Tổng quan về giáo trình

Tài liệu "Hướng Dẫn Xây Dựng Kế Hoạch Bài Dạy STEM Lớp 8" được biên soạn bởi nhóm tác giả gồm Lê Huy Hoàng, Nguyễn Thị Thu Trang, Vũ Như Thư Hương, Lê Hải Mỹ Ngân, Nguyễn Thị Thanh Tâm, Thái Hoài Minh, Đinh Thị Xuân Thảo, Đặng Thị Mỹ Hạnh và Nguyễn Thị Nga, do Bộ Giáo dục và Đào tạo (Chương trình Phát triển Giáo dục Trung học Giai đoạn 2) phát hành tại Hà Nội năm 2021. Trong hệ thống đào tạo sư phạm và bồi dưỡng chuyên môn giáo viên, tài liệu đóng vai trò là giáo trình thực hành nghiệp vụ sư phạm, phục vụ giảng dạy các học phần về Lý luận dạy học, Phương pháp dạy học bộ môn tích hợp và Thiết kế hoạt động trải nghiệm kỹ thuật ở trình độ đại học và sau đại học.

Mục tiêu học tập của tài liệu tập trung vào việc chuẩn hóa hệ thống khái niệm về giáo dục STEM, làm rõ cơ sở lý luận của quy trình thiết kế kỹ thuật và phương pháp nghiên cứu khoa học, đồng thời phát triển năng lực thiết kế kế hoạch bài dạy và kế hoạch hoạt động trải nghiệm liên môn cho người học.

Về mặt cấu trúc, tài liệu tiếp cận từ khung lý thuyết nền tảng (Chương 1), chuyển sang quy trình phương pháp luận xây dựng bài học và công cụ kiểm tra đánh giá (Chương 2), kết thúc bằng hệ thống kế hoạch bài dạy và hoạt động trải nghiệm mẫu (Chương 3). Điểm đặc thù của tài liệu là việc gắn chặt các yêu cầu cần đạt của Chương trình Giáo dục phổ thông 2018 với 4 mạch môn học cốt lõi: Toán học, Khoa học tự nhiên, Công nghệ và Tin học cấp trung học cơ sở, biến các lý thuyết giáo dục liên môn trừu tượng thành các sản phẩm kỹ thuật và quy trình thực nghiệm cụ thể.

Nội dung kiến thức cốt lõi

                    ┌────────────────────────────────────────────────────────┐
                    │  Chương 1: Khung lý thuyết & Bản chất Giáo dục STEM    │
                    │  (Chu trình STEM, Quy trình kỹ thuật, Phương pháp KH)  │
                    └───────────────────────────┬────────────────────────────┘
                                                │
                                                ▼
                    ┌────────────────────────────────────────────────────────┐
                    │  Chương 2: Quy trình thiết kế kế hoạch bài dạy STEM    │
                    │  (5 hoạt động dạy học, Tiêu chí đánh giá CV 5555)      │
                    └───────────────────────────┬────────────────────────────┘
                                                │
                                                ▼
                    ┌────────────────────────────────────────────────────────┐
                    │  Chương 3: Minh họa bài dạy & Trải nghiệm thực hành    │
                    │  (Ma trận thiết kế, Kế hoạch bài dạy, Hoạt động CLB)   │
                    └────────────────────────────────────────────────────────┘

Các chương và chủ đề chính

  • Chương 1: Một số vấn đề cơ bản về giáo dục STEM (Trang 8 - 53): Phân tích thuật ngữ STEM (Science, Technology, Engineering, Mathematics) và STEAM (bổ sung Art); định vị 4 phân môn trong bối cảnh khoa học tự nhiên và ứng dụng kỹ thuật; phân tích định hướng giáo dục STEM trong Chương trình Giáo dục phổ thông 2018 đối với lớp 8. Chương này xác lập hai mô hình nền tảng: Chu trình STEM (mô hình tương tác xoáy ốc giữa Khoa học và Kỹ thuật thông qua công cụ Toán học) và Phương pháp khoa học 5 bước đối sánh với Quy trình thiết kế kỹ thuật 8 bước. Đồng thời, chương 1 phân loại 3 hình thức tổ chức giáo dục STEM: Dạy học bài dạy STEM (bài dạy STEM khoa học và bài dạy STEM kỹ thuật), Tổ chức hoạt động trải nghiệm STEM (Câu lạc bộ STEM, Ngày hội STEM) và Tổ chức hoạt động nghiên cứu khoa học - kỹ thuật (theo chuẩn hội thi Intel ISEF với 22 lĩnh vực).

