Tổ Chức Dạy Học Quang Hình Học – Vật Lý 11 Theo Định Hướng Giáo Dục STEM

Tài liệu nghiên cứu Luận văn tổ chức dạy học một số kiến thức quang hình học vật lí 11 theo định hướng giáo dục stem, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Nguyễn Thị Kiều Oanh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Nga
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp dạy học bộ môn Vật lí
• Đề tài: Tổ Chức Dạy Học Một Số Kiến Thức Quang Hình Học – Vật Lí 11 Theo Định Hướng Giáo Dục STEM
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ khoa học giáo dục
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ GIÁO DỤC STEM TRONG TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
• 1.1. Lí thuyết về giáo dục STEM trong trường THPT
• 1.2. Thuật ngữ STEM
• 1.3. Giáo dục STEM
• 1.4. Mục tiêu giáo dục STEM
• 1.5. Phát huy tính tích cực của HS thông qua dạy học chủ đề STEM
• 1.6. Khái niệm tính tích cực. Biểu hiện tính tích cực của HS trong dạy học chủ đề STEM
• 1.7. Biện pháp phát huy tính tích cực của HS trong dạy học chủ đề STEM
• 1.8. Phát triển năng lực sáng tạo của HS thông dạy học chủ đề STEM
• 1.9. Khái niệm năng lực sáng tạo
• 1.10. Biểu hiện năng lực sáng tạo của HS trong dạy học chủ đề STEM
• 1.11. Biện pháp phát triển năng lực sáng tạo của HS thông qua dạy học chủ đề STEM
• 1.12. Quy trình thiết kế chủ đề STEM
• 1.13. Thiết kế chủ đề. Tiến trình dạy học STEM
• 1.14. Thực tiễn dạy học STEM trong trường THPT
• 1.15. Tiểu kết chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: TỔ CHỨC DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC QUANG HÌNH HỌC – VẬT LÍ 11 THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM
• 2.1. Phân tích một số kiến thức chương Quang hình học – Vật lí 11 theo định hướng giáo dục STEM
• 2.2. Khúc xạ ánh sáng
• 2.3. Phản xạ toàn phần
• 2.4. Thấu kính mỏng
• 2.5. Thiết kế và tổ chức dạy học chủ đề STEM “Pyramid Hologram”
• 2.5.1. Xây dựng kế hoạch dạy học chủ đề STEM “Pyramid Hologram”
• 2.5.2. Thiết kế phiếu học tập. Xây dựng tài liệu hướng dẫn HS
• 2.5.3. Xây dựng câu hỏi kiểm tra đánh giá kết quả học tập
• 2.6. Thiết kế và tổ chức dạy học chủ đề STEM “Chai nước Mặt trời”
• 2.6.1. Xây dựng kế hoạch dạy học chủ đề STEM “Chai nước Mặt trời”
• 2.6.2. Thiết kế phiếu học tập. Xây dựng tài liệu hướng dẫn HS
• 2.6.3. Xây dựng câu hỏi kiểm tra đánh giá kết quả học tập
• 2.7. Thiết kế và tổ chức dạy học chủ đề STEM “Con mắt đại bàng”
• 2.7.1. Xây dựng kế hoạch dạy học chủ đề STEM “Con mắt đại bàng”
• 2.7.2. Thiết kế phiếu học tập. Xây dựng tài liệu hướng dẫn HS
• 2.7.3. Xây dựng câu hỏi kiểm tra đánh giá kết quả học tập
• 2.8. Xây dựng công cụ đánh giá dạy học chủ đề STEM
• 2.8.1. Công cụ đánh giá tính tích cực
• 2.8.2. Công cụ đánh giá năng lực sáng tạo
• 2.9. Tiểu kết chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM
• 3.1. Mục đích thực nghiệm sư phạm
• 3.2. Đối tượng thực nghiệm sư phạm
• 3.3. Phương pháp thực nghiệm sư phạm
• 3.4. Tổ chức thực nghiệm và thu thập số liệu thực nghiệm sư phạm
• 3.5. Phân tích diễn biến quá trình thực nghiệm sư phạm
• 3.6. Diễn biến thực nghiệm sư phạm chủ đề “Pyramid Hologram”
• 3.7. Diễn biến thực nghiệm sư phạm chủ đề “Chai nước Mặt trời”
• 3.8. Đánh giá định tính kết quả thực nghiệm sư phạm
• 3.9. Đánh giá định tính chủ đề “Pyramid Hologram”
• 3.10. Đánh giá định tính chủ đề “Chai nước Mặt trời”
• 3.11. Đánh giá định lượng kết quả thực nghiệm sư phạm
• 3.12. Đánh giá định lượng chủ đề “Pyramid Hologram”
• 3.13. Đánh giá định lượng chủ đề “Chai nước Mặt trời”
• 3.14. Những thuận lợi và khó khăn gặp phải khi thực nghiệm sư phạm
• 3.15. Tiểu kết chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Dạy Học Quang Hình Học Vật Lý 11 STEM

Dạy học quang hình học trong chương trình Vật lý 11 STEM theo định hướng giáo dục STEM là một phương pháp tiếp cận mới, nhằm tích hợp kiến thức từ các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học. Phương pháp này không chỉ giúp học sinh nắm vững kiến thức lý thuyết mà còn phát triển kỹ năng thực hành, tư duy sáng tạo và khả năng giải quyết vấn đề. Giáo dục STEM Vật lý tạo cơ hội cho học sinh khám phá các ứng dụng thực tế của quang hình học, từ đó khơi gợi niềm đam mê khoa học và định hướng nghề nghiệp trong tương lai. Việc áp dụng phương pháp dạy học STEM Vật lý đòi hỏi sự đổi mới trong cách tiếp cận và thiết kế bài giảng, nhằm tạo ra môi trường học tập tích cực và hiệu quả.

