Trong số báo trước, Khoa học và Phát triển đã giới thiệu một bài viết về việc tích hợp Makerspace (Không gian Làm) vào thư viện như một cách đơn giản để học sinh dễ dàng tiếp cận giáo dục STEM.
Bài viết dưới đây sẽ làm rõ, một Makerspace như vậy cần được trang bị những gì để không chỉ đáp ứng các chủ đề trong khung chương trình giáo dục phổ thông mới mà cả các chủ đề tự do hay mang yếu tố địa phương.
Định hướng giáo dục STEM đang được triển khai như một hướng đi quan trọng trong giáo dục và đào tạo tại nhiều nước trên thế giới và được nhấn mạnh trong chương trình giáo dục phổ thông mới của nước ta (Thông tư 32/2018/TT-BGDĐT ban hành ngày 26/12/2018).
Việc chú trọng giáo dục STEM trong chương trình phổ thông mới, đặc biệt ở các môn học như Toán học, Tin học, Công nghệ, là hết sức kịp thời, để bắt nhịp với Cách mạng Công nghiệp lần thứ 4 mà bản chất là quá trình tích hợp của hàng loạt công nghệ mới như robot với trí tuệ nhân tạo, Internet vạn vật, dữ liệu lớn, điện toán đám mây, công nghệ sinh học, thực tại ảo...
Tuy nhiên, Việt Nam có đến 70% dân số phân bố ở khu vực nông thôn; điều kiện cơ sở vật chất cho trường học còn nhiều khó khăn; đội ngũ giáo viên được đào tạo để dạy các môn học một theo cách riêng lẻ (chưa theo hướng tích hợp) khá tốt, song năng lực tiếp cận công nghệ còn hạn chế. Vậy giải pháp nào là phù hợp để Việt Nam có thể triển khai Giáo dục STEM, đặc biệt trong lĩnh vực Robot và Công nghệ cao?
Bài viết dưới đây dựa trên các số liệu và kinh nghiệm của tác giả trong quá trình hỗ trợ phát triển giáo dục STEM tại các trường học ở nông thôn và một số trường thành phố, từ việc tập huấn cán bộ quản lý, giáo viên đến việc dạy trực tiếp học sinh ở cả ba cấp học (Tiểu học, THCS, PTTH) hơn 3 năm qua.
Chữ R thứ 4
So sánh một cách tương đối thì máy tính cá nhân là thiết bị dạy học đặc trưng cho Cách mạng Công nghiệp lần thứ 3 được đưa vào trường học, còn robot là thiết bị dạy học đặc trưng cho Cách mạng Công nghiệp lần thứ 4 cần được phổ biến rộng rãi trong trường học.
Robot hay lập trình robot ngày càng được coi là chữ R tiếp theo cần bổ sung vào bộ các kỹ năng R được dạy trong trường học là: “Reading - Đọc, wRriting - Viết, aRithmatic - Tính toán số học, và Robotics - Lập trình Robot” để giúp học sinh thành công trong thời đại dựa sâu vào nền tảng công nghệ.
Robot tích hợp tất cả các lĩnh vực STEM theo cách mà không môn học nào có thể bao quát, từ lĩnh vực cơ khí, điện, điện tử, kỹ thuật điều khiển, khoa học máy tính cho đến vật lý, toán học... Việc sử dụng robot để học lập trình trong môn tin học, hoặc thực hiện các chủ đề của môn công nghệ, toán học hay vật lý… có những lợi ích rõ nét như: giúp việc học hấp dẫn hơn; mang lại các trải nghiệm thực hành thực tế; học sinh được bàn bạc, suy nghĩ, lập trình, thử nghiệm và tự đánh giá được ngay tức khắc ý tưởng, giải pháp của mình qua đó phát triển được kỹ năng việc nhóm, tư duy sáng tạo và năng lực giải quyết vấn đề.
Hiện tại có nhiều loại robot và các thiết bị dạy học trong lĩnh vực STEM Robot và Công nghệ cao như:
- Robot Lego: Ưu điểm là có hệ thống phân phối toàn cầu, trẻ em yêu thích việc lắp ráp Lego giờ đây có thể sáng tạo các mô hình và lập trình để các mô hình hoạt động. Tuy nhiên, giá thành của loại robot này khá cao (bộ LEGO MINDSTORMS Education EV3 có giá khoảng 15 triệu đồng), khó phổ biến toàn quốc, đặc biệt đối với các vùng nông thôn.
