Giáo dục STEM trong trường trung học - Khái niệm, quy trình xây dựng chủ đề và ví dụ minh họa

• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Hiền
• Trường học: Bộ Giáo dục và Đào tạo
• Chuyên ngành: Giáo dục STEM
• Đề tài: Xây dựng và thực hiện các chủ đề giáo dục STEM trong trường trung học
• Loại tài liệu: Tài liệu hướng dẫn

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo dục STEM trong SGK của Bộ Giáo dục

STEM là viết tắt của Science, Technology, Engineering và Mathematics. Chương trình giáo dục STEM tại Việt Nam do Bộ Giáo dục và Đào tạo (BGD) chủ trì phát triển. Mục tiêu chính là tích hợp kiến thức bốn lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học vào giảng dạy. SGK STEM được xây dựng bởi đội ngũ chuyên gia hàng đầu. Nhóm tư vấn quốc tế và trong nước phối hợp chặt chẽ. Ông Vũ Đình Chuẩn, Vụ trưởng Vụ Giáo dục Trung học,担任 tổng chỉ đạo. Ông Nguyễn Xuân Thành, Phó Vụ trưởng, đồng hành cùng dự án. Chương trình phát triển Giáo dục trung học giai đoạn 2 cung cấp nguồn lực quan trọng. Các trường đại học sư phạm đóng vai trò then chốt. Đại học Sư phạm Hà Nội với ông Nguyễn Hùng Chính tham gia tích cực. SGK STEM hướng đến học sinh trung học cơ sở và trung học phổ thông.

1.1. Khái niệm và bản chất của giáo dục STEM

Giáo dục STEM tích hợp bốn lĩnh vực: Khoa học (Science), Công nghệ (Technology), Kỹ thuật (Engineering) và Toán học (Mathematics). Chu trình STEM mô tả quy trình sáng tạo kiến thức khoa học, sử dụng kiến thức đó để thiết kế công nghệ mới giải quyết vấn đề. Toán học đóng vai trò công cụ thu nhận và chia sẻ kết quả. Phương pháp này khuyến khích học sinh tư duy sáng tạo, giải quyết vấn đề thực tiễn. SGK STEM của BGD xây dựng dựa trên nguyên lý tích hợp liên môn.

1.2. Tổ chức xây dựng SGK STEM theo chỉ đạo của BGD

Bộ Giáo dục và Đào tạo thành lập Ban tổ chức chuyên trách xây dựng SGK STEM. Nhóm miền Bắc do PGS. Nguyễn Văn Hiền làm cố vấn trưởng, bao gồm các TS. Phạm Thị Bình, Nguyễn Hoài Nam, Lê Xuân Quang. Nhóm miền Nam do TS. Nguyễn Thị Thu Trang phụ trách. Đội ngũ tư vấn quốc tế với TS. Nguyễn Thị Phước Lai đảm bảo chất lượng. Quy trình xây dựng tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn giáo dục quốc gia.

II. Phân tích các vấn đề trong xây dựng chủ đề STEM theo SGK BGD

Việc xây dựng chủ đề STEM trong SGK BGD đối mặt nhiều thách thức. Tình huống mô tả phải hợp lý, gắn với thực tiễn đời sống. Tạo hứng thú cho học sinh là yêu cầu tiên quyết. Hoạt động nghiên cứu kiến thức nền cần định hướng rõ ràng. Giáo viên phải chuẩn bị phiếu học tập đầy đủ. Việc đánh giá hiểu biết học sinh về kiến thức, kỹ năng phức tạp. Năng lực hợp tác và giao tiếp cần được đo lường khách quan. Tiêu chí đánh giá sản phẩm phải bám sát mục tiêu dạy học. Tổ chức nhóm hiệu quả đòi hỏi phân công nhiệm vụ minh bạch. Quá trình thiết kế kỹ thuật cần hướng dẫn tường minh. Học sinh phải ghi chép hồ sơ học tập, chụp ảnh minh chứng. Việc bảo vệ giải pháp dựa trên kiến thức nền đã học. Thời gian thực hiện kéo dài từ một tuần trở lên.

