Nghiên Cứu Về Phát Triển Tư Duy Điện Toán Trong Dạy Học

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

Tư duy điện toán (Computational Thinking) là tư duy mới của thế kỷ. Tư duy điện toán dành cho mọi người, có thể điều chỉnh tư duy điện toán theo nhu cầu của con người và bất kỳ ai cũng nên học một chút về tư duy điện toán.

1.1.2.1 Những nghiên cứu trên thế giới về tư duy điện toán

Sự phát triển của khoa học – công nghệ, cụ thể là máy tính, với nhiều tiện ích như trí tuệ nhân tạo, trợ lý ảo, xe tự vận hành, phân tích dữ liệu lớn,

vv. đã làm cho con người phải thừa nhận sự ưu việt trong cách giải quyết vấn đề của máy tính.

Đối với các nhà khoa học, kỹ sư và các chuyên gia khác, tư duy điện toán có thể giúp họ vận dụng các phương pháp điện toán mới để giải quyết vấn đề. Hoặc giúp họ cải cách các vấn đề phù hợp theo các chiến lược điện toán. Họ khám phá “khoa học” mới thông qua việc phân tích kho dữ liệu lớn.

Tư duy điện toán còn giúp họ trả lời những câu hỏi mới mà đã từng nghĩ là không thể hoặc không dám trả lời vì phạm vi giải quyết theo tư duy điện toán dễ dàng. Tư duy điện toán giúp họ giải thích vấn đề hoặc giải quyết vấn đề trong khuôn khổ tư duy điện toán.

"Gần đây, tư duy điện toán đang có sức ảnh hưởng đến việc nghiên cứu trong hầu hết các lĩnh vực, cả trong khoa học và nhân văn" (Bundy 2007) [50]. Bằng chứng về ảnh hưởng tư duy điện toán đến các lĩnh vực khác rất nhiều: tư duy điện toán đang làm thay đổi khoa học thống kê, khi mà việc học máy tự động hóa các phương pháp Bayesian và việc sử dụng các mô hình đồ họa có xác suất cho phép xác định các mẫu và những dị thường trong các tập hợp dữ liệu lớn như các bản đồ thiên văn , máy quét ảnh cộng hưởng MRI, sử dụng thẻ tín dụng để mua hàng và biên lai cửa hàng tạp hóa (ví dụ: Bộ phận Học máy 2008 - Machine Learning Department 2008). Tư duy điện toán đang làm biến đổi sinh vật học, trước tiên với thuật toán sắp xếp “Shotgun” để sắp

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 235 trang tài liệu này.

xếp bộ gen người, và bây giờ với sự trừu tượng (abstraction) miêu tả cho các tiến trình năng động được tìm thấy trong tự nhiên, từ chu kỳ tế bào đến nếp gấp protein (ví dụ Fisher & Henzinger 2007). Tư duy điện toán cũng đang chuyển biến chuyển biến, tạo ra một lĩnh vực mới về kinh tế vi mô điện toán, với các ứng dụng như đặt quảng cáo, bán đấu giá trực tuyến, dịch vụ danh tiếng (Abraham et al.2007) [59]. Trong khoa học nhân văn và nghệ thuật, các thư viện số của sách, sưu tập và đồ tạo tác tạo ra các cơ hội nhờ vào các phương pháp điện toán như khai phá dữ liệu và liên kết dữ liệu để khám phá các xu hướng mới, mẫu mới và liên kết mới trong sự hiểu biết và đánh giá của chúng ta đối với nhân loại ([84], [85]).

Đối với việc nghiên cứu tư duy điện toán trong giáo dục, có nhiều công trình nghiên cứu và bài báo được các tác giả quan tâm. Chẳng hạn, Aman Yadav, và các cộng sự đưa ra những nhận định về tư duy điện toán trong giáo dục đào tạo giáo viên dạy trung học phổ thông, phân tích rõ quan điểm về tư duy điện toán, nêu ra những nhận định sai lầm về tư duy điện toán đối với giáo dục. Mạnh dạn đưa ra những giải pháp trong việc kết hợp tư duy điện toán vào trong chương trình giảng dạy đối với bậc trung học phổ thông [88].

