Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh đổi mới căn bản giáo dục phổ thông theo chương trình 2018, việc vận dụng mô hình giáo dục STEM (Science, Technology, Engineering, Mathematics) ngày càng được chú trọng nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh. Tại tỉnh Cao Bằng, trong năm học 2022-2023, Sở Giáo dục đã triển khai dạy học STEM ở các trường THPT, trong đó có Trường THPT Bế Văn Đàn với đối tượng nghiên cứu là học sinh lớp 10A5. Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào tổ chức dạy học STEM chủ đề “Cần trục tháp” trong môn Vật lí 10, nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề thông qua mạch nội dung “Cân bằng lực, moment lực”. Phạm vi nghiên cứu bao gồm 8 tiết học trong chủ đề “Động lực học” với trọng tâm là thiết kế và chế tạo mô hình cần trục tháp đơn giản.

Nghiên cứu nhằm giải quyết các khó khăn thực tiễn trong thi công nhà cao tầng như vận chuyển vật liệu nặng, khối lượng lớn lên cao trình, qua đó vận dụng kiến thức vật lí để thiết kế công cụ hỗ trợ hiệu quả. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh, góp phần nâng cao chất lượng dạy học môn Vật lí theo định hướng giáo dục STEM, đồng thời đáp ứng yêu cầu đổi mới giáo dục phổ thông và chuẩn bị nguồn nhân lực chất lượng cao cho các ngành kỹ thuật, công nghệ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên mô hình giáo dục STEM, một cách tiếp cận liên môn tích hợp kiến thức Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học nhằm giải quyết các vấn đề thực tiễn. Khung lý thuyết bao gồm:

  • Mô hình giáo dục STEM: Tập trung vào việc tổ chức các hoạt động học tập theo quy trình thiết kế kỹ thuật gồm xác định vấn đề, nghiên cứu kiến thức nền, đề xuất và lựa chọn giải pháp, chế tạo, thử nghiệm, đánh giá và điều chỉnh sản phẩm.

  • Năng lực giải quyết vấn đề: Theo quan điểm của Đỗ Hương Trà và cộng sự, năng lực này bao gồm 5 thành tố chính: Tìm hiểu vấn đề, Tìm tòi và huy động kiến thức, Thiết kế mô hình giải quyết vấn đề, Thử nghiệm và đánh giá, Trình bày và thảo luận sản phẩm. Mỗi thành tố được đánh giá qua 11 tiêu chí hành vi với 3 mức độ đạt được.

  • Khái niệm bài học STEM: Là quá trình tổ chức dạy học tích hợp liên môn, xuất phát từ tình huống thực tiễn, nhằm phát triển phẩm chất và năng lực học sinh thông qua việc thiết kế, chế tạo sản phẩm có tính ứng dụng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thu thập từ khảo sát 120 giáo viên và 264 học sinh tại các trường THPT trên địa bàn thành phố Cao Bằng, đặc biệt là lớp 10A5 trường THPT Bế Văn Đàn. Ngoài ra, các tài liệu lý luận, chương trình giáo dục phổ thông, văn bản pháp luật và các nghiên cứu trước đây về giáo dục STEM cũng được khai thác.

  • Phương pháp phân tích: Kết hợp phân tích định tính và định lượng. Phân tích định lượng dựa trên thống kê số liệu khảo sát, đánh giá năng lực học sinh qua phiếu đánh giá rubic và kết quả thực nghiệm sư phạm. Phân tích định tính thông qua quan sát, phỏng vấn, thảo luận nhóm và đánh giá sản phẩm học tập.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành trong năm học 2022-2023, với giai đoạn khảo sát thực trạng từ tháng 10 đến tháng 12/2022, thiết kế và tổ chức dạy học STEM trong 8 tiết học thuộc chủ đề “Cần trục tháp”, thực nghiệm sư phạm và đánh giá kết quả trong các tháng tiếp theo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thực trạng nhận thức và vận dụng giáo dục STEM của giáo viên: Trong số 120 giáo viên khảo sát, 56,7% đã tìm hiểu khá kỹ về dạy học STEM, 8,3% tìm hiểu sâu, nhưng vẫn còn 35% chỉ biết sơ qua. Về vận dụng, 68,3% giáo viên đã áp dụng dạy học STEM ít nhất một chủ đề, trong khi 26,7% chưa từng áp dụng.

