Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế toàn cầu hóa và chuyển đổi số, nền giáo dục Việt Nam đã có sự chuyển mình căn bản với việc ban hành và triển khai Chương trình giáo dục phổ thông (CT GDPT) 2018. Khác với chương trình trước đây vốn nặng về truyền thụ kiến thức và kỹ năng tính toán thuần túy, CT GDPT 2018 đặt trọng tâm vào định hướng phát triển phẩm chất và năng lực của người học, đặc biệt đề cao yêu cầu vận dụng tri thức toán học vào việc giải quyết các vấn đề phát sinh trong thực tiễn đời sống.

Mặc dù các bộ sách giáo khoa mới biên soạn theo chương trình mới (như Chân trời sáng tạo, Kết nối tri thức, Cánh diều) và kế hoạch bài dạy theo Công văn 5512/BGDĐT-GDTrH đã tích hợp nhiều bài toán thực tế, nhưng phần lớn các tình huống đưa vào giảng dạy hiện nay vẫn chỉ dừng lại ở dạng bài toán có lời văn (cấp độ 1) hoặc bài toán ứng dụng chuẩn (cấp độ 2). Những bài toán này thường mang tính áp đặt cấu trúc toán học có sẵn với dữ liệu giả định, chưa đặt học sinh vào bối cảnh thực tế mở để rèn luyện trọn vẹn quy trình mô hình hóa. Từ thực trạng đó, khóa luận tốt nghiệp "Mức độ xác thực của các bài toán thực tiễn trong dạy học Toán" được sinh viên Mai Thị Thảo Nguyên thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Lê Thái Bảo Thiên Trung tại Khoa Toán - Tin học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 04 năm 2024).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu lý luận về năng lực mô hình hóa toán học và các cấp độ xác thực của bài toán thực tế trong khuôn khổ CT GDPT 2018 môn Toán.
  2. Nghiên cứu nội dung các mạch kiến thức Số, Đại số và một số yếu tố giải tích, Hình học và Đo lường, Thống kê và Xác suất cấp Trung học phổ thông (THPT) gắn với yêu cầu cần đạt về hoạt động thực hành, trải nghiệm.
  3. Xây dựng một hệ thống các nhiệm vụ học tập đạt mức độ xác thực cao (mức độ 3 - mô hình hóa thực) thuộc chương trình Toán lớp 10 và lớp 11.
  4. Triển khai thực nghiệm sư phạm nhằm đánh giá định tính và định lượng sự phát triển các năng lực thành phần của mô hình hóa toán học cũng như thái độ học tập của học sinh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hoạt động dạy học các mạch kiến thức Số, đại số, hình học và đo lường, xác suất và thống kê ở cấp THPT thông qua việc khai thác bài toán thực tiễn theo các mức độ xác thực.
  • Phạm vi nội dung: Các tình huống thực tiễn và hoạt động trải nghiệm thuộc chương trình môn Toán lớp 10 và 11 trong CT GDPT 2018.
  • Phạm vi không gian và đối tượng khảo sát: Học sinh lớp 10A2, Trường THPT Tenloman, Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thiết lập nền tảng lý luận dựa trên các công trình nghiên cứu chuyên sâu về giáo dục toán học trong và ngoài nước:

