Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh đổi mới chương trình giáo dục phổ thông, việc nâng cao chất lượng dạy học nhằm phát triển năng lực và tư duy của học sinh trở thành yêu cầu cấp thiết. Theo báo cáo của ngành giáo dục, việc áp dụng phương pháp dạy học theo định hướng giáo dục STEM (Science, Technology, Engineering, Mathematics) đã được nhiều quốc gia phát triển triển khai mạnh mẽ, góp phần nâng cao năng lực giải quyết vấn đề và kỹ năng thực hành của học sinh. Tại Việt Nam, từ năm 2015, nhiều địa phương đã bắt đầu triển khai giáo dục STEM trong các trường phổ thông với hàng ngàn lượt giáo viên và học sinh tham gia. Tuy nhiên, việc ứng dụng STEM trong dạy học còn gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là trong việc thiết kế và sử dụng các thí nghiệm phù hợp với nội dung chương trình và năng lực học sinh.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo các thí nghiệm đơn giản phục vụ dạy học môn Vật lý lớp 6 trong chương trình Khoa học tự nhiên theo định hướng giáo dục STEM. Mục tiêu cụ thể là phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh thông qua việc vận dụng các thí nghiệm này trong quá trình dạy học. Nghiên cứu được thực hiện tại trường Phổ thông dân tộc nội trú THCS Đồng Hỷ, với đối tượng là học sinh lớp 6 và giáo viên dạy môn Vật lý. Thời gian nghiên cứu tập trung vào năm học 2019-2020.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp các công cụ thí nghiệm thiết thực, dễ chế tạo, phù hợp với điều kiện thực tế của các trường THCS, góp phần đổi mới phương pháp dạy học, nâng cao hiệu quả giáo dục STEM và phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh. Kết quả nghiên cứu cũng làm rõ thực trạng áp dụng thí nghiệm trong dạy học STEM tại địa phương, từ đó đề xuất các giải pháp khả thi nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi hơn trong giáo dục phổ thông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai khung lý thuyết chính: giáo dục STEM và năng lực giải quyết vấn đề của học sinh.

  1. Giáo dục STEM: STEM là phương pháp dạy học tích hợp bốn lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học nhằm phát triển năng lực tổng hợp và kỹ năng thực hành cho học sinh. Theo đó, giáo dục STEM không chỉ truyền đạt kiến thức mà còn tạo điều kiện cho học sinh tham gia vào các hoạt động thiết kế, chế tạo, thử nghiệm và giải quyết các vấn đề thực tiễn. Các tiêu chí xây dựng bài học STEM bao gồm: tập trung vào vấn đề thực tiễn, cấu trúc bài học theo quy trình thiết kế kỹ thuật, phương pháp dạy học khám phá, tổ chức hoạt động nhóm, tích hợp nội dung khoa học và toán học, khuyến khích nhiều đáp án đúng và coi thất bại là một phần học tập.

  2. Năng lực giải quyết vấn đề (GQVĐ): Được hiểu là khả năng sử dụng hiệu quả các quá trình nhận thức, hành động và thái độ để phân tích, đề xuất, lựa chọn và thực hiện giải pháp cho các tình huống không có sẵn quy trình giải quyết. Cấu trúc năng lực GQVĐ gồm bốn thành tố: tìm hiểu vấn đề, thiết lập không gian vấn đề, lập kế hoạch và thực hiện giải pháp, đánh giá và phản ánh giải pháp. Năng lực này được phát triển thông qua các hoạt động học tập tích cực, đặc biệt là các hoạt động thí nghiệm và thiết kế kỹ thuật trong giáo dục STEM.

Ba khái niệm chuyên ngành được sử dụng xuyên suốt nghiên cứu gồm: thí nghiệm vật lý đơn giản, giáo dục STEM, năng lực giải quyết vấn đề.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp hỗn hợp kết hợp giữa nghiên cứu lý luận, khảo sát thực tiễn và thực nghiệm sư phạm.

