Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của khoa học công nghệ đặt ra yêu cầu đào tạo nguồn nhân lực mới vừa vững vàng về chuyên môn, vừa thành thạo kỹ năng ứng dụng khoa học kỹ thuật vào thực tiễn đời sống. Tại Việt Nam, Chương trình giáo dục phổ thông tổng thể do Bộ trưởng Bộ Giáo dục và Đào tạo ban hành ngày 26/12/2018 đã nhấn mạnh định hướng đổi mới căn bản phương pháp dạy học, chú trọng phát triển phẩm chất và năng lực cho học sinh. Trong đó, giáo dục STEM là phương thức giáo dục liên ngành gắn liền với thực tiễn, tạo môi trường thuận lợi để hình thành các năng lực cốt lõi thế kỷ 21, đặc biệt là năng lực hợp tác (NLHT).

Tuy nhiên, trong thực tiễn dạy học môn Vật lí ở các trường trung học phổ thông (THPT), giáo dục STEM vẫn còn là phương pháp khá mới mẻ. Đa số giáo viên còn gặp nhiều lúng túng trong việc lựa chọn chủ đề, thiết kế tiến trình bài học và xây dựng công cụ đánh giá chính xác năng lực học sinh. Xuất phát từ bối cảnh đó, đề tài "Bồi dưỡng năng lực hợp tác của học sinh trong dạy học chủ đề STEM “Chuông báo chống trộm” – Vật lí 11" được tác giả Trần Hồng Phúc thực hiện tại Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng (năm 2023) dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Thanh Huy.

Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế được chủ đề STEM “Chuông báo chống trộm” và vận dụng vào dạy học chương “Từ trường” – Vật lí 11 nhằm bồi dưỡng NLHT cho học sinh.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Nghiên cứu cơ sở lí luận về giáo dục STEM và năng lực hợp tác.
  2. Nghiên cứu các nội dung kiến thức liên quan có thể áp dụng để thiết kế Chuông báo chống trộm trong chương trình Vật lí 11.
  3. Nghiên cứu các tiêu chí đánh giá năng lực hợp tác.
  4. Thiết kế và tổ chức kế hoạch dạy học chủ đề STEM “Chuông báo chống trộm”.
  5. Tổ chức dạy học thực nghiệm tại trường trung học phổ thông trên địa bàn thành phố Đà Nẵng để đánh giá kết quả nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hoạt động dạy học chủ đề STEM “Chuông báo chống trộm” nhằm bồi dưỡng năng lực hợp tác cho học sinh.
  • Phạm vi nghiên cứu: Cơ sở lí luận về giáo dục STEM và năng lực hợp tác; Nội dung kiến thức chương 4 “Từ trường” – Vật lí 11 (kết hợp các nội dung liên quan ở bài 19, 21 Vật lí 11 và bài 25, 26 Vật lí 9).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng hệ thống cơ sở lý thuyết dựa trên các văn bản chỉ đạo của Bộ Giáo dục và Đào tạo, các công trình nghiên cứu giáo dục trong nước và quốc tế:

  • Khái niệm giáo dục STEM: Tiếp cận theo định nghĩa của Hiệp hội Giáo viên dạy Khoa học Mỹ (NSTA) – phương thức tích hợp liên môn giữa Khoa học (Science), Công nghệ (Technology), Kỹ thuật (Engineering) và Toán học (Math) gắn với bối cảnh thực tiễn nhằm phát triển năng lực STEM và khả năng giải quyết vấn đề.
  • Năng lực và Năng lực hợp tác: Khóa luận kế thừa định nghĩa năng lực trong Chương trình GDPT 2018, quan điểm của Đỗ Hương Trà (2015) và Chương trình Giáo dục Trung học bang Québec (Canada, 2004). Khái niệm năng lực hợp tác được phân tích dựa trên công trình của Mai Văn Hưng (2018), theo đó NLHT là khả năng cá nhân thích ứng với tập thể, phân chia trách nhiệm, chia sẻ công việc, giải quyết mâu thuẫn để hoàn thành mục tiêu chung.
  • Cấu trúc năng lực hợp tác: Gồm 3 thành tố: (1) Tổ chức và lập kế hoạch hợp tác, (2) Tham gia hoạt động hợp tác, (3) Đánh giá hoạt động hợp tác.

