Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ thuộc chuyên ngành Lý luận và Phương pháp dạy học bộ môn Vật lí (thuộc nhóm ngành Khoa học Giáo dục). Đề tài nghiên cứu của luận án là: “Xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học chương ‘Dòng điện trong các môi trường’ Vật lí 11 nhằm phát triển NLKH cho học sinh trung học phổ thông”.

Về tính cấp thiết, tác giả dẫn báo cáo của Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (UNEP, 2012) và Ủy ban châu Âu (European Commission, 1995) để khẳng định năng lực khoa học (NLKH) là yếu tố cần thiết giúp công dân ứng phó với các thách thức về môi trường sống, năng lượng, lương thực và sức khỏe. Tại Việt Nam, Nghị quyết số 29-NQ/TW ngày 04/11/2013 và Chương trình Giáo dục phổ thông (GDPT) 2018 môn Vật lí cấp Trung học phổ thông (THPT) yêu cầu chuyển từ truyền thụ kiến thức một chiều sang phát triển năng lực, trong đó hoạt động thí nghiệm và thực hành giữ vai trò then chốt trong việc hình thành kiến thức và năng lực tìm tòi khám phá.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định từ thực tiễn thiết bị dạy học: dù các trường phổ thông đã được trang bị thiết bị theo “Danh mục thiết bị dạy học tối thiểu” của Bộ Giáo dục và Đào tạo, các thí nghiệm thuộc chương “Dòng điện trong các môi trường” (Vật lí 11) còn thiếu về số lượng, chủ yếu dừng ở mức định tính. Các phép đo bằng đồng hồ đa năng hiện số có độ chính xác chưa cao, khó sử dụng và chưa thực hiện được các phép đo tín hiệu nhỏ cỡ millivolt (mV). Trong khi đó, các thiết bị nhập khẩu kết nối máy vi tính (MVT) có giá thành cao, chưa phổ biến rộng rãi. Vì vậy, việc thiết kế các bộ thí nghiệm ghép nối máy tính có độ chính xác cao từ linh kiện bán dẫn thông dụng, giá thành thấp, phục vụ đo đạc định lượng là một yêu cầu cấp thiết.

Mục đích nghiên cứu của đề tài là xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” (Vật lí 11) nhằm phát triển NLKH cho học sinh THPT.

Ba câu hỏi nghiên cứu được luận án đặt ra:

  1. Tổ chức dạy học Vật lí như thế nào để phát triển được NLKH cho học sinh, trong đó có tính đến yếu tố đặc thù của bộ môn Vật lí là phát huy vai trò của thí nghiệm trong các hình thức tổ chức dạy học khác nhau?
  2. Cần xây dựng và sử dụng các thí nghiệm như thế nào để đảm bảo tính khả thi và tính hiệu quả trong việc phát triển NLKH cho học sinh THPT?
  3. Việc đánh giá tính khả thi, hiệu quả về sự phát triển NLKH của học sinh trong dạy học Vật lí có sử dụng các thí nghiệm đã xây dựng sẽ được thực hiện như thế nào?

Giả thuyết khoa học của luận án: “Nếu xây dựng được các thí nghiệm và sử dụng chúng để thiết kế tiến trình dạy học phù hợp với lí luận phát triển năng lực trong dạy học một số kiến thức về ‘Dòng điện trong các môi trường’ (Vật lí 11), thì NLKH của học sinh sẽ được phát triển”.

Đối tượng nghiên cứu bao gồm:

  • Hoạt động dạy học và thí nghiệm hỗ trợ dạy và học một số kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” trong chương trình Vật lí lớp 11 THPT.
  • NLKH của học sinh THPT trong học tập môn Vật lí.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Về nội dung: Xây dựng, hoàn thiện thí nghiệm hỗ trợ và tổ chức hoạt động dạy học một số kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” trong chương trình Vật lí lớp 11 THPT.
  • Về không gian và khách thể: Học sinh lớp 11 tại tỉnh Ninh Bình và thành phố Hà Nội.

