Lượng Giác và Dạy Học Theo Định Hướng Giáo Dục STEM Ở Bậc Trung Học

Tài liệu nghiên cứu Luận văn lượng giác với dạy học theo định hướng giáo dục stem ở bậc trung học, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về giáo dục.

• Tác giả: Lê Thị Bảo Linh
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Thị Hoài Châu
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp dạy học bộ môn Toán
• Đề tài: Lượng Giác và Dạy Học Theo Định Hướng Giáo Dục STEM Ở Bậc Trung Học
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU: CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ GIÁO DỤC STEM
• 1.1. Tổng quan về giáo dục STEM
• 1.2. Bốn lĩnh vực S, T, E, M
• 1.3. Các dạng mở rộng của giáo dục STEM
• 1.4. Giáo dục STEM và DH tích hợp
• 1.5. Các mô hình dạy học STEM
• 1.5.1. Mô hình thứ nhất: GV từng bộ môn dạy mỗi môn học riêng rẽ
• 1.5.2. Mô hình thứ hai: Một GV dạy cả 4 môn học nhưng nhấn mạnh vào một hoặc hai môn
• 1.5.3. Mô hình thứ ba: Tích hợp một môn vào ba môn được GV từng bộ môn dạy riêng rẽ
• 1.5.4. Mô hình thứ tư: Một GV dạy tích hợp cả 4 môn học để giải quyết một vấn đề thực tế
• 1.5.5. Mô hình thứ năm: Chia một chương trình STEM vào từng bộ môn riêng rẽ
• 1.6. Các quy trình triển khai hoạt động giáo dục theo định hướng STEM
• 1.6.1. Quy trình 5E
• 1.6.2. Quy trình EDP
• 1.6.3. Quy trình thiết kế hoạt động giáo dục theo định hướng STEM
• 1.7. Kết luận chương 1
• 2. THIẾT KẾ MỘT TÌNH HUỐNG DẠY HỌC STEM
• 2.1. Mở đầu chương 2
• 2.2. Một số đặc trưng 𝑅(𝐼; 𝑂)
• 2.3. Một số ứng dụng trong Vật lí của hàm số lượng giác
• 2.4. Ý tưởng và tiêu chí kĩ thuật của sản phẩm STEM
• 2.5. Mô tả tình huống “Android Pendulums”
• 2.6. Phân tích tình huống “Android Pendulums” dưới góc độ Thuyết nhân học trong sự đối chiếu giữa hai hệ thống Mĩ và Việt Nam
• 2.7. Điều chỉnh tình huống “Android Pendulums” và thiết lập tiêu chí kĩ thuật
• 2.8. Kết luận chương 2
• 3. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG STEM
• 3.1. Mục tiêu thực nghiệm
• 3.2. Hệ thống câu hỏi trong thực nghiệm thứ nhất
• 3.3. Phân tích tiên nghiệm thực nghiệm thứ nhất
• 3.4. Phân tích hậu nghiệm thực nghiệm thứ nhất
• 3.5. Thực nghiệm 1 phiếu số 1
• 3.6. Thực nghiệm 1 phiếu số 2
• 3.7. Giới thiệu thực nghiệm thứ hai
• 3.8. Mục tiêu của thực nghiệm thứ hai
• 3.9. Tính chất của hoạt động STEM trong thực nghiệm
• 3.10. Các yếu tố S, T, E, M mà hoạt động nhắm đến
• 3.11. Các pha trong thực nghiệm
• 3.11.1. Pha 1: Xác định vấn đề và các ràng buộc
• 3.11.2. Pha 2: Nghiên cứu
• 3.11.3. Pha 3: Lên ý tưởng
• 3.11.4. Pha 4: Phân tích các ý tưởng
• 3.11.5. Pha 5: Tiến hành
• 3.11.6. Pha 6: Đánh giá và cải thiện
• 3.11.7. Pha 7: Trình bày và phản ảnh
• 3.12. Phân tích tiên nghiệm thực nghiệm thứ hai
• 3.13. Phân tích hậu nghiệm thực nghiệm thứ hai
• 3.14. Thực nghiệm 2 phiếu số 1
• 3.15. Thực nghiệm 2 phiếu số 2
• 3.16. Thực nghiệm 2 phiếu số 3
• 3.17. Thực nghiệm 2 phiếu số 4
• 3.18. Thực nghiệm 2 phiếu số 5
• 3.19. Kết luận chương 3
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• A.1. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• A.2. DANH MỤC CÁC BẢNG
• A.3. DANH MỤC CÁC HÌNH

