- Tác giả
- Ban Biên tập IESDTD tổng hợp
- Lĩnh vực
- Giáo dục STEM
- Từ khóa
- thiết kế kỹ thuật, quy trình kỹ thuật, NGSS, bài học STEM, tư duy kỹ thuật
Tóm tắt
Thiết kế kỹ thuật là "xương sống" của nhiều bài học STEM. Bài tổng hợp cách chuẩn khoa học NGSS của Mỹ mô tả quy trình này theo từng cấp lớp, các nguyên tắc của Viện Hàn lâm Kỹ thuật Hoa Kỳ, và đối chiếu với quy trình 8 bước trong hướng dẫn của Bộ GD&ĐT.
Trong hướng dẫn giáo dục STEM ở trường trung học của Bộ Giáo dục và Đào tạo, bài học STEM được xây dựng "dựa theo quy trình thiết kế kĩ thuật". Ở nhiều nước, thiết kế kỹ thuật cũng đã trở thành một phần chính thức của môn khoa học. Vậy quy trình này gồm những gì, vì sao nó được coi trọng, và đâu là những hiểu lầm thường gặp khi đưa nó vào lớp học?
Vì sao đưa thiết kế kỹ thuật vào môn khoa học?
Chuẩn khoa học thế hệ mới của Hoa Kỳ (Next Generation Science Standards – NGSS, 2013) đặt thiết kế kỹ thuật ngang hàng với tìm tòi khoa học trong dạy học khoa học từ mẫu giáo đến lớp 12. Phụ lục I của NGSS giải thích lý do bằng cả lập luận thực tiễn lẫn truyền cảm hứng: nền tảng về thiết kế kỹ thuật giúp học sinh tham gia và có khát vọng giải quyết các thách thức xã hội và môi trường lớn trong những thập kỷ tới, như năng lượng, bệnh tật, nước sạch, lương thực và biến đổi môi trường toàn cầu.
NGSS dựa trên Khung giáo dục khoa học phổ thông (A Framework for K-12 Science Education) của Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Hoa Kỳ (2012). Khung này dùng từ "kỹ thuật" theo nghĩa rộng: mọi hoạt động thiết kế có hệ thống nhằm đạt giải pháp cho những vấn đề cụ thể của con người; còn "công nghệ" là mọi hệ thống và quy trình do con người tạo ra, không chỉ là máy tính hay thiết bị điện tử. Khung cũng khẳng định: xét từ góc độ dạy và học, chính chu trình thiết kế lặp lại là điều mang lại tiềm năng lớn nhất để vận dụng kiến thức khoa học trong lớp học.
Ba thành phần cốt lõi
NGSS chia ý tưởng cốt lõi về thiết kế kỹ thuật thành ba thành phần:
- Xác định và giới hạn vấn đề: phát biểu vấn đề cần giải quyết càng rõ càng tốt, dưới dạng các tiêu chí thành công và các ràng buộc (giới hạn về vật liệu, chi phí, thời gian, an toàn...).
- Thiết kế giải pháp: bắt đầu bằng việc đưa ra nhiều giải pháp khác nhau, sau đó đánh giá xem giải pháp nào đáp ứng tốt nhất các tiêu chí và ràng buộc.
- Tối ưu hóa giải pháp: thử nghiệm và cải tiến có hệ thống; bản thiết kế cuối cùng được hoàn thiện bằng cách đánh đổi những đặc điểm kém quan trọng để giữ những đặc điểm quan trọng hơn.
Một lưu ý quan trọng của NGSS: các thành phần này không phải lúc nào cũng diễn ra theo thứ tự, cũng như các "bước" của tìm tòi khoa học. Ở bất kỳ giai đoạn nào, người giải quyết vấn đề cũng có thể định nghĩa lại vấn đề hoặc nghĩ ra giải pháp mới thay cho ý tưởng không hiệu quả.