Nhiệm vụ nghiên cứu được tác giả phân định thành 7 nhiệm vụ:

  1. Nghiên cứu tổng quan về dạy học phát triển năng lực, đánh giá NLKH của học sinh ở trường phổ thông.
  2. Nghiên cứu lí luận dạy học phát triển năng lực, đánh giá NLKH của học sinh THPT trong học tập môn Vật lí.
  3. Nghiên cứu vai trò của thí nghiệm Vật lí ở trường THPT trong việc phát triển NLKH cho học sinh.
  4. Nghiên cứu thực trạng về sử dụng thí nghiệm trong dạy học kiến thức về “Dòng điện trong các môi trường” theo định hướng phát triển năng lực.
  5. Xây dựng, hoàn thiện 3 bộ thí nghiệm và sử dụng vào thiết kế tiến trình dạy học góp phần phát triển NLKH cho học sinh trong dạy học một số kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn”.
  6. Xây dựng bộ công cụ đánh giá mức độ phát triển NLKH của học sinh trong tiến trình dạy học có sử dụng các thí nghiệm đã xây dựng.
  7. Thực nghiệm sư phạm nhằm đánh giá tính khả thi của các thiết bị thí nghiệm và tiến trình dạy học đã xây dựng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Về lý luận dạy học phát triển năng lực và NLKH, trên thế giới, quan điểm giáo dục dựa trên kết quả đầu ra (OBE) và giáo dục dựa trên năng lực (CBE) được đề xuất từ những năm 1950 bởi Ralph W. Tyler và Benjamin S. Bloom, phát triển mạnh từ thập niên 1970. Tại Hoa Kỳ, Ủy ban Nghiên cứu Khoa học Quốc gia (NRC, 2012) kế thừa các chương trình “Science for All Americans” của Hiệp hội Vì sự tiến bộ của khoa học Hoa Kỳ (AAAS) và “Benchmarks for Science Literacy” (1996) để định hình khung NLKH theo ba hướng: thực hành khoa học và kỹ thuật; khái niệm xuyên suốt; ý tưởng cốt lõi. Chu trình dạy học khoa học do Robert Karplus (1962) khởi xướng được Carl J. Wenning (2011) phát triển thành chu trình 5 giai đoạn: Quan sát (Observation), Thao tác (Manipulation), Khái quát (Generalization), Xác minh (Verification) và Áp dụng (Application). Tại Tây Âu, Sara Frank Bristow và Susan Patrick (2014) khảo sát 28 quốc gia EU về khung năng lực học tập suốt đời. Xavier Roegiers và De Ketele phân tích sự phát triển năng lực học sinh qua hai cấp độ: “năng lực cơ bản” và “năng lực đề cao”. Chương trình PISA của OECD (từ năm 2000, trọng tâm PISA 2015) xác định 3 năng lực thành tố của NLKH: Giải thích các hiện tượng có khoa học; Đánh giá và thiết kế một điều tra khoa học; Trình bày các dữ liệu và bằng chứng khoa học. Tại Nga, công trình của Razumốpxki (1975) về phát triển năng lực sáng tạo trong dạy học Vật lí đặt nền tảng cho dạy học phỏng theo chu trình sáng tạo khoa học. Nghiên cứu của Andrey Vorontsov và Elena Vorontsova (2015) chỉ ra thực trạng giáo dục Nga vẫn nặng về tiếp thu kiến thức. Ở châu Á, Kai-ming Cheng (2017) tổng hợp hệ thống năng lực thế kỷ 21 tại Nhật Bản, Hàn Quốc, Singapore, Hồng Kông, Đài Loan.