1.1. Giới Thiệu Chung Về Quang Hình Học Vật Lý 11

Quang hình học Vật lý 11 là một phần quan trọng của chương trình Vật lý phổ thông, nghiên cứu về sự truyền ánh sáng, các hiện tượng phản xạ, khúc xạ ánh sáng, và các dụng cụ quang học như thấu kính, gương cầu. Các kiến thức trong quang hình học có nhiều ứng dụng thực tế trong đời sống và kỹ thuật, ví dụ như trong thiết kế các thiết bị quang học, hệ thống chiếu sáng, và các công nghệ hiển thị hình ảnh. Việc dạy và học quang hình học Vật lý 11 theo phương pháp truyền thống thường tập trung vào lý thuyết và các bài tập tính toán, ít chú trọng đến các ứng dụng thực tế và khả năng sáng tạo của học sinh.

1.2. Vai Trò Của Giáo Dục STEM Trong Dạy Học Vật Lý

Giáo dục STEM đóng vai trò quan trọng trong việc đổi mới phương pháp dạy học Vật lý, giúp học sinh tiếp cận kiến thức một cách chủ động và sáng tạo hơn. Thay vì chỉ học lý thuyết suông, học sinh được tham gia vào các dự án thực tế, vận dụng kiến thức từ nhiều lĩnh vực khác nhau để giải quyết các vấn đề cụ thể. Giáo dục STEM không chỉ trang bị cho học sinh kiến thức và kỹ năng cần thiết cho tương lai mà còn giúp các em phát triển tư duy phản biện, khả năng làm việc nhóm và kỹ năng giao tiếp.

II. Thách Thức Khi Dạy Quang Hình Học Vật Lý 11 Hiện Nay

Mặc dù quang hình học Vật lý 11 có nhiều ứng dụng thực tế, việc dạy và học môn học này vẫn còn đối mặt với nhiều thách thức. Phương pháp dạy học truyền thống thường tập trung vào việc truyền đạt kiến thức một chiều, ít tạo cơ hội cho học sinh tham gia vào các hoạt động thực hành và khám phá. Điều này dẫn đến tình trạng học sinh cảm thấy nhàm chán, khó tiếp thu kiến thức và không thấy được sự liên hệ giữa lý thuyết và thực tế. Bên cạnh đó, việc thiếu các thiết bị thí nghiệm và tài liệu tham khảo phù hợp cũng là một trở ngại lớn đối với việc nâng cao chất lượng dạy và học Vật lý 11 STEM.

2.1. Phương Pháp Dạy Học Truyền Thống và Hạn Chế

Phương pháp dạy học truyền thống trong Vật lý 11 STEM thường sử dụng phương pháp giảng giải, thuyết trình, và làm bài tập theo mẫu. Học sinh chủ yếu tiếp thu kiến thức một cách thụ động, ít có cơ hội tham gia vào các hoạt động thực hành, thí nghiệm, hoặc thảo luận nhóm. Điều này dẫn đến việc học sinh khó nắm vững kiến thức, không phát triển được kỹ năng tư duy phản biện, và không thấy được sự liên hệ giữa lý thuyết và thực tế. Theo Nghị quyết Ban chấp hành Trung ương 2 khóa VIII Đảng Cộng sản Việt Nam (12 – 1996) đã khẳng định: “Đổi mới mạnh mẽ phương pháp giáo dục – đào tạo, khắc phục lối truyền thụ một chiều, rèn luyện thành nếp tư duy sáng tạo của người học.

2.2. Thiếu Hụt Về Thiết Bị và Tài Liệu Dạy Học STEM

Một trong những khó khăn lớn nhất trong việc dạy và học Vật lý 11 STEM là sự thiếu hụt về thiết bị thí nghiệm và tài liệu tham khảo phù hợp. Nhiều trường học không có đủ các thiết bị cần thiết để thực hiện các thí nghiệm thực hành, hoặc các thiết bị đã cũ, không còn hoạt động tốt. Bên cạnh đó, tài liệu tham khảo về giáo dục STEM Vật lý còn hạn chế, gây khó khăn cho giáo viên trong việc thiết kế bài giảng và tìm kiếm các hoạt động thực hành phù hợp.

III. Phương Pháp Dạy Học Quang Hình Học Theo Hướng STEM

Để khắc phục những hạn chế của phương pháp dạy học truyền thống, việc áp dụng phương pháp dạy học STEM Vật lý là một giải pháp hiệu quả. Phương pháp dạy học STEM tập trung vào việc tích hợp kiến thức từ các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học để giải quyết các vấn đề thực tế. Trong dạy học quang hình học, giáo viên có thể thiết kế các dự án, bài tập thực hành liên quan đến các ứng dụng của thấu kính Vật lý 11 STEM, gương cầu Vật lý 11 STEM, hoặc các hiện tượng khúc xạ ánh sáng Vật lý 11 STEM, phản xạ ánh sáng Vật lý 11 STEM trong đời sống.

3.1. Thiết Kế Bài Giảng STEM Tích Hợp Liên Môn

Để thiết kế một bài giảng STEM Vật lý hiệu quả, giáo viên cần xác định rõ mục tiêu học tập, lựa chọn nội dung phù hợp, và thiết kế các hoạt động thực hành, thí nghiệm liên quan đến các ứng dụng thực tế của kiến thức. Bài giảng cần tích hợp kiến thức từ nhiều môn học khác nhau, ví dụ như Toán học (tính toán các thông số quang học), Công nghệ (sử dụng phần mềm mô phỏng), và Kỹ thuật (thiết kế và chế tạo các thiết bị quang học đơn giản). Giáo viên có thể tham khảo các STEM lesson plans và STEM education resources để có thêm ý tưởng thiết kế bài giảng.

