Luận án tiến sĩ phát triển năng lực tích hợp kiến thức các khoa học tự nhiên của sinh viên sư phạm vật lí trong dạy học vật lí đại cương phần vật lí nguyên tử hạt nhân

Luận án tiến sĩ nghiên cứu phát triển năng lực tích hợp kiến thức khoa học tự nhiên cho sinh viên sư phạm vật lí trong dạy học vật lí đại cương.

• Tác giả: Trần Thị Kiểm Thu
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đình Thước
• Trường học: Trường Đại học Vinh
• Chuyên ngành: Lý luận và Phương pháp dạy học bộ môn Vật lý
• Đề tài: Phát triển năng lực tích hợp kiến thức các khoa học tự nhiên của sinh viên sư phạm Vật lí trong dạy học Vật lí đại cương phần “Vật lí nguyên tử hạt nhân”
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Nghệ An

Tóm tắt

I. Tổng quan về phát triển năng lực tích hợp kiến thức khoa học tự nhiên

Phát triển năng lực tích hợp kiến thức khoa học tự nhiên cho sinh viên sư phạm vật lý là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong giáo dục hiện đại. Năng lực này không chỉ giúp sinh viên hiểu sâu về các môn học mà còn tạo điều kiện cho họ áp dụng kiến thức vào thực tiễn. Việc tích hợp kiến thức giữa các môn học giúp sinh viên phát triển tư duy phản biện và khả năng giải quyết vấn đề. Theo nghiên cứu của Trần Thị Kiểm Thu (2021), việc giảng dạy theo hướng tích hợp không chỉ nâng cao chất lượng học tập mà còn giúp sinh viên hình thành các kỹ năng cần thiết cho nghề nghiệp tương lai.

1.1. Khái niệm năng lực tích hợp kiến thức khoa học tự nhiên

Năng lực tích hợp kiến thức khoa học tự nhiên được hiểu là khả năng kết nối và áp dụng kiến thức từ nhiều lĩnh vực khác nhau trong quá trình học tập và giảng dạy. Điều này bao gồm việc sử dụng kiến thức từ vật lý, hóa học, sinh học để giải quyết các vấn đề thực tiễn. Nghiên cứu cho thấy rằng sinh viên có năng lực tích hợp tốt sẽ có khả năng tư duy sáng tạo và phản biện cao hơn.

1.2. Tầm quan trọng của năng lực tích hợp trong giáo dục

Năng lực tích hợp không chỉ quan trọng trong việc giảng dạy mà còn trong việc học tập. Sinh viên sư phạm cần có khả năng kết nối kiến thức từ các môn học khác nhau để tạo ra một cái nhìn toàn diện về các vấn đề khoa học. Điều này giúp họ trở thành những giáo viên có khả năng truyền đạt kiến thức một cách hiệu quả và sáng tạo.

II. Vấn đề và thách thức trong phát triển năng lực tích hợp

Mặc dù việc phát triển năng lực tích hợp kiến thức khoa học tự nhiên cho sinh viên sư phạm vật lý là cần thiết, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là sự thiếu hụt trong chương trình đào tạo hiện tại, nơi mà các môn học thường được giảng dạy một cách tách biệt. Điều này dẫn đến việc sinh viên không thể thấy được mối liên hệ giữa các môn học. Theo Trần Thị Kiểm Thu (2021), việc thiếu các phương pháp giảng dạy tích hợp cũng là một rào cản lớn.

2.1. Thiếu hụt trong chương trình đào tạo

Chương trình đào tạo hiện tại thường không chú trọng đến việc tích hợp kiến thức giữa các môn học. Điều này khiến sinh viên gặp khó khăn trong việc áp dụng kiến thức vào thực tiễn. Cần có sự thay đổi trong cách thiết kế chương trình để khắc phục vấn đề này.