Về nghiên cứu chế tạo và sử dụng thí nghiệm hỗ trợ dạy học Vật lí, các công bố quốc tế của Lunetta (1998), Hofstein và Lunetta (1982), Lederman và cộng sự (2002), báo cáo của NRC (2005) chỉ ra rằng dụng cụ thí nghiệm trường học thường cồng kềnh, thiếu chính xác trong kiểm soát biến số và chưa hỗ trợ tốt việc phát triển đầy đủ các thành tố NLKH. Nhóm nghiên cứu CLP (Computer as Learning Partner, Bell, 2005) tại Hoa Kỳ ứng dụng phần mềm xử lý dữ liệu nhiệt động lực học; Jones (2003, Anh), Chiaverina và Vollmer (2005, GIREP), Kireš và Ješková (2009) khẳng định yêu cầu cải tiến thiết bị đo lường hiện đại (cảm biến, máy tính). Tại châu Á, Tokuhei Kametaka và Junichiro Yasuda (2012, Nhật Bản) nhấn mạnh nhu cầu thí nghiệm chi phí thấp; Wang, F. (2012) và Hu, J. (2009, Trung Quốc) phân tích việc đưa công nghệ điện tử cầm tay vào bài thực nghiệm. Các hãng thiết bị quốc tế như PHYWE (với hơn 300 bộ thí nghiệm năm 2008), EV, FESTO, LEYBOLD, PASCO, ADDESTATION đã thương mại hóa nhiều thiết bị ghép nối máy tính.

Tại Việt Nam, các công trình về dạy học phát triển năng lực tiêu biểu gồm: Bernd Meier và Nguyễn Văn Cường (2016) với mô hình cấu trúc 4 năng lực thành tố; Thái Duy Tuyên (2008) với việc chuyển phương pháp khoa học thành phương pháp tự học; Lê Đình Trung và Phan Thị Thanh Hội (2016); Đỗ Hương Trà và nhóm tác giả (2015) về dạy học tích hợp Khoa học tự nhiên; Vũ Trọng Rỹ và Phạm Xuân Quế (2015) về kiểm tra đánh giá theo PISA; Nguyễn Thị Diễm Hằng (2018) về bài tập PISA trong môn Khoa học tự nhiên. Về lí luận thí nghiệm Vật lí, các giáo trình của Phạm Hữu Tòng (2002), Nguyễn Đức Thâm và cộng sự (2003, 2004), tài liệu của Nguyễn Xuân Thành (2013), Lê Văn Giáo (2005) đã xác lập vai trò phương pháp thực nghiệm. Xu hướng thí nghiệm tự tạo bằng vật liệu rẻ tiền được nghiên cứu bởi Nguyễn Ngọc Hưng (2009), Đặng Minh Chưởng (2011), Dương Xuân Quý (2011), Nguyễn Anh Thuấn (2007), Cao Tiến Khoa (2014), Nguyễn Quang Linh (2016), Nguyễn Viết Thanh Minh (2015). Xu hướng ứng dụng công nghệ thông tin và cảm biến có các công trình của Phạm Xuân Quế (2007), Nguyễn Xuân Thành (2003 - phần mềm phân tích video), Nguyễn Văn Biên (2010), Nguyễn Thị Thu Hà (2016). Về mặt thiết bị phần cứng, nhóm HOCDELAM chế tạo USB-HDL9090 nhưng chưa đáp ứng được phép đo tín hiệu dưới 0,5 mV; bộ xử lý DAQ-5104D (liên doanh ĐHSP Hà Nội và GQY Thượng Hải) khó sử dụng và tính tương thích thiết bị chưa linh hoạt.

Hướng nghiên cứu Tác giả tiêu biểu Đóng góp chính Hạn chế/Khoảng trống tồn tại
Khung năng lực khoa học quốc tế NRC (2012), Carl J. Wenning (2011), PISA/OECD (2015) Xác lập các tiêu chuẩn năng lực, chu trình 5 giai đoạn, 3 thành tố NLKH PISA Cần được cụ thể hóa vào chương trình môn học và bối cảnh giáo dục từng nước
Thí nghiệm kết nối vi tính quốc tế Hofstein & Lunetta (1982), Bell (2005), PHYWE (2008) Tự động hóa đo lường, xử lý dữ liệu đồ thị trực quan Thiết bị nhập khẩu giá thành cao, cồng kềnh, khó trang bị đồng loạt
Phát triển năng lực trong nước Thái Duy Tuyên (2008), Vũ Trọng Rỹ & Phạm Xuân Quế (2015) Đưa khung PISA vào đánh giá, chuyển phương pháp khoa học thành tự học Chưa gắn sâu với quy trình chế tạo thiết bị đo tín hiệu nhỏ
Thí nghiệm tự tạo giá rẻ trong nước Nguyễn Ngọc Hưng (2009), Đặng Minh Chưởng (2011) Thiết bị đơn giản, dễ làm từ vật liệu phổ thông Chủ yếu là định tính, chưa đáp ứng các bài đo định lượng chính xác cao
Thiết bị số hóa, cảm biến trong nước Nhóm HOCDELAM (USB-HDL9090), DAQ-5104D (ĐHSP HN - GQY) Bước đầu sản xuất cảm biến, giao diện tiếng Việt Chưa xử lý được tín hiệu bé (< 0,5 mV), tính tương thích linh kiện hạn chế

