Thực hành quy trình thiết kế kỹ thuật trong dạy học STEM

Chương trình giải thưởng Toả sáng sức mạnh tri thức do cô giáo Đào Thị Hồng Quyên chủ trì đang tập huấn cho giáo viên ở 33 huyện/thị xã thuộc 15 tỉnh/thành phố về bốn chuyên đề giáo dục STEM, gồm: Quy trình Khoa học trong dạy học STEM; Quy trình thiết kế kỹ thuật trong dạy học STEM; Robotics và AI; Dự án nghiên cứu khoa học kỹ thuật. Bài viết dưới đây tập trung nói về Quy trình thiết kế kỹ thuật trong dạy học STEM.

Chuyên đề do TS Đặng Văn Sơn (Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐH Quốc gia Hà Nội), ThS Nguyễn Thành Chung (Trường ĐH Sư phạm Hà Nội); cô giáo Đặng Thị Thu Hà (đồng tác giả SGK Công nghệ lớp 8 và lớp 10) hướng dẫn, nhằm trang bị tư duy thiết kế và phương pháp dạy học hiệu quả, giúp các bán bộ quản lí và giáo viên tháo gỡ khó khăn để tiếp tục triển khai giáo dục STEM trong năm học mới.

Chuyên đề được thực hiện như một buổi lên lớp, người học có “một vé về tuổi thơ” để học tập và cảm nhận những gì học sinh sẽ trải qua trên con đường này, khó khăn và thuận lợi đến từ đâu; thành công hay thất bại đều dẫn đến bài học nhưng mức độ sâu sắc khác nhau như thế nào; đặc biệt là giáo viên cần làm gì để hình thành năng lực và phẩm chất cho những học sinh gặp những vấn đề khác nhau, có suy nghĩ, kinh nghiệm, điều kiện và khả năng khác nhau để đạt mục tiêu dạy học chung.

Mở đầu chuyên đề, các giáo viên cùng nhau đứng tại chỗ, tập theo video “Brain gym”. Hoạt động khởi động não bộ này giúp cho giáo viên hiểu rằng sẽ khó có một trí tuệ minh mẫn và suy nghĩ tích cực, sáng tạo trong một cơ thể yếu mệt; khi não bộ đã được huấn luyện và hình thành thói quen thì mỗi thay đổi đều cần có thời gian để thích nghi và hình thành thói quen mới; ngay cả người lớn cũng không hoàn toàn điều khiển tốt toàn bộ cơ thể của mình nên giáo viên cần quan tâm tới những học sinh nhỏ tuổi có vận động tinh chưa tốt và kinh nghiệm chưa nhiều để thiết kế bài học, các hoạt động dạy học và kiểm tra đánh giá cho phù hợp.

Tiếp theo, nội dung khái quát về thiết kế kỹ thuật và các bước cơ bản của quy trình thiết kế kỹ thuật được giới thiệu và phân tích ở nhiều cấp độ tương ứng với nhiều cấp học để giáo viên áp dụng cho phù hợp với mỗi đối tượng học sinh, giúp việc cá nhân hóa trong học tập trở nên khả thi.

Thực hành quy trình thiết kế kỹ thuật là hoạt động đòi hỏi người học biết áp dụng đúng quy trình, không bỏ bước, biết sử dụng cả công cụ tư duy và công nghệ vào giải quyết vấn đề thực tiễn.

Quy trình thiết kế kỹ thuật trong giáo dục STEM không yêu cầu phức tạp như việc thiết kế kỹ thuật của các kỹ sư nhưng cũng gồm đầy đủ các bước: xác định vấn đề; tìm hiểu tổng quan; xác định yêu cầu cần đạt; đề xuất, đánh giá và lựa chọn giải pháp (trình bày bằng một bản thiết kế); hiện thực hóa giải pháp (làm mẫu thử); thử nghiệm, đánh giá và điều chỉnh giải pháp; lập hồ sơ kỹ thuật (có thể thay bằng giấy giới thiệu hoặc hướng dẫn sử dụng) của giải pháp.

