Phát Triển Tư Duy Điện Toán Cho Sinh Viên Trong Dạy Học

để bổ sung, hoàn thiện, phát triển năng lực và kỹ năng hoạt động theo yêu cầu, mục tiêu cần đạt”.

Do đó, tác giả đưa ra khái niệm về phát triển tư duy điện toán theo hướng sau: Đó 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.

1.2.5 Một số khái niệm khác

1.2.5.1 Thuật toán

Hiện nay, có nhiều nhà khoa học máy tính đưa ra nhiều khái niệm về thuật toán tùy theo quan điểm nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu. Với Steven C. Althoen & Robert J. Bumcrot (1988) [53] đã đưa ra một khái niệm khá đơn giản: "Thuật toán là danh sách các bước chỉ dẫn để giải quyết một bài toán cụ thể”8. Còn với Leonard Soicher & Franco Vivaldi (2004) [79] đã đưa ra định nghĩa như sau: “Thuật toán là một dãy xác định các chỉ dẫn rõ ràng để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể”9.

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

Theo tác giả Nguyễn Bá Kim quan niệm về tư duy thuật toán có thể được phát biểu như sau [23]: “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.”

8 Nguyên bản: “An algorithm is a step-by-step list of instructions for solving a particular problem”.

9 Nguyên bản: “… an algorithm is a finite sequence of unambiguous instructions to perform a specific task”.

Theo tác giả D.E. Knuth [63], “Tư duy thuật toán là một loại tư duy luôn tuân theo một quy trình gồm ba thao tác là: 1/ Xây dựng giải pháp cho vấn đề; 2/ Chứng minh tính đúng đắn của giải pháp; 3/ Phân tích sự phức tạp của giải pháp đó”. Điều này góp phần như một giá trị sư phạm mà Knuth nhấn mạnh: “... một người không thực sự hiểu điều gì đó cho đến khi anh ta dạy nó hoặc chứng minh tính đúng đắn của nó cho người khác, tức là thể hiện nó như là thuật toán”.

Theo nghiên cứu của tác giả Vương Dương Minh [29], ông đã đưa ra khái niệm tư duy thuật toán trên cơ sở chỉ ra năm hoạt động sau đây:

(T1) Thực hiện những thao tác theo một trình tự nhất định phù hợp với một thuật toán cho trước;

(T2) Phân tích một quá trình thành những thao tác được thực hiện theo một trình tự xác định;

(T3) Mô tả chính xác quá trình tiến hành một hoạt động;

(T4) Khái quát hóa một quá trình diễn ra trên một số đối tượng riêng lẻ thành một quá trình diễn ra trên một lớp đối tượng;

(T5) So sánh những thuật toán khác nhau cùng thực hiện một công việc và phát hiện thuật toán tối ưu để giải quyết một công việc.

Và tác giả cho rằng phương thức tư duy biểu thị khả năng tiến hành các hoạt động từ (T1) đến (T5) gọi là tư duy thuật toán.

Mỗi hoạt động trên được gọi là một thành tố của tư duy thuật toán. Khả năng (T1) thể hiện khả năng thực hiện thuật toán, bốn khả năng (T2) đến (T5) thể hiện khả năng xây dựng thuật toán.

Tư duy nói chung và tư duy thuật toán nói riêng chỉ có thể hình thành và phát triển trong hoạt động. Vì vậy, để phát triển tư duy thuật toán, cần tổ chức cho SV tập luyện các hoạt động nói trên. Thông qua việc dạy học các quy trình, phương pháp có tính chất thuật toán, GV cần rèn luyện và phát

triển tư duy thuật toán cho SV. Việc rèn luyện và phát triển tư duy thuật toán cho SV có thể được thực hiện bằng cách cho SV tập luyện những khả năng đã liệt kê ở trên như những thành tố của phương thức tư duy thuật toán. Cụ thể là:

a. Thực hiện thuật toán

Rèn luyện cho SV khả năng thực hiện những thao tác theo một trình tự xác định phù hợp với một thuật toán cho trước, nhấn mạnh các bước và trình tự tiến hành các bước trong mỗi quy trình. Từ đó, SV thu được kết quả của bài toán và ghi nhớ thuật toán, đồng thời giúp SV phát triển khả năng thực hiện thuật toán.

