GIÁO TRÌNH: TIN HỌC ỨNG DỤNG TRONG DẠY HỌC HÓA HỌC

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Tin học ứng dụng trong dạy học Hóa học do TS. Nguyễn Mậu Đức (Chủ biên) cùng TS. Trần Quốc Toàn và TS. Lê Huy Hoàng biên soạn, được Nhà xuất bản Đại học Thái Nguyên ấn hành năm 2019 (Mã số: ĐHTN - 2019). Tài liệu được xây dựng dựa trên khung chương trình đào tạo Cử nhân Sư phạm Hóa học của Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên, đồng thời phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu và bồi dưỡng chuyên môn cho giáo viên Hóa học tại các trường phổ thông và học viên cao học chuyên ngành Lý luận và Phương pháp dạy học bộ môn Hóa học.

Về mục tiêu học tập (learning outcomes), giáo trình trang bị cho người học hệ thống lý luận về ứng dụng Công nghệ Thông tin và Truyền thông (ICT) trong môi trường sư phạm; phát triển năng lực thiết kế bài giảng điện tử, bài giảng E-Learning; rèn luyện kỹ năng sử dụng các phần mềm chuyên dụng của ngành Hóa học để mô phỏng thí nghiệm, biểu diễn cấu trúc phân tử và xử lý số liệu; đồng thời nắm vững quy trình tự động hóa kiểm tra, đánh giá kết quả học tập.

Về cấu trúc và cách tiếp cận, nội dung tài liệu được tổ chức thành 4 chương độc lập nhưng liên kết chặt chẽ theo tiến trình từ cơ sở lý luận đến kỹ năng thực hành công cụ và ứng dụng chuyên sâu. Giáo trình tiếp cận việc ứng dụng công nghệ theo phương châm: Thiết thực – Dễ dùng – Hấp dẫn – Hiệu quả, bám sát các yêu cầu đổi mới của Chương trình Giáo dục phổ thông môn Hóa học.

Điểm đặc sắc của giáo trình thể hiện ở sự kết hợp giữa lý luận dạy học hiện đại (thuyết nhận thức, thuyết kiến tạo, mô hình tương tác) với các chỉ dẫn kỹ thuật chi tiết. Thay vì chỉ hướng dẫn thao tác phần mềm đơn thuần, tài liệu liên kết trực tiếp tính năng công nghệ với kịch bản sư phạm và đặc thù bộ môn Hóa học.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  CẤU TRÚC GIÁO TRÌNH (4 CHƯƠNG)                         |
+-------------------------------------------------------------------------+
| Chương 1: Một số vấn đề chung về ứng dụng CNTT trong dạy học Hóa học    |
| Chương 2: Xây dựng bài giảng, giáo trình điện tử                        |
| Chương 3: Sử dụng một số phần mềm trong dạy học Hóa học                 |
| Chương 4: Sử dụng một số phần mềm kiểm tra đánh giá                     |
+-------------------------------------------------------------------------+

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình gồm 4 chương trọng tâm:

  • Chương 1: Một số vấn đề chung về ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học Hóa học (Trang 13 – 33)
    • Nội dung bao quát: Phân tích bản chất môi trường học tập có máy tính hỗ trợ, cấu trúc quan hệ người – máy, vai trò của giáo viên và học sinh; phân tích 4 giai đoạn phát triển công nghệ ("bốn làn sóng" trong dạy học); định nghĩa và phân loại multimedia tương tác; 6 vai trò của máy tính trong giáo dục; các thang đo mức độ ứng dụng máy tính (Bảng 1 và Bảng 2 theo mô hình IT); phân loại thành phần thông tin, phương tiện và cấu trúc kịch bản bài giảng (kịch bản sư phạm, kịch bản hình ảnh, kịch bản kỹ thuật).
    • Khái niệm then chốt: Môi trường học tập (climate/environment), tương tác người – máy, bốn làn sóng công nghệ, multimedia dạy học, tương tác bị động/chủ động/hai chiều (Rhodes & Azbell, 1985), kịch bản sư phạm 1-2-3-4 (UNESCO, Bent B. Andresen), mô hình chuyển đổi dạy học (Instructional Transformation model – IT).
  • Chương 2: Xây dựng bài giảng, giáo trình điện tử (Trang 34 – 105)
    • Nội dung bao quát: Hệ thống hóa khái niệm bài giảng điện tử, giáo án điện tử, sách giáo khoa/giáo trình điện tử; các yêu cầu về nội dung, chữ viết, hiệu ứng và tính hệ thống; quy trình 6 bước thiết kế bài giảng; tiêu chí đánh giá bài giảng điện tử (khoa học, lý luận dạy học, sư phạm, kỹ thuật); kỹ thuật vận hành Microsoft PowerPoint (Slide Master, hiệu ứng chuyển trang Slide Transition, hiệu ứng đối tượng Custom Animation, siêu liên kết Hyperlink, chèn biểu đồ/bảng); quy trình thiết kế giáo án với Lecture Maker; tổng quan E-Learning và hướng dẫn phần mềm Adobe Presenter, iSpring Suite.
    • Khái niệm then chốt: Slide Master, đa phương tiện hóa đơn vị kiến thức, thư viện tư liệu, kịch bản trình diễn, bài giảng E-Learning, SCORM, Adobe Presenter, iSpring Suite, Lecture Maker.
  • Chương 3: Sử dụng một số phần mềm trong dạy học Hóa học (Trang 106 – 225)
    • Nội dung bao quát: Hướng dẫn cài đặt và khai thác phần mềm ChemOffice bao gồm ChemDraw (vẽ công thức cấu tạo, phản ứng hóa học) và Chem3D (xây dựng, hiển thị và lưu trữ mô hình không gian phân tử dạng 3D); phần mềm thí nghiệm ảo Crocodile Chemistry với 11 phân hệ chức năng chuyên biệt; phần mềm biên soạn cấu trúc Isis Draw; phần mềm lập bản đồ tư duy Mindjet MindManager; các công cụ biên tập đa phương tiện bổ trợ gồm Total Video Converter và Windows Movie Maker.
    • Khái niệm then chốt: ChemDraw, Chem3D, mô hình phân tử 3D, Crocodile Chemistry, thí nghiệm ảo, phân hệ phản ứng (Reaction Rates, Energy, Electrochemistry, The Periodic Table...), Isis Draw, Mindjet MindManager, Windows Movie Maker.
  • Chương 4: Sử dụng một số phần mềm kiểm tra đánh giá (Trang 226 – 250)
    • Nội dung bao quát: Giới thiệu và hướng dẫn phần mềm trộn đề trắc nghiệm McMIX-Pro 2018 (chuẩn hóa dữ liệu nguồn từ Microsoft Word, quản lý ngân hàng câu hỏi, tạo đề hoán vị); phần mềm kiểm tra trực tuyến qua mạng cục bộ Emp Test (cài đặt hệ thống máy giám thị – máy thí sinh, soạn thảo câu hỏi bằng Question Editor và Question Editor MDI, tổ chức thi và trích xuất kết quả đánh giá).
    • Khái niệm then chốt: McMIX-Pro, xáo trộn câu hỏi/đáp án trắc nghiệm, chuẩn hóa đề thi Word, Emp Test, Question Editor, mô hình quản trị thi trắc nghiệm mạng giám thị - thí sinh.

Progression logic của giáo trình đi từ nhận thức lý luận (hiểu bản chất ICT và tương tác sư phạm ở Chương 1) $\rightarrow$ kỹ năng thiết kế sư phạm tổng thể (biên soạn bài giảng trình chiếu và bài giảng E-Learning ở Chương 2) $\rightarrow$ làm chủ công cụ chuyên ngành (vẽ cấu trúc, mô phỏng phản ứng, dựng video thí nghiệm ở Chương 3) $\rightarrow$ đo lường và đánh giá kết quả học tập (sử dụng phần mềm trắc nghiệm và quản lý thi ở Chương 4).

