phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, tài liệu tham khảo và mục lục thì nội dung của bài nghiên cứu khoa học đƣợc chia làm 3 chƣơng, trong đó: - Chƣơng 1. Cơ sở lí luận về giáo dục STEM với việc phát triển năng lực vật lí - Chƣơng 2. Thiết kế và tổ chức dạy học chủ đề STEM “Đèn chiếu sáng hành lang thông minh trong dạy học vật lí 12‟‟ nhằm bồi dƣỡng năng lực vật lí học sinh - Chƣơng 3. Thực nghiệm sƣ phạm 12 1 CHƢƠNG 1.
CƠ SỞ LÍ LUẬN VỀ GIÁO DỤC STEM VỚI VIỆC PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC VẬT LÍ 1. Khái quát về giáo dục STEM 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), thƣờng đƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc sử dụng để thu nhận kết quả và chia sẻ kết quả đó với những ngƣời khác.
Chu trình STEM (theo https://www.com) “Science” trong chu trình STEM đƣợc mô tả bởi một mũi tên từ “Technology” sang “Knowledge” thể hiện quy trình sáng tạo khoa học. Đứng trƣớc thực tiễn với "Công nghệ" hiện tại, các nhà khoa học, với năng lực tƣ 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. Ngƣợc lại, “Engineering” trong chu trình 13 STEM đƣợc mô tả bởi một mũi tên từ “Knowledge” sang “Technology” thể hiện quy trình kĩ thuật.
Các kĩ sƣ sử dụng "Kiến thức" khoa học để thiết kế, sáng tạo ra công nghệ mới. Nhƣ vậy, trong chu trình STEM, "Science" đƣợc hiểu không chỉ là "Kiến thức" thuộc các môn khoa học (nhƣ Vật lí, Hoá học, Sinh học) mà bao hàm "Quy trình khoa học" để phát minh ra kiến thức khoa học mới. Tƣơng tự nhƣ 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 lƣợng kiến thức khoa học tăng lên và cùng với nó là công nghệ phát triển ở trình độ cao hơn.Giáo dục STEM Giáo dục STEM về bản chất đƣợc hiểu là trang bị cho ngƣời học những kiến thức và kỹ năng cần thiết liên quan đến các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học.
Các kiến thức kỹ năng này gọi là kỹ năng STEM phải đƣợc tích hợp, lồng ghép và bổ trợ cho nhau giúp học sinh không chỉ hiểu biết về nguyên lí mà còn áp dụng để thực hành và tạo ra những sản phẩm cho cuộc sống hàng ngày. Nhƣ vậy, mỗi bài học STEM sẽ đề cập và giao cho học sinh giải quyết một vấn đề tƣơng 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.
Nhƣ vậy, giáo dục STEM là một phƣơng 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 tƣơng ứng, đáp ứng đƣợc yêu cầu của sự phát triển kinh tế – xã hội. Các mức độ áp dụng STEM trong giáo dục 1. Dạy học các môn học theo phương thức giáo dục STEM Đây là hình thức tổ chức giáo dục STEM chủ yếu trong nhà trƣờng. Theo cách này, các bài học, hoạt động giáo dục STEM đƣợc 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 bám sát chƣơng trình của các môn học thành phần. Hình thức giáo dục STEM này không làm phát sinh thêm thời gian học tập.Tổ chức hoạt động trải nghiệm STEM Trong hoạt động trải nghiệm STEM, học sinh đƣợc khám phá các ứng dụng khoa học, kỹ thuật trong thực tiễn đời sống. Qua đó, nhận biết đƣợc ý nghĩa của khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học đối với đời sống con ngƣời, 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 nhƣ trƣờng trung học, cơ sở giáo dục nghề nghiệp, các trƣờng đại học, doanh nghiệp. Trải nghiệm STEM còn có thể đƣợc thực hiện thông qua sự hợp tác giữa trƣờng trung học với các cơ sở giáo dục đại học, giáo dục nghề nghiệp. Theo cách này, sẽ kết hợp đƣợc thực tiễn phổ thông với ƣu thế về cơ sở vật chất của giáo dục đại học và giáo dục nghề nghiệp. Các trƣờng trung học có thể triển khai giáo dục STEM thông qua hình thức câu lạc bộ.