Tác giả kết hợp ba nhóm phương pháp nghiên cứu:

  1. Phương pháp nghiên cứu lý luận: Phân tích, tổng hợp tài liệu lý luận dạy học Vật lí, chương trình sách giáo khoa Vật lí 11, các tài liệu về giáo dục STEM và phát triển NLHT (Phạm Mỹ Thuận 2020, Đỗ Thị Thanh Hải 2018).
  2. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Xây dựng phiếu khảo sát trắc nghiệm, tiến hành quan sát, phỏng vấn, dự giờ để đánh giá thực trạng dạy học môn Vật lí và mức độ biểu hiện NLHT của 80 học sinh tại trường THPT Thanh Khê (Đà Nẵng).
  3. Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Tổ chức dạy học chủ đề thực tế với 4 nhóm học sinh tại trường THPT Thanh Khê, thu thập dữ liệu bằng bảng kiểm quan sát, phiếu học tập, bản thiết kế, sản phẩm thực tế và bảng rubric đánh giá NLHT.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC HỢP TÁC CỦA HỌC SINH TRONG TỔ CHỨC DẠY HỌC CHỦ ĐỀ STEM

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về giáo dục STEM, làm rõ 3 mục tiêu chính (phát triển năng lực đặc thù STEM, phát triển năng lực cốt lõi, định hướng nghề nghiệp), 6 tiêu chí thiết kế bài học STEM và quy trình 8 bước kỹ thuật được chuyển hóa thành tiến trình 5 hoạt động học tập.

Khóa luận xác định rõ cấu trúc năng lực hợp tác và xây dựng bộ công cụ đánh giá gồm 9 tiêu chí tương ứng với 4 mức độ biểu hiện chất lượng (từ Mức 1 = 1 điểm đến Mức 4 = 4 điểm):

  1. Tổ chức nhóm hợp tác.
  2. Lập kế hoạch hợp tác.
  3. Thực hiện nhiệm vụ được giao.
  4. Diễn đạt ý kiến cá nhân – kết quả thực hiện nhiệm vụ.
  5. Lắng nghe và phản hồi.
  6. Giải quyết mâu thuẫn.
  7. Ghi chép, tổng hợp kết quả hợp tác.
  8. Tự đánh giá và đánh giá lẫn nhau.
  9. Đánh giá kết quả hoạt động nhóm.

Đồng thời, chương này công bố số liệu khảo sát thực trạng trên mẫu $n = 80$ học sinh tại trường THPT Thanh Khê (Đà Nẵng):

Nội dung khảo sát Tỷ lệ phản hồi của học sinh (%)
Mức độ biết đến dạy học chủ đề STEM - Chưa từng biết đến: 71,2%
- Biết qua bạn bè, báo chí: 28,8%
Nhận thức về nguồn gốc năng lực hợp tác - Hình thành qua học tập, rèn luyện: 76,3%
- Do bẩm sinh: 23,7%
Xu hướng giải quyết nhiệm vụ học tập - Tự giải quyết cá nhân, không muốn hợp tác: 66,2%
- Muốn hợp tác cùng bạn bè: 33,8%
Khó khăn lớn nhất khi làm việc nhóm - Không biết phân công hợp lý: 35,0%
- Thiếu tự tin vào bản thân: 27,5%
- Không biết cách chia sẻ ý kiến: 23,7%
- Bất đồng ý kiến, mâu thuẫn: 13,8%
Hình thức học tập Vật lí thường xuyên - Học lý thuyết và làm bài tập: 75,0%
- Làm thí nghiệm, trải nghiệm STEM: 25,0%
Thái độ đối với môn Vật lí - Nhàm chán, nặng bài tập, không gần gũi: 40,0%
- Có ý thức hợp tác tốt, thấy môn học thú vị: 33,8%

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ TIẾN TRÌNH TỔ CHỨC DẠY HỌC CHỦ ĐỀ STEM “CHUÔNG BÁO CHỐNG TRỘM” – VẬT LÍ 11 BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC HỢP TÁC CỦA HỌC SINH

Chương 2 trình bày toàn bộ kế hoạch bài dạy chủ đề "Chuông báo chống trộm" gắn với chương "Từ trường" – Vật lí 11.

