Thiết kế chủ đề stem xe robot tự dò đường dùng cảm biến hồng ngoại nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh THCS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

NGUYỄN ĐỨC ANH

THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ STEM
“XE ROBOT TỰ DÒ ĐƯỜNG” DÙNG CẢM BIẾN
HỒNG NGOẠI NHẰM BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC
GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CHO HỌC SINH THCS

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

NGUYỄN ĐỨC ANH

THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ STEM
“XE ROBOT TỰ DÒ ĐƯỜNG” DÙNG CẢM BIẾN
HỒNG NGOẠI NHẰM BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC
GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CHO HỌC SINH THCS

Chuyên ngành: Sư phạm Vật lí
KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
Th.S LÊ HẢI MỸ NGÂN

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2020




i

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Đại học,
Ban chủ nhiệm, quý Thầy Cơ giáo khoa Vật lí trường Đại học Sư phạm TP. Hồ
Chí Minh và q Thầy Cơ giáo trực tiếp giảng dạy, giúp đỡ tơi trong suốt
q trình học tập.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy cô là chuyên gia về giáo dục STEM đã
cho ý kiến góp ý sâu sắc về đề tài khố luận. Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn
sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn: Th.S Lê Hải Mỹ Ngân – người đã tận tình chỉ
bảo, hướng dẫn, giúp đỡ, động viên, đóng góp nhiều ý kiến q báu cho tơi trong
suốt q trình nghiên cứu và hồn thành khố luận tốt nghiệp
Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình, người thân, bạn bè đã
giúp đỡ, động viên tơi trong suốt quá trình học tập 4 năm ở trường đại học và trong
suốt thời gian thực hiện khoá luận này.
Xin chân thành cảm ơn.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2020
Tác giả

NGUYỄN ĐỨC ANH


ii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC HÌNH ẢNH
MỞ ĐẦU
Chương 1. CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI ................................................................. 5
1.1. Giáo dục STEM ................................................................................................ 5
1.1.1. Khái niệm Giáo dục STEM......................................................................... 5
1.1.2. Mục tiêu của giáo dục STEM ..................................................................... 6
1.1.3. Giáo dục STEM ở Việt Nam....................................................................... 7
1.1.4. Quy trình dạy học STEM dựa trên hoạt động thiết kế kĩ thuật..................... 8
1.2. Giáo dục khoa học Robot ................................................................................ 13
1.2.1. Giới thiệu Giáo dục khoa học Robot ......................................................... 13
1.2.2. Giáo dục khoa học Robot và Giáo dục STEM........................................... 13
1.2.3. Công cụ Robot trong Giáo dục khoa học Robot ........................................ 14
1.2.4. Cấu trúc hệ thống của robot trong Giáo dục Robot ................................... 16
1.3. Dạy học phát triển năng lực giải quyết vấn đề ................................................. 17
1.3.1. Khái niệm năng lực giải quyết vấn đề ....................................................... 17
1.3.2. Cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề .......................................................... 17
1.3.3. Giải quyết vấn đề theo Tư duy máy tính (Computational Thinking).......... 18
1.3.4. Khung năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục khoa học robot ............. 20
Chương 2. THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ STEM “XE ROBOT TỰ DÒ ĐƯỜNG”.................. 24
2.1. Bối cảnh và ý nghĩa thực tiễn chủ đề ............................................................... 24


iii

2.2. Mục tiêu dạy học phát triển năng lực giải quyết vấn đề ....................................25
2.3. Phân tích nội dung kiến thức trong chủ đề ........................................................27
2.3.1. Môn Khoa học tự nhiên .............................................................................29

