Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Chương trình Giáo dục phổ thông (CTGDPT) 2018 do Bộ Giáo dục và Đào tạo ban hành đánh dấu bước chuyển dịch căn bản từ nền giáo dục định hướng nội dung sang giáo dục phát triển toàn diện phẩm chất và năng lực học sinh (chuyển từ việc quan tâm học sinh biết được gì sang học sinh làm được gì thông qua việc học). Chương trình xác định mục tiêu hình thành 5 phẩm chất chủ yếu và 10 năng lực cốt lõi (gồm 3 năng lực chung và 7 năng lực đặc thù), trong đó năng lực giải quyết vấn đề (GQVĐ) và sáng tạo là năng lực chung cốt lõi được rèn luyện xuyên suốt các môn học.

Bên cạnh đó, giáo dục STEM (Science - Technology - Engineering - Mathematics) được định hướng là mô hình giáo dục tích hợp liên môn quan trọng nhằm đón đầu cuộc Cách mạng công nghiệp 4.0, thể hiện qua Chỉ thị số 16/CT-TTg ngày 04/5/2017 của Thủ tướng Chính phủ và Công văn số 3089/BGDĐT-GDTrH ngày 14/8/2020 của Bộ Giáo dục và Đào tạo. Trong ba hình thức triển khai giáo dục STEM, hình thức "Dạy học các môn khoa học theo bài học STEM" được xác định là phương thức tổ chức chủ yếu trong các trường trung học phổ thông (THPT).

Năm học 2022 - 2023 là năm đầu tiên triển khai CTGDPT 2018 đối với khối lớp 10. Trong chương trình môn Vật lí 10, nội dung "Công và năng lượng" thuộc mạch "Các định luật bảo toàn" có yêu cầu cần đạt đặc thù: "Chế tạo mô hình đơn giản minh họa được định luật bảo toàn năng lượng, liên quan đến một số dạng năng lượng khác nhau". Tuy nhiên, tại thời điểm tác giả nghiên cứu, chưa có công trình nào cụ thể hóa việc xây dựng bài học STEM cho nội dung này nhằm mục tiêu phát triển năng lực GQVĐ của học sinh. Vì vậy, tác giả thực hiện khóa luận tốt nghiệp: "Xây dựng và tổ chức dạy học bài học STEM trong dạy học nội dung 'Công và năng lượng' - Vật lí 10 nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh".

Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng và tổ chức dạy học bài học STEM trong dạy học một số nội dung kiến thức phần "Công và năng lượng" - Vật lí 10 nhằm phát triển năng lực GQVĐ của học sinh.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Nghiên cứu cơ sở lí luận và cơ sở thực tiễn về mô hình giáo dục STEM, đặc biệt là hình thức dạy học các môn khoa học theo bài học STEM.
  2. Tìm hiểu tài liệu và phân tích nội dung "Công và năng lượng" (Vật lí 10) trong chương trình môn Vật lí 2018.
  3. Xây dựng kế hoạch tổ chức dạy học bài học STEM trong dạy học nội dung "Công và năng lượng": xây dựng hệ thống công cụ dạy học, quy trình dạy học, hệ thống câu hỏi và bảng tiêu chí đánh giá năng lực GQVĐ của học sinh.
  4. Thực nghiệm sư phạm với đối tượng là học sinh lớp 10 và đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quá trình dạy học môn Vật lí theo bài học STEM, nội dung "Công và năng lượng" và năng lực GQVĐ của học sinh.
  • Phạm vi nghiên cứu: Học sinh khối lớp 10 tại Trường THPT Mạc Đĩnh Chi (Thành phố Hồ Chí Minh) trong năm học 2022 - 2023.

