Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Bối cảnh thực tiễn và lý do chọn đề tài

Cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư đang tạo ra những biến đổi sâu sắc đối với kinh tế - xã hội toàn cầu, đòi hỏi giáo dục phải đổi mới căn bản nhằm trang bị cho người học năng lực thích ứng cao. Tại Việt Nam, quá trình chuyển đổi căn bản từ nền giáo dục nặng về truyền thụ kiến thức sang phát triển toàn diện phẩm chất và năng lực học sinh được thể chế hóa thông qua các văn kiện:

  • Nghị quyết số 88/2014/QH13 của Quốc hội: Đổi mới chương trình, sách giáo khoa giáo dục phổ thông, chuyển trọng tâm sang phát triển toàn diện đức, trí, thể, mỹ và phát huy tiềm năng cá nhân của học sinh.
  • Chỉ thị 16/CT-TTg ngày 04/5/2017 của Thủ tướng Chính phủ: Đẩy mạnh đào tạo về khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học (STEM), ngoại ngữ, tin học trong chương trình giáo dục phổ thông nhằm tiếp cận các xu thế công nghệ mới.
  • Thông tư số 32/2018/TT-BGDĐT: Ban hành Chương trình Giáo dục phổ thông (CT GDPT) 2018, trong đó hoạt động trải nghiệm trở thành hoạt động giáo dục bắt buộc.
  • Công văn 3089/BGDĐT-GDTrH và Công văn 5512/BGDĐT-GDTrH của Bộ Giáo dục và Đào tạo: Hướng dẫn triển khai giáo dục STEM và xây dựng kế hoạch bài dạy theo định hướng phát triển năng lực.

Thực tiễn dạy học môn Vật lí tại phần lớn các trường trung học phổ thông (THPT) hiện nay vẫn mang nặng tính lý thuyết, hàn lâm; mục tiêu chủ yếu dừng lại ở mức độ biết, hiểu và giải các bài tập mang tính lý tưởng, thiếu gắn kết với thực tiễn đời sống và kỹ thuật. Nội dung "Tia hồng ngoại và tia tử ngoại" (Chương V: Sóng ánh sáng – Vật lí 12) có tính ứng dụng thực tiễn cao, đặc biệt trong việc chế tạo các thiết bị cảm ứng thông minh phục vụ đời sống và tiết kiệm năng lượng. Do đó, tác giả lựa chọn đề tài: "Thiết kế và tổ chức dạy học chủ đề STEM 'Đèn chiếu sáng hành lang thông minh' trong dạy học Vật lí 12".

Mục tiêu nghiên cứu

Thiết kế và tổ chức hoạt động trải nghiệm STEM với chủ đề "Đèn chiếu sáng hành lang thông minh" trong dạy học Vật lí 12 nhằm bồi dưỡng năng lực vật lí (NLVL) cho học sinh THPT.

Giả thuyết khoa học

Nếu thiết kế và tổ chức được hoạt động trải nghiệm STEM chủ đề "Đèn chiếu sáng hành lang thông minh" trong dạy học Vật lí 12 theo quy trình thiết kế kỹ thuật thì sẽ bồi dưỡng và nâng cao được năng lực vật lí của học sinh.

Nhiệm vụ nghiên cứu

  1. Nhiệm vụ 1: Xây dựng cơ sở lý luận về giáo dục STEM và việc phát triển năng lực vật lí của học sinh THPT.
  2. Nhiệm vụ 2: Lựa chọn và sắp xếp các nội dung kiến thức hợp lý, đúng định hướng giáo dục STEM, đảm bảo tính khoa học của chủ đề.
  3. Nhiệm vụ 3: Xây dựng tiến trình dạy học phù hợp với từng phần nội dung kiến thức của bài "Tia hồng ngoại và tia tử ngoại" – Vật lí 12.
  4. Nhiệm vụ 4: Xây dựng hệ thống kiểm tra đánh giá nhằm đánh giá kết quả học tập và năng lực vật lí của học sinh lớp 12 THPT.
  5. Nhiệm vụ 5: Tổ chức thực nghiệm sư phạm ở trường THPT trên địa bàn, đánh giá kết quả thực nghiệm để kiểm chứng giả thuyết khoa học và rút ra các kết luận cần thiết.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hoạt động dạy học trải nghiệm STEM môn Vật lí ở trường THPT.
  • Phạm vi nội dung: Hoạt động dạy học trải nghiệm STEM gắn với nội dung "Tia hồng ngoại và tia tử ngoại" (Bài 27 – Vật lí 12) và kiến thức liên môn liên quan.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Thực hiện tại Trường THPT Trần Phú (Đà Nẵng), thời gian nghiên cứu từ tháng 01 đến tháng 05 năm 2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tiếp cận