2.1. Thách thức trong thiết kế tình huống học tập STEM

Tình huống học tập STEM phải đạt nhiều tiêu chuẩn đồng thời. Cần hợp lý về mặt khoa học, gắn liền thực tiễn đời sống. Tình huống phải tạo hứng thú, thu hút sự tham gia tích cực của học sinh. Vấn đề từ hoạt động này cần liên kết kiến thức nền trong hoạt động tiếp theo. SGK BGD yêu cầu giáo viên có hướng dẫn định hướng học tập rõ ràng. Học sinh phải được tạo cơ hội thảo luận và đặt câu hỏi tự do.

2.2. Vấn đề đánh giá và quản lý tiến trình học tập STEM

Đánh giá trong giáo dục STEM đòi hỏi nhiều chiều cạnh. Giáo viên cần đánh giá hiểu biết kiến thức, kỹ năng cá nhân. Năng lực hợp tác nhóm và giao tiếp cũng cần được đo lường. Tiêu chí đánh giá phải được thống nhất rõ ràng giữa giáo viên và học sinh. Hồ sơ học tập, vlog, ảnh chụp là minh chứng quan trọng. Việc thuyết trình sản phẩm cần bám sát mục tiêu dạy học chủ đề. Tổ chức hoạt động phải linh hoạt, phù hợp đặc thù từng sản phẩm.

III. Giải pháp và phương pháp thực hiện giáo dục STEM theo SGK BGD

SGK BGD đề xuất năm hoạt động chính cho mỗi chủ đề STEM. Hoạt động một giới thiệu tình huống thực tế, tạo động lực học tập. Hoạt động hai nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất giải pháp. Giáo viên chuẩn bị ít nhất một giải pháp mẫu. Hoạt động ba lựa chọn giải pháp tối ưu. Học sinh bảo vệ phương án dựa trên kiến thức đã học. Hoạt động bốn chế tạo mẫu và thử nghiệm sản phẩm. Thời gian thực hiện kéo dài một tuần. Học sinh tìm kiếm vật liệu, lắp đặt, thử nghiệm. Hoạt động năm chia sẻ, thảo luận, điều chỉnh sản phẩm. Cách tổ chức linh hoạt theo đặc thù từng chủ đề. Giáo viên tổng kết, chuẩn hóa kiến thức liên quan. Ví dụ minh họa: thiết kế đèn ngủ dùng nguồn điện từ củ quả. Chủ đề khác: bình chữa cháy mini, gậy thông minh hỗ trợ người khiếm thị.

3.1. Quy trình năm hoạt động trong dạy học STEM

Hoạt động một giới thiệu tình huống mô tả hợp lý, gắn thực tiễn. Hoạt động hai nghiên cứu kiến thức nền với phiếu học tập đầy đủ. Hoạt động ba thống nhất tiêu chí đánh giá, lựa chọn giải pháp tối ưu. Hoạt động bốn hướng dẫn tường minh quá trình thiết kế kỹ thuật. Học sinh chia nhóm, phân công nhiệm vụ cụ thể. Hoạt động năm tổ chức thuyết trình, phản biện, điều chỉnh sản phẩm hoàn thiện.

3.2. Các ví dụ minh họa chủ đề STEM trong SGK BGD

SGK BGD cung cấp nhiều chủ đề minh họa sinh động. Thiết kế đèn ngủ dùng nguồn điện từ củ quả tại Trường THPT Số 3 Lào Cai. Bóng cứu hạn tại Trường THPT Chuyên Hùng Vương Phú Thọ. Bình chữa cháy mini tại Trường THPT Nguyễn Du. Bộ dụng cụ học hình học cho người khiếm thị tại Trường THCS Nguyễn Trường Tộ. Hệ thống báo động khi mở cửa tại Trường Nguyễn Siêu Hà Nội. Gậy thông minh hỗ trợ người khiếm thị tại Trường THPT Chúc Động.

