Giáo dục Stem/Steam: Từ trải nghiệm thực hành đến tư duy sáng tạo

TS. Nguyễn Thành Hải - ĐH Missouri, Hoa Kỳ

Tóm tắt

Giáo dục STEM (khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán) không chỉ dừng ở việc tạo ra các cơ hội cho học sinh được thực hành, trải nghiệm thực tế nhiều hơn so với trước, mà quan trọng hơn đó là đánh thức và nuôi dưỡng trí tưởng tượng và sáng tạo vốn là đặc tính tự nhiên của mỗi con người nhưng đang bị mất dần đi. Sự bùng nổ của khoa học – công nghệ trong những năm gần đây, đặc biệt trong lĩnh công nghệ thông tin và trí tuệ nhân tạo, giúp quá trình tiếp cận các nguồn thông tin chỉ trong vài cái chạm tay trên màn hình hoặc ra lệnh bằng giọng nói. Điều đó dẫn đến việc dạy và học không còn tập trung ghi nhớ kiến thức, giải quyết các bài tập chỉ có một lời giải mà phải có một cách dạy và học mới. Chính vì lý do đó, giáo dục STEM tại Hoa Kỳ trong những năm gần đây không chỉ tập trung vào các hoạt động "hands-on" mà đang hướng tới những hoạt động "minds-on". Làm thế nào giúp trẻ có thể nuôi dưỡng óc tò mò, trí tưởng tượng và đặc biệt là sáng tạo trong các hoạt động học tập? Đó là câu hỏi thu hút sự quan tâm từ phụ huynh, cho đến giáo viên và những nhà hoạch định chính sách tại Hoa Kỳ. Giáo dục STEM với sự đa dạng trong cách tiếp cận, chú trọng thực hành khoa học và kỹ thuật (science and engineering practices) và tư duy bậc cao (high-order thinking), có sự gắn kết đi từ đa môn (multidisciplinary) đến liên môn (interdisciplinary) và xuyên môn (transdisciplinary), đặc biệt sự tương tác giữa các môn khoa học (science) và toán (mathematics), mà gần đây là sự kết hợp với các môn nghệ thuật khai phóng (liberal arts) tạo thành STEAM được xem là một xu hướng mới trong giáo dục hiện đại ngày nay. Sự gắn kết đa dạng các thành phần giáo dục, tạo thành một hệ sinh thái giáo dục STEM/STEAM sẽ là một trong những chìa khóa giúp nuôi dưỡng và đào tạo những thế hệ công dân toàn cầu có kiến thức và kỹ năng, đặc biệt là tư duy sáng tạo trong thời đại mới.

TS. Nguyễn Thành Hải - ĐH Missouri, Hoa Kỳ

Tóm tắt

1. GIÁO DỤC STEM LÀ GÌ? (WHAT)

Lịch sử ra đời của khái niệm giáo dục STEM

Trong các hội nghị giáo dục STEM thường niên tại Hoa Kỳ mà tôi có dịp tham dự, mọi người thường hay nhắc lại lịch sử ra đời chữ STEM. Đó là một tình huống khá hài hước. Vào những năm 1990, Quỹ nghiên cứu quốc gia Hoa Kỳ (NSF) có các chương trình hỗ trợ cho các nhóm ngành Khoa học (Science), Toán (Mathematics), Kỹ thuật (Engineering) và Công nghệ (Technology). Vì phải viết lặp lại nhiều lần, nên người soạn thảo văn bản phải viết tắt thành SMET. Trong một buổi báo cáo giới thiệu về chương trình, nhân viên NSF đọc SMET nghe âm gần giống chữ smut (nghĩa là vết nhọ, bệnh than) nghe kỳ quá, nên mọi người đề nghị nên sắp xếp lại trật tự các chữ, và viết SMET thành STEM. Đến năm 2001, việc sử dụng thuật ngữ STEM được NSF chính thực giới thiệu bởi Judith Ramaley, người lúc đó là giám đốc NSF ⁽¹⁾. Mặc dù vậy chữ này cũng dễ bị nhầm lẫn với chữ viết thường stem trong stem cell (tế bào gốc), nên mọi người đề nghị viết STEM phải đi kèm với các thuật ngữ theo nó, như STEM education, STEM fields, STEM careers. Về sau giáo dục STEM được tập trung nhiều, đi từ K-12 (chương trình phổ thông) cho đến K-16 (chương trình đại học).

Nền tảng của giáo dục STEM chính là giáo dục khoa học (Science education). Chính giáo dục khoa học là lĩnh vực đề xuất ra các chương trình giáo dục STEM hiện nay . Tại Hoa Kỳ, giáo dục khoa học được xem là ngành khoa học nghiên cứu cơ bản và nền tảng giúp đẩy mạnh nền khoa học từ gốc rễ là con người thông qua đào tạo giáo viên dạy khoa học và xây dựng các chương trình giáo dục từ chính quy (formal) và không chính quy (informal), bắt đầu các chương trình giáo dục mầm non đến bậc đại học, từ gia đình đến các hoạt động giáo dục khoa học ngoài xã hội ⁽³⁾ . Tổ chức uy tín nhất hiện nay trong lĩnh giáo dục khoa học trên thế giới là Hiệp hội các giáo viên dạy khoa học quốc gia Hoa Kỳ (National Science Teachers Association - NSTA) được thành lập năm 1944, đã đề xuất ra khái niệm giáo dục STEM (STEM education) với cách định nghĩa ban đầu như sau:

“STEM education is an interdisciplinary approach to learning where rigorous academic concepts are coupled with real-world lessons as students apply science, technology, engineering, and mathematics in contexts that make connections between school, community, work, and the global enterprise enabling the development of STEM literacy and with it the ability to compete in the new economy. (Tsupros, Kohler, & Hallinen, 2009)⁴

Tạm dịch:

“Giáo dục STEM là một cách tiếp cận liên ngành trong quá trình học, trong đó các khái niệm học thuật mang tính nguyên tắc được lồng ghép với các bài học trong thế giới thực, ở đó các học sinh áp dụng các kiến thức trong khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán vào trong các bối cảnh cụ thể, giúp kết nối giữa trường học, cộng đồng, nơi làm việc và các tổ chức toàn cầu, để từ đó phát triển các năng lực trong lĩnh vực STEM và cùng với đó có thể cạnh tranh trong nền kinh kế mới”.