Tích hợp liên môn STEM trong chủ đề:

  • Khoa học (Science): Bản chất từ trường, nam châm điện, từ trường của dòng điện chạy trong dây dẫn có hình dạng đặc biệt (bài 19, 21 Vật lí 11; bài 25, 26 Vật lí 9).
  • Công nghệ (Technology): Quy trình gia công, tạo chuông từ vỏ lon nước tái chế, nối mạch điện nguồn pin với công tắc và tiếp điểm.
  • Kỹ thuật (Engineering): Bản vẽ kỹ thuật hệ thống búa gõ, cơ chế ngắt/đóng mạch tự động khi có tác động mở cửa.
  • Toán học (Maths): Đo đạc, cắt tỉa kích thước các chi tiết kim loại, tính toán độ dài dây đồng và kích thước giá đỡ.

Bộ tiêu chí đánh giá sản phẩm (Thang điểm 10):

  • Tiêu chí 1: Chuông báo chống trộm dễ sử dụng (2 điểm).
  • Tiêu chí 2: Sử dụng vật liệu đơn giản, tái chế (2 điểm).
  • Tiêu chí 3: Chuông phát ra được âm thanh (2 điểm).
  • Tiêu chí 4: Thiết bị nhỏ gọn (2 điểm).
  • Tiêu chí 5: Có tính thẩm mỹ (2 điểm).

Nguyên lý vận hành của thiết bị: Hệ thống sử dụng một nam châm điện tự chế (dây đồng quấn quanh lõi sắt non) mắc nối tiếp với nguồn pin, công tắc và tiếp điểm búa gõ. Một miếng cách điện gắn với sợi dây buộc vào cửa được chèn vào giữa hai điểm tiếp xúc. Khi cửa bị mở, miếng cách điện bị kéo tuột ra, mạch điện khép kín. Dòng điện chạy qua cuộn dây biến lõi sắt thành nam châm điện hút miếng sắt có gắn búa đập vào vỏ lon tạo âm thanh báo động. Khi búa gõ đập vào chuông làm hở mạch, nam châm mất từ tính, thanh kim loại đàn hồi về vị trí cũ khiến mạch đóng lại. Quá trình lặp đi lặp lại làm chuông reo liên tục cho đến khi tắt công tắc.

Cấu trúc tiến trình dạy học gồm 5 hoạt động:

  • Hoạt động 1: Xác định yêu cầu thiết kế và chuyển giao nhiệm vụ (Tổ chức tình huống qua video đột nhập trộm cắp, chia lớp thành 4 nhóm phân công vai trò, công bố 5 tiêu chí sản phẩm).
  • Hoạt động 2: Ôn lại kiến thức nền và đề xuất giải pháp (Gồm HĐ 2.1: Ôn tập kiến thức từ trường, nam châm điện trong 20 phút qua Phiếu học tập số 1; HĐ 2.2: Thảo luận đề xuất giải pháp, vẽ bản thiết kế trên giấy A1/A2 trong 20 phút qua Phiếu học tập số 2).
  • Hoạt động 3: Trình bày và bảo vệ phương án thiết kế (35 phút; đại diện 4 nhóm thuyết trình, phản biện chéo và tiếp thu góp ý để hoàn thiện thiết kế).
  • Hoạt động 4: Chế tạo mô hình, thử nghiệm và đánh giá (Thực hiện trong 1 tuần ngoài giờ học; các nhóm phân công chuẩn bị vỏ lon, pin, dây đồng, súng bắn keo để lắp ráp và hiệu chỉnh).
  • Hoạt động 5: Trình bày sản phẩm “Chuông báo chống trộm” và thảo luận (1 tiết học; các nhóm vận hành thiết bị thực tế, báo cáo kết quả, tự đánh giá và được giáo viên chấm điểm theo rubric).