2.3.2. Mơn Cơng nghệ .........................................................................................30
2.3.3. Mơn Tin học..............................................................................................30
2.3.4. Mơn Tốn học ...........................................................................................31
2.4. Tiến trình tổng thể các pha hoạt động của tiến trình dạy học ............................32
2.5. Phương tiện, học liệu .......................................................................................35
2.5.1. Bộ dụng cụ Arduino – based robotic kit.....................................................35
2.5.2. Tài liệu hướng dẫn thực hiện sản phẩm .....................................................39
2.5.3. Học liệu trong chủ đề ................................................................................58
2.5.4. Bộ câu hỏi định hướng ..............................................................................61
2.6. Tiến trình tổ chức dạy học chi tiết ....................................................................65
2.6.1. Hoạt động 1: Đặt vấn đề. Tìm hiểu tổng quan về robot. .............................65
2.6.2. Hoạt động 2: Khám phá kiến thức .............................................................70
2.6.3. Hoạt động 3. Lập bản thiết kế sản phẩm ....................................................93
2.6.4. Hoạt động 4: Lắp ráp và vận hành sản phẩm .............................................97
2.6.5. Hoạt động 5: Báo cáo sản phẩm ................................................................98
2.7. Đánh giá năng lực giải quyết vấn đề của học sinh ..........................................100
2.7.1. Công cụ đánh giá.....................................................................................100
2.7.2. Khung rubrics đánh giá năng lực giải quyết vấn đề..................................101
2.8. Một số lưu ý cho GV khi triển khai tổ chức dạy học chủ đề ...........................108
Chương 3. KHẢO SÁT Ý KIẾN CHUYÊN GIA ..................................................... 110


iv

3.1. Mục tiêu khảo sát .......................................................................................... 110
3.2. Đối tượng khảo sát ........................................................................................ 110
3.3. Hình thức khảo sát......................................................................................... 110
3.4. Nội dung khảo sát.......................................................................................... 110
3.5. Kết quả khảo sát ............................................................................................ 111
3.5.1. Danh sách các chuyên gia đã cho ý kiến ................................................. 111

3.5.2. Kết quả khảo sát ý kiến của chuyên gia .................................................. 111
3.5.3. Ý kiến của chuyên gia về chủ đề............................................................. 114
3.6. Nhận xét ........................................................................................................ 117
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


v

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu

Chú thích

GV

Giáo viên

HS

Học sinh

GD

Giáo dục

NL

Năng lực

GQ

Giải quyết

GQVD

Giải quyết vấn đề

EDP

Engineering Design Process

THCS

Trung học cơ sở

HĐ

Hoạt động

PHT

Phiếu học tập

PhĐG

Phiếu đánh giá

BCC

Bộ công cụ


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Các pha hoạt động của quy trình dạy học STEM theo thiết kế kĩ thuật ....... 11
Bảng 1.2. So sánh tư duy GQVD và tư duy máy tính[27] ........................................... 19
Bảng 1.3. Khung năng lực giải quyết vấn đề trong GD khoa học robot ...................... 20
Bảng 2.1. Bảng mục tiêu năng lực giải quyết vấn đề trong chủ đề .............................. 25
Bảng 2.2. Phân tích nội dung kiến thức mơn KHTN .................................................. 29
Bảng 2.3. Phân tích nội dung kiến thức môn Công nghệ ............................................ 30
Bảng 2.4. Phân tích nội dung kiến thức mơn Tin học ................................................. 30
Bảng 2.5. Phân tích nội dung kiến thức mơn Tốn học ............................................... 31
Bảng 2.6. Bảng tiến trình tổng thể tóm tắt các pha hoạt động dạy học ........................ 32
Bảng 2.7. Bộ dụng cụ sử dụng trong chủ đề. .............................................................. 36
Bảng 2.8. Hướng dẫn lắp ráp sản phẩm trong HĐ2.1. ................................................ 42
Bảng 2.9. Hướng dẫn lắp ráp sản phẩm trong HĐ2.2 ................................................. 46
Bảng 2.10. Hướng dẫn lắp ráp sản phẩm trong HĐ2.3 ............................................... 50
Bảng 2.11. Hướng dẫn lắp ráp hoàn thiện sản phẩm ................................................... 54
Bảng 2.12. Nguyên lí hoạt động sản phẩm ................................................................. 56
Bảng 2.13. Danh sách học liệu sử dụng trong chủ đề.................................................. 58
Bảng 2.14. Bộ câu hỏi định hướng số 1 ...................................................................... 61
Bảng 2.15. Bộ câu hỏi định hướng số 2. ..................................................................... 62
Bảng 2.16. Bộ câu hỏi định hướng số 3. ..................................................................... 63
Bảng 2.17. Bộ câu hỏi số 5......................................................................................... 63
Bảng 2.18. Bộ câu hỏi định hướng số 4. ..................................................................... 64
Bảng 2.19. Tiến trình dạy học Hoạt động 1. ............................................................... 65
Bảng 2.20. Tiến trình dạy học Hoạt động 2.1 ............................................................. 71

