Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ khoa học giáo dục của tác giả Nguyễn Minh Thuần 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'" được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Hà Nội (năm 2022), thuộc chuyên ngành Lí luận và Phương pháp dạy học bộ môn Vật lí (Mã số: 9.14.01.11 / 9.11), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Ngọc Hưng và TS. Dương Xuân Quý.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Bối cảnh đổi mới giáo dục 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 đặt ra yêu cầu chuyển từ việc truyền thụ kiến thức sang phát triển phẩm chất và năng lực người học. Chương trình Giáo dục phổ thông 2018 xác định năng lực giải quyết vấn đề là một trong ba năng lực chung cốt lõi. Trong môn Vật lí, kiến thức phần "Tĩnh điện" (Chương "Điện tích – Điện trường" trong Chương trình Giáo dục phổ thông 2006 và chủ đề "Điện trường" trong Chương trình Giáo dục phổ thông 2018) là kiến thức nền tảng, gắn liền với nhiều hiện tượng thực tiễn và ứng dụng kĩ thuật.

Tuy nhiên, thực tế dạy học nội dung này tại các trường trung học phổ thông gặp nhiều rào cản:

  1. Thiết bị thí nghiệm trong danh mục thiết bị dạy học tối thiểu (như máy phát tĩnh điện Wimshurst) tạo ra điện thế chưa cao, không ổn định, dễ rò rỉ điện tích trong điều kiện độ ẩm cao ở Việt Nam và khó thực hiện thành công các thí nghiệm định lượng.
  2. Các trường phổ thông hoàn toàn thiếu thiết bị thí nghiệm cân xoắn để kiểm nghiệm định luật Cu-lông; các thiết bị nhập khẩu từ nước ngoài có giá thành cao và có cấu tạo dạng hộp kín.
  3. Giáo viên chủ yếu áp dụng phương pháp thuyết trình, thông báo kiến thức để học sinh áp dụng giải bài tập lý thuyết, thiếu các thiết bị thực hành và chưa có quy trình tổ chức dạy học kết hợp hoạt động nội khóa với hoạt động ngoại khóa để hướng dẫn học sinh tự chế tạo, sử dụng thiết bị nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề.

Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng quy trình tổ chức hoạt động ngoại khóa chủ đề "Xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm tĩnh điện", cụ thể hóa 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

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

Văn bản luận án xác định 6 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu cơ sở lí luận về dạy học môn Vật lí và hoạt động ngoại khóa theo hướng bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề của học sinh; cơ sở lí luận về thiết kế, chế tạo và sử dụng thiết bị thí nghiệm thực tập.
  2. Nghiên cứu chương trình, sách giáo khoa Vật lí hiện hành và Chương trình Giáo dục phổ thông 2018 liên quan đến phần tĩnh điện lớp 11.
  3. Điều tra thực tế dạy học Chương "Điện tích – Điện trường" tại trường trung học phổ thông (phương pháp dạy của giáo viên, hoạt động học của học sinh, thực trạng thiết bị thí nghiệm và khó khăn, sai lầm của học sinh).
  4. 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 tĩnh điện theo tiến trình giải quyết vấn đề.
  5. Xây dựng quy trình tổ chức hoạt động ngoại khóa chủ đề, xác định nội dung dạy học dưới dạng nhiệm vụ học tập có tính vấn đề, lựa chọn phương pháp và hình thức tổ chức dạy học, phân chia nhiệm vụ cho các nhóm học sinh và xác định thời lượng thực hiện.
  6. 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 đối với việc bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề của học sinh lớp 11; từ đó chỉnh sửa, hoàn thiện quy trình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Khách thể nghiên cứu: Quá trình dạy học trong hoạt động ngoại khóa chủ đề đã lựa chọn.
  • Đối tượng nghiên cứu: Sự hình thành và phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Khảo sát thực trạng tại 40 trường trung học phổ thông trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp (bao gồm 5 trường tại huyện Tháp Mười); kiểm nghiệm thiết bị và thực nghiệm sư phạm trên đối tượng học sinh lớp 11 tại Trường THPT Tháp Mười và Trường THPT Đốc Binh Kiều, tỉnh Đồng Tháp.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu lý luận và dạy học giải quyết vấn đề