  • Khái niệm mô hình và mô hình hóa toán học: Tác giả dẫn chiếu định nghĩa của Swetz & Hartzler (1991), Lê Thị Hoài Châu (2014) và Tạ Thị Minh Phương (2020), xác định mô hình hóa toán học là quá trình chuyển đổi tình huống trong thế giới thực sang vấn đề toán học, thiết lập mô hình, giải quyết bài toán và kiểm định lời giải trong ngữ cảnh thực tế.
  • Quy trình mô hình hóa toán học: Áp dụng quy trình 4 bước của Lê Thị Hoài Châu (2014) và sơ đồ tiến trình của Coulange (1997), gồm: (1) Xây dựng mô hình phỏng thực tiễn; (2) Xây dựng mô hình toán học; (3) Hoạt động toán học trong mô hình; (4) Phân tích và kiểm định lại kết quả đối chiếu với thực tiễn.
  • Cấu trúc năng lực mô hình hóa toán học: Tiếp cận quan điểm phân tích của Blum, Galbraith, Henn & Niss (2007), Kaiser (2007), Maaß (2006) và khung tiêu chí của Lê Thị Hoài Châu (2019) với các năng lực thành phần: Đơn giản hóa, Toán học hóa, Thao tác toán học, Diễn giải/Phiên dịch kết quả, Đánh giá và hiệu chỉnh mô hình.
  • Khái niệm và cấp độ của nhiệm vụ xác thực (authenticity of tasks): Tổng hợp quan điểm của Niss (1992), Vos (2011), Galbraith (2013), Newmann và cộng sự (1995), OECD (2001). Căn cứ theo phân loại của Niss, Blum & Galbraith (2007) và Tran & Dougherty (2014), khóa luận hệ thống hóa 3 cấp độ xác thực:
Cấp độ xác thực Tên gọi Đặc điểm bản chất
Cấp độ 1 Bài toán có lời văn (Word problems) Bài toán toán học thuần túy được phủ lớp vỏ ngôn từ thực tế; cấu trúc toán học định sẵn.
Cấp độ 2 Ứng dụng chuẩn (Standard applications) Bối cảnh gần gũi với thực tế hơn; cấu trúc toán học tương đối tường minh, phương pháp giải chuẩn mực.
Cấp độ 3 Mô hình hóa thực (True modeling problems) Tình huống thực tiễn mở hoàn toàn; học sinh tự xây dựng giả định, thu thập dữ liệu, chọn mô hình và đánh giá sai số.
  • Dạy học dự án: Phân tích quy trình 3 giai đoạn (Chuẩn bị dự án, Thực hiện dự án, Báo cáo và đánh giá) và chỉ ra mối tương quan chặt chẽ giữa dạy học dự án với việc giải quyết các nhiệm vụ xác thực cấp độ 3.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được thực hiện qua hai nhánh:

  1. Phương pháp nghiên cứu lý luận và phân tích tài liệu: Đọc, phân tích Chương trình GDPT môn Toán 2018; phân tích hệ thống ví dụ, bài tập trong các bộ sách giáo khoa THPT (chủ đạo là bộ Chân trời sáng tạo); khảo cứu các bài báo khoa học về bài toán xác thực.
  2. Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Thiết kế giáo án, tổ chức dạy học thực nghiệm tại trường phổ thông; thực hiện phân tích tiên nghiệm (dự kiến tình huống, giải pháp, khó khăn của học sinh) và phân tích hậu nghiệm (phân tích định lượng số liệu đánh giá năng lực, phân tích định tính phiếu học tập, biên bản làm việc nhóm và bài thu hoạch).

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Cơ sở lý luận và thực tiễn

Chương I tập trung làm rõ các khái niệm nền tảng về mô hình hóa toán học, nhiệm vụ xác thực và định hướng phát triển năng lực toán học trong CT GDPT 2018. Tác giả chỉ ra rằng dạy học mô hình hóa giúp học sinh nhận thấy giá trị thực tiễn của toán học, song nếu chỉ áp dụng tri thức đã học một cách thụ động thì học sinh sẽ gặp khó khăn khi đối diện với tình huống thực tế ngoài phạm vi bài học.

Khóa luận phân tích cấu trúc môn Toán theo 3 mạch kiến thức (Số, Đại số và Một số yếu tố giải tích; Hình học và Đo lường; Thống kê và Xác suất) cùng 5 năng lực cốt lõi (tư duy và lập luận, mô hình hóa, giải quyết vấn đề, giao tiếp, sử dụng công cụ/phương tiện học toán). Tác giả tiến hành mổ xẻ các ví dụ cụ thể từ bộ SGK Chân trời sáng tạo để làm rõ 3 cấp độ xác thực trong thực tế biên soạn:

  • Ví dụ cấp độ 1: Bài toán lớp 11 tính nhiệt độ ngoài trời thấp nhất trong ngày theo hàm số lượng giác $h(t) = 29 + 3\sin\left[\frac{\pi}{12}(t-9)\right]$ — học sinh chỉ cần giải bài toán tìm giá trị nhỏ nhất của hàm số theo công thức có sẵn.
  • Ví dụ cấp độ 2: Bài toán lớp 10 xác định độ dài dây an toàn khi nhảy bungee dựa trên nhịp cầu hình parabol — bài toán gắn với hình vẽ trực quan và số liệu cụ thể nhưng phương pháp đặt trục tọa độ và tìm phương trình parabol đã được định hướng chuẩn.
  • Ví dụ cấp độ 3: Hoạt động trải nghiệm lớp 11 vận dụng công thức cấp số nhân $P(n) = A(1 + a%)^n$ để thu thập dữ liệu, lập bảng thống kê và vẽ biểu đồ đoạn thẳng dự báo quy mô dân số Thành phố Hồ Chí Minh và Việt Nam giai đoạn 2023–2030.

