Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học giáo dục: Tổ chức dạy học chủ đề STEM Robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh Trung học cơ sở

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt "Luận án Tiến sĩ Khoa học giáo dục: Tổ chức dạy học chủ đề STEM Robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh Trung học cơ sở" xác định cơ sở lí luận và thực tiễn về GD STEM robotics, năng lực giải quyết vấn đề 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 giải quyết vấn đề trong giáo dục STEM robotics của HS trung học cơ sở (THCS).

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: Tổ chức dạy học chủ đề STEM Robotics nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh Trung học cơ sở

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI LÊ HẢI MỸ NGÂN TỔ CHỨC DẠY HỌC CHỦ ĐỀ STEM ROBOTICS NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CỦA HỌC SINH TRUNG HỌC CƠ SỞ Chuyên ngành: LÍ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC BỘ MÔN VẬT LÍ 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
2 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Biên (Trường Đại học Sư phạm Hà Nội) PGS.TS Nguyễn Đông Hải (Đại học Tennessee Wesleyan) Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Thị Nhị, Trường Đại học Vinh Phản biện 2: TS. Cao Tiến Khoa, Trường ĐHSP – Đại học Thái Nguyên Phản biện 3: PGS.TS. Lê Thị Thu Hiền, Trường Đại học giáo dục – ĐHQG 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… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội Thư viện Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 1. Ngan, L. H. M., Hien, N. Van, Hoang, L. H., Hai, N. D., Bien, N. Van, Minh, H. C., Nam, V., Nam, V., Nam, V., Nam, V., & Nam, V. (2020). Exploring Viet namese Students ’ Participation and Perceptions of Science Classroom Environment in STEM Education Context. Jurnal Penelitian Dan Pembelajaran IPA, 6(1), 73–86. https://doi.org/10.30870/jppi.v6i1.6429 2. Lê Hải Mỹ Ngân, Nguyễn Văn Biên (2020). Xây dựng khung năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục khoa học robot của học sinh trung học cơ sở. Tạp chí Khoa học Trường Đại học Sư phạm Hà Nội65(7), 184–196. https://doi.org/10.18173/2354-1075.2020-0089 3. Nguyen, H. N., Le, X. Q., Nguyen, V. H., Nguyen, V. B., Nguyen, T. T. T., Thai, H. M., &Le, H. M. Ngan (2020). Transformative Perceptions of In-Service Teachers towards STEM Education: The Vietnamese Case Study. Voprosy Obrazovaniya / Educational Studies Moscow, 2, 204–229.https://doi.org/10.17323/1814-9545-2020-2-204-229 4. Lê Hải Mỹ Ngân, Nguyễn Thanh Tú, Mai Thị Kim Ngọc, Đặng Đông Phương, Vũ Quốc Thắng, và Nguyễn Văn Biên (2020). Một số yếu tố ảnh hưởng hứng thú đối với lĩnh vực Robotics của học sinh một số trường THCS tại TP Hồ Chí Minh. Tạp Chí Khoa học Trường ĐH Sư Phạm Tp.HCM, 8, 1337–1350. https://doi.org/10.54607/hcmue.js.17.8.2761.2707(2020) 5. Lê Hải Mỹ Ngân, Nguyễn Thị Minh Thảo (2020). Thiết kế tổ chức dạy học chủ đề STEM Hệ thống cấp nước tự động đơn giản theo quy trình dạy học 6E chương trình trung học cơ sở. Tạp Chí Khoa học Trường ĐH Sư Phạm Tp.HCM, 17(2). https://doi.org/10.54607/hcmue.js.17.2.2604.2569(2020) 6. Lê Hải Mỹ Ngân, Nguyễn Trúc Vy (2021). Thói quen tham gia lớp học bằng ngôn ngữ nói của học sinh trung học cơ sở trong môn khoa học. Tạp Chí khoa học Trường ĐH Sư Phạm Tp.HCM, 18(2), 321– 330.https://doi.org/10.54607/hcmue.js.18.2.2999.2827(2021) 7. Đặng Đông Phương, Lê Hải Mỹ Ngân (2021). Thiết kế tổ chức dạy học chủ đề STEM robot hút bụi đơn giản theo quy trình thiết kế kĩ thuật cho học sinh trung học cơ sở. Tạp Chí khoa học Trường ĐH Sư Phạm Tp.HCM, 18(8), 1495–1508. https://doi.org/10.54607/hcmue.js.18.8.3022.2933(2021) 8. Ngan, L. H. M., Khoa, N. D., Ky, N. T. A., Anh, N. T. K., & Bien, N. Van. (2021). Exploring Perspective of Teachers on STEM - Robotics Education in Some High Schools in Ho Chi Minh city - Vietnam. The 4th International Annual Meeting on STEM Education (IAMSTEM 2021), National Taiwan Normal University. 9. Lê Hải Mỹ Ngân, Nguyễn Văn Biên, Nguyễn Đông Hải (2021). Tích hợp khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán trong chủ đề trải nghiệm STEM robotics cho học sinh trung học. Hội Nghị Giảng Dạy Vật Lí Toàn Quốc Lần Thứ 5, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội. 10.Thang Vu Quoc, Dong-Phuong Dang, Ngan Le Hai My (2021), Designing STEM Robotics topic Fire alarm system for 8 th-grade students to enhance students’ problem- solving competence, The 2nd International Conference on Innovations in Learning Instruction and Teacher Education (ILITE 2021), Hanoi National University of Education, 2021. CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 1. Lê Hải Mỹ Ngân (chủ nhiệm đề tài), Vận dụng quy trình dạy học 6E vào thiết kế một số chủ đề theo định hướng STEM trong chương trình THCS, Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp cơ sở mã số CS.2018.19.56 (đã nghiệm thu). 2. Lê Hải Mỹ Ngân (chủ nhiệm đề tài), Nghiên cứu thực trạng dạy học theo định hướng STEM lĩnh vực robotics ở Việt Nam và thế giới, Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp cơ sở mã số CS.2019.19.46 (đã nghiệm thu).