- Các loại robot và thiết bị nhập khẩu khác: Cũng có ưu điểm là có hệ thống phân phối ở nhiều quốc gia và có các cuộc thi quốc tế, nhưng vướng yếu tố bản quyền và nhượng quyền thương mại nên giá thành cũng còn ở mức cao.
- Các loại robot và thiết bị tự xây dựng dựa trên nền tảng mở: sử dụng phần cứng mở như Arduino hoặc Rasberry Pi để làm bộ điều khiển; sử dụng phần mềm mở như Scratch, hoặc Google Blockly để thiết kế giao diện lập trình. Theo cách tiếp cận này, chi phí sẽ rẻ và không bị vướng bản quyền, nhượng quyền thương mại. Ngoài ra, do nền tảng mở, giáo viên và học sinh có thể tự xây dựng công cụ cả phần cứng và phần mềm cho riêng mình. Đây cũng là cách tiếp cận mà bài viết đề cập trong phần tiếp theo.
Nền tảng mở - công cụ tiếp cận giáo dục STEM bình đẳng
Các thiết bị công nghệ ngày nay thường hợp thành từ 2 thành phần chính - Phần cứng và Phần mềm. Hai thành phần này đều có hai hướng phát triển là hướng đóng (các thiết kế là bí mật và bản quyền của hãng) và hướng mở (Open source – người sử dụng có thể truy cập, chỉnh sửa, phân phối sản phẩm miễn phí hoặc theo các điều khoản cụ thể). Hướng mở đặc biệt thích hợp cho lĩnh vực giáo dục vì người học được tự do tìm hiểu, sử dụng và phát triển công cụ cho mục đích học tập của mình.
Bản thân chúng tôi cũng nghiên cứu giải pháp phát triển giáo dục STEM lĩnh vực công nghệ cao trong điều kiện Việt Nam theo hướng sử dụng nền tảng mở, cụ thể: sử dụng phần mềm mở (Google Blockly, Scratch) để phát triển phần mềm lập trình kéo thả KidsCode; sử dụng nền tảng phần cứng mở Arduino để chế tạo robot giáo dục (KCbot) và xây dựng các bộ học tập Arduino theo chủ đề môn học (Nông nghiệp 4.0, Nhà phát minh điện tử, Cảm biến và Dữ liệu…);
Có thể sử dụng robot để khởi đầu việc dạy STEM lĩnh vực công nghệ vì robot là một hệ thống tự động hóa đầy đủ, rất sinh động và lôi cuốn. Khi đã làm chủ được robot giáo dục, học sinh sẽ có kiến thức cơ bản về điện tử và ngôn ngữ lập trình (Kéo thả Scratch, lập trình C/C++, Python…). Học sinh cũng hình thành được kỹ năng lập trình, tư duy thiết kế kỹ thuật và các kỹ năng mềm khác như làm việc nhóm, lập kế hoạch. Những kiến thức, kỹ năng và tư duy thu được đó hợp thành năng lực giải quyết vấn đề của người học, để khi áp dụng vào các đối tượng khác nhau trong cuộc sống sẽ cho ra những sản phẩm hữu ích: Nếu đối tượng là nhà thì học sinh có thể biến nó thành nhà thông minh, có giám sát an ninh, điều khiển thông minh, tiết kiệm năng lượng…; nếu đối tượng là cây thì học sinh có thể phát triển thành mô hình nông nghiệp công nghệ cao…
Phòng Lab STEM, hay cũng là không gian Makerspace, sẽ là nơi tốt nhất để tiến hành việc học STEM Robot và Công nghệ cao. Không gian này được trang bị đầy đủ các loại thiết bị giúp chế tạo cơ khí, thiết kế, lập trình, chế tạo mạch điện tử, cung cấp các vật liệu và tài liệu STEM, cho phép học sinh học tập theo các chủ đề trong chương trình phổ thông mới và theo các chủ đề tự do sáng tạo hay mang yếu tố địa phương, cụ thể như sau:
Các thiết bị STEM như máy in 3D, máy cắt CNC cỡ nhỏ có nhiệm vụ chế tạo cơ khí cho sản phẩm. Nhờ công nghệ in 3D mà giờ đây việc chế tạo đơn chiếc, cá nhân hóa đã dễ dàng hơn bao giờ hết. Việc thiết kế các chi tiết được thực hiện bằng việc sử dụng các phần mềm thiết kế 3D phù hợp với lứa tuổi học sinh, điển hình như TinkerCad.
