Tổng quan luận án
Công trình khoa học được mô tả là luận án tiến sĩ khoa học giáo dục với đề tài “Tổ chức hoạt động dạy học vật lí “Xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm tĩnh điện nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề của học sinh lớp 11””, do nghiên cứu sinh Nguyễn Minh Thuần thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Hà Nội thuộc Bộ Giáo dục và Đào tạo, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Ngọc Hưng và TS. Dương Xuân Quý, bảo vệ năm 2022. Chuyên ngành đào tạo của luận án là Lí luận và Phương pháp dạy học bộ môn Vật lí, mã số 9.14.01.11.
Tính cấp thiết của luận án xuất phát từ yêu cầu đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo theo tinh thần Nghị quyết số 29-NQ/TW của Hội nghị Trung ương 8 khóa XI, Nghị quyết số 88/2014/QH13 của Quốc hội và Chỉ thị số 16/CT-TTg năm 2017 của Thủ tướng Chính phủ về tăng cường năng lực tiếp cận cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Các định hướng này đặt trọng tâm vào việc chuyển từ trang bị kiến thức sang phát triển toàn diện phẩm chất và năng lực người học, trong đó năng lực giải quyết vấn đề là một trong những năng lực cốt lõi được quy định trong Chương trình Giáo dục phổ thông 2018. Môn Vật lí là môn khoa học thực nghiệm, đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa quan sát, thí nghiệm và suy luận lí thuyết gắn với ứng dụng đời sống và kĩ thuật.
Khoảng trống nghiên cứu được tác giả chỉ rõ nằm ở thực tiễn dạy học phần Tĩnh điện (Chương “Điện tích – Điện trường” trong chương trình Vật lí 11). Dù nội dung này giàu tính ứng dụng kĩ thuật, việc giảng dạy tại trường phổ thông đa phần vẫn nặng về truyền thụ một chiều, học sinh ít được vận dụng vào thực tiễn. Nguyên nhân cơ bản là thiếu thiết bị thí nghiệm thực tập phù hợp; thiết bị tối thiểu hiện có (như máy phát tĩnh điện Wimshurst) bộc lộ nhiều điểm hạn chế về độ ổn định điện thế và độ bền; các thiết bị thí nghiệm từ nước ngoài có giá thành cao và thuộc dạng hộp đen đóng kín; chưa có nghiên cứu đồng bộ về việc giáo viên tự chế tạo thiết bị thực tập để tổ chức cho học sinh hoạt động ngoại khóa kết hợp giải quyết vấn đề và tìm hiểu ứng dụng kĩ thuật.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xây dựng quy trình tổ chức hoạt động ngoại khóa chủ đề “Xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm tĩnh điện”, đặc biệt là việc xác định nội dung, phương pháp dạy học và hình thức tổ chức dạy học chủ đề ngoại khóa nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề của học sinh lớp 11.
Giả thuyết khoa học của đề tài được phát biểu: Nếu xây dựng và vận dụng hợp lí quy trình tổ chức hoạt động ngoại khóa chủ đề (nội dung phong phú, có tính thực tiễn, được nghiên cứu dưới dạng các nhiệm vụ học tập có tính vấn đề, áp dụng phương pháp dạy học giải quyết vấn đề, hình thức tổ chức đa dạng, linh hoạt) thì hoạt động ngoại khóa chủ đề có thể bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề của học sinh.
Nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể qua 6 nhiệm vụ:
- Nghiên cứu cơ sở lí luận về dạy học Vật lí nói chung và về hoạt động ngoại khóa Vật lí nói riêng theo hướng bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề của học sinh; về việc thiết kế, chế tạo và sử dụng thiết bị thí nghiệm thực tập của học sinh trong tiến trình dạy học giải quyết vấn đề.
- Nghiên cứu chương trình Vật lí, sách giáo khoa hiện hành và chương trình Vật lí 2018, các tài liệu liên quan đến tĩnh điện ở lớp 11, dùng làm cơ sở để xây dựng nội dung cụ thể của chủ đề ngoại khóa.
- Tìm hiểu thực tế dạy học Chương “Điện tích - Điện trường” ở trường trung học phổ thông gồm: phương pháp dạy của giáo viên, phương pháp học của học sinh, thực tế thiết bị thí nghiệm và cách thức sử dụng chúng trong dạy học, các khó khăn trong dạy học chương và những sai lầm về mặt kiến thức hay mắc phải của học sinh.
- Thiết kế, chế tạo các thiết bị thí nghiệm đáp ứng yêu cầu thiết bị thí nghiệm thực tập. Tổ chức cho học sinh hoạt động ngoại khóa chế tạo các thiết bị thí nghiệm về tĩnh điện theo kiểu dạy học giải quyết vấn đề.
- Xây dựng quy trình tổ chức hoạt động ngoại khóa chủ đề, bao gồm xác định những nội dung dạy học trong chủ đề (được soạn thảo dưới dạng các nhiệm vụ học tập có tính vấn đề), xác định phương pháp, hình thức tổ chức dạy học cụ thể ứng với từng nhiệm vụ học tập, việc phân chia nhiệm vụ cho các nhóm học sinh, thời lượng thực hiện từng nhiệm vụ.