4 MỞ ĐẦU Lí do chọn đề tài Theo Bybee (2013), một chương trình GDSTEM trong nhà trường chưakhả thi, nên cácchủ đề tích hợp STEM là định hướng được quan tâm. Hiện nay, roboticslà một chủ đề thực tiễnđược nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và nhận định là lĩnh vực có tiềm năng để thực hiệnGDSTEM trong nhà trường. Theo Khine (2017), GDSTEMrobotics tạo môi trườngcho HS thiết kế, chế tạo và vận hành sản phẩm robot để giải quyết vấn đề (GQVĐ). Do đặc trưng gắn liền với công nghệ máy tính, TDMT cũng là một kết quả được ghi nhận trong các nghiên cứu GD STEM robotics, với quan điểm là một phương thức để GQVĐ. Việc tổ chứcGD STEM robotics dựa trênTDMTcó thể góp phần phát triển NL GQVĐ. Ở Việt Nam, GD STEM được định nghĩa trong CTGDPT2018 và được đề cập trong các chương trình các môn Toán, Khoa học, Tin học và Công nghệ.CTGDPT 2018đẩy mạnh chương trìnhmôn công nghệ và tin học với mục tiêu bồi dưỡngnăng lựctiếp cận công nghệ hiện đạicủa HS, làđiều kiện phù hợp đểthực hiệnGD STEM robotics.Để hướng dẫn thực hiện GDSTEM trong nhà trường, công văn 3089/GDĐTTrH đượcban hành đã làm rõba hình thức triển khai GD STEM trong nhà trường, trong đó, hoạt động trải nghiệm là hình thức phù hợp để triển khai GD STEM robotics trong nhà trường. Đề tài nhằm làm rõ cơ sở lí luận vềGD STEM robotics, đề xuất một cơ sở lí thuyết cho việcthực hiệnGD STEM robotics dưới hình thức các chủ đề cho HS THCS nhằm bồi dưỡng NLGQVĐtrong GD STEM robotics. Mục đich nghiên c ́ ứu 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). Giả thuyết nghiên cưú 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 vớ i GD STEM robotics và thực hiện tổ chức theo tiến trình đó thì có thể bồi dưỡ ng năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics cho HS THCS. ̣ ̣ Nhiêm vu nghiên c ưú - 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. - Khả o sá t thực trạng GD STEM robotics trong trườ ng trung học, cụ thể về thực trạng tham gia hoạt động của HS; quan điểm của GV các môn học STEM và GV vật lí đối với lĩnh vực. - Đề xuất cấu trúc năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics cho HS THCS, với các chỉ số hành vi đặc trưng trong lĩnh vực và tiêu chí chất lượng phù hợp. - Đề xuấ t quy trì nh xây dựng chủ đề STEM robotics nhằ m bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics, trong đó làm rõ định hướng tích hợp nội dung giáo dục vật lí trong chủ đề STEM robotics. - Đề xuất tiến trình tổ chức chủ đề STEM robotics nhằ m 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. - Thự c nghiệ m sư phạ m (TNSP) đánh giá năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics của HS THCS thông qua tổ chứ c chủ đề STEM robotics đã xây dựng. ́ ượng va pham vi nghiên c Đôi t ̀ ̣ ưú
5 Đối tượng nghiên cứu là việc bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics của HS. Nghiên cứu thiết kế và tổ chức chủ đề STEM robotics cho HS THCSnhằmphát triểnnăng lực GQVĐ trong GD STEM robotics. Đề tài thực hiện khảo sát GV và HS, cũng như thực nghiệm với nhóm đối tượng HS THCS ở Tp.HCM. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phối hợp các phương pháp nghiên cứu sau: nghiên cứu lí thuyết (phân tích, tổng hợp; phân loại và hệ thống hóa lí thuyết); nghiên cứu thực tiễn dạy và học (điều tra, phỏng vấn, quan sát); thực nghiệm sư phạm và phương pháp thống kê toán học. Đong gop m ́ ́ ới cua luân an ̉ ̣ ́ - 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. TỔNG QUANVÂN ĐÊ NGHIÊN C ́ ̀ ƯÚ Nghiên cứu về giáo dục STEM lĩnh vựcrobotics Jung (2018)chỉ ra haiquan điểm về vai trò của robotics trong giáo dục. Thứ nhất, robotics là công cụ hỗ trợ dạy học các môn vật lí, toán,… . Thứ hai, robotics là chủ đề học tập để HSkhám phá kiến thứcthông qua nhiệm vụ thiết kế, chế tạo robot để GQVĐ. Anwar (2019) khẳng định GD STEM robotics trong và ngoài trường họcđều tác động tích cực với HS về cả kiến thức và kĩ năng. Khine(2017) tổng hợp các bài báo về GD STEM robotics từ 2013 đến 2017 cho rằng việc thực hiệnGD STEM robotics trong nhà trường vẫn còn khó khăn và đòi hỏi nghiên cứu sâu hơn.Các phương thức triển khai hoạt động STEM robotics vẫn là hướng mở cần tiếp tục nghiên cứu.Một số nghiên cứu hiện naythực hiện theo hướng xây dựng các khóa học tích hợp STEM robotics trong nhà trường. Chen (2018) nghiên cứu cho HS lớp 10 thiết kế chế tạo thuyền tự vận hành thông qua khoá học tích hợp STEM robotics. Ching(2019)xây dựng chương trình STEM robotics theo dự án nhằmnâng cao kết quả học của HS lớp 4-6. Ching (2019)cho rằng một chương trình tích hợp STEM robotics giúp GV dễ dàng hơn khi tiếp cận và sử dụng, như nội dung bổ sung vào các môn học STEM, đồng thời tạo cho HS cơ hội tiếp cậnrobotics. GD STEM robotics ở Việt Nam đầu tiên xuất hiện tại các trung tâm ngoài nhà trường hoặc các chương trình ngoài giờ trong nhà trường, đặc biệt với HS tiểu học và THCS… Trong bối cảnh hiện tại, các nghiên cứu GD STEM robotics ở Việt Nam vẫn còn hạn chế. Một số các hoạt động trải nghiệm chế tạo sản phẩm robot được tổ chức ghi nhận hiệu quả làm tăng hứng thú của HS đối với lĩnh vực. Các nghiên cứu còn rời rạc, việc tìm hiểu một quan điểm tiếp cận cho GD STEM robotics, và quy trình thiết kế các chủ đề và tiến trình dạy học theo định hướng phát triển năng lực phù hợp cho HS cần được quan tâm làm rõ. Tóm lại, GD STEM robotics làđịnh hướng mở trong nghiên cứu.Việc làm rõ cơ sở lí thuyết cho việc thiết kế và tổ chức thực hiệnGD STEM robotics trong nhà trường góp phần bồi dưỡng năng lựccủa HS là cần thiết trong bối cảnh giáo dục hiện nay. Nghiên cứu về giáo dục STEM robotics tronggiáo dụcvật lí Các nghiên cứu GD STEM robotics thể hiện 2 định hướng tích hợp trong giáo dục vật lí: (1) robotics là công cụ hỗ trợdạy học vật lí và (2) GD vật lí lồng ghép trong chủ đề STEM robotics. - Theo định hướng thứ nhất, một số đặc điểm có thể ghi nhận: (1) mục tiêu dạy học là mục tiêu đặc thù của các môn khoa học, nhằm hình thành và củng cố kiến thức khoa
