Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong bối cảnh của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, sự gia tăng nhanh chóng của khối lượng tri thức khoa học đòi hỏi giáo dục phải chuyển dịch mạnh mẽ từ phương pháp tiếp cận nội dung truyền thống sang mô hình phát triển phẩm chất và năng lực người học. Định hướng này được khẳng định trong Nghị quyết số 29-NQ/TW của Ban Chấp hành Trung ương Đảng khóa XI về đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo, cũng như được cụ thể hóa trong Chương trình Giáo dục phổ thông mới ban hành kèm theo Thông tư số 32/2018/TT-BGDĐT ngày 26 tháng 12 năm 2018 của Bộ Giáo dục và Đào tạo.
Theo chương trình giáo dục phổ thông, môn Vật lí giữ vai trò quan trọng nhờ tính tương tác và khả năng ứng dụng thực tiễn cao. Năng lực vật lí của học sinh được cấu thành từ các biểu hiện cốt lõi:
- Nắm vững kiến thức, kĩ năng phổ thông cốt lõi về mô hình hệ vật, năng lượng và sóng, lực và trường.
- Vận dụng kĩ năng tiến trình khoa học để khám phá, giải quyết vấn đề dưới góc độ vật lí.
- Vận dụng kiến thức, kĩ năng vào đời sống thực tiễn, gắn liền với yêu cầu phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.
- Nhận biết năng lực, sở trường của bản thân nhằm định hướng nghề nghiệp và xây dựng kế hoạch học tập phù hợp.
Khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu xây dựng quy trình giúp học sinh sáng tạo bài toán mới theo hướng phát triển năng lực người học trong môn Vật lí phổ thông" do sinh viên Nguyễn Thị Dung thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Chu Văn Biên tại Trường Đại học Hồng Đức (tháng 05/2019) tập trung giải quyết yêu cầu đổi mới phương pháp dạy học thông qua bài toán Vật lí. Tính cần thiết của đề tài xuất phát từ ba lý do: quy trình giúp học sinh sáng tạo bài toán mới hỗ trợ bao quát phạm vi xây dựng kiến thức; đòi hỏi một nhãn quan khái quát để học sinh chuyển hóa kiến thức đã học vào thực tiễn tạo ra sản phẩm mới; đồng thời giúp học sinh nhìn nhận mối liên hệ giữa các mảng kiến thức và tập trung rèn luyện các kĩ năng chủ yếu.
Tác giả xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:
Mục tiêu nghiên cứu:
- Xây dựng quy trình "giúp học sinh sáng tạo bài toán mới" theo hướng phát triển năng lực người học.
- Xây dựng hệ thống các vấn đề thực tiễn điển hình liên quan đến kiến thức trong chương trình cơ học để vận dụng vào quy trình.
Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý luận và điều tra khảo sát thực tế để rút ra kết luận về việc sử dụng bài toán và phương pháp sử dụng bài toán Vật lí trong dạy học.
- Xác định mục tiêu của dạy học Vật lí ở trường phổ thông theo định hướng phát triển năng lực.
- Xây dựng quy trình sáng tạo bài toán mới để dạy học môn Vật lí ở trường phổ thông.
- Xây dựng kế hoạch thực nghiệm và tổ chức thực nghiệm sư phạm nhằm kiểm chứng tính khả thi của quy trình.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hoạt động dạy học Vật lí theo định hướng phát triển năng lực, quy trình hướng dẫn học sinh sáng tạo bài toán mới và hệ thống bài toán chương "Động lực học chất điểm" Vật lí 10 THPT.
- Khách thể và phạm vi: Giáo viên dạy giỏi và học sinh trung học phổ thông trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa, tiến hành trong năm học 2018 - 2019.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình tiếp cận
Nghiên cứu dựa trên cơ sở lý luận về đổi mới phương pháp dạy học và kiểm tra đánh giá theo định hướng phát triển năng lực. Tác giả tham khảo kinh nghiệm xây dựng chuẩn năng lực môn Vật lí từ các nền giáo dục quốc tế:
- Chương trình Vật lí của Đức: Cấu trúc thành 4 nhóm năng lực thành phần gồm: huy động kiến thức Vật lí, phương pháp nhận thức Vật lí, trao đổi thông tin Vật lí và đánh giá.