Trong quá trình đó, một số bước được tiến hành song song, lặp đi lặp lại cho tới khi đạt kết quả mong muốn. Một số bước có thể gộp lại cho quy trình đơn giản hơn với các cấp học THCS, tiểu học và mầm non.

Kết quả của hoạt động thiết kế kỹ thuật là giải pháp, sản phẩm công nghệ được tạo ra trên cơ sở vận dụng kiến thức toán học, khoa học tự nhiên, kỹ thuật và công nghệ để giải quyết tương đối toàn diện vấn đề thực tiễn đặt ra từ đầu.

Khi thực hành quy trình thiết kế kỹ thuật trong các nhà trường, bối cảnh và điều kiện dạy học cụ thể cùng văn hóa cộng đồng, bản sắc địa phương là những yếu tố quan trọng cần được xem xét để xây dựng các chủ đề học tập thiết thực, giải quyết các vấn đề thực tiễn gần gũi, mang lại động lực và niềm vui học tập bền vững cho cả thầy và trò.

Các hoạt động thực hành về quy trình thiết kế kỹ thuật được sắp xếp từ dễ đến khó, từ trải nghiệm nhanh đến bài học rồi mở rộng thành dự án. Trong buổi tập huấn, quá trình thực hành gồm các nội dung: thử thách thiết kế nhiều loại mối ghép nhất có thể từ hai tờ giấy A4, làm thế nào để nâng được nhiều vật nặng nhất lên khỏi mặt đất bằng một tờ giấy A4, thiết kế một cái tháp từ hai tờ báo sao cho cao nhất và đứng vững trong 10 phút; đề xuất một vấn đề thực tiễn và thiết kế một giải pháp theo hướng robotic (lập bản vẽ và làm mô hình); tất cả chỉ được sử dụng giấy, bút chì, thước và kéo, không sử dụng bất cứ chất kết dính hay công cụ nào khác trong thiết kế. Các bài học được khuyến khích mở rộng thực hành với nhiều loại vật liệu và khảo sát thêm biến số khác.

Trong thử thách thiết kế các mối ghép, một số ít nhóm đã làm được cả những mối ghép của các chi tiết phẳng (2D) và chi tiết hình khối (3D). Ở bài học tiếp theo, người học kiểm chứng được khối hình cơ bản nào (hình hộp chữ nhật, hình lăng trụ, hình chóp, hình nón, hay hình trụ) có khả năng chịu lực tốt nhất đồng thời người học cũng hiểu hơn về vật liệu: khi thay đổi hình dạng, cấu trúc của vật liệu thì tính chất của vật liệu cũng thay đổi.

Dự án xây dựng tháp giấy hay làm mô hình robot được yêu cầu thực hiện đầy đủ theo từng bước của quy trình thiết kế kỹ thuật. Các nhóm tiến hành thiết kế rất sôi nổi, tạo được sản phẩm và chia sẻ trước cả lớp để các nhóm nhận xét và góp ý cho nhau. Tuy nhiên, một số nhóm đã bỏ qua bước lập bản vẽ cho sản phẩm mà thiết kế theo ý tưởng ban đầu của một thành viên trong nhóm. Đây cũng chính là thói quen của học sinh mà giáo viên cần giúp các em điều chỉnh dần bởi việc trao đổi, thiết kế và đánh giá thông qua bản vẽ trước khi làm mô hình thử nghiệm là rất cần thiết, tránh lãng phí về thời gian, tài nguyên và nguồn lực cũng như giảm thiểu sự thất bại.

Thông qua hoạt động này, giáo viên hiểu rõ về những khó khăn và thuận lợi trong hoạt động nhóm, áp lực về thời gian, sự kết nối và truy suất kiến thức đã biết với nhiệm vụ thực tế, những hạn chế về điều kiện và năng lực thực hành, sự khác biệt giữa các cá nhân, vai trò của giao tiếp và khả năng bày tỏ suy nghĩ trong quá trình giải quyết vấn đề...

