Luận văn sử dụng thí nghiệm dạy Sinh học 11 phát triển năng lực tại Trường ĐH Sư phạm Thái Nguyên

Nghiên cứu biện pháp sử dụng thí nghiệm trong dạy học Sinh học 11 nhằm phát triển hiệu quả năng lực tìm hiểu thế giới sống cho học sinh trung học phổ thông.

• Tác giả: Nguyễn Thục Hạnh
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Thị Hồng Tú
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Lý luận và Phương pháp dạy học bộ môn Sinh học
• Đề tài: Sử dụng thí nghiệm trong dạy học “Trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng ở thực vật” nhằm phát triển năng lực tìm hiểu thế giới sống cho học sinh lớp 11
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan vai trò thí nghiệm dạy học Sinh học 11 hiện nay

Chương trình giáo dục phổ thông môn Sinh học chuyển mạnh từ truyền thụ kiến thức sang phát triển phẩm chất và năng lực. Thí nghiệm khoa học giữ vai trò cầu nối bản chất giữa lý thuyết và hiện thực tự nhiên. Môn Sinh học 11 tập trung nghiên cứu các cơ chế sinh lý phức tạp ở thực vật và động vật. Việc quan sát bằng mắt thường khó tiếp cận các quá trình trao đổi chất vi mô này. Vì vậy, thí nghiệm trở thành công cụ trực quan thiết yếu để làm sáng tỏ bản chất sự sống. Học sinh thông qua thao tác thực nghiệm sẽ chuyển từ trạng thái thụ động ghi nhớ sang chủ động khám phá quy luật sinh học. Phương pháp này rèn luyện tính kiên nhẫn, tác phong làm việc khoa học và tinh thần học hỏi thực nghiệm. Thí nghiệm không đơn thuần chứng minh bài giảng lý thuyết. Hoạt động này tạo môi trường học tập tích cực, khơi dậy óc tò mò khoa học và hình thành nền tảng tư duy nghiên cứu vững chắc. Năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn của học sinh từ đó được bồi dưỡng toàn diện và bền vững.

1.1. Bản chất năng lực tìm hiểu thế giới sống môn Sinh học

Năng lực tìm hiểu thế giới sống phản ánh khả năng nhận thức và khám phá quy luật tự nhiên của người học. Năng lực này bao gồm chuỗi kỹ năng tư duy khoa học liền mạch. Học sinh học cách nhận biết các câu hỏi nghiên cứu từ hiện tượng sinh học đời sống. Người học tiến hành đề xuất giả thuyết khoa học hợp lý dựa trên vốn kiến thức nền tảng. Tiếp theo, học sinh xây dựng quy trình thực nghiệm nhằm kiểm chứng giả thuyết đã nêu. Kỹ năng vận dụng phương tiện, hóa chất và mẫu vật sống được thực hiện chuẩn xác. Cuối cùng, học sinh thu thập dữ liệu, phân tích kết quả và khái quát hóa bản chất sự vật. Năng lực này rèn luyện cho người học phương pháp tư duy độc lập và năng lực tự học suốt đời.

1.2. Ý nghĩa thí nghiệm dạy học Sinh học 11 đối với nhận thức

Thí nghiệm đóng vai trò nguồn cung cấp thông tin thực tế sinh động cho học sinh. Các hiện tượng như thoát hơi nước, hô hấp tế bào hay quang hợp vốn mang tính trừu tượng cao. Khi tự tay bố trí dụng cụ thí nghiệm, học sinh trực tiếp nhìn thấy giọt nước ngưng tụ hoặc sự đổi màu của hóa chất chỉ thị. Sự quan sát này tạo ấn tượng nhận thức sâu sắc. Học sinh ghi nhớ bài học lâu hơn so với cách học thụ động qua sách giáo khoa. Thí nghiệm kích thích trí tò mò, thúc đẩy mong muốn tìm tòi bản chất sinh lý học thực vật. Môi trường thực hành còn phát triển sự phối hợp nhịp nhàng giữa hoạt động trí tuệ và kỹ năng thao tác vận động.

II. Thực trạng dùng thí nghiệm dạy học Sinh học 11 hiện nay

Khảo sát thực tiễn tại các trường phổ thông chỉ ra nhiều bất cập trong dạy học thực nghiệm. Phần lớn giáo viên hiện nay sử dụng thí nghiệm nhằm mục đích củng cố bài học hoặc rèn kỹ năng thao tác theo phân phối chương trình, chiếm tỷ lệ 66,7%. Tỷ lệ sử dụng thí nghiệm theo hướng nghiên cứu giúp học sinh tự chiếm lĩnh tri thức mới chỉ đạt mức khiêm tốn 29,2%. Trong định hướng phát triển năng lực, có tới 50% giáo viên chú trọng năng lực vận dụng kiến thức và 33,3% hướng tới năng lực nhận thức. Chỉ 16,7% giáo viên hướng đến mục tiêu phát triển năng lực tìm hiểu thế giới sống cho học sinh. Các giờ thực hành chủ yếu diễn ra theo kịch bản biểu diễn của giáo viên hoặc học sinh làm theo quy trình có sẵn. Quy trình mẫu đóng khung tư duy khiến học sinh mất cơ hội suy nghĩ độc lập. Việc thiếu thời gian và hạn chế về cơ sở vật chất phòng bộ môn cũng cản trở việc đổi mới phương pháp giảng dạy. Hoạt động thực nghiệm vì vậy chưa phát huy tối đa tiềm năng hình thành tư duy khoa học.

2.1. Thói quen sử dụng thí nghiệm minh họa kiến thức có sẵn

Phương pháp dạy học truyền thống thường biến thí nghiệm thành công cụ kiểm chứng đơn thuần. Giáo viên giảng lý thuyết trước rồi mới tiến hành thí nghiệm để minh họa. Học sinh chỉ việc làm theo từng bước hướng dẫn chi tiết trong sách bài tập. Hoạt động này loại bỏ hoàn toàn quá trình phán đoán và tư duy tìm tòi. Người học không có cơ hội mắc lỗi để tự điều chỉnh phương pháp nghiên cứu. Thao tác thực hành trở nên máy móc giống như công việc sao chép cơ học. Kết quả là học sinh thuộc lòng công thức nhưng không hiểu bản chất phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm. Động lực học tập tích cực bị suy giảm đáng kể.

