I. Tổng Quan Về Lượng Giác và Giáo Dục STEM ở THPT
Giáo dục STEM ngày càng được chú trọng trong bối cảnh cuộc Cách mạng công nghiệp 4.0. Chương trình Giáo dục Phổ thông môn Toán (2018) cũng nhấn mạnh tính ứng dụng và liên kết với thực tế, đặc biệt là các môn thuộc lĩnh vực STEM. Tuy nhiên, việc tích hợp liên môn vẫn còn hạn chế. Lượng giác là một lĩnh vực toán học có nhiều ứng dụng thực tế, từ công nghệ thiết kế robot đến hệ thống định vị toàn cầu. Việc tích hợp lượng giác vào dạy học STEM có thể giúp học sinh hiểu rõ hơn về tính ứng dụng của toán học và phát triển các kỹ năng cần thiết cho thế kỷ 21. Theo Nguyễn Anh Dũng (2014), các hoạt động STEM được kỳ vọng trở thành một hướng mới để phát triển quan điểm tích hợp trong DH tại Việt Nam. Bài viết này sẽ đi sâu vào cách thức tích hợp lượng giác vào dạy học STEM ở bậc trung học phổ thông, mang lại những ví dụ và phương pháp cụ thể để giáo viên có thể áp dụng.
1.1. Định Nghĩa và Vai Trò của Giáo Dục STEM trong Môn Toán
Giáo dục STEM là phương pháp dạy học tích hợp ít nhất 2 trong 4 lĩnh vực: Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học (Sanders, 2009). Mục tiêu là giúp học sinh ghép nối kiến thức và kỹ năng liên quan giữa các môn học, làm cho việc học gần gũi với cuộc sống. Trong môn Toán, STEM giúp học sinh thấy được ứng dụng thực tế của các khái niệm trừu tượng, từ đó tăng hứng thú học tập và khả năng giải quyết vấn đề. STEM trong môn Toán không chỉ là việc áp dụng công thức mà còn là quá trình tư duy, sáng tạo và thiết kế. Theo nhiều nhà nghiên cứu, giáo dục STEM được hiểu theo nghĩa là một phương pháp DH tích hợp ít nhất 2 trong 4 lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học (Sanders, 2009).
1.2. Ứng Dụng Thực Tế của Lượng Giác trong Các Lĩnh Vực STEM
Lượng giác có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực STEM. Trong kỹ thuật, lượng giác được sử dụng để thiết kế cầu, nhà cao tầng và các công trình xây dựng khác. Trong khoa học, lượng giác được dùng để mô tả các hiện tượng sóng, dao động và chuyển động tròn. Trong công nghệ, lượng giác là nền tảng của các thuật toán xử lý ảnh, âm thanh và video. Thậm chí, trong âm nhạc, lượng giác cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các hòa âm và giai điệu. Nguyễn Duy Quang (2014) đã chỉ ra tồn tại mối quan hệ liên môn Toán – Lý trong chương trình phổ thông, thể hiện qua mối liên hệ giữa đường tròn lượng giác và chuyển động tròn đều ở SGK Vật Lý 10, giữa hàm số lượng giác và dao động điều hòa ở SGK Vật Lý 12.
II. Thách Thức và Vấn Đề Khi Dạy Lượng Giác Theo STEM
Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc tích hợp lượng giác vào dạy học STEM vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là sự thiếu hụt về tài liệu và nguồn lực. Giáo viên cần được trang bị kiến thức và kỹ năng cần thiết để thiết kế các bài học STEM hiệu quả. Ngoài ra, cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các giáo viên thuộc các môn khác nhau để đảm bảo tính tích hợp và liên môn. Theo ghi nhận của chúng tôi, trong nhiều hoạt động STEM hiện nay, Kĩ thuật hoặc Khoa học thường đóng vai trò chủ đạo, còn Toán học hiện diện khá mờ nhạt. Sự mờ nhạt được hiểu theo nghĩa tri thức Toán chỉ đóng vai trò hỗ trợ cho các thành tố khác chứ DH một tri thức Toán không phải là mục tiêu chính của hoạt động.
2.1. Sự Thiếu Hụt Tài Liệu và Nguồn Lực Dạy Học STEM Lượng Giác
Hiện nay, số lượng tài liệu và nguồn lực dành cho dạy học STEM lượng giác còn rất hạn chế. Giáo viên thường phải tự tìm kiếm và biên soạn tài liệu, điều này đòi hỏi nhiều thời gian và công sức. Cần có sự đầu tư hơn nữa vào việc phát triển các tài liệu dạy học STEM chất lượng cao, bao gồm sách giáo khoa, bài tập, thí nghiệm và các dự án thực tế. Các tài liệu này cần được thiết kế sao cho phù hợp với trình độ của học sinh và đáp ứng được yêu cầu của chương trình giáo dục.