Giả thuyết khoa học: Nếu xây dựng và tổ chức dạy học bài học STEM trong dạy học một số nội dung kiến thức phần "Công và năng lượng" - Vật lí 10 thì có thể phát triển năng lực GQVĐ của học sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và các khái niệm cơ bản

  • Giáo dục STEM: Khóa luận tiếp cận khái niệm giáo dục STEM theo định nghĩa của CTGDPT 2018 và Công văn 3089/BGDĐT-GDTrH: là mô hình giáo dục dựa trên cách tiếp cận liên môn, trang bị kiến thức khoa học gắn liền với ứng dụng thực tiễn, giúp học sinh áp dụng kiến thức để giải quyết vấn đề trong bối cảnh cụ thể.
  • Hình thức bài học STEM: Thực hiện dựa trên 6 tiêu chí của Bộ Giáo dục và Đào tạo (2019): tập trung vào vấn đề thực tiễn, cấu trúc theo quy trình thiết kế kĩ thuật, học sinh tìm tòi khám phá, làm việc nhóm kiến tạo, áp dụng kiến thức khoa học - toán học, và chấp nhận thử nghiệm - điều chỉnh.
  • Năng lực giải quyết vấn đề: Được định nghĩa theo Nguyễn Thanh Nga (2017): là khả năng huy động mọi nguồn lực phù hợp (kiến thức, kĩ năng, thái độ, phương tiện vật chất, con người, tài chính, thời gian...) để giải quyết thành công một nhiệm vụ phức hợp trong học tập hoặc thực tiễn.
  • Khung cấu trúc năng lực GQVĐ: Tác giả xây dựng cấu trúc gồm 3 năng lực thành phần và 7 chỉ số hành vi:
Năng lực thành phần Mã chỉ số Chỉ số hành vi (Biểu hiện)
1. Phát hiện vấn đề GQVĐ.1 Phân tích tình huống, phát hiện vấn đề cần nghiên cứu.
GQVĐ.2 Phát biểu được vấn đề cần nghiên cứu một cách khoa học.
2. Đề xuất, lựa chọn giải pháp và thực hiện GQVĐ.3 Đề xuất được một số giải pháp giải quyết vấn đề.
GQVĐ.4 Thảo luận, phân tích và lựa chọn giải pháp tối ưu nhất.
GQVĐ.5 Giải quyết được vấn đề thông qua chế tạo sản phẩm/giải pháp.
3. Đánh giá và vận dụng vào thực tiễn GQVĐ.6 Đánh giá được hiệu quả của giải pháp, phân tích ưu/nhược điểm.
GQVĐ.7 Vận dụng được cho các tình huống tương tự, đề xuất cải tiến.
  • Biện pháp bồi dưỡng năng lực GQVĐ: Khóa luận vận dụng 5 biện pháp theo Trần Ngọc Thắng và Nguyễn Thị Nhị (2019), trong đó tập trung khai thác biện pháp xây dựng tình huống có vấn đề trong dạy học kiến thức mới và dạy học khám phá.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp nghiên cứu lí luận: Thu thập, phân tích, tổng hợp các văn bản chỉ đạo của Bộ Giáo dục và Đào tạo, tài liệu về giáo dục STEM, lý luận dạy học môn Vật lí và chương trình Vật lí 10 CTGDPT 2018.
  • Phương pháp điều tra thực tiễn: Khảo sát thực trạng triển khai giáo dục STEM tại trường phổ thông.
  • Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Tổ chức dạy học chủ đề bài học STEM "Chế tạo mô hình Tua-bin gió" tại lớp 10 Trường THPT Mạc Đĩnh Chi; sử dụng công cụ Rubrics đánh giá 3 mức độ (Mức 1: chưa rõ ràng/hỗ trợ nhiều; Mức 2: mức độ thấp/hỗ trợ một phần; Mức 3: mức độ tốt/tự lực) cùng các phiếu học tập để đánh giá định tính và định lượng sự phát triển năng lực của học sinh.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Cơ sở lí luận về dạy học theo hình thức bài học STEM nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học phổ thông