2.2. Rào cản phát triển năng lực tìm hiểu thế giới sống cho học sinh

Thách thức lớn nhất hiện nay xuất phát từ áp lực điểm số và thời lượng giảng dạy. Các kỳ thi chuẩn hóa nặng về câu hỏi trắc nghiệm ghi nhớ lý thuyết. Giáo viên thường ưu tiên giảng dạy các mẹo giải bài tập thay vì đầu tư thời gian vào phòng thí nghiệm. Thiết bị dạy học tại nhiều cơ sở còn thiếu thốn hoặc hư hỏng chưa được bổ sung kịp thời. Việc chuẩn bị mẫu vật sống như cây xanh, hạt nảy mầm đòi hỏi nhiều thời gian và công sức chăm sóc. Hơn nữa, việc đánh giá năng lực thực hành đòi hỏi bộ tiêu chí quan sát phức tạp. Thiếu hụt công cụ kiểm tra đánh giá định lượng khiến giáo viên e ngại triển khai thí nghiệm nghiên cứu.

III. Giải pháp dùng thí nghiệm dạy học Sinh học 11 phát triển năng lực

Đổi mới phương pháp dạy học yêu cầu chuyển trọng tâm từ thí nghiệm minh họa sang thí nghiệm nghiên cứu khám phá. Giáo viên thiết kế tiến trình bài học theo chu trình nghiên cứu khoa học gồm bốn bước rõ ràng: chuyển giao nhiệm vụ, thực hiện nhiệm vụ, báo cáo thảo luận và kết luận nhận định. Thay vì cung cấp quy trình sẵn có, giáo viên đưa ra tình huống thực tiễn có vấn đề. Ví dụ trong nội dung sinh lý thực vật, học sinh được giao nhiệm vụ chứng minh rễ cây hút nước và muối khoáng với các dụng cụ cho trước. Học sinh tự đề xuất giả thuyết khoa học, lập phương án thí nghiệm đối chứng và chủ động thao tác. Quá trình này đòi hỏi người học phải kiểm soát các biến số thực nghiệm một cách chặt chẽ. Học sinh ghi chép dữ liệu khách quan, vẽ biểu đồ và thảo luận nhóm về các hiện tượng bất thường. Giáo viên giữ vai trò cố vấn khoa học, định hướng tư duy phản biện và chuẩn hóa tri thức mới. Cách tiếp cận này biến học sinh thành những nhà nghiên cứu thực thụ.

3.1. Thiết kế quy trình nghiên cứu khoa học qua các bài thực hành

Quy trình nghiên cứu bắt đầu từ hoạt động quan sát hiện tượng tự nhiên để phát hiện mâu thuẫn nhận thức. Học sinh đưa ra câu hỏi nghiên cứu và phát biểu giả thuyết khoa học độc lập. Dưới sự hỗ trợ của giáo viên, các nhóm học sinh tự thiết kế phương án thí nghiệm. Các yếu tố quan trọng bao gồm lựa chọn hóa chất, bố trí mẫu đối chứng và xác định biến số độc lập. Học sinh tiến hành lắp đặt thiết bị, quan sát diễn biến và ghi nhận chỉ số thực tế. Dữ liệu thô được tổng hợp vào bảng biểu khoa học để so sánh kết quả. Qua việc đối chiếu kết quả thực nghiệm với giả thuyết ban đầu, học sinh rút ra kết luận logic về quy luật tự nhiên.

3.2. Xây dựng tiêu chí đánh giá năng lực tìm hiểu thế giới sống

Đánh giá năng lực đòi hỏi xây dựng hệ thống tiêu chí định lượng rõ ràng qua bảng kiểm và thang đo rubric. Các tiêu chí tập trung vào từng hành vi cụ thể của học sinh trong phòng thực hành. Giáo viên quan sát kỹ năng đề xuất câu hỏi, mức độ sáng tạo khi lập phương án thí nghiệm và sự chuẩn xác trong thao tác công cụ. Khả năng làm việc nhóm, phân công nhiệm vụ và bảo đảm an toàn phòng thí nghiệm cũng được tính điểm. Hoạt động báo cáo sản phẩm đánh giá kỹ năng diễn đạt khoa học và năng lực bảo vệ quan điểm trước phản biện. Đánh giá đồng đẳng giữa các nhóm giúp học sinh tự nhận thức ưu điểm và hạn chế trong phương pháp nghiên cứu.

IV. Đánh giá hiệu quả thí nghiệm dạy học Sinh học 11 trong thực tiễn

Ứng dụng thí nghiệm theo hướng nghiên cứu mang lại những chuyển biến rõ rệt về chất lượng học tập bộ môn. Học sinh không còn học vẹt lý thuyết mà chủ động kết nối kiến thức với thực tế sản xuất nông nghiệp và đời sống. Kỹ năng tư duy logic, năng lực giải quyết vấn đề và sự tự tin trong giao tiếp khoa học của học sinh được cải thiện vượt bậc. Việc trực tiếp giải quyết các thách thức nảy sinh trong phòng thí nghiệm giúp học sinh rèn luyện tính kiên trì và tinh thần trách nhiệm. Điểm số các bài kiểm tra đánh giá năng lực tại các lớp thực nghiệm luôn đạt kết quả cao hơn hẳn so với lớp đối chứng học theo lối truyền thống. Kết quả nghiên cứu khẳng định mô hình dạy học này hoàn toàn khả thi và phù hợp với yêu cầu đổi mới căn bản giáo dục. Việc nhân rộng phương pháp đòi hỏi sự đầu tư đồng bộ về cơ sở vật chất và nỗ lực tự bồi dưỡng chuyên môn của đội ngũ giáo viên phổ thông.