2.2. Đào Tạo và Nâng Cao Năng Lực Giáo Viên Về STEM Lượng Giác
Giáo viên đóng vai trò then chốt trong việc triển khai dạy học STEM. Tuy nhiên, nhiều giáo viên vẫn còn thiếu kiến thức và kỹ năng cần thiết để dạy STEM hiệu quả. Cần có các chương trình đào tạo và bồi dưỡng giáo viên chuyên sâu về STEM, đặc biệt là về cách tích hợp lượng giác vào các dự án thực tế. Các chương trình này cần tập trung vào việc phát triển năng lực thiết kế bài học, đánh giá học sinh và quản lý lớp học theo phương pháp STEM.
III. Phương Pháp Tích Hợp Lượng Giác Vào Dự Án STEM Hiệu Quả
Để tích hợp lượng giác vào dạy học STEM một cách hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp sư phạm phù hợp. Một trong những phương pháp phổ biến là dạy học dự án, trong đó học sinh được giao một dự án thực tế và phải sử dụng kiến thức lượng giác để giải quyết vấn đề. Ngoài ra, có thể sử dụng các phần mềm mô phỏng và công cụ trực quan để giúp học sinh hiểu rõ hơn về các khái niệm lượng giác. Hobbs và cộng sự (2018) phân biệt 5 mô hình DH STEM dựa trên mức độ tích hợp các môn học và mức độ cộng tác giữa các GV phụ trách từng bộ môn Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán.
3.1. Dạy Học Dự Án Xây Dựng Mô Hình Ứng Dụng Lượng Giác
Dạy học dự án là phương pháp hiệu quả để giúp học sinh hiểu rõ hơn về ứng dụng thực tế của lượng giác. Ví dụ, học sinh có thể được giao dự án xây dựng mô hình cầu treo, trong đó phải sử dụng kiến thức lượng giác để tính toán độ dài dây cáp và góc nghiêng của trụ cầu. Quá trình thực hiện dự án sẽ giúp học sinh phát triển các kỹ năng giải quyết vấn đề, làm việc nhóm và tư duy sáng tạo.
3.2. Sử Dụng Phần Mềm Mô Phỏng và Công Cụ Trực Quan Lượng Giác
Các phần mềm mô phỏng và công cụ trực quan có thể giúp học sinh hình dung rõ hơn về các khái niệm lượng giác. Ví dụ, có thể sử dụng phần mềm Geogebra để vẽ đồ thị hàm số lượng giác và khám phá các tính chất của chúng. Ngoài ra, có thể sử dụng các công cụ đo đạc và tính toán trực tuyến để giải các bài toán lượng giác phức tạp. Việc sử dụng công nghệ sẽ giúp học sinh học tập một cách chủ động và hiệu quả hơn.
IV. Ví Dụ Cụ Thể Về Bài Tập và Dự Án STEM Lượng Giác
Để minh họa rõ hơn về cách tích hợp lượng giác vào dạy học STEM, chúng ta sẽ xem xét một số ví dụ cụ thể về bài tập và dự án. Các ví dụ này được thiết kế sao cho phù hợp với trình độ của học sinh trung học phổ thông và đáp ứng được yêu cầu của chương trình giáo dục. Các bài tập và dự án này tập trung vào việc phát triển các kỹ năng giải quyết vấn đề, tư duy sáng tạo và làm việc nhóm. Bên cạnh đó, do đặc thù sản phẩm đầu ra của hoạt động STEM mang tính “vật chất”, tức là sản phẩm học sinh làm ra phải phục vụ được cho thực tế hoặc một mô phỏng thực tế (Nguyễn Thị Nga et al., 2018, trang 10) nên hoạt động STEM thường gắn với những tri thức toán có nhiều ứng dụng trong thực tế và ngược lại cũng có thể là phương tiện để học sinh trực tiếp ứng dụng các tri thức ấy vào thực tế.
4.1. Bài Tập Vận Dụng Hàm Số Lượng Giác Trong Vật Lý
Một bài tập có thể là: "Một vật dao động điều hòa theo phương trình x = Acos(ωt + φ). Hãy xác định biên độ, tần số góc và pha ban đầu của dao động." Bài tập này giúp học sinh củng cố kiến thức về hàm số lượng giác và ứng dụng chúng vào việc mô tả các hiện tượng vật lý. Ngoài ra, có thể yêu cầu học sinh vẽ đồ thị của hàm số và phân tích các đặc điểm của dao động.