Các bộ học tập theo chủ đề: Trang bị cho học sinh các mạch điều khiển như Arduino, Rasberry Pi, module điện tử phần cứng mở thông dụng như: Module đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, dòng điện, âm thanh, module Rơ-le, module truyền thông Bluetooth. Đối với học sinh phổ thông chưa có nhiều hiểu biết về các linh kiện điện tử, thì giải pháp sử dụng phần cứng mở Arduino và các Module điện tử thông dụng giúp đơn giản hóa việc thiết kế hệ thống điều khiển.
Phần mềm lập trình: Ở cấp đại học, sinh viên có đủ năng lực sử dụng các công cụ và ngôn ngữ lập trình dạng text như: ngôn ngữ lập trình C, C++, Python. Tuy nhiên đối với học sinh phổ thông, nhất là học sinh Tiểu học và THCS, việc sử dụng ngôn ngữ C/C++ để học tập gặp nhiều khó khăn, gần như bất khả thi vì sự phức tạp trong việc hiểu và thuộc ngôn ngữ làm giảm hứng thú học tập của học sinh. Giải pháp thay thế là ta sẽ sử dụng các phần mềm lập trình dạng kéo/thả như Scratch, KidsCode giúp học sinh chỉ cần có kiến thức toán cơ bản, biết sử dụng máy tính và chuột đã có thể tiến hành lập trình một cách đơn giản.
Tài liệu STEM là các bài học STEM đi kèm các thiết bị và chủ đề được trang bị ở dạng in quyển hoặc học liệu Online.
Sử dụng phần mềm lập trình kéo/thả kết hợp với phần cứng mở Arduino trên cơ sở bám sát chương trình giáo dục phổ thông để chọn các chủ đề và soạn thành các bộ học tập cũng như giáo trình, giáo án đi kèm là giải pháp giúp học sinh phổ thông các trường toàn quốc được tiếp cận giáo dục STEM một cách hiệu quả và bình đẳng. Vì tính chất mở nên giải pháp này có giá thành cạnh tranh nhất và có khả năng lan tỏa rộng rãi.
Ngoài ra, cũng vì tính chất mở nên giáo viên và học sinh có thể hiểu biết sâu sắc các công cụ. Từ đó giáo viên sẽ chủ động sử dụng, cải tạo công cụ, biên soạn những nội dung dạy học STEM mới; còn học sinh có thể tự tìm tòi, luyện tập chế tạo các sản phẩm ứng dụng trong đời sống.
Những năm qua, Liên minh STEM Việt Nam đã tập huấn nhận thức về giáo dục STEM cho khoảng 10 nghìn lượt giáo viên phổ thông ở hơn 20 tỉnh, thành phố thuộc cả ba miền, trong đó luôn nhấn mạnh giải pháp kết hợp phần cứng mở, phần mềm mở như một phương pháp đánh thức năng lực của đội ngũ giáo viên.
Hỗ trợ về đào tạo, tư vấn của Liên minh STEM Việt Nam đã giúp cho sự ra đời của hơn 400 CLB STEM trong các trường học, trong đó hơn 200 CLB có trang bị robot. Có những địa phương đã tổ chức thi đấu robot cho các cấp tiểu học và trung học cơ sở nhiều lần như huyện Nam Trực – Nam Định, huyện Thanh Chương – Nghệ An. Nhiều địa phương đã tổ chức Ngày hội STEM, trong đó có phần thi robot là hoạt động nổi bật, như Kiến An – Hải Phòng, Thái Thụy – Thái Bình, Trường THCS Trưng Vương – Hà Nội, Trường Tiểu học Bế Văn Đàn – Điện Biên…