Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp "Tổ chức dạy học nội dung 'Động năng và thế năng' - Vật lí 10 theo mô hình giáo dục STEM" của tác giả Nguyễn Quốc Bảo (ngành Sư phạm Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2023) được thực hiện trong bối cảnh ngành giáo dục Việt Nam triển khai Chương trình Giáo dục phổ thông 2018 (theo Quyết định số 404/QĐ-TTg năm 2015 và Nghị quyết số 88/2014/QH13). Mục tiêu trọng tâm của chương trình là chuyển từ nền giáo dục truyền thụ kiến thức sang phát triển toàn diện phẩm chất và năng lực cho học sinh. Trong các nhóm năng lực cốt lõi, năng lực sáng tạo giữ vai trò thiết yếu đối với yêu cầu nguồn lao động chất lượng cao thời kỳ công nghiệp 4.0.

Nhằm cụ thể hóa định hướng này, Bộ Giáo dục và Đào tạo đã ban hành Công văn số 3089/BGDĐT-GDTrH năm 2020 về việc triển khai giáo dục STEM trong giáo dục trung học và Công văn số 1496/BGDĐT-GDTrH ngày 19/4/2022 về tổ chức thực hiện chương trình đối với lớp 10 năm học 2022-2023. Song song đó, bối cảnh thực tiễn cho thấy mật độ phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong ngày càng gia tăng, gây ô nhiễm không khí và tiếng ồn nghiêm trọng. Việc nghiên cứu các phương tiện giao thông vận hành bằng nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng cơ học sạch trở thành một vấn đề thực tế cấp thiết. Nội dung "Động năng và thế năng" trong chương trình Vật lí 10 là tiền đề lý thuyết thích hợp để học sinh chế tạo mô hình xe vận hành bằng thế năng trọng trường, từ đó phát triển năng lực sáng tạo.

Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là tổ chức dạy học nội dung "Động năng và thế năng" - Vật lí 10 theo mô hình giáo dục STEM nhằm phát triển năng lực sáng tạo của học sinh trung học phổ thông.

Để hoàn thành mục đích trên, tác giả xác định 07 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Tìm hiểu cơ sở lí luận về dạy học theo mô hình giáo dục STEM.
  2. Tìm hiểu về năng lực sáng tạo của học sinh trung học phổ thông trong dạy học theo mô hình giáo dục STEM.
  3. Tìm hiểu quy trình thiết kế bài học STEM và tiến trình tổ chức dạy học theo hình thức bài học STEM.
  4. Phân tích nội dung kiến thức "Động năng và thế năng" từ yêu cầu cần đạt thuộc Chương trình Giáo dục phổ thông 2018 môn Vật lí.
  5. Thiết kế tiến trình dạy học nội dung "Động năng và thế năng" theo hình thức bài học STEM.
  6. Xây dựng công cụ kiểm tra, đánh giá năng lực sáng tạo của học sinh.
  7. Thực nghiệm sư phạm đề tài và đánh giá kết quả thực nghiệm trong điều kiện thực tiễn.

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và giả thuyết khoa học

  • Đối tượng nghiên cứu: Hoạt động dạy học theo bài học STEM trong trường trung học phổ thông.
  • Phạm vi nghiên cứu: Hoạt động dạy học môn Vật lí theo Chương trình Giáo dục phổ thông 2018 cho học sinh khối 10 tại trường trung học phổ thông trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh (cụ thể thực nghiệm tại lớp 10A7, Trường THPT Mạc Đĩnh Chi).
  • Giả thuyết khoa học: Nếu tổ chức dạy học nội dung "Động năng và thế năng" - Vật lí 10 theo mô hình giáo dục STEM thì sẽ phát triển được năng lực sáng tạo của học sinh trung học phổ thông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình sử dụng

Tác giả tiếp cận khái niệm giáo dục STEM theo Chương trình Giáo dục phổ thông tổng thể 2018: giáo dục STEM là mô hình giáo dục dựa trên cách tiếp cận liên môn, giúp học sinh áp dụng các kiến thức khoa học (Science), công nghệ (Technology), kĩ thuật (Engineering) và toán học (Math) vào giải quyết một số vấn đề thực tiễn trong bối cảnh cụ thể. Theo Công văn 3089/BGDĐT-GDTrH, hình thức triển khai chủ yếu trong nhà trường phổ thông là dạy học các môn khoa học theo bài học STEM.

