Quy Trình Dạy Học Stem Dựa Trên Hoạt Động Thiết Kế Kĩ Thuật

+ Định hướng nghề nghiệp cho học sinh. Giáo dục STEM sẽ tạo cho học sinh có những kiến thức, kĩ năng mang tính nền tảng cho việc học tập ở các bậc học cao hơn cũng như cho nghề nghiệp trong tương lai. Từ đó, góp phần xây dựng lực lượng lao động có năng lực, phẩm chất tốt, đặc biệt là lao động trong lĩnh vực STEM nhằm đáp ứng mục tiêu xây dựng và phát triển đất nước.

Mục tiêu giáo dục STEM


Phát triển năng lực đặc thù STEM	Phát triển năng lực cốt lõi	Định hướng nghề nghiệp

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 216 trang tài liệu này.

Hình 1.1. Mục tiêu giáo dục STEM[3]

1.1.3. Giáo dục STEM ở Việt Nam

Ngày 4/5/2017, Thủ tướng Chính phủ ban hành Chỉ thị số 16/CT-TTg về việc tăng cường năng lực tiếp cận cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Chỉ thị của Thủ tướng đề ra những giải pháp và nhiệm vụ thúc đẩy giáo dục tại Việt Nam. Trong đó Thủ tướng nhấn mạnh giải pháp: “…Thay đổi mạnh mẽ các chính sách, nội dung, phương pháp giáo dục và dạy nghề nhằm tạo ra nguồn nhân lực có khả năng tiếp nhận các xu thế công nghệ sản xuất mới, trong đó cần tập trung vào thúc đẩy đào tạo về khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học (STEM), ngoại ngữ, tin học trong chương trình giáo dục phổ thông…”[4]. Với Chỉ thị trên, Việt Nam đã chính thức ban hành chính sách thúc đẩy giáo dục STEM trong nhà trường, tạo điều kiện để liên kết các sáng kiến và hoạt động giáo dục STEM hiện nay.

Trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018, giáo dục STEM cũng được chú trọng rất rõ ràng. GS. Nguyễn Minh Thuyết - Tổng Chủ biên Chương trình giáo dục phổ thông 2018 - cho rằng: “Chương trình cải thiện rõ vị trí của Giáo dục tin học và Giáo dục công nghệ. Điều này không chỉ thể hiện rõ tư tưởng giáo dục STEM, mà còn là sự điều chỉnh

kịp thời của giáo dục phổ thông trước cuộc cách mạng công nghiệp 4.0”[5]. Trong đó giáo dục STEM thể hiện thông qua các biểu hiện cụ thể như sau: [5]

- Chương trình giáo dục phổ thông mới có đầy đủ các môn học STEM: Khoa học tự nhiên, Công nghệ, Tin học, Toán học. Giáo dục STEM cũng được thể hiện rõ trong các chương trình môn học này.

- Vị trí của giáo dục tin học và giáo dục công nghệ được cải thiện rõ rệt.

- Yêu cầu dạy học tích hợp và đổi mới phương pháp giáo dục tạo điều kiện tổ chức các chủ đề STEM trong chương trình môn học, góp phần phát triển năng lực vận dụng kiến thức liên môn giải quyết các vấn đề thực tiễn cho học sinh.

- Tính mở của Chương trình GDPT mới cho phép một số nội dung giáo dục STEM có thể được xây dựng thông qua nội dung giáo dục của địa phương, kế hoạch giáo dục của nhà trường và những hoạt động giáo dục được xã hội hoá.

1.1.4. Quy trình dạy học STEM dựa trên hoạt động thiết kế kĩ thuật

Quy trình thiết kế kĩ thuật (Engineering Design Process hay EDP) là một chuỗi các bước thực hiện mô tả lại cách mà các kĩ sư sử dụng để giải quyết vấn đề; người kĩ sư bắt đầu bằng đặt câu hỏi, hình dung các giải pháp, thiết kế kế hoạch, tạo mô hình, thực nghiệm và kiểm thử mô hình, sau đó thực hiện cải tiến.[1] Đây cũng là các bước mà kĩ sư tại NASA thực hiện. [6]

Quy trình thiết kế kĩ thuật dùng để xác định và giải quyết vấn đề có bốn đặc trưng gồm:

(1) tính lặp lại cao; (2) tính kết thúc mở, tức là một bài toán có thể có nhiều lời giải; (3) ngữ cảnh có ý nghĩa cho việc học các khái niệm khoa học, toán học và kĩ thuật; (4) kích thích tư duy hệ thống, mô hình hoá và phân tích[7]. Cũng theo NASA’s Best, quy trình EDP khác biệt với các quy trình dạy học khác ở hai điểm chính: thứ nhất, không có một lời giải cụ thể nhất định cho một bài toán; thứ hai, người học cần tự thiết kế bản thiết kế[6]. Có thể mô tả cụ thể quy trình EDP gồm 6 bước như sau: [1]

(1) Đặt câu hỏi (Ask): Học sinh xác định vấn đề, các đòi hỏi cần phải đáp ứng và các ràng buộc được xem xét.

(2) Tưởng tượng (Imagine): Học sinh suy nghĩ về các giải pháp và ý tưởng nghiên cứu. Học sinh cũng cần xác định những gì người khác đã làm.

(3) Lập kế hoạch (Plan): Học sinh chọn từ 2 đến 3 ý tưởng hay nhất từ danh sách liệt kê của họ và phác thảo các thiết kế có thể có, cuối cùng chọn một thiết kế duy nhất cho nguyên liệu.

(4) Sáng tạo (Create): Học sinh xây dựng một mô hình làm việc, hoặc nguyên mẫu phù hợp với các yêu cầu thiết kế và các ràng buộc thiết kế.

(5) Kiểm tra (Test): Học sinh đánh giá các giải pháp thông qua thử nghiệm; thu thập và phân tích dữ liệu; tóm tắt điểm mạnh và điểm yếu của thiết kế đã được tìm thấy trong quá trình thử nghiệm.

(6) Cải tiến (Improve): Dựa vào kết quả kiểm tra, học sinh thực hiện các cải tiến về thiết kế. Học sinh cũng xác định những thay đổi sẽ thực hiện và giải thích cho các sửa đổi này.

Đặt câu

hỏi

Cải tiến

Tưởng

tượng

Kiểm

tra

Lập kế

hoạch

Sáng

tạo

Hình 1.2. Sơ đồ các bước quy trình thiết kế kĩ thuật EDP

Cụ thể hoá quy trình thiết kế kĩ thuật, trong tài liệu tập huấn của Bộ giáo dục trung học có đề xuất quy trình tổ chức hoạt động STEM theo các bước sau:

Xác định vấn đề hoặc nhu cầu thực tiễn

Nghiên cứu lí thuyết nền (học kiến thức mới)

Toán

Lí

Hoá

Sinh

Tin

Công nghệ

(Nội dung dạy học theo chương trình được sắp xếp phù hợp)

Đề xuất các giải pháp khả dĩ

Chọn giải pháp tốt nhất

Chế tạo mô hình hoặc mẫu thử nghiệm

Thử nghiệm và đánh giá

Chia sẻ và thảo luận

Điều chỉnh thiết kế

Hình 1.3. Sơ đồ Quy trình dạy học STEM theo thiết kế kĩ thuật

Tuy nhiên, tiến trình bài học STEM tuân theo quy trình kĩ thuật nêu trên nhưng bước trong quy trình có thể không cần thực hiện theo trình tự hết bước này mới đến bước tiếp theo, mà có những bước có thể thực hiện đồng thời, hỗ trợ lẫn nhau. Cụ thể việc “Nghiên cứu kiến thức nền” có thể được thực hiện đồng thời “Đề xuất giải pháp”; “Chế tạo mô hình” được thực hiện đồng thời với “Thử nghiệm và đánh giá”, trong đó bước này vừa là mục tiêu vừa là điều kiện để thực hiện bước kia. Vì vậy, mỗi bài học STEM được tổ chức theo 5 pha hoạt động như sau:[8]

Bảng 1.1. Các pha hoạt động của quy trình dạy học STEM theo thiết kế kĩ thuật

Mục đích

Nội dung

Dự kiến sản phẩm của HS

Cách thức tổ chức hoạt động

HĐ1: Xác

định vấn đề

Xác định tiêu chí sản

phẩm; phát

hiện vấn đề/nhu cầu.

