Nhiều quốc gia trên thế giới, bao gồm cả Mỹ và Liên minh châu Âu đang chuyển đổi hệ thống giáo dục để có thể cạnh tranh trong thời kỳ đổi mới (Fensham, 2008). Giáo dục STEM là vấn đề cốt lõi của cả hai chiến lược đổi mới theo các nghiên cứu của Mỹ và Liên minh Châu Âu. Chiến lược đổi mới cung cấp một tầm nhìn cho những hoạch định chính sách và là động lực cho các sáng kiến STEM mang tính cộng đồng và cá nhân để nâng cao sự hấp dẫn đối với STEM và giảng dạy STEM. Mục tiêu trực tiếp của sáng kiến STEM là tăng số lượng và chất lượng GV dạy STEM để có thể đào tạo các kĩ năng và khả năng sáng tạo ở sinh viên, học sinh nhằm đảm bảo sự thành công trong thế kỉ 21. Ở nhiều quốc gia, cải cách giáo dục tập trung vào việc tăng khả năng, hứng thú, đam mê khoa học của HS đối với STEM và giảng dạy STEM.

Các nghiên cứu về cách thức vận hành giáo dục STEM tập trung làm rõ mục tiêu, nội dung, phương pháp và điều kiện cơ sở vật chất của giáo dục STEM.

Mô hình STEM Vinaponics

Về mặt mục tiêu, nhiều nghiên cứu đưa ra khái niệm tri thức STEM (STEM literacy). Tri thức STEM có thể được định nghĩa theo nhiều cách, bao gồm “Tri thức STEM là khả năng xác định, áp dụng và phân tích các khái niệm từ khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học để hiểu các vấn đề phức tạp và mới đến giải quyết vấn đề” (Balka, 2011, tr. 7). Tuy nhiên, phổ biến hơn trong các tài liệu cải cách giáo dục hiện hay dùng các định nghĩa về tri thức của từng lĩnh vực. Ví dụ: Phát triển của công dân có tri thức khoa học là một mục tiêu quan trọng của giáo dục khoa học thế kỷ 21 trên toàn cầu (Tytler, 2007). Công dân có tri thức khoa học là những nhà tư duy phê phán, những người có thể giải quyết hiệu quả hậu quả của thế giới công nghệ cao (Bryan và cộng sự, 2011). Cấu trúc của tri thức khoa học là đa khía cạnh và bao gồm phát triển năng lực tự học suốt đời (Bybee, 1997), bao gồm khả năng tham gia tranh luận về các vấn đề xã hội phức tạp (Sabelli, 2006). Đối với học sinh để đạt được kĩ năng khoa học, họ cần: hiểu biết về các ý tưởng khoa học cơ bản, đánh giá sự đa dạng của phương pháp nghiên cứu khoa học và nhận thức về quan điểm nhận thức luận của khoa học (Leuchter, Saalbach, & Hardy, 2014). Những nỗ lực cải cách gần đây của Hoa Kỳ được minh chứng trong chuẩn khoa học tự nhiên thế hệ mới (NGSS, 2013) thúc đẩy học tập tích cực, tạo động lực hỗ trợ học sinh học khoa học và phát triển cộng đồng thực hành cho việc học khoa học đích thực (Scogin & Stuessy, 2015).