- Thực nghiệm sư phạm quy trình tổ chức hoạt động ngoại khóa chủ đề đã xây dựng để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của quy trình này đối với việc bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề của học sinh lớp 11; từ đó chỉnh sửa, bổ sung cho hoàn thiện hơn quy trình tổ chức hoạt động ngoại khóa chủ đề.
Đối tượng nghiên cứu là sự hình thành và phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh. Khách thể nghiên cứu là quá trình dạy học trong hoạt động ngoại khóa chủ đề đã lựa chọn. Phạm vi nghiên cứu về nội dung khoa học tập trung vào phần Tĩnh điện thuộc Chương “Điện tích – Điện trường” môn Vật lí lớp 11; phạm vi địa bàn khảo sát thực trạng và thực nghiệm sư phạm được tiến hành tại các trường trung học phổ thông thuộc tỉnh Đồng Tháp (tiêu biểu như Trường Trung học phổ thông Tháp Mười và Trường Trung học phổ thông Đốc Binh Kiều).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Trong luận án, tác giả đã điểm lại hệ thống tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến hai hướng chính: dạy học giải quyết vấn đề nhằm phát triển năng lực, cùng việc chế tạo, sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học Vật lí:
Hướng nghiên cứu về dạy học giải quyết vấn đề và phát triển năng lực:
- Về mặt tâm lí học và giáo dục học quốc tế: Luận án dẫn xuất các lí thuyết phát triển nhận thức của Jean Piaget và Lev Vygotsky về tương tác xã hội và vùng phát triển gần; công trình của I. Danilov (giữa thế kỉ XX) về phương pháp dạy học nêu vấn đề; lí thuyết hoạt động của A. Leontiev; báo cáo nghiên cứu của Ủy ban Khoa học về Hành vi - Xã hội và Giáo dục thuộc Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Hoa Kì (2000) về việc tổ chức cho học sinh học tập theo phương thức nghiên cứu của nhà khoa học; định hướng 4 trụ cột giáo dục của Hội đồng Giáo dục thuộc UNESCO (1997); khung năng lực của Quebec - Canada (2014) và Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD).
- Về nghiên cứu phương pháp dạy học tại Việt Nam: Tác giả điểm lại nghiên cứu của Nguyễn Kỳ (1996), Trần Bá Hoành (1998) về dạy học lấy học sinh làm trung tâm; Nguyễn Đức Thâm và Nguyễn Ngọc Hưng (1998), Phạm Hữu Tòng (2008), Thái Duy Tuyên (2008) về tổ chức hoạt động nhận thức và tiến trình dạy học giải quyết vấn đề trong môn Vật lí; Đỗ Hương Trà (2011, 2018) về phương pháp Bàn tay nặn bột và cấu trúc năng lực. Các nghiên cứu triển khai thiết bị thí nghiệm gắn với dạy học giải quyết vấn đề như Nguyễn Anh Thuấn (2007) ở chương Sóng cơ học; Đặng Minh Chưởng (2011) ở chương Cảm ứng điện từ; Dương Xuân Quý (2011) ở chương Dao động cơ; Hà Duyên Tùng (2014) ở chương Từ trường; nghiên cứu phát triển năng lực giải quyết vấn đề của Nguyễn Thị Thủy (nhiệt học trung học cơ sở) và Mai Hoàng Phương (2021, động lực học chất điểm).
Hướng nghiên cứu về thiết bị thí nghiệm tĩnh điện:
- Thiết bị quốc tế: Tác giả khảo sát thiết bị của các tập đoàn Pasco (Mĩ), Phywe, Fischertechnik, Leybold (Đức), ghi nhận chất lượng tốt nhưng giá thành cao, cấu tạo dạng bộ đóng kín nên khó tổ chức hoạt động tìm tòi mở; thiết bị cân xoắn Cu-lông của Pasco và Leybold có kết cấu phức tạp, dùng hệ gương xác định góc xoắn, kích thước quả cầu lớn dẫn đến sai số khoảng cách.
- Thiết bị và nghiên cứu trong nước: Tác giả dẫn chiếu danh mục thiết bị dạy học tối thiểu của Bộ Giáo dục và Đào tạo ban hành từ năm 2010 với máy phát tĩnh điện Wimshurst bộc lộ hạn chế về độ ổn định điện áp, dễ rò điện khi độ ẩm cao; sáng chế máy phát tĩnh điện Van De Graaff của hai học sinh Lê Văn Hùng và Nguyễn Danh Sơn (Trường THPT Trường Thi – Thanh Hóa, 2015); các luận văn thạc sĩ về tĩnh điện của Nguyễn Hồng Lĩnh (về tụ điện), Phạm Thanh Sơn, Nguyễn Hữu Duẩn, Nguyễn Tuấn Anh, Đinh Thị Huyền Minh (2013, chế tạo cân xoắn kiểm nghiệm định luật Cu-lông nhưng sai số còn lớn, khoảng 20%).
Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định là: Phần lớn các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào dạy học nội khóa; các nghiên cứu về tĩnh điện chỉ dừng lại ở việc chế tạo thiết bị biểu diễn đơn giản hoặc hướng dẫn kĩ thuật tạo sản phẩm mà chưa gắn kết quy trình chế tạo thiết bị thực tập của giáo viên với hoạt động ngoại khóa của học sinh; chưa có công trình nào xây dựng tiến trình dạy học các ứng dụng kĩ thuật của phần tĩnh điện theo con đường giải quyết vấn đề; chưa giải quyết được bài toán sử dụng tư liệu lịch sử khoa học trong dạy học giải quyết vấn đề đối với các định luật không thể thực nghiệm trực tiếp ngay từ đầu như định luật Cu-lông.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án dựa trên khung lí thuyết về năng lực và lí luận dạy học giải quyết vấn đề môn Vật lí:
- Khái niệm năng lực: Sử dụng định nghĩa của Đỗ Hương Trà và cộng sự (2018), theo đó năng lực là thuộc tính cá nhân được hình thành, phát triển nhờ tố chất sẵn có và quá trình học tập, rèn luyện, cho phép con người huy động tổng hợp các kiến thức, kĩ năng và các thuộc tính cá nhân khác để thực hiện thành công một loại hoạt động nhất định, đạt kết quả mong muốn trong những điều kiện cụ thể. Năng lực giải quyết vấn đề của học sinh là sự huy động tổng hợp kiến thức, kĩ năng, thái độ, xúc cảm, động cơ để giải quyết các tình huống trong bối cảnh cụ thể mà các giải pháp không có sẵn ngay lập tức.
- Cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề gồm 4 thành tố, 8 chỉ số hành vi với 3 mức độ biểu hiện (M1, M2, M3) được trình bày trong bảng sau:
| Thành tố năng lực |
Chỉ số hành vi |
Mức độ 1 (M1) |
Mức độ 2 (M2) |
Mức độ 3 (M3) |
| 1. Tìm hiểu tình huống vấn đề - Phát hiện vấn đề |
1.1. Mô tả sự vật, hiện tượng liên quan đến tình huống có vấn đề |
Mô tả sơ lược các quá trình, hiện tượng; thông tin chưa rõ ràng, chưa nêu được điều cần tìm hiểu. |
Mô tả và sắp xếp được các thông tin; nêu được điều cần tìm hiểu hay khó khăn cần giải quyết. |
Xác định, sắp xếp, giải thích được thông tin; nêu được mục tiêu, nhiệm vụ và vấn đề cần giải quyết. |
|
1.2. Đặt được các câu hỏi liên quan đến vấn đề cần giải quyết |
Trình bày được một số câu hỏi riêng rẽ từ thông tin đã cho. |
Trình bày được một số câu hỏi liên quan trực tiếp đến vấn đề cần giải quyết. |
Trình bày được hệ thống câu hỏi rõ ràng và xác định chính xác vấn đề cần giải quyết. |
| 2. Đề xuất giải pháp giải quyết vấn đề |
2.1. Tìm kiếm thông tin liên quan đến việc giải quyết vấn đề |
Bước đầu thu thập thông tin về kiến thức, phương pháp từ các nguồn khác nhau. |
Lựa chọn được nguồn thông tin phù hợp và bước đầu đánh giá được nguồn thông tin đó. |
Lựa chọn toàn bộ nguồn thông tin cần thiết; đánh giá được độ tin cậy, tính hợp lí của thông tin. |
|
2.2. Đề xuất giải pháp giải quyết vấn đề |
Nêu được một số cơ sở, cách thức giải quyết nhưng chưa trọn vẹn. |
Nêu được cơ sở, cách thức và phương án giải quyết vấn đề. |
Nêu được cơ sở, cách thức, phương án và lí giải thuyết phục tính hợp lí của giải pháp. |
| 3. Thực hiện giải pháp giải quyết vấn đề |
3.1. Lập kế hoạch cụ thể để thực hiện giải pháp |
Phân tích giải pháp thành kế hoạch; mô tả sơ bộ ở dạng lời nói hoặc văn bản. |
Phân tích thành kế hoạch cụ thể; diễn đạt qua lời nói, sơ đồ và hình vẽ. |
Phân tích kế hoạch cụ thể; thuyết minh, bảo vệ tính hợp lí của kế hoạch qua lời nói, sơ đồ, hình vẽ. |
|
3.2. Thực hiện giải pháp |
Thực hiện giải pháp theo kế hoạch nhưng cần sự hướng dẫn của người khác. |
Thực hiện giải pháp dựa trên sự nỗ lực tự huy động kiến thức, kĩ năng của bản thân. |
Thực hiện linh hoạt, điều chỉnh kế hoạch để giải quyết nhanh chóng và xác định vấn đề tiếp theo. |
| 4. Đánh giá quá trình giải quyết vấn đề - Phát hiện vấn đề mới |
4.1. Đánh giá quá trình giải quyết vấn đề và điều chỉnh việc thực hiện |
Mô tả được kết quả thu được so với nhiệm vụ để rút ra kết luận ban đầu. |
Mô tả kết quả so với nhiệm vụ; chỉ ra được nguyên nhân của kết quả đạt được. |
Mô tả rõ kết quả, giải thích tính hợp lí của giải pháp và đề xuất được giải pháp tối ưu hơn. |
|
4.2. Phát hiện vấn đề mới cần giải quyết |
Đưa ra khả năng ứng dụng của kết quả trong tình huống tương tự. |
Xem xét kết quả trong tình huống mới; phát hiện khó khăn, vướng mắc cần giải quyết. |
Xem xét kết quả trong tình huống mới; phát hiện và diễn đạt rõ ràng các vấn đề mới cần giải quyết. |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về vấn đề được nghiên cứu
Chương 1 hệ thống hóa lí luận về dạy học giải quyết vấn đề và bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề từ các công trình nghiên cứu giáo dục trên thế giới và tại Việt Nam. Luận án phân tích chi tiết tình hình xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm tĩnh điện. Tác giả chỉ ra rằng các thiết bị nhập ngoại của Pasco, Phywe, Leybold có giá thành cao và khó can thiệp sâu về mặt cấu tạo. Trong khi đó, danh mục thiết bị dạy học tối thiểu ở Việt Nam sử dụng máy phát Wimshurst bộc lộ nhiều điểm hạn chế: điện thế tạo ra không cao, không ổn định, dễ mất điện tích do độ ẩm, vận hành quay tay phức tạp, thí nghiệm về đường sức điện trường không rõ nét và hiện tượng phóng điện kém ổn định.