4.1. Chuyển biến tích cực trong kỹ năng nghiên cứu của học sinh

Thực nghiệm sư phạm cho thấy học sinh tiến bộ rõ rệt qua từng chủ đề bài học. Khả năng thiết lập biến số độc lập và biến số phụ thuộc của học sinh trở nên thuần thục hơn. Các em không còn bỡ ngỡ khi thao tác với các thiết bị đo lường sinh học chuyên dụng. Tinh thần hợp tác nhóm được nâng cao khi các thành viên cùng phân tích dữ liệu bất thường và tìm nguyên nhân sai số. Học sinh hình thành thói quen hoài nghi khoa học lành mạnh, không dễ dàng chấp nhận các kết luận thiếu căn cứ thực nghiệm. Tinh thần chủ động khám phá tri thức mới giúp hình thành tình yêu lâu dài đối với bộ môn Sinh học.

4.2. Khuyến nghị nhân rộng mô hình thực nghiệm môn Sinh học 11

Để nhân rộng mô hình dạy học nghiên cứu, nhà trường cần ưu tiên nâng cấp cơ sở vật chất phòng bộ môn. Các dụng cụ đo quang phổ kế, kính hiển vi quang học và hóa chất tinh khiết cần được trang bị đầy đủ. Sở giáo dục cần tổ chức các khóa tập huấn chuyên sâu về phương pháp hướng dẫn nghiên cứu khoa học cho giáo viên. Tổ chuyên môn nên xây dựng ngân hàng bài tập thực nghiệm gắn liền với đời sống địa phương như kỹ thuật giâm cành, bón phân thông minh. Việc điều chỉnh cấu trúc đề thi theo hướng tăng cường câu hỏi phân tích dữ liệu thực nghiệm là giải pháp then chốt để định hướng việc dạy và học.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Chương trình giáo dục phổ thông 2018 ban hành kèm theo Thông tư 32/2018/TT-BGDĐT đã đánh dấu bước chuyển mình mang tính bước ngoặt của nền giáo dục Việt Nam, chuyển đổi từ mô hình truyền thụ nội dung sang mô hình phát triển toàn diện phẩm chất và năng lực người học. Trong cấu trúc môn Sinh học, năng lực tìm hiểu thế giới sống được xác định là một trong ba năng lực đặc thù cốt lõi, đòi hỏi học sinh không chỉ nắm vững lý thuyết mà còn phải hình thành tư duy nghiên cứu khoa học thông qua hoạt động thực nghiệm. Tuy nhiên, tại các cơ sở giáo dục hiện nay, đặc biệt là hệ thống Trung tâm Giáo dục nghề nghiệp - Giáo dục thường xuyên, việc dạy học thực hành thí nghiệm vẫn còn tồn tại nhiều rào cản mang tính cố hữu. Kết quả khảo sát thực tế trên 24 giáo viên dạy môn Sinh học cấp trung học phổ thông tại 6 trung tâm trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên cho thấy có đến 66,7% giáo viên chỉ sử dụng thí nghiệm để củng cố kiến thức lý thuyết có sẵn, 95,8% thực hiện theo lối mòn giáo viên làm mẫu - học sinh làm theo và chỉ có 16,7% giáo viên quan tâm đến việc phát triển năng lực tìm hiểu thế giới sống cho học sinh.

Đứng trước thực trạng đó, đề tài luận văn thạc sĩ khoa học giáo dục của tác giả Nguyễn Thục Hạnh với định hướng sử dụng thí nghiệm trong dạy học phần Trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng ở thực vật thuộc chương trình Sinh học 11 mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng quy trình dạy học thực nghiệm theo chuỗi 4 giai đoạn gắn liền với các tình huống thực tiễn sinh động, từ đó hình thành cho học sinh tư duy đề xuất vấn đề, xây dựng giả thuyết và tự lực kiểm chứng khoa học. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm sư phạm trong mốc thời gian từ tháng 9/2021 đến tháng 5/2022 tại các trung tâm trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên. Công trình cung cấp giải pháp sư phạm đột phá giúp nâng cao tỷ lệ học sinh đạt chuẩn năng lực thực nghiệm lên trên 57%, đồng thời đóng góp hệ thống bài tập thực hành tình huống giúp đổi mới phương pháp dạy học môn Sinh học theo hướng hiện đại, chuẩn hóa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp chặt chẽ giữa thuyết kiến tạo trong giáo dục và mô hình phương pháp Bàn tay nặn bột (La main à la pâte) do Viện sĩ Pierre Léna cùng Viện Hàn lâm Khoa học Pháp phát triển từ năm 1980. Phương pháp này nhấn mạnh học sinh cần được tiếp cận tri thức khoa học thông qua các tình huống thực tiễn có vấn đề, tự mình thiết kế và vận hành thí nghiệm để kiểm chứng giả thuyết, trong khi giáo viên đóng vai trò là người định hướng và tổ chức. Bên cạnh đó, tác giả vận dụng 5 nguyên tắc dạy học thực tế của tác giả Treffers, bao gồm: nguyên tắc đảm bảo chuẩn yêu cầu cần đạt theo Thông tư 32/2018/TT-BGDĐT, nguyên tắc hoạt động, nguyên tắc thực tiễn, nguyên tắc tương tác và nguyên tắc phù hợp với nhận thức của người học.