Tương tự, mục tiêu hướng đến của giáo dục STEM là tri thức công nghệ (technological literacy) và tri thức công nghệ thông tin (information technology literacy) là những thành tố của năng lực công dân thế kỷ 21 mà tất cả học sinh cần phát triển để tham gia hiệu quả trong thế giới luôn thay đổi (Beavis, 2007; Chan, 2010; Gee, 2010). Sự tăng trưởng theo cấp số nhân của công nghệ số trong những năm gần đây đã thay đổi bộ mặt của giáo dục phổ thông (Kong, 2014), và sinh viên được yêu cầu phát triển những năng lực mới để tham gia vào thế giới kỹ thuật số một cách hiệu quả (Gut, 2011). Thuật ngữ ‘tri thức công nghệ’ và ‘tri thức ICT’ thường được sử dụng thay thế cho nhau, với định nghĩa thường được sử dụng để xây dựng với nội hàm là "sự quan tâm, thái độ và khả năng của các cá nhân để sử dụng công nghệ kỹ thuật số và các công cụ truyền thông một cách thích hợp để truy cập, quản lý, phân tích và đánh giá thông tin, xây dựng kiến thức mới và giao tiếp với những người khác để mà tham gia có hiệu quả trong xã hội (OECD, 2003).

Trong những năm gần đây, nhiều nước phát triển đã triển khai cải cách giáo dục kỹ thuật tại các trường K-12 (Lachapelle & Cunningham, 2014). Lý do cho cải cách ban đầu này được củng cố bởi ý tưởng phát triển tri thức công nghệ của học sinh, và năng lực thiết kế cơ bản (Cajas 2001). Cải cách giảng dạy khoa học ở Mỹ (NGSS, 2013) tìm cách tích hợp kỹ thuật-công nghệ với các lĩnh vực STEM khác, với mục tiêu phát triển năng lực, tri thức kĩ thuật của học sinh. Công cụ để phát triển năng lực kĩ thuật là cấu trúc tư duy kỹ thuật, bao gồm các quy trình thiết kế kỹ thuật và thói quen tư duy kỹ thuật (bao gồm cả các năng lực như tư duy hệ thống, hợp tác và sáng tạo) (NRC, 2012).

Các sáng kiến toàn cầu để nâng cao chất lượng của toán học trong trường học là sự tập trung có ảnh hưởng lớn trong giáo dục hơn nửa thế kỷ qua, với nhiều sáng kiến được thiết kế để nâng cao tình trạng cạnh tranh của các quốc gia trên đấu trường quốc tế, qua cải thiện thành tích học sinh các cấp (Tarr, Grouws, Chávez & Soria, 2013). Tri thức toán học thường được định nghĩa là khả năng nhận dạng, hiểu và tham gia vào toán học; là khả năng đưa ra các đánh giá thông tin về vai trò của toán học trong cuộc sống hàng ngày để hành động như một công dân biết suy nghĩ (Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế, 2006).

Việc xác định rõ các nội hàm của tri thức từng lĩnh vực cũng như tri thức STEM là vấn đề nghiên cứu thời sự. Việc xác định các thành tố thiết yếu của tri thức STEM là việc cần làm đầu tiên trong mô hình vận hành giáo dục STEM ở trường phổ thông. Định hướng về nội dung đã được thể hiện rõ trong nhiều nghiên cứu. Những định hướng có thể được tóm tắt trong những nguyên tắc sau đây khi xác định về nội dung giáo dục STEM:

Dựa vào bối cảnh. Được đề xuất bởi Bybee (2010) và khung khoa học của PISA, để thúc đẩy học sinh học, áp dụng và tiếp tục khám phá kiến thức STEM, các chủ đề phải liên quan đến cá nhân, xã hội và bối cảnh toàn cầu. Ví dụ, vấn đề tái tạo năng lượng có thể kích thích nhu cầu khám phá của người học trong việc sử dụng, bảo tồn và sử dụng năng lượng hiệu quả đối với chính bản thân, gia đình và địa phương của họ. Đồng thời, có thể hướng người học dự đoán, kiểm tra và cố gắng kiểm soát tác động của việc chuyển đổi không sử dụng nhiên liệu dạng hóa thạch.

Module hóa. Bybee (2010) đề xuất nên xây dựng các module giảng dạy ngắn dưới dạng các chủ đề STEM để dạy học STEM do tính khả thi và thuận lợi, thay vì đưa một chương trình giảng dạy STEM quy mô lớn vào các trường học. Việc xây dựng các chủ đề STEM sẽ khuyến khích được các giáo viên cộng tác, và do đó phát triển chuyên môn của họ.