Tư duy điện toán đang nhanh chóng trở thành một khái niệm thiết yếu đối với những người học hiện đại (Wright, Rich & Leatham, 2012). Đến thời điểm này, tư duy điện toán đã trở thành chủ đề bắt buộc trong trường học tại hơn sáu chục quốc gia khác nhau, với hơn một chục cam kết thực hiện đến năm 2020 (Balanskat & Englehardt, 2015). Với sự quan tâm ngày càng tăng này đến nhu cầu về giảng dạy điện toán ở những độ tuổi khác nhau từ mầm non đến trung học phổ thông và bậc đại học, cao đẳng, đến nay đã có nhiều nghiên cứu về tư duy điện toán đối với bậc phổ thông K-12 như D’Alba và Huett chia sẻ kết quả làm việc với học sinh tiểu học; Jones-Harris và Chamblee trình bày kết quả với nhóm sinh viên Mỹ gốc Phi; Delcker và

Ifenthaler mô tả cách dạy tư duy điện toán trong khóa học khoa học máy tính bắt buộc tại các trường trung học phổ thông ở Liên bang Đức; Tatar, Harrison, Stewart, Frisina và Musaeus khám phá ra kiểu tư duy liên quan đến học sinh trung học;…[74]

Các chương trình giáo dục đại học giới thiệu tư duy điện toán được tích hợp với các khóa học trong nhiều lĩnh vực đa dạng để cải thiện việc giảng dạy [74]. Musaeus, Tatar, và Rosen khám phá những tư duy điện toán trong giáo dục y tế. Rambally chứng minh cách tư duy điện toán có thể cải thiện khả năng của SV để hiểu các cấu trúc rời rạc. Quaye và Dasuki đề xuất một phương pháp để giảng dạy điện toán trong một khóa học giới thiệu ở Nigeria sử dụng một bối cảnh thế giới ảo. Kaya và Cagiltay cho thấy làm thế nào tập trung vào tư duy điện toán trong một khóa học giới thiệu cho các chuyên ngành không phải là khoa học máy. Liu, Perera, và Klein báo cáo về những nỗ lực giảng dạy tư duy điện toán trong khi giải quyết vấn đề, và chia sẻ các tài nguyên giáo dục.

Đối với chương trình đào tạo ngành sư phạm, nhiều tác giả cũng nghiên cứu những khía cạnh của tư duy điện toán khi thực hiện trong thực tế [74]. Có thể thấy, Hester-Croff và Buss and Gamboa nói về những nỗ lực để đào tạo giáo viên giúp họ nhận ra các mô hình tư duy điện toán trong học tiểu học. Cả hai Yadav, Gretter, Good, và Mclean và Sadik, Ottenbreit-Leftwich, và Nadiruzzaman tập trung vào việc làm thế nào để chuẩn bị cho các giáo viên, định hướng cho giáo viên về tư duy điện. Toikkanen và Leinonen báo cáo về việc thiết kế và thực hiện MOOC với hơn 1000 giáo viên khi họ thực hiện tích hợp bắt buộc tư duy điện toán toán trong giáo dục tiểu học ở Phần Lan.

Một số tổ chức chuyên nghiệp và các tổ chức tư vấn như Mỹ, Anh và Hà Lan đã kêu gọi chú ý nhiều hơn đến tư duy điện toán trong chương trình giảng dạy. Tại EDUSUMMIT 2013, các nhà khoa học đã thảo luận tập trung

vào các thành phần cốt lõi của tư duy điện toán, mối liên hệ và sự khác biệt của nó với các năng lực khác của thế kỷ 21 (Voogt và cộng sự 2015), và vị trí của nó trong chương trình giảng dạy [82].

Ngoài việc nghiên cứu về phương pháp tiến hành kết hợp rèn luyện tư duy điện toán trong giáo dục, cũng có những công trình nghiên cứu về việc đánh giá, đo lường về tư duy điện toán khi áp dụng trong thực tế [74]. Mueller, Becket, Hennessey, và Shodiev đã phân tích năng lực cốt lõi của tư duy điện toán để liên kết với thực tiễn, đánh giá và thảo luận những vấn đề phát sinh. Grover đề xuất một hệ thống đánh giá vượt xa chỉ đo lường kết quả nhận thức về nền tảng của tư duy điện toán và chứng minh hệ thống này qua khóa học trung học cơ sở.

Để đánh giá, đo lường kết quả thực hiện kỹ năng tư duy điện toán, một số công trình nghiên cứu cũng chia sẻ một số công cụ để giảng dạy, đánh giá và thực hiện tư duy điện toán. Repenning, Basawapatna, và Escherle trình bày khung thực hiện cho các công cụ khác nhau thông qua ba giai đoạn quan trọng của tư duy điện toán: hình thành vấn đề, giải pháp biểu hiện, và thực hiện / đánh giá. Lawanto, Close, Ames, và Brasiel chứng minh làm thế nào công cụ Dr Scratch có thể được sử dụng để đo kỹ năng tính toán của học sinh. Tương tự, Brasiel et al. phác thảo việc phát triển, sử dụng, và nghiên cứu về công cụ FUN! dựa trên Python để đo các tương tác từng phút một trong môi trường Scratch.