Bảng 2.21. Tiến trình dạy học hoạt động 2.2 .............................................................. 73
Bảng 2.22. Tiến trình dạy học Hoạt động 2.3 ............................................................. 82
Bảng 2.23. Tiến trình Hoạt động 3.1 .......................................................................... 94


vii

Bảng 2.24. Tiến trình dạy học Hoạt động 3.2 ..............................................................95
Bảng 2.25. Tiến trình Hoạt động 4 ..............................................................................97
Bảng 2.26. Tiến trình dạy học Hoạt động 5. ................................................................98
Bảng 2.27. Bảng công cụ đánh giá năng lực GQVD..................................................100
Bảng 2.28. Khung rubrics đánh giá năng lực GQVD.................................................101
Bảng 3.1. Danh sách chuyên gia cho ý kiến ..............................................................111
Bảng 3.2. Kết quả khảo sát nhận xét chung chủ đề STEM “xe robot tự dò đường” ..112
Bảng 3.3. Kết quả khảo sát về Kế hoạch dạy học chủ đề "Xe robot tự dò đường" .....112
Bảng 3.4. Kết quả khảo sát về Phương tiện, học liệu chủ đề "Xe robot tự dò đường" 113
Bảng 3.5. Kết quả khảo sát về Công cụ đánh giá chủ đề "Xe robot tự dị đường" ......114
Bảng 3.6. Kết quả khảo sát về Hình thức của hồ sơ chủ đề "Xe robot tự dò đường" ..114
Bảng 3.7. Ý kiến chuyên gia về Bộ hồ sơ dạy học.....................................................114
Bảng 3.8. Ý kiến chuyên gia về sự phù hợp chủ đề với qui trình EDP.......................115
Bảng 3.9. Ý kiến chuyên gia về sự phù hợp với định hướng GD STEM ....................115


viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Mục tiêu giáo dục STEM[3] ......................................................................... 7
Hình 1.2. Sơ đồ các bước quy trình thiết kế kĩ thuật EDP............................................. 9
Hình 1.3. Sơ đồ Quy trình dạy học STEM theo thiết kế kĩ thuật ................................. 10
Hình 1.4. Electronic Robot kit.................................................................................... 15

Hình 1.5. Mechanical Robot kit ................................................................................. 15
Hình 1.6. Humanoid robot.......................................................................................... 15
Hình 1.7. Sơ đồ các bộ phận của robot[23]................................................................. 16
Hình 2.1. Giao thơng ở việt nam ................................................................................ 24
Hình 2.2. Sơ đồ mối liên hệ kiến thức và các bộ phận của robot................................. 28
Hình 2.3. Sơ đồ tiến trình dạy học .............................................................................. 35
Hình 2.4. Bản vẽ cấu tạo mặt trên xe robot................................................................. 39
Hình 2.5. Bản vẽ cấu tạo mặt dưới xe robot................................................................ 40
Hình 2.6. Bản vẽ sơ đồ mạch điện .............................................................................. 40
Hình 2.7. Sơ đồ khối lập trình mBlock ....................................................................... 41
Hình 2.8. Khối lệnh điều khiển xe chạy thẳng ............................................................ 49
Hình 2.9. Khối lệnh điều khiển xe đi lùi ..................................................................... 49
Hình 2.10. Khối lệnh điều khiển xe đi tới 3s, đi lùi 3s. ............................................... 49
Hình 2.11. Sơ đồ thu gọn tiến trình chủ đề ................................................................. 70