2.2. Khó khăn trong việc áp dụng phương pháp dạy học tích hợp

Nhiều giảng viên vẫn còn e ngại khi áp dụng các phương pháp dạy học tích hợp. Họ thường quen với cách giảng dạy truyền thống và thiếu kỹ năng cần thiết để thực hiện các phương pháp mới. Việc đào tạo giảng viên về phương pháp dạy học tích hợp là rất cần thiết.

III. Phương pháp dạy học tích hợp hiệu quả cho sinh viên sư phạm vật lý

Để phát triển năng lực tích hợp kiến thức khoa học tự nhiên, cần áp dụng các phương pháp dạy học tích hợp hiệu quả. Một số phương pháp như dạy học theo chủ đề, học tập dựa trên dự án và sử dụng công nghệ thông tin trong giảng dạy đã được chứng minh là có hiệu quả. Theo nghiên cứu của Trần Thị Kiểm Thu (2021), việc áp dụng các phương pháp này không chỉ giúp sinh viên hiểu bài tốt hơn mà còn kích thích sự sáng tạo và tư duy phản biện.

3.1. Dạy học theo chủ đề tích hợp

Dạy học theo chủ đề tích hợp là phương pháp kết hợp nhiều môn học trong một chủ đề chung. Phương pháp này giúp sinh viên thấy được mối liên hệ giữa các môn học và áp dụng kiến thức vào thực tiễn. Nghiên cứu cho thấy rằng sinh viên tham gia vào các chủ đề tích hợp có khả năng ghi nhớ và hiểu bài tốt hơn.

3.2. Học tập dựa trên dự án

Học tập dựa trên dự án là một phương pháp dạy học tích cực, nơi sinh viên làm việc theo nhóm để giải quyết các vấn đề thực tiễn. Phương pháp này không chỉ giúp sinh viên phát triển kỹ năng làm việc nhóm mà còn khuyến khích họ tìm tòi, khám phá và áp dụng kiến thức vào thực tế.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Việc áp dụng các phương pháp dạy học tích hợp đã mang lại nhiều kết quả tích cực trong việc phát triển năng lực tích hợp kiến thức khoa học tự nhiên cho sinh viên sư phạm vật lý. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy sinh viên có sự tiến bộ rõ rệt trong việc áp dụng kiến thức vào thực tiễn. Theo Trần Thị Kiểm Thu (2021), sinh viên tham gia vào các hoạt động dạy học tích hợp có khả năng giải quyết vấn đề tốt hơn và tự tin hơn trong việc trình bày ý tưởng.

4.1. Kết quả từ thực nghiệm sư phạm

Các kết quả từ thực nghiệm sư phạm cho thấy rằng sinh viên có sự tiến bộ rõ rệt trong việc phát triển năng lực tích hợp. Họ có khả năng áp dụng kiến thức vào thực tiễn và giải quyết các vấn đề phức tạp một cách hiệu quả.

4.2. Phản hồi từ sinh viên và giảng viên

Phản hồi từ sinh viên và giảng viên cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp dạy học tích hợp đã tạo ra một môi trường học tập tích cực. Sinh viên cảm thấy hứng thú hơn với việc học và có khả năng tham gia tích cực vào các hoạt động học tập.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Phát triển năng lực tích hợp kiến thức khoa học tự nhiên cho sinh viên sư phạm vật lý là một nhiệm vụ quan trọng và cần thiết. Việc áp dụng các phương pháp dạy học tích hợp không chỉ giúp sinh viên hiểu bài tốt hơn mà còn phát triển các kỹ năng cần thiết cho nghề nghiệp tương lai. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và cải tiến các phương pháp dạy học để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của giáo dục hiện đại.

5.1. Đề xuất cải tiến chương trình đào tạo

Cần có sự cải tiến trong chương trình đào tạo để tích hợp kiến thức giữa các môn học. Việc này sẽ giúp sinh viên có cái nhìn toàn diện hơn về các vấn đề khoa học và phát triển năng lực tích hợp tốt hơn.