Khóa luận xây dựng hệ thống cơ sở lý luận dựa trên các trụ cột chính:

  1. Bản chất của giáo dục STEM và Chu trình STEM: STEM tích hợp liên môn giữa Science (Khoa học - quy trình sáng tạo kiến thức khoa học mới), Technology (Công nghệ - sản phẩm/giải pháp giải quyết vấn đề), Engineering (Kỹ thuật - quy trình sử dụng kiến thức khoa học để thiết kế công nghệ) và Mathematics (Toán học - công cụ thu nhận, tính toán và chia sẻ kết quả). Hai quy trình khoa học và kỹ thuật tiếp nối nhau tạo thành chu trình sáng tạo theo mô hình xoáy ốc.
  2. Các mức độ triển khai STEM trong trường trung học:
    • Dạy học các môn học theo phương thức giáo dục STEM.
    • Tổ chức hoạt động trải nghiệm STEM (câu lạc bộ, dự án trải nghiệm thực tiễn).
    • Tổ chức hoạt động nghiên cứu khoa học, kỹ thuật.
  3. Các phương pháp dạy học STEM chủ đạo: Dạy học dựa trên vấn đề (PBL), Dạy học khám phá theo mô hình 5E/6E (Engage - Explore - Explain - Engineer - Elaborate - Evaluate), Dạy học dựa trên thiết kế (Design-based learning), Học tập dựa trên thách thức (Challenge-based learning) và Dạy học dự án (Project-based learning).
  4. Cấu trúc năng lực vật lí theo Chương trình GDPT 2018: Gồm 3 thành tố: (1) Nhận thức vật lí, (2) Tìm hiểu thế giới tự nhiên dưới góc độ vật lí, (3) Vận dụng kiến thức, kĩ năng đã học. Trong phạm vi đề tài, tác giả tập trung bồi dưỡng 2 thành tố: Nhận thức vật lí và Vận dụng kiến thức, kĩ năng đã học.
  5. Khung đánh giá năng lực: Vận dụng quan điểm đánh giá năng lực khoa học của PISA (OECD) và nghiên cứu của tác giả Đỗ Hương Trà (2019) để thiết kế bảng tiêu chí đánh giá (Rubric) theo 4 mức độ chất lượng: Mức 1 (Yếu), Mức 2 (Trung bình), Mức 3 (Khá), Mức 4 (Tốt).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp nghiên cứu lý luận: Phân tích, tổng hợp các văn bản pháp quy của Đảng, Chính phủ, Bộ GD&ĐT; nghiên cứu tài liệu lý luận dạy học về giáo dục STEM, chuẩn kiến thức - kỹ năng chương "Sóng ánh sáng" và các tài liệu đánh giá năng lực.
  • Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Tổ chức dạy học chủ đề STEM tại trường THPT Trần Phú theo giáo án đã thiết kế; sử dụng phiếu quan sát, phiếu học tập, phiếu đánh giá rubric bản thiết kế và sản phẩm để thu thập minh chứng về sự biến đổi hành vi, năng lực của học sinh.
  • Phương pháp thống kê toán học: Thống kê, mô tả và xử lý số liệu định tính, định lượng thu được từ các bảng tiêu chí đánh giá năng lực của các nhóm học sinh.