Về năng lực sáng tạo, tác giả kết hợp quan điểm của Bộ Giáo dục và Đào tạo (2018a), Hoàng Phê (2003) và Nguyễn Thanh Nga (2015), xác định năng lực sáng tạo là khả năng tìm tòi, tạo ra sản phẩm có tính mới, tính giá trị và ý nghĩa xã hội nhằm giải quyết nhiệm vụ học tập hoặc vấn đề thực tiễn. Cấu trúc năng lực sáng tạo trong đề tài được cụ thể hóa thành 05 năng lực thành tố và 12 chỉ số hành vi:

Năng lực thành tố Chỉ số hành vi Mô tả biểu hiện
1. Phát hiện và làm rõ vấn đề nghiên cứu mới 1.1. Mô tả được tình huống có vấn đề Thực hiện quan sát, mô tả đúng và đủ thông tin về quá trình, hiện tượng để làm cơ sở phát hiện vấn đề.
1.2. Phát hiện được vấn đề mới Phân tích thông tin để phát hiện vấn đề tồn tại cần giải quyết.
1.3. Phát biểu được vấn đề Diễn đạt vấn đề cần giải quyết dưới dạng ngôn ngữ, văn bản, hình vẽ, bảng biểu.
2. Đề xuất các câu hỏi nghiên cứu cho vấn đề 2.1. Tổng hợp được thông tin Tìm và xác thực độ tin cậy của các nguồn thông tin về bối cảnh, kiến thức, phương pháp.
2.2. Đề xuất được câu hỏi nghiên cứu Xác định và đề xuất các câu hỏi nghiên cứu trọng tâm nhằm giải quyết vấn đề.
3. Đề xuất và lựa chọn phương án giải quyết vấn đề có ý tưởng mới 3.1. Đề xuất được phương án Đưa ra phương án giải quyết vấn đề khả thi dựa trên các câu hỏi nghiên cứu đã xác định.
3.2. Đánh giá tính khả thi và lựa chọn phương án tối ưu So sánh các phương án trên các tiêu chí (hiệu quả, thời gian, chi phí) để lựa chọn phương án tối ưu.
3.3. Lập bản thiết kế, sơ đồ hoặc bản vẽ Biểu diễn sản phẩm qua bản vẽ thể hiện nguyên lí cấu tạo, hoạt động và tính mới so với cái đã biết.
4. Thực hiện phương án giải quyết vấn đề theo kế hoạch 4.1. Lập kế hoạch và thực hiện theo kế hoạch Xây dựng kế hoạch, huy động nguồn lực và chế tạo thành công mô hình giải quyết vấn đề.
5. Tự đánh giá và xác định ý tưởng cải tiến phương án giải quyết vấn đề 5.1. Đánh giá được quá trình thực hiện kế hoạch Đánh giá toàn bộ quá trình thực hiện, đề xuất điểm cần cải thiện để nâng cao hiệu quả.
5.2. Đánh giá được tính ý nghĩa xã hội của sản phẩm Xem xét kết quả trong bối cảnh mới, phát hiện các thành tố mới và ý nghĩa thực tiễn.
5.3. Đề xuất được các ý tưởng cải tiến Vận dụng kinh nghiệm đề xuất ý tưởng cải tiến giải pháp cho các vấn đề tương tự.

Quy trình thiết kế bài học STEM được xây dựng theo chu trình STEM kết hợp tiến trình khoa học và quy trình thiết kế kĩ thuật (Bộ GD&ĐT, 2019), triển khai qua 04 bước của Công văn 3089 và tổ chức thành 05 hoạt động dạy học theo khung Công văn số 5555/BGDĐT-GDTrH.