Về mặt khái niệm, luận văn tập trung làm rõ 4 trụ cột lý luận chính: khái niệm năng lực theo chuẩn giáo dục thế giới của tác giả Weinert; năng lực tìm hiểu thế giới sống với tư cách là năng lực đặc thù của khoa học sinh học; bản chất của thí nghiệm sinh học theo định nghĩa của tác giả Đỗ Thị Loan; và hệ thống bài tập thực hành thí nghiệm theo quan điểm của tác giả Phan Đức Duy. Năng lực tìm hiểu thế giới sống được cụ thể hóa thành 6 tiêu chí hành vi rõ ràng tương ứng với 5 bước của tiến trình nghiên cứu khoa học thực nghiệm, bao gồm: đặt câu hỏi thí nghiệm, thiết lập giả thuyết, lập kế hoạch kiểm chứng, tiến hành thực nghiệm, xử lý số liệu và viết báo cáo đánh giá thảo luận. Hệ thống năng lực này được lượng hóa qua 3 mức độ phát triển từ mức 1 (làm quen, trải nghiệm một phần dưới sự hỗ trợ) đến mức 3 (tự chủ, độc lập thiết kế và bảo vệ phương án thí nghiệm).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được thu thập từ 2 kênh thông tin chính: dữ liệu khảo sát thực trạng giáo dục và dữ liệu định lượng từ quá trình thực nghiệm sư phạm. Cỡ mẫu khảo sát thực trạng bao gồm 24 giáo viên trực tiếp giảng dạy môn Sinh học tại 6 Trung tâm Giáo dục nghề nghiệp - Giáo dục thường xuyên thuộc tỉnh Thái Nguyên thông qua công cụ phiếu hỏi điện tử. Đối với giai đoạn thực nghiệm sư phạm, tác giả lựa chọn cỡ mẫu gồm hơn 70 học sinh lớp 11, được chia thành hai nhóm lớp: nhóm thực nghiệm (áp dụng quy trình dạy học sử dụng thí nghiệm phát triển năng lực) và nhóm đối chứng (học theo tiến trình giảng dạy truyền thống).

Phương pháp chọn mẫu được tiến hành theo nguyên tắc chọn mẫu tương đương phân tầng, đảm bảo tính đồng đều tuyệt đối về mặt học lực, điểm số đầu vào, điều kiện cơ sở vật chất và môi trường học tập giữa hai nhóm. Về phương pháp phân tích, nghiên cứu sử dụng phương pháp thống kê toán học chuyên sâu trong khoa học giáo dục, bao gồm phân phối tần số, tần suất, tần suất lũy tích, phân tích phương sai ANOVA và kiểm định sự sai khác giá trị trung bình bằng chỉ số Chi-square và Student t-test. Lý do lựa chọn hệ thống phương pháp phân tích toán học này là nhằm loại bỏ tối đa các yếu tố thiên lệch chủ quan của người đánh giá, đảm bảo tính khách quan khoa học, từ đó đo lường chính xác mức độ biến thiên của điểm số và sự tiến bộ thực chất trong từng tiêu chí năng lực của học sinh. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu được triển khai xuyên suốt theo 2 giai đoạn: giai đoạn nghiên cứu cơ sở lý luận và khảo sát điều tra thực trạng từ tháng 9/2021 đến tháng 12/2021; giai đoạn thiết kế giáo án và triển khai thực nghiệm sư phạm từ tháng 1/2022 đến tháng 5/2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích dữ liệu thực nghiệm sư phạm đã ghi nhận 4 phát hiện quan trọng, khẳng định tính hiệu quả vượt trội của việc đổi mới phương pháp giảng dạy:

Thứ nhất, kết quả bài kiểm tra đánh giá định lượng cho thấy nhóm học sinh lớp thực nghiệm đạt điểm trung bình là 7,85 điểm, cao hơn rõ rệt so với mức 6,43 điểm của nhóm lớp đối chứng, tạo ra khoảng cách chênh lệch lên tới 1,42 điểm (tương đương mức tăng trưởng 22,1%). Điều này chứng minh việc gắn thí nghiệm với bối cảnh giải quyết vấn đề giúp học sinh khắc sâu kiến thức lý thuyết về trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng một cách bền vững.

Thứ hai, mức độ làm chủ các tiêu chí của năng lực tìm hiểu thế giới sống có sự bứt phá mạnh mẽ. Tỷ lệ học sinh lớp thực nghiệm đạt năng lực ở mức độ 3 (mức độ tự lực đề xuất giả thuyết, thiết kế dụng cụ và tự tiến hành thí nghiệm) tăng ngoạn mục từ 14,3% ở giai đoạn khảo sát thăm dò ban đầu lên tới 57,1% ở giai đoạn kết thúc thực nghiệm, tương ứng mức tăng trưởng gần gấp 4 lần.

Thứ ba, hệ số biến thiên điểm số của lớp thực nghiệm giảm mạnh từ mức 24,6% xuống còn 15,2%, trong khi lớp đối chứng vẫn duy trì hệ số biến thiên ở mức cao khoảng 22,8%. Sự sụt giảm của hệ số biến thiên phản ánh độ phân tán kết quả học tập được thu hẹp tối đa, học sinh ở mọi mức độ nhận thức đều có sự tiến bộ đồng đều. Tỷ lệ học sinh đạt điểm khá và giỏi ở lớp thực nghiệm đạt 68,5%, vượt trội hoàn toàn so với con số 41,2% ở lớp đối chứng.

Thứ tư, kỹ năng thực hành tư duy khoa học của học sinh chuyển biến từ trạng thái thụ động sao chép sang tư duy phản biện khoa học. Khi đối mặt với các bài tập tình huống thực tế, hơn 80% học sinh nhóm thực nghiệm đã tự tin sử dụng ngôn ngữ khoa học để phân tích số liệu, biết so sánh kết quả thực nghiệm với giả thuyết ban đầu và giải thích các nguyên nhân sai số phát sinh.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội về mặt kết quả học tập của lớp thực nghiệm xuất phát từ việc học sinh được đặt vào vị trí của những nhà nghiên cứu khoa học thực thụ. Thay vì tiếp nhận kiến thức một cách một chiều, học sinh được trải nghiệm chuỗi hoạt động 5 bước gắn liền với các hiện tượng thực tế gần gũi như: hiện tượng rỉ nhựa ở gốc cây khi cắt tỉa, kỹ thuật cắt bớt cành lá khi đánh cây đem trồng để giảm thoát hơi nước, hay biện pháp khoanh vỏ thân cây táo để tăng hàm lượng đường tích tụ trong quả. Khi gặp các tình huống này, động cơ học tập nội tại của học sinh được kích hoạt tối đa, chuyển hóa việc ghi nhớ thụ động thành quá trình chủ động tìm tòi và kiến tạo tri thức.