Từ cách định nghĩa trên, có 3 đặc điểm quan trọng khi nói về giáo dục STEM:

1. Cách tiếp cận liên ngành. Xin lưu ý “liên ngành” khác với “đa ngành”. Mặc dù cũng là có nhiều ngành, nhiều lĩnh vực nhưng “liên ngành” thể hiện sự kết nối và bổ trợ lẫn nhau trong các ngành . Do vậy, nếu một chương trình học, một trường học chỉ có nhiều môn, nhiều giáo viên dạy các ngành khác nhau mà không có sự kết nối và bổ trợ lẫn nhau thì chưa được gọi là giáo dục STEM theo nghĩa đầy đủ.

2. Lồng ghép với các bài học trong thế giới thực. Đó là thể hiện tính thực tiễn và tính ứng dụng kiến thức trong giải quyết các vấn đề của thực tế. Ở đây, không còn rào cản của việc học kiến thức lý thuyết với ứng dụng. Do vậy, các chương trình giáo dục STEM nhất thiết phải hướng đến các hoạt động thực hành và vận dụng kiến thức để tạo ra sản phẩm hoặc giải quyết các vấn đề của thực tế cuộc sống.

3. Kết nối với cộng đồng tại địa phương và toàn cầu. Đó là kỷ nguyên của thế giới phẳng, sự liên lạc giữa các cá nhân dễ dàng hơn, những chủ đề được dạy sẽ kết nối với các vấn đề của địa phương và cả toàn cầu khi làn sóng công nghiệp 4.0 đang diễn ra khắp mọi nơi . Do vậy, quá trình giáo dục STEM không chỉ hướng đến vấn đề cụ thể của địa phương mà phải đặt trong mối liên hệ với bối cảnh kinh tế toàn cầu và các xu hướng chung của thế giới. Ví dụ: biến đổi khí hậu, năng lượng tái tạo, an ninh lương thực, nguồn nước ngọt cho con người… Trong bài phát biểu ra trường tại ĐH Harvard năm 2017, Mark Zuckerberg cũng đã nói về sự quan trọng của kết nối toàn cầu, rằng: “Progress now requires humanity coming together not just as cities or nations, but also as a global community...By increasing the diversity of our ideas and strengthening our common understanding, our community can have the greatest positive impact on the world… This is not a batlle of nations; this is a battle of ideas”. Tạm dịch: “Sự tiến bộ giờ đây cần cả yếu tố nhân văn đi kèm, chứ không chỉ là giữa các thành phố hay các quốc gia, mà đó là một cộng đồng toàn cầu….Bằng việc gia tăng sự đa dạng trong các ý tưởng của chúng ta và làm sâu sắc hơn sự hiểu biết chung, cộng đồng của chúng ta có thể mang lại một ảnh hưởng lớn nhất đối với thế giới...thật sự đó không phải là cuộc chiến giữa các quốc gia, đó là cuộc chiến giữa các ý tưởng”.

Như vậy, cách định nghĩa về giáo dục STEM nói đến một cách tiếp cận liên ngành, liên môn học trong một chương trình đào tạo, cụ thể phải có bốn lĩnh vực: Khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán. Giáo dục STEM giúp học sinh nhận thấy được tầm quan trọng của kiến thức các môn khoa học, toán và công nghệ và hướng đến sự vận dụng kỹ thuật trong việc giải quyết các vấn đề. Giáo dục STEM tại Hoa Kỳ khá đa dạng và được dạy theo chủ đề. Không chỉ có hoạt động dạy làm robot mới được xem là giáo dục STEM. Ngay những trẻ em mẫu giáo, tiểu học cũng đã được học các chương trình tích hợp STEM, ví dụ như thông qua các trò chơi làm mô hình núi lửa, làm bong bóng bay, làm chong chóng quay… Mặc dù chỉ là các trò chơi đơn giản, nhưng được xây dựng và tổ chức có hệ thống và có sự kết nối các nhóm kiến thức với nhau. Mục đích chính của các chương trình giáo dục STEM không phải để đào tạo ra các nhà khoa học, nhà toán học, kỹ sư mà chính là nằm ở truyền cảm hứng trong học tập, thấy được mối liên hệ giữa các kiến thức (nhất là kiến thức khoa học và toán), và nhận thức được tầm quan trọng của các kiến thức STEM ảnh hưởng đến thế giới và sự phát triển của xã hội thực tại và trong tương lai. Ngoài ra, các kỹ năng thực hành khoa học và kỹ thuật (Science and Engineering practices) cũng góp phần quan trọng trong việc vận dụng các kiến thức được học trong việc giải quyết vấn đề và tạo thành sản phẩm. Ở Hoa Kỳ giáo dục tích hợp STEM ở bậc phổ thông không phải để đào tạo học sinh theo chuyên ngành hẹp từ sớm, mà chính là hướng đến một chất lượng của sự nhận thức và hiểu biết trong lĩnh vực STEM, gọi là STEM literacy (tạm dịch là năng lực STEM)⁷.

2. TẠI SAO GIÁO DỤC STEM LẠI QUAN TRỌNG? (WHY)

Giáo dục STEM quan trọng vì nền kinh tế tương lai của các quốc gia, sự thịnh vượng chung của nhân loại phụ thuộc vào rất nhiều sự tiến bộ và phát triển của khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học, trong tiếng Anh người ta thường goi là “economic driver”. Các lĩnh vực như nông nghiệp, thực phẩm, chăm sóc sức khỏe, sản xuất hàng hóa, trao đổi thông tin chắc chắn không thể không thiếu được trong một cuộc sống xã hội con người ngày nay. Mặc dù, điều đó đã là quan trọng từ hàng thế kỷ nay, nhưng tại sao bây giờ chúng ta lại phải tiếp tục nói về nó? Bởi vì, nhu cầu về việc làm hiện nay trong các ngành này đang tăng cao, và dự báo tiếp tục tăng trong hàng chục năm tới. Một thực tế rõ ràng, đó là ở Hoa Kỳ những công việc trong các lĩnh vực STEM đang được trả lương trung bình cao hơn các lĩnh vực khác⁸.