3.2. Tổ Chức Hoạt Động Thực Hành Thí Nghiệm Sáng Tạo

Hoạt động thực hành, thí nghiệm đóng vai trò quan trọng trong dạy học STEM Vật lý. Giáo viên cần tạo cơ hội cho học sinh tự tay thực hiện các thí nghiệm, khám phá các hiện tượng quang hình học và vận dụng kiến thức để giải quyết các vấn đề thực tế. Các thí nghiệm có thể được thiết kế theo hướng mở, khuyến khích học sinh sáng tạo và tìm tòi các giải pháp khác nhau. Ví dụ, học sinh có thể được yêu cầu thiết kế và chế tạo một chiếc kính hiển vi đơn giản, hoặc một mô hình máy ảnh sử dụng các vật liệu tái chế.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Dự Án STEM Quang Hình Học Vật Lý

Việc áp dụng giáo dục STEM trong quang hình học Vật lý 11 mở ra nhiều cơ hội để học sinh khám phá các ứng dụng thực tế của kiến thức. Học sinh có thể tham gia vào các dự án STEM quang hình học, ví dụ như thiết kế và chế tạo các thiết bị quang học, nghiên cứu về các hiện tượng ánh sáng trong tự nhiên, hoặc tìm hiểu về các công nghệ hiển thị hình ảnh hiện đại. Các dự án này không chỉ giúp học sinh củng cố kiến thức mà còn phát triển kỹ năng làm việc nhóm, tư duy sáng tạo và khả năng giải quyết vấn đề.

4.1. Các Dự Án STEM Tiêu Biểu Về Quang Hình Học

Có rất nhiều STEM projects for high school liên quan đến quang hình học mà giáo viên có thể tham khảo và áp dụng. Một số dự án tiêu biểu bao gồm: thiết kế và chế tạo kính thiên văn đơn giản, xây dựng mô hình máy chiếu phim, nghiên cứu về hiện tượng ảo ảnh, hoặc tìm hiểu về ứng dụng của laser trong y học và công nghiệp. Các dự án này có thể được thực hiện theo nhóm, khuyến khích học sinh hợp tác và chia sẻ kiến thức.

4.2. Ứng Dụng Của Thấu Kính và Gương Cầu Trong Đời Sống

Kiến thức về thấu kính và gương cầu có rất nhiều ứng dụng trong đời sống hàng ngày. Ứng dụng của thấu kính có thể thấy trong kính mắt, kính hiển vi, kính thiên văn, máy ảnh, và các thiết bị quang học khác. Ứng dụng của gương cầu có thể thấy trong đèn pha ô tô, gương chiếu hậu, và các thiết bị tập trung ánh sáng. Việc tìm hiểu về các ứng dụng này giúp học sinh thấy được sự liên hệ giữa kiến thức lý thuyết và thực tế, từ đó tăng cường hứng thú học tập.

V. Đánh Giá Hiệu Quả Dạy Học Quang Hình Học Theo STEM

Để đánh giá hiệu quả của việc dạy học quang hình học theo định hướng giáo dục STEM, cần sử dụng các công cụ đánh giá phù hợp. Các công cụ này không chỉ đánh giá kiến thức lý thuyết mà còn đánh giá kỹ năng thực hành, tư duy sáng tạo và khả năng giải quyết vấn đề của học sinh. Giáo viên có thể sử dụng các bài kiểm tra, bài tập thực hành, dự án, và phiếu đánh giá để thu thập thông tin về quá trình học tập của học sinh.

5.1. Xây Dựng Công Cụ Đánh Giá Phù Hợp Với STEM

Việc xây dựng công cụ đánh giá STEM integration in physics đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng về mục tiêu học tập và các kỹ năng cần đánh giá. Các công cụ đánh giá nên bao gồm các câu hỏi mở, bài tập thực hành, và dự án yêu cầu học sinh vận dụng kiến thức từ nhiều lĩnh vực khác nhau để giải quyết các vấn đề thực tế. Giáo viên có thể tham khảo các STEM curriculum và STEM activities for physics để có thêm ý tưởng xây dựng công cụ đánh giá.

5.2. Phản Hồi và Điều Chỉnh Phương Pháp Dạy Học STEM

Kết quả đánh giá cần được sử dụng để cung cấp phản hồi cho học sinh và điều chỉnh phương pháp dạy học STEM cho phù hợp. Giáo viên cần phân tích kết quả đánh giá để xác định những điểm mạnh và điểm yếu của học sinh, từ đó đưa ra các biện pháp hỗ trợ và khuyến khích phù hợp. Việc điều chỉnh phương pháp dạy học cần dựa trên inquiry-based learning physics và problem-based learning physics, khuyến khích học sinh tự khám phá và giải quyết các vấn đề.

VI. Kết Luận và Triển Vọng Dạy Học Quang Hình Học STEM

Dạy học quang hình học Vật lý 11 theo định hướng giáo dục STEM là một hướng đi đầy tiềm năng, giúp nâng cao chất lượng dạy và học môn Vật lý. Phương pháp này không chỉ giúp học sinh nắm vững kiến thức mà còn phát triển kỹ năng thực hành, tư duy sáng tạo và khả năng giải quyết vấn đề. Để triển khai thành công giáo dục STEM trong quang hình học, cần có sự đầu tư về thiết bị, tài liệu, và sự hỗ trợ từ các cấp quản lý giáo dục. Đồng thời, giáo viên cần được đào tạo và bồi dưỡng về phương pháp dạy học STEM để có thể thiết kế và tổ chức các bài giảng hiệu quả.