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM

Chương 3 trình bày việc triển khai thực nghiệm dạy học tại trường THPT Thanh Khê (Đà Nẵng). Tiến trình dạy học diễn ra theo đúng 5 hoạt động đã thiết kế với 4 nhóm học sinh tham gia.

Tác giả thu thập kết quả thông qua phiếu học tập số 1, bản vẽ thiết kế (phiếu số 2), sản phẩm thực tế của 4 nhóm và bảng rubric đánh giá NLHT của giáo viên. Kết quả cho thấy các nhóm học sinh đã phối hợp chặt chẽ, biết phân công vai trò (nhóm trưởng, thư ký, báo cáo viên), chủ động trao đổi giải quyết vướng mắc khi chế tạo mạch điện và búa gõ, hoàn thành các mô hình chuông báo hoạt động đúng nguyên lý từ trường. Điểm đánh giá sản phẩm và các chỉ số hành vi hợp tác của học sinh đạt mức tích cực theo thang đo của giáo viên.

Kết quả và đóng góp

  • Dữ liệu khảo sát thực trạng xác thực: Cung cấp bức tranh thực tế về nhận thức và kỹ năng hợp tác của 80 học sinh THPT Thanh Khê, chỉ rõ 71,2% học sinh chưa tiếp cận STEM và 66,2% học sinh có thói quen làm việc đơn lẻ do thiếu kỹ năng phân công (35,0%) và tự ti (27,5%).
  • Bộ công cụ đánh giá NLHT chi tiết: Xây dựng khung đánh giá gồm 3 thành tố, 9 tiêu chí định lượng từ Mức 1 đến Mức 4, gắn kết trực tiếp với các hoạt động trải nghiệm STEM.
  • Tiến trình dạy học thực nghiệm hoàn chỉnh: Thiết kế chi tiết chủ đề STEM "Chuông báo chống trộm" (5 hoạt động) kết nối kiến thức chương "Từ trường" – Vật lí 11 với kỹ thuật chế tạo mô hình thực tế từ vật liệu tái chế (vỏ lon, dây đồng, công tắc).
  • Đóng góp về mặt phương pháp: Khóa luận khắc phục khoảng trống nghiên cứu mà tác giả đã chỉ ra ở phần Tổng quan (các nghiên cứu trước của Phạm Mỹ Thuận 2020, Đỗ Thị Thanh Hải 2018 chủ yếu tập trung phát triển năng lực giải quyết vấn đề) bằng việc tập trung chuyên sâu vào giải pháp bồi dưỡng năng lực hợp tác thông qua quy trình làm việc nhóm kiến tạo trong bài học STEM.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Phạm vi nghiên cứu nội dung chuyên môn chỉ tập trung vào chương 4 "Từ trường" – Vật lí 11. Mẫu khảo sát thực trạng ($n = 80$) và địa bàn thực nghiệm sư phạm chỉ mới thực hiện tại một trường THPT (trường THPT Thanh Khê, thành phố Đà Nẵng).
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu và thiết kế các chủ đề dạy học STEM bồi dưỡng năng lực hợp tác cho các chương khác trong toàn bộ chương trình Vật lí THPT (quang học, cơ học, nhiệt học); triển khai thực nghiệm sư phạm trên diện rộng ở nhiều trường THPT với các điều kiện cơ sở vật chất và đối tượng học sinh đa dạng hơn.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng hưởng lợi: Sinh viên ngành Sư phạm Vật lý, Sư phạm Khoa học Tự nhiên; giáo viên Vật lí các trường THPT đang triển khai Chương trình GDPT 2018; cán bộ nghiên cứu phương pháp dạy học bộ môn.
  • Nội dung có giá trị ứng dụng cao:
    • Bộ Rubric 9 tiêu chí đánh giá NLHT: Có thể sử dụng trực tiếp hoặc điều chỉnh làm công cụ đánh giá năng lực hợp tác cho các chủ đề STEM khác ở bậc trung học.
    • Kế hoạch bài dạy 5 hoạt động: Cung cấp mẫu giáo án thực tế, tích hợp liên môn rõ ràng kèm phiếu học tập và tiêu chí chấm điểm sản phẩm cụ thể, giúp giáo viên phổ thông dễ dàng tham khảo áp dụng.