5.2. Tăng cường đào tạo giảng viên

Đào tạo giảng viên về các phương pháp dạy học tích hợp là rất cần thiết. Giảng viên cần được trang bị kỹ năng và kiến thức để áp dụng các phương pháp này một cách hiệu quả trong giảng dạy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LỊCH SỬ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Các nghiên cứu về dạy học tích hợp 1. Các nghiên cứu ở nước ngoài Từ những năm 1970, xu hướng liên ngành trong nghiên cứu khoa học bắt đầu phát triển. Lariviere cho rằng sự phát triển đó một phần là nhờ vào các thư viện, nơi bắt đầu tăng dự trữ tạp chí đặt định kỳ, các nhà nghiên cứu có thể tiếp cận các tạp chí thuộc các lĩnh vực khác, ví dụ một nhà Vật lí có thể dễ dàng tham khảo các tạp chí về sinh học.

Hơn nữa, Mỹ cũng bắt đầu chuyển hướng tập trung từ nghiên cứu cơ bản sang những vấn đề xã hội như bảo vệ môi trường, những vấn đề khó có thể được giải quyết bởi một lĩnh vực riêng lẻ. Theodore Brown thuộc Viện nghiên cứu tại Đại học Illinois đã kêu gọi các nhà tài trợ đầu tư 40 triệu USD để xây dựng Viện nghiên cứu liên ngành và cho rằng điều này sẽ cho phép giải quyết những vấn đề khoa học và xã hội lớn hơn so với khi chúng ta làm việc trong từng ngành riêng rẽ. Mặc dù dự án này gặp phải nhiều phản đối từ các đồng nghiệp, bởi lẽ cách phân chia ngành học đã trở thành một đặc điểm cơ bản của rất nhiều trường đại học thời bấy giờ, nhưng viện cũng đã được thành lập năm 1983 theo ý tưởng của Brown dưới sự đồng tình và ủng hộ tài chính của Beckman với tên gọi “Beckman Institute for Advanced Science and Technology”, đây là một ví dụ sơ khai về tiến trình thúc đẩy các nghiên cứu liên ngành mà ngày nay đang lan rộng ở khắp các trường đại học trên toàn cầu [30]. “Trí tuệ của con người thực chất là một quá trình xã hội và tiến hóa” [82].

Theo thuyết phát triển nhận thức “Life and theory of cognitive development” của Piaget, ông cho rằng trung tâm của quá trình nhận thức là các hoạt động trí tuệ như nhận biết, phân tích, hệ thống hóa các sự kiện và các hiện tượng, nhớ lại những kiến thức đã học, giải quyết các vấn đề [77]. Thuyết nhận thức của Piaget cũng góp phần phát triển ngành tâm lí học nhận thức hiện đại, giải thích hành vi của con người như là sự hiểu biết của trí óc, thuyết có liên quan đến việc tiếp nhận thông tin và cách tiếp cận xử lí thông tin. Từ thuyết nhận thức của Piaget, học sinh được hình thành và phát triển nhận thức thông qua 6 các hoạt động học tập có thử thách, giáo viên cần tạo tình huống mới để học sinh được cơ hội phân tích, lập luận, từ đó sẽ phát triển cho họ những tri thức mới. Các ưu điểm liên quan đến dạy học tích hợp về khoa học tự nhiên được nghiên cứu rộng rãi trên phạm vi quốc tế [51], [103].

Trong đó, các tác giả kể đến hướng tích hợp như một cách tiếp cận kiến tạo vì đã cung cấp cho người học cơ hội phong phú hơn để thiết lập kết nối giữa những kiến thức mới và kiến thức trước đó. Giáo viên đặt mục tiêu khi thực hiện chương trình giảng dạy tích hợp là để cho học sinh thấy kiến thức trong các ngành học có liên quan đến nhau trong một thế giới tự nhiên. Xavier Rogiers đánh giá tầm quan trọng của dạy học tích hợp trong giáo dục như sau “Nếu nhà trường chỉ quan tâm dạy cho học sinh các khái niệm một cách rời rạc thì nguy cơ sẽ hình thành ở học sinh các suy luận khép kín, sẽ hình thành những con người mù chức năng, nghĩa là những người đã lĩnh hội kiến thức nhưng không có khả năng sử dụng các kiến thức đó hàng ngày” [51]. Các nhà khoa học giáo dục một số nước như Anh, Romania nghiên cứu về năng lực của giáo viên Vật lí [78].

