Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu hóa và phát triển kinh tế - xã hội, giáo dục phổ thông đứng trước yêu cầu chuyển dịch từ nền giáo dục nặng tính hàn lâm, kinh viện sang nền giáo dục chú trọng phát triển toàn diện phẩm chất và năng lực người học. Định hướng đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo theo Nghị quyết số 29-NQ/TW (năm 2013) cũng như Luật Giáo dục năm 2005 (Điều 28.2) nhấn mạnh nguyên lý: học đi đôi với hành, lý luận gắn liền với thực tiễn, phát huy tính chủ động, tích cực và khả năng vận dụng tri thức khoa học vào đời sống.

Hóa học là môn khoa học thực nghiệm. Thí nghiệm hóa học đóng vai trò là phương tiện trực quan cốt lõi, là nguồn cung cấp thông tin và là công cụ kiểm chứng tri thức. Tuy nhiên, thực tế dạy học tại các trường Trung học phổ thông (THPT) cho thấy việc sử dụng thí nghiệm còn nhiều hạn chế, nội dung bài học còn nặng lý thuyết và thiếu tính liên hệ thực tế. Việc đưa các chất liệu đời sống quen thuộc vào thí nghiệm hóa học giúp học sinh giải thích các hiện tượng gần gũi, từ đó nâng cao chất lượng học tập bộ môn.

Khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành Lí luận và phương pháp dạy học Hóa học của tác giả Nguyễn Hoàng Huy (Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh, năm 2017) được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ khoa học sau:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý luận về đổi mới phương pháp dạy học môn Hóa học ở trường THPT.
  2. Tổng quan cơ sở lý luận về thí nghiệm hóa học và thí nghiệm hóa học gắn kết cuộc sống.
  3. Điều tra thực trạng sử dụng thí nghiệm hóa học tại một số trường THPT trên địa bàn TP. Hồ Chí Minh.
  4. Phân tích cấu trúc và nội dung chương trình Hóa học lớp 10 THPT.
  5. Đề xuất các tiêu chí và quy trình thiết kế thí nghiệm hóa học gắn kết cuộc sống.
  6. Thiết kế hệ thống thí nghiệm hóa học gắn kết cuộc sống trong chương trình Hóa học lớp 10 THPT.
  7. Đề xuất các hướng sử dụng thí nghiệm gắn kết cuộc sống trong dạy học Hóa học lớp 10.
  8. Thiết kế một số giáo án minh họa có sử dụng thí nghiệm gắn kết cuộc sống.
  9. Thực nghiệm sư phạm để đánh giá tính hiệu quả và khả thi của đề tài.
  • Khách thể nghiên cứu: Quá trình dạy học môn Hóa học ở trường THPT.
  • Đối tượng nghiên cứu: Việc thiết kế và sử dụng thí nghiệm hóa học gắn kết cuộc sống trong dạy học Hóa học lớp 10 THPT.
  • Phạm vi nghiên cứu: Chương trình Hóa học lớp 10 THPT (chương trình cơ bản); địa bàn khảo sát và thực nghiệm tại một số trường THPT gồm: THPT Trưng Vương (Quận 1), THPT Nguyễn Công Trứ (Quận Gò Vấp), THPT Bình Hưng Hòa (Quận Bình Tân) và THPT Vũng Tàu (TP. Vũng Tàu).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận vận dụng hệ thống lý luận dạy học đại cương và chuyên ngành phương pháp dạy học Hóa học (theo các tài liệu của PGS.TS. Trịnh Văn Biều, PGS.TS. Trần Thị Hương cùng các văn bản hướng dẫn đổi mới phương pháp dạy học của Bộ Giáo dục và Đào tạo). Khung lý thuyết làm rõ các phương pháp dạy học đặc thù (phương pháp dùng lời, làm việc với tài liệu, hợp tác nhóm, sử dụng phương tiện trực quan, bài tập hóa học) và xác định bản chất của thí nghiệm hóa học là mô hình đại diện cho hiện thực khách quan, phản ánh hiện tượng quy mô nhỏ có kiểm soát.

Tác giả xác định khái niệm "thí nghiệm gắn kết cuộc sống" là các thí nghiệm hóa học được tiến hành bằng việc tận dụng các nguyên vật liệu, hóa chất, vật dụng quen thuộc trong đời sống sinh hoạt hằng ngày nhằm phục vụ các mục tiêu dạy học.