6.1. Tầm Quan Trọng Của Giáo Dục STEM Trong Tương Lai

Giáo dục STEM đóng vai trò ngày càng quan trọng trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0. Việc trang bị cho học sinh kiến thức và kỹ năng STEM là cần thiết để đáp ứng nhu cầu của thị trường lao động và giúp các em thành công trong tương lai. Giáo dục STEM không chỉ giúp học sinh trở thành những nhà khoa học, kỹ sư, hoặc nhà toán học mà còn giúp các em phát triển tư duy phản biện, khả năng sáng tạo, và kỹ năng giải quyết vấn đề, những phẩm chất cần thiết cho mọi công việc.

6.2. Đề Xuất và Kiến Nghị Để Phát Triển Giáo Dục STEM

Để phát triển giáo dục STEM trong quang hình học Vật lý 11, cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các trường học, các tổ chức giáo dục, và các doanh nghiệp. Cần tăng cường đầu tư về thiết bị, tài liệu, và đào tạo giáo viên. Đồng thời, cần xây dựng một mạng lưới các chuyên gia STEM để hỗ trợ giáo viên và chia sẻ kinh nghiệm. Các trường học có thể tổ chức các hoạt động ngoại khóa, câu lạc bộ STEM, và các cuộc thi khoa học để khuyến khích học sinh tham gia và phát triển niềm đam mê khoa học.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 đang tác động mạnh mẽ đến toàn bộ hệ thống kinh tế - xã hội, ngành giáo dục đòi hỏi sự chuyển dịch căn bản từ lối truyền thụ tri thức một chiều sang phát triển phẩm chất và năng lực toàn diện cho người học. Dữ liệu khảo sát ban đầu cho thấy có tới 69% học sinh lớp 11 chỉ đặt mục tiêu đơn thuần là học để thi cử, trong khi 37,8% giáo viên tại các trường trung học phổ thông từng tiếp cận giáo dục STEM nhưng còn lúng túng trong việc triển khai thực tế. Phương pháp dạy học truyền thống đối với phân môn Quang hình học thuộc chương trình Vật lí 11 còn mang tính hàn lâm, nặng về lý thuyết và bài tập tính toán, làm suy giảm tính chủ động và khả năng sáng tạo của học sinh.

Mục tiêu trọng tâm của đề tài là xây dựng quy trình thiết kế và tổ chức dạy học một số kiến thức thuộc chương Quang hình học - Vật lí 11 theo định hướng giáo dục STEM, nhằm phát huy tính tích cực nhận thức và phát triển năng lực sáng tạo kỹ thuật cho học sinh. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm sư phạm trong năm học 2018 - 2019 tại hai cơ sở giáo dục trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh gồm Trường THPT Nguyễn Du và Trường THCS - THPT Hoa Sen.

Nghiên cứu đã cụ thể hóa 3 chủ đề STEM thực nghiệm gắn với đời sống, xây dựng thang đo đánh giá gồm 6 tiêu chí về tính tích cực và 7 tiêu chí về năng lực sáng tạo. Kết quả cho thấy tỷ lệ học sinh tham gia học tập tích cực tăng trên 40% và năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn được cải thiện rõ rệt, khẳng định tính đúng đắn của giả thuyết khoa học đã đề ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng lý thuyết chu trình giáo dục STEM khép kín theo mô hình xoáy ốc tương tác giữa Khoa học (Science), Kỹ thuật (Engineering), Công nghệ (Technology) và Toán học (Mathematics). Trong chu trình này, khoa học là quy trình sáng tạo ra tri thức mới, kỹ thuật sử dụng tri thức đó để thiết kế các giải pháp công nghệ nhằm giải quyết bài toán thực tiễn, và toán học đóng vai trò công cụ định lượng chính xác.

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp lý thuyết về tính tích cực nhận thức của Thái Duy Tuyên (2008) và các dấu hiệu tâm lý học sư phạm của G. Sukina (1979), phân chia tính tích cực thành 3 cấp độ: tích cực bắt chước, tích cực tìm tòi và tích cực sáng tạo. Về năng lực sáng tạo, tác giả kế thừa khung cấu trúc 7 đặc trưng hoạt động sáng tạo của Lacne (1977) kết hợp định nghĩa của Phan Dũng (2010) và Trần Việt Dũng (2013), xem năng lực sáng tạo là khả năng phát hiện vấn đề mới, đề xuất giải pháp kỹ thuật tối ưu và tạo ra sản phẩm có giá trị sử dụng cao.

Quy trình thiết kế bài học STEM được chuẩn hóa qua 5 giai đoạn: xác định vấn đề thực tiễn, đề xuất ý tưởng kỹ thuật, xác định kiến thức nền, xác định mục tiêu và xây dựng hệ thống câu hỏi định hướng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp khảo sát thực trạng thông qua bảng hỏi với cỡ mẫu gồm 45 giáo viên bộ môn Vật lí và 126 học sinh khối 11 tại các trường THPT thuộc Thành phố Hồ Chí Minh. Phương pháp chọn mẫu phân tầng kết hợp thuận tiện được áp dụng nhằm phản ánh chính xác thực trạng dạy và học ở cả khối trường công lập lẫn ngoài công lập. Việc lựa chọn phương pháp này giúp thu thập dữ liệu đa chiều về nhận thức của giáo viên cũng như mức độ hứng thú học tập của học sinh.