Cách mạng công nghiệp lần thứ tư đang diễn ra thông qua hàng loạt các phát minh và sự phát triển nhảy vọt trong các lĩnh vực như: Internet vạn vật (IoT), trí tuệ nhân tạo (AI), thực tế ảo (VR), tương tác thực tại ảo (AR), mạng xã hội (Social), di động (Mobile), phân tích dữ liệu lớn (analytics of big data) và điện toán đám mây (Cloud) (viết tắt thành SMAC)... để chuyển hóa phần lớn thông tin thế giới thực thành thế giới số. Cụm từ công nghiệp 4.0 (Industrie 4.0 - theo tiếng Đức) được thủ tướng Đức Angela Merkel nhắc đến trong Diễn đàn kinh tế thế giới tại Davos tháng 1/2015. Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang tác động mạnh mẽ trên nhiều lĩnh vực và nhiều quốc gia⁹. Trong tương lai có nhiều việc làm chân tay sẽ không còn nữa, được thay thế bằng robot, nhưng cũng sẽ có những ngành nghề mới ra đời với ứng dụng mới mẻ của kỹ thuật số mà chúng ta vẫn chưa hình dung hết được, chẳng hạn như nghề bác sĩ cho robot. Trong đó, ngành công nghiệp chế tạo vẫn tiếp tục đóng vai trò chủ đạo cho sự phát triển kinh tế của toàn cầu. Hơn 90% các đầu tư trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển nằm ở lĩnh vực chế tạo¹⁰. Dự kiến trong 15 năm tới, mức tiêu thụ hàng hoá toàn cầu sẽ tăng gấp đôi, đạt 64 nghìn tỉ USD, dẫn đến nhu cầu về các hàng hoá và dịch vụ ngày càng cao¹¹. Xuất phát từ những thay đổi trong nền kinh tế, các kỹ năng của người lao động cũng đòi hỏi phải thay đổi để đáp ứng cho phù hợp¹².

Trong xu hướng của cách mạng công nghiệp 4.0, nguồn lao động chất lượng cao không chỉ cần có kiến thức chuyên ngành mà đòi hỏi có sự hiểu biết của liên ngành (interdisciplinary)¹³. Ngoài ra các kỹ năng sử dụng kiến thức để giải quyết vấn đề, tạo sản phẩm sáng tạo và làm việc nhóm ngày càng được đề cao. Trong khi đó, ảnh hưởng của khoa học, công nghệ, đặc biệt công nghệ thông tin dần chiếm ưu thế trên mọi mặt của đời sống. Giáo dục STEM là một hướng tiếp cận mới giúp trang bị cho học sinh những kiến thức cần thiết liên quan đến 4 lĩnh vực là khoa học (Science), công nghệ (Technology), kỹ thuật (Engineering) và toán (Mathematics). Các kiến thức và kỹ năng này gọi là năng lực STEM (STEM literacy). Điểm nổi bật của STEM là kết nối, liên hệ thông tin giữa các lĩnh vực vào trong thực tế cuộc sống. Quá trình dạy và học liên ngành (interdisciplinary) sẽ trở thành đặc trưng cúa xu hướng giáo dục tương lai, trong đó sẽ có những ngành nghề cũ mất đi, và sẽ có những ngành nghề mới ra đời. Quá trình dạy và học STEM cũng cần linh hoạt và đặt trong một hệ sinh thái học tập STEM (STEM learning ecosystem) đa dạng.

3. GIÁO DỤC STEM ĐƯỢC TRIỂN KHAI NHƯ THẾ NÀO? (HOW)

Dạy học chú trọng trải nghiệm thực hành (hands-on)

Các lớp học STEM luôn chú trọng các kỹ năng thực hành và trải nghiệm thực tế (trong tiếng Anh gọi chung đó là Hands-on). Để giúp học sinh có thể có được những trải nghiệm thực tế, trước hết, các lớp học STEM phổ thông tại Hoa Kỳ được trang bị đầy đủ các thiết bị và nguồn tài nguyên học tập để học sinh có thể tự tiến hành các thí nghiệm hoặc các lớp học được tổ chức ở ngoài lớp học như đi tham quan sở thú, thăm viện bảo tàng.... Thông qua hoạt động thí nghiệm, học sinh rèn luyện kỹ năng quan sát, lấy số liệu và phân tích. Trải nghiệm chính là cách học phù hợp với trẻ nhỏ, các em học bằng chính các giác quan của mình. Học trải nghiệm thực hành giúp cho các em thấy được khoa học là thực tế cuộc sống, là những điều gần gũi và có thể thực hiện được. Cảm giác “có-thể-thực-hiện-được” rất quan trọng đối với quá trình tự học và tự khám phá của trẻ.

Hình 1. Các lớp STEM của học sinh tiểu học ở Hoa Kỳ vừa giúp rèn luyện kỹ năng sáng tạo, vừa rèn luyện tư duy tranh luận, phản biện.

Luôn bắt đầu bằng những mục tiêu học tập cụ thể

Trước khi bắt đầu vào việc dạy STEM, các giáo viên ở Hoa Kỳ luôn xác định những kết quả học tập mong muốn học sinh của mình đạt được sau khi kết thúc buổi học hoặc một chương trình học. Những mục tiêu đó thường được dựa trên một bộ tiêu chuẩn trong giáo dục khoa học theo từng bang hoặc theo hệ thống tiêu chuẩn chung của liên bang. Việc xây dựng các mục tiêu học tập dựa trên các tiêu chuẩn này giúp cho các bài soạn STEM của các giáo viên ở Hoa Kỳ có tính hệ thống chặt chẽ rất cao, đảm bảo được tính kế thừa từ các bài học trước đó, cũng như giúp học sinh đạt được những kết quả mới tốt hơn.

Ví dụ: theo tiêu chuẩn NGSS, một trong những mục tiêu học tập dành cho trình độ mẫu giáo đến lớp 2 đó là học sinh thực hiện khảo sát có tính khoa học để tìm ra những bằng chứng chứng minh sự dao động của các vật liệu giúp tạo ra âm thanh và ngược lại âm thanh cũng làm cho các vật liệu khác dao động. Dựa vào tiêu chuẩn này, giáo viên có thể đặt mục tiêu học sinh thiết kế thiết bị truyền âm, hoặc quan sát sự dao động của nước dưới tác động của âm thanh.

