Robot giáo dục và STEM: tổng quan nghiên cứu và gợi ý cho lớp VEX
Robot giáo dục thường được giới thiệu như một cách "học STEM bằng trải nghiệm thực tế", và các bộ kit như VEX GO hay VEX IQ ngày càng xuất hiện nhiều hơn ở trường học và trung tâm. Nhưng nghiên cứu thực sự nói gì về lợi ích học tập, và lợi ích đó phụ thuộc vào điều kiện nào? Bài này tóm tắt các tổng quan hệ thống và phân tích gộp về robot giáo dục, nêu những giới hạn của bằng chứng, rồi đưa ra gợi ý cho giáo viên và phụ huynh đang tổ chức lớp học robot theo hướng VEX.
Nghiên cứu cho thấy điều gì
Một lĩnh vực lớn, nhưng bằng chứng định lượng còn mỏng
Anwar, Bascou, Menekse và Kardgar (2019) thực hiện tổng quan hệ thống về robot giáo dục ở bậc K–12 và tìm được 147 nghiên cứu công bố trong giai đoạn 2000–2018. Họ phân các nghiên cứu thành năm chủ đề: hiệu quả chung của robot giáo dục; học tập và khả năng chuyển giao kỹ năng; sáng tạo và động cơ; đa dạng và mở rộng sự tham gia; và phát triển chuyên môn cho giáo viên. Con số 147 cho thấy lĩnh vực này đã được nghiên cứu khá rộng, nhưng chính tác giả nhấn mạnh vẫn cần xác định rõ những lợi ích cụ thể mà việc dùng robot mang lại trong lớp học chính quy và ngoại khóa (Anwar và cs., 2019).
Benitti (2012) là một trong những tổng quan hệ thống sớm về robot trong trường học. Theo cách các bài viết sau này mô tả, tổng quan đó cho thấy tiềm năng sư phạm của robot, nhưng cũng chỉ ra số lượng nghiên cứu định lượng còn ít. Eguchi (2014) tóm tắt rằng các nghiên cứu trong tổng quan của Benitti tập trung nhiều vào toán và vật lý, và các kỹ năng được nhắc tới gồm kỹ năng tư duy (quan sát, ước lượng, thao tác), phương pháp khoa học hoặc giải quyết vấn đề, và tương tác xã hội hoặc làm việc nhóm. Mười năm sau, Bonaiuti, Campitiello, Di Tore và Marras (2022) rà soát 28 nghiên cứu đăng trên các tạp chí khoa học của Ý (2011–2021) và vẫn nhận xét rằng rất ít nghiên cứu có thiết kế thực nghiệm chặt chẽ, nhiều nghiên cứu có điều kiện kiểm soát yếu hoặc cỡ mẫu nhỏ, và các bảng hỏi do tác giả tự soạn thường chưa được kiểm định. Lưu ý: nhận định về Benitti (2012) ở đây dựa trên cách hai nguồn kể trên mô tả, chúng tôi chưa đọc được toàn văn bài gốc.
Phân tích gộp: hiệu quả vừa phải, và không đồng đều giữa các kết quả
Ouyang và Xu (2024) tiến hành phân tích gộp đa tầng, dựa trên 30 kích thước hiệu ứng từ 21 nghiên cứu công bố từ 2010 đến 2022, ở các cấp học từ mầm non đến đại học (K–16). Kết quả cho thấy robot giáo dục có tác động mức vừa phải lên việc học STEM so với điều kiện không dùng robot; cụ thể, tác động vừa phải lên kết quả học tập và thái độ học tập, còn tác động lên tư duy máy tính ( computational thinking ) không có ý nghĩa thống kê. Môn học ( discipline ) là một yếu tố điều tiết có ý nghĩa (Ouyang và Xu, 2024). Hai điều rút ra cho giáo viên: lợi ích không tự động có ở mọi mục tiêu, và tư duy máy tính, thứ mà nhiều người mặc định robot sẽ rèn luyện, cần được dạy và đo chủ đích thay vì giả định.