  2. Mức độ cần thiết của dạy học STEM theo đánh giá giáo viên: 63,4% giáo viên cho rằng việc tổ chức dạy học STEM là cần thiết, 7,5% đánh giá rất cần thiết, chỉ 5,8% cho rằng không cần thiết. Điều này phản ánh sự quan tâm ngày càng tăng đối với mô hình này.

  3. Khó khăn trong tổ chức dạy học STEM: 74,2% giáo viên cho biết thiếu phương tiện, 65,8% thiếu thời gian, 61,7% mất nhiều thời gian soạn giáo án, 51,7% đánh giá còn bất cập, 36,6% cho rằng trình độ học sinh chưa phù hợp.

  4. Ý thức và tham gia của học sinh: 75% học sinh chưa từng nghe về STEM, tuy nhiên 100% cho biết nhà trường có tổ chức và họ đã tham gia các hoạt động STEM. Học sinh hào hứng với các hoạt động thực hành, thảo luận, chế tạo sản phẩm và nhận thấy ứng dụng kiến thức vật lí trong thực tiễn.

  5. Hiệu quả dạy học STEM chủ đề “Cần trục tháp”: Qua thực nghiệm sư phạm, học sinh đã trình bày được câu hỏi liên quan đến tình huống thực tiễn, xác định vấn đề, nêu tên và vận dụng kiến thức vật lí về tổng hợp lực, cân bằng lực, moment lực để thiết kế và chế tạo mô hình cần trục tháp đơn giản. Sản phẩm mô hình đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật, vận hành ổn định, nâng được vật nặng tối thiểu 0,2kg lên độ cao 0,3m với ít nhất 2 mức khối lượng khác nhau.

Thảo luận kết quả

Kết quả khảo sát và thực nghiệm cho thấy giáo dục STEM là phương pháp hiệu quả để phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh, nhất là trong môn Vật lí với nội dung liên quan đến kỹ thuật và công nghệ. Việc tổ chức dạy học theo quy trình STEM giúp học sinh chủ động tìm tòi kiến thức, vận dụng liên môn, phát triển kỹ năng thực hành và tư duy phản biện.

Khó khăn về phương tiện và thời gian là những thách thức phổ biến, tương tự như các nghiên cứu trước đây tại các địa phương khác. Điều này đòi hỏi sự hỗ trợ từ nhà trường và ngành giáo dục để đầu tư trang thiết bị và xây dựng kế hoạch dạy học phù hợp.

Việc thiết kế chủ đề “Cần trục tháp” dựa trên mạch nội dung “Cân bằng lực, moment lực” không chỉ giúp học sinh hiểu sâu kiến thức vật lí mà còn phát triển kỹ năng thiết kế, chế tạo sản phẩm thực tế, tạo hứng thú học tập và nâng cao năng lực giải quyết vấn đề. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân phối thời lượng các hoạt động dạy học STEM và bảng đánh giá năng lực học sinh theo rubic, minh họa sự tiến bộ rõ rệt qua từng hoạt động.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường đào tạo, bồi dưỡng giáo viên về dạy học STEM: Tổ chức các khóa tập huấn chuyên sâu về phương pháp dạy học STEM, kỹ năng thiết kế bài học và đánh giá năng lực học sinh. Mục tiêu nâng tỷ lệ giáo viên hiểu và vận dụng thành thạo STEM lên trên 80% trong vòng 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: Sở Giáo dục và Đào tạo, các trường đại học sư phạm.

  2. Đầu tư trang thiết bị và vật liệu dạy học STEM: Cung cấp đầy đủ dụng cụ, thiết bị thực hành như bộ nguyên liệu chế tạo mô hình, phòng thí nghiệm, công cụ hỗ trợ kỹ thuật. Mục tiêu đảm bảo 100% trường THPT có đủ điều kiện tối thiểu để tổ chức dạy học STEM trong 3 năm tới. Chủ thể thực hiện: Bộ Giáo dục và Đào tạo, các địa phương.

  3. Xây dựng và phổ biến các chủ đề STEM phù hợp với chương trình và thực tiễn địa phương: Phát triển các chủ đề STEM gắn liền với nội dung chương trình và ứng dụng thực tế như “Cần trục tháp” để tăng tính hấp dẫn và hiệu quả. Mục tiêu hoàn thiện bộ chủ đề STEM mẫu trong 1 năm. Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu giáo dục, trường đại học sư phạm.