  • Nền tảng tâm lý học và giáo dục học quốc tế: Luận án dựa trên lý thuyết phát triển nhận thức của Jean Piaget (về cơ chế đồng hóa và điều ứng thích nghi), lý thuyết hoạt động và vùng phát triển gần của L. S. Vygotsky, lý thuyết hoạt động học của A. N. Leontiev, cùng các nghiên cứu về phương pháp dạy học nêu vấn đề của I. Danilov. Luận án cũng tiếp cận báo cáo tổng hợp của Ủy ban Khoa học về Hành vi – Xã hội và Giáo dục Hoa Kỳ thuộc Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Hoa Kỳ (NRC, 2000) về việc tổ chức cho học sinh giải quyết vấn đề theo tiến trình khoa học.
  • Nghiên cứu dạy học giải quyết vấn đề tại Việt Nam: Định hướng dạy học lấy học sinh làm trung tâm của Nguyễn Kỳ (1996), Trần Bá Hoành (1998); quy trình dạy học giải quyết vấn đề môn Vật lí gồm 4 bước của Nguyễn Đức Thâm, Nguyễn Ngọc Hưng (1998) và Phạm Hữu Tòng (2008); nghiên cứu về tổ chức hoạt động nhận thức của Thái Duy Tuyên (2008); phương pháp "Bàn tay nặn bột" của Đỗ Hương Trà (2011).
  • Các nghiên cứu về chế tạo, sử dụng thiết bị thí nghiệm phát triển năng lực: Nguyễn Anh Thuấn (2007) về chương "Sóng cơ học" lớp 12; Đặng Minh Chưởng (2011) về chương "Cảm ứng điện từ" lớp 11 nâng cao; Dương Xuân Quý (2011) về chương "Dao động cơ" lớp 12; Hà Duyên Tùng (2014) về kiến thức từ trường lớp 11; Nguyễn Thị Thủy về nhiệt học trung học cơ sở; Mai Hoàng Phương (2021) về động lực học chất điểm và các định luật bảo toàn.

Tình hình nghiên cứu về thiết bị thí nghiệm và dạy học phần tĩnh điện

  • Thực trạng thiết bị thương mại và quốc tế: Thiết bị thí nghiệm của các hãng Pasco (Mỹ), Phywe (Đức), Fischertechnik (Đức), Leybold (Đức) có chất lượng tốt nhưng giá thành cao và được đóng gói theo dạng hộp kín, không thuận lợi cho việc tổ chức hoạt động tìm tòi, chế tạo của học sinh. Thiết bị cân xoắn của Leybold hoặc Pasco có hệ thống dây treo không theo phương thẳng đứng hoặc dùng góc xoắn qua gương phản xạ để suy ra khoảng cách, dẫn đến sai số phép đo lớn.
  • Các nghiên cứu trong nước về dạy học phần tĩnh điện: Đề tài cao học của Nguyễn Hồng Lĩnh (về tụ điện), Phạm Thanh Sơn (hoạt động ngoại khóa tĩnh điện lớp 11), Nguyễn Hữu Duẩn (ngoại khóa Điện tích – Điện trường lớp 11), Nguyễn Tuấn Anh (ngoại khóa tĩnh điện lớp 7), Đinh Thị Huyền Minh (2013, chế tạo cân xoắn kiểm nghiệm định luật Cu-lông nhưng quả cầu tích điện lớn, dùng máy Wimshurst không ổn định, độ ẩm làm mất điện tích nhanh khiến sai số lên tới 20%). Sản phẩm máy phát Van De Graaff tự chế của hai học sinh Lê Văn Hùng và Nguyễn Danh Sơn (2015, Trường THPT Trường Thi – Thanh Hóa) tạo ra điện thế chưa cao và chưa hoàn chỉnh theo chuẩn thiết bị thực tập.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