Học qua các cuộc thi robot
Eguchi (2014) nghiên cứu RoboCupJunior, một sáng kiến robot giáo dục lấy thi đấu làm động lực nhưng đặt trọng tâm vào trải nghiệm học tập của học sinh. Đây là một nghiên cứu trường hợp với đội tuyển Mỹ ở giải thế giới 2013: có 10 đội, 36 học sinh, nhưng chỉ 14 em trả lời bảng hỏi trực tuyến, kèm một buổi tọa đàm với tám em. Nhiều em tự nhận học được giải quyết vấn đề, gỡ lỗi, chia nhỏ vấn đề, kiên trì và làm việc nhóm; một em nói về việc dựng lại robot nhiều lần để cải tiến. Eguchi cũng viết rõ rằng cỡ mẫu quá nhỏ để khái quát và các cuộc thi thường thu hút những học sinh vốn đã thích STEM (Eguchi, 2014). Như vậy dữ liệu này đáng giá như mô tả trải nghiệm học sinh, nhưng chưa phải bằng chứng về hiệu quả nhân quả.
Còn làm việc nhóm thì sao?
Làm việc nhóm là lợi ích hay được nhắc đến nhất, nhưng bằng chứng chưa nhất quán. Trong tổng quan của Bonaiuti và cs. (2022), kết quả về kỹ năng làm việc nhóm không đồng đều: các tác giả ghi nhận mức học sinh tự cảm nhận robot hỗ trợ kỹ năng nhóm giảm ở bài đo sau. Các tác giả cũng đặt câu hỏi rằng lợi ích đến từ việc dùng robot hay từ chính hình thức phòng thực hành, tức cách tổ chức hoạt động nhóm. Đây là lý do nên thiết kế vai trò nhóm một cách có chủ đích, thay vì kỳ vọng kỹ năng nhóm tự hình thành.
Ứng dụng trong lớp học
Trong các nguồn mà bài này đã đọc, chúng tôi không thấy nghiên cứu bình duyệt nào đánh giá riêng VEX GO hoặc VEX IQ. Vì vậy các gợi ý sau là diễn giải từ nghiên cứu robot giáo dục nói chung, mang tính giả thuyết thiết kế, không phải khuyến nghị đã được kiểm chứng riêng cho VEX.
Nhiệm vụ có mục tiêu rõ và tiêu chí thành công đo được. Ví dụ minh họa (giả định): "robot đẩy ba khối vào vùng đích trong 60 giây". Mục tiêu cụ thể giúp học sinh biết khi nào đã đạt và cần sửa gì.
Vòng lặp thiết kế, thử, sửa. Mỗi lượt gồm: dự đoán, chạy thử, ghi kết quả, đổi một yếu tố, chạy lại. Học sinh trong nghiên cứu của Eguchi (2014) tự mô tả việc lặp lại và gỡ lỗi là phần học được nhiều; giáo viên có thể làm điều này thành thói quen có chủ đích.
Nhật ký kỹ thuật ( engineering notebook ). Yêu cầu mỗi nhóm ghi: mục tiêu, phương án, bằng chứng thử nghiệm (số liệu, ảnh), thay đổi và lý do. Nhật ký cũng là chứng cứ để đánh giá quá trình.
Vai trò nhóm có luân phiên. Ví dụ minh họa: người lập trình, người chế tạo, người ghi nhật ký và thử nghiệm, người báo cáo; đổi vai sau mỗi buổi để mọi em được thực hành mọi kỹ năng. Điều này đáp lại nhận xét rằng kỹ năng nhóm không tự đến (Bonaiuti và cs., 2022).
Dạy tường minh các khái niệm lập trình. Vì phân tích gộp của Ouyang và Xu (2024) không thấy cải thiện có ý nghĩa về tư duy máy tính, hãy đưa vào những bài ngắn về trình tự, vòng lặp, điều kiện (có thể bắt đầu bằng hoạt động không cần máy hoặc nối với Scratch), rồi kiểm tra bằng bài tập nhỏ.
Đánh giá quá trình, không chỉ thứ hạng thi đấu. Đưa vào bảng tiêu chí: chất lượng nhật ký, số vòng cải tiến có bằng chứng, đóng góp trong nhóm, khả năng giải thích quyết định. Thi đấu có thể là động lực, như cách RoboCupJunior đặt học tập lên trước (Eguchi, 2014), nhưng điểm cuối không nên chỉ phụ thuộc vào vị trí trong giải.