Theo đó, năng lực của giáo viên Vật lí (Physics teaching competences) đòi hỏi phải có kĩ năng dạy cho học sinh về bản chất và giá trị của khoa học, nhận thức khoa học cũng như sử dụng ngôn ngữ khoa học trong môn Vật lí, đồng thời giáo viên Vật lí còn phải có năng lực thúc đẩy phát triển kiến thức khoa học bằng cách vạch ra các chiến lược dạy học tích cực [78, tr. Như vậy, các nhóm năng lực của giáo viên Vật lí bao gồm kiến thức khoa học, kĩ năng sử dụng ngôn ngữ khoa học trong môn Vật lí và kĩ năng dạy học các môn khoa học. Đối với kiến thức khoa học, kĩ năng sử dụng ngôn ngữ khoa học trong môn Vật lí, các nhà nghiên cứu đề xuất SV được học tập một số học phần có liên quan đến Vật lí bao gồm “Physics-related optional subjects”, ví dụ như Hóa học, Sinh học, Vật lí thiên văn, Vật lí trong Địa lý (Geophysics) ngoài ra còn có các học phần ứng dụng kiến thức Vật lí vào trong các lĩnh vực khác bao gồm: Nguyên tắc Vật lí trong vận hành thiết bị máy móc, Vật lí trong y học và thể thao, Vật lí khí hậu, Vật lí trong sử dụng năng lượng và môi trường, các học phần này có mục tiêu đề cập đến mối quan hệ Vật lí đến các sự vật, hiện tượng trong cuộc sống, các học phần này được gọi tên chung là “Physics in other Sciences” [78, tr. 7 Để việc bồi dưỡng năng lực dạy học tích hợp cho SV sư phạm Vật lí có hiệu quả, bên cạnh nội dung dạy học, người giảng viên cần quan tâm đến xây dựng tiêu chí đánh giá năng lực dạy học tích hợp cho SV sư phạm Vật lí một cách phù hợp, trong đó cần quan tâm đánh giá hai tiêu chí đó là kiến thức khoa học tích hợp và phương pháp sử dụng các kĩ thuật dạy học tích hợp.

Tác giả Adrienne cho rằng một chương trình đào tạo giáo viên khoa học nên tập trung bồi dưỡng cho SV về kiến thức chuyên ngành và kiến thức liên môn, để giúp họ nhận thức về các mối quan hệ giữa các khoa học, đồng thời cần bồi dưỡng cho SV có năng lực xây dựng các tình huống thực tế phù hợp với lớp học, đó là tình huống dựa trên vấn đề hoặc các dự án (để cá nhân thực hiện hoặc thực hiện theo nhóm nhỏ) [64]. Fogarty mô tả ba hình thức bao gồm mười phương pháp tích hợp cơ bản của việc tích hợp chương trình giảng dạy [70]. Marzano đề xuất khung chương trình giảng dạy nhằm mục tiêu phát triển nhận thức cho người học, tác giả cho rằng các quá trình tư duy của SV bao gồm hình thành khái niệm, thu thập thông tin và giải quyết vấn đề [80]. Hiện nay, mô hình dạy học theo chủ đề tích hợp vẫn được một số nước như Đức và Thụy Sĩ áp dụng khi dạy Vật lí bậc đại học trong khi nước Áo áp dụng dạy học theo kiểu truyền thống, tác giả Leopold Mathelitsch đã nghiên cứu so sánh ba cấu trúc năng lực dạy học Vật lí của giáo viên ở Đức, Áo và Thụy Sĩ [79], nhìn chung mô hình dạy học theo tiếp cận năng lực ở ba nước này khá tương đồng, đó là cấu trúc ba chiều gồm có nội dung, kĩ năng và các mức độ.