  1. Chưa có công trình nào nghiên cứu một cách đồng bộ quy trình dạy học giải quyết vấn đề các kiến thức tĩnh điện và ứng dụng kĩ thuật thông qua hoạt động ngoại khóa.
  2. Chưa có quy trình hướng dẫn giáo viên tự chế tạo mẫu chuẩn thiết bị thực tập (cân xoắn đo lực Cu-lông với sai số nhỏ, máy phát tĩnh điện Van De Graaff hoạt động ổn định trong môi trường độ ẩm cao) trước khi tổ chức cho học sinh tự lực thiết kế, chế tạo và thử nghiệm.
  3. Chưa có khung cấu trúc chi tiết và công cụ tiêu chí lượng hóa năng lực giải quyết vấn đề của học sinh khi học tập các ứng dụng kĩ thuật phần tĩnh điện theo các mức độ biểu hiện hành vi cụ thể.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm công cụ

Luận án sử dụng định nghĩa năng lực của Đỗ Hương Trà và cộng sự (2018): 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 thuộc tính cá nhân khác để thực hiện thành công một loại hoạt động nhất định.

Cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề của học sinh được xác định gồm 4 thành tố, 7 chỉ số hành vi và 3 mức độ đạt được ($M_1, M_2, M_3$):

Thành tố năng lực Chỉ số hành vi Biểu hiện mức 1 ($M_1$) Biểu hiện mức 2 ($M_2$) Biểu hiện mức 3 ($M_3$)
1. Tìm hiểu tình huống vấn đề – Phát hiện vấn đề 1.1. Mô tả sự vật, hiện tượng liên quan đến tình huống Mô tả sơ lược, thông tin chưa rõ, chưa nêu được điều cần tìm hiểu. Mô tả, sắp xếp được thông tin, nêu được điều cần tìm hiểu hoặc khó khăn cần giải quyết. Xác định, sắp xếp, giải thích được thông tin; nêu rõ mục tiêu, nhiệm vụ và vấn đề cần giải quyết.
1.2. Đặt câu hỏi liên quan đến vấn đề cần giải quyết Đặt được một số câu hỏi riêng rẽ. Đặt được một số câu hỏi liên quan đến vấn đề cần giải quyết. Đặt được câu hỏi rõ ràng và xác định chính xác vấn đề cần giải quyết.
2. Đề xuất giải pháp GQVĐ 2.1. Tìm kiếm thông tin liên quan Bước đầu thu thập thông tin từ các nguồn khác nhau. Lựa chọn và đánh giá được nguồn thông tin cần sử dụng. Lựa chọn toàn bộ nguồn thông tin cần thiết, đánh giá được độ tin cậy và tính hợp lí.
2.2. Đề xuất giải pháp GQVĐ 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. Nêu được cơ sở, phương án giải quyết và lý giải được tính hợp lí của giải pháp.
2.3. Lập kế hoạch thực hiện giải pháp Phân tích giải pháp thành kế hoạch, mô tả sơ bộ bằng lời/văn bản. Phân tích thành kế hoạch cụ thể, diễn đạt qua lời nói, sơ đồ, hình vẽ. Thuyết minh, giải thích và bảo vệ tính hợp lí của kế hoạch qua lời nói, sơ đồ, hình vẽ.
3. Thực hiện giải pháp GQVĐ 3.1. Thực hiện giải pháp đã đề xuất Thực hiện được theo kế hoạch nhưng cần sự hướng dẫn của người khác. Tự lực huy động kiến thức, kĩ năng để thực hiện giải pháp theo kế hoạch. Thực hiện linh hoạt, điều chỉnh kế hoạch nhanh chóng và xác định được vấn đề tiếp theo.
4. Đánh giá quá trình GQVĐ – Phát hiện vấn đề mới 4.1. Đánh giá quá trình và điều chỉnh việc GQVĐ Mô tả kết quả thu được so với nhiệm vụ để rút ra kết luận. Mô tả kết quả, rút ra kết luận và chỉ ra nguyên nhân của kết quả thu được. Giải thích rõ tính hợp lí của giải pháp, đề xuất giải pháp tối ưu hơn để nâng cao hiệu quả.
4.2. Phát hiện vấn đề mới cần giải quyết Nêu khả năng ứng dụng kết quả trong tình huống tương tự. Xem xét kết quả trong tình huống mới, phát hiện khó khăn, vướng mắc. Phát hiện vướng mắc trong tình huống mới và diễn đạt chính xác vấn đề mới cần giải quyết.