Nguồn dữ liệu

  • Văn bản chỉ đạo chuyên môn: Nghị quyết 88/2014/QH13, Chỉ thị 16/CT-TTg, Thông tư 32/2018/TT-BGDĐT, Công văn 3089/BGDĐT-GDTrH, Công văn 5512/BGDĐT-GDTrH.
  • Chương trình và Sách giáo khoa Vật lí 12, Vật lí 11, Công nghệ 8.
  • Dữ liệu thu được từ 4 nhóm học sinh lớp 12 tham gia thực nghiệm sư phạm tại Trường THPT Trần Phú (Đà Nẵng).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lí luận về giáo dục STEM với việc phát triển năng lực vật lí

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các vấn đề lý luận về giáo dục STEM trong trường phổ thông và mối quan hệ với phát triển năng lực học sinh:

  • Khái quát và chu trình STEM: Làm rõ sự chuyển dịch từ kiến thức đơn môn sang năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn thông qua việc kết hợp chặt chẽ giữa quy trình khoa học và quy trình kỹ thuật.
  • Tiêu chí và quy trình xây dựng bài học STEM: Nêu rõ 6 tiêu chí cốt lõi của bài học STEM (tập trung vào vấn đề thực tiễn; cấu trúc theo quy trình kỹ thuật; đưa học sinh vào hoạt động tìm tòi, khám phá; lôi cuốn vào hoạt động nhóm kiến tạo; áp dụng kiến thức khoa học và toán học; chấp nhận nhiều đáp án đúng và coi thất bại là bước đệm học tập). Quy trình xây dựng bài học gồm 4 bước: (1) Lựa chọn chủ đề, (2) Xác định vấn đề cần giải quyết, (3) Xây dựng tiêu chí sản phẩm/giải pháp, (4) Thiết kế tiến trình dạy học.
  • Tiến trình 5 hoạt động của bài học STEM:
    • Hoạt động 1: Xác định vấn đề (tiếp nhận nhiệm vụ thiết kế, chế tạo kèm tiêu chí).
    • Hoạt động 2: Nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất giải pháp (tự lực chiếm lĩnh kiến thức mới và phác thảo bản vẽ).
    • Hoạt động 3: Lựa chọn giải pháp (báo cáo, bảo vệ và hoàn thiện bản thiết kế).
    • Hoạt động 4: Chế tạo mẫu, thử nghiệm và đánh giá (lắp ráp mô hình, thử nghiệm và điều chỉnh).
    • Hoạt động 5: Chia sẻ, thảo luận, điều chỉnh (trưng bày, thuyết trình sản phẩm và đánh giá).
  • Cấu trúc và đánh giá năng lực vật lí: Hệ thống hóa 3 thành tố năng lực vật lí theo CT GDPT 2018, xác định các chỉ số hành vi chi tiết và hướng dẫn xây dựng bảng tiêu chí Rubric 4 mức độ nhằm đo lường chính xác sự tiến bộ của học sinh.

Chương 2: Thiết kế hoạt động trải nghiệm STEM chủ đề "Đèn chiếu sáng thông minh" Vật lí 12 nhằm bồi dưỡng năng lực vật lí của học sinh

Chương 2 tập trung thiết kế chi tiết kế hoạch bài dạy chủ đề STEM thời lượng 02 tiết học:

  • Phân tích chương trình: Phân tích cấu trúc chương V "Sóng ánh sáng" (thời lượng 9 tiết, gồm 6 bài lý thuyết và 2 tiết bài tập). Xác định chuẩn kiến thức - kỹ năng của Bài 27 "Tia hồng ngoại và tia tử ngoại" để tích hợp vào chủ đề.
  • Tích hợp kiến thức liên môn trong chủ đề:
Môn học / Lớp Bài học tích hợp Nội dung kiến thức vận dụng
Công nghệ 8 Bài 9: Bản vẽ chi tiết Đọc và thiết kế bản vẽ kỹ thuật ngôi nhà và vị trí đặt mạch điện
Vật lí 11 Bài 7: Dòng điện không đổi. Nguồn điện Thiết kế sơ đồ mạch điện, lựa chọn nguồn cung cấp phù hợp
Vật lí 11 Bài 9: Định luật Ôm đối với toàn mạch Tính toán thông số mạch điện, đảm bảo an toàn cho linh kiện
Vật lí 12 Bài 27: Tia hồng ngoại và tia tử ngoại Bản chất, tính chất và ứng dụng của tia hồng ngoại trong cảm biến PIR
  • Yêu cầu cần đạt về năng lực vật lí trong chủ đề:
    • Nhận thức vật lí (VL1): Phát biểu được khái niệm tia hồng ngoại (VL 1.1a), định luật Ôm toàn mạch (VL 1.1b), nguyên tắc hoạt động của đèn thông minh (VL 1.1c).
    • Vận dụng kiến thức, kĩ năng đã học (VL3): Giải thích tình huống thực tiễn và phát biểu vấn đề (VL 3.3a); thảo luận, đề xuất phương án thiết kế (VL 3.3b); chế tạo mô hình (VL 3.4a); trình bày báo cáo và thảo luận (VL 3.4b); đánh giá hiệu quả hoạt động (VL 3.4c); nhận diện hạn chế (VL 3.4d); đề xuất giải pháp cải tiến mô hình (VL 3.4e).
  • Thiết kế kỹ thuật và vật liệu chế tạo mô hình:
    • Vật liệu, linh kiện: Cảm biến hồng ngoại (PIR sensor), đèn LED, dây nối, giấy mô hình/bìa mô hình nhà ở.
    • Quy trình chế tạo 5 bước: Bước 1 (Tạo khung mô hình nhà ở) -> Bước 2 (Lắp mạch điện theo sơ đồ) -> Bước 3 (Thử nghiệm độ nhạy và thời gian bật/tắt) -> Bước 4 (Điều chỉnh thông số hoạt động) -> Bước 5 (Trang trí và hoàn thiện).
  • Bộ công cụ đánh giá: Xây dựng phiếu học tập, phiếu đánh giá bản thiết kế (bố cục, nguyên lý, tính khả thi), phiếu đánh giá sản phẩm (độ nhạy của cảm biến, tính thẩm mỹ, độ bền mạch điện) và bảng Rubric quy đổi điểm năng lực.

Chương 3: Thực nghiệm sư phạm

Chương 3 trình bày việc triển khai dạy học thực tế để kiểm định tính khả thi của tiến trình sư phạm:

  • Đối tượng và địa bàn: Thực hiện tại các lớp 12 Trường THPT Trần Phú, phân chia thành 4 nhóm học sinh thực hiện toàn bộ quy trình dự án.
  • Tiến trình thực hiện: Tổ chức chuẩn bị học liệu, hướng dẫn học sinh nghiên cứu kiến thức nền, điều hành các phiên báo cáo thiết kế, giám sát quá trình chế tạo mô hình và tổ chức buổi báo cáo - triển lãm sản phẩm hoàn chỉnh của 4 nhóm (Nhóm 1, Nhóm 2, Nhóm 3, Nhóm 4).
  • Đánh giá định tính và định lượng: Đánh giá sự chuyển biến về mức độ tự lực, kỹ năng làm việc nhóm, tư duy giải quyết vấn đề và mức độ đạt được các chỉ số hành vi năng lực vật lí thông qua bảng quy đổi điểm và biểu đồ phân bố năng lực của học sinh toàn lớp.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  1. Xây dựng hoàn chỉnh kế hoạch dạy học chủ đề STEM 02 tiết: Đã tích hợp thành công kiến thức quang học (tia hồng ngoại), điện học (định luật Ôm, dòng điện không đổi) và công nghệ (bản vẽ kỹ thuật) vào một nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật mang tính thực tiễn cao.
  2. Hiện thực hóa 4 sản phẩm mô hình học sinh: Cả 4 nhóm học sinh tham gia thực nghiệm tại THPT Trần Phú đều hoàn thành sản phẩm mô hình "Đèn chiếu sáng hành lang thông minh" hoạt động ổn định, cảm biến nhận diện được chuyển động của người để tự động bật/tắt đèn đúng yêu cầu kỹ thuật.
  3. Phát triển năng lực vật lí của học sinh: Kết quả đánh giá qua Rubric chứng minh học sinh có sự tiến bộ rõ rệt từ mức độ phụ thuộc vào giáo viên (Mức 1, 2) sang mức độ tự lực đề xuất phương án, lắp ráp mạch điện, đo đạc và điều chỉnh thông số kỹ thuật (Mức 3, 4).

