Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, việc phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học (STEM) trở thành ưu tiên hàng đầu của nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam. Theo chỉ thị số 16/CT-TTg ngày 4/5/2017 của Thủ tướng Chính phủ, giáo dục STEM được xác định là giải pháp quan trọng nhằm nâng cao năng lực tiếp cận công nghệ mới và đáp ứng yêu cầu hội nhập quốc tế. Chương trình Giáo dục phổ thông 2018 cũng nhấn mạnh vai trò của giáo dục STEM trong việc phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh phổ thông.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổ chức dạy học chủ đề “Vật lí nhiệt” lớp 12 theo định hướng giáo dục STEM nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh. Chủ đề “Vật lí nhiệt” bao gồm các kiến thức về nội năng, định luật I của nhiệt động lực học, sự chuyển thể của các thể chất, có nhiều ứng dụng thực tiễn gần gũi như đun nấu, truyền nhiệt, làm lạnh, sôi, bay hơi. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi chương trình giáo dục phổ thông 2018 tại các trường trung học phổ thông, với trọng tâm là quá trình dạy học nội dung “Nội năng và định luật I của nhiệt động lực học”.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng và tổ chức các bài học, hoạt động trải nghiệm STEM gắn với chủ đề “Vật lí nhiệt” nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc đổi mới phương pháp dạy học môn Vật lí, góp phần nâng cao chất lượng giáo dục STEM, đồng thời cung cấp tài liệu tham khảo cho giáo viên và nhà trường trong việc triển khai chương trình giáo dục phổ thông mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình giáo dục STEM, phát triển năng lực giải quyết vấn đề (GQVĐ) và phương pháp dạy học tích cực.

  • Giáo dục STEM được hiểu là mô hình giáo dục liên môn, giúp học sinh vận dụng kiến thức khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học để giải quyết các vấn đề thực tiễn trong bối cảnh cụ thể. Mục tiêu của giáo dục STEM bao gồm phát triển năng lực đặc thù của các môn học STEM, năng lực cốt lõi như tự chủ, giao tiếp, hợp tác, sáng tạo và định hướng nghề nghiệp cho học sinh.

  • Năng lực giải quyết vấn đề được định nghĩa là khả năng huy động tổng hợp kiến thức, kỹ năng, thái độ và động cơ để giải quyết các tình huống thực tiễn mà không có giải pháp sẵn có. Cấu trúc năng lực GQVĐ gồm bốn thành tố chính: tìm hiểu vấn đề, đề xuất giải pháp, thực hiện giải pháp và đánh giá, phản ánh giải pháp, phát hiện vấn đề mới.

  • Quy trình thiết kế chủ đề giáo dục STEM gồm bốn bước: lựa chọn nội dung dạy học, xác định vấn đề cần giải quyết, xây dựng tiêu chí sản phẩm/giải pháp, thiết kế tiến trình tổ chức hoạt động dạy học. Mỗi bài học STEM được tổ chức theo năm hoạt động: xác định vấn đề, nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất giải pháp, lựa chọn giải pháp, chế tạo mẫu thử nghiệm và đánh giá, chia sẻ và điều chỉnh.

  • Phương pháp dạy học phát triển năng lực GQVĐ được vận dụng theo tiến trình xây dựng kiến thức vật lí theo kiểu phát hiện và giải quyết vấn đề, bao gồm các giai đoạn: làm nảy sinh vấn đề, phát biểu vấn đề, giải quyết vấn đề, rút ra kết luận và vận dụng kiến thức mới.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thu thập từ khảo sát thực trạng dạy học STEM tại trường THPT số 2 Tư Nghĩa, tỉnh Quảng Ngãi, với 9 giáo viên và 44 học sinh tham gia khảo sát. Dữ liệu thực nghiệm sư phạm được thu thập qua quá trình tổ chức dạy học chủ đề “Vật lí nhiệt” theo định hướng STEM tại lớp 12.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp phân tích định tính và định lượng, bao gồm phân tích nội dung tài liệu, khảo sát ý kiến giáo viên và học sinh, đánh giá năng lực giải quyết vấn đề qua rubric, xử lý số liệu thống kê mô tả và so sánh kết quả trước và sau thực nghiệm.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm học 2021-2022, bao gồm các giai đoạn: nghiên cứu lý luận và thực tiễn (3 tháng), xây dựng kế hoạch và thiết kế bài học STEM (2 tháng), tổ chức thực nghiệm sư phạm (4 tháng), xử lý số liệu và viết báo cáo (3 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thực trạng nhận thức và triển khai giáo dục STEM của giáo viên và học sinh: Kết quả khảo sát cho thấy 66,7% giáo viên đã nghe và tìm hiểu sơ qua về giáo dục STEM, nhưng chưa có kinh nghiệm thực tiễn trong tổ chức dạy học theo định hướng này. 66,7% giáo viên cho rằng giáo dục STEM cần thiết trong phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh. Về phía học sinh, trên 80% mong muốn bài học STEM được tích hợp nhiều vấn đề thực tiễn, lôi cuốn, linh hoạt và phát triển năng lực qua các hoạt động thực hành.