Đối với thí nghiệm kiểm nghiệm định luật Cu-lông, các trường phổ thông hoàn toàn thiếu thiết bị cân xoắn. Các cân xoắn hiện hành của Leybold, Pasco hoặc thiết kế của Đinh Thị Huyền Minh (2013) gặp nhược điểm: quả cầu tích điện có kích thước lớn so với khoảng cách, hệ thống dây treo dao động khó xác định vị trí cân bằng, phụ thuộc máy Wimshurst, sai số phép đo lên đến 20%. Đối với các ứng dụng kĩ thuật như máy phát tĩnh điện Van De Graaff, thiết bị sơn tĩnh điện, máy lọc bụi tĩnh điện và máy photocopy, nhà trường phổ thông chưa có thiết bị dạy học phù hợp. Từ đó, chương 1 xác định 4 vấn đề cần giải quyết: sử dụng tư liệu lịch sử ở giai đoạn nào trong dạy học giải quyết vấn đề; tiến trình dạy học ứng dụng kĩ thuật theo con đường 1; quy trình chung tổ chức hoạt động ngoại khóa; và việc phân định các thiết bị giáo viên tự chế tạo với thiết bị hướng dẫn học sinh chế tạo.
Chương 2: Cơ sở lí luận và thực tiễn của việc bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trong hoạt động ngoại khóa vật lí
Chương 2 làm rõ các khái niệm về năng lực, cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề (4 thành tố, 8 chỉ số hành vi, 3 mức độ), đề xuất 6 biện pháp bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề. Tác giả xây dựng chi tiết tiến trình dạy học giải quyết vấn đề khi tiếp cận kiến thức qua tư liệu lịch sử và tiến trình dạy học ứng dụng kĩ thuật theo con đường 1; phân tích 3 kiểu định hướng hành động nhận thức của giáo viên, khẳng định trong dạy học giải quyết vấn đề cần ưu tiên định hướng khái quát chương trình hóa. Chương này cũng chuẩn hóa quy trình 4 bước tổ chức hoạt động ngoại khóa, các yêu cầu kĩ thuật - sư phạm đối với thiết bị thí nghiệm thực tập, quy trình 5 giai đoạn xây dựng và 4 giai đoạn sử dụng thiết bị thí nghiệm.