- Chương trình ACARA của Úc: Tiếp cận theo hướng cụ thể hóa các năng lực chung thành các chỉ số hành vi trong môi trường môn Vật lí.
- Mô hình của Mỹ và Singapore: Tập trung phát triển năng lực khoa học thông qua 7 thành tố: đặt câu hỏi và xác định vấn đề; phát triển và sử dụng mô hình; lập kế hoạch và tiến hành khảo sát; phân tích và trình bày số liệu; sử dụng tư duy toán học; xây dựng lời giải và thiết kế giải pháp; thu thập, đánh giá và trao đổi thông tin.
Trên cơ sở đó, tác giả xây dựng khung năng lực sử dụng bài toán để dạy học Vật lí gồm 3 hợp phần chính:
| Hợp phần | Thành tố | Chỉ số hành vi |
|---|---|---|
| 1. Nghiên cứu lý thuyết | Xác định giới hạn nội dung kiến thức, hệ thống bài toán hiện có và mục đích sử dụng bài toán. | - Xác định được kiến thức liên quan. - Chỉ ra được hạn chế của hệ thống bài toán hiện có. - Xác định rõ mục đích sử dụng. |
| 2. Thực hành, thực nghiệm | - Lựa chọn và xây dựng hệ thống bài toán. - Soạn thảo tiến trình dạy học bài toán. - Vận dụng tiến trình vào thực tế. |
- Xây dựng hệ thống bài toán phù hợp về số lượng và phân loại. - Soạn thảo tiến trình dạy học hoàn chỉnh. - Thực hiện tiến trình trong bài dạy thực tế. |
| 3. Trao đổi và bảo vệ | Đề xuất ứng dụng hệ thống bài toán trong dạy học. | - Đề xuất giải pháp và biện pháp nâng cao hiệu quả. - Xác định phản ứng của giáo viên và học sinh đối với hệ thống bài toán. |
Mỗi chỉ số hành vi được lượng hóa qua 4 mức độ chất lượng (Mức 0: Không có; Mức 1: Chưa đầy đủ; Mức 2: Cần bổ sung; Mức 3: Đầy đủ), đóng vai trò làm tiêu chí đánh giá chuẩn đầu ra.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý luận: Phân tích, tổng hợp các văn bản chỉ đạo của Bộ Giáo dục và Đào tạo, các tài liệu chuyên khảo về lý luận dạy học Vật lí, tài liệu về dạy học định hướng năng lực, dạy học giải quyết vấn đề, dạy học dự án và dạy học theo trạm.
- Phương pháp điều tra, khảo sát thực tế: Tìm hiểu thực trạng sử dụng bài toán và kinh nghiệm giảng dạy của đội ngũ giáo viên dạy giỏi môn Vật lí trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa.
- Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Thiết kế giáo án, tổ chức dạy học thực nghiệm có nhóm đối chứng (ĐC) và nhóm thực nghiệm (TN) nhằm thu thập dữ liệu định tính (quan sát hoạt động, mức độ thích ứng của học sinh) và định lượng (kết quả kiểm tra đánh giá theo ma trận nhận thức).
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Cơ sở lý luận và thực tiễn
Chương I tập trung làm rõ bản chất của quá trình đổi mới giáo dục phổ thông và vai trò của bài toán Vật lí trong việc hình thành phẩm chất, năng lực người học:
- Đổi mới đồng bộ các thành tố dạy học: Chuyển đổi căn bản từ truyền thụ tri thức một chiều sang tổ chức hoạt động tự lực của học sinh. Giáo viên đóng vai trò thiết kế, tổ chức, hướng dẫn; học sinh chủ động tìm tòi, thảo luận và tự chiếm lĩnh kiến thức.