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

  1. Phương pháp nghiên cứu lí luận: Phân tích, tổng hợp tài liệu về giáo dục STEM, năng lực sáng tạo của học sinh THPT, chương trình môn Vật lí 2018 và mạch nội dung "Động năng và thế năng".
  2. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Tìm hiểu thực trạng dạy học STEM tại Việt Nam và trên thế giới.
  3. Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Thiết kế bài học STEM "Xe thế năng", tiến hành giảng dạy tại lớp 10A7 Trường THPT Mạc Đĩnh Chi, thu thập dữ liệu bằng phiếu học tập, quan sát quá trình thảo luận, chế tạo và báo cáo sản phẩm.
  4. Nguồn dữ liệu: Văn bản quy phạm pháp luật của Bộ GD&ĐT (Chương trình GDPT 2018, Công văn 3089, Công văn 5555, Công văn 1496); dữ liệu ghi nhận từ các phiếu học tập số 1, 2, 3, rubrics đánh giá năng lực sáng tạo và kết quả thực nghiệm sư phạm của học sinh.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Cơ sở lí luận về dạy học theo mô hình giáo dục STEM và năng lực sáng tạo của học sinh

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về giáo dục STEM, làm rõ vai trò của bài học STEM trong việc phát triển năng lực chung và năng lực đặc thù cho học sinh. Tác giả phân tích nội hàm năng lực sáng tạo theo hướng tiếp cận hành vi, thiết lập khung cấu trúc 05 năng lực thành tố và 12 chỉ số hành vi.

Về biện pháp phát triển năng lực sáng tạo, tác giả vận dụng 03 biện pháp của Nguyễn Thanh Nga (2019), trong đó tập trung vào biện pháp tổ chức cho học sinh vận dụng kiến thức lĩnh vực STEM để giải quyết các vấn đề thực tiễn. Chương này cũng phân tích chu trình STEM khép kín: chiều tiến trình khoa học (Science: từ Technology sang Knowledge) và chiều quy trình thiết kế kĩ thuật (Engineering: từ Knowledge sang Technology). Đồng thời, tác giả xây dựng bảng Rubrics gồm 3 mức độ biểu hiện (Mức 1, Mức 2, Mức 3) cho từng chỉ số hành vi để làm công cụ đo lường mức độ phát triển năng lực sáng tạo của học sinh.

Chương 2. Thiết kế tiến trình dạy học nội dung "Động năng và thế năng" theo hình thức bài học STEM

Chương 2 phân tích các yêu cầu cần đạt của nội dung "Động năng và thế năng" thuộc mạch "Công, năng lượng, công suất" trong Chương trình GDPT 2018 môn Vật lí lớp 10, bao gồm các công thức và định luật trọng tâm:

  • Biểu thức động năng: $W_đ = \frac{1}{2}mv^2$ (trong đó $m$ là khối lượng tính bằng kg, $v$ là tốc độ tính bằng m/s, $W_đ$ tính bằng J).
  • Biểu thức thế năng trọng trường: $W_t = mgz$ (với $g$ là gia tốc trọng trường, $z$ là độ cao so với gốc mốc thế năng).
  • Cơ năng và định luật bảo toàn cơ năng: $W = W_đ + W_t$; khi vật chuyển động chỉ chịu tác dụng của lực bảo toàn thì $W_1 = W_2$.

Dựa trên vấn đề thực tiễn về giảm thiểu ô nhiễm từ phương tiện giao thông, tác giả xây dựng ý tưởng bài học STEM "Xe thế năng" (thời lượng: 3 tiết trên lớp + 1 tuần làm việc tại nhà).