  • Nguồn dữ liệu: Bao gồm tài liệu khoa học về giáo dục STEM và năng lực GQVĐ, chương trình Khoa học tự nhiên lớp 6, khảo sát ý kiến giáo viên và học sinh tại trường Phổ thông dân tộc nội trú THCS Đồng Hỷ, kết quả thực nghiệm dạy học sử dụng thí nghiệm đơn giản.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích nội dung chương trình để lựa chọn nội dung Vật lý phù hợp thiết kế thí nghiệm; khảo sát bằng phiếu điều tra và phỏng vấn để đánh giá thực trạng và nhu cầu; thực nghiệm sư phạm so sánh kết quả học tập giữa nhóm học theo phương pháp truyền thống và nhóm học theo định hướng STEM có sử dụng thí nghiệm tự chế tạo.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Khảo sát 10 giáo viên dạy Vật lý và 66 học sinh lớp 6 tại trường THCS Đồng Hỷ, được chọn theo phương pháp thuận tiện nhằm đảm bảo tính đại diện cho thực trạng địa phương.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành trong năm học 2019-2020, gồm các giai đoạn: tổng quan tài liệu và thiết kế thí nghiệm (3 tháng), khảo sát thực trạng (1 tháng), thực nghiệm sư phạm (4 tháng), phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn (2 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thực trạng áp dụng giáo dục STEM và thí nghiệm trong dạy học Vật lý THCS: Qua khảo sát 10 giáo viên, 80% chưa được tập huấn về giáo dục STEM, 90% chưa tự chế tạo thí nghiệm phục vụ dạy học. Tuy nhiên, 70% giáo viên nhận thấy cần thiết áp dụng STEM trong dạy học để phát triển năng lực học sinh. Về phía học sinh, 91% thích các giờ học có sử dụng thí nghiệm, 82% mong muốn được áp dụng lý thuyết vào thực tiễn thông qua thí nghiệm.

  2. Thiết kế và chế tạo thí nghiệm đơn giản: Nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo thành công các thí nghiệm đơn giản về chủ đề "Đòn bẩy và ròng rọc" phù hợp với nội dung chương trình Khoa học tự nhiên lớp 6. Các thí nghiệm này sử dụng vật liệu dễ tìm, chi phí thấp, dễ lắp ráp và an toàn cho học sinh.

  3. Hiệu quả thực nghiệm sư phạm: So sánh kết quả học tập giữa nhóm học theo phương pháp truyền thống và nhóm học theo định hướng STEM có sử dụng thí nghiệm tự chế tạo cho thấy nhóm STEM có điểm trung bình kiểm tra kiến thức tăng 15%, điểm đánh giá năng lực giải quyết vấn đề tăng 20% so với nhóm đối chứng. Học sinh trong nhóm STEM cũng thể hiện sự tích cực, chủ động và sáng tạo hơn trong các hoạt động học tập nhóm.

  4. Khó khăn và hạn chế: Giáo viên gặp khó khăn về thời gian thực hiện, thiếu phương tiện dạy học và trình độ học sinh chưa đồng đều. Học sinh cần thêm sự hướng dẫn để phát huy tối đa năng lực trong các hoạt động thí nghiệm.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các nghiên cứu trước đây về lợi ích của giáo dục STEM trong phát triển năng lực giải quyết vấn đề và kỹ năng thực hành của học sinh. Việc thiết kế thí nghiệm đơn giản, dễ thực hiện giúp giáo viên dễ dàng áp dụng trong điều kiện cơ sở vật chất hạn chế, đồng thời tạo điều kiện cho học sinh trải nghiệm thực tế, từ đó nâng cao hứng thú và hiệu quả học tập.

Biểu đồ so sánh điểm trung bình kiểm tra kiến thức và năng lực giải quyết vấn đề giữa hai nhóm học sinh có thể minh họa rõ sự khác biệt tích cực khi áp dụng phương pháp STEM. Bảng đánh giá mức độ tích cực tham gia hoạt động nhóm cũng cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong nhóm học STEM.

Nguyên nhân của những khó khăn chủ yếu do hạn chế về nguồn lực và kinh nghiệm của giáo viên trong việc thiết kế và tổ chức dạy học STEM. Điều này đòi hỏi sự hỗ trợ từ các cấp quản lý giáo dục và các chương trình đào tạo chuyên sâu cho giáo viên.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường đào tạo, tập huấn giáo viên về giáo dục STEM và kỹ năng thiết kế thí nghiệm: Bộ Giáo dục và Đào tạo phối hợp với các trường đại học sư phạm tổ chức các khóa bồi dưỡng chuyên sâu, định kỳ trong vòng 1-2 năm tới nhằm nâng cao năng lực chuyên môn cho giáo viên THCS.

  2. Phát triển và phổ biến bộ thí nghiệm đơn giản, phù hợp với chương trình lớp 6: Các sở giáo dục địa phương phối hợp với trường đại học và các trung tâm nghiên cứu xây dựng bộ tài liệu thí nghiệm mẫu, hướng dẫn chi tiết cách chế tạo và sử dụng, áp dụng trong năm học tiếp theo.

  3. Đầu tư cơ sở vật chất và trang thiết bị dạy học STEM tại các trường THCS: Đề xuất ngân sách đầu tư trong 3 năm tới để trang bị phòng thí nghiệm cơ bản, dụng cụ thí nghiệm và vật liệu phục vụ dạy học STEM, đặc biệt tại các trường vùng sâu vùng xa.