Tiến trình theo cấp lớp
Điểm đáng học hỏi của NGSS là cùng một quy trình nhưng yêu cầu tăng dần theo độ tuổi:
| Cấp lớp | Xác định vấn đề | Phát triển giải pháp | Tối ưu hóa |
|---|---|---|---|
| Mẫu giáo – lớp 2 | Nhận ra những tình huống con người muốn thay đổi là vấn đề có thể giải quyết bằng kỹ thuật | Thể hiện giải pháp bằng hình vẽ hoặc mô hình | So sánh, thử và đánh giá các giải pháp |
| Lớp 3 – 5 | Nêu tiêu chí và ràng buộc mà giải pháp cho một vấn đề đơn giản phải đáp ứng | Tìm hiểu và khám phá nhiều giải pháp | Cải tiến giải pháp dựa trên kết quả thử nghiệm đơn giản, kể cả điểm hỏng |
| Lớp 6 – 8 | Nêu chính xác tiêu chí, ràng buộc và các yếu tố có thể hạn chế giải pháp | Kết hợp các phần của những giải pháp khác nhau để tạo giải pháp mới | Dùng quy trình có hệ thống để thử và hoàn thiện lặp lại |
| Lớp 9 – 12 | Xem xét nhiều yếu tố trong tiêu chí, ràng buộc của các vấn đề có ý nghĩa xã hội và toàn cầu | Chia vấn đề lớn thành các vấn đề nhỏ có thể giải quyết riêng | Ưu tiên tiêu chí, cân nhắc đánh đổi, đánh giá tác động xã hội và môi trường |
NGSS cũng nói rõ: học sinh ở mọi cấp không bắt buộc phải đưa ra giải pháp độc đáo, dù giải pháp độc đáo luôn được hoan nghênh. Trọng tâm là suy nghĩ về nhu cầu cần đáp ứng và giải pháp nào đáp ứng tốt nhất. Ở cấp trung học phổ thông, học sinh được kỳ vọng dùng toán học hoặc mô phỏng máy tính để thử giải pháp trong các điều kiện khác nhau, và việc tìm hiểu người khác đã giải quyết vấn đề tương tự ra sao là một phần chính đáng của quá trình.
Ba nguyên tắc của Viện Hàn lâm Kỹ thuật Hoa Kỳ
Năm 2009, Viện Hàn lâm Kỹ thuật Quốc gia và Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Hoa Kỳ công bố báo cáo Engineering in K-12 Education. Bản tóm tắt do Linda Katehi, Greg Pearson và Michael Feder viết trên tạp chí The Bridge nêu ba nguyên tắc chung cho giáo dục kỹ thuật phổ thông:
- Nhấn mạnh thiết kế kỹ thuật. Quy trình thiết kế có tính lặp lại cao, mở (một vấn đề có nhiều lời giải), là bối cảnh có ý nghĩa để học khái niệm khoa học, toán học, công nghệ, và kích thích tư duy hệ thống, mô hình hóa, phân tích.
- Kết hợp kiến thức toán, khoa học và công nghệ quan trọng, phù hợp với lứa tuổi.
- Bồi dưỡng "thói quen tư duy kỹ thuật" gồm sáu yếu tố: tư duy hệ thống, sáng tạo, lạc quan, hợp tác, giao tiếp và quan tâm đến khía cạnh đạo đức (tác động đến con người, môi trường, hệ quả không mong muốn).
Báo cáo cũng chỉ ra những điểm yếu phổ biến của chương trình kỹ thuật phổ thông thời đó: thiết kế kỹ thuật có mặt trong hầu hết chương trình, nhưng cách xử lý các ý tưởng then chốt như ràng buộc, tối ưu hóa và phân tích lại không đồng đều; rất ít chương trình dùng toán học để hỗ trợ mô hình hóa và phân tích; mối liên hệ giữa tìm tòi khoa học và thiết kế kỹ thuật chưa được khai thác có hệ thống. Về hiệu quả, báo cáo thận trọng: số nghiên cứu ít, chất lượng không đồng đều và quy mô nhỏ nên chưa đủ để khẳng định chắc chắn các lợi ích được nêu.
Đối chiếu với hướng dẫn của Bộ GD&ĐT
Công văn 3089/BGDĐT-GDTrH ngày 14/8/2020 về triển khai giáo dục STEM trong giáo dục trung học quy định bài học STEM dựa theo quy trình thiết kế kĩ thuật gồm 8 bước: xác định vấn đề; nghiên cứu kiến thức nền; đề xuất các giải pháp; lựa chọn giải pháp; chế tạo mô hình (nguyên mẫu); thử nghiệm và đánh giá; chia sẻ thảo luận; điều chỉnh thiết kế. Các bước này được tổ chức thành 5 hoạt động: (1) xác định vấn đề hoặc yêu cầu chế tạo sản phẩm với tiêu chí cụ thể; (2) nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất giải pháp; (3) trình bày, thảo luận, lựa chọn phương án; (4) chế tạo, thử nghiệm và đánh giá; (5) trình bày, thảo luận, điều chỉnh.