Chương II: Xây dựng và phân tích một số nhiệm vụ xác thực

Dựa trên yêu cầu cần đạt của CT GDPT 2018, chương này xây dựng 4 nhiệm vụ xác thực ở cấp độ 3 (mô hình hóa thực) dành cho học sinh THPT:

Nhiệm vụ Mạch kiến thức & Vị trí bài học Thời lượng & Cấu trúc hoạt động Mục tiêu và nội dung cốt lõi
Nhiệm vụ 1 Hình học 11 (Chương VIII: Quan hệ vuông góc trong không gian) 45 phút (HĐ1: 15 phút, HĐ2: 30 phút) Thực hành ngoài trời: Dựng cọc thẳng vuông góc với mặt đất, xác định hình chiếu vuông góc của tia sáng mặt trời, đo độ dài cọc và bóng cọc bằng thước dây, tính góc bằng tỉ số lượng giác $\tan$.
Nhiệm vụ 2 Xác suất 10 (Chương X: Xác suất) 45 phút (HĐ1: 20 phút, HĐ2: 25 phút) Thực hành trải nghiệm phương pháp đánh dấu và bắt lại (phương pháp Petersen) trên túi hạt: Lấy mẫu $M$ hạt đánh dấu rồi thả lại, rút mẫu $n$ hạt đếm số hạt có dấu $k$, ước tính tổng thể $N \approx \frac{M \cdot n}{k}$; lặp lại với các cỡ mẫu $0,5$ cốc, $1$ cốc, $1,5$ cốc hạt để đánh giá sai số tuyệt đối và sai số tương đối.
Nhiệm vụ 3 Đại số 10 (Chương IX: Phương pháp tọa độ trong mặt phẳng) 2 hoạt động (HĐ1: 45 phút, HĐ2: dự án) Dự án ứng dụng phần mềm GeoGebra: Chuyển đổi dữ liệu thống kê dạng bảng (dự báo thời tiết nhiệt độ các ngày, tốc độ gia tăng dân số) thành tập hợp điểm trên mặt phẳng tọa độ và khớp mô hình hàm số bậc nhất, bậc hai.
Nhiệm vụ 4 Thống kê 10 (Chương Thống kê) 90 phút (HĐ1: 20 phút, HĐ2: 70 phút) Dự án điều tra thực tế: Thu thập, phân tích và xử lý dữ liệu thống kê về thói quen và thực trạng sử dụng mạng xã hội của học sinh THPT.

Chương III: Thực nghiệm sư phạm

Chương III trình bày quá trình và kết quả thực nghiệm sư phạm tại lớp 10A2 Trường THPT Tenloman, Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh, do sinh viên thực hiện dưới sự hỗ trợ chuyên môn của giáo viên hướng dẫn tại trường (cô Trần Huỳnh Anh).

Tiến trình thực nghiệm được cấu trúc theo 5 pha tương ứng với các năng lực thành phần của mô hình hóa toán học:

  • Pha 1 (Hiểu mô hình thực tế): Giáo viên hướng dẫn học sinh tiếp nhận tình huống, hoạt động cá nhân và nhóm để đơn giản hóa giả thiết, xác định mục tiêu đo đạc/ước lượng.
  • Pha 2 (Xây dựng mô hình toán học): Học sinh xác định các biến số, tham số, thiết lập hệ thức toán học (như công thức tỉ số lượng giác hoặc công thức xác suất Petersen).
  • Pha 3 (Giải quyết vấn đề toán học): Thực hiện tính toán cụ thể từ số liệu thu thập được từ thực nghiệm đo đạc hoặc rút mẫu thực tế.
  • Pha 4 (Phiên dịch kết quả): Liên hệ kết quả tính toán số học trở lại ngữ cảnh thực tế của bài toán.
  • Pha 5 (Đánh giá và hiệu chỉnh mô hình): Phân tích sai số, xem xét giới hạn của mô hình và đề xuất giải pháp cải tiến (ví dụ: việc tăng cỡ mẫu thử nghiệm giúp giảm sai số xấp xỉ).

