình để giải quyết các bài toán đặt ra mà còn phải hướng cho SV đến các thao tác như xác định được những bài toán cùng loại, khái quát hóa thành bài toán tổng quát từ một bài toán cụ thể. Hơn nữa, mỗi thuật toán chỉ giải quyết một bài toán nào đó, nhưng có thể có nhiều thuật toán khác nhau cùng giải một bài toán. Cho nên cần thiết kế hoặc lựa chọn một thuật toán phù hợp đã có để giải bài toán cho trước. Biện pháp này sẽ giúp SV tìm tòi, so sánh để đưa ra thuật toán tối ưu, phù hợp với nội dung của bài toán. • Mục đích của biện pháp 3: Biện pháp này giúp cho SV ngành KTĐT-VT hình thành ý thức tìm tòi phương pháp tối ưu, tìm cách cải tiến các quy trình sao cho đem lại hiệu quả cao hơn. Ngoài ra, còn giúp SV rèn luyện khả năng diễn đạt, mô tả chính xác thuật toán và tập thói quen kiểm tra nhiều lần kết quả nhằm giảm thiểu rủi ro xảy ra trong quá trình hoạt động. Biện pháp này nhằm hình thành và phát triển yếu tố thứ hai của tư duy điện toán: “Nhận dạng mẫu”, yếu tố thứ ba của tư duy điện toán: “Thiết kế thuật toán” để lựa chọn thuật toán tối ưu và yếu tố thứ tư của tư duy điện toán: “Trừu tượng hóa – Tổng quát hóa” lời giải của một bài toán cụ thể, sau đó đề xuất quy trình, thuật toán giải một dạng bài toán. • Cách thức thực hiện biện pháp 3: Khi viết một chương trình, sử dụng các Kĩ thuật lập trình giúp cho việc lập trình được hiệu quả hơn, giúp tiết kiệm nguồn tài nguyên của máy tính. Bên cạnh đó, sau khi viết chương trình, cần kiểm tra với nhiều bộ kiểm thử (test) khác nhau nhằm kiểm tra tất cả các trường hợp, tình huống xảy ra trong thực tế. • Ví dụ minh họa biện pháp 3: Khi dạy nội dung bài “Một số vấn đề kỹ thuật cần lưu ý khi lập trình” trong học phần “Kĩ thuật lập trình”. GV đưa ra một số Kĩ thuật lập trình cần chú ý để giúp SV nắm bắt một số kỹ thuật trong lập trình giúp cho thuật chương trình thực hiện nhanh hơn, hoặc tiết kiệm tài nguyên bộ nhớ hơn.
16 2.3 TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC MÔN KĨ THUẬT LẬP TRÌNH PHÁT TRIỂN TƯ DUY ĐIỆN TOÁN CHO SINH VIÊN KTĐT, VT 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 2.3.1.1 Tiến trình chung cho việc tổ chức dạy học Việc tổ chức dạy học nhằm phát triển tư duy điện toán cho sinh viên có thể thực hiện theo quy trình chung gồm 4 giai đoạn với 10 bước như trong hình 2.3. Hình 2.3 Quy trình tổ chức hoạt động dạy học cho SV 2.3.1.2 Tiến trình dạy học cho việc tiếp cận cấu trúc cụ thể của ngôn ngữ lập trình Trong dạy học Kĩ thuật lập trình, tri thức lập trình một ngôn ngữ cụ thể rất cần thiết cho SV nắm bắt. GV tiến hành dạy học tiếp cận tri thức lập trình bao gồm 5 bước như hình 2.4.