Câu hỏi thường gặp

1. Chủ đề STEM trong khóa luận vận dụng những kiến thức Vật lí cụ thể nào?
Chủ đề vận dụng kiến thức về bản chất từ trường (Bài 19 – Vật lí 11), từ trường của dòng điện chạy trong dây dẫn có hình dạng đặc biệt (Bài 21 – Vật lí 11), kiến thức nam châm điện (Bài 25 – Vật lí 9) và ứng dụng của nam châm (Bài 26 – Vật lí 9).

2. Bộ tiêu chí đánh giá sản phẩm "Chuông báo chống trộm" gồm những yêu cầu gì và thang điểm ra sao?
Sản phẩm được đánh giá theo thang điểm 10 gồm 5 tiêu chí (mỗi tiêu chí tối đa 2 điểm): (1) Dễ sử dụng, (2) Sử dụng vật liệu đơn giản/tái chế, (3) Phát ra được âm thanh, (4) Nhỏ gọn, (5) Có tính thẩm mỹ.

3. Khung năng lực hợp tác trong khóa luận gồm những thành tố nào?
Khung NLHT gồm 3 thành tố chính: (1) Tổ chức và lập kế hoạch hợp tác, (2) Tham gia hoạt động hợp tác, (3) Đánh giá hoạt động hợp tác, được cụ thể hóa thành 9 tiêu chí đánh giá với 4 mức độ chất lượng (tương ứng từ 1 đến 4 điểm).

4. Dữ liệu khảo sát thực trạng 80 học sinh tại trường THPT Thanh Khê cho thấy khó khăn lớn nhất của học sinh khi làm việc nhóm là gì?
Khó khăn chiếm tỷ lệ cao nhất là học sinh không biết cách phân công công việc hợp lý (35,0%), tiếp theo là thiếu tự tin vào khả năng của bản thân (27,5%), không biết cách chia sẻ ý kiến (23,7%) và bất đồng quan điểm trong nhóm (13,8%).

5. Tiến trình dạy học chủ đề "Chuông báo chống trộm" được phân bổ theo những hoạt động nào?
Tiến trình gồm 5 hoạt động: Hoạt động 1 – Xác định yêu cầu thiết kế và chuyển giao nhiệm vụ; Hoạt động 2 – Ôn lại kiến thức nền và đề xuất giải pháp (gồm HĐ 2.1 ôn tập 20 phút và HĐ 2.2 thiết kế bản vẽ 20 phút); Hoạt động 3 – Trình bày và bảo vệ phương án thiết kế (35 phút); Hoạt động 4 – Chế tạo và thử nghiệm mô hình (thực hiện trong 1 tuần); Hoạt động 5 – Trình bày sản phẩm và thảo luận (1 tiết).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trần Hồng Phúc đã hoàn thành việc xây dựng cơ sở lý luận, thiết kế tiến trình bài học và tổ chức thực nghiệm thành công chủ đề STEM “Chuông báo chống trộm” thuộc chương Từ trường – Vật lí 11. Nghiên cứu cung cấp hệ thống công cụ đánh giá năng lực hợp tác gồm 9 tiêu chí rõ ràng, phù hợp với thực tiễn dạy học phổ thông theo định hướng đổi mới của Chương trình GDPT 2018. Kết quả thực nghiệm sư phạm tại trường THPT Thanh Khê (Đà Nẵng) khẳng định tính khả thi và hiệu quả của phương thức dạy học STEM trong việc nâng cao hứng thú học tập bộ môn và bồi dưỡng năng lực hợp tác cho học sinh.