Đan xen giữa các phần nội dung của chuyên đề, các giáo viên được giới thiệu một số phương pháp, kỹ thuật dạy học tích cực (kỹ thuật đặt câu hỏi 5W1H, KWHL, câu hỏi Socrates…) và tư duy liên môn nhằm tháo bỏ các nút thắt của đa số giáo viên trong triển khai dạy học STEM chính khóa.

Ví dụ, áp dụng kỹ thuật đặt câu hỏi kết hợp với trí tưởng tượng, kĩ năng quan sát để phát hiện vấn đề thực tiễn thông qua các từ khóa như Muỗi, Nước, Cổng trường an toàn… giúp người học biết cách tiếp cận thực tiễn theo nhiều chiều cạnh và mang tính hệ thống. Chẳng hạn, nói đến Muỗi, có người nghĩ đến nguyên nhân lây bệnh truyền nhiễm, có người muốn xua đuổi muỗi, có người muốn tiêu diệt muỗi, có người muốn nghiên cứu cách chúng hoạt động, có người muốn thu thập dữ liệu, có người nghĩ đến thiết bị bay linh hoạt; theo hướng muốn xua đuổi muỗi, nhà vật lí, nhà hóa học hay nhà sinh vật học lại đưa những giải pháp khác nhau là dùng sóng siêu âm, dùng hóa chất phun hay bôi lên cơ thể, thả muỗi đực đã triệt sản ra môi trường… Từ đó, một vấn đề thực tiễn cần giải quyết được liên hệ với kiến thức của nhiều môn học, tạo cơ hội cho các giáo viên của nhiều môn học cùng xây dựng một chủ đề STEM hay một dự án STEM chung mà triển khai được nhiều bài học, đánh giá được kiến thức của nhiều môn học giúp học sinh tránh được tình trạng quá tải dự án trong một học kì.

Trong khi hướng dẫn quy trình kỹ thuật cho học sinh, các thầy cô có thể giới thiệu cho học sinh 17 mục tiêu phát triển bền vững của thế giới để các em biết đồng cảm với những nỗi đau của người khác, nhạy bén trong phát hiện những khó khăn và bất tiện của cuộc sống, biết khai thác thiên nhiên phải đi đôi với bảo vệ môi trường; hay tổ chức chiếu phim khoa học về các phát minh của loài người được lấy cảm hứng hay sao chép từ tự nhiên để các em hiểu rằng nhiều vấn đề phức tạp của thực tiễn có thể được giải quyết theo cách đơn giản của tự nhiên.

Xây dựng một cộng đồng giáo viên học tập ở mỗi địa phương cũng là thành quả sau mỗi chuyên đề. Cộng đồng giáo viên chính là người thầy gần gũi, sáng tạo và hiểu rõ tình hình giáo dục địa phương nhất. Tri thức đến từ cộng đồng giáo viên lại được phát triển thông qua chính lăng kính của cộng đồng, giúp cho không chỉ chất lượng giáo dục, mà cả chất lượng các sản phẩm, dịch vụ khác của địa phương cũng tăng lên, đặc biệt là chất lượng của nguồn nhân lực. Vì lẽ đó, các hoạt động sau tập huấn và sự đồng hành của các Phòng Giáo dục và Đào tạo, Liên minh STEM và các chuyên gia với các nhà trường là rất thiết thực và cần được duy trì trong suốt năm học.

Bài 1: Thúc đẩy giáo dục STEM: Vai trò hàng đầu của hiệu trưởng

Bài 2: Thúc đẩy giáo dục STEM ở nông thôn và miền núi: Năm “người thầy” sẵn có

Bài 3: Điện thoại thông minh – phòng thí nghiệm thời 4.0