Chương 1 hệ thống hóa toàn bộ các luận điểm lí thuyết về giáo dục STEM và năng lực GQVĐ:

  • Làm rõ bản chất STEM trong hai ngữ cảnh (giáo dục và nghề nghiệp), phân tích 3 cách tiếp cận STEM (chương trình hỗ trợ, phương pháp liên ngành, quan điểm dạy học định hướng hành động).
  • Phân tích 3 hình thức tổ chức giáo dục STEM theo Công văn 3089: Dạy học các môn khoa học theo bài học STEM, Tổ chức hoạt động trải nghiệm STEM, Tổ chức hoạt động nghiên cứu khoa học - kĩ thuật.
  • Xác định quy trình 4 bước thiết kế bài học STEM: (1) Lựa chọn nội dung dạy học; (2) Xác định vấn đề cần giải quyết; (3) Xây dựng tiêu chí của sản phẩm/giải pháp; (4) Thiết kế tiến trình tổ chức hoạt động dạy học.
  • Chuẩn hóa tiến trình dạy học bài học STEM gồm 5 hoạt động (tích hợp 8 bước của quy trình thiết kế kĩ thuật):
    • Hoạt động 1: Xác định vấn đề.
    • Hoạt động 2: Nghiên cứu kiến thức nền.
    • Hoạt động 3: Lựa chọn giải pháp (trình bày và bảo vệ bản thiết kế).
    • Hoạt động 4: Chế tạo mẫu, thử nghiệm và đánh giá.
    • Hoạt động 5: Chia sẻ, thảo luận và điều chỉnh.
  • Xây dựng bảng tiêu chí đánh giá năng lực GQVĐ với 7 chỉ số hành vi chia theo 3 mức độ biểu hiện cụ thể.

Chương 2. Xây dựng bài học STEM trong dạy học nội dung “Công và năng lượng” - Vật lí 10

Chương 2 tập trung vào việc thiết kế bài dạy cụ thể:

  • Phân tích cấu trúc mạch nội dung "Công, năng lượng, công suất" (thời lượng 10 tiết) gồm: (1) Công và năng lượng; (2) Động năng và thế năng; (3) Công suất và hiệu suất.
  • Xác định các kiến thức vật lí trọng tâm: tính chất năng lượng, công cơ học ($A = F \cdot s$ và biểu thức tổng quát $A = F \cdot s \cdot \cos\alpha$), định luật bảo toàn năng lượng ($E_{\text{cung cấp}} = E_{\text{có ích}} + E_{\text{hao phí}}$).
  • Đề xuất chủ đề bài học STEM: "Chế tạo mô hình Tua-bin gió". Chủ đề khai thác bối cảnh thực tiễn về năng lượng tái tạo tại Việt Nam (bờ biển dài hơn 3000 km, tiềm năng điện gió lớn).
  • Xác định các kiến thức liên môn STEM trong chủ đề:
Lĩnh vực Kiến thức và kỹ năng áp dụng
Khoa học (Science - Vật lí) Năng lượng, định luật bảo toàn năng lượng, nguyên lí máy phát điện một chiều, công cơ học.
Công nghệ (Technology) Sử dụng motor điện mini, cánh quạt, đèn LED, khay 2 pin AA, dụng cụ tái chế.
Kĩ thuật (Engineering) Quy trình thiết kế kỹ thuật, vẽ bản thiết kế mô hình, lắp ráp, thử nghiệm và điều chỉnh.
Toán học (Mathematics) Tính toán khoảng cách giữa nguồn phát gió và tua-bin, tính toán thông số để mô hình hoạt động ổn định.
  • Đưa ra 5 tiêu chí của sản phẩm mô hình Tua-bin gió: (1) Sử dụng vật liệu có thể tái chế; (2) Thể hiện rõ định luật bảo toàn năng lượng trong vận hành; (3) Màu sắc thẩm mỹ, sáng tạo; (4) Lắp ráp chắc chắn; (5) Giá thành rẻ.
  • Thiết kế tiến trình chi tiết 5 hoạt động học tập, kết hợp các kĩ thuật dạy học tích cực (kĩ thuật mảnh ghép, kĩ thuật khăn trải bàn, thảo luận nhóm, học tập dự án). Tiến trình bố trí Hoạt động 2.3 (Tìm hiểu đại lượng công cơ học) được giảng dạy sau khi học sinh hoàn tất báo cáo mô hình Tua-bin gió (sau Hoạt động 5).
  • Xây dựng hệ thống công cụ đánh giá: phiếu học tập cá nhân, phiếu thảo luận nhóm và bảng Rubrics đánh giá năng lực GQVĐ.