  • Chương 2: Xây dựng và thực hiện bài dạy STEM (Trang 54 - 80): Mô tả quy trình 4 bước xây dựng bài học: (1) Lựa chọn nội dung dạy học, (2) Xác định vấn đề thực tiễn cần giải quyết, (3) Xây dựng tiêu chí cho sản phẩm/giải pháp, (4) Thiết kế tiến trình tổ chức hoạt động. Cấu trúc tiến trình dạy học bao gồm 5 hoạt động tiêu chuẩn:

    1. Xác định vấn đề thiết kế/chế tạo;
    2. Nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất giải pháp thiết kế;
    3. Lựa chọn giải pháp thiết kế;
    4. Chế tạo mẫu, thử nghiệm và đánh giá;
    5. Chia sẻ, thảo luận và điều chỉnh. Chương này cung cấp khung đánh giá bài dạy dựa trên các tiêu chí chuyên môn của Công văn số 5555/BGDĐT-GDTrH và hướng dẫn đánh giá năng lực học sinh.

  • Chương 3: Minh họa một số kế hoạch dạy học STEM lớp 8 (Trang 81 - 281): Thiết lập ma trận tích hợp nội dung và cung cấp hệ thống giáo án mẫu chi tiết.

    • Kế hoạch bài dạy STEM kỹ thuật minh họa: Bài "Hai tam giác đồng dạng: Thước đồng dạng" (Toán học); "Nguồn điện, dòng điện, mạch điện đơn giản: Chế tạo đèn pin bỏ túi" (Khoa học tự nhiên); "Lực đẩy Archimedes: Chế tạo áo phao" (Khoa học tự nhiên); "Mạch điện điều khiển đơn giản có sử dụng mô đun cảm biến nhiệt độ: Máy ấp trứng" (Công nghệ); "Xử lí và trực quan hoá dữ liệu bằng bảng tính điện tử: Lập biểu đồ thể trạng theo BMI" (Tin học).
    • Hoạt động trải nghiệm STEM minh họa: Hệ thống hơn 20 chủ đề thực nghiệm gồm: Thước chia đều (Định lý Thalès), Thí nghiệm chứng minh Định luật bảo toàn khối lượng, Sắc màu tinh thể (Nồng độ dung dịch), Mô hình hệ sinh thái, Thiết bị cảnh báo ngồi sai tư thế, Chế tạo băng chuyền (Cơ cấu truyền chuyển động), Cân lò xo (Hàm số bậc nhất $y = ax + b$), Tranh ốc sên vô tỉ (Định lý Pythagore), Bình giữ nhiệt, Cần cẩu thủy lực (Áp suất chất lỏng), Thang đo pH từ bắp cải tím, Xác định hàm lượng $\text{CaCO}_3$ trong vỏ trứng gà, Mô hình phổi dưới ảnh hưởng của thuốc lá, Son môi từ nguyên liệu tự nhiên, Khẩu phần ăn cân đối.

Kiến thức nền tảng và khung lý thuyết

Tài liệu thiết lập khung lý thuyết dựa trên sự tương hỗ giữa hai phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

$$\text{Phương pháp khoa học: } \text{Hiện tượng tự nhiên} \xrightarrow{\text{Thực nghiệm}} \text{Tri thức khoa học (S)}$$

$$\text{Thiết kế kĩ thuật: } \text{Tri thức khoa học} \xrightarrow{\text{Quy trình kĩ thuật}} \text{Công nghệ mới (T/E)}$$

  • Lý thuyết về chu trình STEM: Khoa học (Science) xuất phát từ công nghệ hiện có để tìm tòi tri thức mới thông qua các câu hỏi khoa học; Kỹ thuật (Engineering) sử dụng tri thức khoa học và công cụ Toán học để thiết kế các giải pháp công nghệ mới.
  • Phương pháp khoa học: Đi từ việc phát hiện vấn đề $\rightarrow$ Nghiên cứu tài liệu tổng quan $\rightarrow$ Xây dựng giả thuyết khoa học (mệnh đề "Nếu... thì...") $\rightarrow$ Thiết kế và kiểm tra bằng thực nghiệm (phân tích biến độc lập, biến phụ thuộc, biến kiểm soát) $\rightarrow$ Phân tích kết quả định tính/định lượng và công bố.
  • Quy trình thiết kế kỹ thuật: Đi từ xác định vấn đề $\rightarrow$ Nghiên cứu kiến thức nền $\rightarrow$ Đề xuất tiêu chí $\rightarrow$ Thiết kế giải pháp $\rightarrow$ Chế tạo mẫu thử $\rightarrow$ Thử nghiệm $\rightarrow$ Đánh giá và tối ưu hóa.