Tương tự NGSS, công văn lưu ý các bước "có thể không cần thực hiện một cách tuần tự mà thực hiện song song, tương hỗ lẫn nhau" và coi tiêu chí của sản phẩm là yêu cầu "hết sức quan trọng". Điểm nhấn riêng của hướng dẫn Việt Nam là hoạt động nghiên cứu kiến thức nền: tiêu chí sản phẩm được đặt ra sao cho học sinh buộc phải nắm kiến thức mới của bài để thiết kế và giải thích thiết kế.
Những hiểu lầm thường gặp
- "Thiết kế kỹ thuật chỉ là khoa học ứng dụng." Phụ lục I của NGSS bác bỏ cách hiểu này: kỹ thuật có nhiều điểm chung với khoa học nhưng mục đích và sản phẩm khác nhau. Khoa học trả lời câu hỏi; kỹ thuật giải quyết vấn đề trong ràng buộc.
- "Làm ra sản phẩm là xong." Nếu bỏ qua thử nghiệm, đo đạc và cải tiến, học sinh chỉ đang làm thủ công. Giá trị học tập nằm ở chu trình thử – thất bại – giải thích – sửa.
- "Quy trình phải đi đúng thứ tự từng bước." Cả NGSS lẫn Công văn 3089 đều cho phép quay lại, đi song song.
- "Phải có thiết bị đắt tiền." Công văn 3089 yêu cầu ưu tiên thiết bị sẵn có, vật liệu gia dụng, chi phí rẻ và an toàn.
Gợi ý cho giáo viên Việt Nam
- Viết tiêu chí đo được. Thay vì "làm cầu chắc chắn", hãy viết "cầu dài 40 cm, chịu được 500 g, dùng không quá 30 que kem". Tiêu chí rõ giúp học sinh biết khi nào thành công và giúp giáo viên đánh giá công bằng.
- Bắt buộc có ít nhất hai phương án. Yêu cầu nhóm phác thảo tối thiểu hai ý tưởng và giải thích vì sao chọn một, dựa trên kiến thức của bài.
- Coi "điểm hỏng" là dữ liệu. Khi mô hình hỏng, hỏi: hỏng ở đâu, vì sao, kiến thức nào giải thích được? Đây là lúc kiến thức khoa học được dùng thật sự.
- Đưa toán vào khâu phân tích. Đo, lập bảng, vẽ đồ thị, tính tỉ lệ để so sánh phương án, khắc phục đúng điểm yếu mà báo cáo của Viện Hàn lâm Kỹ thuật đã chỉ ra.
- Tăng yêu cầu theo lớp. Có thể tham khảo bảng tiến trình của NGSS để không giao cho học sinh tiểu học những đánh đổi phức tạp, và không để học sinh lớp 11 chỉ dừng ở mức "làm cho chạy được".
- Dành thời gian cho đạo đức và tác động. Với học sinh lớn, thêm câu hỏi: giải pháp này ảnh hưởng đến ai, tốn tài nguyên gì, có hệ quả không mong muốn nào?
Nguồn tham khảo
- NGSS Lead States (2013). Appendix I – Engineering Design in the NGSS. Next Generation Science Standards. https://www.nextgenscience.org/sites/default/files/Appendix%20I%20-%20Engineering%20Design%20in%20NGSS%20-%20FINAL_V2.pdf
- Katehi, L., Pearson, G. & Feder, M. (2009). The Status and Nature of K–12 Engineering Education in the United States. The Bridge (số mùa thu 2009), National Academy of Engineering. https://www.nae.edu/File.aspx?id=16147
- National Research Council (2012). A Framework for K-12 Science Education: Practices, Crosscutting Concepts, and Core Ideas. The National Academies Press. https://www.nationalacademies.org/read/13165/chapter/2
- Bộ Giáo dục và Đào tạo (2020). Công văn 3089/BGDĐT-GDTrH ngày 14/8/2020 về việc triển khai thực hiện giáo dục STEM trong giáo dục trung học. https://hethongphapluat.com/cong-van-3089-bgddt-gdtrh-nam-2020-ve-trien-khai-giao-duc-stem-trong-giao-duc-trung-hoc-do-bo-giao-duc-va-dao-tao-ban-hanh.html
Trích dẫn bài viết
Ban Biên tập IESDTD tổng hợp (2026). Quy trình thiết kế kỹ thuật trong lớp học: từ chuẩn NGSS đến bài học STEM ở Việt Nam. Viện Khoa học giáo dục và phát triển Công nghệ số. https://iesdtd.edu.vn/nghien-cuu/quy-trinh-thiet-ke-ky-thuat-trong-lop-hoc