Giáo dục STEM: Sẽ quan trọng như dạy đọc, dạy viết

Hướng tới tư duy máy tính

Câu chuyện cậu bé 14 tuổi có thể chế tạo Robot trong bộ phim hoạt hình Big Hero 6 gần đây có thể bị nhiều người cho là viễn tưởng. Tuy nhiên, trên thực tế, nhiều nước trên thế giới đã triển khai chương trình dạy về robot cho học sinh từ nhà trẻ đến lớp 12. Nói cách khác, từ bốn tuổi, trẻ em đã có thể lắp ráp, lập trình và điều khiển robot thực hiện các nhiệm vụ theo ý mình. Và dạy về robot là một trong những ví dụ rõ nét về phương pháp giáo dục STEM - viết tắt của bốn từ: Science, Technology, Engineering và Mathematics (nghĩa lần lượt là Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học).

Giáo dục STEM hướng dẫn người học kết hợp kiến thức của bốn môn này và phối hợp với nhau để kiến tạo năng lực thông qua các tình huống thực tế. Giả sử, để vận hành một con robot đi từ điểm A đến điểm B, người học phải vận dụng kiến thức toán học, vật lý để tính số vòng mà mô tơ của robot cần phải quay để đi hết quãng đường trên; sử dụng kiến thức về kỹ thuật, khoa học để lắp robot sao cho gọn nhẹ nhất; và sử dụng kiến thức về công nghệ để lập trình robot trên máy tính. Bên cạnh việc dạy về robot, có nhiều hoạt động ngoại khóa khác đang được thực hiện ở trường phổ thông như hướng dẫn các em làm thiệp, vẽ, làm phim hoạt hình… trên máy tính, cũng là một hình thức giáo dục STEM ở cấp độ đơn giản.

Điều quan trọng của giáo dục STEM không phải là những kiến thức của bốn môn học nó bao hàm mà là tư duy và kĩ năng mà nó mang lại để con người chuẩn bị làm chủ công nghệ trong những thập kỉ tới. Anh Nguyễn Thế Trung, Tổng giám đốc công ty DTT, một trong những công ty đầu tiên triển khai giáo dục STEM ở Việt Nam, nói: “Giáo dục STEM là một hình thức học qua hành trong thời đại số”.

“Trước kia, chúng ta thực hành môn Toán bằng cách đo đạc, thực hành các môn khoa học bằng cách quan sát các thí nghiệm thì giờ đây, vẫn với cách làm ấy, chúng ta có thêm sự trợ giúp của công nghệ.” Anh Thế Trung cho rằng, công nghệ hỗ trợ con người kiểm chứng những gì họ làm với tốc độ rất nhanh và vì vậy, giá trị của giáo dục STEM trước hết là giúp các em học thông qua việc “dám làm, sai thì sửa”: “Hiện tại, mọi điều đúng hay sai đều được khẳng định rất nhanh qua hệ thống internet. Nếu chúng ta bắt tay vào làm thì sẽ rút ra được bài học ngay lập tức. Còn nếu không thì chúng ta sẽ ngồi cân nhắc mãi vì càng ngày càng tiếp nhận nhiều thông tin và vì không làm, chúng ta không có cơ sở để đánh giá những thông tin đó là đúng hay sai.”

Ngoài ra, giáo dục STEM cũng rèn luyện cho người học tư duy phản biện. Khác với phương pháp học truyền thống, người học chỉ được quan sát và công nhận kết quả từ những thí nghiệm thực hành cơ bản, giáo dục STEM chỉ ra rằng, các em có thể dùng tất cả các tri thức có sẵn (dễ dàng tìm được trên internet) và tìm ra một phương pháp ưu việt hơn. Cuối cùng, giáo dục STEM hướng người đọc đến một tư duy cao hơn nữa: tư duy máy tính (computational thinking) - tư duy giải quyết vấn đề theo cách mà máy tính có thể hiểu được: “Nếu chúng ta ra lệnh cho máy tính một cách hợp lý thì nó sẽ thực hiện được những việc tốt hơn chúng ta tưởng”, anh Thế Trung nói.

Bên cạnh đó, giáo dục STEM cũng rèn luyện cho người học kỹ năng cộng tác và kỹ năng giải quyết vấn đề, phân tích chiến lược, chiến thuật... “Không chỉ đối với riêng những người theo đuổi những công việc liên quan đến các ngành STEM, những kỹ năng mà người học có được từ phương pháp giáo dục này có giá trị đối với tất cả mọi người, đây là những kỹ năng cơ bản của thế kỷ 21”, theo anh Thế Trung.