Tìm hiểu, đánh giá về hiện tượng,

sản phẩm, công nghê.

Các mức độ hoàn thành nội dung (Bài ghi chép thông tin, bài đánh giá, đặt câu hỏi về hiện tượng, sản phẩm, công nghệ,…)

+ GV giao nhiệm vụ (nội dung, phương tiện, cách thực hiện, yêu cầu sản phẩm phải hoàn thành);

+ HS thực hiện nhiệm vụ (qua thực tế, tài liệu, video; cá nhân hoặc nhóm);

+ HS báo cáo, thảo luận.

+ HS phát hiện, phát biểu vấn đề.

HĐ2:

Nghiên cứu kiến

thức nền và đề xuất giải pháp

Hình thành

kiến thức mới và đề xuất giải pháp

Nghiên cứu nội dung SGK, tài liệu, thí nghiệm đề tiếp nhận,

hình thành kiến thức mới và đề xuất giải pháp/thiết kế.

Các mức độ hoàn thành nội dung (Xác định và ghi được thông tin, dữ liệu, giải thích, kiến thức mới, giải

pháp/thiết kế).

+ GV giao nhiệm vụ (Nêu, đọc, nghe, nhìn để xác định và ghi được thông tin, dữ liệu, giải thích kiến thức mới).

+ HS nghiên cứu SGK, tài liệu, làm thí nghiệm (cá nhân hoặc nhóm).

+ HS Báo cáo, thảo luận.;

+ GV điều hành, “chốt” kiến thức mới.

+ HS đề xuất giải pháp, thiết kế mẫu thử nghiệm.

HĐ3: Lựa

chọn giải pháp

Lựa chọn

giải pháp, bản thiết kế.

Trình bày,

giải thích, bảo về giải pháp, bản thiết kế để

Giải pháp, bản thiết kế được lựa chọn và hoàn thiện.

+ GV giao nhiệm vụ (Nêu rõ yêu cầu HS trình bày, báo cáo, giải thích, bảo vệ giải pháp, thiết kế);

lựa chọn và hoàn thiện.

+ HS báo cáo, thảo luận;

+ GV điều hành, nhận xét, đánh giá và hỗ trợ HS lựa chọn giải pháp, thiết kế mẫu thử nghiệm.

HĐ 4: Chế

tạo mẫu thử nghiệm và đánh giá

Chế tạo và thử nghiệm mẫu thiết kế.

Lựa chọn dụng cụ/thiết bị thí nghiệm, chế tạo mẫu theo thiết kế; thử nghiệm

và điều

chỉnh.

Dụng cụ/thiết bị/ mô hình/ đồ vật,… đã chế tạo và thử nghiệm, đánh giá.

+ GV giao nhiệm vụ (lựa chọn dụng cụ/ thiết bị thí nghiệm để lắp ráp…);

+ HS thực hành chế tạo, lắp ráp và thử nghiệm;

+ GV hỗ trợ HS trong quá trình thực hiện.

HĐ5:

Chia sẻ, thảo luận, điều chỉnh.

Trình bày, chia sẻ, đánh giá sản phẩm nghiên cứu.

Trình bày và thảo luận.

Dụng cụ/thiết bị/ mô hình/đồ vật,… đã được chế tạo + Bài trình bày báo cáo.

+ GV giao nhiệm vụ (mô tả rõ yêu càu và sản phẩm trình bày);

+ HS báo cáo, thảo luận (bài báo cáo, trình chiếu, video, dụng cụ/thiết bị/mô hình/đồ vật đẽ chế tạo,…) theo các hình thức phù hợp (trưng bày, triển lãm, sân khấu hoá);

+ GV đánh giá, kết luận, cho điểm và định hướng tiếp tục hoàn thiện.

Trong phạm vi đề tài này, tác giả sẽ áp dụng quy trình dạy học STEM theo quy trình thiết kế kĩ thuật gồm 5 bước hoạt động nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh.

1.2. Giáo dục khoa học Robot

1.2.1. Giới thiệu Giáo dục khoa học Robot

Robotics (hay khoa học Robot) là một ngành có sự liên kết giữa khoa học và kĩ thuật. Robotics bao hàm các việc thiết kế, lắp ráp, vận hành và sử dụng robot, với mục đích cuối cùng là tạo ra các robot thay thế cho con người hoặc mô phỏng lại hành động của con người[9].