Đối với chuyên ngành Vật lí, những nội dung kiến thức trong giáo trình ở nước Áo được trình bày dưới dạng liệt kê các học phần như Cơ học, Điện từ, Nhiệt động lực học, Quang học và Vật chất. Ngược lại, nội dung dạy học Vật lí ở Đức và Thụy Sĩ được thiết kế theo hình thức dạy học chủ đề tích hợp như năng lượng, Trái đất và các hành tinh, cơ thể người, thực vật và động vật, hệ sinh thái, xã hội và công nghệ. Hầu hết SV sư phạm Vật lí bậc đại học sau khi tốt nghiệp sẽ được phân công nhiệm vụ để dạy môn Vật lí ở trường THPT [72]. Tuy nhiên thực tế ở một số nước Đông nam Á trong đó có Indonesia, nhiều SV đại học sư phạm chuyên ngành Vật lí sau khi tốt nghiệp đã trở thành giáo viên trung học cơ sở.

Dựa vào thống kê kết quả điều tra, các tác giả Hartono và Nugroho kết luận rằng SV không có cơ hội hoặc có cơ hội rất hạn 8 chế để tích hợp kiến thức trong các môn học trong quá trình học đại học, điều này dẫn đến hệ quả là SV tốt nghiệp không đủ năng lực để dạy học tích hợp. Các tác giả đề xuất biện pháp để rèn luyện năng lực tích hợp kiến thức liên môn cho SV sư phạm Vật lí, theo đó SV sư phạm Vật lí được giảng viên yêu cầu đề xuất tên chủ đề tích hợp, nội dung cụ thể của từng chủ đề tích hợp và phát triển các chủ đề này thành bài giảng tích hợp các khoa học cho đối tượng là SV năm thứ ba và thứ tư. Theo đó, giảng viên yêu cầu SV phát triển các chủ đề có nội dung tích hợp các khoa học, tự đề xuất và viết chủ đề như nội dung tích hợp nội môn hoặc liên môn tùy chọn. Kết quả nghiên cứu cho thấy phần lớn các tài liệu tích hợp được phát triển bởi các SV sư phạm Vật lí tập trung vào một số chủ đề nội môn (Vật lí), liên môn (Vật lí -Sinh học) và đa môn (Vật lí-Sinh học- Hóa học).

Chẳng hạn như tích hợp nội môn (Vật lí) bao gồm nhiệt, chất lỏng, nhiệt động lực học, âm thanh, quang học, điện và chuyển động; tích hợp liên môn (Vật lí-Sinh học): Quang hợp, tích hợp đa môn (Vật lí -Sinh học-Hóa học): Năng lượng [72]. Theo tác giả Beane, mô hình dạy học tích hợp kiến thức các khoa học là một mô hình cần được ủng hộ và duy trì, bởi vì trong nội dung dạy học tích hợp, các lĩnh vực kiến thức không phải là đối chọi lẫn nhau, Beane cho rằng mô hình này hữu ích cho người học hơn là chỉ dạy học các môn học riêng lẻ, bởi vì kiến thức của từng ngành học rất cần thiết trong việc tìm hiểu một chủ đề hay một dự án học tập [76]. Tại Mỹ, việc giải quyết các vấn đề thiếu giáo viên dạy học khoa học tự nhiên (Lí, Hóa, Sinh) và Toán học đã dẫn đến hơn 151 chương trình đào tạo khác nhau. Thông thường, đa số SV tốt nghiệp đại học sư phạm chỉ dạy một môn học ví dụ như sư phạm Hóa học, sư phạm Vật lí, SV không được đào tạo để dạy khoa học khác hoặc thuộc lĩnh vực rộng hơn [83].