Trong giai đoạn thực nghiệm sư phạm từ tháng 10 năm 2018 đến tháng 4 năm 2019, phương pháp thực nghiệm được triển khai với 2 lớp thực nghiệm và 2 lớp đối chứng (tổng số hơn 150 học sinh) tại Trường THPT Nguyễn Du và Trường THCS - THPT Hoa Sen. Dữ liệu định tính được thu thập qua quan sát hành vi, ghi chép biên bản tiết dạy và nhật ký học tập. Dữ liệu định lượng được phân tích bằng phương pháp thống kê toán học, bao gồm tính toán điểm trung bình, độ lệch chuẩn, kiểm định t-test Student và phân tích tần số phân bố điểm số nhằm bảo đảm độ tin cậy và giá trị khoa học của kết quả đánh giá.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Khảo sát thực trạng cho thấy sự mâu thuẫn lớn trong nhận thức và thực tế giảng dạy: 37,8% giáo viên có hiểu biết về STEM nhưng hơn 80% vẫn áp dụng phương pháp thuyết trình truyền thống do rào cản về cơ sở vật chất. Đối với học sinh, 61,9% tự đánh giá học lực ở mức khá và 25,4% ở mức trung bình, trong đó có đến 74,6% học sinh thể hiện mong muốn được tham gia các hoạt động chế tạo mô hình và làm việc nhóm thay vì chỉ nghe giảng lý thuyết.

Quá trình thực nghiệm 3 chủ đề STEM gồm "Pyramid Hologram", "Chai nước Mặt trời" và "Con mắt đại bàng" đã mang lại những kết quả tích cực:

• Ở chủ đề "Pyramid Hologram", 92,3% học sinh nắm vững định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng thông qua việc tự tính toán góc nghiêng 45 độ của kim tự tháp cụt, khắc phục tình trạng sai lệch hình ảnh 3D với tỷ lệ hoàn thành sản phẩm đạt 95%.
• Ở chủ đề "Chai nước Mặt trời", học sinh vận dụng kiến thức chiết suất để tạo ra nguồn sáng khuếch tán tương đương bóng đèn 50W đến 60W, giúp 88,5% học sinh hiểu sâu bản chất hiện tượng khúc xạ qua môi trường nước và thuốc tẩy.
• Điểm đánh giá định lượng cho thấy điểm kiểm tra trung bình của nhóm thực nghiệm đạt 8,12 điểm, cao hơn đáng kể so với nhóm đối chứng đạt 6,35 điểm (chênh lệch 1,77 điểm với p < 0,05). Tỷ lệ học sinh đạt mức năng lực sáng tạo loại giỏi tăng từ 14,2% trước thực nghiệm lên 48,6% sau thực nghiệm.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội của nhóm thực nghiệm bắt nguồn từ việc chuyển đổi mô hình giáo dục: học sinh được đóng vai trò là nhà khoa học và kỹ sư trực tiếp giải quyết vấn đề kỹ thuật thực tế. Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua đồ thị phân phối điểm số và biểu đồ đường tần số tích lũy, minh chứng cho sự dịch chuyển phân bố điểm của nhóm thực nghiệm về phía dải điểm 8,0 - 10,0. Các bảng tiêu chí đánh giá Rubric thể hiện sự tiến bộ đồng đều ở cả 4 khía cạnh: tư duy kỹ thuật, kỹ năng chế tạo, kỹ năng làm việc nhóm và năng lực thuyết trình.

So với các nghiên cứu trước đây về đổi mới phương pháp dạy học Vật lí, việc lồng ghép chu trình kỹ thuật vào kiến thức Quang hình học giúp học sinh không còn cảm thấy các khái niệm như chiết suất tỉ đối hay tiêu cự thấu kính là trừu tượng. Thay vào đó, các em tự điều chỉnh độ cong thấu kính nước hoặc thay đổi góc cắt tấm mica để tối ưu hóa đường truyền tia sáng, qua đó khắc sâu kiến thức nền tảng một cách bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nhân rộng mô hình dạy học STEM trong môn Vật lí cấp trung học phổ thông, nghiên cứu đưa ra 4 giải pháp cụ thể:

• Chuẩn hóa quy trình thiết kế chủ đề STEM 5 bước: Ban giám hiệu và tổ chuyên môn các trường THPT cần chỉ đạo giáo viên xây dựng ngân hàng bài học STEM theo hướng tinh giản lý thuyết, dành tối thiểu 30% thời lượng chương trình cho các hoạt động trải nghiệm kỹ thuật và thực hành chế tạo trong năm học 2019 - 2020.
• Đổi mới công cụ kiểm tra và đánh giá học sinh: Giáo viên bộ môn cần áp dụng hệ thống Rubric đánh giá đa chiều kết hợp giữa đánh giá quá trình (tinh thần làm việc nhóm, nhật ký thiết kế) và đánh giá sản phẩm (độ chính xác kỹ thuật, tính thẩm mỹ), giảm tỷ trọng các bài kiểm tra trắc nghiệm ghi nhớ máy móc xuống dưới 40% tổng số đầu điểm.
• Tối ưu hóa cơ sở vật chất bằng không gian sáng tạo mở: Nhà trường cần tận dụng phòng thí nghiệm hiện có để chuyển đổi thành không gian sáng tạo STEM, khuyến khích học sinh sử dụng các vật liệu tái chế có chi phí thấp như vỏ chai nhựa, bìa kính trong suốt, ống nhựa PVC nhằm tiết kiệm 70% ngân sách mua sắm thiết bị chuyên dụng.
• Đào tạo nâng cao năng lực sư phạm cho giáo viên: Sở Giáo dục và Đào tạo phối hợp với các trường đại học sư phạm tổ chức các khóa tập huấn chuyên đề 40 tiết/năm, trang bị cho giáo viên kỹ năng tích hợp liên môn, thiết kế phiếu học tập định hướng và kỹ thuật điều phối hoạt động nhóm linh hoạt.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng sau:

• Giáo viên Vật lí cấp THPT: Sử dụng trực tiếp giáo án chi tiết, phiếu học tập, bản vẽ thiết kế kỹ thuật và bộ câu hỏi định hướng của 3 chủ đề STEM để triển khai ngay trong các tiết dạy trên lớp hoặc sinh hoạt câu lạc bộ khoa học.
• Cán bộ quản lý giáo dục và tổ trưởng chuyên môn: Tham khảo quy trình tổ chức, khung tiêu chí đánh giá năng lực và các biện pháp tháo gỡ khó khăn về mặt cơ sở vật chất khi chỉ đạo đổi mới phương pháp giảng dạy theo Chương trình Giáo dục phổ thông 2018.
• Học viên cao học và sinh viên ngành Sư phạm Vật lí: Khai thác hệ thống cơ sở lý luận vững chắc về năng lực sáng tạo, chu trình kỹ thuật STEM cùng phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm sư phạm bằng toán thống kê làm tài liệu nghiên cứu chuyên sâu.
• Chuyên gia phát triển chương trình giáo dục: Sử dụng các minh chứng thực nghiệm và dữ liệu khảo sát 126 học sinh làm căn cứ thực tiễn để biên soạn sách giáo khoa và tài liệu hướng dẫn dạy học tích hợp Khoa học tự nhiên.

Câu hỏi thường gặp

• Làm thế nào để áp dụng chủ đề STEM "Pyramid Hologram" trong điều kiện trường học thiếu thiết bị hiện đại? Giáo viên chỉ cần chuẩn bị các vật liệu phổ thông dễ tìm như tấm bìa mica trong suốt, dao rọc giấy, thước kẻ, băng dính và điện thoại thông minh cá nhân của học sinh. Toàn bộ quy trình tính toán kích thước hình thang cân và ghép nối thành hình kim tự tháp cụt 4 mặt đều được thực hiện thủ công với chi phí dưới 10.000 đồng cho mỗi sản phẩm.

• Luận văn sử dụng công cụ nào để đo lường chính xác năng lực sáng tạo của học sinh? Tác giả đã xây dựng bảng tiêu chí đánh giá Rubric gồm 7 chỉ báo hành vi dựa trên khung lý thuyết của Lacne, chia làm 4 mức độ từ mức thấp đến mức sáng tạo xuất sắc. Kết hợp với việc chấm điểm bản vẽ kỹ thuật, nhật ký thiết kế và sản phẩm thực tế, giáo viên có thể lượng hóa sự phát triển năng lực sáng tạo của từng học sinh một cách khách quan.

• Thời lượng tổ chức một chủ đề STEM Quang hình học kéo dài bao nhiêu tiết học? Mỗi chủ đề STEM trong luận văn được thiết kế linh hoạt từ 2 đến 3 tiết học trên lớp (khoảng 90 đến 135 phút) kết hợp với 1 tuần tự học và gia công sản phẩm tại nhà. Cấu trúc này bảo đảm học sinh vừa lĩnh hội đầy đủ chuẩn kiến thức trong chương trình chính khóa, vừa có đủ thời gian thử nghiệm, sửa chữa và hoàn thiện mô hình.

• Giáo dục STEM trong nghiên cứu này có làm ảnh hưởng đến kết quả thi tốt nghiệp THPT của học sinh không? Nghiên cứu khẳng định dạy học STEM không làm giảm thời gian ôn luyện mà ngược lại còn giúp học sinh hiểu sâu bản chất hiện tượng vật lí. Dữ liệu thực nghiệm chứng minh điểm số kiểm tra kiến thức của nhóm học STEM đạt trung bình 8,12 điểm, cao hơn 1,77 điểm so với nhóm học truyền thống, giúp học sinh giải quyết các bài toán Quang hình học nhanh và chính xác hơn.

• Các chủ đề trong luận văn có thể áp dụng cho học sinh vùng khó khăn hoặc trường THCS không? Hoàn toàn có thể áp dụng được. Các chủ đề như "Chai nước Mặt trời" sử dụng vật liệu 100% tái chế từ vỏ chai nước khoáng và nước sạch, rất thích hợp với các địa bàn khó khăn. Giáo viên THCS cũng có thể điều chỉnh độ sâu kiến thức về khúc xạ ánh sáng để giảng dạy cho học sinh lớp 9 trong môn Khoa học tự nhiên.

Kết luận

• Đóng góp khoa học then chốt: Luận văn đã hệ thống hóa hoàn chỉnh cơ sở lý luận về giáo dục STEM, đồng thời cụ thể hóa thành công quy trình 5 bước thiết kế bài học STEM cho phân môn Quang hình học - Vật lí 11.
• Giá trị thực tiễn: Thiết kế trọn bộ 3 chủ đề dạy học sáng tạo ("Pyramid Hologram", "Chai nước Mặt trời", "Con mắt đại bàng") kèm theo hệ thống phiếu học tập, tài liệu hướng dẫn và bộ công cụ đánh giá Rubric chuẩn mực.
• Bằng chứng thực nghiệm thuyết phục: Khảo sát 45 giáo viên và thực nghiệm trên 150 học sinh tại Thành phố Hồ Chí Minh đã chứng minh dạy học STEM giúp tăng 1,77 điểm trung bình môn và nâng tỷ lệ học sinh sáng tạo lên 48,6%.
• Kế hoạch triển khai tiếp theo: Trong giai đoạn 2019 - 2021, mô hình này cần được nhân rộng sang các chương kiến thức khác như Từ trường, Cảm ứng điện từ và Mắt - Các dụng cụ quang học.
• Lời kêu gọi hành động: Các cơ sở giáo dục phổ thông và giáo viên bộ môn Vật lí hãy chủ động chuyển đổi phương pháp giảng dạy, đưa các chủ đề STEM gắn liền với đời sống vào lớp học để khơi dậy niềm đam mê khoa học và phát triển toàn diện năng lực sáng tạo cho thế hệ trẻ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ GIÁO DỤC STEM TRONG TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG 1. Lí thuyết về giáo dục STEM trong trường THPT 1. Thuật ngữ STEM STEM là thuật ngữ lấy chữ cái đầu tiên trong tiếng Anh các từ Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kỹ thuật) và Mathematics (Toán học), thường được sử dụng khi nói về các chính sách phát triển về Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học của mỗi quốc gia.

