Giáo dục STEM ở các trường phổ thông của Mỹ

Mấy năm nay tôi thường được dự một số cuộc hội thảo quốc tế về giáo dục STEM ở Việt Nam, có điều kiện tìm hiểu thực tế về giáo dục STEM ở một số nhà trường phổ thông tại các bang của Hoa Kỳ. Đặc biệt hè năm 2019 tôi được mời trình bày tham luận về giáo dục STEM trong các nhà trường ở Hoa Kỳ do Phòng Giáo dục Quận Hoàn Kiếm tổ chức với sự tham gia của Bộ Giáo dục, Sở Giáo dục Hà Nội và tất cả các hiệu trưởng các cấp học trong quận Hoàn Kiếm.
Năm nay là năm học đầu tiên ngành giáo dục thực hiện cải cách giáo dục. Trong cải cách giáo dục, Bộ Giáo dục có đề cập đến giáo dục STEM trong các nhà trường phổ thông ở Việt Nam. Tôi xin trích một phần bài tham luận in trong Kỷ yếu Hội thảo và một số bài viết cụ thể về STEM để anh chị em bạn bè, đồng nghiệp, các cán bộ quản lý giáo dục và giáo viên quan tâm đến giáo dục tham khảo, để biết thêm một nét về giáo dục phổ thông Hoa Kỳ và vấn đề STEM còn mới mẻ, bước đầu sẽ được triển khai ở các nhà trường Việt Nam. Tiêu đề của bài viết là STEM và giáo dục STEM trong các nhà trường ở Hoa Kỳ.
Tại sao STEM bắt nguồn từ Hoa Kỳ?
Hoa Kỳ là nước đầu tiên trên thế giới đưa STEM vào trong trường học. Vấn đề đặt ra là tại sao STEM bắt nguồn từ Hoa Kỳ?
Cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ 3 (cuộc cách mạng 3.0) khởi nguồn từ Hoa kỳ. Về cơ bản cho đến hết thế kỷ 20, Hoa Kỳ đã hoàn thành cuộc Cách mạng Công nghiệp này với những thành tựu khoa học công nghệ cao, tạo ra hệ thống vệ tinh toàn cầu, máy bay, tàu ngầm thế hệ mới, các phương tiện thăm dò không gian, máy tính, internet, điện thoại thông minh… Cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ 4 (cuộc cách mạng 4.0) cũng khởi nguồn từ Hoa Kỳ cùng với một số nước phương Tây bắt đầu từ những năm 2000 đến nay. Cuộc cách mạng này được gọi là cuộc cách mạng số, dựa trên internet vạn vật, trí tuệ nhân tạo, máy in 3D, thực tế ảo, công nghệ nano, công nghệ sinh học…
Hai cuộc cách mạng công nghiệp 3.0 và 4.0 không chỉ là hiện tượng phát triển thần kỳ về khoa học, công nghệ, kỹ thuật mà còn là một bước ngặt của lịch sử, tạo ra bước nhảy vọt về chất chưa từng thấy của lực lượng sản xuất và năng suất lao động trong lịch sử nhân loại. Nó đang làm thay đổi căn bản vai trò, vị trí của con người trong quá trình sản xuất. Nhân lực lao động trong cuộc cách mạng này không chỉ đòi hỏi có trình độ khoa học, công nghệ, kỹ thuật chuyên ngành mà còn đòi hỏi khả năng tích hợp liên ngành với khả năng tư duy bậc cao (high-order thinking).
Theo thống kê tại Mỹ, từ năm 2004 đến năm 2014 tuyển và sử dụng lao động liên quan đến khoa học, công nghệ, kỹ thuật tăng 26%. Từ năm 2010 đến năm 2020 tuyển và sử dụng lao động liên quan đến khoa học, công nghệ, kỹ thuật tăng 62%, gấp hơn 5 lần so với các ngành nghề khác. Cũng theo dự tính của Mỹ, vào năm 2030 máy tính, robot với trí tuệ nhân tạo sẽ thay thế 60% nghề nghiệp tương lai của con người. Từ thực tế đó, học sinh, sinh viên Mỹ buộc phải trang bị tri thức khoa học, công nghệ, kỹ thuật tương xứng với nền kinh tế mới. Đó là yêu cầu khách quan, thực tế của thị trường lao động Mỹ.