b. Phân tích hoạt động

Luyện tập cho SV biết phân tích một hoạt động thành các hoạt động thành phần theo một trình tự nhất định. GV hướng dẫn SV luyện tập hoạt động (T2) nhưng áp dụng cho cả những quy trình chỉ thế hiện một phần nhưng không hoàn toàn đầy đủ như một thuật toán.

c. Tường minh hóa thuật toán

Rèn luyện cho SV khả năng diễn đạt ngôn ngữ để mô tả chính xác một quá trình. Ta cần yêu cầu SV tự phát biểu những quy trình đã học hoặc đã biết bằng lời nói (ngôn ngữ tự nhiên). GV theo dõi để phân tích tính chính xác và kịp thời nhận xét, rút kinh nghiệm cho SV.

d. Khái quát hóa hoạt động

Luyện cho SV biết tập hợp các quá trình diễn ra tren các đối tượng riêng lẻ thành một hoạt động trên một lớp đối tượng.

e. Chọn thuật toán tối ưu

Rèn luyện cho SV khả năng so sánh các thuật toán khác nhau thực hiện cùng một công việc và phát hiện ra các thuật toán tiết kiệm thao tác hay phổ dụng.

Tư duy thuật toán liên hệ chặt chẽ với khái niệm thuật toán. Phương thức tư duy này thể hiện ở những hoạt động sau đây: (1) Thực hiện những hoạt động theo một trình tự xác định phù hợp với một thuật toán cho trước;

(2) Phân tích một hoạt động thành những hoạt động thành phần được thực hiện theo một trình tự xác định; (3) Mô tả chính xác quá trình tiến hành một hoạt động; (4) Khái quát hóa một hoạt động trên những đối tượng riêng lẻ thành một hoạt động trên một lớp đối tượng; (5) So sánh những cách khác nhau cùng thực hiện một công việc để phát hiện một cách tối ưu. Trong đó, hoạt động (1) thể hiện khả năng thực hiện thuật toán có sẵn, bốn hoạt động tiếp theo thể hiện khả năng xây dựng thuật toán.

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

1.3.1 Đặc điểm của tư duy điện toán

Trên cơ sở khái niệm của tư duy điện toán, có thể thấy 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 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 (một loạt các bước được đặt hàng)

• 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

Ngoài ra, Tư duy điện toán (TDĐT) còn có các đặc điểm riêng sau:

- TDĐT là khái niệm hóa, chứ không phải là lập trình. Khoa học máy tính không phải là lập trình máy tính. Tư duy như một nhà khoa học máy tính có nghĩa suy nghĩ trên cả việc lập trình máy tính. Nó đòi hỏi tư duy ở nhiều cấp độ trừu tượng.

Quá trình TDĐT tạo ra ý tưởng, chứ không chỉ thành sản phẩm. Không dừng lại ở việc là các sản phẩm phần mềm và phần cứng chúng ta sản xuất có mặt ở mọi nơi và đi vào cuộc sống mọi lúc, mà các khái niệm điện toán sử dụng phải tiếp cận và giải quyết được vấn đề, quản lý cuộc sống hàng ngày, giao tiếp và tương tác người khác.

- Tư duy từ nền tảng, chứ không phải kỹ năng bắt chước. Tư duy từ nền tảng là điều mà mỗi con người phải biết, để thực thi vai trò của mình trong xã hội hiện đại. Trước đây, người ta cứ cho rằng máy tính hoạt động theo kiểu bắt chước, cho đến khi khoa học máy tính giải quyết được thử thách lớn về trí tuệ nhân tạo (AI).

- Tư duy theo cách con người, chứ không phải máy tính. Tư duy điện toán là cách con người giải quyết vấn đề; chứ không phải khiến con người suy nghĩ như những người khác. Máy tính thì buồn tẻ và nhàm chán; con người thì thông minh và giàu trí tưởng tượng. Con người chúng ta sẽ làm cho máy tính trở nên thú vị. Được trang bị các thiết bị điện toán, chúng ta sử dụng trí thông minh của mình để giải quyết các vấn đề mà chúng ta chưa thực hiện trước khi có máy tính, và xây dựng các hệ thống hoàn chỉnh với trí tưởng tượng của mình; Ví dụ khi nhắc đến tư duy điện toán người ta thường nhắc đến các khả năng suy nghĩ và làm việc logic, có tính (tối ưu) thuật toán, có thể lặp lại và có thể trừu tượng hóa.