Làm rõ sự tồn tại của E và T. Một số nghiên cứu cho thấy lĩnh vực STEM thường được chú trọng đối với khoa học và toán học, mà chưa chú trọng đúng mức tới các yếu tố công nghệ và kỹ thuật, trong khi những ứng dụng thực tiễn trong cuộc sống chủ yếu liên quan tới hai lĩnh vực này (Bybee, 2010; English, 2016; Moore & Smith, 2014; Roberts, 2012). Vai trò của công nghệ và kỹ thuật trong sự phát triển của khoa học hiện đại cần được chỉ rõ và được thể hiện trong quá trình dạy học STEM. Tích hợp ngữ cảnh của kĩ thuật và công nghệ để xây dựng các hoạt động dạy học STEM nhằm mục đích tăng cường mối liên hệ giữa các yếu tố S, T, E, M một cách có chủ đích và chặt chẽ. Theo hướng tiếp cận này, mục tiêu dạy học không phải là kiến thức khoa học và công nghệ, mà chính kỹ thuật thiết kế hay giải quyết vấn đề như một phương pháp sư phạm để giúp học sinh học nội dung.

Về mặt phương pháp dạy học, sự khuyến cáo đã được nhiều nghiên cứu chỉ ra đó là các phương pháp dạy học tích cực thông qua việc tổ chức các hoạt động tìm tòi, khám phá, thiết kế, chế tạo, thử nghiệm của học sinh. Mô hình dạy học 6E của DeSIGN Tm Model, được đề xuất bởi Hiệp hội các nhà giáo dục Kỹ thuật và Kỹ thuật Quốc tế, được sử dụng trong dự án này. Bằng cách sử dụng mô hình 6E, người học sẽ tham gia vào khám phá, giải thích, kỹ thuật (engineering),  mở rộng, và đánh giá đối với cách giải quyết của chính họ cho các vấn đề CERN trong đó đòi hỏi vận dụng kiến thức toán và khoa học. Mô hình toán học sẽ được kết hợp trong khi học sinh thiết kế, thử nghiệm, và sửa đổi các giải pháp riêng của họ cho các vấn đề CERN. Công cụ tính toán dựa trên đồ hoạ, chẳng hạn như STELLA (http://www.iseesystems.com) hoặc Powersim (http://www.powersim.com), sẽ là được sử dụng để hỗ trợ sinh viên mô hình động lực hệ thống.

Dựa trên nền tảng cách học (cách khám phá tri thức). Để nâng cao kết quả học tập của học sinh, thiết kế các hoạt động giảng dạy theo định hướng STEM được tuân thủ các nguyên tắc dựa trên nghiên cứu về cách thức học tập của con người (research-based principles of how people learn), lấy người học làm trung tâm với công nghệ là công cụ hỗ trợ đắc lực. Các hoạt động dạy học theo STEM mang tính chất người học trung tâm (learned-center).

Một các tổ chức dạy học cũng đã được xem xét cho hiêu quả khả quan trong lĩnh vực công nghệ và kỹ thuật đó là việc học dựa trên thiết kế (DBL). DBL là một phương pháp tiếp cận học hỏi dựa trên yêu cầu tập trung vào việc tạo ra các hiện vật, hệ thống và giải pháp mới lạ và sáng tạo (Puente, van Eijck, & Jochems, 2013). Học sinh tham gia giải quyết các vấn đề thiết kế thực tiễn, và kết hợp các quy trình lý thuyết và thí nghiệm kiểm tra. Quá trình này bao gồm lập kế hoạch và thiết kế trong môi trường học tập xác thực, đưa ra quyết định lặp đi lặp lại, xây dựng dự đoán, tạo giải pháp, thử nghiệm nguyên mẫu và báo cáo kết quả (Doppelt, Mehalik, Schunn, Silk, & Krysinski, 2008). Thiết kế kỹ thuật là trọng tâm của sự chú ý gần đây trong các tài liệu giáo dục do khả năng thu hút học sinh vào giải quyết vấn đề thực tiễn (English, Hudson, & Dawes, 2013; Purzer, Goldstein, Adams, Xie & Nourian, 2015).