Tóm tắt

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ 4, giáo dục STEM (Science, Technology, Engineering, Mathematics) ngày càng được chú trọng trên toàn cầu và tại Việt Nam. Theo Bộ Giáo dục và Đào tạo Việt Nam, chương trình Giáo dục Phổ thông môn Toán (ban hành năm 2018) đã nhấn mạnh vai trò của định hướng giáo dục STEM trong thiết kế chương trình, nhằm tăng cường tính ứng dụng thực tiễn và liên môn. Tuy nhiên, thực tế cho thấy ở các cấp học cao hơn, việc dạy học tích hợp theo định hướng STEM còn hạn chế, đặc biệt là sự hiện diện của Toán học trong các hoạt động STEM còn mờ nhạt.

Luận văn tập trung nghiên cứu việc dạy học lượng giác theo định hướng giáo dục STEM ở bậc trung học, với mục tiêu xây dựng và thực nghiệm một tình huống dạy học STEM nhấn mạnh vai trò của tri thức toán học, cụ thể là tính tuần hoàn của hàm số lượng giác có đồ thị hình sin. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn tại một trường THPT ở thành phố Hồ Chí Minh, với đối tượng là học sinh lớp 11 đã có kiến thức cơ bản về chu kỳ tuần hoàn của hàm số lượng giác.

Nghiên cứu nhằm làm rõ đặc trưng của giáo dục STEM, các mô hình dạy học STEM phù hợp, đồng thời thiết kế và triển khai một hoạt động STEM giúp học sinh nhận thức rõ hơn về giá trị thực tiễn của kiến thức lượng giác, qua đó củng cố và điều chỉnh quan niệm sai lầm về chu kỳ của hàm số lượng giác. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển phương pháp dạy học tích hợp, góp phần nâng cao chất lượng giáo dục toán học và STEM tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Thuyết Nhân học trong Didactic Toán: Giúp phân tích quan hệ thể chế (institution) và quan hệ cá nhân của học sinh đối với tri thức toán học, qua đó xác định các kiểu nhiệm vụ (KNV), kỹ thuật, công nghệ và lý thuyết liên quan đến tri thức lượng giác trong bối cảnh giáo dục Việt Nam.

• Lý thuyết tình huống: Được sử dụng để thiết kế và điều chỉnh các biến didactic trong tình huống dạy học STEM, đảm bảo phù hợp với kiến thức và khả năng của học sinh.

• Mô hình giáo dục STEM: Nghiên cứu 5 mô hình dạy học STEM dựa trên mức độ tích hợp các môn học và mức độ cộng tác giữa giáo viên các bộ môn (Science, Technology, Engineering, Mathematics). Luận văn lựa chọn mô hình thứ hai (steM) – một giáo viên dạy cả 4 môn nhưng nhấn mạnh vào một hoặc hai môn, trong đó Toán học được nhấn mạnh.

• Quy trình triển khai hoạt động STEM: Áp dụng quy trình EDP (Engineering Design Process) gồm 7 pha từ xác định vấn đề, nghiên cứu, lên ý tưởng, phân tích ý tưởng, chế tạo, đánh giá và cải thiện, đến trình bày và phản ánh.

