Luận án tiến sĩ: Phát triển năng lực giải quyết vấn đề và sáng tạo cho sinh viên đại học khối ngành kỹ thuật thông qua dạy học hóa học đại cương - Nguyễn Ngọc Tuấn, ĐH Sư phạm Hà Nội

Năng lực giải quyết vấn đề là khả năng nhận diện, phân tích và tìm ra giải pháp tối ưu cho tình huống thách thức. Năng lực sáng tạo biểu hiện qua việc đề xuất ý tưởng mới, độc đáo và có giá trị thực tiễn. Trong đào tạo kỹ sư, hai năng lực này có mối quan hệ hữu cơ chặt chẽ. Sinh viên cần phát hiện mâu thuẫn kỹ thuật dựa trên bản chất hóa học của vật liệu. Quá trình tư duy sáng tạo giúp người học tạo ra các giải pháp công nghệ mới. Năng lực này gồm các thành tố: phát hiện vấn đề, lập kế hoạch, thực thi và đánh giá kết quả. Người học chủ động chiếm lĩnh tri thức thay vì tiếp thu thụ động một chiều.

Dạy học phát triển năng lực lấy người học làm trung tâm của mọi hoạt động giáo dục. Nội dung bài giảng gắn liền với bối cảnh nghề nghiệp thực tế của kỹ sư tương lai. Giảng viên đóng vai trò thiết kế, tổ chức, định hướng và hỗ trợ hoạt động học tập. Sinh viên tự kiến tạo tri thức thông qua trải nghiệm thực tế và nghiên cứu khoa học. Xu hướng giáo dục hiện đại chú trọng áp dụng phương pháp dạy học tích cực. Các phương pháp này kích thích tư duy phản biện và rèn luyện kỹ năng làm việc nhóm. Đánh giá kết quả học tập tập trung vào sự tiến bộ của từng sinh viên trong suốt tiến trình học.

Giáo dục STEM trong đại học tích hợp liên môn khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học. Mô hình này xóa bỏ rào cản giữa lý thuyết hàn lâm và thực tiễn sản xuất. Học phần hóa học đại cương đóng vai trò cầu nối nền tảng trong hệ thống STEM. Sinh viên ứng dụng nguyên lý hóa học để giải quyết bài toán vật liệu, môi trường và năng lượng. Việc tích hợp STEM tạo ra môi trường học tập đa ngành sinh động và thực chất. Sinh viên khối ngành kỹ thuật rèn luyện kỹ năng thiết kế, thử nghiệm và tối ưu hóa giải pháp công nghệ. Đây là bệ phóng cho các ý tưởng nghiên cứu sáng tạo mang tính đột phá.

Đa số giảng viên vẫn sử dụng phương pháp thuyết trình kết hợp trình chiếu bài giảng điện tử. Việc ứng dụng phương pháp dạy học tích cực chưa đồng bộ và thiếu tính hệ thống. Dạy học dựa trên giải quyết vấn đề (PBL) và dạy học dự án ít được triển khai trong thực tế. Nguyên nhân chủ yếu do sĩ số lớp học đông và quỹ thời gian tín chỉ hạn hẹp. Hoạt động kiểm tra đánh giá chủ yếu tập trung vào khả năng ghi nhớ kiến thức lý thuyết. Các hình thức đánh giá năng lực thực hành và năng lực sáng tạo chưa được chú trọng. Thực trạng này làm giảm động lực học tập của sinh viên kỹ thuật.

Đa số sinh viên khối ngành kỹ thuật coi môn hóa học đại cương là môn học điều kiện. Người học thường thụ động trong việc tự đọc tài liệu và chuẩn bị bài trước giờ lên lớp. Kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng phản biện và tư duy nghiên cứu của sinh viên còn yếu. Khả năng phát hiện vấn đề kỹ thuật liên quan đến hóa học của sinh viên còn nhiều hạn chế. Tuy nhiên, sinh viên đều bày tỏ mong muốn được tham gia các hoạt động học tập tương tác cao. Người học hào hứng với các nhiệm vụ gắn liền với thực tiễn sản xuất công nghiệp và công nghệ mới. Nhu cầu đổi mới cách học là rất cấp thiết.

Hạ tầng công nghệ thông tin tại các trường đại học kỹ thuật ngày càng hoàn thiện. Hệ thống quản lý học tập trực tuyến (LMS) và phòng học đa phương tiện đã được đầu tư đồng bộ. Đây là tiền đề quan trọng để triển khai các mô hình dạy học hiện đại. Đội ngũ giảng viên hóa học có trình độ chuyên môn cao và tâm huyết với nghề nghiệp. Nhu cầu áp dụng dạy học dự án và mô hình lớp học đảo ngược tại các trường là rất lớn. Sự kết hợp giữa công nghệ số và phương pháp dạy học tích cực sẽ tạo bước chuyển biến căn bản. Điều này góp phần nâng cao chất lượng đào tạo kỹ sư thời kỳ mới.