Chương 3. Thực nghiệm sư phạm

Chương 3 trình bày việc triển khai thực nghiệm dạy học tại Trường THPT Mạc Đĩnh Chi:

  • Tổ chức lớp học thành 4 nhóm học sinh (mỗi nhóm 5 - 7 học sinh).
  • Ghi nhận diễn biến thực nghiệm qua từng hoạt động:
    • Hoạt động 1: Học sinh xem video về tua-bin gió, phân tích tình huống và phát biểu vấn đề cần chế tạo mô hình.
    • Hoạt động 2: Học sinh thực hiện kĩ thuật mảnh ghép để phân loại các dạng năng lượng và hình thành biểu thức định luật bảo toàn năng lượng.
    • Hoạt động 3: Sử dụng kĩ thuật khăn trải bàn, các nhóm thảo luận lựa chọn linh kiện và vẽ bản thiết kế chi tiết (Nhóm 1, 2, 3, 4 đều hoàn thành bản vẽ thiết kế nguyên lí và cấu tạo).
    • Hoạt động 4: Học sinh thực hiện chế tạo, thử nghiệm mô hình tại nhà với bộ linh kiện được cung cấp, ghi nhận các khó khăn về việc tạo luồng gió và truyền động.
    • Hoạt động 5: Báo cáo sản phẩm (5 phút/nhóm), vận hành thực tế mô hình làm sáng đèn LED, giải thích quá trình chuyển hóa năng lượng (động năng của gió $\rightarrow$ cơ năng quay cánh quạt $\rightarrow$ điện năng qua máy phát mini $\rightarrow$ quang năng tại đèn LED và nhiệt năng hao phí).
  • Đánh giá định tính và định lượng kết quả thực nghiệm: Lượng hóa điểm số và tỉ lệ phần trăm học sinh đạt được ở từng mức độ (Mức 1, Mức 2, Mức 3) cho 3 năng lực thành phần và 7 chỉ số hành vi. Kết quả cho thấy sự chuyển biến tích cực của học sinh từ mức cần hỗ trợ sang mức tự lực thực hiện.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính của đề tài

  • Học sinh đã hoàn thành 4 mô hình Tua-bin gió hoạt động ổn định, thắp sáng được đèn LED khi có nguồn gió và giải thích chính xác nguyên lí chuyển hóa, bảo toàn năng lượng theo yêu cầu cần đạt của chương trình Vật lí 10.
  • Kết quả định lượng thông qua khung Rubrics đánh giá sự tiến bộ của học sinh qua 3 thành tố năng lực GQVĐ:
Thành tố năng lực GQVĐ Mức độ tiến bộ chính của học sinh
Thành tố 1: Phát hiện vấn đề Phần lớn học sinh chuyển từ việc phát hiện/phát biểu vấn đề nhờ sự hỗ trợ của giáo viên (Mức 1, Mức 2) sang tự lực phân tích tình huống và phát biểu vấn đề nghiên cứu một cách khoa học (Mức 3).
Thành tố 2: Đề xuất, lựa chọn và thực hiện giải pháp 100% các nhóm học sinh tự đề xuất được phương án, tự chọn linh kiện tối ưu, vẽ bản thiết kế kỹ thuật và chế tạo thành công mô hình hoạt động được.
Thành tố 3: Đánh giá và vận dụng vào thực tiễn Học sinh phân tích rõ ràng ưu - nhược điểm của mô hình thực tế so với bản vẽ thiết kế ban đầu, chỉ ra nguyên nhân hao phí năng lượng và đề xuất các phương án cải tiến cánh quạt, khoảng cách đón gió.