  2. Xây dựng kế hoạch dạy học STEM chủ đề “Vật lí nhiệt”: Chủ đề được phân tích chi tiết với các nội dung trọng tâm như nội năng, định luật I của nhiệt động lực học, sự chuyển thể của các thể chất, thang nhiệt độ và nhiệt dung riêng. Các bài học STEM được thiết kế theo hướng tích hợp kiến thức vật lí với các hoạt động thực hành, thí nghiệm và dự án chế tạo thiết bị như “Đèn kéo quân”. Ví dụ, bài học về định luật I của nhiệt động lực học được tổ chức qua 5 hoạt động STEM, từ xác định vấn đề, nghiên cứu kiến thức nền, thiết kế thí nghiệm, chế tạo mẫu đến chia sẻ và đánh giá.

  3. Hiệu quả thực nghiệm sư phạm: Qua đánh giá năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trước và sau khi tham gia các bài học STEM, năng lực tìm hiểu vấn đề tăng trung bình từ 55% lên 78%, năng lực đề xuất giải pháp tăng từ 50% lên 75%, năng lực thực hiện giải pháp và đánh giá giải pháp cũng có sự cải thiện rõ rệt. Biểu đồ so sánh năng lực GQVĐ qua các chủ đề cho thấy sự tiến bộ đồng đều ở các nhóm học sinh.

  4. Khó khăn và thuận lợi trong tổ chức dạy học STEM: Giáo viên gặp khó khăn về cơ sở vật chất, thời gian và kỹ năng tổ chức hoạt động STEM. Tuy nhiên, sự hứng thú và tích cực tham gia của học sinh là thuận lợi lớn giúp nâng cao hiệu quả dạy học.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định việc tổ chức dạy học chủ đề “Vật lí nhiệt” theo định hướng giáo dục STEM góp phần phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh trung học phổ thông. Việc tích hợp kiến thức vật lí với các hoạt động thực hành, thí nghiệm và dự án chế tạo thiết bị giúp học sinh vận dụng kiến thức vào thực tiễn, tăng cường kỹ năng tư duy phản biện và làm việc nhóm.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành giáo dục STEM, kết quả này phù hợp với xu hướng đổi mới phương pháp dạy học nhằm phát triển năng lực cốt lõi cho học sinh. Việc sử dụng rubric đánh giá năng lực GQVĐ giúp giáo viên có công cụ đánh giá khách quan và chi tiết hơn về sự tiến bộ của học sinh.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh năng lực GQVĐ trước và sau thực nghiệm, bảng tổng hợp kết quả đánh giá hoạt động nhóm và cá nhân, giúp minh họa rõ nét hiệu quả của phương pháp dạy học STEM.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường bồi dưỡng chuyên môn cho giáo viên về giáo dục STEM: Tổ chức các khóa tập huấn, hội thảo chuyên sâu về thiết kế bài học STEM, kỹ năng tổ chức hoạt động trải nghiệm và đánh giá năng lực giải quyết vấn đề. Mục tiêu nâng cao năng lực chuyên môn cho ít nhất 80% giáo viên dạy Vật lí trong vòng 12 tháng.

  2. Đầu tư cơ sở vật chất và thiết bị dạy học STEM: Trang bị đầy đủ dụng cụ thí nghiệm, thiết bị công nghệ hỗ trợ dạy học STEM như bộ dụng cụ chế tạo mô hình, thiết bị đo lường, phòng thí nghiệm thực hành. Mục tiêu hoàn thiện cơ sở vật chất tại các trường THPT trong 18 tháng.

  3. Xây dựng và phổ biến tài liệu hướng dẫn dạy học STEM chủ đề “Vật lí nhiệt”: Soạn thảo giáo án mẫu, tài liệu tham khảo, rubric đánh giá năng lực GQVĐ để giáo viên dễ dàng áp dụng. Thời gian hoàn thành trong 6 tháng, chủ thể thực hiện là các trường đại học sư phạm và Sở Giáo dục.

  4. Khuyến khích tổ chức các hoạt động trải nghiệm STEM và dự án khoa học kỹ thuật: Tạo điều kiện cho học sinh tham gia các câu lạc bộ STEM, cuộc thi khoa học kỹ thuật cấp trường và cấp tỉnh nhằm phát huy năng lực sáng tạo và giải quyết vấn đề. Mục tiêu tổ chức ít nhất 2 hoạt động lớn mỗi năm học.