Khoảng trống mà luận án lựa chọn giải quyết: Chưa có công trình nào nghiên cứu xây dựng và sử dụng thí nghiệm kết nối máy vi tính sử dụng linh kiện bán dẫn phổ thông, chi phí thấp, có khả năng đo chính xác tín hiệu nhỏ (mV) để dạy học phần “Dòng điện trong các môi trường” (cụ thể là dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn) nhằm phát triển NLKH cho học sinh THPT tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên nền tảng tâm lý học và giáo dục học về năng lực (Rudich, 1986; Xavier Roegiers, 1996; Bùi Hiển, 2013; Chương trình GDPT 2018). Tác giả xác định định nghĩa: “Năng lực là thuộc tính cá nhân được hình thành, phát triển nhờ tố chất sẵn có và quá trình học tập, rèn luyện, biểu hiện ở khả năng vận dụng các kiến thức, kĩ năng và thái độ vào giải quyết thành công một vấn đề, tình huống trong lĩnh vực hoạt động của cá nhân”.

Khung NLKH được cấu trúc theo mô hình PISA 2015, gồm 4 yếu tố: Bối cảnh (cá nhân, địa phương, quốc gia, toàn cầu); Kiến thức (kiến thức khoa học và kiến thức thủ tục); Thái độ (hứng thú, trách nhiệm); và 3 năng lực thành phần: (1) Giải thích các hiện tượng có khoa học; (2) Thiết kế và đánh giá các điều tra khoa học; (3) Trình bày các dữ liệu và bằng chứng một cách khoa học.

Đối chiếu với Chương trình GDPT 2018 môn Vật lí (gồm: Nhận thức Vật lí; Tìm hiểu thế giới tự nhiên dưới góc độ Vật lí; Vận dụng kiến thức, kĩ năng đã học), tác giả xác lập bảng các biểu hiện NLKH của học sinh THPT trong học tập môn Vật lí:

Năng lực thành phần Biểu hiện của học sinh
Giải thích hiện tượng Vật lí có khoa học - Giải thích được các hiện tượng Vật lí diễn ra tự nhiên và trong thí nghiệm.
- Giải thích được mối quan hệ nhân quả giữa các đại lượng cần đo và biến số.
- Giải thích được nguyên nhân sai số, các kết quả thí nghiệm nằm ngoài mong đợi.
- Giải thích được các ứng dụng kĩ thuật có liên quan đến kiến thức Vật lí.
Đánh giá, thiết kế và thực hiện nghiên cứu khoa học Vật lí - Nhận ra vấn đề (câu hỏi) khoa học có thể nghiên cứu, phát biểu được vấn đề.
- Nêu được giả thuyết/dự đoán có khoa học.
- Suy ra được hệ quả có thể kiểm tra bằng thí nghiệm.
- Thiết kế được phương án thí nghiệm khả thi.
- Lựa chọn được dụng cụ phù hợp với phương án thí nghiệm.
- Biết lắp ráp, tiến hành thí nghiệm trong khoảng thời gian hợp lí; kết quả nằm trong khoảng mong đợi.
Phân tích, trình bày dữ liệu thí nghiệm một cách khoa học - Trình bày được kết quả thí nghiệm một cách khoa học.
- Biết dựa vào hình dạng đồ thị để giải thích/dự đoán mối liên hệ giữa các đại lượng.
- Biết phân tích, tính toán kết quả từ các dữ liệu thí nghiệm.
- Biết giải thích các kết quả nằm ngoài khoảng mong đợi.
- Biết sử dụng kết quả thí nghiệm để biện luận tính đúng đắn của kết luận khoa học.