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN NỘI DUNG                         |
+-------------------------------------------------------------------------+
|  Chương 1: Cơ sở lý luận ICT & Môi trường học tập                       |
|       │                                                                 |
|       ▼                                                                 |
|  Chương 2: Thiết kế bài giảng, Giáo trình điện tử & E-Learning          |
|       │                                                                 |
|       ▼                                                                 |
|  Chương 3: Khai thác phần mềm chuyên ngành Hóa học & Đa phương tiện     |
|       │                                                                 |
|       ▼                                                                 |
|  Chương 4: Ứng dụng phần mềm tổ chức Kiểm tra & Đánh giá                |
+-------------------------------------------------------------------------+

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập nền tảng lý thuyết thông qua các công trình nghiên cứu giáo dục và công nghệ dạy học:

  • Lý thuyết tâm lý học và môi trường học tập: Dẫn chiếu các nghiên cứu của Fraser & Walberg (1991), Johnson & Johnson (1991), Salomon (1994) về bản chất môi trường lớp học; các quan điểm về khả năng tương tác của máy tính từ Olson (1998), Rieber (1994), Lynch (1990), Kay (1994), Pierce (1994); phân tích các thí nghiệm hành vi của Skinner, Thorndike, Watson và các luận điểm nhận thức của Jean Piaget.
  • Lý thuyết về 4 làn sóng công nghệ: Hệ thống hóa quá trình chuyển dịch từ công nghệ cơ điện kết hợp thuyết hành vi (AutoTutor, EDEX), sang hệ thống máy tính lớn hỗ trợ dạy học CAI, phát triển hệ thống mô phỏng nhận thức qua CD-ROM/mạng nội bộ, và bước vào làn sóng thứ tư với các phần mềm cá nhân hóa.
  • Khung phân loại Multimedia và Tương tác: Tiếp cận định nghĩa multimedia theo Jonassen; phân loại 3 mức độ tương tác của Rhodes & Azbell (1985); phân loại 4 kịch bản sư phạm (Pedagogical Scenarios) theo khung của UNESCO và Bent B. Andresen.
  • Mô hình chuyển đổi dạy học (IT Model): Vận dụng mô hình của Rieber & Welliver (1989) được Marcinkiewicz (1994) phát triển gồm 6 cấp độ: Không sử dụng $\rightarrow$ Làm quen $\rightarrow$ Sử dụng $\rightarrow$ Tích hợp $\rightarrow$ Tái định hướng $\rightarrow$ Phát triển.
  • Thang bậc sư phạm ứng dụng máy tính: Phân định 2 cấp độ: (1) Sử dụng máy tính như công cụ trình diễn đơn thuần; (2) Sử dụng máy tính như công cụ tổ chức và điều khiển quá trình học tập.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills):
    • Thao tác thành thạo các tính năng nâng cao trong PowerPoint (Slide Master, Trigger, Custom Animation) và phần mềm đóng gói bài giảng Lecture Maker, Adobe Presenter, iSpring Suite.
    • Biểu diễn cấu trúc phân tử 2D, phương trình phản ứng phức tạp trên ChemDraw và Isis Draw; chuyển đổi và hiển thị không gian 3D của các hợp chất hóa học trên Chem3D.
    • Thiết lập và vận hành các mô phỏng phản ứng vô cơ, hữu cơ, điện hóa, cân bằng hóa học trên Crocodile Chemistry.
    • Sử dụng Total Video Converter để chuyển đổi định dạng video/audio; dựng và xử lý tư liệu thí nghiệm trên Windows Movie Maker.
    • Chuẩn hóa văn bản đề thi trắc nghiệm theo đúng cấu trúc tag của McMIX-Pro và vận hành hệ thống máy chủ Emp Test.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích cấu trúc nội dung bài học Hóa học để lựa chọn hình thức thể hiện (văn bản, sơ đồ, ảnh tĩnh, ảnh động, video, mô phỏng); phân tích kịch bản sư phạm và đối chiếu với các tiêu chí đánh giá bài giảng điện tử.
  • Kỹ năng sư phạm thực hành (Practical competencies): Xây dựng kịch bản dạy học lấy học sinh làm trung tâm; tổ chức hoạt động thảo luận nhóm thông qua sơ đồ tư duy MindManager; thiết kế bài kiểm tra đánh giá khách quan phù hợp với tiến trình bài giảng.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình định hướng phương pháp giảng dạy tích hợp giữa lý thuyết sư phạm và thực hành công nghệ (Hands-on training). Quá trình dạy và học được tổ chức dựa trên việc chuyển đổi vai trò: giáo viên từ vị trí truyền đạt trực tiếp chuyển sang vai trò người thiết kế môi trường, điều phối và tham vấn; học sinh từ người tiếp nhận thụ động chuyển thành chủ thể tương tác trực tiếp với máy tính và thực hiện các nhiệm vụ học tập khám phá.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  QUY TRÌNH THIẾT KẾ BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ                   |
+-------------------------------------------------------------------------+
|  Bước 1: Xác định mục tiêu bài học                                      |
|       │                                                                 |
|       ▼                                                                 |
|  Bước 2: Lựa chọn kiến thức cơ bản, xác định nội dung trọng tâm         |
|       │                                                                 |
|       ▼                                                                 |
|  Bước 3: Multimedia hóa từng đơn vị kiến thức                           |
|       │                                                                 |
|       ▼                                                                 |
|  Bước 4: Xây dựng thư viện tư liệu (tổ chức cây thư mục)                |
|       │                                                                 |
|       ▼                                                                 |
|  Bước 5: Lựa chọn phần mềm/ngôn ngữ trình diễn để xây dựng tiến trình   |
|       │                                                                 |
|       ▼                                                                 |
|  Bước 6: Chạy thử chương trình, sửa chữa và hoàn thiện                  |
+-------------------------------------------------------------------------+