6 học cho HS; (2) các bộ thiết bị Lego được sử dụng phổ biến nhằm đảm bảo độ chính xác cao; (3) các hoạt động học tập hướng đến các nhiệm vụ khám phá kiến thức vật lí đơn lẻ; (4) hoạt động sử dụng bộ công cụ để tìm hiểu, khám phá kiến thức vật lí có thể nhằm mục đích cung cấp thông tin cho quá trình thiết kế một sản phẩm kĩ thuật. - Theo hướng tiếp cận thứ hai, robotics là chủ đề học tậpđể HS hiểu về chính lĩnh vực robotics. Theo Jung (2018), quan điểm này thể hiện sự giao thoa và đáp ứng các mục tiêu của GD STEM tích hợp. Nhiều chương trình ngoại khóa đã được thực hiện theo chủ đề STEM robotics chế tạo một sản phẩm cụ thể, thông qua đó HS chiếm lĩnh các tri thức khoa học liên quan. Một số nghiên cứu gần đây thiết kế các chủ đề hay khóa học ngắn STEM robotics cho HS trong nhà trường, đặc biệt sử dụng các vi điều khiển mã nguồn mở. Tóm lại, mối liên hệ GD vật lí và GD STEM robotics là tương hỗ nhau. Tùy vào mục tiêu dạy học, dạy học vật lí có thể là hoạt động trọng tâm và công cụ robotics là phương tiện hỗ trợ, hoặc trong định hướng tích hợp, việc dạy học vật lí có thể lồng ghép trong quá trình giải quyết vấn đề STEM robotics thông qua thiết kế chế tạo một sản phẩm thực. Nghiên cứu về phát triển năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục STEM robotics Nhiều nghiên cứu cho thấy GD STEM roboticscó những tác động tích cực đối với NL GQVĐ của HS.Priemer (2020) dựa trên mô hình GQVĐ của PISA 2013 kết hợp phân tích các nghiên cứu về GQVĐ trong GD STEM đề xuất một khung lí thuyết GQVĐ tổng quát. Bên cạnh đó, các nghiên cứu về GD STEM robotics phản ánh HS thường gặp trở ngại do khoảng cách giữa sự kì vọng trong ý tưởng của HS với tính phức tạp của sản phẩm, và việc GQVĐ cần có một số nền tảng kiến thức. Do đó, việc tác động bằng những hướng dẫn phù hợp cho HS trong quá trình tư duy rất quan trọng nhằm nâng cao NL GQVĐ trong GD STEM robotics, trong đó 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. Các nghiên cứu bồi dưỡng năng lực GQVĐ trong lĩnh vực STEM robotics đang được tập trung ở khía cạnh lập trình và có liên hệ mật thiết với tư duy máy tính.Theo Shute (2017), TDMT là một phương thức GQVĐ hiệu quảvới các giải pháp có thể vận dụng trong các bối cảnh khác nhau.Theo Chevalier (2020), định hướng nghiên cứu TDMT trong GD STEM roboticscần nhấn mạnh vào quá trình tư duy huy động kiến thức, kĩ năng để định hướng giải pháp trước khi thực hiện thử nghiệm.Các kết quả nghiên cứu GD STEM robotics nhằm bồi dưỡng TDMT cho thấy tiến trình hoạt động xây dựng trên nền tảng TDMT có thể hỗ trợ cho việc thực hiện GD STEM robotics một cách hiệu quả. Dựa trên tổng quan nghiên cứu về GD STEM robotics, chúng tôi thấy rằng (1) hướng nghiên cứu GD STEM robotics là xu thế trong bối cảnh GDViệt Nam; (2) GD STEM robotics có thể góp phần GD vật lí; (3) NL GQVĐ trong các nghiên cứu về GD STEM roboticschưa được làm trong khi giải quyết chế tạo một sản phẩm robotics; (4) TDMT là một phương thức tư duy GQVĐ hiệu quả trong GD STEM robotics. CƠ SỞ LI LUÂN V ́ ̣ Ề TỔ CHỨC CHỦ ĐỀ STEM ROBOTICS NHẰM BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Giáo dục STEM GD STEM theo quan điểm CTGDPT2018 ở Việt Namlà mô hình giáo dục dựa trên cách tiếp cận liên môn, giúp học sinh 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 . Mô hình tích hợp STEM của Kelley (2016)nêu rõ nội hàm và mối quan hệ giữa các lĩnh vực STEM theo định hướng thiết kế kĩ thuật (TKKT). GDSTEM là quan điểm dạy học tích hợpliên kết chặt chẽ vớiNLGQVĐthực tiễn, trong đó TKKTlà nền tảng thực hiện giải pháp kĩ thuật dựa trên quá trìnhkhám phá khoa học.Yata (2020) nghiên cứumô hình tích
7 hợp STEMcho thấy2 quá trìnhthiết kế và khám phá tương hỗ nhau trong GQVĐ: thiết kếlàm nảy sinh nhu cầu khám phá và khám phá bổ sung thông tin cho thiết kế. Mô hìnhGD STEM của Kelley (2016) và Yata (2020)phù hợp với hướng tiếp cận GD STEM robotics, trong đóTKKT là nền tảng quan trọng trong GD STEM robotics. Giáo dục STEM lĩnh vực robotics Khái niệm Alimisis (2012) làm rõ cấu trúc và nguyên lí hoạt động củarobot (hình 2.2).Trong luận án, robotics được xem là chủ đề học tập trong GD STEM và GD STEM robotics được hiểu là quan điểm dạy học trong đó HS khám phá và vận dụng kiến thức tích hợp thông qua nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot để giải quyết vấn đề thực tiễn. GD STEM robotics góp phần thực hiện các mục tiêu của GD STEM nhằm bồi dưỡng các kĩ năng quan trọng và định hướng nghề nghiệp cho HS trong kỉ nguyên công nghệ hiện đại, cụ thể: (1) góp phần phát triển năng lực của HS trong CTGDPT; (2) nâng cao hứng thú học tập các môn học thuộc lĩnh vực STEM thông qua quá trình tiếp cận với các bộ thiết bị robotics; (3) định hướng nghề nghiệp. Hình 2.2- Sơ đồ cấu trúc và nguyên lí hoạt động của robot Phân loại giáo dục STEM robotics Trong GD STEM robotics, bộ thiết bị có đặ c tí nh lắ p rá p để HS có thể hiểu được công nghệ về robotics chứ không chỉ là người sử dụng robot. Các nghiên cứu đề cậ p 2 loại bộ thiết bị, được gọi là bộ thiết bị điện tử và bộ thiết bị cơ họ c, hay bộ thiết bị số hóa/thương mại và bộ thiết bị tự chế tạo. GD STEM robotics trong nhà trường có thể thực hiện theo 3 hình thức, tương ứng với các hướng tiếp cận khác nhau: (1) GD STEM robotics có thể được thực hiện theo hình thức các cuộc thi; (2) GD STEM robotics thực hiện qua các chủ đề tích hợp; (3) GD STEM robotics tổ chức theo hình thức câu lạc bộ, hoặc môn học tự chọn. Các mức độnhiệm vụhọc tập trong giáo dục STEM robotics
8 Hình 2.3- Các mức độ nhiệm vụ học tập trong giáo dục STEM robotics Komis (2016) đề xuất 5 mức độ nhiệm vụhọc tập trong GD STEM robotics: hai mức độ thấp là quan sát và tìm hiểu, ba mức độ tiếp theolà thực hành, sáng tạo và sáng chế. Barak (2016) đề xuất3 mức độnhiệm vụ: (1) thực hànhvới nhiệm vụcó hướng dẫn cụ thể; (2)giải quyết vấn đề với nhiệm vụ mở;(3) dự áncó tính thử thách để HS tự xác định vấn đề, lựa chọn phương pháp và đề xuất giải pháp.Các mức độ nhiệm vụ học tập theo Komis và Barak đều chỉ ra rằng, việc tổ chức hoạt động xuất phát từ HS nhận thức, làm quen với bộ thiết bị, để từ đó làm nền tảng cho các hoạt động thiết kế chế tạo có tính mở. Mối liên hệ giữa các lĩnh vựctrong giáo dục STEM robotics Hình 2.4 thể hiện mối liên hệ giữa các lĩnh vực trong GD STEM robotics: kĩ thuật và công nghệ là nền tảng kiến thức kĩ năng trong hoạt động thiết kế và chế tạo. Tư duy khám phá khoa học và toán họcđịnh hướng giải pháp và thiết lập chương trình cho robot. Hình 2.4- Mối liên hệ giữa các lĩnh vực trong giáo dục STEM robotics Năng lực giải quyết vấn đề Khái niệm và cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề Theo Nguyễn Thị Lan Phương (2016), NL GQVĐ là khả năng cá nhân sử dụng hiệu quả quá trình nhận thức, hành động và thái độ, xúc cảm để giải quyết tình huống vấn đề mà không có sẵn quy trình, giải pháp. Theo Đỗ Hương Trà, NL GQVĐ của HS được thể hiện thông qua các hoạt động trong quá trình GQVĐ, và cấu trúc NLGQVĐ. Mối liên hệ giải quyết vấn đềvà tư duy máy tính