Kỹ năng và năng lực chuyên môn phát triển

Tài liệu định hướng rèn luyện cho người học và học sinh 3 nhóm năng lực chính:

  • Năng lực khoa học và kỹ thuật: Thao tác thí nghiệm, kiểm soát biến số thực nghiệm, tính toán định lượng bằng mô hình toán học; kỹ năng phác thảo bản vẽ kỹ thuật, gia công vật liệu, lắp ráp mạch điện cơ bản và hiệu chỉnh thông số kỹ thuật của sản phẩm mẫu.
  • Năng lực phân tích và tư duy mô hình: Năng lực mô hình hóa các hiện tượng tự nhiên bằng các hàm số toán học (như liên hệ độ giãn lò xo với hàm số bậc nhất), phân tích dữ liệu chỉ số nhân trắc học (BMI) qua bảng tính.
  • Năng lực sư phạm tích hợp: Phân tích chương trình môn học để xác định điểm giao thoa kiến thức giữa các phân môn; năng lực thiết kế chuỗi hoạt động dạy học bám sát Công văn 5512/BGDĐT-GDTrH và xây dựng tiêu chí đánh giá sản phẩm học tập theo Công văn 5555/BGDĐT-GDTrH.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Tài liệu áp dụng cách tiếp cận sư phạm dựa trên giải quyết vấn đề (Problem-Based Learning - PBL) và dạy học theo dự án (Project-Based Learning). Quy trình giảng dạy phân định rõ vai trò của bài học STEM khoa học (tập trung tìm hiểu bản chất quy luật tự nhiên trong phòng bộ môn) và bài học STEM kỹ thuật (tập trung chế tạo sản phẩm giải quyết vấn đề thực tế).

   ┌──────────────────────────────────────────────────────────────┐
   │            TIẾN TRÌNH DẠY HỌC BÀI DẠY STEM KỸ THUẬT          │
   ├──────────────────────────────┬───────────────────────────────┤
   │ Hoạt động 1 (Tại lớp)        │ Xác định vấn đề thiết kế      │
   │ Hoạt động 2 (Tại lớp / Lab)  │ Nghiên cứu kiến thức nền      │
   │ Hoạt động 3 (Tại lớp)        │ Đề xuất & Lựa chọn giải pháp  │
   │ Hoạt động 4 (Xưởng / Ở nhà)  │ Chế tạo mẫu, Thử nghiệm       │
   │ Hoạt động 5 (Tại lớp)        │ Báo cáo, Đánh giá, Điều chỉnh │
   └──────────────────────────────┴───────────────────────────────┘

Tiến trình dạy học được tổ chức thành 5 bước hoạt động đồng bộ:

[Hoạt động 1: Xác định vấn đề] 
         │
         ▼
[Hoạt động 2: Nghiên cứu kiến thức nền & Đề xuất giải pháp] 
         │
         ▼
[Hoạt động 3: Lựa chọn giải pháp thiết kế] 
         │
         ▼
[Hoạt động 4: Chế tạo mẫu, Thử nghiệm và Đánh giá] 
         │
         ▼
[Hoạt động 5: Chia sẻ, Thảo luận và Điều chỉnh]

Phương pháp đánh giá trong tài liệu bám sát hai định hướng:

  1. Đánh giá tiến trình bài dạy của giáo viên: Áp dụng 12 tiêu chí theo Công văn 5555/BGDĐT-GDTrH, chia thành 3 nhóm: Kế hoạch và tài liệu dạy học (mức độ phù hợp của chuỗi hoạt động, mục tiêu, thiết bị); Tổ chức hoạt động học cho học sinh (mức độ chuyển giao nhiệm vụ, theo dõi, hỗ trợ); Hoạt động của học sinh (mức độ tiếp nhận, hợp tác, kết quả thực hiện nhiệm vụ).
  2. Đánh giá kết quả học tập của học sinh: Sử dụng bảng tiêu chí (Rubrics) để đánh giá hồ sơ học tập, bản thiết kế kỹ thuật, sản phẩm hiện vật và báo cáo thuyết trình. Tài liệu chú trọng đánh giá quá trình thông qua sổ tay khoa học, nhật ký thí nghiệm và đánh giá đồng đẳng giữa các nhóm học sinh.