- Đổi mới nội dung và phương pháp: Chuyển các nội dung học tập thành chuỗi chủ đề tích hợp gắn với thực tiễn; đẩy mạnh các phương pháp dạy học hiện đại như dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề (qua con đường lý thuyết hoặc con đường thực nghiệm), dạy học dự án, dạy học theo trạm (góc), và rèn luyện năng lực tự học.
- Đổi mới phương tiện dạy học và kiểm tra đánh giá: Kết hợp hài hòa giữa thí nghiệm thực (dụng cụ tiêu chuẩn và dụng cụ tự chế) với thí nghiệm mô phỏng, phần mềm dạy học và video; chuyển đổi kiểm tra đánh giá từ ghi nhớ kiến thức sang đánh giá năng lực vận dụng, kết hợp đánh giá quá trình với đánh giá định kỳ, kết hợp đánh giá của giáo viên với tự đánh giá và đánh giá đồng đẳng.
- Bản chất và chức năng của bài toán Vật lí (BTVL): BTVL được định nghĩa là một vấn đề đặt ra đòi hỏi phải giải quyết nhờ suy luận logic, các phép toán và thí nghiệm dựa trên định luật Vật lí. BTVL đóng 6 vai trò trọng yếu: phương tiện nghiên cứu kiến thức mới; rèn luyện khả năng liên hệ thực tiễn; bồi dưỡng tư duy khoa học độc lập; ôn tập củng cố hệ thống hóa tri thức; rèn luyện đức tính kiên nhẫn, cẩn thận; và là công cụ kiểm tra đánh giá chính xác.
- Xây dựng tiêu chí đánh giá năng lực: Thiết lập bảng chuẩn gồm 3 hợp phần và bảng tiêu chí đo lường 4 mức độ chất lượng nhằm làm công cụ định hướng hoạt động cho học sinh và đánh giá định lượng cho giáo viên.
Chương II: Nghiên cứu xây dựng quy trình giúp học sinh sáng tạo bài toán mới theo hướng phát triển năng lực người học trong phần Vật lí phổ thông
Chương II là phần trọng tâm của khóa luận, thiết lập quy trình sư phạm 4 bước tổng quát và vận dụng cụ thể vào chương "Động lực học chất điểm" (Vật lí 10 THPT):
1. Quy trình tổng quát 4 bước
- Bước 1: Xác định giới hạn nội dung kiến thức, hệ thống bài toán hiện có và mục đích sử dụng bài toán. Bao quát chương trình, chỉ ra hạn chế của các tài liệu hiện hành (thiếu bài toán mồi nhử gợi mở, ít bài tập trắc nghiệm khách quan đa tầng, thiếu bài toán biến tướng để học sinh tự học) và phân định rõ mục đích dạy học.
- Bước 2: Xây dựng hệ thống bài toán. Đảm bảo 4 nguyên tắc: bám sát mục tiêu dạy học; đảm bảo tính hệ thống và logic phát triển; đảm bảo tính vừa sức kích thích hứng thú; phù hợp với từng khâu trong tiến trình dạy học.
- Bước 3: Soạn thảo tiến trình dạy học hệ thống bài toán. Xác định mục tiêu (kiến thức, kĩ năng, thái độ), lập sơ đồ tiến trình logic và thiết kế các hoạt động học tập tương ứng.
- Bước 4: Tổ chức thực hiện tiến trình dạy học. Giáo viên định hướng, học sinh trực tiếp giải quyết, trao đổi và tự hoàn thiện kiến thức.
2. Quy trình kiểm tra đánh giá và khung ma trận đề
Tác giả chi tiết hóa các bước biên soạn đề kiểm tra (xác định mục đích, hình thức kết hợp trắc nghiệm khách quan - tự luận, thiết lập ma trận đề, biên soạn câu hỏi, tính điểm và rà soát) dựa trên khung ma trận 4 cấp độ nhận thức:
- Bậc 1 (Nhận biết): Nhớ lại kiến thức, tái hiện hoặc bắt chước thao tác cơ bản.