Tóm lại, vấn đề tư duy điện toán trong dạy học được rất nhiều tác giả cũng như các tổ chức giáo dục ở các nước trên thế giới đặc biệt quan tâm như Mỹ, Úc, Anh, Hàn Quốc, Đức. Theo Denning ý tưởng tư duy điện toán đã xuất hiện từ những năm 1950 và 1960 "như là tư duy thuật toán", đặc biệt sử dụng dãy các bước lệnh theo trình tự và chính xác để giải quyết các vấn đề và (khi thích hợp) một máy tính để tự động hóa quá trình đó. Ngày nay, thuật

ngữ "tư duy điện toán" được Wing phát biểu như là "giải quyết các vấn đề, thiết kế hệ thống, và hiểu được hành vi của con người bằng cách dựa trên các khái niệm căn bản của khoa học máy tính". Tư duy điện toán cũng bao gồm "sử dụng cách trừu tượng và cách phân tích khi thực hiện một nhiệm vụ rộng lớn phức tạp hoặc thiết kế một hệ thống lớn phức tạp." [88].

Các cơ sở trên khắp Hoa Kỳ và ở nước ngoài đang xem lại chương trình giảng dạy đại học của họ về khoa học máy tính. Nhiều trường đang thay đổi chương trình cho khóa học đầu tiên về khoa học máy tính để đưa ra các nguyên lý và khái niệm cơ bản chứ không phải chỉ lập trình. Ví dụ, tại Carnegie Mellon, cũng sửa lại các chương trình giảng dạy năm thứ nhất để thúc đẩy tư duy điện toán cho các chuyên ngành không chính thức [84].

Năm 2009, Hiệp hội Giáo viên Khoa học Máy tính (CSTA) và Hiệp hội Công nghệ Giáo dục Quốc tế (ISTE) đã hợp tác để đưa ra một định nghĩa cho tư duy điện toán và triển khai tư duy điện toán nhằm đưa ra các tiêu chuẩn, hiệu suất và sản phẩm (standards, performance and artefacts) trong khuôn khổ chương trình giảng dạy K-12. Kỳ vọng là học sinh K-12 không chỉ trở thành những người giải quyết vấn đề tích cực, mà họ sẽ trải qua những thay đổi cơ bản như tính bền bỉ, khả năng chịu đựng và tính linh hoạt khi làm việc với các vấn đề lộn xộn (Barr và cộng sự, 2011) [81].

Lye và Koh (2014) xem xét 27 nghiên cứu thực nghiệm hiện có trong đó sinh viên chủ yếu sử dụng lập trình Scratch để tạo hoạt ảnh và trò chơi mang lại kết quả tích cực. Họ khuyến nghị thêm rằng các vấn đề xác thực, xử lý thông tin, các hoạt động trợ giúp người học là một phần của thiết kế tư duy điện toán [77].

Lu và Fletcher (2009) chỉ ra rằng có những thách thức sư phạm trong việc đưa tư duy điện toán vào giáo dục K-12; đặc biệt, họ cho rằng tư duy điện toán nên giữ một bản sắc riêng biệt và độc lập, không bị ảnh hưởng bởi

các công cụ lập trình và kĩ thuật số. Cần nhấn mạnh vào việc học sinh hiểu các quy trình tính toán và không quan sát cách nó được thực thi như thế nào với một ngôn ngữ lập trình [69].

Tuy nhiên, không thể phủ nhận lập trường của các nhà nghiên cứu khác, đặc biệt là những người trong cộng đồng khoa học máy tính. Họ quy định rằng tư duy điện toán nên được dạy như một khóa học giới thiệu về khoa học máy tính và lập trình và bất kỳ ai cũng có thể tham gia được (Kazimoglu, Kiernan, Bacon & MacKinnon, 2012) [58].

Grover và Pea (2013) đã xác định các vấn đề quan trọng khác như nhận thức và sự chuẩn bị sư phạm của giáo viên trong lĩnh vực tư duy điện toán, sự quan tâm và động lực của học sinh cũng như khả năng chuyển các kỹ năng giải quyết vấn đề sang các môn học khác [76]. Vì vậy, giáo viên cũng có thể đang dạy các kỹ năng tư duy điện toán trong lĩnh vực chủ đề của họ mà không cần tham khảo từ vựng và biệt ngữ tư duy điện toán thực tế (Lu & Fletcher, 2009).

Các phương pháp khác nhau (kĩ thuật số và phi kĩ thuật số, tài nguyên do giáo viên tạo và tài liệu trực tuyến) đã được sử dụng để thiết kế, phát triển và triển khai tư duy điện toán ở học sinh. Năm kỹ năng tư duy điện toán do Anderson (2016) nêu ra đã được phát triển, cụ thể là phân rã vấn đề, nhận dạng mẫu, trừu tượng hóa, thiết kế thuật toán và đánh giá các giải pháp. Để vượt qua những thách thức trong việc giảng dạy tư duy điện toán, giáo viên đã tham gia các khóa học phát triển chuyên môn trực tuyến. Để nắm bắt sự quan tâm, động lực và sự tham gia của sinh viên, các nguồn tài nguyên trực tuyến với các yếu tố thiết kế trò chơi đã được sử dụng, các chiến lược hướng dẫn được xây dựng và các hoạt động phù hợp với giới tính, dân tộc và văn hóa [72].