Điểm nổi bật và cập nhật theo khung chương trình

  • Tính pháp lý và bối cảnh chính sách: Nội dung tài liệu được xây dựng nhằm triển khai trực tiếp Chỉ thị số 16/CT-TTg ngày 04/05/2017 của Thủ tướng Chính phủ về tăng cường năng lực tiếp cận cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư, đồng thời cụ thể hóa hướng dẫn chuyên môn tại Công văn số 3089/BGDĐT-GDTrH ngày 14/08/2020 của Bộ Giáo dục và Đào tạo về việc triển khai giáo dục STEM trong giáo dục trung học.
  • Tích hợp sâu cấu trúc môn học lớp 8 mới: Tài liệu cập nhật các nội dung mới trong Chương trình Giáo dục phổ thông 2018 của 4 môn học:
    • Toán học: Gắn mạch kiến thức Hình học và Đo lường (định lý Pythagore, định lý Thalès, hình đồng dạng, hình chóp tam giác đều) và mạch Đại số (hàm số bậc nhất) với các công cụ đo đạc và kiến trúc thực tế.
    • Khoa học tự nhiên: Tích hợp kiến thức Hóa học (phản ứng hóa học, tốc độ phản ứng, thang pH, muối), Vật lý (áp suất chất lỏng, khối lượng riêng, đòn bẩy, mạch điện, nhiệt học) và Sinh học (các hệ cơ quan của người, dinh dưỡng, hệ sinh thái) vào một môn học thống nhất.
    • Công nghệ: Chuyển đổi từ công nghệ thuần lý thuyết sang mạch "Công nghiệp và Thiết kế kỹ thuật", khai thác mô đun cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) và cơ cấu truyền động.
    • Tin học: Nhấn mạnh ứng dụng phần mềm bảng tính và lập trình trực quan (Scratch) để giải quyết các bài toán liên môn.
  • Vận dụng vật liệu sẵn có: Toàn bộ các bài thực hành, kế hoạch bài dạy mẫu đều ưu tiên sử dụng nguyên vật liệu tái chế, thiết bị chi phí thấp và linh kiện cảm biến phổ thông, bảo đảm tính khả thi cho các cơ sở giáo dục có điều kiện cơ sở vật chất khác nhau.

Đối tượng sử dụng giáo trình

Nhóm đối tượng Mục đích và phương thức sử dụng
Giảng viên đại học & Sinh viên Sư phạm Dùng làm giáo trình, tài liệu tham khảo trong các học phần Lý luận dạy học tích hợp, Phát triển chương trình giáo dục STEM, Thực hành nghề nghiệp sư phạm cho sinh viên ngành Sư phạm KHTN, Sư phạm Toán, Sư phạm Công nghệ, Sư phạm Tin học.
Cán bộ quản lý giáo dục THCS Sử dụng làm căn cứ chuyên môn để chỉ đạo xây dựng kế hoạch giáo dục nhà trường, kiểm tra, đánh giá chất lượng sinh hoạt tổ chuyên môn và đánh giá giờ dạy STEM theo chuẩn của Bộ GD&ĐT.
Giáo viên môn Toán, KHTN, Công nghệ, Tin học Tham khảo ma trận thiết kế, quy trình xây dựng kế hoạch bài dạy và kế hoạch hoạt động trải nghiệm lớp 8 để áp dụng trực tiếp hoặc điều chỉnh phù hợp với thực tế lớp học.
Học viên cao học & Nghiên cứu sinh ngành Khoa học giáo dục Khai thác cơ sở lý luận về chu trình STEM, phương pháp khoa học, quy trình thiết kế kỹ thuật phục vụ nghiên cứu luận văn, đề tài khoa học về phương pháp dạy học.

Yêu cầu kiến thức tiên quyết đối với người sử dụng: Nắm vững chuẩn kiến thức, kỹ năng và yêu cầu cần đạt trong Chương trình Giáo dục phổ thông 2018 của môn học chuyên ngành; có hiểu biết cơ bản về phương pháp dạy học tích cực và kỹ năng thiết kế kế hoạch bài dạy theo quy chuẩn của Bộ Giáo dục và Đào tạo.