Nội dung thực tiễn của chương 2 phản ánh kết quả điều tra tại tỉnh Đồng Tháp về thực trạng dạy học Chương “Điện tích – Điện trường”. Số liệu điều tra giáo viên và học sinh được tổng hợp trong các bảng sau:
Bảng kết quả điều tra thực trạng phương pháp dạy học và nhận thức đối với giáo viên (50 giáo viên):
| Nội dung câu hỏi khảo sát |
Phương án trả lời |
Tỉ lệ (%) |
| 1. Phương pháp dạy học đã sử dụng khi dạy Chương “Điện tích – Điện trường” |
|
|
| - Diễn giải, thông báo |
Thường xuyên / Không dùng |
84% / 16% |
| - Phương pháp dạy học giải quyết vấn đề |
Thường xuyên / Không dùng |
16% / 84% |
| - Sử dụng thí nghiệm biểu diễn của giáo viên |
Thường xuyên / Không dùng |
54% / 46% |
| - Cho học sinh trực tiếp thực hiện thí nghiệm trong giờ học |
Thường xuyên / Không dùng |
38% / 62% |
| - Cho học sinh chế tạo thiết bị thí nghiệm |
Thường xuyên / Không dùng |
12% / 88% |
| - Sử dụng bài tập thí nghiệm làm bài kiểm tra |
Thường xuyên / Không dùng |
26% / 74% |
| 2. Đánh giá mức độ cần thiết của việc bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề |
Rất cần thiết / Cần thiết / Không cần thiết |
58% / 40% / 2% |
| 3. Đánh giá mức độ năng lực giải quyết vấn đề của học sinh theo từng thành tố |
|
|
| - Tìm hiểu vấn đề |
Yếu / Trung bình / Khá / Tốt |
40% / 30% / 20% / 10% |
| - Đề xuất giải pháp giải quyết vấn đề |
Yếu / Trung bình / Khá / Tốt |
50% / 34% / 10% / 6% |
| - Thực hiện giải pháp giải quyết vấn đề |
Yếu / Trung bình / Khá / Tốt |
52% / 36% / 8% / 4% |
| - Đánh giá việc giải quyết vấn đề, xây dựng vấn đề mới |
Yếu / Trung bình / Khá / Tốt |
60% / 20% / 14% / 6% |
Bảng kết quả điều tra tình hình thiết bị thí nghiệm tĩnh điện đối với giáo viên:
| Câu hỏi khảo sát thực trạng thiết bị |
Phương án trả lời |
Tỉ lệ (%) |
| 1. Khó khăn khi dạy học Chương “Điện tích – Điện trường” |
Kiến thức trừu tượng |
20% |
|
Không có thiết bị thí nghiệm biểu diễn |
50% |
|
Kiến thức có nhiều ứng dụng thực tế |
30% |
| 2. Tình trạng trang bị thiết bị so với danh mục tối thiểu |
Đầy đủ / Không đầy đủ |
20% / 80% |
| 3. Mức độ sử dụng thiết bị khi dạy chương này |
Thường xuyên / Thỉnh thoảng / Không sử dụng |
32% / 12% / 56% |
| 4. Đánh giá khả năng đáp ứng của bộ thiết bị do Bộ GD&ĐT cấp |
Đáp ứng đầy đủ / Đáp ứng một phần / Không đáp ứng |
6% / 64% / 30% |
| 5. Nhu cầu sử dụng vật liệu đơn giản chế tạo thiết bị dạy học |
Rất cần thiết / Cần thiết / Không cần thiết |
34% / 64% / 2% |
| 6. Đánh giá việc chế tạo cân xoắn kiểm nghiệm định luật Cu-lông |
Rất cần thiết / Cần thiết / Không cần thiết |
30% / 60% / 10% |
| 7. Đánh giá không khí lớp học khi sử dụng thiết bị tự chế tạo |
Rất tích cực, sôi động / Tích cực, sôi động |
46% / 52% |
Bảng kết quả điều tra thực trạng đối với học sinh (100 học sinh):
| Nội dung câu hỏi khảo sát học sinh |
Phương án trả lời |
Tỉ lệ (%) |
| 1. Phương pháp giáo viên sử dụng khi dạy học trên lớp |
|
|
| - Diễn giải, thông báo |
Thường xuyên / Không dùng |
86% / 14% |
| - Phương pháp dạy học giải quyết vấn đề |
Thường xuyên / Không dùng |
14% / 86% |
| - Sử dụng thí nghiệm biểu diễn |
Thường xuyên / Không dùng |
57% / 43% |
| - Học sinh trực tiếp thực hiện thí nghiệm trong giờ học |
Thường xuyên / Không dùng |
44% / 56% |
| - Học sinh được tự chế tạo thiết bị thí nghiệm |
Thường xuyên / Không dùng |
10% / 90% |
| - Sử dụng bài tập thí nghiệm làm bài kiểm tra |
Thường xuyên / Không dùng |
18% / 72% |
| 2. Nhận thức của học sinh về việc bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề |
Rất cần thiết / Cần thiết / Không cần thiết |
35% / 64% / 1% |
Chương 3: Quy trình tổ chức hoạt động ngoại khóa chủ đề “Xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm tĩnh điện” nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề của học sinh lớp 11
Chương 3 cụ thể hóa quy trình tổ chức hoạt động ngoại khóa chủ đề qua 4 bước: lựa chọn và đặt tên chủ đề; lập kế hoạch; tiến hành hoạt động ngoại khóa; báo cáo kết quả và tổng kết. Nội dung hoạt động ngoại khóa được thiết kế thành 5 nhiệm vụ học tập có tính vấn đề giao cho các nhóm học sinh:
- Nội dung 1: Sử dụng thiết bị thí nghiệm “Cân xoắn” để kiểm nghiệm nội dung định luật Cu-lông. Tác giả trực tiếp nghiên cứu, chế tạo thiết bị cân xoắn hoàn chỉnh (Hình 3.1, Hình 3.2). Thiết bị gồm dây treo mảnh, thanh ngang nhẹ mang quả cầu bọc kim loại, cơ chế chống rung, thước đo góc xoắn và khoảng cách chính xác, tích điện bằng nguồn ổn định cao áp. Học sinh được giao nhiệm vụ tìm hiểu lịch sử thí nghiệm của Cu-lông, suy luận logic ra hệ quả có thể đo đạc, lập phương án thí nghiệm, tiến hành đo lực tương tác tĩnh điện theo khoảng cách, xử lí số liệu và sai số (Bảng 3.1).