Xây dựng bài học dựa trên những tình huống thực tế cuộc sống

Những câu chuyện hoặc những vấn đề xảy ra trong thực tế luôn được các giáo viên chọn lọc và đưa vào trong các bài học STEM. Chẳng hạn, hiện tượng hố tử thần (sinkhole) xuất hiện ở các thành phố lớn được đưa vào bài học cấu trúc bề mặt trái đất và các mạch nước ngầm. Hoặc câu chuyện NASA phóng tàu thám hiểm vũ trụ lên sao hỏa cũng được giáo viên đưa vào bài học về sự sống. Thông thường, các tình huống thực tế ấy được các giáo viên chọn lọc từ các tin tức thời sự hoặc phim tài liệu khoa học. Nhờ đó, học sinh cảm thấy những bài học trở nên sinh động và gắn liền với những câu chuyện hằng ngày mà học sinh thường nghe nói đến. Ngoài ra, các bài học còn giới thiệu những hoạt động thực tế từ các xưởng sản xuất (makerspace) và các chỗ làm việc (workplace) trong các ngành nghề liên quan đến khoa học và công nghệ. Điều này giúp cho các học sinh dễ dàng hình dung hơn các công việc, ngành nghề tương lai.

Sắp xếp các bài học thành những dự án học tập (project-based learning)

Trong các bài soạn STEM, thông thường các giáo viên lồng ghép với các dự án học tập. Các dự án thường kéo dài vài buổi học trong đó yêu cầu các học sinh làm việc theo nhóm hoặc làm việc cá nhân, trên cơ sở vận dụng kiến thức của các bài học đa ngành (Multidisciplinary Project-Based Learning - MPBL) hoặc liên ngành (Interdisciplinary/Transdisciplinary Project-Based Learning - I/TPBL) để cùng tạo một sản phẩm gắn liền với thực tế^14,15. Chẳng hạn, các bài học về thực vật được phát triển thành dự án trồng cây không dùng đất, hay dự án thu thập các mẫu lá. Tùy theo trình độ của lớp học mà các dự án có thể đi từ đơn giản, thực hiện tại lớp học hoặc tại nhà, đến những dự án phức tạp, đòi hỏi phải đi thực tế hoặc tìm hiểu các nguồn dữ liệu từ trên mạng hoặc tại các thư viện, bảo tàng¹⁶.

Xây dựng quy trình học tập phù hợp với mục tiêu bài học

Có rất nhiều cách để xây dựng bài học, một trong những cách khá phổ biến mà các giáo viên dạy STEM ở Hoa Kỳ thường chọn đó là mô hình dạy học 5E, viết tắt của 5 bước: Gắn kết (Engage), Khám phá (Explore), Diễn giải (Explain), Củng cố (Elaborate), Đánh giá (Evaluate). Mô hình dạy học 5E trở thành một công cụ hữu hiệu giúp cho cho cả người học và người dạy đều cảm thấy bài học có tính hệ thống, liền mạch, có cơ hội phát triển theo tâm lý thích được tự khám phá và kiến tạo kiến thức. Quy trình dạy học này giúp giáo viên giảm được thời lượng dạy quá nhiều lý thuyết mà thay vào đó, tạo ra các hoạt động thực hành và khám phá. Ngoài ra, theo mô hình dạy 5E này, học sinh từng bước khám phá kiến thức mới dựa trên các kiến thức đã biết trước đó, có thể cá nhân hóa quá trình học của mình, tạo được sự gắn kết với quá trình học hơn. Gần đây, mô hình 5E còn được mở rộng thành 6E (thêm yếu tố công nghệ - Engineering) và 7E (thêm yếu tố Khơi gợi - Elicit, và Mở rộng Extend) tùy theo đặc thù của từng buổi học. Mặc dù vậy, mô mình cốt lõi 5E vẫn được vận dụng phổ biến nhất.

Thúc đẩy kỹ năng thực hành qua quy trình thiết kế kỹ thuật (Engineering Design Process)

Với những bài học cần tích hợp các kỹ năng vận dụng kiến thức khoa học vào giải quyết các vấn đề mang tính kỹ thuật và công nghệ, thông thường giáo viên soạn bài học dựa trên quy trình thiết kế kỹ thuật. Quy trình này bắt đầu từ việc học sinh nêu ra các vấn đề, sau đó đề xuất các giải pháp dựa trên trí tưởng tượng và kiến thức đã học. Tiếp theo học sinh phải xây dựng một kế hoạch để có thể triển khai ý tưởng. Sau khi đã có kế hoạch chi tiết, học sinh bắt tay vào việc thực hiện ý tưởng với việc vận dụng và rèn luyện các kỹ năng thực hành, thiết kế. Sản phẩm tạo ra sẽ được kiểm tra và đánh giá. Nếu phát hiện sự cố hoặc chưa hoàn thiện, học sinh có thể điều chỉnh hoặc gia cố lại. Cuối cùng, học sinh sẽ có cơ hội chia sẻ thành quả của mình với bạn bè hoặc cộng đồng. Dựa trên phản hồi của cộng đồng, các vấn đề mới lại nảy sinh và quy trình lại tiếp tục lặp lại. Việc dạy học theo quy trình thiết kế kỹ thuật không chỉ giúp học sinh thực hành những kỹ năng giống như những kỹ sư thực thụ trong các bộ phận làm nghiên cứu và phát triển sản phẩm, mà quan trọng hơn đó là giúp cho học sinh cảm thấy tự tin hơn vào bản thân khi tự mình có thể giải quyết được những vấn đề thay vì trông chờ vào một giải pháp có sẵn từ các giáo viên¹⁷.