Ma trận tích hợp kiến thức STEM trong bài học "Xe thế năng":

Thành phần STEM Nội dung tích hợp cụ thể
Khoa học (Science) Động năng, thế năng trọng trường, cơ năng, sự chuyển hóa năng lượng, định luật bảo toàn cơ năng.
Công nghệ (Technology) Sử dụng dao rọc giấy, kéo, ốc vít, súng bắn keo trong việc sơ chế nguyên vật liệu tái chế và gia công lắp ráp.
Kĩ thuật (Engineering) Lập bản vẽ kĩ thuật, quy trình lắp ráp, thử nghiệm và hoàn thiện mô hình xe thế năng.
Toán học (Math) Đo khối lượng xe và quả nặng; tính toán chiều cao thả rơi tối thiểu của vật nặng để xe đạt vận tốc mong muốn.

Tác giả xác định 05 tiêu chí cho sản phẩm xe thế năng: (1) Sử dụng vật liệu tái chế, (2) Thể hiện rõ sự chuyển hóa giữa thế năng trọng trường và động năng, (3) Có tính sáng tạo về thẩm mỹ và cấu hình, (4) Lắp ráp có độ ổn định cao, (5) Chi phí thấp.

Tiến trình 05 hoạt động dạy học bài học STEM "Xe thế năng":

  • Hoạt động 1: Xác định vấn đề. Học sinh quan sát video tình huống ô nhiễm môi trường do giao thông, xác định nhiệm vụ chế tạo mô hình xe sử dụng năng lượng cơ học sạch, ghi nhận nhiệm vụ học tập 1.
  • Hoạt động 2: Nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất giải pháp. Học sinh nghiên cứu tài liệu, vẽ sơ đồ tư duy về động năng, thế năng, định luật bảo toàn cơ năng trên giấy A3 trong 10 phút, hoàn thành nhiệm vụ học tập 2.
  • Hoạt động 3: Lựa chọn giải pháp. Học sinh thảo luận nhóm, thiết kế bản vẽ xe thế năng (thể hiện nguyên lí hoạt động, vật liệu, tiêu chí đánh giá), báo cáo bảo vệ bản thiết kế trước lớp theo nhiệm vụ học tập 3.
  • Hoạt động 4: Chế tạo mẫu, thử nghiệm và đánh giá. Học sinh làm việc nhóm tại nhà trong 01 tuần: chuẩn bị vật liệu tái chế, gia công chế tạo, thử nghiệm vận hành, đánh giá và điều chỉnh mô hình.
  • Hoạt động 5: Chia sẻ, thảo luận, điều chỉnh. Từng nhóm báo cáo sản phẩm trong 05 phút (nguyên lí hoạt động, ưu - nhược điểm, thuận lợi - khó khăn, đề xuất cải tiến), trưng bày mô hình và vận hành thử nghiệm.

Chương này cũng hoàn thiện hệ thống công cụ đánh giá gồm: bảng mục tiêu năng lực sáng tạo, bảng phân bố rubrics chi tiết và các phiếu học tập từ số 1 đến số 3.

Chương 3. Thực nghiệm sư phạm

Chương 3 trình bày việc tổ chức dạy thực nghiệm tại lớp 10A7, Trường THPT Mạc Đĩnh Chi, Thành phố Hồ Chí Minh vào tháng 4 năm 2023. Tác giả tiến hành phân tích diễn biến thực nghiệm qua cả hai góc độ định tính và định lượng:

  • Đánh giá định tính: Học sinh tiếp nhận nhiệm vụ tích cực, chủ động tìm kiếm thông tin từ video và tài liệu để phát biểu vấn đề. Trong hoạt động nhóm, học sinh thể hiện khả năng phác thảo bản vẽ kĩ thuật đa dạng, tận dụng nắp chai, que gỗ, bìa carton làm khung xe và ròng rọc dẫn động từ quả nặng. Quá trình báo cáo diễn ra sôi nổi, học sinh tự tin giải thích sự chuyển hóa từ thế năng trọng trường của vật nặng thành động năng của xe, đồng thời chỉ ra các nguyên nhân gây tổn hao năng lượng như ma sát trục bánh xe và đề xuất cách khắc phục.
  • Đánh giá định lượng: Sử dụng thang Rubrics 3 mức độ để lượng hóa các mức độ đạt được của học sinh qua từng chỉ số hành vi và 5 năng lực thành tố của năng lực sáng tạo. Kết quả thống kê điểm số và tỷ lệ phần trăm được tổng hợp qua các bảng thống kê và biểu đồ phân bố, cho thấy mức độ tự lực và tính sáng tạo của học sinh tăng lên rõ rệt qua từng giai đoạn của bài học STEM.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  1. Xây dựng thành công bộ khung cấu trúc năng lực sáng tạo gồm 05 năng lực thành tố, 12 chỉ số hành vi và thang Rubrics 3 mức độ biểu hiện ứng dụng cho dạy học môn Vật lí theo định hướng giáo dục STEM.
  2. Thiết kế hoàn chỉnh kế hoạch dạy học bài học STEM "Xe thế năng" (nội dung "Động năng và thế năng" - Vật lí 10) tích hợp đầy đủ 4 thành tố Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật, Toán học với thời lượng 3 tiết trên lớp và 1 tuần thực hành tại nhà.
  3. Thực nghiệm sư phạm tại lớp 10A7 Trường THPT Mạc Đĩnh Chi đã kiểm chứng tính khả thi của tiến trình dạy học. Học sinh chế tạo thành công mô hình xe thế năng từ vật liệu tái chế, hiểu và vận dụng đúng định luật bảo toàn cơ năng, nâng cao mức độ tự lực trong giải quyết vấn đề thực tiễn.

Đóng góp của đề tài

  • Về mặt lí luận: Đóng góp tài liệu hệ thống hóa quy trình thiết kế bài học STEM kết hợp chu trình STEM và quy trình thiết kế kĩ thuật; cụ thể hóa tiêu chí và công cụ đánh giá năng lực sáng tạo của học sinh THPT trong môn Vật lí.
  • Về mặt thực tiễn: Cung cấp tài liệu tham khảo trực tiếp cho giáo viên THPT về tiến trình dạy học nội dung "Động năng và thế năng" theo Chương trình Giáo dục phổ thông 2018, giúp giáo viên có kế hoạch bài dạy mẫu và công cụ rubrics định lượng để kiểm tra đánh giá năng lực học sinh.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Giáo viên cần chủ động nghiên cứu quy trình thiết kế kĩ thuật, linh hoạt điều phối các hoạt động nhóm và kịp thời định hướng khi học sinh gặp khó khăn trong tính toán cơ học hoặc thao tác gia công.
  • Nhà trường cần hỗ trợ không gian thực hành, tạo điều kiện tổ chức các sân chơi học thuật như cuộc thi "Đua xe thế năng" nhằm khích lệ tinh thần sáng tạo của học sinh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Phạm vi thực nghiệm sư phạm còn hẹp, mới chỉ tiến hành trên 01 lớp học (lớp 10A7) tại 01 trường THPT (Trường THPT Mạc Đĩnh Chi, TP. Hồ Chí Minh) và trong phạm vi 01 bài học STEM cụ thể thuộc chương trình Vật lí 10.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng phạm vi thực nghiệm sư phạm sang nhiều trường THPT với các điều kiện cơ sở vật chất và đối tượng học sinh khác nhau trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh thành khác.
    • Tiếp tục nghiên cứu, thiết kế và triển khai các chủ đề/bài học STEM cho các nội dung khác trong chương trình Vật lí 10, 11 và 12 theo Chương trình Giáo dục phổ thông 2018.