9 Kết quả tổng quan cho thấy năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics có mối liên hệ chặt chẽ với TDMT. Dựa trên các nghiên cứu, chúng tôi đối chiếu TDMT với tư duy GQVĐ theo các cấu trúc năng lực GQVĐ đã tìm hiểu (bảng 2.3). Bảng 2.3 - Sự tương thích giữa tư duy giải quyết vấn đề và tư duy máy tính Giải quyết vấn Tư duy máy tính [74, 103, 114] đề[6, 21, 25] Xác định vấn đề và hiểu Tìm hiểu vấn Xác định Xác định vấn đề và phân tích được các thông tin, giới hạn đề vấn đề bối cảnh tình huống vấn đề. của vấn đề. Phân tích, sắp xếp, kết nối Phân rã Phân tách vấn đề thành các các thông tin với kiến thức vấn đề vấn đề nhỏ để giải quyết. Đề xuất giải đã biết và đưa ra giải pháp, Lựa chọn Thu thập và xác định các pháp lựa chọn giải pháp phù hợp. thông tin thông tin liên quan và cần thiết cho vấn đề. Lập kế hoạch để giải quyết Thực hiện Tư duy Thiết lập các bước thực hiện Thực hiện các hoạt động giải pháp thuật toán GQVĐ một cách logic, khoa theo kế hoạch. học. Đánh giá giải pháp đã thực Đánh giá Phát hiện các lỗi trong quá Đánh giá và hiện và vấn đề đặt ra; phản trình thực hiện giải pháp. phản ánh, ánh giá trị của giải pháp, xác Khái quát Chuyển giao và ứng dụng xây dựng nhận những kiến thức và hóa mô hình giải pháp cho vấn vấn đề mới kinh nghiệm. đề tương tự có liên quan Năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục STEM robotics NL GQVĐ trong GD STEM robotics được hiểu là khả năng thông hiểu và đề xuất giải pháp robotics hoặc hệ thống tự động hóa dựa vào sự huy động kiến thức từ nhiều lĩnh vực (khoa học, kĩ thuật, công nghệ, toán học) trên cơ sở cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của robot, sử dụng công cụ vật chất robotics và máy tính để thực hiện giải pháp. Dựa trên cơ sở lí thuyết, ý kiến chuyên gia, và cơ sở thực tiễn từ TNSP lần 1, cấu trúc năng lực được hoàn thiện với 3 hợp phần, 6 thành tố và 12 chỉ số hành vi (bảng 2.4).Các chỉ số hành vi được xây dựng dựa trên cácđặc trưng của GD STEM robotics, và bám sát các kĩ năng cốt lõicủa TDMT, gồm tư duy phân rã, lựa chọn thông tin, tư duy thuật toán. Bảng 2.4-Năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục STEM robotics Hợp phần Thành tố Chỉ số hành vi A1.1 Tìm hiểu tình huống vấn đề A.Tìm hiểu A1 Phát hiện vấn đề A1.2 Phát biểu vấn đề cần giải quyết vấn đề A2 Phân tích vấn đề A2.1 Phân tích vấn đề cần giải quyết B1 Nghiên cứu thông tin B1.1Đề xuất linh kiện của robot B1.2Tìm hiểu thông tin liên quan B. Đề xuất B2 Đề xuất giải pháp giải B2.1 Xây dựng sơ đồ xử lí thông tin giải pháp quyết vấn đề B2.2 Xác định sơ đồ kết nối các bộ phận robot B2.3 Trình bày phương án thiết kế C1 Thực hiện giải pháp giải C1.1 Lập kế hoạch thực hiện giải pháp C. Thực quyết vấn đề C1.2 Thực hiện giải pháp hiện, đánh C2 Đánh giá việc giải quyết C2.1 Thử nghiệm và đánh giá giá vấn đề, xây dựng vấn đề C2.2 Phát hiện vấn đề mới cần giải quyết. mới
10 Hình 2.5 trình bày mức độ chất lượng hành vi được đề xuất trên hai cơ sở: (1) tính tự lực của HS, được thể hiện qua mức độ hướng dẫn của GV; (2) độ phức tạp của nhiệm vụ, thể hiện qua mức độ chi tiết trong kết quả thực hiện. Hình 2.5 - Các mức độ hành vi năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics Bảng tiêu chí chất lượng hành vi năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics hỗ trợ GV thiết kế nhiệm vụ học tập phù hợp và đánh giá mức độ năng lực của HS. Quy trình xây dựng chủ đề STEM robotics nhằm bồi dưỡngNL giải quyết vấn đề Mỗi chủ đề STEM robotics gắn với tình huống cụ thể, tạo môi trường cho HS thực hiện nhiệm vụ mang tính kĩ thuật, cụ thể là thiết kế và chế tạo một sản phẩm robot. Nguyên tắc sư phạm trong xây dựng chủ đề STEM robotics Phân tích tổng quan và cơ sở lí luận về GD STEM robotics cho thấy một số các nguyên tắc cốt lõi cần đảm bảo trong xây dựng chủ đề STEM robotics, bao gồm:(1) đảm bảo kết nối với chương trình môn học STEM trong nhà trường; (2) đảm bảo tính trọn vẹn của chủ đề STEM robotics; (3) đảm bảo tính gắn kết với bộ thiết bị robotics; (4) đảm bảo tính tích hợp liên môn. Quy trình xây dựng chủ đề STEM robotics Quy trình xây dựng chủ đề STEM robotics (hình 2.6) được đề xuất dựa trên cơ sở quy trình xây dựng chủ đề tích hợp của tác giả Nguyễn Văn Biên, kết hợp với các đặc trưng và cơ sở lí thuyết về GD STEM robotics đã được làm rõ.
11 Hình 2.7 -Quy trình xây dựng chủ đề STEM robotics (1) Đề xuất ý tưởng chủ đề:Sản phẩm robotics là đối tượng để HS tìm hiểu và cũng thông quá đó HS khám phá và vận dụng các kiến thức liên môn. Ý tưởng được đề xuất cần phải gắn với vấn đề thực tiễn hoặc nhu cầu nảy sinh trong quá trình học tập, phù hợp với bộ thiết bị robotics được sử dụng và có sự kết nối với nội dụng chương trình các môn học. (2) Lựa chọn chủ đề STEM robotics:Mỗi sản phẩm robotics có những yêu cầu cụ thể, từ đơn giản đến phức tạp. GV lựa chọn chủ đề STEM roboticsphù hợp với đối tượng HS, thể hiện qua sản phẩm và cácyêu cầu cụ thể đối với sản phẩm. Các yêu cầu đối với sản phẩm trong chủ đề STEM robotics phải gắn kết với các nội dung chương trình học, phù hợp với thời lượng và năng lực HS. GV cần dựa trên năng lực HS, chương trình học và thời gian. (3) Xác định nội dung chủ đề STEM robotics:GV xác định các kiến thức và kĩ năng cần thiết trong chủ đề dựa vào mối liên hệ giữa các lĩnh vực trong GD STEM robotics.Các kiến thức và kĩ năng ở các lĩnh vực không độc lập mà có mối liên hệ chặt chẽ trong quá trình thiết kế và chế tạo sản phẩm, được lồng ghép trong chính việc giải quyết từng yêu cầu nhiệm vụ đối với robot. (4) Xây dựng nội dung chủ đề:Việc xây dựng nội dung chủ đề STEM robotics cần bám sát chương trình các môn học và bộ thiết bị robotics được sử dụng. Nội dung công nghệ về cấu tạo robot, nội dung kĩ thuật về bộ thiết bị là cơ sở GV cần hỗ trợ cung cấp để HS tìm hiểu và vận dụng.Nội dung tin học về lập trình là cần thiết trong chủ đề STEM robotics. Nội dung khoa học và toán học được lồng ghép trong quá trình thực hiện chủ đề, gắn liền với linh kiện và sản phẩm robotics. Trong trường hợp, các nội dung được xây dựng chưa phù hợp, hoặc thời lượng chưa cho phép thì GV xem xét lại việc đề xuất và lựa chọn chủ đề. Điều này được thể hiện bởi mũi tên quay ngược từ bước 4 trở về bước 1 trong quy trình. 1. Định hướng tích hợp giáo dục vật lí trong chủ đề STEM robotics Trong chủ đề STEM robotics, HS phối hợp nhiều hoạt động khám phá và thiết kế trong quá trình chế tạo sản phẩm. Hình 2.8 - Giáo dục vật lí/khoa học trong các hoạt động chủ đề STEM robotics Các hoạt động dạy học vật lí/khoa học có thể được tích hợp lồng ghép trong các hoạt động theo 2 định hướng (1) khám phá vật lí thông qua cơ sở nguyên lí hoạt động của thiết bị và (2) sử dụng thiết bị để khảo sát hiện tượng, thu thập và xử lí dữ liệu. **Theo định hướng thứ nhất, vật lí là nguyên lí hoạt động của các thiết bị robotics.Việc hiểu rõ nguyên lí hoạt động của thiết bị giúp người học phát triển các ý tưởng giải pháp cho thiết kế hệ thống robot trong cả cấu trúc và tư duy xử lí thông tin nhằm thực hiện một chức năng nào đó. **Theo định hướng thứ 2, giáo dục vật lí hay khoa học thông qua khảo sát, thu thập dữ liệu sử dụng bộ thiết bị robotics. Trong hoạt động này, GV có thể hỗ trợ thiết lập một số chương trình cho vi điều khiển để HS thực hiện khảo sát và ghi nhận được dữ liệu cần thiết. Thông tin khảo sát giúp HS định hướng thiết kế sản phẩm. Hai định hướng tích hợp giáo dục khoa học/vật lí có thể diễn ra đan xen trong quá