Hình 2. Sơ đồ thiết kế kỹ thuật gồm 6 bước

Gắn các bài học với việc đọc sách và tra cứu

Trong các bài soạn STEM, giáo viên Hoa Kỳ thường liên hệ và giới thiệu rất nhiều loại sách tham khảo khác nhau. Đối với học sinh tiểu học, thường là các loại sách tranh ảnh, truyện kể với các hình ảnh minh họa sinh động, không chỉ giúp học sinh dễ hình dung về những khái niệm trừu tượng, những hiện tượng hay sự vật mà mắt thường không nhìn thấy được, mà còn giúp cho các em cơ hội tăng vốn từ vựng để diễn đạt và hình thành tư duy khoa học. Đối với các học sinh ở trình độ trung học, các thể loại sách tham khảo cả phi hư cấu (non-fiction) và hư cấu (fiction) gắn liền với chủ đề bài học đều được khuyến khích đọc thêm, giúp học sinh mở rộng kiến thức chuyên ngành và phát triển kỹ năng đọc hiểu và kỹ năng viết về sau¹⁸. Hầu hết các trường học tại Hoa Kỳ đều có thư viện rất lớn và có hệ thống mượn sách ebook liên thông giữa các thư viện. Đây cũng chính là một trong những điểm nổi bật của các chương trình giáo dục STEM tại Hoa Kỳ.

Bên cạnh các hoạt động thực hành, các học sinh còn được khuyến khích sự tranh luận và phản biện để phát triển tư duy bậc cao, gồm có tổng hợp, phân tích, phản biện, sáng tạo để làm sâu sắc hơn về những trải nghiệm đó và bài học rút ra cho bản thân (trong tiếng Anh gọi chung đó là Minds-on). Các tư duy bậc cao được thể hiện qua sơ đồ sau:

Hình 3. Sơ đồ các bậc nhận thức và mối liên hệ với kỹ năng về tư duy (phần đường đứt đoạn phía trên thể hiện tư duy bậc cao)

Mở rộng từ STEM đến STEAM

Giáo dục STEM không chỉ gói gọn trọng sự liên môn giữa các nhóm kiến thức khoa học tự nhiên mà giờ đây các giáo viên đã chủ động lồng ghép thêm các yếu tố về văn hóa, xã hội, nhân văn, nghệ thuật (gọi chung là các môn nghệ thuật khai phóng - liberal arts)¹⁹. Do vậy STEM đã được phát triển lên thành STEAM. Thỉnh thoảng STEAM được viết thành STE(A)M với chữ A được viết trong ngoặc đơn với chủ đích diễn tả các chương trình học có nhấn mạnh các môn nghệ thuật khai phóng trên nền tảng của giáo dục STEM nói chung. Các bài học STEM luôn dành một khoảng không gian cho việc kết nối với các chủ đề về xã hội, văn hóa, và các môn nghệ thuật. Ở đó, học sinh được khuyến khích vận dụng óc sáng tạo về các môn nghệ thuật, các kiến thức về lịch sử và nhân văn để tạo ra một sản phẩm mới, có giá trị và ý nghĩa cho xã hội. Chẳng hạn, các em học sinh lớp 6 được làm quen với phần mềm SketchUp và Google Earth (cả hai đều miễn phí) để vẽ những khu vui chơi dành cho các trẻ em ở những vùng nông thôn khó khăn.

Ngày nay, khi nhìn vào chiếc máy vi tính hay điện thoại mà chúng ta đang sử dụng, chúng ta dễ dàng nhận thấy đó là sự kết hợp của rất là nhiều kiến thức từ rất nhiều lĩnh vực để tạo nên nó, trong đó có cả yếu tố thẩm mĩ và nghiên cứu tâm lý người dùng. Trong khi thực tế khoa học và công nghệ phát triển ngày nay, việc đưa một ý tưởng thành một sản phẩm chỉ tính bằng ngày hoặc bằng giờ. Với công nghệ máy in 3-D đã biến giấc mơ “ai cũng có thể làm nhà thiết kế” và có thể sản xuất sản phẩm theo ý muốn thành hiện thực. Ví dụ: bạn có thể in chiếc áo để mặc theo cách riêng của bạn, hay thậm chí bạn có thể in cái nhà để ở từ máy in 3-D là những ý tưởng công nghệ đã thành công trong giới công nghệ trong những năm vừa qua.

Thông qua cách tiếp cận giáo dục STEAM, học sinh nhận thức được sự giao thoa giữa các ngành khoa học, toán học và các môn nghệ thuật, thấy được sự cần thiết của các kiến thức chuyên ngành để có thể giải quyết một vấn đề hay tạo nên một sản phẩm. Đồng thời, nhờ được tạo cơ hội khuyến khích sáng tạo dựa trên sở thích riêng của bản thân, nên các em học sinh tự tin hơn trong quá trình học tập và làm việc nhóm. Điều thú vị là các chương trình giáo dục STEAM giúp học sinh được trải nghiệm qua các cảm xúc của thất bại cũng như thành công trong quá trình học tập, một điều rất cần thiết cho sự phát triển trí thông minh cảm xúc và tạo động lực cho sự trưởng thành của trẻ.

Khuyến khích phong cách sáng tạo riêng của giáo viên

Trong thời gian làm việc với hàng trăm giáo viên dạy STEM tại Hoa Kỳ, tôi chưa bao giờ bắt gặp bài soạn STEM nào giống nhau, mỗi giáo viên đều có một cách tiếp cận trình bày bài giảng rất riêng. Có giáo viên thích nêu những vấn đề của địa phương (local issues), có giáo viên thích nêu những vấn đề toàn cầu (global issues). Về phương pháp dạy học, có giáo viên chọn dạy theo một vài phương pháp mang tính xuyên suốt, nhưng cũng có giáo viên chọn kết hợp đa dạng các phương pháp trong mỗi buổi học. Có giáo viên chú trọng vào làm việc nhóm, nhưng cũng có giáo viên chú trọng vào việc gửi các nhận xét và phản hồi cho từng cá nhân. Ngoài ra, có giáo viên hứng thú liên hệ nội dung bài học STEM với các phim thiếu nhi nổi tiếng, nhưng cũng có giáo viên thích những bài hát hoặc bản nhạc đề cập các khái niệm khoa học. Mỗi phương pháp dạy học đều có điểm mạnh và điểm yếu riêng. Việc áp dụng một cách linh hoạt, tùy theo từng chủ đề, nội dung và bối cảnh của lớp học được xem là giải pháp tốt nhất giúp cho học sinh cảm thấy yêu thích bài học hơn. Các giáo viên thường chia sẻ với tôi một ý khá giống nhau là sự đang dạng là chìa khóa của sự sáng tạo (diversity is the key to creativity). Một điểm đặc trưng trong giáo dục của Hoa Kỳ là khuyến khích yếu tố đa dạng văn hóa và chủng tộc, hơn thế nữa, các chiến dịch khuyến khích người Hoa Kỳ gốc Phi tham gia nhiều hơn vào các ngành nghề STEM cũng được đẩy mạnh trong thời gian gần đây, đã giúp cho các chương trình giáo dục STEM thêm nhiều màu sắc mới mẻ.