IV. Kết luận và ứng dụng giáo dục STEM trong trường trung học

Giáo dục STEM theo SGK BGD mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Học sinh phát triển tư duy sáng tạo và kỹ năng giải quyết vấn đề. Phương pháp tích hợp liên môn giúp hiểu sâu kiến thức. Kỹ năng hợp tác nhóm được rèn luyện hiệu quả. Ứng dụng thực tiễn cao qua các chủ đề gần gũi đời sống. Dự án trồng cây thủy canh từ phân bón hóa học áp dụng trực tiếp. Đèn ngủ tiết kiệm điện tích hợp sạc điện thoại sáng tạo. Xây dựng quy trình làm sữa chua kết hợp khoa học và công nghệ. Hệ thống hỗ trợ quang hợp cho cây rong đuôi chó nâng cao nhận thức môi trường. Âm thanh và cuộc sống khám phá vật lý ứng dụng. Chương trình phát triển Giáo dục trung học giai đoạn 2 tiếp tục mở rộng. Đội ngũ giảng viên, chuyên gia tư vấn không ngừng nâng cao chất lượng. Giáo dục STEM góp phần đào tạo nhân lực đáp ứng yêu cầu cách mạng công nghiệp 4.0.

4.1. Giá trị giáo dục và phát triển năng lực học sinh

STEM phát triển toàn diện năng lực học sinh trung học. Tư duy sáng tạo được kích hoạt qua giải quyết vấn đề thực tế. Kỹ năng hợp tác nhóm rèn luyện qua hoạt động chế tạo sản phẩm. Khả năng giao tiếp cải thiện qua thuyết trình, bảo vệ giải pháp. Học sinh tiếp cận kiến thức liên môn một cách tự nhiên. Năng lực thiết kế kỹ thuật hình thành qua quá trình thực hành. Nhận thức trách nhiệm xã hội tăng qua các chủ đề hỗ trợ cộng đồng.

4.2. Hướng phát triển chương trình STEM trong tương lai

Chương trình STEM tại Việt Nam tiếp tục được mở rộng quy mô. BGD đẩy mạnh đào tạo giáo viên thực hiện phương pháp tích hợp. Cộng tác quốc tế giúp nâng cao chất lượng nội dung SGK. Công nghệ mới được tích hợp vào các chủ đề STEM. Mạng lưới trường thực nghiệm mở rộng khắp các tỉnh thành. Nghiên cứu đánh giá hiệu quả được triển khai thường xuyên. Mục tiêu đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao cho đất nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