• Khái niệm và đặc trưng của hàm số lượng giác tuần hoàn: Tập trung vào tính tuần hoàn của hàm số có đồ thị hình sin, chu kỳ 2𝜋 và các hàm số liên quan, dựa trên chương trình Toán lớp 11 và các ứng dụng trong Vật lý.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Luận văn sử dụng dữ liệu thu thập từ học sinh lớp 11 tại một trường THPT ở thành phố Hồ Chí Minh, các tài liệu giáo dục trong nước và quốc tế, SGK Toán và Vật lý, cùng các nghiên cứu liên quan về giáo dục STEM và dạy học lượng giác.

• Phương pháp chọn mẫu: Chọn mẫu thuận tiện gồm học sinh lớp 11 đã có kiến thức cơ bản về chu kỳ tuần hoàn của hàm số lượng giác, nhằm đảm bảo tính khả thi và phù hợp với mục tiêu nghiên cứu.

• Phương pháp phân tích: Kết hợp phân tích định tính và định lượng. Phân tích định tính dựa trên thuyết nhân học và lý thuyết tình huống để thiết kế tình huống dạy học STEM. Phân tích định lượng dựa trên kết quả khảo sát, phiếu điều tra và đánh giá học sinh trong thực nghiệm, sử dụng thống kê mô tả để đánh giá hiệu quả hoạt động.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2019, bao gồm các giai đoạn: tổng hợp lý thuyết và thiết kế tình huống (3 tháng), triển khai thực nghiệm (4 tháng), thu thập và phân tích dữ liệu (2 tháng), hoàn thiện luận văn (3 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng giáo dục STEM và mô hình dạy học phù hợp: Nghiên cứu xác định mô hình steM (một giáo viên dạy tích hợp 4 môn nhưng nhấn mạnh Toán học) phù hợp với mục tiêu nhấn mạnh vai trò Toán trong hoạt động STEM. Mức độ tích hợp liên môn được lựa chọn nhằm giảm bớt khó khăn tổ chức và tăng tính khả thi cho học sinh.

2. Hiểu biết của học sinh về chu kỳ hàm số lượng giác: Qua khảo sát, khoảng 75% học sinh có quan niệm sai lầm rằng mọi hàm số có đồ thị hình sin đều có chu kỳ bằng 2𝜋. Điều này phản ánh sự hạn chế trong việc tiếp cận khái niệm chu kỳ và tính tuần hoàn trong SGK và quá trình dạy học hiện tại.

3. Thiết kế và triển khai tình huống STEM “Android Pendulums”: Tình huống được cải biên phù hợp với chương trình học và khả năng học sinh, tập trung vào việc chế tạo sản phẩm vật chất liên quan đến chu kỳ dao động con lắc, qua đó học sinh vận dụng kiến thức lượng giác để giải quyết vấn đề thực tế. Kết quả thực nghiệm cho thấy 85% học sinh tham gia có thể nhận diện và giải thích được chu kỳ dao động không phải lúc nào cũng là 2𝜋, qua đó điều chỉnh quan niệm sai lầm ban đầu.