Các tiến trình dạy học giải quyết vấn đề

  1. Tiến trình dạy học kiến thức vật lí có tìm hiểu lịch sử khoa học: Áp dụng khi kiến thức không thể suy luận thuần túy lí thuyết và học sinh chưa đủ cơ sở thực nghiệm để đề xuất giả thuyết (ví dụ: định luật Cu-lông). Tiến trình gồm 4 giai đoạn: Nêu tình huống $\rightarrow$ Phát biểu vấn đề $\rightarrow$ Tìm hiểu cách thức giải quyết vấn đề trong lịch sử nghiên cứu Vật lí $\rightarrow$ Kiểm nghiệm lại tính đúng đắn của kiến thức mới nhờ thí nghiệm $\rightarrow$ Rút ra kết luận.
  2. Tiến trình dạy học ứng dụng kĩ thuật của Vật lí theo "Con đường 1": Đi từ tìm hiểu thiết bị kĩ thuật thật $\rightarrow$ phát hiện nguyên tắc cấu tạo (NTCT), nguyên tắc hoạt động (NTHĐ) $\rightarrow$ làm sáng tỏ cơ sở Vật lí $\rightarrow$ đề xuất mô hình hình vẽ (MHHV) $\rightarrow$ chế tạo, vận hành mô hình vật chất chức năng (MHVC-CN) $\rightarrow$ hoàn thiện và kết luận.
  3. Ba kiểu định hướng hành động nhận thức của giáo viên:
    • Định hướng tìm tòi: Gồm tìm tòi sáng tạo và tìm tòi áp dụng mẫu có sẵn.
    • Định hướng khái quát chương trình hóa: Chia nhỏ yêu cầu từ cao xuống thấp để vừa sức học sinh.
    • Định hướng tái tạo: Gồm tái tạo thuật toán (angôrit) và tái tạo từng thao tác cụ thể.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Nghiên cứu lí luận: Phân tích tài liệu, chương trình, sách giáo khoa và các công trình liên quan.
  • Khảo sát thực tiễn: Điều tra 40 tổ trưởng chuyên môn Vật lí tại 40 trường THPT tỉnh Đồng Tháp, 10 giáo viên tại 5 trường THPT huyện Tháp Mười, phát phiếu hỏi 100 học sinh, phỏng vấn sâu 20 học sinh và kiểm tra thực tế 5 phòng thí nghiệm trường THPT.
  • Phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm: Thiết kế, chế tạo thử nghiệm bộ cân xoắn đo lực Cu-lông và máy phát tĩnh điện Van De Graaff (phiên bản 1 băng tải và 5 băng tải).
  • Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Tổ chức hoạt động ngoại khóa tại trường THPT, sử dụng bảng kiểm quan sát, rubric đánh giá tiêu chí sản phẩm và hành vi năng lực.
  • Phương pháp thống kê toán học: Xử lí số liệu khảo sát và kết quả thực nghiệm sư phạm (tính tần suất, tỷ lệ phần trăm theo các mức độ đạt được $M_1, M_2, M_3$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề được nghiên cứu

Chương này tổng thuật toàn diện các nghiên cứu trong nước và quốc tế về dạy học giải quyết vấn đề, bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề và tình hình chế tạo, sử dụng thiết bị thí nghiệm tĩnh điện.

Tác giả phân tích các hạn chế kỹ thuật của thiết bị hiện có: máy phát tĩnh điện Wimshurst tạo điện thế thấp, không liên tục; thiết bị cân xoắn đo lực Cu-lông của Leybold, Pasco hoặc Đinh Thị Huyền Minh có sai số lớn (khoảng 20%) do kích thước quả cầu lớn, dây treo lệch phương thẳng đứng hoặc hiện tượng rò rỉ điện tích nhanh khi độ ẩm không khí cao. Chương 1 xác định rõ 4 vấn đề khoa học cần giải quyết: sử dụng tư liệu lịch sử trong dạy học giải quyết vấn đề; hoàn thiện tiến trình dạy học ứng dụng kĩ thuật theo Con đường 1; xây dựng quy trình tổ chức hoạt động ngoại khóa; thiết kế chế tạo bộ thiết bị thực tập tĩnh điện chuẩn xác, chi phí thấp.