DANH SÁCH GIẢNG VIÊN, CHUYÊN GIA TƯ VẤN XÂY DỰNG VÀ THỰC HIỆN CHỦ ĐỀ GIÁO DỤC STEM Ban tổ chức, chỉ đạo: Ông Vũ Đình Chuẩn Vụ trưởng Vụ Giáo dục Trung học Ông Nguyễn Xuân Thành Phó Vụ trưởng Vụ Giáo dục Trung học Ông Nguyễn Hùng Chính Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Ông Bùi Hồng Quang Nguyên Giám đốc Chương trình phát triển Giáo dục trung học giai đoạn 2 Ông Vũ Anh Cường Chương trình phát triển Giáo dục trung học giai đoạn 2 Bà Nguyễn Thị Huy Chương trình phát triển Giáo dục trung học giai đoạn 2 Tư vấn quốc tế: TS. Nguyễn Thị Phước Lai Tư vấn trong nước: PGS. Nguyễn Văn Biên Nhóm miền Bắc: Cố vấn: PGS. Nguyễn Văn Hiền (Trưởng nhóm) TS. Phạm Thị Bình PGS. Nguyễn Hoài Nam TS. Lê Xuân Quang TS. Dương Xuân Quý TS. Nguyễn Chí Thanh Nhóm miền Nam: Cố vấn: TS. Nguyễn Thị Thu Trang (Trưởng nhóm) TS. Vũ Như Thư Hương TS. Thái Hoài Minh TS. Nguyễn Thanh Nga TS. Nguyễn Thị Nga ThS. Lê Hải Mỹ Ngân 2 Xây dựng và thực hiện các chủ đề giáo dục STEM trong trường trung học MỤC LỤC Phần 1. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CHUNG VỀ GIÁO DỤC STEM. GIỚI THIỆU CHUNG. GIÁO DỤC STEM TRONG TRƯỜNG TRUNG HỌC. XÂY DỰNG VÀ THỰC HIỆN BÀI HỌC STEM.15 VÍ DỤ MINH HỌA XÂY DỰNG MỘT CHỦ ĐỀ STEM. MỘT SỐ CHỦ ĐỀ MINH HỌA. THIẾT KẾ ĐÈN NGỦ DÙNG NGUỒN ĐIỆN TỪ CỦ QUẢ (Trường THPT Số 3 Lào Cai). BÓNG CỨU HẠN (Trường THPT Chuyên Hùng Vương – Phú Thọ). BÌNH CHỮA CHÁY MINI (Trường THPT Nguyễn Du, TP.82 Chủ đề 4: BỘ DỤNG CỤ HỌC HÌNH HỌC CHO NGƯỜI KHIẾM THỊ (Trường THCS Nguyễn Trường Tộ, TP. THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÁO ĐỘNG KHI MỞ CỬA (Trường THCS & THPT Nguyễn Siêu, Hà Nội).169 Chủ đề 6: GẬY THÔNG MINH HỖ TRỢ NGƯỜI KHIẾM THỊ (Trường THPT Chúc Động).197 3 Chủ đề 7: HỆ THỐNG HỖ TRỢ QUANG HỢP CHO CÂY RONG ĐUÔI CHÓ (Trường THPT Gia Định, TP.228 Chủ đề 8: ÂM THANH VÀ CUỘC SỐNG (Trường THCS Trần Văn Ơn).269 Chủ đề 9: TRỒNG CÂY VỚI DUNG DỊCH THỦY CANH TỪ PHÂN BÓN HÓA HỌC (Trường THPT chuyên Hùng Vương – Phú Thọ). ĐÈN NGỦ TIẾT KIỆM ĐIỆN TÍCH HỢP SẠC ĐIỆN THOẠI (Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng, Cần Thơ). XÂY DỰNG QUY TRÌNH LÀM SỮA CHUA (Trường THPT Mỹ Hào - Hưng Yên). 325 4 Xây dựng và thực hiện các chủ đề giáo dục STEM trong trường trung học Phần 1 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CHUNG VỀ GIÁO DỤC STEM 5 I. GIỚI THIỆU CHUNG 1. Khái niệm STEM STEM là thuật ngữ viết tắt của các từ Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kĩ thuật) và Mathematics (Toán học), thường được sử dụng khi bàn đến các chính sách phát triển về Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học của mỗi quốc gia. Sự phát triển về Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học được mô tả bởi chu trình STEM (Hình 1), trong đó Science là quy trình sáng tạo ra kiến thức khoa học; Engineering là quy trình sử dụng kiến thức khoa học để thiết kế công nghệ mới nhằm giải quyết các vấn đề; Toán là công cụ được sử dụng để thu nhận kết quả và chia sẻ kết quả đó với những người khác. Science Engineers: Scientists Solve : answer problems questions (Kỹ sư: (Nhà Giải quyết khoa học: vấn đề) Trả lời Technology Math Knowledge câu hỏi) Engineering the STEM cycle Hình 1: Chu trình STEM (theo