Đề xuất và giải pháp sư phạm của tác giả

  • Đề xuất quy trình tích hợp nội dung lý thuyết Vật lí với quy trình thiết kế kỹ thuật trong bài học STEM, trong đó kiến thức nền về định luật bảo toàn năng lượng được xây dựng trước để phục vụ thiết kế mô hình, còn đại lượng công cơ học được củng cố sau khi học sinh đã trải nghiệm vận hành mô hình thực tế.
  • Đề xuất phân chia linh hoạt không gian học tập: các hoạt động định hướng, bảo vệ thiết kế và báo cáo thực hiện trên lớp; hoạt động gia công, lắp ráp và thử nghiệm mô hình thực hiện tại nhà để đảm bảo không làm phát sinh thêm thời lượng chính khóa (10 tiết của mạch nội dung).

Đóng góp mới của khóa luận

  • Hệ thống hóa cơ sở lí luận và thực tiễn về dạy học bài học STEM theo định hướng phát triển năng lực GQVĐ trong khuôn khổ CTGDPT 2018.
  • Xây dựng hoàn chỉnh tiến trình dạy học bài học STEM chủ đề "Mô hình Tua-bin gió" cho nội dung "Công và năng lượng" (Vật lí 10) đáp ứng chuẩn yêu cầu cần đạt.
  • Thiết kế bộ công cụ đánh giá năng lực GQVĐ gồm 7 chỉ số hành vi kèm khung Rubrics 3 mức độ mô tả cụ thể, có thể ứng dụng trực tiếp trong thực tiễn dạy học.
  • Cung cấp nguồn tài liệu tham khảo cho giáo viên THPT trong việc triển khai dạy học tích hợp STEM môn Vật lí.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:

    • Nghiên cứu thực nghiệm sư phạm chỉ được tiến hành trên phạm vi hẹp tại một trường phổ thông (Trường THPT Mạc Đĩnh Chi) với quy mô 4 nhóm học sinh trong khối lớp 10, chưa thực hiện đối chứng diện rộng trên nhiều lớp hoặc nhiều trường có điều kiện cơ sở vật chất khác nhau.
    • Khung thời gian dành cho mạch nội dung "Công, năng lượng, công suất" bị giới hạn trong 10 tiết, dẫn đến việc chế tạo và thử nghiệm mẫu phải thực hiện ngoài giờ lên lớp (tại nhà).

  • Hướng nghiên cứu tiếp:

    • Mở rộng quy mô thực nghiệm sư phạm sang nhiều trường THPT với các đối tượng học sinh có học lực và điều kiện học tập đa dạng hơn.
    • Tiếp tục nghiên cứu, thiết kế và thực nghiệm các bài học STEM cho các nội dung kiến thức khác trong chương trình môn Vật lí cấp THPT (Vật lí 10, 11 và 12) theo CTGDPT 2018.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng:
    • Giáo viên Vật lí THPT: Tham khảo kế hoạch bài dạy chi tiết, tiến trình 5 hoạt động dạy học và bộ công cụ đánh giá Rubrics để triển khai bài học STEM nội dung "Công và năng lượng" tại trường phổ thông.
    • Sinh viên ngành Sư phạm Vật lí và học viên chuyên ngành Lý luận & Phương pháp dạy học bộ môn Vật lí: Tham khảo quy trình thiết kế bài học STEM gắn với quy trình kỹ thuật và phương pháp đánh giá năng lực GQVĐ.
  • Nội dung đáng tham khảo nhất:
    • Kế hoạch tổ chức dạy học chi tiết 5 hoạt động tại Chương 2 (với sự tích hợp kĩ thuật mảnh ghép, kĩ thuật khăn trải bàn).
    • Bảng Rubrics đánh giá 7 chỉ số hành vi năng lực GQVĐ (Bảng 1.3 và Bảng 2.6).
    • Phương án kỹ thuật chế tạo mô hình Tua-bin gió mini từ motor điện một chiều, cánh quạt và vật liệu tái chế.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận lựa chọn chủ đề STEM nào để dạy học nội dung "Công và năng lượng" lớp 10?
Tác giả lựa chọn chủ đề bài học STEM "Chế tạo mô hình Tua-bin gió" nhằm đáp ứng yêu cầu cần đạt về việc chế tạo mô hình minh họa định luật bảo toàn năng lượng, gắn với bối cảnh phát triển năng lượng gió tại Việt Nam.