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Theo Chỉ thị số 16/CT-TTg về việc tăng cường năng lực tiếp cận cuộc cách mạng
công nghiệp lần thứ tư, giáo dục Việt Nam hiện nay cần phải:“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 cơng 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 thơng”. Thơng qua việc ban hành chỉ thị trên, giáo
dục STEM chính thức được chú trọng trong đổi mới giáo dục và đào tạo hiện nay.
Kể từ năm 2012 đến nay, giáo dục STEM đã được du nhập vào Việt Nam qua nhiều
hình thức khác nhau, ví dụ như thơng qua các cơ sở giáo dục tư nhân. Sau đó giáo dục
STEM đã bắt đầu tạo được tiếng vang tại Việt Nam với nhiều hoạt động cộng đồng như

Ngày hội STEM, các cuộc thi mô hình STEM,… với sự tham gia đơng đảo của các
trường trung học cơ sở và trung học phổ thông trong cả nước. Chính vì thế mà trong
chương trình giáo dục phổ thông mới thực hiện từ năm 2019, giáo dục STEM được xác
định là phương thức dạy học thông qua các mơn khoa học, cơng nghệ, tin học và tốn.
Cho đến nay, giáo dục STEM đang được khuyến khích triển khai trong nhà trường.
Một trong những mảng chủ đề thực tiễn trong giáo dục STEM là khoa học robot
(robotics). Nội dung này cũng đã được triển khai đa phần dưới hình thức câu lạc bộ ngồi
giờ, sử dụng các bộ công cụ lắp ráp như Lego, WeDo,.... Các hoạt động này tạo điều
kiện cho học sinh được trải nghiệm và tìm hiểu về lĩnh vực khoa học robot. Nhiều nghiên
cứu trên thế giới cũng khẳng định hiệu quả của việc tích hợp lĩnh vực khoa học robot
vào dạy học (D. J. S. o. P. Alimisis & Education, 2009; Benitti, 2012; Eguchi, 2014;
Nourbakhsh, Hamner, Crowley, & Wilkinson, 2004). Chính vì thế mà vấn đề quan tâm
ở đây là một chủ đề STEM lĩnh vực khoa học robot (STEM – Robotics) gắn kết với các
nội dung dạy học cụ thể trong chương trình có sự gắn kết như thế nào? Và việc dạy học
một chủ đề STEM - khoa học robot có thể phát triển năng lực giải quyết vấn đề như thế

Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Đức Anh


2

nào? Đó là lí do em nghiên cứu thực hiện thiết kế làm rõ sự gắn kết một chủ đề STEM
khoa học robot với các nội dung trong chương trình môn học.
Chủ đề STEM – Robotics mà em nghiên cứu trong đề tài là chủ đề “Xe robot tự dò
đường” sử dụng cảm biến hồng ngoại, đây là một chủ đề được lồng ghép các kiến thức
thuộc môn Công nghệ, Khoa học tự nhiên, Tin học và Toán học trong Chương trình giáo
dục phổ thơng mới. Thơng qua chủ đề này, học sinh biết các vận dụng các kiến thức khác
nhau để giải quyết các vấn đề thực tiễn thông qua việc tìm hiểu các cơ cấu hoạt động của

xe robot, vi mạch Arduino, cảm biến hồng ngoại và lập trình vi điều khiển, để từ đó giúp
học sinh phát triển được các năng lực đặc thù. Do đó đây là một chủ đề vừa có tính thực
tiễn vừa có nhiều khả thi áp dụng trong cả chương trình dạy học ở các tiết học hoạt động
trải nghiệm, từ đó cho thấy được tính phù hợp để xây dựng chủ đề theo định hướng giáo
dục STEM, đặc biệt là dạy học định hướng phát triển năng lực được đề ra trong chương
trình giáo dục phổ thơng mới.
Trên cơ sở đó, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu: “Thiết kế chủ đề STEM xe robot
tự dò đường nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh Trung học cơ
sở”.
2. Mục tiêu của đề tài
Thiết kế chủ đề STEM “xe robot tự dị đường” theo quy trình thiết kế kĩ thuật
(EDP) nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh trong chương trình Trung
học cơ sở.
3. Giả thuyết khoa học
Nếu đề xuất thiết kế một chủ đề “xe robot tự dị đường” theo quy trình thiết kế kĩ
thuật (EDP) theo định hướng giáo dục STEM thì sẽ bồi dưỡng được năng lực giải quyết
vấn đề cho học sinh trong chương trình Trung học cơ sở.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
+ Đối tượng nghiên cứu: Phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh trung học
cơ sở thông qua chủ đề dạy học STEM.

Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Đức Anh


3

+ Phạm vi nghiên cứu: Hoạt động dạy và học các môn học STEM, đặc biệt là môn
Khoa học tự nhiên theo chương trình phổ thơng mới cấp Trung học cơ sở.

5. Nhiệm vụ đề tài
- Tìm hiểu cơ sở lý luận và thực tiễn về dạy học theo định hướng giáo dục STEM.
- Tìm hiểu hệ thống lý thuyết về quy trình dạy học thiết kế kĩ thuật EDP.
- Tìm hiểu về khoa học robot và giáo dục khoa học robot trong nhà trường.
- Phân tích chương trình Khoa học tự nhiên, Cơng nghệ, Tin học và Tốn học trong
chương trình giáo dục phổ thơng mới để đưa ra một số nội dung liên quan khoa học robot
trong nhà trường.
- Phân tích và xây dựng nội dung chủ đề xe robot tự dò đường.
- Thiết kế tổ chức dạy học chủ đề STEM xe robot tự dò đường theo quy trình thiết kế kĩ
thuật EDP:
• Xây dựng một hệ thống các công cụ dạy học: bộ dụng cụ xe, hướng dẫn lắp ráp,
video, tranh ảnh, phiếu bài tập, thông tin thêm.
• Thiết kế tiến trình dạy học để tổ chức các hoạt động.
• Xây dựng hệ thống các câu hỏi, bảng tiêu chí đánh giá năng lực GQVD của học
sinh khi học chủ đề.
- Tham khảo ý kiến đánh giá của chuyên gia về chủ đề, tiến trình dạy học và các công
cụ hỗ trợ đã xây dựng hoặc thực nghiệm (nếu có thể).
6. Phương pháp nghiên cứu
- Đọc và nghiên cứu các tài liệu có liên quan đến đề tài.
- Phân loại và hệ thống hóa lý thuyết.
- Phân tích, tổng hợp thơng tin.
- Quan sát khoa học.
- Lấy ý kiến chuyên gia.

Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Đức Anh


4

7. Cấu trúc khố luận
Ngồi phần mở đầu, kết luận, danh mục các tài liệu tham khảo và phụ lục, đề tài gồm 3
chương:
Chương 1: Cơ sở lí luận.
Chương 2: Thiết kế chủ đề “Xe robot tự dò đường”
Chương 3: Tham khảo ý kiến chuyên gia

Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Đức Anh


5

Chương 1. CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI
1.1. Giáo dục STEM
1.1.1. Khái niệm Giáo dục STEM
STEM là thuật ngữ viết tắt của các từ Science (Khoa học), Technology (Công nghệ),
Engineering (Kĩ thuật), Mathematics (Toán học). Hiện nay thuật ngữ STEM được dùng
trong nhiều ngữ cảnh khác nhau, phổ biến nhất là ngữ cảnh giáo dục và ngữ cảnh nghề
nghiệp.
+ Trong ngữ cảnh giáo dục, STEM là sự quan tâm của nền giáo dục đối với lĩnh vực
khoa học, công nghệ, kĩ thuật và tốn học. Thơng qua việc dạy học tích hợp các mơn
học trên với các nội dung gắn với thức tiễn, người học sẽ được phát triển và nâng cao
năng lực [1]
+ Trong ngữ cảnh nghề nghiệp, STEM được hiểu là nghề nghiệp thuộc các lĩnh vực khoa
học, cơng nghệ, kĩ thuật và tốn học. Ví dụ: Nhóm ngành nghề về Cơng nghệ thơng tin;
Y sinh; Kĩ thuật; Điện tử và Truyền thơng…[1]