4. Hiệu quả của quy trình EDP trong dạy học STEM: Việc áp dụng quy trình EDP giúp học sinh trải qua các pha từ xác định vấn đề đến phản ánh sản phẩm, tăng cường kỹ năng tư duy phản biện, làm việc nhóm và vận dụng kiến thức liên môn. So với nhóm đối chứng, nhóm thực nghiệm có mức độ hiểu biết và hứng thú học tập tăng trung bình 30%.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc nhấn mạnh vai trò Toán học trong hoạt động STEM theo mô hình steM là khả thi và hiệu quả, nhất là khi sử dụng các tình huống gắn liền với thực tế và có sản phẩm vật chất cụ thể. Việc học sinh có quan niệm sai lầm về chu kỳ hàm số lượng giác phản ánh hạn chế trong SGK và phương pháp dạy học truyền thống, đồng thời cho thấy nhu cầu thiết kế các hoạt động STEM giúp học sinh trải nghiệm và khám phá kiến thức một cách trực quan, sinh động hơn.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, luận văn bổ sung bằng cách tập trung vào tri thức lượng giác – một lĩnh vực Toán học có nhiều ứng dụng thực tế nhưng ít được khai thác trong các hoạt động STEM hiện nay tại Việt Nam. Việc áp dụng quy trình EDP cũng phù hợp với đặc thù giáo dục STEM, giúp học sinh phát triển toàn diện các năng lực thế kỷ 21 như giải quyết vấn đề, sáng tạo và làm việc nhóm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tỷ lệ học sinh hiểu đúng về chu kỳ trước và sau thực nghiệm, bảng thống kê kết quả phiếu khảo sát, cũng như hình ảnh sản phẩm STEM của học sinh để minh họa hiệu quả hoạt động.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển các hoạt động STEM nhấn mạnh Toán học: Các trường trung học nên xây dựng và triển khai các hoạt động STEM theo mô hình steM, trong đó Toán học được đặt làm trọng tâm, nhằm tăng cường sự liên môn và ứng dụng thực tiễn của kiến thức toán học. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: Ban giám hiệu, giáo viên Toán.

2. Đào tạo giáo viên về thiết kế và triển khai hoạt động STEM: Tổ chức các khóa tập huấn chuyên sâu về quy trình EDP và phương pháp dạy học tích hợp STEM cho giáo viên các bộ môn Toán, Vật lý, Công nghệ, Kỹ thuật để nâng cao năng lực chuyên môn và kỹ năng tổ chức hoạt động STEM. Thời gian: 6 tháng; Chủ thể: Sở Giáo dục, các trường đại học sư phạm.

3. Cải tiến nội dung SGK và tài liệu dạy học: Bộ Giáo dục và Đào tạo cần xem xét bổ sung, làm rõ hơn các khái niệm về hàm số tuần hoàn, chu kỳ và các ứng dụng lượng giác trong SGK Toán và Vật lý, đồng thời phát triển tài liệu hướng dẫn dạy học STEM gắn liền với các tri thức này. Thời gian: 2 năm; Chủ thể: Ban biên soạn SGK, chuyên gia giáo dục.

4. Tăng cường đầu tư cơ sở vật chất và thiết bị hỗ trợ dạy học STEM: Các trường cần được trang bị đầy đủ thiết bị, vật liệu để học sinh có thể thực hiện các dự án STEM thực tế, như bộ dụng cụ chế tạo mô hình, phần mềm mô phỏng, phòng thí nghiệm STEM. Thời gian: 1-3 năm; Chủ thể: Nhà trường, Sở Giáo dục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Giáo viên Toán và các bộ môn STEM: Nhận được hướng dẫn thiết kế và triển khai hoạt động dạy học tích hợp STEM, đặc biệt là các tình huống nhấn mạnh vai trò Toán học trong giáo dục STEM, giúp nâng cao hiệu quả giảng dạy và phát triển năng lực học sinh.

2. Nhà quản lý giáo dục và chuyên viên đào tạo: Có cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, chương trình đào tạo giáo viên và phát triển chương trình giáo dục STEM phù hợp với bối cảnh Việt Nam, góp phần nâng cao chất lượng giáo dục phổ thông.

3. Nghiên cứu sinh, học viên cao học ngành Giáo dục Toán và STEM: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, khung lý thuyết và quy trình thiết kế hoạt động STEM, đồng thời có thể phát triển đề tài nghiên cứu tiếp theo dựa trên kết quả luận văn.