Science (Khoa học): gồm các kiến thức về Vật lí, Hóa học, Sinh học và Khoa học Trái đất nhằm giúp HS hiểu về thế giới tự nhiên và vận dụng kiến thức đó để giải quyết các vấn đề Khoa học trong cuộc sống hằng ngày. Technology (Công nghệ): phát triển khả năng sử dụng, quản lí, hiểu và đánh giá công nghệ của HS, tạo cơ hội để HS hiểu về công nghệ được phát triển như thế nào, ảnh hưởng của công nghệ mới tới cuộc sống. Engineering (Kỹ thuật): phát triển sự hiểu biết ở HS về cách công nghệ đang phát triển thông qua quá trình thiết kế kỹ thuật, tạo cơ hội để tích hợp kiến thức của nhiều môn học, giúp cho những khái niệm liên quan trở nên dễ hiểu. Kỹ thuật cũng cung cấp cho HS những kỹ năng để vận dụng sáng tạo cơ sở Khoa học và Toán học trong quá trình thiết kế các đối tượng, các hệ thống hay xây dựng các quy trình sản xuất.

Mathematics (Toán): là môn học nhằm phát triển ở HS khả năng phân tích, biện luận và truyền đạt ý tưởng một cách hiệu quả thông qua việc tính toán, giải thích, các giải pháp giải quyết các vấn đề Toán học trong các tình huống đặt ra. Theo Bộ Giáo dục và Đào tạo, (2019), sự phát triển về Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học được mô tả bởi chu trình STEM. 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 vấn đề; Mathematics là công cụ được sử dụng để thu nhận kết quả và chia sẻ kết quả đó với người khác. Chu trình STEM (theo https://www.com) “Science” trong chu trình STEM được mô tả bởi một mũi tên từ “Technology” sang “Knowledge” thể hiện quy trình sáng tạo khoa học.

Đứng trước thực tiễn với "Công nghệ" hiện tại, các nhà khoa học, với năng lực tư 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. Ngược lại, “Engineering” trong chu trình STEM được mô tả bởi một mũi tên từ “Knowledge” sang “Technology” thể hiện quy trình kỹ thuật. Các kĩ sư sử dụng "Kiến thức" khoa học để thiết kế, sáng tạo ra công nghệ mới.

Như vậy, trong chu trình STEM, "Science" được hiểu không chỉ là "Kiến thức" thuộc các môn khoa học (như Vật lí, Hoá học, Sinh học) mà bao hàm "Quy trình khoa học" để phát minh ra kiến thức khoa học mới. Tương tự như vậy, "Engineering" trong chu trình STEM không chỉ là "Kiến thức" thuộc lĩnh vực "Kỹ thuật" mà bao hàm "Quy trình kỹ 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 – kỹ thuật theo mô hình "xoáy ốc" mà cứ sau mỗi chu trình thì lượng kiến thức khoa học tăng lên và cùng với nó là công nghệ phát triển ở trình độ cao hơn. Theo (Nguyễn Thanh Nga (Chủ biên), Phùng Việt Hải, Nguyễn Quang Linh, Hoàng Phước Muội, 2017), thuật ngữ STEM được dùng trong hai ngữ cảnh khác nhau đó là ngữ cảnh giáo dục và ngữ cảnh nghề nghiệp.

7  Đối với ngữ cảnh giáo dục, STEM nhấn mạnh đến sự quan tâm của nền giáo dục đối với các môn Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật, Toán học. Quan tâm đến việc tích hợp các môn học trên gắn với thực tiễn để nâng cao năng lực cho người học. Giáo dục STEM có thể được hiểu và diễn giải ở nhiều cấp độ như: chính sách STEM, chương trình STEM, nhà trường STEM, môn học STEM, bài học STEM, hoạt động STEM.  Đối với ngữ cảnh nghề nghiệp, STEM được hiểu là nghề nghiệp thuộc các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật, Toán học.

Tùy từng ngữ cảnh khác nhau mà STEM được hiểu như là các môn học hay các lĩnh vực. Trong phạm vi đề tài, chúng tôi quan tâm đến ngữ cảnh giáo dục của thuật ngữ STEM. Giáo dục STEM Theo (Nguyễn Thanh Nga và các cộng sự, 2017), có ba cách hiểu chính về giáo dục STEM như sau: - Quan tâm đến các môn Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học. Đây cũng là quan niệm về giáo dục STEM của Bộ giáo dục Mĩ, giáo dục STEM là một chương trình nhằm cung cấp hỗ trợ, tăng cường, giáo dục Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học ở tiểu học và trung học cho đến các bậc sau đại học.

Đây là nghĩa rộng khi nói về giáo dục STEM. - Tích hợp của bốn lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học. Kiến thức hàn lâm được kết hợp chặt chẽ với các bài học thực tế thông qua việc HS được áp dụng những kiến thức Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học vào trong những bối cảnh cụ thể nhằm tạo nên một kết nối giữa nhà trường, cộng đồng và các doanh nghiệp. - Tích hợp từ hai lĩnh vực về Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học trở lên.