Hơn nữa, Chính quyền Mỹ luôn coi trọng nhóm ngành khoa học, công nghệ, kỹ thuật. Họ ưu tiên và dành nguồn lực đáng kể vào nhóm ngành nghề này, vì nó mang lại cơ hội việc làm, đóng góp vào lĩnh vực sàn xuất và dịch vụ cho quốc gia, đóng vai trò quan trọng nhất giúp Mỹ tăng lợi thế cạnh tranh trong cuộc cách mạng khoa học, công nghệ, trong nền kinh tế quốc tế hóa.
Không phải trong thời gian gần đây người Mỹ mới quan tâm đến STEM (Tổng thống Barack Obama, Tổng thống Donald Trump khi bước chân vào Nhà Trắng đều đến thăm các tiết dạy STEM ở tiểu học và trung học). Ngay từ cuối những năm năm 50 của thế kỷ trước, khi Liên bang Xô Viết phóng vệ tinh Sputnik 1, vệ tinh nhân tạo đầu tiên trên thế giới do đối thủ của Mỹ chế tạo và phóng nó lên quỹ đạo trái đất vào ngày 4 tháng 10 năm 1957, mở đầu kỷ nguyên chinh phục vũ trụ của loài người, cả nước Mỹ gần như đã chết lặng. Tổng thống Dwight D. Eisenhower đã gọi đó là cuộc "Khủng hoảng Sputnik". Thời điểm ấy, Hoa Kỳ chỉ có thể mang bom hạt nhân bằng máy bay như thời điểm năm 1945 họ đã mang đến thả xuống đất nước Nhật Bản. Sự kiện Sputnik đã chứng tỏ Liên Xô có thể đưa một đầu đạn hạt nhân đến bất cứ đâu trên thế giới chỉ trong vài phút, xuyên qua lá chắn hai đại dương: Thái Bình Dương và Đại Tây Dương, thứ đã bảo vệ thành công Hoa Kỳ lục địa khỏi bị tấn công trong cả hai cuộc chiến tranh thế giới. Nước Mỹ và phương Tây hoàn toàn bất an sau sự kiện Sputnik.
Chưa đầy một năm sau, Quốc hội Hoa Kỳ đã thông qua Đạo luật Giáo dục Quốc phòng (NDEA). Luật này cho phép chương trình tiêu tốn hàng tỷ đô la hàng năm vào hệ thống giáo dục Hoa Kỳ để phát triển khoa học, kỹ thuật. Sau cú sốc ban đầu, cuộc chạy đua vào không gian của Mỹ chính thức khởi động, dẫn đến sự kiện người Mỹ lần đầu bay vào không gian, thực hiện chương trình Apollo và đưa những người đầu tiên đặt chân lên Mặt Trăng năm 1969. Cuối cùng thì Hoa kỳ, kẻ đi sau đã vượt qua được Liên Xô. Cho đến ngày hôm nay, Chương trình Chiến tranh giữa các vì sao có từ thời Tổng thống Ronald Reagan hiện đang được Tổng thống Trump tái khởi động trên cơ sở công nghệ mới và hiện đại nhằm duy trì vị thế số 1 của Mỹ trong việc chiếm lĩnh khoảng không vũ trụ. Vấn đề STEM càng được chính quyền Mỹ quan tâm đặc biệt.