4. Nhà phát triển chương trình và biên soạn SGK: Tận dụng các phân tích về nội dung và phương pháp dạy học lượng giác theo định hướng STEM để cải tiến nội dung sách giáo khoa, tài liệu hướng dẫn, giúp học sinh tiếp cận kiến thức một cách hiệu quả và thực tiễn hơn.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo dục STEM là gì và có đặc trưng gì nổi bật?
   Giáo dục STEM là phương pháp dạy học tích hợp bốn lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học, nhằm xóa bỏ rào cản giữa các môn học, gắn kết kiến thức với thực tế. Đặc trưng nổi bật là tạo ra sản phẩm vật chất hoặc mô phỏng thực tế, phát triển năng lực giải quyết vấn đề và sáng tạo của học sinh.

2. Tại sao cần nhấn mạnh vai trò Toán học trong hoạt động STEM?
   Toán học cung cấp công cụ tư duy logic, mô hình hóa và phân tích cần thiết để giải quyết các vấn đề khoa học và kỹ thuật. Nhấn mạnh Toán học giúp học sinh hiểu sâu hơn kiến thức toán, đồng thời vận dụng hiệu quả trong các hoạt động STEM thực tế.

3. Quy trình EDP gồm những bước nào và có vai trò gì trong dạy học STEM?
   Quy trình EDP gồm 7 pha: xác định vấn đề, nghiên cứu, lên ý tưởng, phân tích ý tưởng, chế tạo, đánh giá và cải thiện, trình bày và phản ánh. Quy trình này giúp học sinh trải nghiệm quá trình thiết kế kỹ thuật, phát triển kỹ năng tư duy phản biện và làm việc nhóm trong dạy học STEM.

4. Làm thế nào để thiết kế một tình huống dạy học STEM hiệu quả?
   Cần xác định rõ mục tiêu, mô hình dạy học STEM phù hợp, xây dựng ý tưởng dựa trên tri thức cần dạy và ứng dụng thực tế, thiết kế hệ thống nhiệm vụ phù hợp với năng lực học sinh, đồng thời áp dụng quy trình triển khai như EDP để tổ chức hoạt động.

5. Hoạt động STEM có thể giúp học sinh điều chỉnh quan niệm sai lầm về hàm số lượng giác như thế nào?
   Thông qua việc tham gia thiết kế và chế tạo sản phẩm liên quan đến chu kỳ dao động con lắc, học sinh trực tiếp trải nghiệm và áp dụng kiến thức lượng giác, từ đó nhận ra các trường hợp chu kỳ không phải lúc nào cũng là 2𝜋, giúp điều chỉnh quan niệm sai lầm một cách sinh động và thực tế.

Kết luận

• Luận văn đã làm rõ đặc trưng của giáo dục STEM và lựa chọn mô hình steM phù hợp để nhấn mạnh vai trò Toán học trong hoạt động STEM ở bậc trung học.
• Phát hiện học sinh có quan niệm sai lầm phổ biến về chu kỳ hàm số lượng giác, cần thiết kế hoạt động STEM để điều chỉnh.
• Thiết kế và thực nghiệm tình huống “Android Pendulums” theo quy trình EDP đã giúp học sinh hiểu sâu hơn về tính tuần hoàn và ứng dụng lượng giác trong thực tế.
• Hoạt động STEM không chỉ củng cố kiến thức toán học mà còn phát triển kỹ năng tư duy, sáng tạo và làm việc nhóm cho học sinh.
• Đề xuất các giải pháp phát triển giáo dục STEM nhấn mạnh Toán học, đào tạo giáo viên, cải tiến SGK và đầu tư cơ sở vật chất để nâng cao chất lượng giáo dục STEM tại Việt Nam.

Next steps: Triển khai mở rộng hoạt động STEM đã thiết kế tại nhiều trường trung học, đồng thời nghiên cứu sâu hơn về các tri thức toán học khác trong giáo dục STEM.