Cấu trúc đánh giá năng lực giải quyết vấn đề bao gồm 4 tiêu chí cốt lõi. Tiêu chí thứ nhất là khả năng nhận diện và diễn đạt vấn đề kỹ thuật có liên quan đến hóa học. Tiêu chí thứ hai là năng lực tìm kiếm, xử lý thông tin và lập kế hoạch thực hiện. Tiêu chí thứ ba là kỹ năng thực thi giải pháp, tiến hành thực nghiệm và phân tích dữ liệu. Tiêu chí thứ tư là khả năng đánh giá kết quả, phát hiện sai số và đề xuất phương án tối ưu. Mỗi tiêu chí được cụ thể hóa bằng các chỉ báo hành vi có thể lượng hóa rõ ràng. Cấu trúc này đảm bảo tính chính xác khi đánh giá người học.

Năng lực sáng tạo của sinh viên được đo lường dựa trên tính mới, tính linh hoạt và tính khả thi kỹ thuật. Các tiêu chuẩn chính bao gồm: khả năng đề xuất ý tưởng giải pháp độc đáo, tư duy cải tiến quy trình và thiết kế thử nghiệm mới. Sinh viên thể hiện năng lực sáng tạo khi biết vận dụng kiến thức hóa học vào chế tạo vật liệu mới hoặc xử lý chất thải công nghiệp. Khả năng kết hợp kiến thức liên ngành trong giải quyết bài toán kỹ thuật là tiêu chí đánh giá xuất sắc. Thang đo rubric phân định rõ các cấp độ sáng tạo từ nhận biết, tái hiện đến đề xuất giải pháp độc lập và tạo ra sản phẩm kỹ thuật cụ thể.

Bộ công cụ đánh giá được thiết kế đa dạng nhằm thu thập dữ liệu học tập toàn diện. Rubric đánh giá dự án học tập giúp chấm điểm sản phẩm kỹ thuật và bài báo cáo của nhóm sinh viên. Bảng kiểm quan sát ghi nhận thái độ làm việc nhóm, kỹ năng phản biện và tinh thần hợp tác của từng cá nhân. Các bài tập tình huống mở giúp kiểm tra năng lực tư duy logic và khả năng ra quyết định kỹ thuật. Hồ sơ học tập (portfolio) lưu giữ minh chứng về sự tiến bộ của sinh viên theo thời gian. Bộ công cụ được kiểm định độ tin cậy và độ giá trị thông qua phương pháp thống kê sư phạm.

Chủ đề dự án học tập phải bảo đảm tính khoa học, tính liên ngành và tính thực tiễn kỹ thuật. Nội dung dự án gắn kết trực tiếp với chuyên ngành đào tạo của sinh viên như cơ khí, chế tạo máy hay điện tử. Nhiệm vụ học tập cần có độ mở hợp lý nhằm kích thích tối đa tư duy sáng tạo của sinh viên. Dự án đòi hỏi sự vận dụng tổng hợp kiến thức cốt lõi của dạy học hóa đại cương. Thời lượng và nguồn lực thực hiện dự án phải phù hợp với điều kiện thực tế của phòng thí nghiệm nhà trường. Tính an toàn hóa chất luôn là nguyên tắc bắt buộc trong toàn bộ quá trình thực hiện.

Quy trình dạy học dựa trên giải quyết vấn đề (PBL) được triển khai qua 5 bước logic. Bước 1: Giảng viên đưa ra tình huống có vấn đề xuất phát từ thực tế sản xuất kỹ thuật. Bước 2: Sinh viên phân tích tình huống, xác định các thiếu hụt tri thức và phân chia nhiệm vụ nghiên cứu. Bước 3: Các nhóm sinh viên thu thập tài liệu khoa học, đề xuất giả thuyết và lập kế hoạch thí nghiệm. Bước 4: Sinh viên thực hiện thí nghiệm hóa học, đo đạc thông số và chế tạo sản phẩm mẫu. Bước 5: Các nhóm báo cáo sản phẩm, bảo vệ giải pháp trước giảng đường và tiếp thu ý kiến phản biện.

Dạy học khám phá khuyến khích sinh viên tự tìm tòi quy luật tự nhiên thông qua thí nghiệm khoa học. Thay vì cung cấp định lý có sẵn, giảng viên hướng dẫn sinh viên quan sát hiện tượng và phân tích số liệu thực nghiệm. Sinh viên tự suy luận ra các quy luật nhiệt động lực học và động học của phản ứng hóa học. Việc gắn kết kiến thức hóa học với công nghệ chế tạo vật liệu mới tạo niềm say mê học tập cho sinh viên. Sinh viên khối ngành kỹ thuật nắm vững bản chất phân tử của các quá trình kỹ thuật. Năng lực tư duy logic và kỹ năng thực hành nghề nghiệp được nâng cao rõ rệt.