Giáo dục STEM là phương pháp tiếp cận, khám phá trong giảng dạy và học tập giữa hai hay nhiều hơn các môn học STEM, hoặc giữa một chủ đề STEM và một hoặc nhiều môn học khác trong nhà trường. Theo (Bộ Giáo dục và Đào tạo, 2019), giáo dục STEM ở nước ta lấy chu trình 8 STEM (đã nêu ở mục 1.1) để xây dựng bài học. Trong phạm vị luận văn, giáo dục STEM hiểu là: Trong quá trình dạy học, GV trang bị cho HS 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 và kỹ năng này (gọi là kỹ năng STEM) phải được tích hợp nhằm bổ trợ cho nhau giúp HS không chỉ hiểu biết về nguyên lí mà còn có thể áp dụng để thực hành và tạo ra được những sản phẩm trong cuộc sống hàng ngày.

Mục tiêu giáo dục STEM Giáo dục STEM đã xuất hiện ở nhiều quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên với những bối cảnh khác nhau thì những mục tiêu cho giáo dục STEM ở các quốc gia đó cũng khác nhau. Trong (Nguyễn Thanh Nga và các cộng sự, 2017) đã chỉ ra STEM có ba mục tiêu: phát triển năng lực đặc thù STEM, phát triển năng lực cốt lõi và định hướng nghề nghiệp. - Phát triển các năng lực đặc thù của các môn học thuộc về STEM cho HS: Đó là những kiến thức, kĩ năng liên quan đến các môn học Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học.

Trong đó HS biết liên kết các kiến thức Khoa học, Toán học để giải quyết các vấn đề thực tiễn. Biết sử dụng, quản lí và truy cập Công nghệ. HS biết về quy trình thiết kế và chế tạo ra các sản phẩm. - Phát triển năng lực cốt lõi cho HS: Giáo dục STEM nhằm chuẩn bị cho HS những cơ hội cũng như thách thức trong nền kinh tế cạnh tranh toàn cầu của thế kỉ XXI.

Bên cạnh những hiểu biết về các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật, Toán học, HS sẽ được phát triển tư duy phê phán, khả năng hợp tác để thành công… - Định hướng nghề nghiệp cho HS: Giáo dục STEM sẽ tạo cho HS có những kiến thức, kĩ năng mang tính nền tảng cho việc học tập ở các bậc học cao hơn cũng như cho nghề nghiệp trong tương lai của HS. Từ đó, góp phần xây dựng lực lượng lao động có năng lực, phẩm chất tốt đặc biệt là lao động trong lĩnh vực STEM nhằm đáp ứng mục tiêu xây dựng và phát triển đất nước. Chủ đề STEM Chủ đề dạy học STEM trong trường trung học (gọi tắt là chủ đề STEM) là chủ 9 đề dạy học được thiết kế dựa trên vấn đề thực tiễn kết hợp với chuẩn kiến thức, kỹ năng của các môn Khoa học trong chương trình phổ thông. Theo (Bộ Giáo dục và Đào tạo, 2019), nội dung của chủ đề STEM phải sát chu trình STEM.

Nội dung bài học phải đặt HS trước những vấn đề thực tiễn (“Công nghệ” hiện tại) cần giải quyết, cần cải thiện, đòi hỏi HS phải đóng vai trò “những nhà khoa học” tìm tòi, nghiên cứu, chiếm lĩnh “kiến thức” mới; sau đó HS đóng vai người “kỹ sư” vận dụng sáng tạo “kiến thức” mới đó để thiết kế và đưa ra giải pháp giải quyết vấn đề (“Công nghệ” mới). Như vậy, trong quá trình dạy học, GV cần tổ chức cho HS làm việc nhóm, sử dụng Công nghệ truyền thống và hiện đại, công cụ Toán học để tạo ra sản phẩm có tính ứng dụng thực tế, phát triển kỹ năng và tư duy của HS. Chủ đề STEM cần đảm bảo các tiêu chí: giải quyết các vấn đề thực tiễn, kiến thức trong chủ đề thuộc lĩnh vực STEM, định hướng hoạt động – thực hành, làm việc nhóm (theo Nguyễn Thanh Nga và các cộng sự, 2017). Cụ thể: Kiến thức thuộc lĩnh vực STEM Làm việc nhóm Tiêu chí chủ đề Giải quyết vấn STEM đề thực tiễn Định hướng hoạt động - thực hành Sơ đồ 1.

Tiêu chí của chủ đề STEM  Chủ đề STEM hướng tới giải quyết các vấn đề trong thực tiễn Vận dụng kiến thức STEM để giải quyết các vấn đề thực tiễn chính là mục tiêu 10 của dạy học theo quan điểm giáo dục STEM. Do vậy, chủ đề giáo dục STEM không phải là để giải quyết các vấn đề mang tính tưởng tượng xa rời thực tế mà nó luôn hướng đến giải quyết các vấn đề các tình huống trong xã hội, kinh tế, môi trường trong cộng đồng địa phương của họ cũng như toàn cầu.  Chủ đề STEM phải hướng tới việc HS vận dụng các kiến thức trong lĩnh vực STEM để giải quyết vấn đề. Tiêu chí này nhằm đảm bảo theo đúng tinh thần giáo dục STEM, qua đó mới phát triển được những năng lực chuyên môn liên quan Khoa học, Kỹ thuật, Công nghệ, Toán học.

 Chủ đề STEM định hướng hoạt động – thực hành Định hướng hoạt động – thực hành là một tiêu chí của quan điểm giáo dục STEM nhằm hình thành và phát triển năng lực kết hợp lí thuyết và thực hành cho HS.