Tổng quan nghiên cứu

Giáo dục STEM đang trở thành xu hướng đổi mới căn bản của nhiều nền giáo dục tiên tiến nhằm đáp ứng nhu cầu nhân lực chất lượng cao trong kỷ nguyên Cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Tại Mỹ, ngân sách liên bang năm 2014 dành cho giáo dục STEM đã đạt 3,1 tỷ USD, tăng 6,7% so với năm 2012, trong khi tại Việt Nam, dự án thí điểm giáo dục STEM do Bộ Giáo dục và Đào tạo phối hợp với Hội đồng Anh triển khai từ năm 2016 đã được áp dụng tại 15 trường trung học thuộc 5 tỉnh thành lớn. Định hướng đổi mới này được khẳng định mạnh mẽ trong Nghị quyết số 29-NQ/TW và Chương trình giáo dục phổ thông tổng thể năm 2018, nhấn mạnh việc chuyển từ truyền thụ kiến thức hàn lâm sang phát triển toàn diện phẩm chất và năng lực cho người học.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của đề tài xuất phát từ thực trạng dạy học môn Toán ở cấp trung học phổ thông, đặc biệt là phân môn Hình học lớp 10 với tổng thời lượng 43 tiết trên tổng số 105 tiết toàn năm học, chiếm tỷ lệ 41%. Các nội dung như vectơ, tích vô hướng và phương pháp tọa độ thường khiến học sinh lúng túng vì tính trừu tượng cao, thiếu sự liên hệ với bối cảnh thực tiễn và các môn khoa học tự nhiên khác.

Mục tiêu của luận văn là hệ thống hóa cơ sở lý luận về giáo dục STEM, khảo sát thực trạng dạy học tại địa phương và xây dựng hệ thống các chủ đề dạy học Hình học 10 nhằm phát triển 3 kỹ năng toán học cốt lõi cho học sinh. Nghiên cứu được triển khai trong năm học 2018 - 2019 tại Trường Trung học phổ thông Nguyễn Trãi và Trường Trung học phổ thông A Nghĩa Hưng thuộc tỉnh Nam Định. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao chỉ số hứng thú học tập của học sinh lên mức trên 95% và cung cấp giải pháp sư phạm khả thi cho việc triển khai dạy học tích hợp liên môn trong nhà trường phổ thông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết dạy học tích hợp của Xavier Roegiers và định hướng dạy học phát triển năng lực của Bộ Giáo dục và Đào tạo công bố ngày 27/12/2018. Theo đó, dạy học tích hợp giúp học sinh huy động tổng hợp kiến thức từ 4 lĩnh vực trọng tâm gồm Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học để giải quyết hiệu quả các tình huống thực tiễn. Nghiên cứu tiếp cận các khái niệm giáo dục STEM theo định nghĩa liên ngành của Tsupros và Sanders, đồng thời phân chia STEM thành hai cấp độ chính là STEM cơ bản bám sát chương trình chuẩn và STEM mở rộng gắn với hoạt động nghiên cứu khoa học kỹ thuật.

Khung kỹ năng toán học trong đề tài dựa trên tiêu chuẩn đánh giá 8 kỹ năng của tổ chức PISA, tập trung sâu vào 3 năng lực cốt lõi:

  • Kỹ năng giao tiếp toán học: Khả năng sử dụng ngôn ngữ toán học, ký hiệu và lập luận logic để trao đổi, bảo vệ ý tưởng theo quan điểm của Hội đồng Quốc gia Giáo viên Toán Hoa Kỳ.
  • Kỹ năng mô hình hóa toán học: Thực hiện quy trình 4 giai đoạn do tác giả Nguyễn Danh Nam đề xuất, bao gồm toán học hóa tình huống thực tiễn, giải quyết bài toán toán học, thông hiểu và đối chiếu kết quả với điều kiện thực tế.
  • Kỹ năng đặt và giải quyết vấn đề: Vận dụng quy trình 5 bước kinh điển của tác giả Nguyễn Bá Kim nhằm phát hiện mâu thuẫn nhận thức, đề xuất giải pháp, thực thi và đánh giá kết quả.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng hệ thống dữ liệu đa chiều thông qua phương pháp điều tra khảo sát, phỏng vấn sâu, nghiên cứu tài liệu lý luận và thực nghiệm sư phạm. Cỡ mẫu khảo sát thực trạng bao gồm 30 giáo viên bộ môn Toán và 120 học sinh lớp 10 tại hai trường Trung học phổ thông thuộc tỉnh Nam Định, được thu thập trong khung thời gian tháng 11 và tháng 12 năm 2018.

Phương pháp chọn mẫu kết hợp giữa chọn mẫu ngẫu nhiên và phân tầng theo chất lượng đầu vào, đảm bảo tính đại diện cho môi trường giáo dục công lập cấp huyện và cấp tỉnh. Việc lựa chọn phương pháp phân tích thống kê toán học nhằm xử lý định lượng điểm số kiểm tra, tính toán các tham số thống kê như giá trị trung bình, phương sai, độ lệch chuẩn và kiểm định giả thuyết khoa học. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu kéo dài trong 12 tháng của năm học 2018 - 2019, bám sát khung thời gian năm học chuẩn gồm ít nhất 37 tuần thực học theo Quyết định số 1893/QĐ-BGDĐT.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Khảo sát thực trạng cho thấy sự tương phản rõ nét giữa nhận thức lý thuyết và năng lực thực thi giáo dục STEM của giáo viên:

  • Về nhận thức: 57% giáo viên nhận thức đúng STEM là phương pháp dạy học tích hợp liên môn, 50% khẳng định ý nghĩa của STEM trong việc giáo dục toàn diện và 82% giáo viên đánh giá việc dạy học môn Toán theo định hướng STEM là cần thiết và rất cần thiết (trong đó 55% đánh giá rất cần thiết).
  • Về rào cản triển khai: Khoảng 80% giáo viên thừa nhận chưa từng tổ chức dạy học môn Toán theo định hướng STEM; 60% giáo viên cho rằng khâu xây dựng tiêu chí giải pháp hoặc tạo ra sản phẩm kỹ thuật là bước khó nhất trong quy trình 5 bước thiết kế bài học STEM.
  • Về thái độ và trải nghiệm của học sinh: 80% học sinh đồng ý và rất đồng ý được học theo định hướng STEM (50% rất đồng ý); 95% học sinh thể hiện thái độ hứng thú và rất hứng thú sau khi được trải nghiệm các bài học thực nghiệm (trong đó 75% rất hứng thú). Tuy nhiên, có tới 47% học sinh cho biết chưa từng được tiếp cận bài học STEM nào trong môn Toán trước đó.
  • Về cấu trúc chương trình: Phân tích 105 tiết học môn Toán lớp 10 chỉ ra tỷ lệ Đại số chiếm ưu thế với 62 tiết (59%), gấp 1,5 lần so với 43 tiết Hình học (41%), tạo áp lực thời gian lớn cho giáo viên khi muốn lồng ghép hoạt động trải nghiệm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến việc giáo dục STEM chưa phổ biến trong phân môn Hình học lớp 10 là do phần lớn giáo viên chỉ được đào tạo đơn môn, thiếu tài liệu thực hành và chịu áp lực từ các kỳ thi chuẩn hóa nặng về kỹ năng biến đổi đại số. Các khó khăn của học sinh tập trung ở việc thiếu khả năng chuyển đổi ngôn ngữ thực tế sang ngôn ngữ toán học và yếu kỹ năng mô hình hóa hình học.