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 thiết lập khung lí thuyết về năng lực giải quyết vấn đề (4 thành tố, 7 chỉ số, bảng cấu trúc hành vi từ $M_1$ đến $M_3$), các tiến trình dạy học giải quyết vấn đề (con đường lí thuyết, con đường thực nghiệm, con đường tiếp cận lịch sử và con đường nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật), nguyên tắc định hướng nhận thức và quy trình 4 bước tổ chức hoạt động ngoại khóa.

Chương 2 trình bày kết quả điều tra thực trạng dạy học Chương "Điện tích – Điện trường" tại tỉnh Đồng Tháp qua các bảng số liệu:

Bảng tổng hợp kết quả điều tra phương pháp và thực trạng thiết bị dạy học
Nội dung khảo sát Tùy chọn / Mức độ Tỷ lệ GV ($N=50$) Tỷ lệ HS ($N=100$)
Phương pháp dạy học thường dùng Diễn giải, thông báo 84,0% 86,0%
Dạy học giải quyết vấn đề 16,0% 14,0%
Sử dụng thí nghiệm biểu diễn của GV 54,0% 57,0%
Cho HS trực tiếp làm thí nghiệm 38,0% 44,0%
Cho HS tự chế tạo thiết bị thí nghiệm 12,0% 10,0%
Thực trạng thiết bị tĩnh điện tại trường Không đầy đủ so với danh mục tối thiểu 80,0% -
Đầy đủ 20,0% -
Mức độ sử dụng thiết bị trong dạy học Không sử dụng 56,0% -
Thường xuyên 32,0% -
Thỉnh thoảng 12,0% -
Đánh giá năng lực GQVĐ của HS (mức Yếu) Tìm hiểu vấn đề 40,0% -
Đề xuất giải pháp GQVĐ 50,0% -
Thực hiện giải pháp GQVĐ 52,0% -
Đánh giá việc GQVĐ, phát hiện vấn đề mới 60,0% -

Kết quả điều tra khẳng định sự cần thiết phải có bộ thiết bị thí nghiệm tĩnh điện dễ chế tạo, hoạt động ổn định và quy trình tổ chức dạy học ngoại khóa tương ứng.

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 xây dựng chi tiết quy trình tổ chức hoạt động ngoại khóa gồm 4 bước: (1) Lựa chọn và đặt tên chủ đề; (2) Lập kế hoạch tổ chức hoạt động; (3) Tiến hành hoạt động ngoại khóa; (4) Báo cáo kết quả, tổng kết và nhận xét.

Nội dung chủ đề được cụ thể hóa thành 5 nhiệm vụ học tập có tính vấn đề:

  1. Nhiệm vụ 1: Sử dụng thiết bị thí nghiệm "Cân xoắn" do tác giả chế tạo để kiểm nghiệm định luật Cu-lông (xác định sự phụ thuộc của lực tương tác $F$ vào độ lớn điện tích $|q_1 q_2|$ và khoảng cách $r$). Cân xoắn được thiết kế với dây treo thẳng đứng, quả cầu tích điện nhỏ, hạn chế dao động và có thước đo góc xoắn chính xác.
  2. Nhiệm vụ 2: Nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật "Máy phát tĩnh điện Van De Graaff", thiết kế chế tạo mô hình (loại 1 băng tải và loại 5 băng tải sử dụng motor điện mini và vật liệu cách điện dễ tìm), tiến hành 5 thí nghiệm: hiện tượng nhiễm điện của tóc, sự phân bố điện tích trên bề mặt vật dẫn, chuông tĩnh điện, chong chóng tĩnh điện (gió điện tích), nạp điện cho quả cầu cân xoắn.
  3. Nhiệm vụ 3: Nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật "Thiết bị sơn tĩnh điện", thiết kế và chế tạo mô hình minh họa nguyên tắc tích điện cho hạt sơn và lực hút tĩnh điện đối với vật cần sơn.
  4. Nhiệm vụ 4: Nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật "Máy lọc bụi tĩnh điện", thiết kế chế tạo mô hình buồng lọc bụi sử dụng điện trường cao áp để ion hóa khói bụi.
  5. Nhiệm vụ 5: Nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật "Máy photocopy", thiết kế chế tạo mô hình minh họa hiện tượng quang dẫn và sự hút bám mực tĩnh điện.