Về lý luận thí nghiệm, luận án phân loại thí nghiệm phổ thông theo mục đích sư phạm:

  1. Thí nghiệm biểu diễn: Thí nghiệm mở đầu (tạo tình huống có vấn đề); Thí nghiệm nghiên cứu (gồm thí nghiệm khảo sát và thí nghiệm kiểm chứng); Thí nghiệm củng cố kiến thức.
  2. Thí nghiệm thực tập: Thí nghiệm trực diện (trên lớp); Thí nghiệm thực hành (tiến hành sau bài học, theo hình thức đồng loạt hoặc cá thể).
  3. Bài tập thí nghiệm: Giao về nhà, yêu cầu tự chế tạo dụng cụ đơn giản và tự lực giải quyết vấn đề.

Khung phân tích tiến trình dạy học được xây dựng dựa trên chu trình sáng tạo khoa học Vật lí 4 giai đoạn của Razumôpxki (1975):

  1. Sự kiện khởi đầu (quan sát hiện tượng hoặc làm thí nghiệm thăm dò để phát hiện vấn đề).
  2. Xây dựng mô hình giả định trừu tượng (đưa ra giả thuyết/dự đoán).
  3. Suy luận rút ra các hệ quả có thể kiểm tra được bằng thí nghiệm.
  4. Thí nghiệm kiểm tra (tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng hoặc điều chỉnh giả thuyết).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm sự phối hợp giữa định tính và định lượng:

  • Phương pháp nghiên cứu lí thuyết: Phân tích, tổng hợp tài liệu chuyên ngành về lí luận dạy học và phát triển NLKH.
  • Phương pháp điều tra thực tiễn: Dùng phiếu điều tra thu thập thông tin về thực trạng sử dụng thiết bị và dạy học phát triển năng lực tại trường THPT.
  • Phương pháp thực nghiệm khoa học: Thiết kế mạch điện tử, gia công phần cứng, hiệu chuẩn cảm biến đo tín hiệu nhỏ (mV), thử nghiệm độ chính xác của 3 bộ thí nghiệm; tổ chức dạy thực nghiệm sư phạm.
  • Phương pháp thống kê toán học: Sử dụng các phần mềm thống kê chuyên dụng xử lý dữ liệu định lượng, so sánh đối chứng để kiểm định giả thuyết khoa học.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu

Chương này tập trung hệ thống hóa cơ sở lịch sử và các công trình nghiên cứu trong nước, quốc tế về hai mảng: dạy học phát triển NLKH và việc chế tạo, sử dụng thiết bị thí nghiệm hỗ trợ dạy học Vật lí. Tác giả phân tích kinh nghiệm từ các mô hình giáo dục Hoa Kỳ (NRC, chu trình 5 giai đoạn Wenning), châu Âu (PISA, mô hình năng lực của Xavier Roegiers), Nga (Razumôpxki) và châu Á (Nhật Bản, Trung Quốc, Singapore).

Chương 1 cũng đánh giá toàn diện các sản phẩm thiết bị thí nghiệm hiện có: các bộ thí nghiệm của nước ngoài (PHYWE, PASCO) có độ chính xác cao nhưng đắt tiền; các thiết bị trong nước sản xuất còn tồn tại nhược điểm (nhóm HOCDELAM chưa đo được điện áp dưới 0,5 mV; bộ DAQ-5104D khó sử dụng, tính đóng kín cao). Tác giả khảo sát thực trạng giảng dạy chương “Dòng điện trong các môi trường” Vật lí 11 tại các trường THPT và chỉ ra rằng các thí nghiệm còn mang tính định tính, thiếu đồng bộ, dẫn đến hạn chế trong việc rèn luyện kĩ năng thu thập dữ liệu định lượng của học sinh. Từ đó, chương 1 xác lập 3 câu hỏi nghiên cứu làm kim chỉ nam cho toàn bộ luận án.