- Nội dung 2: Nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật “Máy phát tĩnh điện Van De Graaff” và tiến hành 5 thí nghiệm tĩnh điện. Học sinh nghiên cứu nguyên tắc cấu tạo và hoạt động, tự thiết kế và chế tạo máy phát tĩnh điện với 2 phương án: máy phát 1 băng tải (Hình 3.3) và máy phát 5 băng tải (Hình 3.4). Sau khi chế tạo, học sinh vận hành máy để thực hiện 5 thí nghiệm tĩnh điện: khảo sát sự phân bố điện tích trên bề mặt vật dẫn, hiện tượng gió điện tích, chuông tĩnh điện, hiện tượng nhiễm điện đẩy tóc xòe ra, và thí nghiệm phóng điện trong không khí.
- Nội dung 3: Nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật “Thiết bị sơn tĩnh điện”. Học sinh tìm hiểu nguyên tắc hoạt động thực tế của thiết bị sơn tĩnh điện, phân tích cơ sở vật lí (sự tích điện cho hạt sơn và lực hút tĩnh điện giữa hạt sơn mang điện với vật cần sơn nối đất), từ đó thiết kế và chế tạo mô hình vật chất chức năng minh họa nguyên lí hoạt động.
- Nội dung 4: Nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật “Máy lọc bụi tĩnh điện”. Học sinh nghiên cứu cơ chế ion hóa chất khí dưới điện trường mạnh, thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị lọc bụi tĩnh điện mini chứng minh khả năng giữ lại hạt bụi mang điện trên các bản cực kim loại.
- Nội dung 5: Nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật “Máy photocopy”. Học sinh nghiên cứu vai trò của hiện tượng quang dẫn và tĩnh điện trong cơ chế sao chép hình ảnh, chế tạo mô hình mô phỏng các giai đoạn tích điện, chiếu sáng làm mất điện tích cục bộ và hút hạt mực tĩnh điện.
Chương 4: Thực nghiệm sư phạm
Chương 4 trình bày việc tổ chức thực nghiệm sư phạm tại Trường THPT Tháp Mười và Trường THPT Đốc Binh Kiều (Bảng 4.1). Tiến trình thực nghiệm tập trung đánh giá chi tiết tính khả thi và hiệu quả bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề thông qua 3 nội dung trọng tâm: kiểm nghiệm định luật Cu-lông bằng cân xoắn, chế tạo máy phát Van De Graaff (tiến hành 5 thí nghiệm) và chế tạo mô hình thiết bị sơn tĩnh điện.
Phương pháp đánh giá kết hợp quan sát định tính và lượng hóa định lượng:
- Bảng kiểm quan sát năng lực giải quyết vấn đề trên 6 học sinh điển hình qua từng nội dung (Bảng 4.2, Bảng 4.5, Bảng 4.7).
- Thống kê các tiêu chí đánh giá tính khả thi của các thiết bị do giáo viên và học sinh chế tạo: cân xoắn (Bảng 4.3), máy phát Van De Graaff tự chế (Bảng 4.6), thiết bị sơn tĩnh điện (Bảng 4.8).
- Lượng hóa các mức độ đạt được của từng hành vi năng lực giải quyết vấn đề của toàn bộ học sinh lớp thực nghiệm (Bảng 4.9, Bảng 4.10, Bảng 4.12 đến Bảng 4.17 và các Biểu đồ 4.1 đến 4.5).
Dữ liệu thực nghiệm chứng minh sự tiến triển rõ rệt qua 3 nội dung học tập: tỉ lệ học sinh đạt ở mức độ 1 (M1) giảm dần, trong khi tỉ lệ học sinh đạt mức độ 2 (M2) và mức độ 3 (M3) ở cả 4 thành tố năng lực tăng lên bền vững. Học sinh từ chỗ thụ động, lúng túng khi phát hiện vấn đề và đề xuất phương án ban đầu đã chuyển sang tự lực lập kế hoạch, tự gia công, lắp ráp mô hình vật chất chức năng, vận hành ổn định và đề xuất các giải pháp kĩ thuật cải tiến thiết bị.
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án tự xác định các đóng góp mới về lí luận và thực tiễn:
Đóng góp mới về mặt lí luận:
- Đề xuất và hoàn thiện tiến trình dạy học giải quyết vấn đề đối với những kiến thức có giai đoạn cần tìm hiểu sự hình thành kiến thức trong lịch sử nghiên cứu Vật lí; xác định vị trí của tư liệu lịch sử khoa học là cầu nối định hướng giải pháp khi học sinh không thể đi thuần túy bằng suy luận lí thuyết hay khảo sát thực nghiệm ban đầu.
- Bổ sung, hoàn thiện tiến trình dạy học ứng dụng kĩ thuật của Vật lí theo con đường 1: đi từ tìm hiểu bản thân thiết bị kĩ thuật, phát hiện nguyên tắc cấu tạo và hoạt động, làm sáng tỏ cơ sở Vật lí, đến thiết kế và chế tạo mô hình vật chất chức năng của thiết bị kĩ thuật.