12 trình giải quyết một chủ đề STEM robotics (một thử thách kĩ thuật). Tiến trình tổ chứcchủ đềSTEM robotics nhằm bồi dưỡng NL giải quyết vấn đề Chúng tôi đề xuất tiến trình tổ chức gồm 5 hoạt động chính bám sát quy trình TKKT, phù hợp với hướng dẫn theo công văn 3089và dựa trên quá trình thiết kế chế tạo sản phẩm theo TDMT. Các kĩ năng cốt lõi của TDMT bao gồm: phân rã vấn đề, lựa chọn thông tin, tư duy thuật toán, đánh giá và khái quát hóa có thể hỗ trợ quá trình thiết kế chế tạo sản phẩm robotics một cách hiệu quả. + Tư duy phân rã vấn đề giúp HS phân tích đối tượng sản phẩm robotics thành các bộ phận cơ bản. Dựa vào đó, HS có thể lựa chọn những thông tin quan trọng như tín hiệu đầu vào cần ghi nhận, yêu cầu xử lí thông tin đối với vi điều khiển và nhiệm vụ robot cần thực hiện. + Tư duy lựa chọn thông tin, dữ liệu giúp HS lựa chọn các kiến thức và thông tin cần thiết trong quá trình nghiên cứu để vận dụng hiệu quả trong thiết kế và chế tạo sản phẩm. + Tư duy thuật toán là một đặc trưng quan trọng trong giải quyết các vấn đề robotics, không chỉ trong việc xây dựng chương trình vận hành cho sản phẩm. Tư duy thuật toán còn giúp định hướng các bước thực hiện một cách khoa học trong hoạt động thiết kế và chế tạo nhằm hạn chế thử sai và khó khăn trong quá trình thiết kế kĩ thuật. Hình 2.3 - 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 Chúng tôi làm rõ các bước hoạt động nhỏ và tuần tự trong mỗi pha hoạt động lớn để hỗ trợ HS hình thành tư duy GQVĐ cụ thể và có thể vận dụng trong những bối cảnh và vấn đề khác trong lĩnh vực robotics.Với đối tượng HS THCS mới tiếp cận, tiến trình dạy
13 học được xây dựng theo hướng phân tích đối tượng robot thành các nhiệm vụ nhỏ cần tìm hiểu.Đầu tiên HS được đặt vào tình huống hay vấn đề thực tiễn để nhận thức nhiệm vụ thiết kế chế tạo sản phẩm robotics. Pha khám phá các bộ phận robot là quá trình tìm hiểu nghiên cứu về bộ thiết bị robotics, và cuối cùng là hoạt động thiết kế và chế tạo sản phẩm hoàn thiện. CƠ SỞ THỰC TIỄN VỀGIÁO DỤC STEMROBOTICS Giáo dục STEM robotics ở Việt Nam Tại Việt Nam, những hình thức phổ biến cho HS tiếp cận lĩnh vực robotics là các cuộc thi quốc tế và ngày hội STEM. Trong nhà trường, GD STEM robotics ở hình thức câu lạc bộ hoặc một số lớp học tăng cường ngoài giờ. Trong kết quả khảo sát với 107trên địa bàn TP.HCM, chúng tôi có một vài thông tin về tình hình các hoạt động STEM robotics trong nhà trường.Số lượng GV chưa từng tham gia hoạt động robotics chiếm 66,1%, phản ánh lĩnh vực này trong nhà trường còn hạn chế. Hai hình thức hoạt động GV đã từng tham gia tương đối nhiều là hoạt động trải nghiệm robotics (15,8%) và chương trình tập huấn về STEM robotics (12,9%). Tỉ lệ trường chưa trang bị bộ công cụ robotics chiếm tỉ lệ cao (49,5%), có thể do điều kiện ngân sách nhà trường. Thực trạng học sinh tham gia giáo dụcSTEM robotics Nghiên cứu nhằm tìm hiểu thực trạng và thái độ HS THCS ở Tp.HCM tham gia các hoạt động STEM robotics với bảng hỏixây dựng dựa trên công cụ đánh giáthái độ HS của Cross (2016) và thực hiện trên 388 HS. Kết quả hơn 70% HS chưa từng tham gia hoạt động roboticscho thấy điều kiện để HS tiếp cậnlĩnh vực roboticschưa nhiều cảtrong và ngoài nhà trường.Gần 90% HS chưa từng tham gia cuộc thi robotics và chỉ khoảng 10% số HS từng tham gia các cuộc thi cho thấytuy các cuộc thi robotics được hưởng ứng sôi nổi,song hình thức hoạt động này còn hạn chế đối tượng.Kết quả thống kê về thái độ của HS cho thấy lĩnh vực STEM robotics có thể tạo sự thu hút đối với HS, nhưng cũng cần một định hướng thực hiện phù hợp để HS có thể tiếp cận, vì tính chất tích hợp của lĩnh vực. Kết quả cũng chỉ ra rằng yếu tố giới tính, kinh nghiệm lập trình có ảnh hưởng đến sự tò mò và tự tin của HS đối với lĩnh vực. Kết quả góp phần định hướng triển khai các hoạt động robotics phù hợp với đối tượng HS. Thực trạng quan điểmcủa giáo viênđối vớigiáo dục STEM robotics Nghiên cứu tìm hiểu quan điểm của GV về GD STEM roboticssử dụngcông cụ khảo sát của Khanlari. Xét vềkinh nghiệm hoạt động robotics, GV đã từng trải nghiệm hoạt động robotics có nhận thức đầy đủ hơn, cho rằng GD STEM robotics là hoạt động học tập tích hợp kiến thức gắn với hoạt động thiết kế và chế tạo robot. Xét về khía cạnh môn học, GV khoa học cho rằng trong GD STEM robotics, khía cạnhthiết kế và chế tạoquan trọng hơn so với lắp ráp, trong khivới GV công nghệ - tin học thìngược lại. Xét về kinh nghiệm dạy học, nhóm GV trẻ (
14 đạt được các bước GQVĐ theo kiểu thuật toán. Ở cấp THCS, trong chủ đề Giải quyết vấn đề với sự trợ giúp của máy tính, HS tiếp cận các khái niệm lập trình và thuật toán từ lớp 6.Chương trình môn công nghệ góp phần hỗ trợhoạt động STEM robotics qua thành phần NLThiết kế công nghệ, ở các khối lớp 5, 8 và 10, đặc biệt ở cấp THCS, NL TKKT được làm rõ ở khối 8 phù hợp để tích hợp trong hoạt động STEM robotics. Với định hướng đẩy mạnh môn công nghệ và tin học trong CTGDPT 2018, việc thực hiện GD STEM robotics trong nhà trường làkhả dĩ. Tích hợpgiáo dục vật lítrong chủ đề STEM robotics sử dụng Arduino Với điều kiện kinh phí hạn chế, vi điều khiển Arduino là một lựa chọn nhằm bồi dưỡng năng lực GQVĐ của HS, tạo điều kiện linh hoạt cho HS phát triển ý tưởng cá nhân. Với bộ thiết bị vi điều khiển Arduino, điện là nội dung cốt lõi cần cótrong các hoạt động. Các kiến thức về nguồn điện, hiệu điện thế, mạch điện đơn giản, mạch điện song song, nối tiếp sử dụng điện trở trong chủ đề “Năng lượng và sự biến đổi” (môn KHTN lớp 8-9) có thể được lồng ghép cho HS khám phá hoặc vận dụng trong quá trình chế tạo sản phẩm. - HS nhận biết và lựa chọn một số nguồn điện phù hợp với Arduinovà các linh kiện khác như cảm biến, động cơ, buzzer… - HS vẽsơ đồ mạch điệnkết nối linh kiện và Arduino, đồng thời giải thích cách mắc mạch điện với nguồn điện và linh kiện một chiều. - HS lắp ráp mạch điện sử dụng Arduino nối với các linh kiện 1 chiều như động cơ điện 1 chiều, buzzer, rơ-le, máy bơm. - HS vận dụng kiến thứcđiện trở, định luật Ohm, đoạn mạch một chiều nối tiếp, song songđể xác định các mạch điện nối tiếp hoặc song song khi kết nối linh kiện với Arduino, thực hiện đo cường độ dòng điện, hiệu điện thế để kiểm tra. - HS hiểu và mô tả được cơ bản hoạt động và công dụng của rơ-le (relay) trong một số hoạt động sử dụng rơ-le như một công tắc điện tử, hoạt động dựa vào tín hiệu điều khiển của Arduino. Một số nội dung vật lí thuộc các mạch nội dung trong chủ đề “Năng lượng và sự biến đổi” được đề xuất tích hợp trong chủ đề STEM robotics như sau. Mạch nội Tích hợp giáo dục vật lí Định hướngchủ đề dung trải nghiệm Lực và Các khái niệm động học về chuyển động thẳng  Thiết kế khảo sát chuyển động cùng với các đại lượng quãng đường, thời gian, xe chuyển động (lớp 7) tốc độ được vận dụng trong các hoạt động khảo thẳng đều. Tốc độ sát và thiết lập hoạt động cho xe robot.  Thiết kế và khảo chuyển động HS khảo sát, thu thập và xử lí dữ liệu tìm hiểu về sát chuyển động của Đo tốc độ chuyển động cua xe: đo tốc độ của xe, vẽ đồ thị- xe trên các đoạn Đồ thị quãng nhận xét tính chất chuyển động, khảo sát chuyển đường khác nhau. đường - thời động của xe trên những đoạn đường có tính chất  Xe robot di chuyển gian bề mặt khác nhau. với tốc độ phụ thuộc vào tín hiệu âm thanh. Âm thanh – HS vận dụng kiến thức về độ to của âm có thể  Thiết bị cảnh báo (lớp 7 +8) gây ảnh hưởng đến con người, nhất là vấn đề ô ô nhiễm tiếng ồn Độ to của âm nhiễm tiếng ồn.  Mô hình hệ thống Độ cao của + HS khảo sát độ to của âm. tự động hạn chế âm + HS khảo sát sự thay đổi độ cao của âm buzzer tiếng ồn cho căn Thu nhận âm phát ra theo điện áp xuất bởi Arduino; phòng: thanh ở cơ + HS thiết kế hệ thống khảo sát mối liên hệ giữa  Thiết bị phát bài quan thính điện áp và tần số âm buzzer phát ra. hát theo yêu cầu giác + Liên hệ giữa tần số và độ cao của âm để tìm hoặc mô hình đàn được mối liên hệ giữa điện áp cấp vào buzzer và đơn giản