Phương pháp nghiên cứu Nội dung và công cụ triển khai
Nghiên cứu lý luận Thu thập, phân tích, tổng hợp tài liệu về đổi mới phương pháp dạy học, lý luận thí nghiệm và các công trình nghiên cứu đi trước.
Điều tra thực tiễn Khảo sát bằng phiếu hỏi đối với giáo viên Hóa học và 650 học sinh tại các trường THPT: Trưng Vương, Nguyễn Công Trứ, Bình Hưng Hòa, Vũng Tàu.
Thực nghiệm sư phạm Triển khai dạy học thực nghiệm tại trường THPT Trưng Vương (lớp 10A2, 10A14) và THPT Bình Hưng Hòa; tiến hành kiểm tra đánh giá và lấy ý kiến phản hồi của học sinh.
Xử lý số liệu thống kê Sử dụng các tham số thống kê toán học trong nghiên cứu khoa học sư phạm ứng dụng: tần số, tần suất, tần suất tích lũy, điểm trung bình ($\bar{X}$), phương sai ($S^2$), độ lệch chuẩn ($S$), đồ thị đường lũy tích.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lý luận và thực tiễn của đề tài

Tác giả tổng quan 11 công trình nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học Hóa học (gồm các luận văn thạc sĩ của Đỗ Thị Bích Ngọc, Nguyễn Thị Trúc Phương, Hoàng Thị Thu Hà, Khúc Thị Thanh Huệ; các khóa luận tốt nghiệp của Trần Ngọc Diễm, Nguyễn Thị Phương Thy, Bùi Thị Lệ Huyền, Trần Thị Quỳnh Mai, Vũ Thị Cẩm Nga, Nguyễn Thị Thành Nhơn và bài báo khoa học của tác giả Phạm Ngọc Thủy). Từ đó, tác giả khẳng định chưa có đề tài nào đi sâu xây dựng hệ thống thí nghiệm sử dụng nguyên liệu đời sống phục vụ trực tiếp chương trình Hóa học 10 THPT.

Chương này phân tích ưu điểm và hạn chế của thí nghiệm gắn kết cuộc sống: ưu điểm là nguyên liệu an toàn, dễ tìm, tạo hứng thú, giúp học sinh tự lặp lại thí nghiệm tại nhà; hạn chế là hiện tượng đôi khi kém nhạy hơn hóa chất tinh khiết và tốn thời gian thiết kế ban đầu.

Kết quả khảo sát thực trạng cho thấy nhiều bất cập trong dạy học thực tế:

  • Thái độ của học sinh ($n = 650$): Chỉ có 38,80% học sinh yêu thích và rất thích môn Hóa học; 76,15% học sinh đánh giá nội dung học nặng về lý thuyết, ít ứng dụng thực tế; 89,69% học sinh chỉ thỉnh thoảng hoặc hiếm khi được học với thí nghiệm.
  • Mong muốn của học sinh: Nhu cầu được tự làm thí nghiệm đạt điểm trung bình 4,26/5; được quan sát thí nghiệm đạt 4,25/5; nội dung học hấp dẫn đạt 4,28/5; trong khi mong muốn học lý thuyết chỉ đạt 2,33/5.
  • Khó khăn của giáo viên ($n = 40$): 75,0% giáo viên phản ánh tốn nhiều thời gian chuẩn bị và thực hiện; 70,0% nêu lý do nội dung kiểm tra ít liên quan đến thí nghiệm; 57,5% lo ngại nguy cơ di chuyển hóa chất/dụng cụ; 50,0% gặp tình trạng hóa chất hư hỏng.
  • Mức độ sử dụng thí nghiệm đời sống: 65,0% giáo viên hiếm khi sử dụng và 12,5% chưa bao giờ sử dụng. Tuy nhiên, 82,5% giáo viên thừa nhận thí nghiệm đời sống thu hút học sinh hơn thí nghiệm truyền thống.
Khó khăn của giáo viên khi sử dụng thí nghiệm Tỷ lệ (%)
Tốn nhiều thời gian chuẩn bị và thực hiện 75,0%
Nội dung kiểm tra ít liên quan đến thí nghiệm 70,0%
Di chuyển dụng cụ và hoá chất nguy hiểm 57,5%
Hoá chất bị hỏng dẫn đến thí nghiệm không thành công 50,0%
Phòng thí nghiệm thiếu hoá chất và dụng cụ 37,5%
Một số thí nghiệm khó thực hiện, hiện tượng không rõ ràng 12,5%
Phòng thí nghiệm không có nhân viên phụ trách 10,0%
Không có chế độ khuyến khích, đãi ngộ giáo viên hợp lý 10,0%
GV ngại tiếp xúc với hoá chất độc hại 2,5%

Chương 2: Xây dựng thí nghiệm hoá học gắn kết với cuộc sống hằng ngày

Dựa trên cấu trúc chương trình Hóa học lớp 10 cơ bản gồm 7 chương (39 bài), tác giả lựa chọn 4 chương trọng tâm có nội dung thực nghiệm phong phú để xây dựng thí nghiệm:

  • Chương 4: Phản ứng oxi hoá – khử.
  • Chương 5: Nhóm halogen.
  • Chương 6: Oxi – lưu huỳnh.
  • Chương 7: Tốc độ phản ứng và cân bằng hoá học.