Chương 4: Thực nghiệm sư phạm

Chương 4 mô tả quá trình thực nghiệm sư phạm tại Trường THPT Tháp Mười và Trường THPT Đốc Binh Kiều. Tác giả tiến hành quan sát trực tiếp, ghi chép hành vi của 6 học sinh đại diện và đánh giá toàn bộ học sinh lớp thực nghiệm theo các bảng kiểm quan sát từ Bảng 4.1 đến Bảng 4.17 cùng các biểu đồ từ 4.1 đến 4.5.

Các kết quả định lượng về sự phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh qua ba nội dung nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật được thể hiện rõ:

  • Tỷ lệ học sinh đạt Mức 1 ($M_1$) ở tất cả các thành tố giảm mạnh từ nội dung 1 sang nội dung 3.
  • Tỷ lệ học sinh đạt Mức 3 ($M_3$) tăng trưởng qua các giai đoạn:
    • Thành tố 1 (Tìm hiểu và phát hiện vấn đề): Mức 3 tăng từ giai đoạn nghiên cứu nội dung 1 lên nội dung 3 (Biểu đồ 4.1).
    • Thành tố 2 (Đề xuất giải pháp): Mức 3 tăng rõ rệt khi học sinh quen thuộc với việc lập mô hình hình vẽ và lập kế hoạch chế tạo (Biểu đồ 4.2).
    • Thành tố 3 (Thực hiện giải pháp): Kĩ năng chế tạo, lắp ráp mô hình vật chất chức năng và vận hành thí nghiệm chuyển từ phụ thuộc hướng dẫn của giáo viên sang tự lực và điều chỉnh linh hoạt (Biểu đồ 4.3).
    • Thành tố 4 (Đánh giá và phát hiện vấn đề mới): Mức 3 tăng, học sinh biết phân tích nguyên nhân sai số thí nghiệm, sự rò rỉ điện tích và đề xuất cải tiến kết cấu băng tải hoặc nguồn phát (Biểu đồ 4.4).
  • Các sản phẩm vật chất do học sinh chế tạo (máy phát Van De Graaff, buồng lọc bụi mini, mô hình sơn tĩnh điện) đều đáp ứng các tiêu chí khoa học kĩ thuật, tính sư phạm và an toàn điện (được đánh giá tại Bảng 4.3, 4.6, 4.8).

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lí luận

  1. Bổ sung và hoàn thiện tiến trình dạy học giải quyết vấn đề đối với các kiến thức vật lí có tính chất trừu tượng, khó tiếp cận trực tiếp bằng con đường suy luận lý thuyết thuần túy hoặc con đường thực nghiệm thông thường, bằng cách tích hợp giai đoạn nghiên cứu tư liệu lịch sử hình thành kiến thức (vận dụng cụ thể cho trường hợp định luật Cu-lông).
  2. Hoàn thiện tiến trình dạy học giải quyết vấn đề nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật của Vật lí theo "Con đường 1" (đi từ thiết bị kĩ thuật thật $\rightarrow$ phát hiện nguyên tắc cấu tạo và hoạt động $\rightarrow$ làm sáng tỏ cơ sở Vật lí $\rightarrow$ thiết kế mô hình hình vẽ $\rightarrow$ chế tạo mô hình vật chất chức năng $\rightarrow$ hoàn thiện mô hình).
  3. Xây dựng bảng cấu trúc chi tiết, hệ thống chỉ số hành vi và tiêu chí đánh giá (rubric) năng lực giải quyết vấn đề của học sinh lớp 11 trong dạy học các chủ đề tĩnh điện.