  5. Đánh giá và điều chỉnh chương trình dạy học STEM định kỳ: Thu thập phản hồi từ giáo viên, học sinh và phụ huynh để cải tiến nội dung, phương pháp và công cụ đánh giá, đảm bảo phù hợp với thực tiễn và nhu cầu phát triển năng lực học sinh. Thực hiện đánh giá hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Giáo viên Vật lí trung học phổ thông: Nghiên cứu cung cấp phương pháp tổ chức dạy học STEM cụ thể cho chủ đề “Vật lí nhiệt”, giúp giáo viên đổi mới phương pháp giảng dạy, phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh.

  2. Nhà quản lý giáo dục và cán bộ chuyên môn: Tài liệu hỗ trợ xây dựng kế hoạch đào tạo, bồi dưỡng giáo viên và đầu tư cơ sở vật chất phục vụ giáo dục STEM tại các trường phổ thông.

  3. Sinh viên ngành Sư phạm Vật lí và các ngành liên quan: Luận văn là nguồn tham khảo quý giá về lý thuyết giáo dục STEM, phương pháp dạy học tích cực và kỹ thuật tổ chức thực nghiệm sư phạm.

  4. Các nhà nghiên cứu giáo dục STEM và phát triển năng lực học sinh: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm, mô hình tổ chức dạy học và công cụ đánh giá năng lực giải quyết vấn đề, góp phần phát triển nghiên cứu trong lĩnh vực giáo dục STEM.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giáo dục STEM là gì và tại sao lại quan trọng trong chương trình phổ thông?
    Giáo dục STEM là mô hình giáo dục liên môn giúp học sinh vận dụng kiến thức khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học để giải quyết các vấn đề thực tiễn. Nó quan trọng vì phát triển năng lực cốt lõi, kỹ năng tư duy phản biện và sáng tạo, đáp ứng yêu cầu của thế kỷ 21.

  2. Năng lực giải quyết vấn đề được hiểu như thế nào trong giáo dục STEM?
    Năng lực giải quyết vấn đề là khả năng tổng hợp kiến thức, kỹ năng và thái độ để xử lý các tình huống thực tiễn mà không có giải pháp sẵn có. Trong STEM, năng lực này được phát triển qua các hoạt động thực hành, thí nghiệm và dự án.

  3. Làm thế nào để xây dựng bài học STEM hiệu quả cho chủ đề “Vật lí nhiệt”?
    Bài học STEM hiệu quả cần xác định rõ vấn đề thực tiễn, tích hợp kiến thức vật lí với hoạt động trải nghiệm, thiết kế thí nghiệm hoặc dự án chế tạo thiết bị, đồng thời có tiêu chí đánh giá năng lực rõ ràng.

  4. Các khó khăn thường gặp khi triển khai dạy học STEM là gì?
    Khó khăn gồm thiếu kinh nghiệm và kỹ năng tổ chức của giáo viên, hạn chế về cơ sở vật chất, thời gian dạy học, cũng như sự chưa quen thuộc của học sinh với phương pháp học tích cực.

  5. Làm thế nào để đánh giá năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trong dạy học STEM?
    Có thể sử dụng rubric đánh giá dựa trên các thành tố năng lực như tìm hiểu vấn đề, đề xuất giải pháp, thực hiện và đánh giá giải pháp. Đánh giá kết hợp giữa hoạt động nhóm, cá nhân, bài báo cáo và sản phẩm thực hành.

Kết luận

  • Luận văn đã làm rõ cơ sở lý luận và thực tiễn của việc tổ chức dạy học chủ đề “Vật lí nhiệt” theo định hướng giáo dục STEM nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh lớp 12.
  • Xây dựng thành công các bài học và hoạt động trải nghiệm STEM gắn với nội dung vật lí nhiệt, đặc biệt là bài học về định luật I của nhiệt động lực học và dự án chế tạo “Đèn kéo quân”.
  • Thực nghiệm sư phạm cho thấy năng lực giải quyết vấn đề của học sinh được cải thiện rõ rệt sau khi tham gia các hoạt động dạy học STEM.
  • Đề xuất các giải pháp thiết thực nhằm nâng cao năng lực giáo viên, đầu tư cơ sở vật chất và phát triển tài liệu hướng dẫn dạy học STEM.
  • Khuyến nghị các nhà trường, giáo viên và nhà quản lý giáo dục tiếp tục triển khai và hoàn thiện mô hình dạy học STEM để đáp ứng yêu cầu đổi mới giáo dục phổ thông.

Hành động tiếp theo: Các trường THPT nên áp dụng các bài học STEM đã xây dựng, đồng thời tổ chức tập huấn cho giáo viên và đầu tư thiết bị thực hành. Các nhà nghiên cứu có thể tiếp tục mở rộng nghiên cứu sang các chủ đề vật lí khác để đa dạng hóa mô hình dạy học STEM.