Về bài tập và bài tập tình huống (case studies), cuối mỗi chương đều cung cấp hệ thống câu hỏi lý luận và bài tập dự án. Người học được yêu cầu phân tích các mô hình dạy học, đánh giá sản phẩm multimedia thực tế, hoặc trực tiếp bắt tay vào giải quyết tình huống sư phạm cụ thể:

  • Chương 1: Phân tích thí nghiệm của Skinner, Thorndike, Watson; phân tích cấu trúc SGK điện tử Hóa học 10; chọn một chủ đề hóa học cụ thể để lập kịch bản multimedia.
  • Chương 2: Thực hành quy trình 6 bước thiết kế bài giảng; thiết lập hệ thống Slide Master và liên kết Hyperlink cho một bài dạy hóa học.
  • Chương 3: Thực hành vẽ các cấu trúc phân tử phức tạp, thiết kế thí nghiệm ảo với đầy đủ hóa chất, dụng cụ trong Crocodile Chemistry và biên tập đoạn phim thí nghiệm hóa học.
  • Chương 4: Chuyển đổi một đề thi Hóa học Word thành bộ đề hoán vị trên McMIX; thiết lập ngân hàng câu hỏi trên Emp Test.

Về phương pháp đánh giá (Assessment methods), giáo trình đề xuất khung đánh giá sản phẩm học tập dựa trên 4 nhóm tiêu chí:

  1. Tiêu chí khoa học: Đảm bảo tính chính xác của kiến thức hóa học, bám sát chương trình đào tạo.
  2. Tiêu chí lý luận dạy học: Thể hiện đủ các giai đoạn (đặt vấn đề $\rightarrow$ hình thành tri thức $\rightarrow$ luyện tập $\rightarrow$ tổng kết $\rightarrow$ kiểm tra đánh giá).
  3. Tiêu chí sư phạm: Gây hứng thú, kích thích tư duy giải quyết vấn đề, hỗ trợ tương tác thầy – trò và trò – trò.
  4. Tiêu chí kỹ thuật: Giao diện hợp lý, hoạt động ổn định, phông chữ và hiệu ứng tương thích, âm thanh hình ảnh rõ nét.