Giải pháp và kiến nghị sư phạm của tác giả

  • Cần bố trí thời gian linh hoạt, kết hợp hợp lý giữa hoạt động trên lớp (giao nhiệm vụ, báo cáo thiết kế, chia sẻ sản phẩm) và thời gian tự học/làm việc nhóm ở nhà (chế tạo khung nhà, lắp ráp và thử nghiệm mạch điện).
  • Giáo viên cần đóng vai trò là người cố vấn, gợi mở vấn đề thay vì làm thay hoặc cung cấp sẵn lời giải, giúp học sinh rèn luyện tư duy phản biện và khả năng học từ sai lầm trong quá trình thử nghiệm kỹ thuật.
  • Nhà trường cần tạo điều kiện về không gian trải nghiệm và trang thiết bị linh kiện điện tử cơ bản để thúc đẩy các hoạt động STEM trải nghiệm.

Đóng góp mới của đề tài

  • Xây dựng được tiến trình dạy học chủ đề STEM "Đèn chiếu sáng hành lang thông minh" bám sát định hướng của Chương trình GDPT 2018 môn Vật lí và tinh thần Công văn 5512/BGDĐT-GDTrH.
  • Xây dựng được 02 bộ công cụ đánh giá chuyên biệt gồm hệ thống phiếu tiêu chí và bảng Rubric định lượng hóa các biểu hiện của năng lực vật lí trong hoạt động trải nghiệm STEM.
  • Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế cho giáo viên THPT trong việc đổi mới phương pháp giảng dạy phần "Sóng ánh sáng".

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của khóa luận

  • Phạm vi thực nghiệm hẹp: Khóa luận mới tiến hành thực nghiệm sư phạm tại một trường THPT (Trường THPT Trần Phú, Đà Nẵng) trên quy mô 4 nhóm học sinh trong học kỳ II năm học 2020 - 2021.
  • Giới hạn nội dung: Chủ đề STEM mới chỉ khai thác nội dung bài "Tia hồng ngoại và tia tử ngoại" kết hợp định luật Ôm; chưa mở rộng sang toàn bộ các ứng dụng quang điện tử khác trong chương trình.
  • Thời lượng: Thời lượng phân bổ 02 tiết trên lớp đòi hỏi học sinh phải đầu tư nhiều thời gian ngoài giờ học để hoàn thiện sản phẩm.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng thực nghiệm sư phạm trên nhiều đối tượng học sinh và nhiều trường THPT với các điều kiện cơ sở vật chất khác nhau để kiểm định tính phổ quát của bộ công cụ.
  • Thiết kế thêm các chủ đề STEM trải nghiệm cho các nội dung kiến thức khác trong chương trình Vật lí THPT (như giao thoa ánh sáng, cảm ứng điện từ, sóng âm).
  • Nghiên cứu tích hợp sâu hơn các vi điều khiển lập trình (như Arduino, vi mạch điều khiển thông minh) để nâng cao tính tự động hóa của mô hình thiết bị.