Tác giả đề xuất quy trình thiết kế thí nghiệm gắn kết cuộc sống gồm 7 bước:

  1. Bước 1: Lựa chọn nội dung bài học phù hợp sử dụng thí nghiệm.
  2. Bước 2: Xác định mục tiêu, chuẩn kiến thức và kĩ năng của nội dung bài học.
  3. Bước 3: Lựa chọn thí nghiệm hóa học tương ứng với chuẩn kiến thức.
  4. Bước 4: Tìm kiếm các nguyên vật liệu, dụng cụ đời sống phù hợp để thay thế.
  5. Bước 5: Thực nghiệm kiểm chứng hiện tượng và đối chứng với thí nghiệm truyền thống.
  6. Bước 6: Điều chỉnh tỉ lệ, điều kiện phản ứng và hình thức trình bày để tối ưu hiệu quả.
  7. Bước 7: Soạn thảo hệ thống câu hỏi khai thác sư phạm và gợi ý câu trả lời.

Hệ thống 12 thí nghiệm được tác giả thiết kế chi tiết bao gồm mục đích, hóa chất/dụng cụ đời sống, quy trình tiến hành, lưu ý kĩ thuật, hình ảnh minh họa và câu hỏi hướng dẫn nhận thức:

STT Tên thí nghiệm Nguyên liệu đời sống thay thế Vị trí áp dụng trong chương trình
1 Thuốc rửa rau đổi màu kì lạ Thuốc tím ($KMnO_4$), nước oxy già y tế ($H_2O_2$), giấm ăn, nước vôi trong Chương 4, Bài 17: Phản ứng oxi hoá – khử
2 Nước oxi già và thuốc iot gặp nhau Nước oxy già y tế, dung dịch sát trùng Povidine 10% Chương 4, Bài 17: Phản ứng oxi hoá – khử
3 Tìm ra Oxi trong không khí Nến sinh nhật, dĩa nhựa, cốc thủy tinh, nước màu thực phẩm Chương 6, Bài 29: Oxi – Ozon
4 Điều chế Oxi từ nước oxi già Nước oxy già y tế, xúc tác men bánh mì/bột gan Chương 6, Bài 29: Oxi – Ozon
5 Ngọn lửa axeton Dung dịch rửa sơn móng tay (axeton), sợi bấc Chương 6: Oxi – lưu huỳnh
6 Ngọn lửa màu xanh Lưu huỳnh bột, đèn cồn Chương 6, Bài 30: Lưu huỳnh
7 Pháo hoa phát sáng Que pháo sinh nhật (chứa bột kim loại nhôm/sắt) Chương 6: Oxi – lưu huỳnh
8 Bong bóng nào to nhanh hơn? Giấm ăn (ở 2 nhiệt độ khác nhau), bột nở ($NaHCO_3$), bóng bay Chương 7, Bài 36: Tốc độ phản ứng hoá học
9 Vỏ trứng hô hấp Vỏ trứng gà ($CaCO_3$), giấm ăn nguyên chất và pha loãng Chương 7, Bài 36: Tốc độ phản ứng hoá học
10 Viên cam sủi nào biến mất trước? Viên vitamin C sủi (nguyên viên và nghiền mịn) Chương 7, Bài 36: Tốc độ phản ứng hoá học
11 Sợi dây sắt sủi bọt Nước oxy già, sợi dây sắt có gỉ sét ($Fe_2O_3$) Chương 7, Bài 36: Tốc độ phản ứng hoá học
12 Xúc tác phản ứng phân huỷ oxi già Nước oxy già y tế, men bánh mì, nước rửa chén, phẩm màu Chương 7, Bài 36: Tốc độ phản ứng hoá học

Chương 2 cũng trình bày hướng dẫn sử dụng thí nghiệm theo 4 hình thức: dạy bài mới (nghiên cứu khám phá, nêu và giải quyết vấn đề, kiểm chứng), giờ luyện tập/ôn tập (tái hiện kiến thức, bài tập thực nghiệm), giờ thực hành và kiểm tra đánh giá; đồng thời xây dựng các giáo án thực nghiệm mẫu.