Ngoài ra người ta còn kể đến các doanh nghiệp Mỹ, họ luôn dành ưu tiên đầu tư khoa học, công nghệ, kỹ thuật trong sản xuất, yếu tố quyết định năng suất lao động và sản phẩm vật chất mang hàm lượng trí tuệ cao, đem lại lợi nhuận khổng lồ từ thị trường toàn cầu. Chỉ tính riêng ở địa điểm Thung lũng Silicon bang California, được mệnh danh là bộ não của nhân loại đã có tới hơn 30.000 doanh nghiệp tầm cỡ thế giới đang ngày đêm sản sinh ra những giải pháp khoa học, công nghệ toàn cầu (xin xem bài viết Đôi điều về Thung lũng Silicon của tôi trên trang Facebook mấy tháng trước).
Chính thị trường của một nước công nghiệp phát triển hàng đầu thế giới đã thúc đẩy vị thế của STEM trong xã hội Hoa Kỳ. Vậy STEM là gì?
Thuật ngữ STEM là chữ viết tắt của bốn từ tiếng Anh: Science (khoa học), Technology (công nghệ), Engineering (kỹ thuật) và Math (toán học). STEM được hình thành trên cái cốt vật chất khoa học, công nghệ, kỹ thuật, toán học và nhu cầu của xã hội Mỹ nên giáo dục Mỹ đã trở thành cái nôi đầu tiên sản sinh ra khái niệm giáo dục STEM, nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường, nhằm trang bị cho học sinh những kiến thức cần thiết liên quan đến 4 lĩnh vực: Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học. Trong đó, các kiến thức và kỹ năng STEM được tích hợp, lồng ghép và bổ trợ cho nhau, giúp học sinh không chỉ hiểu biết về nguyên lý mà còn có thể áp dụng để thực hành và tạo ra được những sản phẩm trong cuộc sống hằng ngày.
Có một điểm chúng ta cần lưu ý, mặc dầu Hoa Kỳ là một siêu cường về kinh tế, chính trị, khoa học, quân sự, một cường quốc về giáo dục, nhưng thành tích thi cử lại kém nhiều nước ở châu Á, trong đó có Việt Nam (chẳng hạn như đánh giá PISA gần đây Việt Nam xếp thứ 16, Mỹ xếp thứ 33). Một trong những nguyên nhân là do hệ thống giáo dục phổ thông của Mỹ không chú trọng đến việc thi cử và luyện thi. Về cơ bản, các nhà trường Mỹ không tổ chức thi tốt nghiệp tiểu học, không thi tốt nghiệp THCS, không thi vào THPT, Không thi tốt nghiệp THPT, cũng không thi vào đại học (một trong những lý do họ cho rằng việc thiên về thi cử chỉ đào tạo ra lớp thợ thừa hành với tư duy bậc thấp). Thay vào đó họ tập trung vào năng lực STEM, rèn luyện thể lực và nghệ thuật; phát triển những năng lực mang tính nền tảng cho học sinh đi trên một con đường xa hơn, hướng đến sự sáng tạo và lãnh đạo toàn cầu (Hoa Kỳ đứng đầu thế giới về nghiên cứu và phát minh. 100 trường đại học hàng đầu thế giới thì 70 trường là của Mỹ. Hơn một phần ba giải thưởng Nobel của nhân loại thuộc về người Mỹ. Tivi, tủ lạnh, điện thoại, điện thoại thông minh, ô tô, máy bay, máy tính, mạng internet, cùng với các phần mềm thống trị thế giới như hệ điều hành Windown của Microsoft, google, Facebook, youtube… Tất cả đều là phát minh của người Mỹ).
Giáo dục STEM là gì?
Ở Hoa Kỳ có nhiều cách hiểu về giáo dục STEM. Tổ chức uy tín trong lĩnh vực giáo dục khoa học trên thế giới là Hiệp hội các giáo viên dạy khoa học quốc gia (National Science Teachers Association - NSTA) đã đề xuất khái niệm giáo dục STEM (STEM education): "Giáo dục STEM là cách tiếp cận liên ngành trong quá trình học, trong đó các khái niệm học thuật mang tính nguyên tắc được lồng ghép vào những bài học cụ thể, ở đó học sinh áp dụng kiến thức trong khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán vào trong các bối cảnh cụ thể giúp kết nối trường học, cộng đồng, nơi làm việc và các tổ chức toàn cầu, để từ đó phát triển năng lực cá nhân trong lĩnh vực STEM và cùng với đó có thể cạnh tranh trong nền kinh tế mới”.