2. Khung năng lực giải quyết vấn đề trong đề tài gồm những thành tố nào?
Khung năng lực gồm 3 năng lực thành phần với 7 chỉ số hành vi: (1) Phát hiện vấn đề (2 chỉ số); (2) Đề xuất, lựa chọn giải pháp và thực hiện giải pháp GQVĐ (3 chỉ số); (3) Đánh giá giải pháp và vận dụng vào thực tiễn (2 chỉ số).

3. Mô hình Tua-bin gió trong khóa luận tích hợp những kiến thức nào của các lĩnh vực STEM?
Mô hình tích hợp: Khoa học (Năng lượng, định luật bảo toàn năng lượng, nguyên lí máy phát điện mini, công cơ học); Công nghệ (Linh kiện motor, cánh quạt, đèn LED, pin, vật liệu tái chế); Kĩ thuật (Bản vẽ kỹ thuật, quy trình lắp ráp, thử nghiệm); Toán học (Tính toán khoảng cách đón gió và thông số hoạt động ổn định).

4. Tiến trình dạy học bài học STEM trong đề tài gồm mấy hoạt động?
Tiến trình gồm 5 hoạt động: Hoạt động 1 (Xác định vấn đề), Hoạt động 2 (Nghiên cứu kiến thức nền), Hoạt động 3 (Lựa chọn giải pháp), Hoạt động 4 (Chế tạo mẫu, thử nghiệm, đánh giá tại nhà), Hoạt động 5 (Chia sẻ, thảo luận, điều chỉnh). Nội dung Công cơ học được bố trí tìm hiểu sau Hoạt động 5.

5. Đề tài đã tiến hành thực nghiệm sư phạm ở đâu và đạt kết quả ra sao?
Thực nghiệm sư phạm được tiến hành trên học sinh lớp 10 tại Trường THPT Mạc Đĩnh Chi (TP. Hồ Chí Minh) năm học 2022 - 2023. Kết quả 4 nhóm học sinh đều chế tạo thành công mô hình tua-bin gió thắp sáng đèn LED và có sự chuyển biến rõ rệt về năng lực GQVĐ lên mức tự lực theo bảng đánh giá Rubrics.

Kết luận

Khóa luận đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu thông qua việc thiết kế tiến trình 5 hoạt động bài học STEM "Mô hình Tua-bin gió" cho nội dung "Công và năng lượng" (Vật lí 10) theo đúng định hướng của CTGDPT 2018 và Công văn 3089/BGDĐT-GDTrH. Kết quả thực nghiệm sư phạm tại Trường THPT Mạc Đĩnh Chi đã chứng minh tính khả thi của tiến trình dạy học và tính hiệu quả của bộ công cụ Rubrics trong việc phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh. Đề tài đóng góp một tư liệu dạy học thực chứng, có giá trị ứng dụng trực tiếp cho giáo viên Vật lí và sinh viên sư phạm trong đổi mới phương pháp dạy học.