Dữ liệu khảo sát có thể được trực quan hóa thông qua biểu đồ phân bố tần suất nhận thức và bảng so sánh điểm số trước - sau thực nghiệm. Điển hình, qua case study thiết kế mô hình cây cầu qua sông Ninh Cơ nối hai huyện Trực Ninh và Xuân Trường nhằm tối ưu hóa quãng đường bằng phép tịnh tiến vectơ, học sinh đã chuyển hóa xuất sắc một vấn đề thực tiễn thành bài toán hình học cực trị. So với kinh nghiệm quốc tế tại Anh với hơn 600 tổ chức hỗ trợ STEM và mạng lưới STEMNET, việc tích hợp các ví dụ địa phương như kiến trúc Nhà thờ Bùi Chu hay bài toán phân tích lực trên mặt phẳng nghiêng đã giúp học sinh nâng cao rõ rệt năng lực tư duy không gian và động lực học tập môn Toán.

Đề xuất và khuyến nghị

Để phát triển bền vững kỹ năng toán học trong giáo dục STEM cho học sinh lớp 10, bốn giải pháp sư phạm trọng tâm cần được thực hiện:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình thiết kế chủ đề STEM môn Toán gồm 5 bước: Lựa chọn chủ đề bài học bám sát chuẩn kiến thức; Xác định vấn đề thực tiễn cần giải quyết; Xây dựng tiêu chí đánh giá sản phẩm; Thiết lập hệ thống câu hỏi định hướng liên môn; Tổ chức tiến trình dạy học trải nghiệm. Mục tiêu đạt 100% giáo viên trong tổ chuyên môn nắm vững quy trình này trong vòng 3 tháng đầu năm học.

Thứ hai, đổi mới ngữ liệu dạy học bằng cách khai thác tối đa các tình huống thực tiễn địa phương và ứng dụng liên môn Vật lý, Công nghệ (như phân tích hợp lực, vận tốc thuyền bè trên dòng chảy, đo đạc khoảng cách không tới được). Đích đến là nâng tỷ lệ các tiết dạy Hình học có liên hệ thực tiễn từ mức 55% hiện tại lên trên 85% trong khung thời gian 1 học kỳ.

Thứ ba, cải tiến phương pháp kiểm tra đánh giá theo định hướng phát triển năng lực, chuyển dịch từ các bài kiểm tra viết thuần túy sang đánh giá qua hồ sơ học tập, sản phẩm mô hình kỹ thuật và bài thuyết trình nhóm. Ban giám hiệu nhà trường cần quy định tỷ trọng điểm đánh giá quá trình chiếm ít nhất 30% tổng điểm định kỳ.

Thứ tư, tăng cường bồi dưỡng chuyên môn liên môn và đầu tư cơ sở vật chất. Tổ chuyên môn Toán cần chủ động phối hợp với tổ Vật lý - Hóa học - Sinh học - Công nghệ tổ chức sinh hoạt chuyên môn định kỳ 2 tuần một lần để cùng xây dựng giáo án tích hợp, giải quyết rào cản đào tạo đơn môn cho giáo viên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu này là nguồn tham khảo học thuật và ứng dụng thực tiễn giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

Giáo viên Toán tại các trường Trung học phổ thông: Khai thác trực tiếp các giáo án mẫu và hệ thống chủ đề Hình học lớp 10 (chủ đề vectơ, tích vô hướng, hệ thức lượng) để ứng dụng vào giảng dạy chính khóa hoặc các câu lạc bộ STEM ngoại khóa.

Cán bộ quản lý giáo dục và Tổ trưởng chuyên môn: Sử dụng các số liệu khảo sát thực trạng và khung quy trình 5 bước để xây dựng kế hoạch tập huấn giáo viên, điều chỉnh kế hoạch giáo dục nhà trường phù hợp với chương trình mới.

Học viên cao học và Nhà nghiên cứu chuyên ngành Lý luận và Phương pháp dạy học: Tham khảo khung lý thuyết, công cụ khảo sát và phương pháp xử lý số liệu thống kê để phát triển các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về giáo dục STEM và mô hình hóa toán học.