Khi đối chiếu với các công trình nghiên cứu đi trước của tác giả Phan Đức Duy (2012) và nhóm nghiên cứu Đặng Thị Dạ Thủy (2017), kết quả của luận văn hoàn toàn củng cố nhận định rằng phương pháp dạy học thực hành thí nghiệm chính là con đường ngắn nhất để phát triển năng lực nghiên cứu khoa học cho người học. Điểm mới đột phá của luận văn này nằm ở việc tác giả đã thành công trong việc áp dụng mô hình tại đối tượng học viên Trung tâm Giáo dục nghề nghiệp - Giáo dục thường xuyên, nơi vốn bị xem là có nhiều rào cản về năng lực đầu vào và hạn chế trang thiết bị dạy học.

Về phương thức trực quan hóa dữ liệu, các kết quả thực nghiệm được trình bày sinh động thông qua biểu đồ phân phối tần suất điểm số và đồ thị đường tích lũy hội tụ tiến. Khi quan sát biểu đồ cột biểu diễn tần suất điểm kiểm tra, các cột điểm khá và giỏi (từ 7 đến 10 điểm) của lớp thực nghiệm luôn chiếm tỷ trọng áp đảo, tạo nên đường cong phân phối lệch phải rõ nét. Đồng thời, trên đồ thị đường tích lũy, đường biểu diễn của lớp thực nghiệm luôn nằm hoàn toàn về phía bên phải và phía dưới so với đường tích lũy của lớp đối chứng, chứng minh một cách tường minh và có ý nghĩa thống kê về sự vượt trội của phương pháp dạy học mới so với phương pháp truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nhân rộng hiệu quả nghiên cứu và chuyển hóa các phát hiện khoa học thành thực tiễn giáo dục, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp hành động cụ thể:

Một là, chuẩn hóa và số hóa hệ thống kế hoạch bài dạy thực nghiệm theo định hướng Công văn 5512/BGDĐT-GDTrH. Tổ chuyên môn Sinh học tại các nhà trường cần biên soạn đồng bộ 100% các bài học thuộc chủ đề Trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng lớp 11 thành các bài tập tình huống thực nghiệm có kèm theo phiếu học tập định hướng. Thời gian hoàn thành trong học kỳ I năm học 2022-2023, do các tổ bộ môn Sinh học các trường trung học phổ thông và các Trung tâm Giáo dục nghề nghiệp - Giáo dục thường xuyên chủ trì thực hiện.

Hai là, tổ chức các khóa tập huấn bồi dưỡng chuyên môn về kỹ thuật dạy học thực nghiệm cho giáo viên. Sở Giáo dục và Đào tạo tỉnh Thái Nguyên cần phối hợp với Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên mở các lớp tập huấn kỹ năng sư phạm thực nghiệm, hướng dẫn giáo viên cách thức chuyển đổi từ lối dạy làm mẫu sang tổ chức hoạt động nghiên cứu độc lập. Mục tiêu đặt ra là nâng tỷ lệ giáo viên thành thạo quy trình dạy học phát triển năng lực tìm hiểu thế giới sống từ 16,7% hiện nay lên ít nhất 85% vào cuối năm 2023.

Ba là, đầu tư, nâng cấp và linh hoạt hóa hệ thống trang thiết bị thí nghiệm tối thiểu. Ban giám hiệu các nhà trường cần rà soát và bổ sung kịp thời hóa chất, dụng cụ thực hành cho 12 bài thực hành trọng điểm của chương trình mới. Đồng thời, khuyến khích giáo viên tận dụng các vật liệu tái chế, cây trồng địa phương sẵn có để tổ chức thí nghiệm tự tạo, khắc phục triệt để tình trạng thiếu thốn phòng bộ môn chuyên biệt. Lộ trình triển khai liên tục trong giai đoạn 2023-2025.

Bốn là, đổi mới toàn diện công cụ kiểm tra và đánh giá kết quả học tập của học sinh. Giáo viên cần thay thế ít nhất 40% câu hỏi lý thuyết ghi nhớ đơn thuần trong các bài kiểm tra định kỳ bằng các bài tập tình huống thực nghiệm, câu hỏi giải thích hiện tượng và bảng rubric đánh giá kỹ năng thao tác. Chủ thể thực hiện là toàn thể giáo viên giảng dạy bộ môn Sinh học, bắt đầu áp dụng ngay từ đầu năm học mới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Thục Hạnh là tài liệu tham khảo khoa học có giá trị ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm sau:

Nhóm thứ nhất là giáo viên Sinh học tại các trường trung học phổ thông và các Trung tâm Giáo dục nghề nghiệp - Giáo dục thường xuyên. Giáo viên có thể khai thác trực tiếp hệ thống kế hoạch bài dạy mẫu, các bài tập thí nghiệm tình huống gắn liền với đời sống thực tế và bộ tiêu chí đánh giá năng lực chi tiết để vận dụng ngay vào bài giảng hàng ngày, giúp tiết kiệm thời gian chuẩn bị giáo án mà vẫn đảm bảo đáp ứng chuẩn đầu ra của chương trình mới.

Nhóm thứ hai là cán bộ quản lý giáo dục, chuyên viên phụ trách bộ môn tại các Phòng và Sở Giáo dục và Đào tạo. Công trình cung cấp bộ số liệu khảo sát thực trạng thực tế từ 24 giáo viên và kết quả thực nghiệm chuẩn xác, đóng vai trò là cơ sở khoa học tin cậy để các nhà quản lý xây dựng chiến lược bồi dưỡng giáo viên, định hướng đổi mới phương pháp giảng dạy và đổi mới công tác ra đề kiểm tra đánh giá năng lực học sinh trên địa bàn.

Nhóm thứ ba là giảng viên, sinh viên sư phạm và học viên cao học chuyên ngành Lý luận và Phương pháp dạy học bộ môn Sinh học. Luận văn cung cấp mô hình nghiên cứu khoa học giáo dục mẫu mực, từ khâu thiết lập cơ sở lý thuyết, xây dựng bộ công cụ rubric đánh giá 6 tiêu chí năng lực cho đến kỹ thuật xử lý số liệu thống kê toán học, hỗ trợ đắc lực cho việc phát triển các đề tài nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo.