- Bổ sung và kết hợp với tư duy toán học và kĩ thuật. Khoa học máy tính vốn đã dựa trên tư duy toán học, giống như tất cả các ngành khoa học

khác, nền tảng chính thức của nó dựa trên toán học. Khoa học máy tính cũng dựa trên tư duy kĩ thuật, chúng ta xây dựng các hệ thống tương tác với thế giới thực. Các hạn chế của thiết bị máy tính cơ bản buộc các nhà khoa học máy tính phải vận dụng tư duy điện toán, không chỉ tư duy toán học. Được tự do xây dựng thế giới ảo, cho phép chúng ta thiết kế các hệ thống vượt ra ngoài thế giới vật chất hữu hình.

Tư duy điện toán dựa trên tư duy toán học và tư duy kĩ thuật. Tuy nhiên, không giống như trong toán học, các hệ thống tính toán của chúng ta bị hạn chế bởi tính chất vật lý của tác nhân xử lý thông tin cơ bản và môi trường hoạt động của nó. Và như vậy, chúng ta phải lo lắng về các điều kiện ràng buộc, các sự cố, các tác nhân nguy hiểm, và những vấn đề không thể đoán trước được trong thế giới thực. Nhưng không giống như các ngành kĩ thuật khác, vì phần mềm ("vũ khí bí mật" độc nhất), trong việc tính toán, chúng ta có thể xây dựng các thế giới ảo không bị hạn chế bởi thiết bị vật lý. Và như vậy, trong không gian ảo, sự sáng tạo của con người trong không gian ảo chỉ bị giới hạn bởi trí tưởng tượng của con người chúng ta. [86]

- TDĐT dành cho tất cả mọi người, ở mọi nơi [83]. Tư duy điện toán là một kỹ năng cơ bản và cần thiết cho tất cả mọi người, chứ không chỉ riêng các nhà khoa học máy tính. Ngoài biết đọc, viết và làm tính, chúng ta nên thêm tư duy điện toán vào năng lực phân tích của một đứa trẻ. Giống như các tờ báo in thì tạo điều kiện cho sự phát triển nhanh của kỹ năng 3Rs (Đọc – Reading, Viết – Writing và Làm tính – Arithmetic), tư duy điện toán cũng sẽ được phát triển rất nhanh chóng dựa trên sự phát triển của điện toán và máy tính. Tư duy điện toán liên quan đến giải quyết vấn đề, thiết kế hệ thống, và hiểu hành vi con người. Trong tương lai, tư duy điện toán sẽ phổ biến giống như điện toán phổ biến trong thời đại ngày nay. Tư duy điện toán sẽ trở thành hiện thực và nó không thể tách rời trong đời sống của con người.

1.3.2 Các thành tố của tư duy điện toán

Bảng 1.1. Yếu tố cấu thành tư duy điện toán của các nhà nghiên cứu khác nhau

Barr & Stephenson,

2011 [81]

Lee và cộng sự, 2011 [70]	Grover & Pea, 2013 [76]	Selby & Woollard, 2013 [78]	Angeli và cộng sự, 2016 [57]
Phân rã vấn đề		Phân rã vấn đề theo cấu trúc (modul hóa)	Phân rã vấn đề	Phân rã vấn đề
	Phép phân tích
Thuật toán và thủ tục		Thuật toán (luồng điều khiển)	Tư duy thuật toán	Thuật toán (Trình tự và luồng điều khiển)
Sự tự động hóa	Sự tự động hóa
		Biểu thức điều kiện
		Phát hiện và gỡ lỗi hệ thống		Gỡ lỗi
		Đánh giá hiệu quả và những hạn chế thực thi	Đánh giá
Trừu tượng hóa	Trừu tượng hóa	Trừu tượng hóa và khái quát mẫu	Trừu tượng hóa	Trừu tượng hóa
			Tổng quát hóa	Tổng quát hóa
		Tư duy lặp lại, đệ quy và song song
Song song hóa
Sự mô phỏng hóa
		Hệ thống ký hiệu biểu diễn
		Xử lý thông tin có hệ thống