15 các âm có tần số nhất định. Âm thanh Siêu âm có bản chất là sóng âm, HS có thể dựa  Xe robot hút bụi tự (lớp 7) trên kiến thức cơ bản về âm thanh để liên hệ. Đây động tránh vật cản Mô tả sóng là kiến thức mới HS có thể khám phá dựa trên  Gậy thông báo vật âm và phản nền kiến thức đã có theo phương pháp tương tự. cản cho người khiếm xạ âm HS xác định tần số và biên độ của sóng siêu thị âm;giải thích nguyên lí hoạt động động của cảm  Thùng rác thông biến siêu âm dựa vào sự phản xạ âm (hiện tượng minh truyền sóng âm trong không khí); kết hợp công  Hệ thống rửa tay thức tốc độ - quãng đường - thời gian s = v.t để tự động tính được khoảng cách từ cảm biến đến vật cản/  Hệ thống cảnh báo bề mặt phản xạ âm với vận tốc truyền âm trong an ninh của cửa không khí là 340 m/s. hàng khi có khách ra vào. Ánh sáng Hồng ngoại là bức xạ không nhìn thấy được, có  Xe di chuyển theo Sự phản xạ tính chất tương tự ánh sáng là phản xạ trên các vạch kẻ đen ánh sáng (lớp bề mặt nhẵn phẳng. Với việc sử dụng cảm biến  Hệ thống đỗ xe 7) hồng ngoại kết hợp với Arduino trong một số chủ thông minh Màu sắc (lớp đề, HS có thể thực hiện một số hoạt động khám  Mô hình báo cháy 9) phá liên quan nhằm tìm hiểu về hồng ngoại và và chữa cháy đơn cũng để củng cố kiến thức về ánh sáng. giản –HS vận dụng tính chất phản xạ ánh sáng để giải thích nguyên lí hoạt động của cảm biến hồng ngoại, thông qua vẽ hình biểu diễn sự phản xạ tia sáng trên bề mặt. – HS khảo sát hoạt động của cảm biến hồng ngoại trên một số bề mặt có tính khác nhau (gồ ghề, trơn phẳng…), từ đó có thể phân biệt phản xạ và phản xạ khuếch tán. –HS nhận ra bề mặt đen phẳng nhẵn hấp thụ hầu như toàn bộ năng lượng ánh sáng/năng lượng bức xạ hồng ngoại. Điện và Từ – HS phân loại vật dẫn điện, vật không dẫn điện,  Hệ thống cảnh báo Mạch điện liên hệ với dung dịch dẫn điện là nguyên lí cơ bản chất lượng nước. đơn giản của thiết bị ghi nhận độ dẫn điện của dung dịch.  Thiết bị cảnh báo Cảm ứng điện – HS vận dụng hiện tượng cảm ứng điện từtrong rung lắc hay động từ những thiết bị cần tạo ra dòng điện mà không cần đất sử dụng nguồn, chẳng hạn như tín hiệu dòng điện là cơ sở để thông báo vấn đề sự rung lắc, nếu thiết kết một cảm biến có nam châm tự do chuyển động khi bị rung lắc. Thiết kế chủ đề STEMrobotics mô hình xe robot di chuyển theo đường kẻ đen sử dụngvi điều khiểnArduino Uno Chủ đề mô hình robot di chuyển theo đường vạch đen thẳng Bước 1. Đề xuất ý tưởng chủ đề Do tình hình dịch Covid, vấn đề y tế và sức khỏe cộng đồng được quan tâm. Bên cạnh đó, GV kết nối để HS vận dụng kiến thức về điện thuộc chương trình KHTN lớp 8. HS còn có thể mở rộng tìm hiểu về âm thanh hoặc ánh sáng, với tính chất phản xạ để hiểu được nguyên lí của các cảm biến như cảm biến hồng ngoại hay cảm biến siêu âm thường dùng để dò đường đi hay ghi nhận vật cản. Với đối tượng HS mới tiếp cận, vi điều khiển Arduino Uno R3 giúp cụ thể hóa trực quan các đường đây nối giữa vi điều khiển và
16 các linh kiện, hơn nữa có thể trang bị linh kiện dễ dàng và giá thành thấp, phù hợp sử dụng. Bước 2. Lựa chọn chủ đề STEM robotics Với HS THCS lần đầu tiếp cận và chưa học lập trình, chủ đề ởmức độ nhiệm vụ cơ bản để HS làm quen với bộ thiết bị, vận dụng được kiến thức điện để hiểu được việc lựa chọn nguồn điện phù hợp, kết hợp rèn luyện các kĩ năng bố trí và lắp mạch điện đơn giản nhất chỉ cần sử dụng một cảm biến để nhận tín hiệu.  Vấn đề: Thiết kế và chế tạo mô hình xe robot phục vụ di chuyển theo vạch kẻ đen có thể thay nhân viên y tế hoặc tình nguyện viên thực hiện nhiệm vụ cung cấp thức ăn hay nhu yếu phẩm cho các phòng ở khu cách li.  Yêu cầu: Xe robot di chuyển ổn định theo vạch kẻ màu đen dạng đường thẳng. Bước 3. Xác định nội dung chủ đề Nội dung các lĩnh vực và vai trò trong chủ đề xe robot di chuyern theo vạch kẻ đen ở mức độ cơ bản được cụ thể trong bảng 4.4. Bảng 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 Lĩnh vực Nội dung Vận dụng trong chủ đề STEM robotics Khoa - Hồng ngoại HS có thể vận dụng kiến thức về phản xạ ánh sáng và sự học và phản xạ. hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào màu sắc trong chương trình - Tính chất hấp để hiểu được khái niệm về hồng ngoại và nguyên lí hoạt thụ của bề mặt động của cảm biến hồng ngoại. đen Việc hiểu nguyên lí hoạt động của cảm biến giúp HS có thể bố trí vị trí đặt linh kiện hiệu quả nhất có thể. - Công suất Xác định chiều quay đúng cho động cơ điện, lựa chọn giá trị của động cơ phù hợp để thiết lập chuyển động ổn định cho xe. - Nguồn điện, Lựa chọn nguồn điện phù hợp sử dụng cho linh kiện như mạch điện. Arduino, cảm biến. Công Cấu tạo robot Phân tích sản phẩm và đề xuất linh kiện sử dụng phù hợp. nghệ Tín hiệu digital. Xác định tính hiệu 0/1 tương ứng đúng với tín hiệu có/không bề mặt đen để viết chương trình (code) cho robot. Tin học Sơ đồ khối. Viết chương trình thỏa mãn yêu cầu Lập trình trực + Nếu có bề mặt đen thì xe chuyển động thẳng quan. + Nếu không có bề mặt đen thì xe dừng lại Kĩ thuật Cấu tạo vi điều Kết nối các linh kiện: cảm biến hồng ngoại, vi điều khiển khiển và TKKT Arduino Uno R3 và động cơ. Toán Phép so sánh So sánh tín hiệu vào với yêu cầu xử lí được thiết lập. học Bước 4. Xây dựng nội dung chủ đề Với bộ thiết bị sử dụng vi điều khiển Arduino, cảm biến hồng ngoại nhận biết vạch kẻ đen và động cơ điện, các nội dung được làm rõ bao gồm: - Cấu tạo và nguyên lí hoạt động các linh kiện: cảm biến hồng ngoại, động cơ điện một chiều. - Cấu tạo các bộ phận của robot, vi điều khiển Arduino Uno R3, tín hiệu điện tử digital (có/không) và lập trình trên mBlock được cụ thể hóa trong hướng dẫn thực hành, sơ đồ mạch điện, số đồ khối lập trình, hướng dẫn dẫn trình trên mBlock và hướng dẫn chế tạo sản phẩm xe robot di chuyển theo vạch kẻ đen. Định hướng phát triển chủ đề STEM robotics xe robot theo vạch kẻ đen Các hoạt động khám phá có thể lồng ghép trong quá trình GQVĐ thiết kế sản phẩm.