Xây dựng hệ sinh thái học tập STEM (STEM learning ecosystem)

Với sự phát triển cả hệ thống giáo dục chính quy và không chính quy, quá trình học và thực thành ngày trở nên linh hoạt hơn. Tuy nhiên, giáo dục không chỉ trông chờ vào một đơn vị, một tổ chức mà cần có sự liên kết với nhau tạo thành một hệ sinh thái học tập STEM giúp người học có thể tiếp cận được một cách dễ dàng và tránh sự thiên lệch trong việc tiếp cận nguồn thông tin . Một hệ sinh thái học tập STEM cần được xây dựng sớm giúp học sinh có được cơ hội tiếp cận đa dạng các trải nghiệm học tập và liên tục ngay từ mẫu giáo cho đến bậc đại học²¹. Ưu điểm của hệ sinh thái học tập STEM giúp người học có cơ hội đa dạng môi trường học tập, chia sẻ được nguồn tài nguyên học tập và xây dựng được chiến lược lựa chọn ngành nghề tương lai. Điều này nói lên tính phát triển mở rộng (scale-up) của các môi trường giáo dục.

Hình 4. Hệ sinh thái học tập STEM giúp kết cộng đồng trong hỗ trợ người học (Nguồn: The STEM 2026 vision - the U.S. Department of Education)

VIỆT NAM CÓ THỂ LÀM GÌ VỚI GIÁO DỤC STEM/STEAM?

Việt Nam nên nắm bắt xu hướng giáo dục STEM của giáo dục thế giới

Giáo dục STEM được biết đến như là một sự tiếp cận mới trong giáo dục và đào tạo nguồn nhân lực trong tương lai, trong đó nhấn mạnh sự kết nối giữa bốn lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán. Trong xu hướng tác động của khoa học, công nghệ dần chiếm ưu thế trên mọi mặt của đời sống, nguồn lao động chất lượng cao giờ đây không chỉ cần có kiến thức chuyên ngành mà còn đòi hỏi có sự hiểu biết của liên ngành (interdisciplinary) gắn với tính ứng dụng của các thành tựu mới nhất của khoa học và công nghệ. Ngoài ra các kỹ năng sáng tạo, giải quyết vấn đề và làm việc nhóm ngày càng được đề cao. Nhu cầu việc làm trong các ngành nghề liên quan các lĩnh vực STEM ngày càng cao và các kỹ năng của người lao động trong thế kỷ 21 cũng đòi hỏi nhiều về các kỹ năng liên quan về STEM.

Chú trọng công tác đào tạo và bồi dưỡng giáo viên

Trong các hội thảo giáo dục STEM thế giới, nhiều nước ở khu vực châu Á như Nhật Bản, Hàn Quốc, Singapore, Đài Loan, Thái Lan...trình bày rằng họ đang rất chú trọng vào công tác đào tạo giáo viên STEM của họ. Đây là một bước đi rất quan trọng mà các nước học theo mô hình của Hoa Kỳ. Vì họ nhận thấy rằng, thiếu thầy giỏi thì không thể tạo ra trò giỏi được. Họ bắt đầu có các chương trình đào tạo giáo viên dạy STEM, một số nước kế thừa và phát triển từ ngành đào tạo các giáo viên dạy các môn khoa học tự nhiên (gọi là Science Education). Các chương trình đào tạo và bồi dưỡng giáo viên về STEM khá phong phú, bên cạnh những hoạt động chính quy tại các trường đại học, cũng có nhiều chương trình không chính quy và không tập trung, như các khóa học trực tuyến (online courses) hoặc các hội thảo trực tuyến (webinars). Có nhiều nội dung giáo viên được tập huấn, nhưng phổ biến nhất là nội dung về cách gây hứng thú và làm sâu sắc nội dung bài học. Một khi các giáo viên họ được truyền cảm hứng sáng tạo trong bài giảng, các giờ học trên lớp trở nên sinh động và cuốn hút học sinh hơn.

Kế thừa và đổi mới các cách dạy các môn dạy khoa học tự nhiên

Kinh nghiệm giáo dục STEM tại Hoa Kỳ được xây dựng từ nền tảng của giáo dục các môn khoa học tự nhiên, do vậy, rất cần chuẩn hóa lại các chương trình giáo dục khoa học tự nhiên ở các bậc học theo hướng tiếp cận giáo dục STEM. Ví dụ: giáo viên dạy Vật lý sẽ hướng các bài tập thực hành vật lý tích hợp với công nghệ, kỹ thuật và toán nữa. Hay giáo viên sinh học cũng cần được hỗ trợ để tích hợp thêm cả công nghệ, kỹ thuật và toán vào các hoạt động dạy học và thực hành... Với thành tích gần đây của học sinh Việt Nam tại các kỳ thì khoa học tự nhiên quốc tế, chúng ta có được một động lực mạnh mẽ để tiếp tục kế thừa và phát triển giáo dục các môn này lên tầm cao mới, hướng đến thực hành và tích hợp liên ngành nhiều hơn, đưa các bài học lý thuyết gần hơn với thực tiễn. Ngoài ra, bên cạnh các giờ học chính khóa, cần có thêm đa dạng các hoạt động ngoại khóa, giúp tăng sự trải nghiệm và vận dụng kiến thức của học sinh.