Nhóm thứ tư là các tác giả, chuyên gia viết sách giáo khoa và tài liệu tham khảo giáo dục. Với kết quả kiểm tra trùng lặp Turnitin chỉ 28%, tài liệu này mang lại góc nhìn thực chứng quý báu về cách tiếp cận dạy học thực nghiệm cho đối tượng học sinh có học lực trung bình và yếu, giúp các nhà làm sách xây dựng các bài tập thực hành sát thực tế, dễ thực hiện và phù hợp với nhiều nhóm đối tượng người học khác nhau.

Câu hỏi thường gặp

Năng lực tìm hiểu thế giới sống trong môn Sinh học gồm những biểu hiện cụ thể nào? Năng lực này bao gồm 6 tiêu chí hành vi cốt lõi: khả năng đề xuất câu hỏi nghiên cứu từ bối cảnh thực tế; xây dựng giả thuyết khoa học; lập kế hoạch thí nghiệm; tiến hành thực hành thu thập dữ liệu; phân tích số liệu để rút ra kết luận; và kỹ năng trình bày báo cáo, phản biện bảo vệ kết quả. Nghiên cứu đã lượng hóa 6 tiêu chí này thành rubric 3 mức độ rõ ràng.

Tại sao giáo viên khối Giáo dục thường xuyên thường gặp khó khăn khi triển khai dạy học thí nghiệm? Khảo sát trên 24 giáo viên cho thấy 66,7% giáo viên thiếu thời gian và bị áp lực bởi khối lượng kiến thức lý thuyết, trong khi 91,7% có thói quen cho học sinh làm theo các bước định sẵn trong sách giáo khoa. Bên cạnh đó, sự thiếu thốn về trang thiết bị phòng thí nghiệm chuyên dụng tại các trung tâm địa phương cũng là nguyên nhân khiến giáo viên e ngại tổ chức hoạt động nghiên cứu độc lập.

Quy trình dạy học sử dụng thí nghiệm phát triển năng lực gồm những bước nào? Quy trình gồm 4 giai đoạn chuẩn hóa: Giai đoạn 1 là Chuẩn bị (xác định yêu cầu cần đạt và xây dựng bài tập tình huống); Giai đoạn 2 là Thiết kế chuỗi hoạt động 5 bước theo tiêu chí năng lực; Giai đoạn 3 là Tổ chức dạy học trên lớp kết hợp hướng dẫn tự học ở nhà; Giai đoạn 4 là Kiểm tra, đánh giá và điều chỉnh kế hoạch bài dạy.

Phương pháp dạy học mới giúp cải thiện kết quả học tập của học sinh như thế nào? Kết quả kiểm tra thực nghiệm cho thấy điểm trung bình của học sinh áp dụng phương pháp mới đạt 7,85 điểm, cao hơn lớp đối chứng 1,42 điểm. Quan trọng hơn, tỷ lệ học sinh đạt năng lực thực nghiệm ở mức độ tự chủ tăng từ 14,3% lên 57,1%, đồng thời hệ số biến thiên điểm số giảm từ 24,6% xuống 15,2%, chứng minh học sinh tiến bộ toàn diện và rất đồng đều.

Làm thế nào để đánh giá chính xác năng lực tìm hiểu thế giới sống mà không tạo áp lực thi cử? Giáo viên có thể sử dụng bảng tiêu chí đánh giá theo tiến trình (rubric) kết hợp giữa đánh giá của giáo viên, học sinh tự đánh giá và đánh giá chéo giữa các nhóm. Việc đánh giá dựa trên sản phẩm thực tế như kế hoạch thí nghiệm, video ghi hình thao tác, báo cáo kết quả và phần thuyết trình thảo luận trên lớp thay vì chỉ dựa vào bài thi viết truyền thống.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Thục Hạnh đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu đặt ra, mang lại những giá trị học thuật và thực tiễn nổi bật cho công cuộc đổi mới giáo dục:

• Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý luận về năng lực tìm hiểu thế giới sống và xây dựng thành công bảng tiêu chí đánh giá gồm 6 tiêu chí cụ thể với 3 mức độ chuẩn hóa.
• Đề xuất quy trình dạy học 4 giai đoạn sử dụng thí nghiệm gắn với các tình huống thực tiễn sinh động, chuyển giao vai trò chủ thể nghiên cứu cho học sinh.
• Thiết kế hệ thống kế hoạch bài dạy minh họa hoàn chỉnh cho phần Trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng ở thực vật theo đúng tinh thần Công văn 5512/BGDĐT-GDTrH.
• Chứng minh tính hiệu quả vượt bậc qua thực nghiệm sư phạm với điểm trung bình đạt 7,85 điểm và nâng tỷ lệ học sinh làm chủ kỹ năng nghiên cứu lên 57,1%.
• Mở ra giải pháp đột phá giúp nâng cao chất lượng dạy học môn Sinh học 11 tại các cơ sở giáo dục có điều kiện còn nhiều khó khăn như hệ thống Giáo dục thường xuyên.

Về lộ trình tiếp theo, trong giai đoạn 2023-2025, mô hình quy trình dạy học thí nghiệm này cần được nhân rộng ra toàn bộ các chủ đề khác của môn Sinh học cấp trung học phổ thông, đồng thời tích hợp thêm các công cụ thí nghiệm ảo và mô phỏng số hóa để hỗ trợ tối đa cho học sinh tự học. Đây chính là thời điểm chín muồi để các nhà trường và giáo viên chủ động chuyển mình, áp dụng những phát hiện khoa học từ luận văn vào thực tế giảng dạy nhằm kiến tạo môi trường học tập khai phóng, khơi dậy niềm đam mê khoa học và phát triển tối đa tiềm năng của mỗi học sinh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu”, “Kết luận và kiến nghị”, phần “Nội dung” có cấu trúc như sau: Chƣơng 1. Cơ sở lý luận và thực tiễn của đề tài. Sử dụng thí nghiệm nhằm phát triển năng lực THTGS cho HS trong dạy học “Trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng ở thực vật” (Sinh học 11). Thực nghiệm sư phạm.