- Cụ thể hóa cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề trong môn Vật lí thành 4 thành tố, 8 chỉ số hành vi với 3 mức độ biểu hiện chi tiết, gắn với hoạt động nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật và chế tạo thiết bị thí nghiệm.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn:
- Hoàn thiện quy trình chung tổ chức hoạt động ngoại khóa Vật lí gồm 4 bước và vận dụng thành công vào chủ đề “Xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm tĩnh điện” lớp 11 với 5 nội dung học tập có tính vấn đề.
- Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công thiết bị thí nghiệm “Cân xoắn” kiểm nghiệm định luật Cu-lông đạt độ chính xác cao, khắc phục được sự dao động của quả cầu, giảm thiểu sai số đo lường so với các nghiên cứu trước đây.
- Chế tạo và hướng dẫn học sinh chế tạo thành công máy phát tĩnh điện Van De Graaff (với hai phương án 1 băng tải và 5 băng tải) tạo điện thế cao, hoạt động ổn định trong điều kiện độ ẩm cao tại Việt Nam, phục vụ tiến hành 5 thí nghiệm tĩnh điện; chế tạo mô hình thiết bị sơn tĩnh điện, máy lọc bụi tĩnh điện và máy photocopy.
- Bộ thí nghiệm về tĩnh điện của tác giả đã đạt Giải B tại Hội thi Sáng tạo Kỹ thuật lần thứ XIV và đạt Giải Khuyến khích tại Hội thi Sáng tạo Kỹ thuật lần thứ XV của tỉnh Đồng Tháp.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất:
- Kiến nghị các cấp quản lí giáo dục và nhà trường trung học phổ thông tăng cường tổ chức hoạt động ngoại khóa Vật lí theo định hướng phát triển năng lực; tạo điều kiện về không gian phòng thí nghiệm và thời gian để học sinh thực hiện các dự án chế tạo thiết bị.
- Khuyến khích giáo viên Vật lí chủ động tự nghiên cứu, cải tiến và tự làm thiết bị thí nghiệm từ các vật liệu dễ tìm, chi phí thấp nhằm giải quyết tình trạng thiếu thiết bị thực hành; vận dụng linh hoạt 3 kiểu định hướng hành động nhận thức (ưu tiên định hướng khái quát chương trình hóa) để giúp đỡ học sinh phát triển năng lực giải quyết vấn đề.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài được xác định từ phạm vi nghiên cứu thực tế:
- Địa bàn khảo sát thực trạng và thực nghiệm sư phạm của luận án mới chỉ được thực hiện tại một số trường trung học phổ thông thuộc tỉnh Đồng Tháp (chủ yếu là THPT Tháp Mười và THPT Đốc Binh Kiều), chưa mở rộng ra các vùng miền có điều kiện kinh tế - xã hội và cơ sở vật chất khác nhau.
- Nội dung nghiên cứu chuyên môn giới hạn trong phạm vi phần Tĩnh điện (Chương “Điện tích – Điện trường”) của chương trình Vật lí 11; trong 5 nội dung được thiết kế, quá trình đánh giá định lượng chuyên sâu tại lớp thực nghiệm sư phạm chủ yếu tập trung vào 3 nội dung đầu (Cân xoắn Cu-lông, Máy phát Van De Graaff và Thiết bị sơn tĩnh điện).
Hướng nghiên cứu tiếp theo được văn bản đề cập:
- Tiếp tục hoàn thiện và nâng cao độ bền, tính thẩm mĩ của các mô hình ứng dụng kĩ thuật còn lại (thiết bị lọc bụi tĩnh điện và mô hình máy photocopy).
- Vận dụng quy trình tổ chức hoạt động ngoại khóa và tiến trình dạy học giải quyết vấn đề đã xây dựng sang các chủ đề khác trong chương trình môn Vật lí trung học phổ thông theo Chương trình Giáo dục phổ thông 2018 (như các chủ đề về Từ trường, Hiện tượng cảm ứng điện từ, Dòng điện xoay chiều).
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn đối với nhiều đối tượng:
- Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học chuyên ngành Lí luận và Phương pháp dạy học bộ môn Vật lí: Luận án cung cấp khung lí luận chuẩn xác về cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề, tiêu chí định lượng (rubric 3 mức độ) và mô hình tiến trình dạy học ứng dụng kĩ thuật theo con đường 1 kết hợp tư liệu lịch sử Vật lí.
- Đối với giáo viên Vật lí tại các trường trung học phổ thông: Cung cấp bản thiết kế kĩ thuật chi tiết, cách thức gia công vật liệu rẻ tiền để chế tạo cân xoắn kiểm nghiệm định luật Cu-lông và máy phát tĩnh điện Van De Graaff hoạt động ổn định; cung cấp bộ kế hoạch bài dạy 5 nội dung ngoại khóa tĩnh điện có thể đưa vào giảng dạy ngay.