17 Hình 4.6 - Các hoạt động khám phá và thiết kế trong chủ đề xe robot đi theo vạch kẻ đen Yêu cầu sản phẩm Kiến thức khoa học tích hợp Xe phục vụdi - HS vận dụng kiến thức mạch điện đơn giản, nguồn điện, hiệu chuyểnổn định theo điện thế trong tìm hiểu về các thông số của cảm biến, động cơ vạchđen thẳng và lắp ráp các linh kiện - HS giải thích nguyên lí của cảm biến nhận biết vạch đen sử dụng hồng ngoại dựa vào tính chất hấp thụ ánh sáng của bề mặt đen và tính chất phản xạ của hồng ngoại . Xe phục vụ di - HS phát triển tư duy sử dụng nhiều cảm biến vật cản để nhận chuyểnổn định trên biết đường kẻ bất kì. vạch kẻ đen có hình - HS cần phải giải quyết được vấn đề “Làm cách nào xe có thể dạng bất kì (có đoạn di chuyển động sang hướng khác”. đường cong). Xe phục vụ di chuyển - HS vận dụngkiến thức về tốc độ, quãng đường đểkhảo sát theo vạch kẻ đen có mối liên hệ giữa thông số trong chương trình và tốc độ của xe hình dạng bất kì và có di chuyển bằng cách tính quãng đường xe di chuyển trong thể thay đổi tốc độ khoảng thời gian nhất định. nhanh chậmtheo khu - HS khảo sát tín hiệu nhận được từ cảm biến hồng ngoại trên vực được yêu cầu. các bề mặt có tính chất khác nhau để đề xuất thiết kế hệ thống vạch kẻ đen và thiết lập chuyển động của mô hình xe phù hợp. Tổ chức dạy học chủ đề STEM robotics bồi dưỡng năng lực giảiquyết vấn đề – chủ đề mô hình xe robot di chuyển theo vạch kẻ đen thẳng Chúng tôi tập trung xây dựng hệ thống mục tiêu năng lực GQVĐ trong dạy học chủ đề STEM robotics - xe robot di chuyển theo vạch kẻ đen thẳng. Nhiệm vụ Mục tiêu Sản phẩm học tập Hoạt động 1. Xác định nhiệm vụ và yêu cầu robot 1.1. Nêu vấn đề trong HS nêu được vấn đề cần giải quyết Phát biểu bằng lời. tình huống về hệ thống xe phục vụ tự động
18 1.2. Nêu vấn đềcần giải HS nhận ra được vai trò hệ thống xe Nội dung ý tưởng của quyết tự động và phát biểu được giải pháp cá nhân và của nhóm. với lí giải phù hợp 1.3.Trình bàycấu trúc, HS biểu diễn được cấu tạo 3 bộ phận Bài trình bày tổng chức năng các bộ phận cơ bản của robot. quan cấu trúc robot robot 1.4. Phân tích cấu trúc HS xác định được chức năng của mỗi Bài trình bày chức các bộ phận của robot bộ phận đối với robot di chuyển vạch năng từng bộ phận theo vạch kẻ đen thẳng kẻ đen thẳng. Hoạt động 2. Nghiên cứu các bộ phận robot 2.1. Xác định linh kiện HS ghi nhớ được tên linh kiện Vở ghi chú 2.2. Đặt câu hỏi tìm hiểu HS nêu được các thắc mắc về các bộ Phát biểu. về các linh kiện phận 2.3. Tìm hiểu cảm biến HS nêu được khái niệm và tính chất Phát biểu. hồng ngoại của hồng ngoại. Bài trình bày của HS HS thực hiện thí nghiệm và ghi nhận. về kết quả thí nghiệm. HS nhận biết chức năng các chân Bài trình bày kiến cắm trên cảm biến. thức. HS mô tả cách sử dụng cảm biến. 2.4. Tìm hiểu động cơ HS vẽ được mạch điện động cơ. Bài trình bày trong vở điện một chiều HS trình bày được nguyên lí hoạt hoặc PHT. động của động cơ điện 1 chiều. Phát biểu. 2.5. Tìm hiểu vi điều HS xác định được các chân cắm động Phát biểu. khiển Arduino + mạch cơ. Bài ghi chép. L293D 2.6. Thực hành kết nối HS thực hiện két nối được động cơ Phát biểu bằng lời. Arduino với động cơ và vào Arduino. Bài ghi chép. lập trình điều khiển HS lập trình chương trình đơn giản để điều khiển động cơ theo hướng dẫn. 2.7. Kết nối cảm biến và HS hiểu và sử dụng được tín hiệu Phát biểu. Arduino + tín hiệu digital để thiết lập điều kiện cho hoạt Bài ghi chép. động robot Hoạt động 3. Thiết kế sản phẩm robot 3.1. Đọc sơ đồ khối và HS đọc hiểu sơ đồ khối, danh mục Phát biểu. xác định danh mục linh linh kiện tối thiểu cho robot Bài ghi chép. kiện 3.2. Vẽ sơ đồ kết nối linh HS xác định được sơ đồ lắp ráp các Bản vẽ sơ đồ lắp ráp. kiện linh kiện 3.3. Thiết kế bản vẽ sản HS trình bày thể hiện bản thiết kế Bản thiết xe robot. phẩm Hoạt động 4. Chế tạo và vận hành robot 4.1. Lập trình theo sơ đồ HS lập trình được theo sơ đồ khối. Chương trình trên khối mBlock
19 4.2.Chế tạo theo bản HS nối được linh kiện và chế tạo theo Phát biểu. thiết kế bản thiết kế Sản phẩm mô hình xe Hoạt động 5. Thử nghiệm và cải tiến 5.1. Thử nghiệm vận HS vận hành để sản phẩm hoạt động Bài ghi chép của HS hành, ghi nhận kết quả về kết quả thử nghiệm 5.2. Đề xuất và thực hiện HS nêu được ý kiến thắc mắc về sản Phát biểu lời nói cải tiến phẩm. Sản phẩm có cải tiến THỰCNGHIỆM SƯ PHẠM Mục đích thực nghiệm sư phạm Nghiên cứu kiểm tra tác động của các chủ đề STEM robotics theo quy trình thiết kế và tiến trình đã đề xuất nhằm kiểm tra giả thuyết nghiên cứu. Thiết kế thực nghiệm sư phạm Đối tượng thực nghiệm TNSP được tiến hành với HS lớp 8 trường THCS Hoa Sen, không lựa chọn ngẫu nhiên và mới làm quen với robotics. HS tham gia TNSP đa dạng năng lực, khoảng 30% HS có năng lực học tốt, tinh thần tích cực và tự giác trong học tập. Chương trình tin học trong nhà trường tập trung vào các nội dung tin học ứng dụng và văn phòng, nên hầu như HS không được tiếp cận với lập trình. Tiến trình thực nghiệm TNSP lần 1 triển khai vào HK2 năm học 2019-2020trong 4 buổi, từ 02/6/2020 đến 11/6/2020 với chủ đề Hệ thống cung