https://www.com) “Science” trong chu trình STEM được mô tả bởi một mũi tên từ “Technology” sang “Knowledge” thể hiện quy trình sáng tạo khoa học. Đứng trước thực tiễn với "Công nghệ" hiện tại, các nhà khoa học, với năng lực tư duy phản biện, luôn đặt ra những câu hỏi/vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện công nghệ, đó là các câu hỏi/vấn đề khoa học. Trả lời các câu hỏi khoa học hoặc giải quyết các vấn đề khoa học sẽ phát minh ra các "Kiến thức" khoa học. Ngược lại, “Engineering” trong chu trình 6 Xây dựng và thực hiện các chủ đề giáo dục STEM trong trường trung học STEM được mô tả bởi một mũi tên từ “Knowledge” sang “Technology” thể hiện quy trình kĩ thuật. Các kĩ sư sử dụng "Kiến thức" khoa học để thiết kế, sáng tạo ra công nghệ mới. Như vậy, trong chu trình STEM, "Science" được hiểu không chỉ là "Kiến thức" thuộc các môn khoa học (như Vật lí, Hoá học, Sinh học) mà bao hàm "Quy trình khoa học" để phát minh ra kiến thức khoa học mới. Tương tự như vậy, "Engineering" trong chu STEM không chỉ là "Kiến thức" thuộc lĩnh vực "Kĩ thuật" mà bao hàm"Quy trình kĩ thuật" để sáng tạo ra "Công nghệ" mới. Hai quy trình nói trên tiếp nối nhau, khép kín thành chu trình sáng tạo khoa học – kĩ thuật theo mô hình "xoáy ốc" mà cứ sau mỗi chu trình thì lượng kiến thức khoa học tăng lên và cùng với nó là công nghệ phát triển ở trình độ cao hơn. Giáo dục STEM Phỏng theo chu trình STEM, giáo dục STEM đặt học sinh trước những vấn đề thực tiễn ("công nghệ" hiện tại) cần giải quyết, đòi hỏi học sinh phải tìm tòi, chiếm lĩnh kiến thức khoa học và vận dụng kiến thức để thiết kế và thực hiện giải pháp giải quyết vấn đề ("công nghệ" mới). Như vậy, mỗi bài học STEM sẽ đề cập và giao cho học sinh giải quyết một vấn đề tương đối trọn vẹn, đòi hỏi học sinh phải huy động kiến thức đã có và tìm tòi, chiếm lĩnh kiến thức mới để sử dụng. Quá trình đó đòi hỏi học sinh phải thực hiện theo "Quy trình khoa học" (để chiếm lĩnh kiến thức mới) và "Quy trình kĩ thuật" để sử dụng kiến thức đó vào việc thiết kế và thực hiện giải pháp ("công nghệ" mới) để giải quyết vấn đề. Đây chính là sự tiếp cận liên môn trong giáo dục STEM, dù cho kiến thức mới mà học sinh cần phải học để sử dụng trong một bài học STEM cụ thể có thể chỉ thuộc một môn học. Như vậy, giáo dục STEM là một phương thức giáo dục nhằm trang bị cho học sinh những kiến thức khoa học gắn liền với ứng dụng của chúng trong thực tiễn, qua đó phát triển cho học sinh năng lực phát hiện và giải quyết vấn đề cùng với những năng lực khác tương ứng, đáp ứng được yêu cầu của sự phát triển kinh tế – xã hội. Các mức độ áp dụng giáo dục STEM trong giáo dục phổ thông như sau: a) Dạy học các môn học theo phương thức giáo dục STEM Đây là hình thức tổ chức giáo dục STEM chủ yếu trong nhà trường. Theo cách này, các bài học, hoạt động giáo dục STEM được triển khai ngay trong quá trình dạy học các môn học STEM theo tiếp cận liên môn. Các chủ đề, bài học, hoạt động STEM 7 bám sát chương trình của các môn học thành phần. Hình thức giáo dục STEM này không làm phát sinh thêm thời gian học tập. b) Tổ chức các hoạt động trải nghiệm STEM Trong hoạt động trải nghiệm STEM, học sinh được khám phá các ứng dụng khoa học, kỹ thuật trong