Trước giờ lên lớp, giảng viên cung cấp hệ thống học liệu số đa phương tiện trên cổng học tập LMS. Học liệu bao gồm video bài giảng ngắn, tài liệu hướng dẫn tự học và các câu hỏi trắc nghiệm tương tác. Sinh viên tự học theo tốc độ cá nhân, xem lại nội dung khó và ghi chú các vấn đề chưa hiểu. Người học hoàn thành bài kiểm tra nhanh trực tuyến để tự đánh giá mức độ tiếp thu kiến thức nền tảng. Giảng viên theo dõi dữ liệu phản hồi từ hệ thống để nắm bắt khó khăn của sinh viên. Bước chuẩn bị kỹ lưỡng này tạo nền móng vững chắc cho các hoạt động nâng cao tại lớp học.

Giờ học trên lớp bắt đầu bằng việc giải đáp thắc mắc và hệ thống hóa các khái niệm trọng tâm. Giảng viên giao nhiệm vụ học tập phức hợp đòi hỏi tư duy bậc cao và năng lực giải quyết vấn đề. Sinh viên làm việc theo nhóm để thảo luận các tình huống kỹ thuật thực tế liên quan đến hóa học. Giảng viên đóng vai trò cố vấn, quan sát, khơi gợi ý tưởng và hỗ trợ kịp thời cho từng nhóm. Hoạt động tranh luận và phản biện khoa học diễn ra sôi nổi giữa các nhóm sinh viên. Không khí lớp học trở nên hứng khởi, phát huy tối đa năng lực làm việc hợp tác và tư duy độc lập.

Nhiều kỹ thuật dạy học tích cực được lồng ghép linh hoạt trong mô hình lớp học đảo ngược. Kỹ thuật mảnh ghép giúp sinh viên rèn luyện tinh thần trách nhiệm và năng lực chia sẻ tri thức chuyên môn. Kỹ thuật khăn trải bàn kích thích mỗi cá nhân đưa ra ý tưởng độc lập trước khi thống nhất giải pháp chung của nhóm. Kỹ thuật sơ đồ tư duy hỗ trợ hệ thống hóa các mối quan hệ phức tạp giữa cấu trúc và tính chất hóa học. Việc kết hợp đa dạng các phương pháp dạy học tích cực duy trì sự tập trung cao độ của người học. Sinh viên từng bước hình thành tác phong làm việc chuẩn mực của người kỹ sư.

Thực nghiệm sư phạm được triển khai qua 3 giai đoạn chặt chẽ theo đúng phương pháp luận nghiên cứu giáo dục. Giai đoạn 1 tiến hành biên soạn kế hoạch bài dạy, xây dựng học liệu số và tập huấn cho giảng viên tham gia. Giai đoạn 2 tổ chức giảng dạy thực nghiệm tại các lớp học phần hóa học đại cương của trường kỹ thuật. Giảng viên lớp thực nghiệm áp dụng triệt để dạy học dự án và lớp học đảo ngược. Lớp đối chứng học theo phương pháp truyền thống. Giai đoạn 3 tiến hành kiểm tra sau thực nghiệm, chấm điểm sản phẩm dự án và khảo sát thái độ học tập của sinh viên.

Dữ liệu thực nghiệm được phân tích bằng phần mềm thống kê toán học SPSS với độ tin cậy cao. Điểm trung bình kiểm tra của lớp thực nghiệm cao hơn lớp đối chứng một cách có ý nghĩa thống kê (p < 0.05). Hệ số kích thước ảnh hưởng Cohen’s d đạt mức cao (d > 0.8), khẳng định mức độ tác động mạnh mẽ của biện pháp sư phạm. Kết quả đánh giá theo rubric cho thấy sự tiến bộ vượt bậc ở các chỉ báo năng lực giải quyết vấn đề và năng lực sáng tạo. Sinh viên khối thực nghiệm thể hiện khả năng phân tích dữ liệu, tư duy phản biện sắc bén và kỹ năng thiết kế giải pháp kỹ thuật vượt trội.

Nghiên cứu đưa ra các khuyến nghị thiết thực cho các cơ sở giáo dục đại học khối ngành kỹ thuật. Nhà trường cần hoàn thiện hạ tầng số và phát triển kho tài nguyên học liệu mở chất lượng cao. Các khoa chuyên môn cần rà soát lại chương trình dạy học hóa đại cương theo hướng tăng cường tính ứng dụng thực tiễn kỹ thuật. Giảng viên cần chủ động bồi dưỡng phương pháp dạy học tích cực và kỹ năng thiết kế dự án STEM. Sinh viên cần nâng cao ý thức tự giác tự học và tinh thần hợp tác nhóm. Đây là giải pháp đồng bộ nhằm đổi mới căn bản và toàn diện giáo dục đại học Việt Nam.