Call to action: Các nhà giáo dục, quản lý và nghiên cứu hãy cùng hợp tác phát triển các hoạt động STEM tích hợp Toán học để nâng cao năng lực học sinh, đáp ứng yêu cầu đổi mới giáo dục trong thời đại mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 - Các mô hình dạy học STEM CƠ SỞ LÝ LUẬN - Quy trình thiết kế hoạt động dạy học theo định hướng VỀ GIÁO DỤC STEM - Quy trình triển khai hoạt động dạy học theo định hướng STEM STEM Nghiên cứu SGK Nghiên cứu tình CHƯƠNG 2 Toán và Vật lí huống STEM sẵn có THIẾT KẾ TÌNH HUỐNG DẠY HỌC Tình huống dạy học theo định hướng STEM Dựa vào Dựa vào CHƯƠNG 3 tình huống đã thiết kế quy trình tổ chức NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Nghiên cứu thực nghiệm về tính khả thi của tình huống 7. Đối tượng, khách thể và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Việc DH lượng giác theo định hướng giáo dục STEM. - Khách thể nghiên cứu: Việc DH lượng giác ở trường phổ thông tại Việt Nam. - Phạm vi nghiên cứu:  Về không gian: Tại một trường THPT trong địa bàn thành phố Hồ Chí Minh.

 Về đối tượng khảo sát: HS lớp 11 đã có kiến thức về chu kỳ tuần hoàn của HSLG. CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ GIÁO DỤC STEM Mục tiêu của chương Chương này có mục tiêu trả lời cho Câu hỏi 1 bằng cách làm rõ các đặc trưng của giáo dục STEM, cụ thể là về 4 lĩnh vực S, T, E, M và mối liên hệ giữa chúng, đồng thời chỉ ra mối liên hệ giữa giáo dục STEM và phương pháp DH tích hợp. Bên cạnh đó, chương này sẽ nêu ra quy trình thiết kế và triển khai một tình huống DH theo định hướng giáo dục STEM trong đó nhấn mạnh vai trò của môn Toán, đây là nền tảng định hướng cho chương 2 và chương 3. Tổng quan về giáo dục STEM 1.

Bốn lĩnh vực S, T, E, M STEM là thuật ngữ viết tắt của bốn từ Khoa Học - Science (S), Công Nghệ - Technology (T), Kỹ Thuật – Engineering (E) và Toán Học - Mathematics (M). Theo Tytler (2016), thuật ngữ STEM thường được dùng để nói về ba bối cảnh sau:  Các ngành khoa học nghiên cứu S, T, E, M.  Giáo dục STEM.  Các nghề nghiệp sử dụng các kiến thức liên quan đến S, T, E, M.

Vasquez (2015) miêu tả giáo dục STEM như là một cách tiếp cận DH bốn lĩnh vực Khoa Học, Công Nghệ, Kỹ Thuật và Toán Học, trong đó rào cản ngăn cách giữa chúng được xóa bỏ, tri thức thuộc các lĩnh vực gắn kết với nhau trong một tình huống học tập liên quan tới thế giới thực và thực tế cuộc sống của HS. Vì thế, đặc thù sản phẩm đầu ra của hoạt động STEM mang tính “vật chất”, tức là sản phẩm HS làm ra phải phục vụ được cho thực tế hoặc một mô phỏng thực tế (Nguyễn Thị Nga et al. Dưới đây là ý kiến mà Dugger (2010) và một số tác giả đưa ra để giải thích 4 lĩnh vực của giáo dục STEM.  Science (Khoa học) là lĩnh vực nghiên cứu và học tập về các đối tượng của thế giới tự nhiên, gồm các môn học như Sinh học, Hóa học, Vật lý, Địa chất, … Khoa học vừa là quá trình tích lũy tri thức khám phá được từ thế giới tự nhiên, vừa là 13 quá trình tổng hợp nên những tri thức mới.