- Đối với cán bộ quản lí chuyên môn, người xây dựng chương trình giáo dục: Cung cấp cứ liệu thực tiễn và giải pháp tổ chức dạy học phân hóa, kết hợp hiệu quả giữa nội khóa và ngoại khóa nhằm hiện thực hóa mục tiêu phát triển phẩm chất, năng lực của Chương trình Giáo dục phổ thông 2018.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao máy phát tĩnh điện Wimshurst trong danh mục thiết bị dạy học tối thiểu của Bộ Giáo dục và Đào tạo không đáp ứng tốt yêu cầu dạy học giải quyết vấn đề?
Theo khảo sát và phân tích của luận án ở Chương 1, máy phát Wimshurst có giá thành cao nhưng tạo ra điện thế chưa cao và không ổn định, nguyên tắc hoạt động phức tạp, độ bền kém và dễ rò rỉ điện tích khi độ ẩm không khí cao. Thiết bị phải quay tay dẫn đến tốc độ và điện áp không đều; hình ảnh đường sức điện trường hiển thị không rõ nét và hiện tượng phóng điện thường không xảy ra, gây khó khăn cho việc tổ chức cho học sinh quan sát, kiểm nghiệm.
2. Tiến trình dạy học ứng dụng kĩ thuật của Vật lí theo con đường 1 gồm những giai đoạn nào?
Tiến trình này diễn ra qua 4 giai đoạn: Giai đoạn 1: Nêu tình huống – Phát hiện vấn đề cần nghiên cứu (xác định nhiệm vụ, tìm hiểu nguyên tắc cấu tạo và hoạt động, đề xuất chế tạo mô hình vật chất chức năng); Giai đoạn 2: Nghiên cứu cấu tạo, hoạt động của thiết bị kĩ thuật và đưa ra mô hình hình vẽ (MHHV); Giai đoạn 3: Chế tạo, vận hành các mô hình vật chất chức năng (MHVC-CN) của thiết bị kĩ thuật và hoàn thiện; Giai đoạn 4: Kết luận (nêu chức năng, nguyên tắc cấu tạo, hoạt động, đánh giá so sánh và đề xuất giải pháp cải tiến).
3. Kết quả điều tra thực trạng tại tỉnh Đồng Tháp phản ánh điều gì về phương pháp dạy học Chương “Điện tích – Điện trường”?
Số liệu khảo sát 50 giáo viên và 100 học sinh cho thấy phương pháp dạy học diễn giải, thông báo chiếm ưu thế áp đảo với 84% giáo viên và 86% học sinh xác nhận sử dụng thường xuyên. Ngược lại, phương pháp dạy học giải quyết vấn đề chỉ có 16% giáo viên và 14% học sinh sử dụng thường xuyên; có tới 88% giáo viên và 90% học sinh không thực hiện việc cho học sinh chế tạo thiết bị thí nghiệm.
4. Thiết bị thí nghiệm cân xoắn do tác giả tự chế tạo có điểm gì cải tiến so với các thiết bị trước đây?
Thiết bị cân xoắn của tác giả được thiết kế bằng vật liệu dễ tìm, giá thành thấp; kết cấu dây xoắn theo phương thẳng đứng chuẩn xác, quả cầu tích điện có kích thước nhỏ phù hợp điều kiện điện tích điểm; cơ cấu chống rung triệt tiêu dao động của quả cầu giúp xác định chính xác vị trí cân bằng và khoảng cách; nguồn tích điện áp cao ổn định giúp khắc phục hiện tượng mất điện tích nhanh do độ ẩm, giảm sai số phép đo xuống mức cho phép của thí nghiệm vật lí phổ thông.
5. Giáo viên nên áp dụng kiểu định hướng hành động nhận thức nào khi tổ chức cho học sinh hoạt động ngoại khóa?
Luận án khẳng định nên thực hiện kiểu định hướng khái quát chương trình hóa: ban đầu đưa ra định hướng tìm tòi đòi hỏi học sinh tự lực giải quyết; nếu học sinh gặp khó khăn thì cụ thể hóa dần từng bước gợi ý để thu hẹp phạm vi; nếu học sinh vẫn chưa thực hiện được mới chuyển dần sang định hướng tái tạo angôrit (chỉ ra trình tự thao tác) và cuối cùng mới tái tạo từng thao tác cụ thể.
Kết luận
Luận án của tác giả Nguyễn Minh Thuần đã giải quyết đồng bộ vấn đề lí luận và thực tiễn trong việc bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh lớp 11 thông qua hoạt động ngoại khóa môn Vật lí. Đề tài hoàn thiện quy trình tổ chức hoạt động ngoại khóa 4 bước, chuẩn hóa tiến trình dạy học ứng dụng kĩ thuật theo con đường 1 và tiến trình dạy học sử dụng tư liệu lịch sử khoa học. Các sản phẩm thiết bị thực nghiệm tự chế tạo (đặc biệt là cân xoắn kiểm nghiệm định luật Cu-lông và máy phát tĩnh điện Van De Graaff) đã được kiểm chứng tính khả thi qua giải thưởng sáng tạo kĩ thuật cấp tỉnh và qua thực nghiệm sư phạm. Kết quả nghiên cứu cung cấp hệ thống giải pháp sư phạm và tư liệu thực nghiệm có giá trị đóng góp thiết thực cho quá trình đổi mới giáo dục phổ thông hiện nay.