Chương 2: Cơ sở lí luận và thực tiễn

Chương 2 làm rõ hệ thống khái niệm công cụ: năng lực, năng lực khoa học, năng lực Vật lí. Trên cơ sở phân tích cấu trúc PISA 2015 và Chương trình GDPT 2018 môn Vật lí, tác giả đề xuất bảng cấu trúc NLKH của học sinh THPT trong học tập Vật lí gồm 3 năng lực thành phần với 15 biểu hiện hành vi cụ thể (Bảng 2.3).

Về mặt lí luận dạy học, chương này phân tích sâu vai trò của thí nghiệm theo chu trình sáng tạo khoa học của Razumôpxki, chỉ ra cách thức thí nghiệm hỗ trợ học sinh ở từng khâu: tạo sự kiện khởi đầu kích thích tư duy, hỗ trợ xây dựng dự đoán/mô hình giả định và đóng vai trò kiểm tra hệ quả suy luận. Luận án phân tích chi tiết cơ chế sư phạm của các loại thí nghiệm: biểu diễn (mở đầu, nghiên cứu khảo sát, nghiên cứu kiểm chứng, củng cố), thực tập (trực diện, thực hành đồng loạt/cá thể) và bài tập thí nghiệm tự làm ở nhà. Chương 2 cũng tổng kết số liệu điều tra thực tiễn dạy học Vật lí có sử dụng thí nghiệm tại các trường THPT thuộc tỉnh Ninh Bình và Hà Nội, khẳng định tính cần thiết của việc xây dựng các bộ thí nghiệm định lượng kết nối máy tính.

Chương 3: Xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” nhằm phát triển NLKH cho học sinh

Chương này trình bày toàn bộ giải pháp kỹ thuật và giải pháp sư phạm của luận án. Về mặt kỹ thuật, tác giả đề xuất 3 nguyên tắc xây dựng thiết bị thí nghiệm: đảm bảo tính khoa học - chính xác, đảm bảo tính sư phạm - trực quan, và đảm bảo tính kinh tế - khả thi (sử dụng linh kiện bán dẫn phổ thông, giá rẻ). Tác giả đã thiết kế và chế tạo thành công thiết bị đo, thu thập và xử lý dữ liệu với các phép đo tín hiệu nhỏ (mV), khắc phục ngưỡng giới hạn dưới 0,5 mV mà các thiết bị trong nước trước đó chưa đạt được. Tác giả hoàn thiện 3 bộ thí nghiệm định lượng:

  1. Bộ thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của điện trở kim loại vào nhiệt độ và hiện tượng nhiệt điện.
  2. Bộ thí nghiệm khảo sát đường đặc trưng Vôn - Ampe của điốt bán dẫn.
  3. Bộ thí nghiệm khảo sát tranzito (transistor).

Về mặt sư phạm, tác giả đề xuất 6 biện pháp sử dụng thí nghiệm và xây dựng quy trình dạy học sử dụng thí nghiệm qua 3 hình thức: dạy học kiến thức mới, tổ chức bài thực hành thí nghiệm và hướng dẫn giải bài tập thí nghiệm ở nhà. Trên nền tảng đó, tác giả thiết kế tiến trình dạy học chi tiết cho 4 nội dung kiến thức cụ thể về dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn, kèm theo bộ công cụ đánh giá mức độ phát triển NLKH (gồm các tiêu chí, chỉ báo và rubric đánh giá tương ứng).

Chương 4: Thực nghiệm sư phạm

Chương 4 mô tả quá trình triển khai thực nghiệm sư phạm tại các trường THPT trên địa bàn tỉnh Ninh Bình và thành phố Hà Nội nhằm kiểm định tính khả thi của thiết bị và hiệu quả của tiến trình dạy học đã thiết kế. Tác giả tiến hành chọn mẫu thực nghiệm (TN) và đối chứng (ĐC) tương đương, sử dụng bộ công cụ đánh giá đã xây dựng để đo lường các biểu hiện NLKH của học sinh trước, trong và sau các bài học.