Sinh viên ngành Sư phạm Toán học: Bổ sung kiến thức thực tế về dạy học tích hợp liên môn, rèn luyện kỹ năng thiết kế bài học trải nghiệm trước khi bước vào kỳ thực tập sư phạm tại các trường phổ thông.

Câu hỏi thường gặp

Dạy học theo định hướng STEM trong môn Hình học 10 có làm quá tải chương trình không? Hoàn toàn không, vì các chủ đề STEM được thiết kế tích hợp trực tiếp vào 43 tiết Hình học chuẩn, thay thế các giờ bài tập cơ học bằng hoạt động giải quyết vấn đề thực tế, giúp tiết kiệm thời gian truyền thụ lý thuyết suông.

Vì sao kỹ năng mô hình hóa toán học lại là trọng tâm của giáo dục STEM? Mô hình hóa là cầu nối then chốt biến một tình huống thực tiễn phức tạp thành bài toán cụ thể thông qua 4 giai đoạn tư duy, giúp học sinh thấy rõ giá trị ứng dụng của kiến thức hình học vào đời sống.

Làm thế nào để tổ chức giờ học STEM khi thời lượng tiết học chỉ có 45 phút? Giáo viên có thể chia tiến trình thành các giai đoạn: giao nhiệm vụ nghiên cứu và tìm hiểu kiến thức nền tại nhà, dành 45 phút trên lớp cho hoạt động thảo luận nhóm, kiểm chứng mô hình và báo cáo sản phẩm.

Làm sao để đánh giá chính xác học sinh trong hoạt động nhóm STEM? Đánh giá học sinh cần dựa trên bảng tiêu chí đánh giá đa chiều (Rubrics), kết hợp giữa điểm số sản phẩm mô hình, mức độ tham gia thảo luận của cá nhân và kỹ năng giao tiếp thuyết trình của nhóm.

Học sinh có học lực trung bình có thể theo kịp phương pháp dạy học STEM không? Hoàn toàn có thể, vì các chủ đề STEM cơ bản được thiết kế phân tầng nhiệm vụ rõ ràng; khảo sát thực tế cho thấy 95% học sinh thuộc nhiều mức học lực đều thể hiện sự hào hứng và tiến bộ khi được làm việc nhóm.

Kết luận

Luận văn đã đóng góp quan trọng vào lý luận và thực tiễn giáo dục phổ thông thông qua 5 kết luận cốt lõi:

  • Hệ thống hóa toàn diện cơ sở khoa học của giáo dục STEM gắn liền với 3 kỹ năng toán học then chốt gồm giao tiếp, mô hình hóa và giải quyết vấn đề.
  • Phân tích bức tranh thực trạng tại tỉnh Nam Định với 80% giáo viên chưa từng dạy Toán theo STEM, khẳng định nhu cầu cấp thiết của việc đổi mới phương pháp.
  • Thiết kế thành công các chủ đề Hình học 10 điển hình về vectơ và hệ thức lượng gắn liền với các tình huống kỹ thuật và bối cảnh địa phương.
  • Minh chứng tính khả thi và hiệu quả của các biện pháp sư phạm qua thực nghiệm với 95% học sinh thể hiện thái độ học tập tích cực.
  • Đề xuất quy trình 5 bước rõ ràng giúp giáo viên các trường phổ thông dễ dàng nhân rộng mô hình dạy học tích hợp.

Lộ trình triển khai khuyến nghị nên bắt đầu từ việc tập huấn chuyên đề trong 2 tháng hè, áp dụng thử nghiệm tại các câu lạc bộ STEM trong học kỳ I và nhân rộng toàn bộ các tiết Hình học 10 trong học kỳ II. Các tổ chuyên môn hãy chủ động chuyển đổi phương pháp dạy học ngay hôm nay để mang lại môi trường học tập Toán học sáng tạo, thực tiễn và truyền cảm hứng cho học sinh.