Tham gia câu lạc bộ STEM, học sinh đƣợc 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.Tổ chức hoạt động nghiên cứu khoa học, kĩ thuật Giáo dục STEM có thể đƣợc 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 15 STEM và nghiên cứu khoa học, kĩ thuật là cơ hội để học sinh thấy đƣợc sự phù hợp về năng lực, sở thích, giá trị của bản thân với nghề nghiệp thuộc lĩnh vực STEM. Tiêu chí xây dựng bài học STEM Tiêu chí 1: Chủ đề bài học STEM tập trung vào các vấn đề của thực tiễn Trong các bài học STEM, học sinh đƣợc đặt vào các vấn đề thực tiễn xã hội, kinh tế, môi trƣờng và yêu cầu tìm các giải pháp.[2] Tiêu chí 2: Cấu trúc bài học STEM theo quy trình thiết kế kĩ thuật Quy trình thiết kế kĩ thuật cung cấp một tiến trình linh hoạt đƣa học sinh từ việc xác định một vấn đề – hoặc một yêu cầu thiết kế – đến sáng tạo và phát triển một giải pháp. Theo quy trình này, học sinh thực hiện các hoạt động: (1) Xác định vấn đề (2) Nghiên cứu kiến thức nền (3) Đề xuất các giải pháp/thiết kế (4) Lựa chọn giải pháp/thiết kế (5) Chế tạo mô hình (nguyên mẫu) (6) Thử nghiệm và đánh giá (7) Chia sẻ và thảo luận (8) Điều chỉnh thiết kế. Trong thực tiễn dạy học, quy trình 8 bƣớc này đƣợc thể hiện qua 5 hoạt động chính: HĐ1: Xác định vấn đề (yêu cầu thiết kế, chế tạo) HĐ2: Nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất các giải pháp thiết kế HĐ3: Trình bày và thảo luận phƣơng án thiết kế HĐ4: Chế tạo mô hình/thiết bị.
theo phƣơng án thiết kế (đã đƣợc cải tiến theo góp ý); thử nghiệm và đánh giá HĐ5: Trình bày và thảo luận về sản phẩm đƣợc chế tạo; điều chỉnh thiết kế ban đầu. Trong quy trình kĩ thuật, các nhóm học sinh thử nghiệm các ý tƣởng dựa nghiên cứu của mình, sử dụng nhiều cách tiếp cận khác nhau, mắc sai lầm, chấp nhận và học từ sai lầm, và thử lại. Sự tập trung của học sinh là phát triển các giải pháp để giải quyết vấn đề đặt ra, nhờ đó học đƣợc và vận dụng đƣợc kiến thức mới trong chƣơng trình giáo dục.[2] Tiêu chí 3: Phƣơng pháp dạy học bài học STEM đƣa học sinh vào hoạt động tìm tòi và khám phá, định hƣớng hành động, trải nghiệm và sản phẩm 16 Quá trình tìm tòi khám phá đƣợc thể hiện trong tất cả các hoạt động của chủ đề STEM, tuy nhiên trong hoạt động 2 và hoạt động 4 quá trình này cần đƣợc khai thác triệt để. Trong hoạt động 2 học sinh sẽ thực hiện các quan sát, tìm tòi, khám phá để xây dựng, kiểm chứng các quy luật, qua đó học đƣợc kiến thức nền đồng thời rèn luyện các kĩ năng tiến trình nhƣ: quan sát, đƣa ra dự đoán, tiến hành thí nghiệm, đo đạc, thu thập số liệu, phân tích số liệu… Trong hoạt động 4, quá trình tìm tòi khám phá đƣợc thể hiện giúp học sinh kiểm chứng các giải pháp khác nhau để tối ƣu hoá sản phẩm.
Trong các bài học STEM, hoạt động học của học sinh đƣợc thực hiện theo hƣớng mở có "khuôn khổ" về các điều kiện mà học sinh đƣợc sử dụng (chẳng hạn các vật liệu khả dụng). Hoạt động học của học sinh là hoạt động đƣợc chuyển giao và hợp tác; các quyết định về giải pháp giải quyết vấn đề là của chính học sinh. Học sinh thực hiện các hoạt động trao đổi thông tin để chia sẻ ý tƣởng và tái thiết kế nguyên mẫu của mình nếu cần. Học sinh tự điều chỉnh các ý tƣởng của mình và thiết kế hoạt động tìm tòi, khám phá của bản thân.