Dữ liệu thực nghiệm thu được từ các bài kiểm tra, phiếu quan sát hành vi, báo cáo thí nghiệm được xử lý bằng các phương pháp thống kê toán học (phần mềm chuyên dụng). Kết quả phân tích định lượng cho thấy học sinh các lớp thực nghiệm có sự chuyển biến rõ rệt về khả năng thiết kế phương án thí nghiệm, thao tác đo lường, kỹ năng xử lý dữ liệu định lượng và biện luận khoa học so với lớp đối chứng. Các kết quả này chứng minh tính đúng đắn của giả thuyết khoa học đã đề ra.

Kết quả và những đóng góp mới

Về mặt lí luận:

  • Xây dựng được hệ thống 3 nguyên tắc xây dựng và 6 biện pháp sử dụng thí nghiệm hỗ trợ dạy học Vật lí nhằm phát triển NLKH cho học sinh THPT.
  • Xây dựng được quy trình sử dụng thí nghiệm hỗ trợ hoạt động dạy và học kiến thức mới, thực hành thí nghiệm và giải bài tập thí nghiệm ở nhà theo định hướng phát triển NLKH.
  • Xây dựng được bộ công cụ đánh giá mức độ phát triển NLKH của học sinh THPT trong học tập môn Vật lí có sử dụng thí nghiệm, bám sát các tiêu chuẩn PISA 2015 và Chương trình GDPT 2018.

Về mặt thực tiễn:

  • Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị thu thập và xử lý số liệu thí nghiệm với các phép đo tín hiệu nhỏ (mV), có độ chính xác cao từ các linh kiện bán dẫn phổ biến, chi phí thấp, phù hợp với điều kiện kinh tế của các trường phổ thông.
  • Xây dựng và đưa vào sử dụng 3 bộ thí nghiệm định lượng trong dạy học kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” (Vật lí 11).
  • Xây dựng được tiến trình dạy và học cho 4 nội dung kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” (Vật lí 11) có ứng dụng các thí nghiệm đã chế tạo.
  • Xây dựng bộ công cụ đánh giá mức độ phát triển NLKH của học sinh áp dụng cụ thể trong và sau khi học 4 nội dung kiến thức trên.

Kiến nghị, giải pháp đề xuất:

  • Khuyến nghị các trường THPT tạo điều kiện đưa các thiết bị thí nghiệm số hóa ghép nối máy vi tính vào giảng dạy để học sinh làm quen với phương pháp nghiên cứu hiện đại.
  • Đề xuất nhân rộng các bộ thí nghiệm tự chế tạo từ linh kiện giá rẻ nhằm khắc phục tình trạng thiếu thiết bị định lượng tại các trường còn khó khăn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Về phạm vi nội dung: Luận án mới chỉ tập trung chế tạo và tổ chức dạy học cho 4 nội dung kiến thức thuộc phần “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn”, chưa bao quát toàn bộ các môi trường dẫn điện khác trong chương (như dòng điện trong chất điện phân, chất khí, chân không).
  • Về phạm vi thực nghiệm: Địa bàn triển khai thực nghiệm sư phạm chỉ mới giới hạn tại một số trường THPT trên địa bàn tỉnh Ninh Bình và thành phố Hà Nội.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Tiếp tục hoàn thiện phần cứng, nâng cao độ bền và phát triển phần mềm giao diện thu thập dữ liệu thân thiện hơn cho học sinh.
  • Mở rộng việc nghiên cứu, chế tạo các bộ thí nghiệm kết nối máy vi tính cho các phần kiến thức khác trong chương trình Vật lí THPT và mở rộng địa bàn thử nghiệm ra các tỉnh thành khác.