Chương 3: Thực nghiệm sư phạm

Thực nghiệm sư phạm được tiến hành nhằm kiểm chứng giả thuyết khoa học của đề tài. Tác giả lựa chọn các cặp lớp tương đương về trình độ học lực tại trường THPT Trưng Vương (Quận 1) gồm lớp thực nghiệm (TN) 10A2 và lớp đối chứng (ĐC) 10A14 do cô Lại Tố Trân và cô Phạm Thị Thanh Tân giảng dạy, cùng các lớp tại THPT Bình Hưng Hòa.

Lớp thực nghiệm được học các bài học có sử dụng hệ thống thí nghiệm gắn kết cuộc sống kết hợp phương pháp dạy học tích cực; lớp đối chứng học theo phương pháp truyền thống sử dụng thí nghiệm quy ước trong phòng thí nghiệm hoặc dạy học thuyết trình.

Sau quá trình thực nghiệm, tác giả tiến hành cho học sinh làm bài kiểm tra đánh giá năng lực vận dụng kiến thức hóa học vào thực tiễn và phát phiếu thăm dò ý kiến học sinh về các tiết học thực nghiệm. Số liệu được thu thập để lập bảng phân phối tần số, tần suất, tính toán các tham số thống kê đặc trưng và vẽ đồ thị đường lũy tích so sánh kết quả giữa hai nhóm.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

  • Khẳng định tính ưu việt của thí nghiệm đời sống: Kết quả khảo sát ý kiến giáo viên cho thấy 82,5% giáo viên đánh giá thí nghiệm đời sống mang lại hiệu quả cao khi thay thế thí nghiệm truyền thống (trong đó 22,5% đánh giá rất hiệu quả, 60,0% đánh giá hiệu quả, 17,5% kém hiệu quả và 0,0% không hiệu quả).
  • Đánh giá của học sinh: Các tiêu chí về tác dụng của thí nghiệm đều đạt điểm đánh giá cao: nâng cao hứng thú học tập (4,19/5), rèn luyện kỹ năng thực hành (4,12/5), tiếp thu kiến thức chính xác (4,06/5), tăng khả năng vận dụng vào thực tế (3,97/5).
  • Hệ thống hóa 12 thí nghiệm thực nghiệm: Bộ thí nghiệm được thiết kế hoàn chỉnh từ khâu chuẩn bị dụng cụ đời sống đến câu hỏi nhận thức, giải quyết triệt để các rào cản về thiếu hóa chất, nguy cơ mất an toàn và áp lực thời gian chuẩn bị của giáo viên THPT.

Đề xuất và kiến nghị của tác giả

  • Giáo viên cần chủ động khai thác các mâu thuẫn nhận thức từ đời sống hằng ngày để thiết kế tình huống có vấn đề trong giờ dạy Hóa học.
  • Đa dạng hóa hình thức tổ chức dạy học: lồng ghép thí nghiệm vào các hoạt động ngoại khóa, hoạt động trải nghiệm sáng tạo và giao nhiệm vụ cho học sinh tự thực hiện thí nghiệm an toàn tại nhà.
  • Cần xây dựng các tài liệu hướng dẫn thực hành thí nghiệm đơn giản và đổi mới nội dung kiểm tra, đánh giá theo hướng gắn liền với bối cảnh thực tiễn thay vì thuần túy giải bài tập toán hóa học.

Đóng góp của đề tài

  • Về mặt lý luận: Hệ thống hóa cơ sở lý luận về thí nghiệm gắn kết cuộc sống; xác lập bộ tiêu chí và quy trình chuẩn 7 bước để thiết kế thí nghiệm từ vật liệu sinh hoạt hằng ngày phục vụ giảng dạy môn Hóa học.
  • Về mặt thực tiễn: Cung cấp tư liệu 12 quy trình thí nghiệm hoàn chỉnh thuộc 4 chương trọng tâm của Hóa học 10 THPT, kèm hệ thống câu hỏi khai thác sư phạm và giáo án minh họa có thể ứng dụng trực tiếp vào giảng dạy.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Độ tinh khiết của các nguyên vật liệu đời sống (giấm ăn, bột men, thuốc sát trùng, thuốc tím rửa rau...) không đồng nhất giữa các nhà sản xuất, dẫn đến tốc độ và cường độ hiện tượng phản ứng đôi khi có sự dao động nhỏ; phạm vi thực nghiệm sư phạm mới chỉ triển khai ở một số lớp thuộc địa bàn TP. Hồ Chí Minh.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Tiếp tục nghiên cứu, mở rộng việc thiết kế và sử dụng các thí nghiệm gắn kết cuộc sống cho chương trình Hóa học lớp 11 và lớp 12; xây dựng hệ thống bài tập thực nghiệm đánh giá năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn của học sinh trong các kì thi định kỳ.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo cho:

  • Sinh viên ngành Sư phạm Hóa học và học viên cao học: Tham khảo quy trình 7 bước thiết kế thí nghiệm đời sống, phương pháp điều tra thực trạng giáo dục và kỹ thuật xử lý số liệu thống kê thực nghiệm sư phạm.
  • Giáo viên Hóa học cấp THPT: Trực tiếp sử dụng 12 quy trình thí nghiệm đã được kiểm chứng an toàn và giáo án minh họa để tổ chức các giờ dạy bài mới, giờ luyện tập, tiết hoạt động trải nghiệm hoặc câu lạc bộ STEM tại nhà trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận đưa ra quy trình thiết kế thí nghiệm gắn kết cuộc sống gồm mấy bước?
Tác giả đề xuất quy trình 7 bước: (1) Chọn nội dung bài học phù hợp; (2) Xác định mục tiêu, chuẩn kiến thức, kĩ năng; (3) Lựa chọn thí nghiệm tương ứng; (4) Tìm kiếm nguyên vật liệu, dụng cụ đời sống thay thế; (5) Thực nghiệm đối chứng với thí nghiệm truyền thống; (6) Điều chỉnh tỉ lệ, điều kiện tối ưu; (7) Soạn thảo câu hỏi khai thác sư phạm và đáp án.

2. Thí nghiệm "Thuốc rửa rau đổi màu kì lạ" sử dụng những nguyên liệu nào và nhằm mục đích gì?
Thí nghiệm sử dụng bột thuốc tím rửa rau ($KMnO_4$), nước oxy già y tế ($H_2O_2$), giấm ăn (môi trường axit), nước lọc (môi trường trung tính) và nước vôi trong (môi trường bazơ). Mục đích nhằm nghiên cứu phản ứng oxi hóa - khử của $KMnO_4$ với $H_2O_2$ và chứng minh sản phẩm khử của ion $MnO_4^-$ thay đổi tùy theo môi trường phản ứng ($Mn^{2+}$ không màu trong axit, $MnO_2$ kết tủa đen trong trung tính, $MnO_4^{2-}$ màu lục thẫm trong kiềm).

3. Khảo sát thực trạng cho thấy những rào cản lớn nhất khiến giáo viên THPT ít sử dụng thí nghiệm là gì?
Theo kết quả khảo sát 40 giáo viên, 3 rào cản lớn nhất gồm: tốn nhiều thời gian chuẩn bị và thực hiện (75,0%), nội dung kiểm tra đánh giá ít liên quan đến thí nghiệm (70,0%) và việc di chuyển dụng cụ, hóa chất nguy hiểm (57,5%).

4. Thí nghiệm số 12 (Xúc tác phản ứng phân hủy oxi già) đã thay thế hóa chất phòng thí nghiệm bằng chất liệu nào?
Tác giả thay thế dung dịch $H_2O_2$ 30% trong phòng thí nghiệm bằng nước oxy già y tế ($H_2O_2$ 3%) và thay thế chất xúc tác $MnO_2$ bằng bột men bánh mì, kết hợp thêm nước rửa chén và màu thực phẩm để tạo hiện tượng trào bọt sinh động.

5. Học sinh THPT đánh giá như thế nào về nội dung chương trình môn Hóa học hiện nay qua khảo sát?
Trong số 650 học sinh được khảo sát, có 76,15% học sinh nhận định nội dung học hiện nay còn nặng về lý thuyết, ít liên quan đến ý nghĩa thực tế và ứng dụng đời sống; nguyện vọng được tự làm thí nghiệm đạt mức điểm trung bình 4,26/5.

Kết luận

Khóa luận của tác giả Nguyễn Hoàng Huy đã giải quyết vấn đề gắn kết lý luận với thực tiễn trong dạy học Hóa học lớp 10 THPT thông qua việc xây dựng quy trình và hệ thống 12 thí nghiệm sử dụng nguyên liệu đời sống. Công trình cung cấp hệ thống số liệu điều tra thực trạng toàn diện, đưa ra các minh chứng thực nghiệm sư phạm rõ ràng và đóng góp bộ công cụ dạy học có giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho giáo viên phổ thông. Kết quả nghiên cứu đáp ứng đúng định hướng đổi mới phương pháp dạy học theo hướng phát triển phẩm chất và năng lực người học.