4.2. Dự Án Thiết Kế Hệ Thống Định Vị GPS Đơn Giản
Một dự án có thể là: "Thiết kế một hệ thống định vị GPS đơn giản sử dụng lượng giác. Học sinh cần sử dụng kiến thức về tam giác lượng giác và tọa độ để xác định vị trí của một vật thể trên mặt đất. Dự án này giúp học sinh phát triển các kỹ năng tư duy không gian, giải quyết vấn đề và làm việc nhóm. Ngoài ra, học sinh có thể sử dụng các công cụ trực tuyến để mô phỏng hệ thống GPS và kiểm tra tính chính xác của kết quả.
V. Đánh Giá Hiệu Quả Dạy Học STEM Lượng Giác ở THPT
Việc đánh giá hiệu quả dạy học STEM lượng giác là rất quan trọng để đảm bảo rằng học sinh đang học tập một cách hiệu quả. Cần sử dụng các phương pháp đánh giá đa dạng, bao gồm bài kiểm tra, dự án, thuyết trình và đánh giá đồng đẳng. Các tiêu chí đánh giá cần tập trung vào việc đánh giá kiến thức, kỹ năng và thái độ của học sinh. Dương Anh Khoa (2018). Mô hình hàm số: Một lựa chọn để xây dựng hoạt động giáo dục STEM. Trong khuôn khổ một luận văn thạc sĩ, tác giả đã sơ lược lịch sử hình thành và phát triển giáo dục STEM; tổng hợp được một số những định nghĩa, khái niệm liên quan đến giáo dục STEM.
5.1. Phương Pháp Đánh Giá Kiến Thức và Kỹ Năng Lượng Giác
Có thể sử dụng các bài kiểm tra trắc nghiệm và tự luận để đánh giá kiến thức lượng giác của học sinh. Ngoài ra, có thể sử dụng các bài tập thực hành và dự án để đánh giá kỹ năng giải quyết vấn đề và tư duy sáng tạo của học sinh. Các tiêu chí đánh giá cần được xây dựng rõ ràng và minh bạch để đảm bảo tính công bằng và khách quan.
5.2. Đánh Giá Thái Độ và Sự Hứng Thú của Học Sinh Với STEM
Ngoài việc đánh giá kiến thức và kỹ năng, cần đánh giá thái độ và sự hứng thú của học sinh với STEM. Có thể sử dụng các phiếu khảo sát và phỏng vấn để thu thập thông tin về thái độ và sự hứng thú của học sinh. Các câu hỏi cần tập trung vào việc đánh giá mức độ yêu thích môn học, sự tự tin vào khả năng của bản thân và mong muốn theo đuổi các ngành nghề liên quan đến STEM.
VI. Kết Luận và Triển Vọng Phát Triển STEM Lượng Giác
Dạy học STEM lượng giác có nhiều tiềm năng để nâng cao chất lượng giáo dục toán học và khoa học ở bậc trung học phổ thông. Tuy nhiên, để triển khai thành công phương pháp này, cần có sự đầu tư hơn nữa vào việc phát triển tài liệu, đào tạo giáo viên và xây dựng cơ sở vật chất. Với sự nỗ lực của tất cả các bên liên quan, STEM lượng giác có thể trở thành một động lực quan trọng để thúc đẩy sự phát triển của khoa học và công nghệ ở Việt Nam. Chúng tôi nhận thấy - Chưa có hoạt động STEM mà trong đó Toán học đóng vai trò là thành tố quan trọng, theo nghĩa hoạt động được đưa ra nhằm mục tiêu DH hoặc vận dụng một tri thức Toán nào đó mà sự vận dụng này quyết định việc thoả mãn yêu cầu kỹ thuật cho sản phẩm STEM của HS.
6.1. Tầm Quan Trọng của Việc Đầu Tư Vào Giáo Dục STEM Lượng Giác
Đầu tư vào giáo dục STEM lượng giác là đầu tư vào tương lai của đất nước. Việc trang bị cho học sinh kiến thức và kỹ năng STEM sẽ giúp họ có thể cạnh tranh trong thị trường lao động toàn cầu và đóng góp vào sự phát triển kinh tế xã hội của đất nước. Cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa nhà trường, gia đình và xã hội để tạo ra một môi trường học tập STEM tích cực và hiệu quả.
6.2. Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển STEM Lượng Giác Trong Tương Lai
Trong tương lai, cần có thêm nhiều nghiên cứu về dạy học STEM lượng giác để tìm ra các phương pháp và công cụ hiệu quả hơn. Các nghiên cứu này cần tập trung vào việc đánh giá tác động của STEM đến sự phát triển của học sinh, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sự thành công của STEM và đề xuất các giải pháp để cải thiện chất lượng dạy học STEM. Ngoài ra, cần có sự hợp tác quốc tế để chia sẻ kinh nghiệm và học hỏi các mô hình STEM thành công từ các nước khác.