Trong hơn một thập kỷ tới, khi viễn cảnh vạn vật nối mạng (internet of things) trở thành hiện thực, mỗi đồ vật xung quanh con người trở nên thông minh do gắn kèm với cái máy tính thì giáo dục STEM sẽ quan trọng như dạy đọc và dạy viết ở phổ thông chứ không chỉ đơn giản là hoạt động vui chơi, ngoại khóa. “Nếu chúng ta không “xóa mù” tư duy máy tính bây giờ thì 10 năm nữa chúng ta sẽ phải lãnh hậu quả. Cũng giống như việc học Tiếng Anh, nếu cách đây 20 năm, có ai đó đứng ra “xóa mù” tiếng Anh cho tất cả học sinh phổ thông thì bây giờ chúng ta đã khác. Chính vì vậy, thay vì chờ đợi, chúng ta nên “xã hội hóa” giáo dục STEM. Và đó là điều chúng tôi đang làm”.

Cuối tháng 11 vừa qua, có 23 đội đến từ hơn 10 trường phổ thông của Việt Nam tham gia cuộc thi Robot quốc tế Digital Youth Award với chủ đề “Quản lý rác thải đô thị” (Zero Waste). Các em học sinh tham gia sẽ phải điều khiển robot đi trên một sa bàn và thực hiện các nhiệm vụ tượng trưng cho việc thu gom và xử lý rác thải. Trong đó, những túi rác thải được thể hiện bằng các khối lập phương khuyết một mặt và một trong những nhiệm vụ đưa ra là người tham gia phải lập trình sao cho robot tự động đến đúng vị trí, bằng một động tác xoay mô-tơ nhanh gọn có thể “ngoặc” vào đúng mặt khuyết của “khối rác” và vận chuyển tới các vị trí trong sa bàn. “Tôi thực sự ngạc nhiên khi thấy các em làm được như vậy,” anh Thế Trung nói. Nhưng, điều ngạc nhiên hơn là phần lớn các em học sinh thực hiện việc lập trình robot này mới chỉ học tiểu học, thậm chí có em đang học lớp Hai.

Những em học sinh này là thành viên của câu lạc bộ Robotics ở các trường do DTT tổ chức. Hiện nay, DTT triển khai chương trình của mình ở 18 trường Tiểu học tại Hà Nội, Đà Nẵng và TP Hồ Chí Minh. Học sinh thực hành trên Robot Mindstorms NXT (do LEGO sản xuất) và lập trình bằng các động tác kéo và thả chuột trên một phần mềm có giao diện trực quan theo chương trình chuẩn của Đại học Carnegie Mellon. Mỗi CLB như vậy có khoảng 20 học sinh và cứ một nhóm ba em được phát một bộ Robot để thực hành gồm các module, hay chính là bộ các cảm biến, mô-tơ và các thanh lắp ráp.

Vào những buổi học robot đầu tiên, học sinh được hướng dẫn về chức năng và cách thức lắp các module qua slide hình ảnh cụ thể nên việc lắp ráp và lập trình theo hướng dẫn có sẵn không phải là khó khăn. Vấn đề của các em nằm ở kỹ năng cộng tác. “Ban đầu lộn xộn lắm!”, một giáo viên đang giảng tại CLB Robotics của DTT ở trường phổ thông, nói. Cách mà các giáo viên hướng dẫn học trò của mình làm việc nhóm, đó là cho từng em lần lượt làm các nhiệm vụ: lắp ráp, lập trình để từ đó nhóm tự quyết định xem ai làm gì tốt nhất và có sự phân công hợp lý.

Điều thú vị trong chương trình giáo dục này đó là không có robot của nhóm nào là tốt nhất. Các em phải liên tục cải tiến robot của mình và các công trình phụ trợ xung quanh robot để có thể thực hiện các bài tập một cách tối ưu. “Quá trình các em lập trình, chạy thử và lập trình lại chứng tỏ rằng chương trình các em viết không hề mang tính sao chép. Khi lập trình đi lập trình lại robot để thực hiện các nhiệm vụ/bài tập một cách chính xác cũng là lúc các em biến những kiến thức đã học thành của mình và có những sáng tạo riêng,” anh Thế Trung cho biết.

DTT quyết định triển khai giáo dục STEM từ năm 2010 và “đặt chân” vào khối Tiểu học đầu tiên, theo anh Nguyễn Thế Trung, là do muốn xã hội hóa giáo dục STEM thì phải khiến cho mọi người chú ý đến nó trước: “Cách đây bốn năm, khi tôi nói rằng một học sinh tiểu học lớp Ba có thể lập trình để robot thực hiện các nhiệm vụ phức tạp trên sa bàn trong vòng 30 giây, mọi người chẳng mấy tin dù đó là sự thực.”