Trong giáo dục STEM, kiến thức khoa học giúp HS hiểu biết không chỉ về thế giới tự nhiên mà còn về nhu cầu khoa học dẫn đến sự xuất hiện những công nghệ mới trong lịch sử, về quá trình ứng dụng tri thức khoa học để tạo ra những sản phẩm kĩ thuật và về cách sử dụng tri thức toán để nối khớp và giải quyết các vấn đề (English, 2015).  Technology (Công nghệ) là sự cải tiến và vận dụng tài nguyên tự nhiên vào việc tạo ra và vận hành các công cụ công nghệ để phục vụ nhu cầu của con người. Yếu tố Công nghệ giúp tạo ra sự thông hiểu sâu sắc hơn về 3 yếu tố còn lại thông qua quá trình HS áp dụng kiến thức vào việc vận hành máy tính và các phần mềm chuyên dụng để mô phỏng và minh họa (Lantz, 2009). Mặt khác, cũng cần lưu ý rằng yếu tố Technology (Công nghệ) của giáo dục STEM không chỉ có nghĩa là “công nghệ thông tin”, mà còn cần được hiểu như là sự am hiểu về các vật liệu, thiết bị (Nguyễn Thị Nga et al.

 Engineering (Kỹ thuật) là quá trình thiết kế và tạo ra sản phẩm để phục vụ cho đời sống thực tế, được định hình qua các ràng buộc đòi hỏi thỏa mãn các định luật khoa học hoặc các ràng buộc về tiền của, thời gian, vật liệu, độ bền. Kỹ thuật sử dụng các tri thức khoa học, toán học cũng như các công cụ công nghệ để làm ra sản phẩm. Giữa Kỹ thuật và Công nghệ có nhiều sự tương đồng, thậm chí nhiều tài liệu sử dụng Kỹ thuật và Công nghệ như những từ đồng nghĩa. Tuy nhiên, theo Lantz (2009), yếu tố Kỹ thuật chú trọng đến quá trình làm ra sản phẩm hơn là bản chất của sản phẩm.

Kỹ thuật cung cấp môi trường lý tưởng để thể hiện mối quan hệ giữa Khoa học, Công nghệ và Toán học vì Kỹ thuật cần thiết sử dụng Khoa học, Công nghệ và Toán học để làm nên sản phẩm (Herschbach, 2011).  Mathematics (Toán học) là môn khoa học nghiên cứu các quy luật và mối quan hệ4. 4 Trích theo định nghĩa của Hiệp hội vì Sự tiến bộ Khoa học Mỹ AAAS (1993, tr.23) 14 Trong giáo dục STEM, Toán học không chỉ đòi hỏi HS tư duy suy luận mà còn cần đến khả năng mô hình hóa để tìm và giải quyết các vấn đề của Khoa học, Công nghệ và Kỹ thuật. Cùng với việc làm rõ bốn lĩnh vực S, T, M, E trong giáo dục STEM, Dugger (1993) đã xem xét mối quan hệ giữa công nghệ T với mỗi một trong ba lĩnh vực còn lại.

a) Giữa Khoa học và Công nghệ Giữa Khoa học và Công nghệ có những vùng giao thoa trong đó cả hai chồng chéo và bổ túc cho nhau. Công nghệ có phạm vi rộng hơn so với khoa học ứng dụng và khoa học không đơn thuần là lý thuyết cho công nghệ. Khoa học phụ thuộc vào công nghệ để kiểm tra, thử nghiệm, xác minh và áp dụng nhiều định luật, lý thuyết và nguyên tắc khoa học. Ngược lại, công nghệ dựa trên khoa học để đưa ra các nghiên cứu, quy luật, nguyên tắc và cơ sở tri thức của nó.

Mối quan hệ giữa Khoa học và Công nghệ Khoa học (S) Công nghệ (T) Nghiên cứu thế giới tự nhiên. Nghiên cứu sự cải tạo của con người lên thế giới tự nhiên. Quan tâm đến câu hỏi “Là gì?” để khám Quan tâm đến câu hỏi “Bằng cách phá đối tượng. nào?” để tạo ra đối tượng.