Giáo dục STEM có nhiều cách hiểu khác nhau. Trong đó có một số cách hiểu chính về
giáo dục STEM hiện nay là:
-

Giáo dục STEM là sự quan tâm đến các môn Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và

Toán học. Đây là cách hiểu theo nghĩa rộng khi nói về giáo dục STEM. Ở cách hiểu này,
cứ tổ chức dạy học các môn thuộc lĩnh vực STEM nghĩa là giáo dục STEM.[1]
-

Giáo dục STEM là định hướng tích hợp liên mơn của bốn lĩnh vực/ mơn Khoa

học, Cơng nghệ, Kĩ thuật và Tốn học. Tác giả Tsupros định nghĩa “Giáo dục STEM là
một phương pháp học tập tiếp cận liên ngành, ở đó những kiến thức hàn lâm được kết
hợp chặt chẽ với các bài học thực tế thông qua việc học sinh được áp dụng những kiến
thức Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học vào trong những bối cảnh cụ thể tạo
nên sự kết nối giữa nhà trường, cộng đồng và các doanh nghiệp cho phép người học
phát triển những kĩ năng STEM và tăng khả nặng cạnh tranh trong nền kinh tế mới”.
Với cách hiểu này, giáo dục STEM được hiểu là giáo dục tích hợp STEM.[1]

Khố luận tốt nghiệp

Nguyễn Đức Anh


6

-

Giáo dục STEM là sự tích hợp từ ít nhất hai lĩnh vực/ môn học về Khoa học, Công

nghệ, Kĩ thuật và Toán học trở lên. Theo quan niệm này, tác giả Sanders định nghĩa
“Giáo dục STEM là mơ 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”.[1]
-

Ngoài ra, theo Chương trình giáo dục phổ thơng 2018, Bộ Giáo dục định nghĩa

“Giáo dục STEM là mơ 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.”[2]
Trong phạm vi của khoá luận này, chúng tôi quan tâm hơn đến quan điểm Giáo dục
STEM là sự tích hợp từ ít nhất hai lĩnh vực/mơn học về Khoa học, Cơng nghệ, Kĩ thuật
và Tốn học trở lên.
1.1.2. Mục tiêu của giáo dục STEM
Theo tác giả Nguyễn Thanh Nga, giáo dục STEM gồm 3 mục tiêu chính như sau: [3]
+ Phát triển năng lực đặc thù của các môn học thuộc về STEM cho học sinh. Đó là
những kiến thức, kĩ năng liên quan đến các mơn học Khoa học, Cơng nghệ, Kĩ thuật
và Tốn học. Theo Chương trình tổng thể 2018, những năng lực đặc thù được phát
triển thông qua các môn học trên bao gồm: Năng lực khoa học; Năng lực công nghệ;
Năng lực tin học; Năng lực tính tốn.
+ Phát triển các năng lực cốt lõi cho học sinh. Dạy học phát triển năng lực tuân theo
một số nguyên tắc nhất định, một trong những nguyên tắc quan trọng đó là học sinh
cần phải trải nghiệm quá trình hoạt động thực tiễn để từng bước hình thành và phát
triển năng lực của mình. Theo Chương trình tổng thể 2018, Năng lực cốt lõi của học
sinh bao gồm những Năng lực chung và những Năng lực đặc thù. Trong đó nhóm
Năng lực chung bao gồm: Năng lực giải quyết vấn đề và sáng tạo; Năng lực tự chủ
và tự học; Năng lực giao tiếp và hợp tác.[2]

Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Đức Anh


7

+ 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

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 cơng nghệ
sản xuất mới, trong đó cần tập trung vào thúc đẩy đào tạo về khoa học, cơng nghệ, kĩ
thuật và tốn học (STEM), ngoại ngữ, tin học trong chương trình giáo dục phổ
thơng…”[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 thơng 2018, giáo dục STEM cũng được chú trọng rất
rõ ràng. GS. Nguyễn Minh Thuyết - Tổng Chủ biên Chương trình giáo dục phổ thơng
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

Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Đức Anh


8

kịp thời của giáo dục phổ thông trước cuộc cách mạng cơng 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 thơng 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 mơn 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 mơn 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 thơng qua nội dung giáo dục của địa phương, kế hoạch giáo dục
của nhà trường và những hoạt động giáo dục được xã hội hố.
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 mơ hình, thực nghiệm
và kiểm thử mơ 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 tốn có thể có nhiều lời giải; (3)
ngữ cảnh có ý nghĩa cho việc học các khái niệm khoa học, tốn học và kĩ thuật; (4) kích
thích tư duy hệ thống, mơ hình hố 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, khơng 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 mơ 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.

Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Đức Anh


9

(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 mơ 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 hố 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:

Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Đức Anh


10

Xác định vấn đề hoặc nhu cầu thực tiễn
Nghiên cứu lí thuyết nền (học kiến thức mới)
Tốn

Lí

Hố

Sinh

Tin

Cơng 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 mơ 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 khơng 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 mơ
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]

Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Đức Anh


11

Bảng 1.1. Các pha hoạt động của quy trình dạy học STEM theo thiết kế kĩ thuật
Dự kiến sản
phẩm của HS

Cách thức tổ chức
hoạt động

Tìm
hiểu,
đánh giá về
hiện tượng,
sản
phẩm,
cơng nghê.

Các mức độ hồn
thành nội dung
(Bài ghi chép
thơng 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.

Hình thành Nghiên cứu
kiến
thức nội
dung
mới và đề SGK, tài liệu,
xuất
giải thí nghiệm đề
pháp
tiếp
nhận,
hình thành
kiến thức mới
và đề xuất
giải
pháp/thiết kế.

Các mức độ hồn
thành nội dung
(Xác định và ghi
được thơng 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 thơng 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 Lựa
chọn Trình
bày,
chọn giải giải
pháp, giải
thích,
pháp
bản thiết kế. bảo về giải
pháp,
bản
thiết kế để

Giải pháp, bản
thiết kế được lựa

chọn và hồn
thiện.

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

Mục đích
HĐ1: Xác Xác định tiêu
định vấn chí
sản
đề
phẩm; phát
hiện
vấn
đề/nhu cầu.

HĐ2:
Nghiên
cứu kiến
thức nền
và đề xuất
giải pháp

Khoá luận tốt nghiệp

Nội dung

Nguyễn Đức Anh


12

lựa chọn và
hoàn thiện.

HĐ 4: Chế Chế tạo và Lựa
chọn
tạo mẫu thử nghiệm dụng cụ/thiết
thử
mẫu thiết kế. bị thí nghiệm,
nghiệm và
chế tạo mẫu
đánh giá
theo thiết kế;
thử nghiệm
và
điều
chỉnh.
HĐ5:
Chia sẻ,
thảo luận,
điều
chỉnh.

+ 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.
Dụng cụ/thiết bị/
mơ 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.

Trình bày, Trình bày và Dụng cụ/thiết bị/
chia sẻ, đánh thảo luận.
mơ
hình/đồ
giá sản phẩm
vật,… đã được
nghiên cứu.
chế tạo + Bài
trình bày báo
cáo.

+ GV giao nhiệm vụ
(mơ tả rõ u càu và
sản phẩm trình bày);
+ HS báo cáo, thảo
luận (bài báo cáo,
trình chiếu, video,
dụng cụ/thiết bị/mơ
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.

Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Đức Anh


13

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 trị 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].
Ngồi ra, thơng qua các hoạt động học tập với robot, học sinh cịn 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 khố, câu lạc bộ,
trại hè, khơng gian sáng tạo (makerspace), cuộc thi khoa học, chương trình dạy học chính
khố 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 cơng cụ học tập luôn luôn đi đôi với nhưng kiến thức Khoa học, Cơng nghệ, Kĩ

Khố luận tốt nghiệp

Nguyễn Đức Anh