Xây dựng hệ thống bộ tiêu chuẩn giáo dục STEM

Giáo dục STEM của Hoa Kỳ triển khai nhờ vào hệ thống bộ tiêu chuẩn giáo dục khoa học thế hệ mới (viết tắt là NGSS). Bộ khung tiêu chuẩn này được xây dựng từ các bộ tiêu chuẩn giáo dục khoa học quốc gia trước đó và được công bố vào năm 2013. Dĩ nhiên chúng ta không thể áp dụng y nguyên bộ tiêu chuẩn NGSS của Hoa Kỳ được, vì rất nhiều lý do, trong đó phải nói đến sự chênh lệch về cơ sở hạ tầng, văn hóa và nhân lực triển khai. Nhưng chúng ta vẫn có thể tham khảo được rất nhiều từ bộ tiêu chuẩn này, nhất là dựa vào 3 trụ cột (Kiến thức chuyên ngành - Thực hành/vận dụng - Tư duy liên ngành) để xây dựng một hệ thống tiêu chuẩn giáo dục STEM trong điều kiện của chúng ta.

Cần thay đổi cách đánh giá người học theo xu thế mới

Một vấn đề rất lớn trong giáo dục STEM đó là đánh giá kết quả học tập của học sinh. Vì cách dạy thay đổi, cách học cũng thay đổi, kể cả môi trường học cũng thay đổi nên cách đánh giá không thể áp dụng theo kiểu cũ (truyền thống được). Chúng ta cần có một hệ thống và bộ tiêu chuẩn và cả phương pháp đánh giá mới. Đây là một vấn đề lớn và rất quan trọng, thể hiện được chất lượng chương trình, giúp giáo viên biết được quá trình dạy học của mình, cũng như học sinh biết được sự tiến bộ của bản thân. Trước đây, chúng ta đã biết đến đánh giá tiến trình (formative), đánh giá tổng kết (summative), nay cần bổ sung thêm đánh giá đích thực (authentic). Ngoài ra, các cách đánh giá cần linh hoạt và đa dạng hơn. Giáo viên cần được tập huấn về các phương pháp đánh giá mới này.

Nói tóm lại, để có một chương trình giáo dục tích hợp STEM đạt chất lượng cao tại Việt Nam, thiết nghĩ có rất nhiều việc cần phải làm. Trong đó, nhất định cần phải có một đội ngũ lãnh đạo nhà trường và giáo viên mạnh dạn, tiên phong thay đổi. Chính các giáo viên là những người sáng tạo trong cách dạy học hàng ngày của mình để truyền cảm hứng sáng tạo đến cho các em học sinh. Bên cạnh đó, việc biên soạn các khung chương trình cần phải được tham vấn bởi các chuyên gia có chuyên môn sâu về giáo dục STEM, được xây dựng theo một bộ tiêu chuẩn, có tính hệ thống, chặt chẽ, tránh trường hợp cắt ghép cơ học ở các môn học, tổ chức rời rạc. Ngoài ra, cần tạo cơ hội đa dạng cho học sinh được trải nghiệm và khám phá các kiến thức khoa học từ những điều gần gũi, thấy được sức mạnh của khoa học đối với đời sống của con người và yêu quý thế giới tự nhiên xung quanh. Hy vọng, trong Luật giáo dục sửa đổi sắp tới đây và chương trình cải cách giáo dục phổ thông mới sẽ tạo nhiều cơ hội và thuận lợi cho các trường học và giáo viên được chủ động sáng tạo trong thiết kế các chương trình và các giờ dạy học trên lớp. Giáo dục STEM thật sự không phải biến học sinh để trở thành nhà khoa học, kỹ sư mà là chuẩn bị cho một thế hệ công dân toàn cầu với một tư duy sáng tạo mới.

Một câu chuyện thực tế dạy STEM tại Hoa Kỳ:

Câu chuyện 1: Giáo viên Hoa Kỳ truyền cảm hứng cho học sinh (Inspirational Teacher)

Năm 2016, tôi đi dự giờ một một buổi dạy học STEM tại trường trung học phổ thông Battle tại thành phố Columbia, Missouri. Hôm ấy, thầy Alex giới thiệu về dự án học tập thiết kế xe không người lái cho học sinh. Để truyền cảm hứng học tập cho học sinh, thầy Alex đưa ra những câu hỏi gợi mở và những con số rất ấn tượng: “Các em có biết ngành nghề góp phần tăng trưởng kinh tế nhanh trong 20 năm tới không?” Nhiều em phát biểu, ngành robot, ngành trí tuệ nhân tạo, ngành chăm sóc sức khỏe cho người già… Thầy nói, “Các em nói gần đúng rồi, cố gắng suy nghĩ một chút thực tế nữa đi, thử xem hôm nay các em đến trường như thế nào?” Một em phát hiện ra, reo lên “Ôtô không người lái”. Thầy khen em học sinh và đưa ra con số: 800 tỷ USD vào năm 2035, và có thể vượt mức 7.000 tỷ USD vào năm 2050 cho ngành công nghiệp ôtô không người lái. Thầy Alex chiếu một đoạn phim xe Tesla chạy vun vút trên đường trong khi tài xế lại chính là thầy ngả lưng xem phim giải trí. Cả lớp há hốc! Và thầy nói tiếp: “Hãy tưởng tượng nhu cầu về việc làm trong lĩnh vực này lớn như thế nào trong 10 và 20 năm nữa. Chính các em ngồi đây sẽ là những người làm chủ lĩnh vực mới mẻ này. Và hôm nay chúng ta sẽ làm một dự án mô hình xe không người lái.” Cả lớp học hồ hởi, khuôn mặt các em đều rạng rỡ, thể hiện sự phấn khích khi được bắt tay vào một bài học mới.

Câu chuyện 2: Học STE(A)M thông qua làm phim khoa học (STE(A)M Learning through Filmmaking)

Năm 2017, tôi tham gia một dự án dạy khoa học cho học sinh tại một trường Trung học cơ sở tại Hoa Kỳ. Dự án là kết hợp dạy các môn khoa học với điện ảnh. Tôi hỏi các giáo viên tham gia dự án là họ cảm nhận thế nào, gần như tất cả giáo viên đều trả lời rất thích và thể hiện sự hồ hởi trong câu chuyện của họ. Cô Kathy chia sẻ: “Sự phát triển của phim ảnh nói riêng hay của các phương tiện truyền thông nói chung đều dựa trên các thành tựu của khoa học và công nghệ. Chẳng hạn những bộ phim bom tấn của Hollywood hay những thước phim khám phá thế giới của Discovery Channel đều ứng dụng rất nhiều các kỹ thuật và kiến thức khoa học mới.