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp tài liệu tham khảo cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, cán bộ nghiên cứu chuyên ngành Lý luận và Phương pháp dạy học bộ môn Vật lí và Khoa học Giáo dục: Tham khảo về khung lí luận đánh giá NLKH kết hợp giữa PISA và Chương trình GDPT 2018, cùng quy trình tích hợp chu trình sáng tạo Razumôpxki vào bài học thực nghiệm.
  • Giáo viên Vật lí THPT: Tham khảo trực tiếp sơ đồ mạch, nguyên lí chế tạo các bộ thí nghiệm đo tín hiệu nhỏ (mV) bằng linh kiện rẻ tiền, cùng giáo án chi tiết của 4 tiến trình dạy học kiến thức bán dẫn và kim loại.
  • Các nhà quản lý giáo dục, chuyên viên thiết bị trường học: Có căn cứ thực tế để xem xét phương án trang bị các mô-đun thí nghiệm số hóa chi phí thấp thay thế cho các bộ thí nghiệm truyền thống kém chính xác hoặc thiết bị ngoại nhập đắt tiền.

Phần đáng tham khảo nhất của luận án là Bảng các biểu hiện NLKH của học sinh THPT trong môn Vật lí (Bảng 2.3) và các giải pháp kỹ thuật chế tạo mạch đo tín hiệu điện áp nhỏ kết nối máy tính.

Câu hỏi thường gặp

1. Khung năng lực khoa học (NLKH) của luận án dựa trên nguồn tham chiếu nào?
Luận án kết hợp giữa khung đánh giá NLKH của PISA 2015 (gồm 3 năng lực thành phần: Giải thích các hiện tượng có khoa học; Đánh giá và thiết kế các điều tra khoa học; Trình bày các dữ liệu và bằng chứng một cách khoa học) với yêu cầu cần đạt về năng lực Vật lí trong Chương trình Giáo dục phổ thông 2018 của Bộ Giáo dục và Đào tạo Việt Nam.

2. Điểm hạn chế chính của các thiết bị thí nghiệm hiện hành về chương "Dòng điện trong các môi trường" mà luận án chỉ ra là gì?
Các thiết bị theo danh mục tối thiểu hiện hành còn thiếu về số lượng, chủ yếu là thí nghiệm định tính. Các phép đo dùng đồng hồ đa năng hiện số có độ chính xác không cao, khó sử dụng và không thực hiện được các phép đo tín hiệu bé cỡ millivolt (mV) như hiện tượng nhiệt điện. Các thiết bị nhập khẩu (PHYWE, PASCO) thì giá thành quá cao, còn thiết bị trong nước (nhóm HOCDELAM) chưa đáp ứng được độ ổn định với tín hiệu nhỏ dưới 0,5 mV.

3. Luận án đã chế tạo bao nhiêu bộ thí nghiệm và phục vụ cho những nội dung nào?
Tác giả đã chế tạo và đưa vào sử dụng 3 bộ thí nghiệm kết nối máy vi tính bằng các linh kiện bán dẫn phổ biến, giá rẻ để phục vụ dạy học 4 nội dung kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” (Vật lí 11).

4. Chu trình sáng tạo khoa học được luận án vận dụng trong dạy học gồm những giai đoạn nào?
Luận án vận dụng chu trình sáng tạo khoa học Vật lí 4 giai đoạn của Razumôpxki (1975): (1) Sự kiện khởi đầu; (2) Xây dựng mô hình giả định trừu tượng; (3) Suy luận rút ra các hệ quả có thể kiểm tra được bằng thí nghiệm; (4) Thí nghiệm kiểm tra.

5. Khách thể và địa bàn thực nghiệm sư phạm của luận án được tiến hành ở đâu?
Thực nghiệm sư phạm được tiến hành trên đối tượng học sinh lớp 11 tại các trường THPT thuộc tỉnh Ninh Bình và thành phố Hà Nội.

Kết luận

Luận án đã giải quyết vấn đề cấp thiết trong việc đổi mới phương pháp dạy học Vật lí theo định hướng phát triển năng lực khoa học thông qua việc chế tạo các bộ thí nghiệm số hóa đo tín hiệu nhỏ với chi phí thấp. Hệ thống 3 nguyên tắc chế tạo, 6 biện pháp sư phạm cùng 3 bộ thí nghiệm định lượng về dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn đã được xây dựng hoàn chỉnh và đưa vào thử nghiệm. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở lí luận và giải pháp thực tiễn có giá trị cho việc triển khai dạy học thực nghiệm môn Vật lí theo Chương trình Giáo dục phổ thông 2018.