Ví dụ minh họa (giả định) về một chuỗi 4 buổi với VEX IQ: buổi 1 làm quen cảm biến và đặt mục tiêu nhiệm vụ; buổi 2 chế tạo và thử bản đầu, ghi nhật ký; buổi 3 cải tiến theo dữ liệu thử (mỗi nhóm ít nhất hai vòng sửa có ghi lý do); buổi 4 trình bày cho lớp, nêu điều đã đổi và vì sao. Đánh giá dựa trên nhật ký và phần trình bày, không dựa trên việc robot có thắng hay không.
Danh sách kiểm tra nhanh khi lập kế hoạch:
Mục tiêu học tập (kỹ năng gì) được viết riêng với mục tiêu thi đấu?
Có thời gian cho thử, sai và sửa trong từng buổi?
Mỗi em có vai trò rõ và được luân phiên?
Có công cụ đo sự tiến bộ (nhật ký, bài kiểm tra ngắn về khái niệm lập trình), không chỉ quan sát cảm tính?
Giới hạn và lưu ý
Thứ nhất, phần lớn bằng chứng đến từ các bối cảnh khác nhau về lứa tuổi, môn học, loại robot và thời lượng, nên kết luận chung chỉ nên đọc như xu hướng. Thứ hai, phân tích gộp của Ouyang và Xu (2024) chỉ dựa trên 21 nghiên cứu và kết quả về tư duy máy tính xuất phát từ số nghiên cứu ít, nên cả kết quả "có ý nghĩa" lẫn "không có ý nghĩa" đều cần thận trọng. Thứ ba, dữ liệu về cuộc thi như của Eguchi (2014) là tự báo cáo, cỡ mẫu nhỏ và có thể có thiên lệch chọn mẫu; bài báo cũng viết kết luận khá mạnh so với mức bằng chứng thu thập được, nên chúng tôi chỉ dùng nó để mô tả trải nghiệm. Thứ tư, như đã nói, chúng tôi không có bằng chứng bình duyệt riêng cho VEX GO hay VEX IQ, và ví dụ trong bài là giả định minh họa.
Kết luận
Tổng quan hiện có cho thấy robot giáo dục có thể hỗ trợ kết quả học tập và thái độ học STEM ở mức vừa phải, nhưng bằng chứng định lượng còn hạn chế và không đồng đều giữa các mục tiêu, nhất là tư duy máy tính và kỹ năng nhóm. Vì vậy hiệu quả có lẽ phụ thuộc nhiều vào cách tổ chức lớp học hơn là vào bản thân bộ kit. Với lớp VEX, những thiết kế đáng thử là nhiệm vụ rõ ràng, vòng lặp thiết kế thử sửa, nhật ký kỹ thuật, vai trò nhóm luân phiên và đánh giá quá trình. Giáo viên nên theo dõi tiến bộ của chính học sinh mình thay vì chỉ dựa vào kết quả cuộc thi.
Tài liệu tham khảo
Anwar, S., Bascou, N. A., Menekse, M., & Kardgar, A. (2019). A systematic review of studies on educational robotics. Journal of Pre-College Engineering Education Research (J-PEER), 9 (2), Article 2. https://doi.org/10.7771/2157-9288.1223
Benitti, F. B. V. (2012). Exploring the educational potential of robotics in schools: A systematic review. Computers & Education, 58 (3), 978–988. https://doi.org/10.1016/j.compedu.2011.10.006
Bonaiuti, G., Campitiello, L., Di Tore, S., & Marras, A. (2022). Educational robotics studies in Italian scientific journals: A systematic review. Frontiers in Education, 7 . https://doi.org/10.3389/feduc.2022.1005669
Eguchi, A. (2014). Learning experience through RoboCupJunior: Promoting engineering and computational thinking skills through robotics competition. In Proceedings of the 2014 ASEE Annual Conference & Exposition (Paper ID #9844). American Society for Engineering Education. https://peer.asee.org/20743.pdf
Ouyang, F., & Xu, W. (2024). The effects of educational robotics in STEM education: A multilevel meta-analysis. International Journal of STEM Education, 11 (1). https://doi.org/10.1186/s40594-024-00469-4