Do vậy, dạy cho học sinh về STEM thông qua làm phim khoa học là một cách học tạo hào hứng và sáng tạo cho học sinh rất nhiều”. Trong khi đó, thầy Mathew lại chia sẻ: “Chẳng hạn khi học về biến đổi khí hậu, có nhiều khái niệm khoa học có thể được dạy trong chủ đề này như: nguồn nước trong tự nhiên, nguồn nước sinh hoạt, các điều kiện thời tiết khắc nghiệt, nguồn năng lượng cho môi trường tự nhiên và con người. Học sinh của tôi có thể tiến hành các nghiên cứu, thu thập dữ liệu và quay phim lại dưới dạng một dự án học tập để có thể vừa học được các khái niệm khoa học, vừa liên hệ được thực tế trong đời sống của xã hội, để từ đó thấy khoa học gần gũi và thiết thực. Sau đó các em đi phỏng vấn trực tiếp người nông dân, các chuyên gia thuỷ lợi, công ty cấp nước địa phương… để làm phong phú nguồn thông tin và có thêm trải nghiệm thực tế.” Để dạy STEM thông qua làm phim khoa học hiệu quả, các nhà nghiên cứu giáo dục đề xuất ra mô hình sau²²:

Cô Emily chia sẻ: “Thay vì cách học thông thường buộc học sinh nhớ kiến thức nhiều, nhưng các em lại thấy ít gần gũi, thì cách học mới này lại giúp học sinh phân tích và tổng hợp kiến thức nhiều hơn dựa vào thực tế cuộc sống. Nhờ đó, các kỹ năng tư duy phản biện (critical thinking) và phản tư (reflective thinking) có cơ hội được phát triển.”

¹ Breiner, J. M., Harkness, S. S., Johnson, C. C., & Koehler, C. M. (2012). What is STEM? A discussion about conceptions of STEM in education and partnerships. School Science and Mathematics, 112(1), 3-11.

²National Research Council. (2011). Successful K-12 STEM education: Identifying effective approaches in science, technology, engineering, and mathematics. National Academies Press.
³ Basham, J. D., Israel, M., & Maynard, K. (2010). An ecological model of STEM education: Operationalizing STEM for all. Journal of Special Education Technology, 25(3), 9-19.
⁴Tsupros, N., Kohler, R., and Hallinen, J. (2009). STEM education: A project to identify the missing components, Intermediate Unit 1 and Carnegie Mellon, Pennsylvania.
⁵Clark, B., & Button, C. (2011). Sustainability transdisciplinary education model: interface of arts, science, and community (STEM). International Journal of Sustainability in Higher Education, 12(1), 41-54

⁶Lasi, H., Fettke, P., Kemper, H. G., Feld, T., & Hoffmann, M. (2014). Industry 4.0. Business & Information Systems Engineering, 6(4), 239.

⁷(Trong ngôn ngữ, literacy được hiểu là kỹ năng đọc viết, nghĩa là có thể sử dụng được, ở đây STEM literacy được hiểu theo nghĩa rộng là khả năng vừa hiểu và vận dụng các kiến thức phổ thông trong bốn lĩnh vực STEM. Một số tác giả Việt Nam dịch literacy là kỹ năng là chưa rõ nghĩa và thiếu chuẩn xác)

⁸Xue, Y., & Larson, R. C. (2015). STEM crisis or STEM surplus? Yes and yes. Monthly labor review, 2015.
⁹Drath, R., & Horch, A. (2014). Industrie 4.0: Hit or hype?[industry forum]. IEEE industrial electronics magazine, 8(2), 56-58.
¹⁰The McKinsey Global Institute (MGI) - 2012
¹¹https://hbr.org/2015/10/the-future-and-how-to-survive-it
¹²Davies, A., Fidler, D., & Gorbis, M. (2011). Future work skills 2020. Institute for the Future for University of Phoenix Research Institute, 540.
¹³Borrego, M., & Newswander, L. K. (2010). Definitions of interdisciplinary research: Toward graduate-level interdisciplinary learning outcomes. The Review of Higher Education, 34(1), 61-84.

¹⁴Basham, J. D., Israel, M., & Maynard, K. (2010). An ecological model of STEM education: Operationalizing STEM for all. Journal of Special Education Technology, 25(3), 9-19.
¹⁵Clark, B., & Button, C. (2011). Sustainability transdisciplinary education model: interface of arts, science, and community (STEM). International Journal of Sustainability in Higher Education, 12(1), 41-54.
¹⁶Capraro, R. M., Capraro, M. M., & Morgan, J. R. (Eds.). (2013). STEM project-based learning: An integrated science, technology, engineering, and mathematics (STEM) approach. Springer Science & Business Media

¹⁷Capraro, R. M., Capraro, M. M., & Morgan, J. R. (Eds.). (2013). STEM project-based learning: An integrated science, technology, engineering, and mathematics (STEM) approach. Springer Science & Business Media

¹⁸Lefever-Davis, S., & Pearman, C. J. (2015). Reading, Writing and Relevancy: Integrating 3R's into STEM. The Open Communication Journal, 9(1)

¹⁹Boy, G. A. (2013, August). From STEM to STEAM: toward a human-centred education, creativity & learning thinking. In Proceedings of the 31st European conference on cognitive ergonomics (p. 3). ACM.

²⁰Reid, J., McLaughlin, P., Kennedy, B., Poronnik, P., Dowling, D., Brodie, L., ... & Kavanagh, L. (2016). The STEM Ecosystem: building cross-disciplinary leadership capacity in science, technology, engineering and mathematics.
²¹Corin, E. N., Jones, M. G., Andre, T., Childers, G. M., & Stevens, V. (2017). Science hobbyists: Active users of the science-learning ecosystem. International Journal of Science Education, Part B, 7(2), 161-180.

²²Oonk, D., Leckey, E., Gold, A. U., Margo-Schneider, J., Littrell-Baez, M., Smith, L., & Lynds, S. (2017). Lens on climate change. Science Scope, 41(2), 86.