Những nghiên cứu về môi trường học tập đối với giáo dục STEM cũng chỉ ra các yêu cầu cũng như chỉ ra thế mạnh nổi trội của công nghệ thông tin cũng như lập trình robot (robotics). Lớp học kỹ thuật số là môi trường học tập hiện đại cho phép học sinh phát triển kỹ năng tư duy về đọc viết và công nghệ xuyên suốt các hoạt động học tập hàng ngày (Kong, 2014). Về bản chất, đó là các phòng học tiêu chuẩn tích hợp công nghệ di động, chẳng hạn như máy tính xách tay, máy tính bảng và điện thoại thông minh vào quá trình giảng dạy và học tập. Học sinh có thể sử dụng thiết bị di động của họ để truy cập học tập kỹ thuật số các đối tượng và tài nguyên để hỗ trợ việc học các nội dung liên quan (Chan, 2010). Lý do cho việc sử dụng công nghệ di động là một thực tế - phần lớn học sinh sở hữu và sử dụng thiết bị di động và các thiết bị này đã trở thành một yếu tố thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày của họ (Song, 2014). Những ưu điểm khác của những lớp học này bao gồm cung cấp phương tiện cho học sinh quyền truy cập vào nhiều loại nguồn học tập và phát triển khả năng của họ để xử lý và đồng hóa thông tin từ nhiều nguồn STEM khác nhau (Gut, 2011; Wong & Looi, 2011).

Hai phương pháp học tập kỹ thuật số đã được tìm thấy là hiệu quả trong các lớp STEM là học tập dựa trên trò chơi kỹ thuật số và mô phỏng trên máy tính. Học tập dựa trên trò chơi kỹ thuật số là hình thức học tập dựa trên sự trợ giúp của máy tính đã được chứng minh là tăng động lực và tạo điều kiện học tập trong môi trường công nghệ (Gee, 2007; Kiili, 2007; Prensky, 2001).

Một phương pháp sư phạm quan trọng đã được chú ý nhiều hơn trong những năm gần đây tập trung vào việc tích hợp lập trình máy tính và robot trong học tập (Israel, Pearson, Tapia, Wherfel, & Reese, 2015). Nghiên cứu cho thấy rằng nhiều học sinh có xu hướng sử dụng công nghệ như người dùng cuối, thay vì tập trung vào việc học để phát triển công nghệ (Kafai, Burke, & Resnick, 2014). Như vậy, hoạt động thực hành trong lớp học cần phải chuyển sang các hoạt động quảng bá học tập và tạo lập. Lập trình máy tính và robot đã được đề xuất là công nghệ học tập có thể cho phép phát triển năng lực, chẳng hạn như giải quyết vấn đề và kỹ năng tư duy bậc cao (Fessakis, Gouli, & Mavroudi, 2013).

Học sinh tham gia vào robot cũng đã được chứng minh là quá trình thực hành có hiệu quả rất cao, đặc biệt trong lĩnh vực lập trình và robot tương tác (Bers et al., 2014). Tương tự với lập trình máy tính, nghiên cứu đã chỉ ra rằng các học sinh trẻ tham gia vào hoạt động sáng tạo robot có thể tạo điều kiện học tập hiệu quả. Ngoài việc phát triển kỹ năng giải quyết vấn đề, sự tham gia vào các thao tác robot đã cho thấy phát triển kỹ năng vận động và phối hợp tay-mắt (Bers, 2008).

TS. Phan Đức Ngại - CRES - UKH