  4. Khuyến khích tổ chức các hoạt động ngoại khóa, câu lạc bộ STEM cho học sinh: Các trường phối hợp với cộng đồng, doanh nghiệp tổ chức các cuộc thi, hội thảo, dự án STEM nhằm tạo môi trường thực hành và phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Giáo viên THCS dạy môn Vật lý và Khoa học tự nhiên: Nghiên cứu cung cấp các phương pháp và công cụ thiết thực để đổi mới phương pháp dạy học, nâng cao hiệu quả giảng dạy và phát triển năng lực học sinh.

  2. Nhà quản lý giáo dục và các sở giáo dục đào tạo: Tham khảo để xây dựng chính sách, kế hoạch đào tạo giáo viên và đầu tư cơ sở vật chất phù hợp với xu hướng giáo dục STEM.

  3. Sinh viên, nghiên cứu sinh ngành Sư phạm Vật lý và Giáo dục STEM: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc nghiên cứu, phát triển các đề tài liên quan đến đổi mới phương pháp dạy học và ứng dụng STEM trong giáo dục phổ thông.

  4. Các tổ chức, doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực giáo dục STEM: Cơ sở để phát triển sản phẩm, chương trình đào tạo và hợp tác với nhà trường nhằm thúc đẩy giáo dục STEM tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giáo dục STEM là gì và tại sao cần áp dụng trong dạy học phổ thông?
    Giáo dục STEM là phương pháp tích hợp Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học nhằm phát triển năng lực tổng hợp và kỹ năng thực hành cho học sinh. Áp dụng STEM giúp học sinh phát triển tư duy phản biện, sáng tạo và năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn, phù hợp với yêu cầu của thế kỷ 21.

  2. Làm thế nào để thiết kế thí nghiệm đơn giản phù hợp với chương trình lớp 6?
    Thiết kế thí nghiệm cần dựa trên nội dung chương trình, sử dụng vật liệu dễ tìm, chi phí thấp, an toàn và dễ thực hiện. Thí nghiệm phải gắn liền với vấn đề thực tiễn, kích thích sự tò mò và phát triển kỹ năng thực hành của học sinh.

  3. Năng lực giải quyết vấn đề của học sinh được phát triển như thế nào qua dạy học STEM?
    Thông qua các hoạt động thiết kế, chế tạo và thử nghiệm, học sinh được rèn luyện kỹ năng phân tích, đề xuất giải pháp, thực hiện và đánh giá kết quả, từ đó nâng cao năng lực giải quyết vấn đề một cách toàn diện.

  4. Khó khăn phổ biến khi áp dụng giáo dục STEM trong trường THCS là gì?
    Khó khăn gồm thiếu thời gian, thiếu phương tiện dạy học, trình độ học sinh chưa đồng đều và giáo viên chưa được đào tạo bài bản về STEM. Những khó khăn này cần được giải quyết bằng đào tạo, đầu tư và hỗ trợ kỹ thuật.

  5. Làm sao để giáo viên có thể tự chế tạo thí nghiệm phục vụ dạy học?
    Giáo viên cần được tập huấn về kỹ thuật chế tạo thí nghiệm, có tài liệu hướng dẫn chi tiết và được hỗ trợ về vật liệu, dụng cụ. Việc bắt đầu từ các thí nghiệm đơn giản, dễ thực hiện sẽ giúp giáo viên tự tin hơn trong việc áp dụng.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công các thí nghiệm đơn giản phục vụ dạy học Vật lý lớp 6 theo định hướng giáo dục STEM, phù hợp với điều kiện thực tế trường THCS.
  • Thực nghiệm sư phạm cho thấy phương pháp dạy học STEM có sử dụng thí nghiệm tự chế tạo giúp nâng cao điểm kiểm tra kiến thức và năng lực giải quyết vấn đề của học sinh từ 15-20%.
  • Giáo viên và học sinh đều đánh giá cao tính cần thiết và hiệu quả của việc áp dụng giáo dục STEM trong dạy học phổ thông, mặc dù còn gặp một số khó khăn về nguồn lực và kỹ năng.
  • Đề xuất các giải pháp đào tạo giáo viên, phát triển bộ thí nghiệm mẫu, đầu tư cơ sở vật chất và tổ chức hoạt động ngoại khóa nhằm thúc đẩy giáo dục STEM tại các trường THCS.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới cho đổi mới phương pháp dạy học môn Vật lý và Khoa học tự nhiên, góp phần nâng cao chất lượng giáo dục phổ thông trong thời đại công nghiệp 4.0.

Hành động tiếp theo: Các nhà quản lý giáo dục và giáo viên nên phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng STEM trong các môn học khác. Độc giả quan tâm có thể liên hệ tác giả để trao đổi và nhận tài liệu hỗ trợ.