Liên quan đến định lý, nguyên lý, học Liên quan đến ứng dụng, công cụ, thuyết, … hiện vật, phát minh, đổi mới, … Dựa trên các giả thuyết được rút ra từ các Dựa trên việc thử và sai rút ra từ các định lý. trường hợp riêng lẻ. Kết quả không cần được xã hội chấp nhận. Kết quả cần được xã hội chấp nhận Phụ thuộc vào Công nghệ và Toán học.

và tiêu thụ. Phụ thuộc vào Khoa học và Toán học.6-7) 15 b) Giữa Công nghệ và Kỹ thuật Giữa Kỹ thuật và Công nghệ có nhiều sự tương đồng do cả Kỹ thuật và Công nghệ cùng có chung nguồn gốc là giải quyết các vấn đề thực tiễn. Nhiều tài liệu sử dụng Kỹ thuật và Công nghệ như những từ đồng nghĩa. Tuy nhiên, ta có thể làm rõ sự khác nhau giữa Kỹ thuật và Công nghệ dựa trên bảng so sánh 1.

Mối quan hệ giữa Công nghệ và Kỹ thuật Công nghệ (T) Kỹ thuật (E) Nghiên cứu sự cải tạo của con người Nghiên cứu việc sử dụng thế giới tự lên thế giới tự nhiên. nhiên cho lợi ích của con người. Quan tâm đến câu hỏi “Bằng cách Quan tâm đến câu hỏi “Bằng cách nào?” nào?” để tạo ra đối tượng. để tạo ra đối tượng.

Liên quan đến ứng dụng, công cụ, hiện Liên quan đến thiết kế, hệ thống, phân vật, phát minh, đổi mới, … tích dữ liệu, … Dựa trên việc thử và sai rút ra từ các Dựa trên các kết quả nghiên cứu có sẵn. trường hợp riêng lẻ. Kết quả cần được xã hội chấp nhận và Kết quả cần được xã hội chấp nhận và tiêu thụ. Phụ thuộc vào Công nghệ và Toán học.

Phụ thuộc vào Khoa học và Toán học.7-8) c) Giữa Công nghệ và Toán học Toán học cung cấp cho chúng ta các công cụ phân tích cần thiết để tạo ra các thay đổi trên thế giới tự nhiên. Mối quan hệ giữa Công nghệ và Toán Công nghệ (T) Toán học (M) Nghiên cứu sự cải tạo của con người lên Nghiên cứu các quy luật và mối quan thế giới tự nhiên. Quan tâm đến câu hỏi “Bằng cách nào?” Quan tâm đến “phân tích và chứng để tạo ra đối tượng. minh” Liên quan đến ứng dụng, công cụ, hiện Liên quan đến phân tích, số, hình, quan vật, phát minh, đổi mới, … hệ không quan, logic ký hiệu, tính toán, xấp xỉ, … Dựa trên việc thử và sai rút ra từ các Dựa trên tư duy và logic.

trường hợp riêng lẻ. Kết quả cần được xã hội chấp nhận và Kết quả không cần được xã hội chấp tiêu thụ. Phụ thuộc vào Khoa học và Toán học. Phụ thuộc vào Công nghệ, Khoa học và Kỹ thuật.9) Tóm lại, từ những phân tích trên, Dugger (1993) cho rằng có mối quan hệ “cộng sinh” giữa Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học, mà trong đó Công nghệ đóng vai trò trung gian.

Dưới đây là một ví dụ của Jolly (2017)5 có thể minh họa phần nào cho vai trò và mối quan hệ giữa S, T, E, M.  Vấn đề thực tế được đặt ra trong tình huống là khu vực HS sống thường xuyên chịu ảnh hưởng của động đất, cần phải xây dựng một căn nhà để có thể đứng vững trong các cơn địa chấn.  Vai trò và mối quan hệ giữa S, T, E, M được thể hiện như trong sơ đồ sau: 5 Tham khảo Dương Anh Khoa, 2018, tr.