- Bậc 2 (Thông hiểu): Hiểu rõ bản chất, giải thích chính xác hiện tượng.
- Bậc 3 (Vận dụng cơ bản): Giải quyết vấn đề bằng suy luận logic, phân tích, tổng hợp.
- Bậc 4 (Vận dụng sáng tạo): Vận dụng kiến thức tổng hợp trong bối cảnh mới, có yếu tố sáng tạo.
3. Vận dụng vào chương "Động lực học chất điểm" (Vật lí 10 THPT)
Chương "Động lực học chất điểm" có thời lượng 17 tiết (11 tiết lý thuyết, 2 tiết thực hành, 4 tiết bài tập), bao gồm các nội dung cốt lõi: Ba định luật Newton, các lực cơ học (lực hấp dẫn, lực đàn hồi, lực ma sát, lực hướng tâm) và chuyển động ném.
Tác giả đã xây dựng hệ thống tư liệu giảng dạy hoàn chỉnh gồm:
- 18 bài toán hình thành kiến thức mới: Các câu hỏi/tình huống bản chất nêu vấn đề, tạo xung đột nhận thức về cân bằng lực, định luật Newton, bản chất khối lượng quán tính, lực căng, lực ma sát trượt và chuyển động ném ngang.
- 14 bài toán ôn tập, luyện tập và hệ thống hóa: Các bài toán định lượng chuyên sâu về hệ lực đồng quy trong không gian, hệ vật nối nhau bằng dây vắt qua ròng rọc trên mặt phẳng ngang/nghiêng, bài toán va chạm và lực cản.
- Hệ thống câu hỏi kiểm tra đánh giá phân loại theo 3 nội dung:
- Nội dung 1 (Tổng hợp và phân tích lực): 14 câu hỏi trắc nghiệm từ mức độ cơ bản (tính hợp lực khi biết góc) đến nâng cao (hệ nhiều lực đồng quy, góc lệch cực trị).
- Nội dung 2 (Ba định luật Newton và các lực cơ học): 13 câu hỏi bài tập về gia tốc, tương tác va chạm bóng chày, chuyển động hãm phanh, lực đẩy của thuốc súng trong nòng, lực cản của gỗ xuyên tâm.
- Nội dung 3 (Lực hấp dẫn và trọng lực): 10 bài toán về gia tốc rơi tự do theo độ cao, lực hấp dẫn giữa các tàu thủy, lực hút trên các thiên thể (Hỏa tinh, Trái Đất).
- Quy trình hướng dẫn học sinh sáng tạo bài toán mới: Minh họa bằng tiến trình dạy bài toán "Hai vật nối với nhau bằng sợi dây vắt qua ròng rọc tưởng", bao gồm: đưa ra bài toán dẫn dắt cơ bản $\rightarrow$ định hướng các biến số thay đổi (thay đổi góc nghiêng, thêm lực ma sát, treo thêm vật thứ ba, thay đổi tính chất sợi dây) $\rightarrow$ học sinh tự thiết lập bài toán mới $\rightarrow$ định hướng học sinh tự tìm lời giải cho sản phẩm của mình $\rightarrow$ thiết kế giáo án thực nghiệm sư phạm chi tiết.
Chương III: Thực nghiệm sư phạm
Chương III trình bày phương án kiểm chứng thực nghiệm quy trình đã xây dựng:
- Mục đích và nhiệm vụ: Đánh giá tính khả thi, mức độ phù hợp và hiệu quả của tiến trình dạy học sáng tạo bài toán mới đối với học sinh trung học phổ thông.
- Phương pháp và đối tượng thực nghiệm: Lựa chọn mẫu thực nghiệm tại trường THPT; phân chia lớp thực nghiệm (TN) và lớp đối chứng (ĐC) tương đương về trình độ ban đầu.