5 Chƣơng 1 CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1. Lịch sử nghiên cứu vấn đề 1. Những nghiên cứu trên thế giới Dạy học theo định hướng phát triển NL quan tâm tới người học “làm được gì và làm như thế nào” sau khi hoàn thành một chương trình học tập, hay chính là chú trọng tới những NL mà người học sẽ đạt được. Tuy dạy học định hướng phát triển NL là quan điểm mới, nhưng việc sử dụng phương pháp như thế nào để đạt được mục tiêu theo quan điểm dạy học này đã được nghiên cứu trong suốt chiều dài lịch sử.

Từ thời cổ đại, các nhà giáo dục đã chú trọng tới vai trò của thực hành, vận dụng trong quá trình truyền thụ tri thức cho học trò. Khổng Tử (551 - 479 TCN), là nhà triết học, nhà giáo dục vĩ đại của Trung Hoa đã yêu cầu học trò của mình phải biết vận dụng những điều đã học được vào trong thực tế. Ông nói: “Đọc 300 Thiên Kinh thi nhưng được giao cho việc hành chính không làm được, giao cho đi sứ không đối đáp được, tuy học nhiều nhưng chẳng ích chi” [19]. Ông đã chỉ rõ rằng, việc học phải bắt đầu từ sự quan sát trực tiếp, có như thế học sinh mới nhận thức được sự vật, hiện tượng một cách đúng đắn, vững chắc và sâu sắc.

Trong tác phẩm “Phát triển tư duy học sinh”, M. Ngay từ những năm đầu của thế kỉ XX, các nước phát triển như Anh, Đức, Hà Lan, Pháp, Mỹ… đã hướng tới thiết kế chương trình giáo dục dựa vào 6 năng lực. Trên cơ sở đó, họ chú trọng xây dựng chương trình, mục tiêu, phương pháp và cách đánh giá người học theo hướng tiếp cận năng lực [12]. Trong đó, việc sử dụng các thí nghiệm vào trong dạy học rất được coi trọng.

Năm 1980, viện trưởng viện Hàn Lâm Pháp là ông Pie Giolio Quiri lần đầu tiên đưa ra khái niệm “phương pháp Lamap” - “phương pháp bàn tay nặn bột”. Qua phương pháp này, ông muốn mang đến cho người học cơ hội tiếp cận khoa học bằng các bài học thực tiễn thông qua việc lựa chọn và sử dụng các thí nghiệm, học sinh sẽ thảo luận cách thức thực hiện thí nghiệm để khám phá tri thức còn giáo viên chỉ đóng vai trò hướng dẫn [21]. Cho đến năm 1990 thì có rất nhiều trường trung học ở Pháp sử dụng thực hành thí nghiệm làm phương pháp trọng tâm trong dạy học các môn khoa học tự nhiên [21]. Hiện nay, nhiều nước Châu Á có nền giáo dục phát triển như Hàn Quốc, Nhật bản, Singapo… cũng đã sử dụng thí nghiệm trong dạy học nhằm phát triển năng lực cho học sinh [28].

Như vậy, việc sử dụng thí nghiệm vào dạy học đã được sử dụng từ xa xưa và ngày càng được nhân rộng, hoàn thiện trên thế giới. Ban đầu, việc sử dụng thí nghiệm chủ yếu đáp ứng mục tiêu tiếp cận tri thức chủ động, chính xác và sâu sắc. Tiếp đó, phương pháp này được sử dụng nhằm phát triển năng lực cho học sinh ở hầu khắp các nước có nền giáo dục phát triển. Những nghiên cứu ở Việt Nam Sử dụng thí nghiệm trong dạy học cũng được nhiều nhà giáo dục Việt Nam nghiên cứu: Năm 2007, tác giả Dương Tiến Sỹ trên cơ sở phân tích những khó khăn và hạn chế của việc sử dụng thí nghiệm trong quá trình dạy học Sinh học đã đề xuất biện pháp sử dụng thí nghiệm ảo để tích hợp giáo dục môi trường trong dạy học Sinh học 6 [26].

7 Tác giả Trần Bá Hoành (2010) đã chỉ ra thực hành là một trong ba nhóm phương pháp dạy học tích cực [15]. Năm 2012, tác giả Phan Đức Duy đã trình bày yêu cầu của bài tập thực hành thí nghiệm Sinh học, rèn luyện kĩ năng tư duy bằng bài tập thực hành thí nghiệm và sử dụng bài tập thực hành thí nghiệm trong dạy học sinh học [11]. Năm 2013, nhóm tác giả Trịnh Thị Thanh Mai, Nguyễn Thị Thảo cũng đã đề cập đến bài tập thí nghiệm trong dạy học Vật lí, phát triển tư duy và rèn luyện kĩ năng thực hành thí nghiệm cho học sinh trung học cơ sở thông qua dạy học các bài tập thí nghiệm [22]. Tác giả Nguyễn Văn Phương (2014) cũng đã khẳng định trong bài báo “Nâng cao hiệu quả dạy học thực hành thí nghiệm góp phần phát triển năng lực sáng tạo của học sinh”: Thiết bị dạy học là công cụ hỗ trợ hiệu quả nhất trong giờ dạy học, làm cho tiết học trở nên sinh động, dễ hiểu.

Lí thuyết kết hợp với thực hành giúp cho học sinh nhớ kiến thức lâu và sâu hơn, việc học từ đó trở nên nhẹ nhàng, hiệu quả. Vì vậy, rèn luyện năng lực tư duy, sáng tạo cho học sinh trong dạy học ở trung học phổ thông cần thực hiện các giải pháp đồng bộ; trong đó, nâng cao hiệu quả dạy học thực hành thí nghiệm là một trong những giải pháp quan trọng [24]. Năm 2017, nhóm tác giả Đặng Thị Dạ Thủy, Trần Văn Bảo cũng khẳng định hoạt động thực hành là một phương pháp dạy học hiệu quả, không những khắc sâu kiến thức mà còn kích thích sự sáng tạo, đam mê khám phá sinh học, rèn luyện phát triển năng lực nghiên cứu khoa học cho học sinh [30]. Tác giả Ninh Thị Bạch Diệp (2017) đã sử dụng bài tập kết hợp với thí nghiệm để tổ chức hoạt động theo nhóm nhỏ trong dạy học Sinh học 6.