17 Bước 1 GV gợi động cơ học tập Bước 2 GV hướng dẫn SV nhận dạng mẫu Bước 3 GV hướng dẫn SV nắm bắt cấu trúc lệnh Bước 4 GV cùng SV thực hành câu lệnh Bước 5 SV luyện tập Hình 2.4 Tiến trình dạy học cho việc tiếp cận cấu trúc cụ thể của ngôn ngữ lập trình 2.3.1.3 Tiến trình dạy học rèn luyện kỹ năng sử dụng cấu trúc cụ thể của ngôn ngữ lập trình thông qua việc giải các bài toán Bước 1 Bước 2 Tìm hiểu bài toán, phân Phân tích bài toán để rã bài toán nhận dạng bài toán Bước 4 Bước 3 Kiểm tra kết quả và phát Rèn luyện tư duy thiết kế hiện thuật toán tối ưu, thuật toán tổng quát hóa bài toán Hình 2.5 Tiến trình dạy học rèn luyện kỹ năng sử dụng cấu trúc cụ thể của NNLT thông qua việc giải các bài toán Trong quá trình dạy học rèn luyện các hoạt động của cấu trúc lệnh cụ thể trong NNLT, GV cần quan tâm truyền thụ cho SV những tri thức phương pháp về tư duy thuật toán để giải quyết bài toán. Trong khi hướng dẫn SV xây dựng những thuật toán cụ thể cho một bài toán nào đó, GV cần truyền đạt cho SV những kinh nghiệm trong phương pháp tư duy, giúp SV tự xây dựng được thuật toán trong những tình huống mới.
18 Quá trình xây dựng một thuật toán cũng là quá trình giải một bài toán chưa có thuật toán. Quá trình này gồm 4 bước như hình 2.5. 2.3.2 Một số giáo án minh họa trong dạy học môn Kĩ thuật lập trình Phần này trình bày một số giáo án minh họa dạy học phát triển TDĐT cho SV. - Giáo án số 1: “Sự kế thừa trong Lập trình hướng đối tượng” trong học phần “Kĩ thuật lập trình”, - Giáo án số 2: “Bài tập về Kế thừa” trong học phần “Kĩ thuật lập trình”. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Qua nghiên cứu chương trình đào tạo ngành Kỹ thuật điện tử, viễn thông và nội dung dạy học về Kĩ thuật lập trình cho SV ngành KTĐT, VT; nghiên cứu các biện pháp dạy học Kĩ thuật lập trình nhằm phát triển tư duy điện toán, có thể rút ra một số nhận định sau: 1. Các học phần về Kĩ thuật lập trình (bao gồm Kĩ thuật lập trình, Lập trình cơ bản, Lập trình nâng cao, Thực hành Kĩ thuật lập trình) là nhóm học phần bắt buộc, cơ sở ngành trong chương trình đào tạo ngành Kỹ thuật điện tử, viễn thông ở nhiều trường Đại học thuộc Miền Trung và Tây Nguyên. Do đó, nghiên cứu các biện pháp dạy học phát triển tư duy điện toán thông qua học phần này có phạm vi áp dụng rộng cho nhiều đối tượng SV ở nhiều trường đại học khác nhau. Thông qua phân tích học phần này, hoàn toàn có thể khai thác các đặc điểm, nội dung môn học để dạy học phát triển tư duy điện toán cho SV. 2. Phát triển tư duy điện toán cho SV ngành KTĐT, VT trong dạy học Kĩ thuật lập trình có thể thực hiện bằng 3 biện pháp cụ thể. Với mỗi biện pháp đều phân tích nội dung, mục đích của biện pháp, và phân tích ví dụ minh họa cụ thể. Các ví dụ minh họa đó có thể áp dụng vào trong giảng dạy các học phần liên quan đến Lập trình cho SV ngành KTĐT, VT. 3. Đề xuất quy trình chung tổ chức hoạt động dạy học Kĩ thuật lập trình định hướng phát triển tư duy điện toán cho SV ngành KTĐT, VT. Dựa trên quy trình chung, tác giả tiến hành xây dựng các giáo án minh họa các nội dung khác nhau ở học phần Kĩ thuật lập trình với các biện pháp dạy học đã đề xuất trên.