1.1.2.2 Những nghiên cứu trong nước về tư duy điện toán

Tại Việt Nam, các nhà nghiên cứu giáo dục cũng đã nhận thấy tầm quan trọng của tư duy điện toán trong giáo dục cũng như trong cuộc sống hàng ngày. Tại các trường Đại học như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, Đà Nẵng… đang đưa vào những chương trình hoạt động ngoại khóa nhằm kích thích tư duy sáng tạo, tư duy điện toán trong SV như Cộng đồng giáo dục STEM Việt Nam. Giáo dục STEM (Science Technology Engineering Math) bản chất là trang bị cho người học những kiến thức và kỹ năng cần thiết liên quan đến các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học. Với mô hình giáo dục STEM trang bị cho HS-SV những kỹ năng mềm cần thiết cho sự thành công trong công việc sau này như kỹ năng cộng tác, làm việc nhóm, giải quyết vấn đề, tư duy sáng tạo, tư duy phản biện.

Mặc dù là triển khai chậm nhưng Việt Nam cũng không nằm ngoài xu hướng giáo dục trên thế giới. Mô hình giáo dục STEM cũng là bước khởi đầu giúp cho HS-SV Việt Nam có nhiều cơ hội tiếp cận những công nghệ tiên tiến trên thế giới. Nhưng cũng chỉ mới dùng lại đối với những HS-SV quan tâm đến các vấn đề công nghệ, nó chưa thực sự trở thành những mục tiêu rõ ràng trong chương trình giảng dạy ở các bậc học tại Việt Nam.

Cũng như vậy, vấn đề phát triển tư duy điện toán đã được nhắc đến trong các hội thảo bàn về giáo dục nhưng chưa đưa vào hành động cụ thể. Cũng chưa có những công trình nghiên cứu cụ thể về phát triển tư duy điện toán cho HS-SV. Nền tảng cơ bản về tư duy điện toán tại Việt Nam được kế thừa từ những nghiên cứu nổi bật trên thế giới và sẽ được triển khai, áp dụng trong tương lại vào trong các ngành nghề xã hội, đặc biệt và cấp thiết là trong giáo dục đào tạo.

Tại thời điểm này ở Việt Nam, có rất nhiều công trình nghiên cứu về phát triển tư duy ở các loại hình khác nhau. Riêng đối với tư duy điện toán, mặc dù có nhắc đến trong một số diễn đàn, tin tức về giáo dục nhưng chưa có công trình nghiên cứu nào được công bố về việc phát triển tư duy điện toán dành cho đối tượng sinh viên ngành Công nghệ thông tin.

Trong quá trình tìm hiểu về thuật ngữ chung “Computational Thinking” cho loại tư duy này, thuật ngữ được dịch ra tiếng Việt thành nhiều tên gọi khác nhau với mỗi nội hàm tiếp cận khác nhau. Mỗi tác giả, nhà nghiên cứu tại Việt Nam, tùy vào cách tiếp cận cũng như quan điểm nghiên cứu của từng tác giả thì sẽ có các dịch thuật ngữ khác theo hướng nghiên cứu đó.

Chẳng hạn như: Khi thực hiện biên soạn Chương trình Giáo dục phổ thông Quốc gia năm 2018, tác giả Hồ Sĩ Đàm đưa ra thuật ngữ là “tư duy máy tính” theo quan điểm tiếp cận là tư duy con người theo cách mà máy tính giải quyết được.

Học viện STEAM cũng tiếp cận thuật ngữ này theo quan điểm giải quyết vấn đề một cách tối ưu và dịch thành “Tư duy máy tính” hoặc “Tư duy điện toán”. Đây là một kỹ năng giải quyết vấn đề đỉnh cao, tức là xem xét và giải quyết vấn đề một cách có hệ thống, nhờ đó mà tìm ra được một giải pháp mà cả con người và máy tính đều có thể hiểu được.

Một số tác giả khác tìm hiểu thuật ngữ này và dịch thành “Tư duy tính toán” theo hướng tiếp cận phát triển theo phương thức giải quyết vấn đề, không sử dụng công cụ trung gian chạy bằng điện.

Hơn nữa, người nghiên cứu nhận thấy được những lợi ích của kỹ năng tư duy điện toán đem lại cho HS-SV, đặc biệt là SV ngành Khoa học máy tính. Nếu SV có kỹ năng tư duy điện toán tốt thì họ sẽ tự tin giải quyết những