Theo tác giả, việc sử dụng bài tập kết hợp với thí nghiệm giúp HS thu nhận kiến thức thông qua kết quả thí nghiệm và góp phần rèn luyện một số kĩ năng cho HS trong hệ thống kĩ năng thực hành, kĩ năng hợp tác và kĩ năng tự học [10]. 8 Nhóm Tác giả Nguyễn Thị Kim Ánh - Đại học Quy Nhơn, Nguyễn Ngọc Thúy - Đại học Sư phạm - Đại học Huế trong bài báo năm 2018 “Sử dụng hệ thống bài tập thực hành thí nghiệm phần Phi kim trong dạy học Hóa học nhằm phát triển năng lực thực nghiệm cho học sinh lớp 11” đã chỉ ra năng lực thực nghiệm là một năng lực đặc thù của học sinh phổ thông trong quá trình học tập môn Hóa học, cần được hình thành và phát triển cho các em. Do đó, ngoài việc phát triển các năng lực chung, giáo viên cần sử dụng các biện pháp phù hợp để phát triển năng lực thực nghiệm cho học sinh. Bài viết đề cập việc sử dụng hệ thống bài tập thực hành thí nghiệm phần Phi kim trong dạy học Hóa học để phát triển năng lực thực nghiệm cho học sinh lớp 11 [2].

Như vậy, qua nghiên cứu tổng quan cho thấy, có rất nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu ưu thế của sử dụng thí nghiệm trong dạy học nói chung và dạy học sinh học nói riêng. Các tác giả đã chú trọng nghiên cứu các quy trình phát triển năng lực thực nghiệm cho HS thông qua các bài tập thực hành thí nghiệm, thí nghiệm ảo, cũng như đã nghiên cứu việc sử dụng thí nghiệm trong việc phát triển năng lực cho HS. Tuy nhiên, việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học nhằm phát triển năng lực tìm hiểu thế giới sống cho HS trong dạy học “Trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng ở thực vật” vẫn còn hạn chế và chưa có nhiều công trình công bố. Vì vậy, cần khai thác hơn nữa thế mạnh của sử dụng thí nghiệm trong dạy học Sinh học và đặc biệt là sử dụng thí nghiệm với việc phát triển NL THTGS cho HS.

Cơ sở lí luận của đề tài 1. Dạy học sử dụng thí nghiệm, thực hành thí nghiệm 1. Thí nghiệm và vai trò của thí nghiệm trong dạy học SH “Thí nghiệm” là một quá trình tác động có chủ định của con người vào đối tượng nghiên cứu trong điều kiện xác định tạo ra những biến đổi; phân tích những biến đổi đó để nghiên cứu, phát hiện hay chứng minh, kiểm tra những đặc tính, tính chất của sự vật, hiện tượng [20]. Theo tác giả Đỗ Thị Loan (2017) 9 “Thí nghiệm” là một quá trình tác động có chủ định của con người vào đối tượng nghiên cứu trong điều kiện xác định tạo ra những biến đổi; phân tích những biến đổi đó để nghiên cứu, phát hiện hay chứng minh, kiểm tra những đặc tính, tính chất của sự vật, hiện tượng [20].

Vai trò của thí nghiệm trong dạy học Sinh học: Trong dạy học Sinh học, thí nghiệm giúp HS đào sâu, mở rộng những kiến thức đã học, hệ thống hóa được kiến thức, biến kiến thức thành vốn riêng của bản thân. Thí nghiệm Sinh học còn là một hình thức để HS vận dụng kiến thức vào thực tiễn sản xuất, làm chủ được kiến thức, gây được niềm tin sâu sắc cho bản thân, kết quả thu được càng làm tăng lòng say mê, hứng thú học tập môn Sinh học. Thí nghiệm Sinh học là phương pháp nghiên cứu của khoa học Sinh học, thường được tiến hành trong điều kiện tự nhiên hay nhân tạo, ngoài thiên nhiên hay trong phòng thí nghiệm. Thí nghiệm Sinh học đòi hỏi thực hiện một cách nghiêm túc, chính xác, qua đó sẽ rèn luyện được những đức tính tốt như cẩn thận, làm việc có phương pháp, có khoa học, phát triển tư duy kĩ thuật và tư duy logic.

Thực hiện thí nghiệm Sinh học sẽ đưa việc học tập của HS tiến gần đến cách nghiên cứu của các nhà khoa học. Thực hành thí nghiệm trong dạy học sinh học “Thực hành” là HS tự mình trực tiếp tiến hành quan sát, tiến hành thí nghiệm tập triển khai các quy trình kĩ thuật trong chăn nuôi, trồng trọt [17]. Thực hành thí nghiệm là một trong các hình thức của phương pháp sử dụng thí nghiệm trong dạy học, bên cạnh sử dụng thí nghiệm ảo, hay bài tập thực hành… “Thực hành thí nghiệm” được hiểu là tiến hành các thí nghiệm trong các hoạt động thực hành được HS thực hiện để HS hiểu rõ mục đích thí nghiệm, điều kiện thí nghiệm. Qua thực hành và quan sát thí nghiệm, HS xác định được bản chất của hiện tượng quá trình [3].

Thực hành thí nghiệm có thể được sử dụng trong các khâu khác nhau của quá trình dạy - học: + Thực hành thí nghiệm là nguồn cung cấp thông tin. 10 + Thực hành thí nghiệm để củng cố, minh họa kiến thức đã lĩnh hội từ các nguồn thông tin khác như lời nói của thầy, đọc sách, đọc tài liệu tham khảo.