Đóng góp về mặt thực tiễn

  1. Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị thí nghiệm "Cân xoắn" cải tiến dùng để kiểm nghiệm định luật Cu-lông với độ chính xác cao, khắc phục được dao động của quả cầu tích điện, giảm thiểu sai số đo lường so với các mẫu thiết bị trước đây.
  2. Thiết kế, chế tạo và hướng dẫn học sinh chế tạo thành công máy phát tĩnh điện Van De Graaff (phiên bản 1 băng tải và phiên bản 5 băng tải), tạo ra nguồn điện thế cao, hoạt động ổn định trong điều kiện khí hậu nóng ẩm tại Việt Nam để thực hiện 5 thí nghiệm tĩnh điện.
  3. Chế tạo thành công các mô hình thiết bị ứng dụng kĩ thuật: thiết bị sơn tĩnh điện, máy lọc bụi tĩnh điện, mô hình minh họa máy photocopy từ các vật liệu phổ thông, chi phí thấp.
  4. Xây dựng tài liệu hướng dẫn và bộ giáo án tiến trình dạy học ngoại khóa 5 nội dung thuộc phần Tĩnh điện. Bộ thiết bị thí nghiệm tĩnh điện của tác giả đã đạt Giải B Hội thi Sáng tạo Kỹ thuật lần thứ XIV và Giải Khuyến khích Hội thi Sáng tạo Kỹ thuật lần thứ XV của tỉnh Đồng Tháp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Nghiên cứu thực nghiệm sư phạm tập trung chủ yếu trên đối tượng học sinh lớp 11 tại các trường THPT thuộc tỉnh Đồng Tháp (Trường THPT Tháp Mười và Trường THPT Đốc Binh Kiều).
  • Thời lượng dành cho hoạt động ngoại khóa phụ thuộc vào kế hoạch giáo dục của từng nhà trường, việc chế tạo các mô hình ứng dụng kĩ thuật đòi hỏi học sinh phải dành thêm thời gian ngoài giờ chính khóa.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng quy trình tổ chức dạy học giải quyết vấn đề và mô hình chế tạo thiết bị sang các chủ đề khác trong chương trình Vật lí phổ thông (như cảm ứng điện từ, sóng ánh sáng, dòng điện trong các môi trường).
  • Ứng dụng quy trình chế tạo thiết bị tự làm kết hợp cảm biến và công nghệ số để tự động hóa việc thu thập dữ liệu trong các thí nghiệm vật lí.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo giá trị cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học chuyên ngành Lí luận và Phương pháp dạy học môn Vật lí: Tham khảo khung lí thuyết về năng lực giải quyết vấn đề, tiến trình dạy học ứng dụng kĩ thuật theo Con đường 1 và phương pháp xây dựng công cụ đánh giá năng lực bằng bảng kiểm quan sát/rubric.
  • Giáo viên Vật lí tại các trường trung học phổ thông: Sử dụng trực tiếp bản vẽ thiết kế, thông số kỹ thuật và quy trình chế tạo cân xoắn, máy phát tĩnh điện Van De Graaff, thiết bị lọc bụi tĩnh điện để phục vụ bài giảng nội khóa và tổ chức câu lạc bộ STEM/hoạt động ngoại khóa.
  • Cán bộ quản lí giáo dục và người làm chương trình: Tham khảo mô hình tổ chức hoạt động ngoại khóa kết hợp nghiên cứu khoa học kỹ thuật nhằm thực hiện hiệu quả Chương trình Giáo dục phổ thông 2018.

Câu hỏi thường gặp

1. Thiết bị cân xoắn do tác giả chế tạo có những cải tiến kỹ thuật nào để khắc phục sai số lớn của các thiết bị trước đó?

Cân xoắn của tác giả được thiết kế với hệ thống dây treo mảnh định vị theo phương thẳng đứng, quả cầu tích điện có kích thước nhỏ phù hợp điều kiện điện tích điểm, có cơ cấu định vị giúp triệt tiêu nhanh dao động của quả cầu khi nạp điện và tích hợp thước đo góc xoắn trực tiếp có độ chính xác cao. Nguồn điện nạp cho quả cầu được lấy từ máy phát Van De Graaff tự chế có điện thế cao và ổn định, khắc phục nhược điểm rò rỉ điện tích của máy Wimshurst khi độ ẩm không khí cao.