Tác giả phân tích chi tiết dữ liệu thực nghiệm qua hình ảnh hoạt động, bài làm cá nhân (học sinh Thắng, Thuận, Ngô Cẩm Tú, Phạm Hà Thiên Phúc) và sản phẩm thảo luận của 4 nhóm học sinh qua từng pha. Kết quả chỉ ra học sinh chuyển biến rõ nét từ việc bỡ ngỡ ban đầu sang chủ động tranh luận, biết cách xử lý dữ liệu thực nghiệm có sai số và hoàn thành bài thu hoạch đạt yêu cầu.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả khoa học và số liệu thực nghiệm: Khóa luận đã hệ thống hóa được khung lý luận về nhiệm vụ xác thực, xây dựng hoàn chỉnh 4 kịch bản dạy học trải nghiệm cấp độ 3 và bộ công cụ đánh giá năng lực mô hình hóa theo 5 pha. Thực nghiệm trên lớp 10A2 THPT Tenloman chứng minh học sinh có khả năng tự lực thiết lập quy trình giải quyết vấn đề thực tế (như công thức ước tính $N \approx \frac{M \cdot n}{k}$ trong phương pháp Petersen hay đo góc nghiêng ánh sáng mặt trời), đồng thời kiểm chứng thực nghiệm quy luật cỡ mẫu càng lớn thì sai số tương đối càng giảm.
  • Giải pháp và khuyến nghị sư phạm:
    • Giáo viên cần chủ động chuyển đổi từ các bài toán có lời văn mang tính giả tạo sang các nhiệm vụ xác thực cấp độ 2 và cấp độ 3, đặt học sinh vào vai trò người giải quyết vấn đề thực tế.
    • Cần kết hợp linh hoạt giữa phương pháp dạy học dự án và dạy học mô hình hóa, tận dụng công cụ kỹ thuật số (phần mềm GeoGebra, máy tính cầm tay, bảng tính) để giảm nhẹ gánh nặng tính toán thuần túy và nâng cao khả năng trực quan hóa dữ liệu.
    • Kế hoạch dạy học cần được tổ chức mềm dẻo về thời gian, kết hợp hoạt động nội khóa với hoạt động ngoài trời và tự học nhóm để đảm bảo học sinh trải nghiệm đủ 4 bước của chu trình mô hình hóa.
  • Đóng góp của đề tài: Cung cấp một nghiên cứu thực chứng cụ thể về việc triển khai các nhiệm vụ xác thực cấp độ cao trong môn Toán theo CT GDPT 2018 tại trường THPT; đóng góp bộ tư liệu thiết kế bài học thực nghiệm có tính ứng dụng trực tiếp cho giáo viên toán phổ thông.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Khóa luận thực hiện thực nghiệm sư phạm trong phạm vi hạn chế tại một lớp học (lớp 10A2) thuộc một trường THPT (Trường THPT Tenloman, Quận 1, TP.HCM) với thời lượng quan sát thực tế ngắn; chưa triển khai thực nghiệm đối chứng đa dạng trên nhiều nhóm đối tượng học sinh có điều kiện học tập và học lực khác nhau.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng thiết kế hệ thống nhiệm vụ xác thực cho toàn bộ các khối lớp THPT (lớp 10, 11 và 12) theo tất cả các chuyên đề học tập; mở rộng phạm vi thực nghiệm sư phạm sang nhiều địa bàn trường học khác nhau để kiểm chứng tính khả thi và hoàn thiện thang đo đánh giá năng lực mô hình hóa toán học.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là nguồn tài liệu hữu ích cho nhiều đối tượng trong nghiên cứu và thực hành giáo dục toán học:

Đối tượng Nội dung giá trị tham khảo
Giáo viên Toán THPT - Kịch bản 4 hoạt động trải nghiệm thực tế (đo góc tia sáng, phương pháp Petersen, dự án GeoGebra, thống kê mạng xã hội).
- Thang tiêu chí và biểu hiện đánh giá năng lực mô hình hóa toán học theo 5 pha.
Sinh viên ngành Sư phạm Toán - Cơ sở lý thuyết về bài toán xác thực và quy trình mô hình hóa 4 bước.
- Kỹ thuật phân tích tiên nghiệm, hậu nghiệm và cách thức biên soạn bài học trải nghiệm đáp ứng CT GDPT 2018.
Cán bộ nghiên cứu & Học viên cao học chuyên ngành Lý luận và PPDH Toán - Khung tham chiếu so sánh giữa các cấp độ bài toán thực tiễn (Niss, Blum, Galbraith, Tran & Dougherty).
- Phương pháp luận kết hợp giữa dạy học dự án và phát triển năng lực mô hình hóa trong bối cảnh đổi mới giáo dục tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận phân biệt 3 cấp độ của nhiệm vụ xác thực dựa trên những tiêu chí nào?
Khóa luận dựa trên nghiên cứu của Niss, Blum, Galbraith (2007) và Tran & Dougherty (2014) để phân loại: Cấp độ 1 (Bài toán có lời văn) chỉ là toán học thuần túy khoác áo thực tế với cách giải áp đặt; Cấp độ 2 (Ứng dụng chuẩn) có bối cảnh và số liệu gần thực tế hơn nhưng thuật toán và mô hình đã quen thuộc; Cấp độ 3 (Mô hình hóa thực) đòi hỏi học sinh tự trải qua toàn bộ chu trình mô hình hóa từ câu hỏi mở ban đầu đến xây dựng mô hình, tính toán, giải thích và kiểm định sai số thực tế.