- Quy trình tổ chức: Tiến hành khống chế các biến số ngoài ý muốn (giữ nguyên giáo viên, chuẩn kiến thức, chỉ thay đổi phương pháp tổ chức dạy học); thực hiện chuẩn bị, giảng dạy giáo án thực nghiệm và tiến hành kiểm tra sau thực nghiệm.
- Phương pháp phân tích kết quả:
- Đánh giá định tính: Quan sát diễn biến các giờ học, đánh giá mức độ tích cực tham gia của học sinh trước các tình huống nêu vấn đề, sự chuyển biến thói quen từ tiếp thu thụ động sang chủ động đề xuất ý tưởng, và khả năng tự sáng tạo bài toán mới.
- Đánh giá định lượng: Thống kê và xử lý số liệu bài kiểm tra định kỳ, so sánh phổ điểm và mức độ đáp ứng các chỉ số hành vi năng lực giữa nhóm thực nghiệm và nhóm đối chứng.
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính
- Hệ thống hóa khung lý thuyết dạy học năng lực: Tổng hợp các mô hình quốc tế và chuẩn hóa khung năng lực sử dụng bài toán dạy học Vật lí gồm 3 hợp phần và bảng tiêu chí đo lường 4 mức độ chất lượng.
- Thiết lập quy trình 4 bước hoàn chỉnh: Cung cấp hướng dẫn từng bước từ khâu phân tích nội dung, xây dựng hệ thống bài toán, thiết kế tiến trình đến tổ chức dạy học trên lớp.
- Bộ ngữ liệu thực hành chuyên sâu: Xây dựng trọn bộ hệ thống bài tập cho chương "Động lực học chất điểm" (Vật lí 10) gồm 18 bài toán kiến tạo kiến thức mới, 14 bài tập luyện tập chuyên sâu và 37 câu hỏi kiểm tra đánh giá phân loại rõ ràng theo ma trận nhận thức.
- Quy trình hướng dẫn học sinh tự sáng tạo bài toán: Đề xuất giải pháp sư phạm cụ thể hóa qua bài toán hệ vật nối ròng rọc, giúp học sinh phát triển năng lực tư duy độc lập thông qua việc tự tạo đề bài và tự giải quyết.
Đóng góp của đề tài
- Khắc phục hạn chế của các tài liệu tham khảo truyền thống vốn nặng về giải toán thụ động, chuyển hướng sang việc sử dụng bài toán như một công cụ tổ chức hoạt động nhận thức và sáng tạo.
- Đưa ra mẫu giáo án thực nghiệm và ma trận đề kiểm tra chi tiết, có thể áp dụng trực tiếp vào giảng dạy thực tế tại các trường trung học phổ thông theo chương trình mới.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Phạm vi nghiên cứu nội dung chuyên môn của khóa luận mới chỉ tập trung vào một chương kiến thức cụ thể là chương "Động lực học chất điểm" thuộc phần Cơ học lớp 10 THPT; địa bàn khảo sát và thực nghiệm giới hạn tại tỉnh Thanh Hóa.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng quy trình sáng tạo bài toán mới sang các phần kiến thức khác trong chương trình Vật lí phổ thông (Nhiệt học, Điện từ học, Quang học, Vật lí hạt nhân).
- Tiếp tục hoàn thiện bộ tiêu chí đánh giá năng lực sáng tạo bài toán để áp dụng đồng bộ cho các khối lớp 11 và 12 theo Chương trình Giáo dục phổ thông 2018.
Giá trị tham khảo
- Đối với sinh viên Sư phạm Vật lí: Tài liệu cung cấp góc nhìn thực tế về cách thiết kế bài học theo định hướng phát triển năng lực, phương pháp xây dựng khung ma trận đề kiểm tra và cách thức soạn giáo án dạy học giải quyết vấn đề.