Thực tế giáo dục STEM hiện nay ở Mỹ có một số cách hiểu khác nhau. Có hàng nghìn nội dung, chương trình STEM được các viện nghiên cứu đưa ra cho các bang, các thành phố, các nhà trường tùy ý lựa chọn (Mỹ không có một chương trình giáo dục thống nhất toàn liên bang. Mỗi bang có một chương trình riêng. Thậm chí mỗi thành phố có một chương trình riêng phù hợp với khu vực địa bàn của mình). Một trong những quan niệm được nhiều người thừa nhận là giáo dục STEM gồm hai cấp độ: Chương trình học (curriculum) và bài học (lesson plan). Tựu trung nó có năm đặc điểm sau:
- Tập trung vào việc tích hợp.
- Liên hệ kiến thức khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán với thực tế cuộc sống.
- Hướng đến phát triển những kỹ năng cho học sinh trong nền kinh tế mới.
- Thử thách học sinh, sinh viên vượt qua chính bản thân họ.
- Có tính hệ thống, gắn kết.
Tổ chức này đề ra ba mục đích giáo dục STEM ở Mỹ trong nhà trường từ mầm non tới đại học):
- Xây dựng năng lực nhận thức STEM cho thế hệ công dân tương lai.
- Chuần bị những năng lực cần thiết cho nguồn lao động trong thế kỷ 21.
- Tập trung nghiên cứu, phát triển và đổi mới trong lĩnh vực giáo dục ngành nghề STEM (từ bậc đại học trở lên)
Hình thức tổ chức STEM?
- Dạy môn học STEM và các môn học thuộc lĩnh vực STEM trong nhà trường theo chương trình (ở cấp mầm non, tiểu học, trung học cơ sở gọi là môn Khoa học). Các chủ đề, bài học và hoạt động giáo dục STEM được triển khai trong quá trình dạy học theo hướng tiếp cận liên ngành, liên môn, liên hệ với thực tiễn cuộc sống.
- Hoạt động ngoài giờ lên lớp, hoạt động ngoại khóa theo chương trình giáo dục STEM.
- Hoạt động trải nghiêm STEM: Thực hành khám phá, thí nghiệm, ứng dụng khoa học kỹ thuật tại nhà trường, tại các cơ sở giáo dục nghề, các trường đại học, các doanh nghiệp. Tổ chức các câu lạc bộ STEM. Tham quan bảo tàng khoa học và tự nhiên (ở Mỹ có hàng trăm bảo tàng khoa học và tự nhiên, nhiều bảo tàng có khu STEM riêng; xin xem bài viết Thăm thành phố Chicago, Bảo tàng Khoa học, Công nghiệp Chicago, Bảo tàng Khoa học Tự nhiên Denver của tôi trong trang Facebook này mấy tháng trước), các khu bảo tồn, các trang trại…
- Hoạt động nghiên cứu khoa học và tổ chức các cuộc thi sáng tạo với các chủ đề.
- Tham dự các khóa hè STEM (do nhà trường, do các doanh nghiệp tổ chức theo các chương trình riêng).
Kết quả giáo dục STEAM?
Qua những nghiên cứu trong hơn hai mươi năm ở hàng trăm trường đại học và viện nghiên cứu ở Mỹ, những học sinh theo học theo cách tiếp cận giáo dục STEM đều có những ưu thế nổi trội như: kiến thức khoa học, kỹ thuật, công nghệ và toán học; khả năng sáng tạo, tư duy logic, hiệu suất học tập và làm việc vượt trội, có cơ hội phát triển các kỹ năng mềm toàn diện hơn trong khi không hề có cảm giác nặng nề, quá tải. Giáo dục STEM còn thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết và thực tiễn.