2. Quy trình mô hình hóa toán học được tác giả áp dụng gồm những bước cụ thể nào?
Tác giả lựa chọn quy trình 4 bước của Lê Thị Hoài Châu (2014) kết hợp sơ đồ Coulange (1997): Bước 1 - Xây dựng mô hình phỏng thực tiễn (rút gọn hệ thống, giữ lại thông tin xác đáng); Bước 2 - Xây dựng mô hình toán học (chuyển mô hình trung gian thành ngôn ngữ, phương trình, hàm số toán học); Bước 3 - Hoạt động toán học trong mô hình (sử dụng công cụ toán học để giải); Bước 4 - Phân tích và kiểm định lại kết quả trong ngữ cảnh thực tiễn ban đầu.

3. Trong Nhiệm vụ xác thực thứ hai, phương pháp Petersen được vận dụng như thế nào?
Học sinh sử dụng phương pháp đánh dấu và bắt lại (Petersen) để ước tính số hạt trong túi. Quy trình gồm: lấy mẫu $M$ hạt đánh dấu rồi thả lại túi xáo đều; sau đó rút ngẫu nhiên mẫu $n$ hạt và đếm $k$ hạt có dấu. Dựa vào xác suất $P(A) = \frac{M}{N} \approx \frac{k}{n}$, học sinh suy ra công thức ước tính tổng số hạt trong túi là $N \approx \frac{M \cdot n}{k}$, đồng thời rút các cỡ mẫu tăng dần ($0,5$ cốc, $1$ cốc, $1,5$ cốc) để đánh giá sự suy giảm của sai số tương đối.

4. Địa bàn và đối tượng thực nghiệm sư phạm của khóa luận được tiến hành ở đâu?
Thực nghiệm sư phạm được tiến hành tại lớp 10A2, Trường THPT Tenloman, Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn chuyên môn của giáo viên bộ môn tại trường là cô Trần Huỳnh Anh và giảng viên hướng dẫn khoa học PGS. Lê Thái Bảo Thiên Trung.

5. Khóa luận đã minh họa bài toán xác thực cấp độ 3 trong SGK Chân trời sáng tạo bằng nội dung nào?
Khóa luận phân tích Hoạt động thực hành và trải nghiệm Bài 2 thuộc chương trình Toán 11 (Chân trời sáng tạo): Ứng dụng công thức cấp số nhân $P(n) = A(1 + a%)^n$ để tra cứu số liệu dân số thực tế của TP.HCM năm 2023 ($8,90$ triệu người), tính toán dự báo dân số từng năm đến năm 2030, lập bảng thống kê và vẽ biểu đồ đoạn thẳng biểu diễn dữ liệu dự báo.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Mai Thị Thảo Nguyên đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu thông qua việc hệ thống hóa cơ sở lý luận về bài toán xác thực và năng lực mô hình hóa toán học trong CT GDPT 2018 môn Toán. Đề tài đã thiết kế thành công 4 nhiệm vụ thực hành trải nghiệm ở mức độ xác thực cao nhất (mô hình hóa thực) thuộc các mạch kiến thức hình học, đại số, xác suất và thống kê cấp THPT. Kết quả thực nghiệm sư phạm tại Trường THPT Tenloman (TP.HCM) khẳng định tính khả thi của các nhiệm vụ thiết kế, minh chứng khả năng thúc đẩy năng lực mô hình hóa toán học và tạo lập thái độ học tập tích cực cho học sinh khi giải quyết các vấn đề thực tiễn.