 Tự học STEM, tại sao không?

Để tổ chức các lớp học robot phục vụ giáo dục STEM cần một kinh phí không hề nhỏ: Mỗi một bộ robot đầy đủ của LEGO có giá từ 600-800 USD và chi phí bản quyền cho chương trình Robotics của Đại học Carnegie Mellon có thể lên tới hơn 20 triệu USD (cho tám nước Đông Nam Á với thời hạn năm năm). Mặc dù có thể được thực hành giáo dục STEM qua việc tạo ra những mô hình ảo trên máy vi tính với chi phí rất thấp  và tận dụng phòng tin học của các trường phổ thông nhưng điều đó không đủ. “Chúng ta đã làm chủ công nghệ phần mềm. Nếu muốn triển khai giáo dục STEM thành công thì nước ta cần phải làm chủ cả công nghệ phần cứng. Chúng ta phải tạo ra những công cụ giá rẻ hơn nhằm tạo điều kiện để các em học sinh có thể kiến tạo vật chất, trong đó có robot,” anh Thế Trung nói.

DTT đang nghiên cứu và phát triển công cụ đó - bộ module TUHOC (Tự học) được xây dựng dựa trên nền tảng Arduino, một nền tảng phần cứng nguồn mở của Ý có cộng đồng đông đảo nhất thế giới. Dự kiến, một bộ TUHOC cơ bản sẽ bao gồm các module: khối điều khiển trung tâm, đèn LED, nút bấm, loa, cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng, cảm biến âm thanh, cảm biến hồng ngoại, cảm biến siêu âm. Những module này được thiết kế chắc chắn với kích cỡ đủ lớn và có chân để cắm vào cùng một bảng mạch. Nhờ đó, các học sinh có thể tìm hiểu và thiết kế các thiết bị thông minh một cách dễ dàng (khác với những bộ có sẵn với linh kiện rời rạc, kích thước nhỏ, đồng thời khối điều khiển và các module khác không nằm trên cùng một bảng mạch nên phải nối dây rất nhằng nhịt và phức tạp). Anh Nguyễn Thế Trung cho biết, mục tiêu của DTT là có thể đưa chương trình TUHOC vào khối Trung học cơ sở vì “đây là thời điểm các em hình thành tính cách và thói quen tư duy. Nếu bây giờ quen với việc thực hành sáng tạo thì rất lâu về sau các em cũng vẫn giữ được điều đó”.

Anh Đinh Sỹ Quảng, trưởng nhóm phát triển bộ Module TUHOC, cho biết, một chương trình hoàn chỉnh từ việc tìm hiểu các module trong bộ TUHOC đến việc thiết kế thành thạo các đồ vật thông minh tùy thích có thể kéo dài ba-bốn năm: các em sẽ học từ những kiến thức cơ bản về lập trình Arduino và các module trong TUHOC cho đến cách thiết kế hệ thống kết nối các module và cuối cùng là cách thức “đóng gói” hệ thống này để tạo ra một thiết bị hoàn chỉnh. Tuy nhiên, vì TUHOC được phát triển trên nền tảng nguồn mở nên học sinh không nhất thiết phải theo sát chương trình trong một thời gian dài như vậy. Trong một khóa học kéo dài hai-ba tháng, nếu nắm được những khái niệm cơ bản nhất về lập trình Arduino và các module, các em có thể tự tiếp tục tìm hiểu để có thể tạo ra những thiết bị thông minh dựa trên nguồn thông tin khổng lồ được cộng đồng người dùng Arduino trên toàn thế giới chia sẻ và quay trở lại đóng góp cho chương trình TUHOC bằng cách chia sẻ ý tưởng sáng tạo và sản phẩm của mình. “Xã hội hóa giáo dục STEM” vì thế được diễn ra một cách tự nhiên.

Trong tương lai, để có thể mang giáo dục STEM đến với gần 20 triệu học sinh, DTT hướng tới việc đào tạo các giáo viên trong các trường phổ thông và viết những bộ sách hướng dẫn và phát hành miễn phí trên cả nước. Anh Thế Trung cho rằng việc này “giống như đẩy một hòn đá tảng lên đỉnh núi. Tuy nhiên, nếu người đi đầu thành công thì ngày sẽ càng có nhiều người tham gia, niềm tin sẽ được tích cóp dần và hòn đá sẽ biến thành quả cầu tuyết, lớn dần lên và mạnh mẽ hơn khi lăn xuống”.