thực tiễn đời sống. Qua đó, nhận biết được ý nghĩa của khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học đối với đời sống con người, nâng cao hứng thú học tập các môn học STEM. Đây cũng là cách thức để thu hút sự quan tâm của xã hội tới giáo dục STEM. Để tổ chức thành công các hoạt động trải nghiệm STEM, cần có sự tham gia, hợp tác của các bên liên quan như trường trung học, cơ sở giáo dục nghề nghiệp, các trường đại học, doanh nghiệp. Trải nghiệm STEM còn có thể được thực hiện thông qua sự hợp tác giữa trường trung học với các cơ sở giáo dục đại học, giáo dục nghề nghiệp. Theo cách này, sẽ kết hợp được thực tiễn phổ thông với ưu thế về cơ sở vật chất của giáo dục đại học và giáo dục nghề nghiệp. Các trường trung học có thể triển khai giáo dục STEM thông qua hình thức câu lạc bộ. Tham gia câu lạc bộ STEM, học sinh được học tập nâng cao trình độ, triển khai các dự án nghiên cứu, tìm hiểu các ngành nghề thuộc lĩnh vực STEM. Đây là hoạt động theo sở thích, năng khiếu của học sinh. c) Tổ chức hoạt động nghiên cứu khoa học, kĩ thuật Giáo dục STEM có thể được triển khai thông qua hoạt động nghiên cứu khoa học và tổ chức các cuộc thi sáng tạo khoa học kỹ thuật. Hoạt động này không mang tính đại trà mà dành cho những học sinh có năng lực, sở thích và hứng thú với các hoạt động tìm tòi, khám phá khoa học, kỹ thuật giải quyết các vấn đề thực tiễn. Tổ chức tốt hoạt động câu lạc bộ STEM cũng là tiền đề phát triển hoạt động sáng tạo khoa học kỹ thuật và triển khai các dự án nghiên cứu trong khuôn khổ cuộc thi khoa học kỹ thuật dành cho học sinh trung học. Bên cạnh đó, tham gia câu lạc bộ STEM và nghiên cứu khoa học, kĩ thuật là cơ hội để học sinh thấy được sự phù hợp về năng lực, sở thích, giá trị của bản thân với nghề nghiệp thuộc lĩnh vực STEM. 8 Xây dựng và thực hiện các chủ đề giáo dục STEM trong trường trung học 3. Vai trò, ý nghĩa của giáo dục STEM Việc đưa giáo dục STEM vào trường trung học mang lại nhiều ý nghĩa, phù hợp với định hướng đổi mới giáo dục phổ thông. Cụ thể là: – Đảm bảo giáo dục toàn diện: Triển khai giáo dục STEM ở nhà trường, bên cạnh các môn học đang được quan tâm như Toán, Khoa học, các lĩnh vực Công nghệ, Kỹ thuật cũng sẽ được quan tâm, đầu tư trên tất cả các phương diện về đội ngũ giáo viên, chương trình, cơ sở vật chất. – Nâng cao hứng thú học tập các môn học STEM: Các dự án học tập trong giáo dục STEM hướng tới việc vận dụng kiến thức liên môn để giải quyết các vấn đề thực tiễn, học sinh được hoạt động, trải nghiệm và thấy được ý nghĩa của tri thức với cuộc sống, nhờ đó sẽ nâng cao hứng thú học tập của học sinh. – Hình thành và phát triển năng lực, phẩm chất cho học sinh: Khi triển khai các dự án học tập STEM, học sinh hợp tác với nhau, chủ động và tự lực thực hiện các nhiệm vụ học; được làm quen hoạt động có tính chất nghiên cứu khoa học. Các hoạt động nêu trên góp phần tích cực vào hình thành và phát triển phẩm chất, năng lực cho học sinh. – Kết nối trường học với cộng đồng: Để đảm bảo triển khai hiệu quả giáo dục STEM, cơ sở giáo dục phổ thông thường kết nối với các cơ sở giáo dục nghề nghiệp, đại học tại địa phương nhằm khai thác nguồn lực về con người, cơ sở vật chất triển khai hoạt động giáo dục STEM.