cấp nước đơn giản. TNSP lần 2 tổ chức 2 chủ đề nhằm phân tích biểu hiệnnăng lựcGQVĐcủa HS sau khi tham gia trọn vẹn 1 tiến trình (hình 5.2). Hầu hết các hoạt động đều diễn ra trong phòng học và HShầu như không thực hiện hoạt động ở nhà. Hình 5.2- Tiến trình tổ chức thực nghiệm sư phạm lần 2 Công cụ đánh giá và phương pháp xử lí dữ liệu Chúng tôi phân tích định tính bằng cách diễn giải băng ghi hình, sử dụng thông tin bằng ngôn ngữ nói (phát biểu, trao đổi) và ngôn ngữ viết (phiếu học tập, bản thiết kế) để đánh giá các biểu hiện dựa vào rubric đánh giá theo từng chủ đề đối với năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics. Trong TNSP lần 1, người nghiên cứu thực hiện đánh giá để ghi nhận một số biểu hiện và ghi nhận những điều lưu ý điều chỉnh cho TNSP lần 2. Trong TNSP lần 2, với chủ đề 1, kết quả đánh giá được thực hiện bởi 1 giám khảo là GV trực tiếp phụ trách chủ đề tại 2 thời điểm khác nhau. Với chủ đề 2, hai giám khảo độc lậpsẽ thực hiện đánh giá để đảm bảo khách quan. Trong TNSP lần 2, chúng tôi kết hợp đánh giá một số kĩ năng GQVĐ dựa trên TDMTqua bài kiểm tra của Chen (2018). Kết quả thực nghiệm sư phạm lần 1 Kết quả phân tích diễn biến và đánh giá NL GQVĐ trong GD STEM robotics cho thấy một số hành vi chưa bộc lộ rõ nét do (1) nhiệm vụ học tập chưa phù hợp với năng lực của HS; (2) HS lần đầu tiếp cận và (3) thời gian hạn chế. Với HS có kĩ năng về thực hành và
20 lập trình hạn chế thì NL thể hiện hầu hết ở mức thấp, hầu hết hoạt động được dẫn dắt bởi GV. Về tiến trình tổ chức hoạt động, một điểm cần lưu ý và điều chỉnh như sau. - Thứ nhất, hoạt động STEM robotics cần được xây dựng phù hợp với đặc điểm HS và dựa trên tính chất bộ thiết bị robotics. Các nhiệm vụ nên thiết kế từ nhận thức lí thuyết đến thực hành. - Thứ hai, với HS chưa có nền kiến thức-kĩ năng về kĩ thuật và lập trình, các nhiệm vụ cần có phương thức hỗ trợ phù hợp và cụ thể. + Hoạt động 1 – Xác định vấn đề: GV hỗ trợ HS hiểu cấu trúc và chức năng các bộ phận của robot trước khi phân tích cụ thể đối với sản phẩm robot cần chế tạo. + Họạt động 2 – Nghiên cứu các bộ phận robot: Quá trình tìm hiểu theo trật tự tìm hiểu từng bộ phận đến cách liên kết các bộ phận và kết nối thành 1 hệ thống robot. + Hoạt động 3 – Thiết kế sản phẩm robot: GV hướng dẫn HS các bước hoàn thiện bản thiết kế, bao gồm: (1) làm rõ cách thức xử lí thông tin của robot với số lượng tín hiệu vào và tín hiệu ra, (2) xác định danh mục số lượng linh kiện cụ thể, (3) xác định sơ đồ mạch điện và (4) hoàn thiện phần cứng (cấu trúc) của sản phẩm. - Thứ ba, HS mới tiếp cận thường gặp khó khăn trong thiết kế, một phần quan trọng do chưa phân tích được cấu trúc robot và hiểu rõ nguyên lí các linh kiện. Vì vậy, hoạt động 2 - nghiên cứu kiến thức các bộ phận robot là rất quan trọng. GV cần lồng ghép các hoạt động học tập theo 2 định hướng tích hợp giáo dục vật lí trong chủ đề STEM robotics - Thứ tư, mỗi chủ đề là một quá trình GQVĐ STEM robotics - chế tạo sản phẩm robot hoặc hệ thống tự động hóa với yêu cầu cụ thể. Do đó, việc bồi dưỡng năng lực cần thực hiện qua tối thiểu 1 chủ đề, như vậy các chỉ số hành vi được phát triển dần qua các chủ đề. Kết quả nghiên cứu TNSP lần 1 cho thấy quy trình xây dựng và tiến trình tổ chức chủ đề STEM robotics nhằm bồi dưỡng năng lực GQVĐ với HS mới tiếp cận cần đảm bảo: (1) định hướng hoạt động khám phá tạo nền tảng kiến thức kĩ năng lập trình và thực hành cho HS; (2) trải nghiệm trọn tiến trình học tập một chủ đề; (3) thời gian phù hợp . Đây là những yếu tố được điều chỉnh ở nghiên cứu TNSP lần 2. Về cấu trúc năng lực GQVĐ trong GD STEM robotics, một số chỉ số hành vi bị chưa phù hợp, cần điều chỉnh. - Thứ nhất, chúng tôi hợp nhất 2 chỉ số hành vi thành A2.1 Phân tích vấn đề cần giải quyếttrong thành tố A2 để hạn chế việc trùng lặp biểu hiện hành vi. - Thứ hai, các chỉ số B1.3, B2.2 và C1.2 biểu hiện khó đối với HS, cần xem xét lại mô tả tiêu chí chất lượng.Chúng tôi đã canh chỉnh các tiêu chí chất lượng để đảm bảo có sự phù hợp từ mức độ thấp nhất đối với HS hoàn toàn mới, đến mức độ hành vi cao nhất đối với các em đam mê và yêu thích lĩnh vực này. Kết quả thực nghiệm sư phạm lần 2 Kết quảnghiên cứu Đánh giánăng lực giải quyết vấn đề trong GD STEM robotics Đánh giá chung Để đánh giá tổng thể sự phát triển hành vi GQVĐ của HS, chúng tôi thực hiện tính điểm trung bình cho từng biểu hiện hành vi. Chúng tôi quy ước lượng hóa mức độ biểu hiện hành vi như sau: hành vi ở mức 1 tương ứng 1 điểm, hành vi ở mức 2 tương ứng 2 điểm và hành vi ở mức 3 tương ứng 3 điểm. Ở đây, trung bình cộng cho từng biểu hiện hành vi dùng để biểu diễn trực quan sự phát triển hành vi GQVĐ của HS qua 2 chủ đề, chứ không có ý nghĩa phản ánh mức độ năng lực cụ thể. Kết quả cho thấy điểm trung bình ở chủ đề 2 cao hơn so với chủ đề 1 trong hầu hết các biểu hiện hành vi, thể hiện qua các cột biểu đồ màu cam cao hơn so với các cột biểu đồ màu xanh trên hình 5.11.Song có một vài biểu hiện hành vi cần lưu ý. + HS biểu hiện không phát triển ở hành vi A1.2 Phát biểu vấn đề cần giải quyết.