Kết luận
Tóm lại, xã hội Mỹ rất quan tâm tới STEM: Từ chính sách đến ngân sách, từ chính quyền đến các doanh nghiệp và nhà hảo tâm, từ nhà trường đến gia đình, cộng với nền tảng vật chất STEM tại Hoa Kỳ… Tất cả tạo nên một môi trường STEM để các nhà giáo dục Mỹ làm công tác giáo dục STEM.
Về mặt pháp luật, ngày 9/7/2007 Quốc hội Mỹ ban hành Luật America COMPETES nhằm tăng cường đầu tư, nghiên cứu khoa học và kỹ thuật và giáo dục STEM từ cấp mầm non đến sau đại học, sau tiến sỹ. Nó cho phép tăng cường các nguồn lực, kinh phí cho quỹ quốc gia, các phòng thí nghiệm công nghệ cho các nhà trường. Ngoài luật, Hoa kỳ còn có Quỹ Khoa học Quốc gia chuyên lo phân bổ kinh phí nghiên cứu cho các trường học. Một hệ thống nữa là học viện STEM Quốc gia và hàng trăm viện STEM ở các trường đại học khắp liên bang , những tổ chức phi lợi nhuận chuyên nghiên cứu về việc nâng cao kiến thức STEM cho học sinh, sinh viên. Chẳng hạn như Tổ chức Dẫn đường (Lead Way), tổ chức phi lợi nhuận hàng đầu Hoa Kỳ chuyên cung cấp chương trình giáo dục STEM cho các trường trung học ở Mỹ. Ngoài ra còn có Bộ Quốc phòng, cơ quan NASA và nhiều cơ quan khác cũng dành nguồn kinh phí nhất định cho việc giáo dục STEM có liên quan đến quốc phòng, chương trình không gian vũ trụ và các chương trình riêng của họ…
Tại sao Hoa Kỳ lại quan tâm đến STEM như vậy? Họ cho rằng các bài học STEM trong chương trình học phổ thông rất quan trọng. Các nhà kinh tế, các nhà khoa học đều cho rằng đến giữa thế kỷ này sẽ có khoảng 80.000.000 việc làm mới trong nền kinh tế mới, Công nghệ đang phát triển với tốc độ chóng mặt. Học sinh được giảng dạy ngày hôm nay là những người đổi mới trong tương lại gần. Họ cần được trang bị STEM để sáng tạo, để giải quyết những vấn đề, thậm chí những vấn đề ngày hôm nay chưa xuất hiện. Các dự án STEM tích hợp các kỹ năng khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học đặt ra những thách thức để học sinh, sinh viên giải quyết những vấn đề trong cuộc sống, những thách thức giúp học sinh, sinh viên phát triển tư duy phản biện, đổi mới, tư duy bậc cao và giao tiếp để giải quyết hàng loạt vấn đề trong thế giới thực.
Những thay đổi trong nền kinh tế, nền kinh tế mới, hay còn gọi là cuộc cách mạng 4.0. đã xảy ra tại Mỹ. Nhiều việc làm đã mất đi và trong thời gian tới nhiều việc làm, nhất là lao động đơn giản không còn nữa. Thay thế vào đó là công việc của robot, của trí tuệ nhân tạo. Rất nhiều ngành nghề mới đã, đang và sẽ ra đời mang hàm lượng trí tuệ cao. Ngoài những ngành nghề về trí tuệ nhân tạo, người máy, thực tại ảo, công nghệ nano, công nghệ lý, hóa, sinh học còn hàng trăm ngành nghề hoàn toàn mới sẽ ra đời trong tương lai.
Nguồn lao động chất lương cao không chỉ cần kiến thức chuyên ngành mà đòi hỏi sự hiểu biết liên ngành của bốn lĩnh vực như ở trên đã trình bày. Do vậy nền giáo dục Mỹ hình thành cho học sinh, sinh viên năng lực STEM (STEM literacy) mà điểm nổi bật của nó là năng lực vận dụng, kết nối và liên hệ thông tin giữa các lĩnh vực vào cuộc sống ngay từ mầm non, tiểu học và trung học.