  4. Tăng cường hoạt động trải nghiệm và đánh giá năng lực học sinh theo định hướng STEM: Áp dụng đa dạng các hình thức đánh giá như quan sát, hồ sơ học tập, sản phẩm, hỏi đáp để đánh giá toàn diện năng lực giải quyết vấn đề. Mục tiêu nâng cao chất lượng đánh giá và phản hồi trong 2 năm. Chủ thể thực hiện: Giáo viên, nhà trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Giáo viên môn Vật lí và các môn khoa học tự nhiên: Nghiên cứu cung cấp phương pháp tổ chức dạy học STEM cụ thể, giúp giáo viên thiết kế bài học tích hợp, phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh.

  2. Nhà quản lý giáo dục và cán bộ chuyên môn: Tham khảo để xây dựng chính sách, kế hoạch đào tạo, đầu tư trang thiết bị và triển khai mô hình giáo dục STEM hiệu quả tại các trường phổ thông.

  3. Sinh viên, nghiên cứu sinh ngành Sư phạm Vật lí và Giáo dục khoa học: Tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm sư phạm trong lĩnh vực giáo dục STEM.

  4. Các tổ chức, cá nhân quan tâm đến đổi mới giáo dục và phát triển kỹ năng thế kỷ 21: Cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để phát triển các chương trình giáo dục liên môn, nâng cao năng lực học sinh đáp ứng yêu cầu xã hội hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giáo dục STEM là gì và tại sao lại quan trọng trong dạy học Vật lí?
    Giáo dục STEM là mô hình tích hợp Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn. Trong Vật lí, STEM giúp học sinh vận dụng kiến thức liên môn để thiết kế, chế tạo sản phẩm, tăng cường kỹ năng thực hành và tư duy sáng tạo.

  2. Làm thế nào để tổ chức một bài học STEM hiệu quả?
    Bài học STEM cần xuất phát từ tình huống thực tiễn, xác định vấn đề rõ ràng, huy động kiến thức nền, đề xuất và lựa chọn giải pháp, chế tạo và thử nghiệm sản phẩm, cuối cùng là đánh giá và điều chỉnh. Mỗi bước cần có mục tiêu, nhiệm vụ và sản phẩm cụ thể.

  3. Khó khăn phổ biến khi triển khai dạy học STEM là gì?
    Thiếu trang thiết bị, thời gian chuẩn bị bài giảng, kỹ năng của giáo viên và trình độ học sinh là những khó khăn chính. Cần có sự hỗ trợ từ nhà trường và ngành giáo dục để khắc phục.

  4. Làm sao đánh giá năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trong bài học STEM?
    Có thể đánh giá qua quan sát hoạt động, hồ sơ học tập, sản phẩm thực tế và phương pháp hỏi đáp. Phiếu đánh giá rubic với các tiêu chí cụ thể giúp đánh giá chính xác các thành tố năng lực.

  5. Chủ đề “Cần trục tháp” có ý nghĩa gì trong giáo dục STEM?
    Chủ đề này liên kết kiến thức vật lí về lực, cân bằng và moment lực với ứng dụng thực tế trong xây dựng, giúp học sinh phát triển kỹ năng thiết kế, chế tạo mô hình, từ đó nâng cao năng lực giải quyết vấn đề và hứng thú học tập.

Kết luận

  • Giáo dục STEM là phương pháp hiệu quả để phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh, đặc biệt trong môn Vật lí 10.
  • Tổ chức dạy học STEM chủ đề “Cần trục tháp” giúp học sinh vận dụng kiến thức liên môn, thiết kế và chế tạo mô hình thực tế.
  • Thực trạng tại Cao Bằng cho thấy giáo viên và học sinh đã có nhận thức và tham gia tích cực, nhưng còn nhiều khó khăn về phương tiện và thời gian.
  • Đề xuất các giải pháp đào tạo giáo viên, đầu tư trang thiết bị, xây dựng chủ đề STEM và nâng cao đánh giá năng lực học sinh.
  • Tiếp tục triển khai thực nghiệm, mở rộng phạm vi nghiên cứu và hoàn thiện các chủ đề STEM phù hợp với chương trình giáo dục phổ thông.

Call-to-action: Các nhà giáo dục, quản lý và nghiên cứu hãy áp dụng và phát triển mô hình dạy học STEM, đặc biệt với các chủ đề thực tiễn như “Cần trục tháp”, để nâng cao chất lượng giáo dục và chuẩn bị nguồn nhân lực cho tương lai.