Câu hỏi thường gặp

1. Tài liệu này được thiết kế riêng cho lớp 8 hay có thể áp dụng cho các khối lớp khác?

Tài liệu cung cấp khung phương pháp luận chung (Chương 1 và Chương 2) có thể áp dụng cho toàn bộ cấp Trung học cơ sở và Trung học phổ thông. Riêng Chương 3 tập trung khai thác các yêu cầu cần đạt và mạch kiến thức đặc thù của chương trình lớp 8 (Toán, Khoa học tự nhiên, Công nghệ, Tin học) làm ví dụ minh họa chi tiết.

2. Sự khác biệt cốt lõi giữa "Bài dạy STEM khoa học" và "Bài dạy STEM kỹ thuật" là gì?

Bài dạy STEM khoa học được xây dựng theo Phương pháp khoa học 5 bước, mục đích chính là giúp học sinh khám phá, hình thành kiến thức và quy luật tự nhiên mới qua thực nghiệm. Bài dạy STEM kỹ thuật được thiết kế theo Quy trình thiết kế kỹ thuật (dựa trên 8 bước kỹ thuật, quy về 5 hoạt động dạy học), mục đích là vận dụng kiến thức nền đã học để thiết kế và chế tạo một sản phẩm cụ thể nhằm giải quyết vấn đề thực tiễn.

3. Giáo viên môn Toán có thể chủ trì xây dựng bài dạy STEM không?

Có. Theo hướng dẫn ở Chương 1 và Chương 3, khi môn Toán giữ vai trò chủ đạo (steM), giáo viên cần gắn bài toán với việc chế tạo một sản phẩm vật lý (sử dụng thành tố Kỹ thuật và Công nghệ) hoặc tích hợp yếu tố Nghệ thuật (STEAM) như: Thước đồng dạng, Thước chia đều theo định lý Thalès, hoặc Tranh ốc sên vô tỉ dựa trên định lý Pythagore.

4. Quy trình đánh giá bài dạy STEM được căn cứ theo văn bản nào?

Tiêu chí đánh giá bài dạy được xây dựng dựa trên Công văn số 5555/BGDĐT-GDTrH của Bộ Giáo dục và Đào tạo, đánh giá toàn diện về: kế hoạch và tài liệu dạy học; tiến trình tổ chức hoạt động của giáo viên; và mức độ tích cực, chủ động cùng sản phẩm thực tế của học sinh.

5. Dự án nghiên cứu khoa học kỹ thuật của học sinh có cấu trúc như thế nào theo tài liệu?

Dự án nghiên cứu được triển khai theo tiến trình 12 bước, bao gồm: lựa chọn chủ đề, xác định tính khả thi, lập hồ sơ và sổ tay khoa học (gồm 4 phần: ý tưởng, tổng quan tài liệu, nhật ký thí nghiệm/thiết kế, phân tích dữ liệu), đề xuất giả thuyết/mục tiêu, thiết kế và tiến hành thực nghiệm có kiểm soát biến số, xử lý số liệu định tính/định lượng và công bố kết quả.

Kết luận

Tài liệu "Hướng Dẫn Xây Dựng Kế Hoạch Bài Dạy STEM Lớp 8" cung cấp hệ thống cơ sở lý luận, phương pháp luận thiết kế bài học và khung ma trận thực nghiệm thực tế cho giáo dục STEM cấp trung học cơ sở theo Chương trình Giáo dục phổ thông 2018.

Lộ trình triển khai khuyến nghị cho người học bao gồm:

  • Bước 1: Nghiên cứu khung lý thuyết về Chu trình STEM, Phương pháp khoa học và Quy trình thiết kế kỹ thuật ở Chương 1;
  • Bước 2: Nắm vững quy trình thiết kế 5 hoạt động học và tiêu chí đánh giá theo Công văn 5555/BGDĐT-GDTrH ở Chương 2;
  • Bước 3: Phân tích các kế hoạch bài dạy mẫu ở Chương 3 để vận dụng, biên soạn và điều chỉnh cho các chủ đề môn học thực tế tại địa phương.

Tài liệu là nguồn dữ liệu chuẩn mực phục vụ trực tiếp cho hoạt động đào tạo sư phạm, công tác bồi dưỡng giáo viên và tổ chức triển khai hoạt động chuyên môn tại các trường phổ thông.