Về hướng dẫn tự học (Self-study guidelines), các nội dung phần mềm được trình bày chi tiết theo dạng cẩm nang kỹ thuật: từ tải về, cài đặt, giao diện, thanh công cụ, các menu chức năng, đến các ví dụ minh họa từng bước có hình ảnh chụp màn hình kèm theo. Người học có thể tự cài đặt phần mềm trên máy tính cá nhân, thực hiện tuần tự theo chỉ dẫn và tự đối chiếu kết quả bài tập.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Bám sát định hướng Chương trình Giáo dục phổ thông môn Hóa học mới: Tài liệu tập trung giải quyết yêu cầu đổi mới phương pháp dạy học Hóa học ở trường phổ thông. Việc đưa các công cụ CNTT vào giúp mô phỏng cấu trúc không gian của nguyên tử, phân tử, tính toán các tham số cấu trúc, giải thích các cơ chế phản ứng và động học hóa học mà phương pháp dạy học truyền thống khó trực quan hóa.
  • Tích hợp đầy đủ các nhóm công cụ chuyên ngành Hóa học: Khác với các giáo trình tin học ứng dụng chung, tài liệu tập trung sâu vào các phần mềm đặc thù của bộ môn Hóa học:
    • ChemOffice (ChemDraw, Chem3D): Xử lý công thức phẳng 2D và không gian 3D.
    • Crocodile Chemistry: Phần mềm thí nghiệm ảo với 11 chức năng chuyên sâu gồm Classifying Materials, Equations and Amounts, Reaction Rates, Energy, Water and Solutions, Acids, Bases and Salts, Electrochemistry, The Periodic Table, Rocks and Metals, Identifying Substances, Online Content.
    • Isis Draw: Công cụ vẽ cấu trúc hóa học bổ trợ.
  • Tích hợp xu hướng E-Learning và biên tập đa phương tiện: Giáo trình hướng dẫn người học tạo bài giảng tương thích chuẩn E-Learning thông qua Adobe Presenter và iSpring Suite; đồng thời trang bị kỹ năng xử lý video thí nghiệm bằng Windows Movie Maker và Total Video Converter.
  • Hệ thống hóa giải pháp kiểm tra đánh giá tự động: Đưa vào tài liệu các công cụ kiểm tra đánh giá phổ biến tại Việt Nam như McMIX-Pro (trộn đề trắc nghiệm in trên giấy) và Emp Test (thi trắc nghiệm trực tiếp trên phòng máy tính), giúp giáo viên đồng bộ hóa quy trình dạy học – kiểm tra.
+-------------------------------------------------------------------------+
|        HỆ THỐNG PHẦN MỀM ĐƯỢC TÍCH HỢP TRONG GIÁO TRÌNH                 |
+-------------------------------------------------------------------------+
| 1. Thiết kế trình chiếu & E-Learning:                                  |
|    - Microsoft PowerPoint, Lecture Maker, Adobe Presenter, iSpring Suite|
| 2. Chuyên ngành Hóa học:                                                |
|    - ChemOffice (ChemDraw, Chem3D), Crocodile Chemistry, Isis Draw      |
| 3. Tư duy & Đa phương tiện:                                             |
|    - Mindjet MindManager, Total Video Converter, Windows Movie Maker   |
| 4. Kiểm tra & Đánh giá:                                                 |
|    - McMIX-Pro 2018, Emp Test (Question Editor & Server-Client)         |
+-------------------------------------------------------------------------+

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên đại học: Giáo trình được thiết kế chuyên biệt cho sinh viên năm thứ 3 và năm thứ 4 ngành Sư phạm Hóa học tại các trường Đại học Sư phạm, Đại học Giáo dục trong cả nước, phục vụ trực tiếp cho học phần Tin học ứng dụng trong dạy học Hóa học và học phần Phương pháp dạy học Hóa học.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Để tiếp thu hiệu quả giáo trình, người học cần hoàn thành các học phần:
    • Kiến thức Hóa học cơ sở: Hóa học đại cương, Hóa học vô cơ, Hóa học hữu cơ.
    • Kiến thức nghiệp vụ sư phạm: Lý luận dạy học Hóa học.
    • Kiến thức tin học cơ bản: Tin học đại cương (kỹ năng sử dụng hệ điều hành Windows, soạn thảo văn bản Microsoft Word, quản lý tệp tin và thư mục).
  • Giảng viên các trường đại học, cao đẳng: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chính khóa, đề cương bài giảng hoặc tài liệu tập huấn nâng cao năng lực ứng dụng CNTT cho sinh viên khối ngành sư phạm tự nhiên.
  • Học viên cao học và giáo viên phổ thông: Là tài liệu tham khảo trong việc nghiên cứu đổi mới phương pháp dạy học, xây dựng đồ dùng dạy học số, số hóa tư liệu thí nghiệm và thiết kế ngân hàng đề thi trắc nghiệm phục vụ công tác giảng dạy Hóa học tại các trường Trung học cơ sở và Trung học phổ thông.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình phục vụ đối tượng chính là sinh viên đại học ngành Sư phạm Hóa học, học viên cao học chuyên ngành Lý luận và Phương pháp dạy học bộ môn Hóa học, cùng cán bộ giảng dạy, giáo viên môn Hóa học tại các trường phổ thông có nhu cầu nâng cao năng lực ứng dụng ICT.