Giáo dục khoa học robot (hay Educational Robotics) là một lĩnh vực nghiện cứu nhằm cải thiện trải nghiệm học tập của người học thông qua việc thiết lập, thực hiện, cải thiện và xác nhận các hoạt động sư phạm, công cụ cụ thể và công nghệ, trong đó robot đóng vai trò tích cực vào các hoạt động giáo dục được xây dựng dựa trên cơ sở lí thuyết sư phạm[10].

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng giáo dục khoa học Robot tạo ra nhiều tín hiệu tích cực trong việc phát triển tư duy phản biện và tư duy giải quyết vấn đề thông qua việc trải nghiệm các hoạt động như thiết kế, lắp ráp, lập trình, vận hành, thử nghiệm, kiểm thử robot, với sản phẩm là một con robot nhằm giải quyết vấn đề đã được đặt ra[11].

Ngoài ra, thông qua các hoạt động học tập với robot, học sinh còn có khả năng phát triển

tư duy máy tính[12].

Giáo dục khoa học Robot hiện nay trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng được tích hợp trong nhiều hoạt động học tập khác nhau như hoạt động ngoại khoá, câu lạc bộ, trại hè, không gian sáng tạo (makerspace), cuộc thi khoa học, chương trình dạy học chính khoá trong nhà trường [13]. Trong đó hình thức cuộc thi khoa học robot là một trong những hình thức phổ biến nhất trong việc tiếp cận giáo dục khoa học robot.

1.2.2. Giáo dục khoa học Robot và Giáo dục STEM

Giáo dục Khoa học Robot được xem như là một cách tiếp cận tốt nhất đối với Giáo dục STEM trong nhà trường [14]. Giáo dục Khoa học Robot trong đó robot vừa là đối tượng vừa là công cụ học tập luôn luôn đi đôi với nhưng kiến thức Khoa học, Công nghệ, Kĩ

thuật và Toán học nhằm cho HS kết nối với khoa học, tạo sự hứng thú, đam mê với công nghệ cũng như khoa học[15].

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tích hợp robot trong giảng dạy, đặc biệt là trong giáo dục STEM đã đưa ra nhiều lợi ích rất hữu hiệu đối với HS tiểu học và trung học cơ sở như: phát triển hoạt động khoa học [16], nâng cao sự tiếp thu kiến thức trong môn vật lí [17]; phát triển kĩ năng, tư duy thiết kế kĩ thuật [18]; tăng cường hiệu năng trong môn toán học, nhất là học sinh trung bình [19]. Ngoài ra cũng đã có nhiều nghiên cứu cho rằng việc sử dụng robot trong giáo dục STEM giúp tăng cường năng lực đặc thù STEM và tạo sự hứng thú của HS đối với giáo dục STEM [20].

Dựa vào vai trò của robot trong quá trình học, Giáo dục khoa học Robot tích hợp trong giáo dục STEM thường được chia làm 2 loại chính:

- Robot được xem như là một công cụ học tập: Robot sẽ được xem như là một dụng cụ hỗ trợ trong quá trình tiếp thu kiến thức khoa học và của HS thông qua các hoạt động như thực hành, làm thí nghiệm, thu thập số liệu[21].

- Robot được xem như là một đối tượng học tập: Robot được xem như là một môn học riêng, HS học và khám phá chính con robot thông qua các hoạt động học tập có sự tương đồng với giáo dục STEM[14].

1.2.3. Công cụ Robot trong Giáo dục khoa học Robot

Robot là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong hoạt động dạy học của giáo dục Robot [22], dù cho robot đóng vai trò là công cụ học tập hay là đối tượng học tập, thì việc lựa chọn phù hợp bộ robot và nền tảng lập trình là một việc thiết yếu nhằm phát triển đúng mục tiêu dạy học mà GV mong muốn cho HS. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều bộ dụng cụ robot cho dạy học, phổ biến như LEGO Mindstorms, VEX, Mircro:bit, GaraSTEM, Arduino… các bộ dụng cụ này đa dạng về chức năng và có mức giá thành dao động khác nhau, phù hợp cho từng mục đích sử dụng của GV và đối tượng HS.