Giá trị tham khảo

  • Đối với giáo viên Vật lí THPT: Khóa luận cung cấp một giáo án mẫu chi tiết gồm tiến trình 5 hoạt động theo chuẩn Công văn 5512/BGDĐT-GDTrH, danh mục vật liệu và quy trình 5 bước chế tạo mô hình thực tế có thể áp dụng trực tiếp khi giảng dạy Bài 27 - Vật lí 12.
  • Đối với sinh viên ngành Sư phạm Vật lí và Khoa học Tự nhiên: Là tài liệu tham khảo hữu ích về phương pháp nghiên cứu sư phạm, cách xây dựng bảng chỉ báo hành vi năng lực và thiết kế thang đo Rubric 4 mức độ theo chuẩn PISA.
  • Các nội dung đáng tham khảo nhất:
    1. Ma trận biểu hiện hành vi năng lực vật lí (VL1, VL3) tương ứng với từng hoạt động STEM.
    2. Bảng tiêu chí đánh giá bản vẽ thiết kế và sản phẩm mô hình đèn thông minh.
    3. Quy trình chế tạo và tích hợp mạch cảm biến hồng ngoại với khung mô hình nhà ở.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận tích hợp kiến thức của những môn học và bài học nào vào chủ đề STEM?

Chủ đề tích hợp kiến thức từ 3 môn học: Công nghệ 8 (Bài 9: Bản vẽ chi tiết - vẽ sơ đồ bố trí nhà ở), Vật lí 11 (Bài 7: Dòng điện không đổi - Nguồn điện và Bài 9: Định luật Ôm đối với toàn mạch - tính toán và lắp mạch điện), và Vật lí 12 (Bài 27: Tia hồng ngoại và tia tử ngoại - nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại).

2. Mô hình "Đèn chiếu sáng hành lang thông minh" sử dụng những linh kiện, vật liệu chính nào?

Mô hình sử dụng: Cảm biến hồng ngoại (PIR sensor), đèn LED, dây nối mạch điện, nguồn điện và giấy/bìa mô hình để dựng khung nhà ở hoàn chỉnh.

3. Quy trình chế tạo mô hình trong khóa luận gồm những bước nào?

Gồm 5 bước cụ thể:

  1. Bước 1: Tạo khung mô hình nhà ở (đo, cắt và lắp ráp khung chứa mạch).
  2. Bước 2: Lắp mạch điện theo sơ đồ thiết kế vào khung mô hình.
  3. Bước 3: Thử nghiệm độ nhạy của cảm biến và thời gian sáng/tắt của đèn khi có chuyển động.
  4. Bước 4: Điều chỉnh độ nhạy và thời gian sáng nếu chưa đạt yêu cầu.
  5. Bước 5: Trang trí khung vỏ ngoài và hoàn thiện sản phẩm.

4. Năng lực vật lí của học sinh được đánh giá dựa trên những thành tố nào?

Khóa luận tập trung đánh giá 2 thành tố chính: Nhận thức vật lí (mã hóa từ VL 1.1a đến VL 1.1c) và Vận dụng kiến thức, kĩ năng đã học (mã hóa từ VL 3.3a đến VL 3.4e), chia theo 4 mức độ chất lượng từ Mức 1 (Yếu), Mức 2 (Trung bình), Mức 3 (Khá) đến Mức 4 (Tốt).

5. Thực nghiệm sư phạm của đề tài được triển khai ở đâu và với quy mô như thế nào?

Thực nghiệm sư phạm được tiến hành tại Trường THPT Trần Phú (Đà Nẵng) trong học kỳ II năm học 2020 - 2021, học sinh được chia thành 4 nhóm thực hiện đầy đủ từ khâu thiết kế bản vẽ đến lắp ráp, thử nghiệm và thuyết trình sản phẩm mô hình.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Huỳnh Hồng Phúc đã giải quyết thành công nhiệm vụ thiết kế và tổ chức dạy học chủ đề STEM "Đèn chiếu sáng hành lang thông minh" trong chương trình Vật lí 12. Công trình thể hiện sự kết hợp chặt chẽ giữa cơ sở lý luận dạy học hiện đại với thực tiễn thông qua tiến trình 5 hoạt động kỹ thuật và bộ công cụ đánh giá Rubric tường minh. Kết quả thực nghiệm sư phạm tại Trường THPT Trần Phú đã kiểm chứng tính đúng đắn của giả thuyết khoa học, khẳng định hiệu quả của phương thức trải nghiệm STEM trong việc bồi dưỡng năng lực vật lí và nâng cao hứng thú học tập của học sinh.