- Đối với giáo viên Vật lí THPT: Hệ thống bài tập 3 phân loại (khám phá kiến thức mới, luyện tập nâng cao, trắc nghiệm đánh giá) của chương "Động lực học chất điểm" có thể sử dụng làm nguồn tư liệu giảng dạy trực tiếp trên lớp.
- Đối với các đề tài nghiên cứu tương tự: Bảng cấu trúc 3 hợp phần năng lực và bảng tiêu chí đánh giá hành vi 4 mức độ là cơ sở tham khảo hữu ích để xây dựng công cụ đo lường trong nghiên cứu lý luận và phương pháp dạy học bộ môn.
Câu hỏi thường gặp
1. Khung năng lực sử dụng bài toán trong dạy học Vật lí gồm những hợp phần nào?
Khung năng lực gồm 3 hợp phần: (1) Hợp phần nghiên cứu lý thuyết (xác định giới hạn kiến thức, hạn chế bài toán hiện có, mục đích sử dụng); (2) Hợp phần thực hành, thực nghiệm (xây dựng hệ thống bài toán, soạn thảo và thực hiện tiến trình dạy học); (3) Hợp phần trao đổi và bảo vệ (đề xuất ứng dụng và xác định phản hồi của giáo viên/học sinh).
2. Quy trình dạy học sử dụng bài toán trong khóa luận gồm những bước nào?
Quy trình gồm 4 bước chính:
- Bước 1: Xác định giới hạn nội dung kiến thức, hệ thống bài toán hiện có và mục đích sử dụng.
- Bước 2: Xây dựng hệ thống bài toán phù hợp.
- Bước 3: Soạn thảo tiến trình dạy học hệ thống bài toán đã xây dựng.
- Bước 4: Tổ chức thực hiện tiến trình dạy học trên lớp.
3. Chương kiến thức nào được lựa chọn làm ví dụ vận dụng và thời lượng chương trình là bao nhiêu?
Khóa luận chọn chương "Động lực học chất điểm" trong chương trình Vật lí lớp 10 THPT, với thời lượng giảng dạy quy định là 17 tiết (bao gồm 11 tiết lý thuyết, 2 tiết thực hành và 4 tiết bài tập).
4. Hệ thống bài toán được phân loại theo những mục đích sử dụng nào?
Hệ thống bài toán được chia thành 3 nhóm theo mục đích:
- Bài toán sử dụng khi xây dựng kiến thức mới (nêu vấn đề, tạo tình huống nghịch lý).
- Bài toán sử dụng cho ôn tập, luyện tập và hệ thống hóa tri thức.
- Bài toán sử dụng cho kiểm tra đánh giá kết quả học tập (theo khung ma trận 4 cấp độ nhận thức).
5. Khung ma trận đề kiểm tra đánh giá năng lực học sinh gồm những cấp độ nào?
Ma trận đề kiểm tra chia thành 4 bậc nhận thức: Bậc 1 (Nhận biết/tái hiện/bắt chước), Bậc 2 (Thông hiểu/thực hiện chính xác), Bậc 3 (Vận dụng cơ bản/tư duy logic phân tích), Bậc 4 (Vận dụng sáng tạo/giải quyết vấn đề mới).
Kết luận
Khóa luận của sinh viên Nguyễn Thị Dung đã giải quyết toàn diện vấn đề xây dựng quy trình giúp học sinh sáng tạo bài toán mới theo định hướng phát triển năng lực trong môn Vật lí THPT. Bằng việc kết hợp nghiên cứu lý luận hiện đại với khảo sát thực tiễn tại Thanh Hóa, đề tài đã cụ thể hóa thành công quy trình sư phạm 4 bước và thiết lập bộ tư liệu dạy học chi tiết cho chương "Động lực học chất điểm" lớp 10. Đây là công trình nghiên cứu nghiêm túc, mang tính thực tiễn cao và đóng góp nguồn tài liệu tham khảo có giá trị cho công tác giảng dạy Vật lí theo Chương trình Giáo dục phổ thông 2018.