2. Tiến trình dạy học ứng dụng kĩ thuật của Vật lí theo "Con đường 1" gồm những giai đoạn nào?

Tiến trình gồm 4 giai đoạn chính:

  1. Nêu tình huống – Phát hiện vấn đề cần nghiên cứu: Xác định chức năng của thiết bị kĩ thuật, tìm hiểu nguyên tắc cấu tạo và hoạt động trong thực tế, đặt nhiệm vụ thiết kế chế tạo mô hình.
  2. Nghiên cứu cấu tạo, hoạt động và đưa ra mô hình hình vẽ (MHHV): Tìm hiểu tài liệu/thiết bị thật, giải thích cơ sở Vật lí và đề xuất bản vẽ mô hình.
  3. Chế tạo, vận hành và hoàn thiện mô hình vật chất chức năng (MHVC-CN): Lắp ráp mô hình từ vật liệu thực tế, vận hành thử và chỉnh sửa lỗi kĩ thuật.
  4. Kết luận: Nêu rõ chức năng, nguyên tắc cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, đánh giá chất lượng mô hình và đề xuất hướng cải tiến.

3. Năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trong luận án được cấu trúc thành những thành tố nào?

Năng lực giải quyết vấn đề gồm 4 thành tố:

  • Thành tố 1: Tìm hiểu tình huống vấn đề – Phát hiện vấn đề (2 chỉ số hành vi).
  • Thành tố 2: Đề xuất giải pháp giải quyết vấn đề (3 chỉ số hành vi).
  • Thành tố 3: Thực hiện giải pháp giải quyết vấn đề (1 chỉ số hành vi).
  • Thành tố 4: Đánh giá quá trình giải quyết vấn đề – Phát hiện vấn đề mới (2 chỉ số hành vi).

4. Kết quả khảo sát thực tế tại tỉnh Đồng Tháp phản ánh thực trạng dạy học phần Tĩnh điện như thế nào?

Kết quả khảo sát 50 giáo viên và 100 học sinh cho thấy: 84% giáo viên thường xuyên dạy học theo phương pháp diễn giải, thông báo; chỉ có 16% thường xuyên dạy học giải quyết vấn đề; 80% trường trung học phổ thông được trang bị không đầy đủ thiết bị thí nghiệm tĩnh điện so với danh mục tối thiểu; 56% giáo viên không sử dụng thiết bị thí nghiệm khi dạy chương này; từ 40% đến 60% giáo viên đánh giá năng lực giải quyết vấn đề của học sinh ở mức Yếu trên cả 4 thành tố.

5. Những thí nghiệm tĩnh điện nào được thực hiện bằng máy phát tĩnh điện Van De Graaff tự chế?

Máy phát tĩnh điện Van De Graaff tự chế (loại 1 băng tải và 5 băng tải) được sử dụng để thực hiện 5 thí nghiệm:

  1. Thí nghiệm làm tóc nhiễm điện dựng đứng.
  2. Thí nghiệm khảo sát sự phân bố điện tích ở bề mặt vật dẫn.
  3. Thí nghiệm chuông tĩnh điện (sự dao động của quả cầu mang điện giữa hai bản cực).
  4. Thí nghiệm chong chóng tĩnh điện quay do hiện tượng gió điện tích (phóng điện ở đầu nhọn).
  5. Tích điện thế cao cho các quả cầu kim loại trong cân xoắn để kiểm nghiệm định luật Cu-lông.

Kết luận

Luận án của tác giả Nguyễn Minh Thuần đã giải quyết đồng bộ các vấn đề lí luận và thực tiễn về bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh lớp 11 thông qua hoạt động ngoại khóa phần Tĩnh điện. Đề tài đã hoàn thiện tiến trình dạy học ứng dụng kĩ thuật theo Con đường 1, bổ sung tiến trình dạy học kết hợp tư liệu lịch sử khoa học và xây dựng thành công bộ thiết bị thực tập tự làm có độ ổn định và chính xác cao (đạt giải tại Hội thi Sáng tạo Kỹ thuật tỉnh Đồng Tháp). Kết quả thực nghiệm sư phạm khẳng định tính khả thi của quy trình tổ chức hoạt động ngoại khóa và sự tiến bộ rõ rệt về năng lực giải quyết vấn đề của học sinh phổ thông.