2. Cần kiến thức nền nào để học giáo trình này?

Người học cần có kiến thức nền tảng về Hóa học phổ thông và Hóa học đại cương/chuyên ngành (vô cơ, hữu cơ); nắm vững lý luận dạy học cơ bản và có kỹ năng sử dụng máy tính văn phòng (Windows, Word, PowerPoint cơ bản).

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các sách tin học ứng dụng thông thường là gì?

Giáo trình không dạy tin học đại cương mà tập trung tích hợp sâu các phần mềm chuyên dụng của ngành Hóa học (ChemDraw, Chem3D, Crocodile Chemistry) kết hợp với các lý thuyết dạy học hiện đại (mô hình chuyển đổi dạy học IT, kịch bản sư phạm multimedia theo UNESCO) nhằm phục vụ trực tiếp việc thiết kế bài giảng Hóa học.

4. Làm sao để tự học hiệu quả với giáo trình?

Người học nên cài đặt đồng thời các phần mềm được giới thiệu trong sách (PowerPoint, ChemOffice, Crocodile Chemistry, McMIX, Emp Test), thực hành tuần tự theo các bước thao tác có hình ảnh hướng dẫn, và hoàn thành các bài tập dự án thiết kế bài giảng, bài tập trắc nghiệm ở cuối mỗi chương.

5. Có những nhóm phần mềm cụ thể nào được hướng dẫn trong giáo trình?

Giáo trình hướng dẫn 4 nhóm phần mềm chính:

  1. Thiết kế bài giảng: Microsoft PowerPoint, Lecture Maker, Adobe Presenter, iSpring Suite.
  2. Chuyên ngành Hóa học: ChemOffice (ChemDraw, Chem3D), Crocodile Chemistry, Isis Draw.
  3. Xử lý đa phương tiện và tư duy: Mindjet MindManager, Total Video Converter, Windows Movie Maker.
  4. Kiểm tra đánh giá: McMIX-Pro 2018, Emp Test.

Kết luận

Giáo trình Tin học ứng dụng trong dạy học Hóa học của TS. Nguyễn Mậu Đức, TS. Trần Quốc Toàn và TS. Lê Huy Hoàng là tài liệu học thuật hoàn chỉnh, chuẩn hóa hệ thống kiến thức lý luận và kỹ năng thực hành công nghệ trong đào tạo giáo viên Hóa học.

Tài liệu cung cấp lộ trình học tập logic: bắt đầu từ việc thấu hiểu bản chất tương tác người – máy và các kịch bản sư phạm multimedia; tiến đến làm chủ kỹ năng thiết kế bài giảng điện tử và bài giảng E-Learning; khai thác sâu các phần mềm mô phỏng thí nghiệm, đồ họa cấu trúc hóa học; và hoàn thiện năng lực đánh giá kết quả học tập qua các phần mềm trắc nghiệm tự động.

Để phục vụ quá trình nghiên cứu và thực hành, người học có thể kết hợp giáo trình với Chương trình Giáo dục phổ thông môn Hóa học, các bộ cài đặt phần mềm chuyên ngành chính thức và hệ thống văn bản hướng dẫn ứng dụng CNTT của Bộ Giáo dục và Đào tạo.