Giá trị tham khảo

Khóa luận có giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng:

  • Giáo viên Vật lí cấp THPT: Có thể sử dụng trực tiếp giáo án bài học STEM "Xe thế năng", hệ thống phiếu học tập (số 1, 2, 3) và bảng tiêu chí rubrics đánh giá năng lực sáng tạo để giảng dạy phần "Công, năng lượng, công suất" lớp 10.
  • Sinh viên ngành Sư phạm Vật lí và Sư phạm Khoa học tự nhiên: Tham khảo phương pháp xây dựng ma trận kiến thức liên môn (S-T-E-M), kỹ thuật thiết kế tiến trình 5 hoạt động theo Công văn 5555 và phương pháp đánh giá định lượng năng lực học sinh.
  • Cán bộ quản lý chuyên môn: Dùng làm tư liệu minh họa cho việc triển khai thực hiện Công văn 3089/BGDĐT-GDTrH về giáo dục STEM trong trường trung học.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận tích hợp 4 yếu tố S-T-E-M trong bài học "Xe thế năng" như thế nào?
Yếu tố Khoa học (S) là kiến thức về động năng, thế năng trọng trường, cơ năng và định luật bảo toàn cơ năng; Công nghệ (T) là việc sử dụng dao rọc giấy, kéo, ốc vít, súng bắn keo; Kĩ thuật (E) là lập bản vẽ thiết kế, thực hiện quy trình lắp ráp và thử nghiệm xe; Toán học (M) là đo khối lượng xe, quả nặng và tính toán chiều cao thả rơi tối thiểu để xe đạt vận tốc xác định.

2. Cấu trúc năng lực sáng tạo của học sinh trong khóa luận gồm những thành tố nào?
Cấu trúc gồm 05 năng lực thành tố: (1) Phát hiện và làm rõ vấn đề nghiên cứu mới, (2) Đề xuất các câu hỏi nghiên cứu cho vấn đề, (3) Đề xuất và lựa chọn phương án giải quyết vấn đề có ý tưởng mới, (4) Thực hiện phương án giải quyết vấn đề theo kế hoạch, (5) Tự đánh giá và xác định ý tưởng cải tiến phương án giải quyết vấn đề. 5 thành tố này được chia nhỏ thành 12 chỉ số hành vi.

3. Tiến trình dạy học bài học STEM "Xe thế năng" được bố trí thời gian như thế nào?
Tiến trình được phân bổ tổng cộng 3 tiết học trên lớp kết hợp 1 tuần làm việc nhóm tại nhà. Trong đó: Hoạt động 1, 2, 3 diễn ra trên lớp (giao nhiệm vụ, học kiến thức nền, bảo vệ bản vẽ thiết kế); Hoạt động 4 thực hiện tại nhà trong 1 tuần (chế tạo, thử nghiệm mẫu xe); Hoạt động 5 diễn ra trên lớp (báo cáo, đánh giá sản phẩm và đề xuất cải tiến).

4. Năm tiêu chí đánh giá sản phẩm mô hình "Xe thế năng" được quy định là gì?
Năm tiêu chí gồm: (1) Sử dụng vật liệu tái chế, (2) Thể hiện rõ sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng trọng trường, (3) Có tính sáng tạo về thẩm mỹ và cấu hình, (4) Lắp ráp mô hình có tính ổn định cao, (5) Có chi phí thấp.

5. Đề tài đã tiến hành thực nghiệm sư phạm ở đâu, trên đối tượng nào?
Đề tài tiến hành thực nghiệm sư phạm tại lớp 10A7, Trường THPT Mạc Đĩnh Chi, Thành phố Hồ Chí Minh trong năm học 2022-2023 (tháng 4 năm 2023).

Kết luận

Khóa luận của tác giả Nguyễn Quốc Bảo đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu thông qua việc thiết kế và thực nghiệm thành công tiến trình dạy học bài học STEM "Xe thế năng" cho nội dung "Động năng và thế năng" - Vật lí 10. Công trình đã xây dựng được khung đánh giá năng lực sáng tạo với 05 thành tố, 12 chỉ số hành vi và bộ Rubrics đo lường tường minh theo định hướng Chương trình Giáo dục phổ thông 2018. Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho việc đổi mới phương pháp dạy học và kiểm tra đánh giá môn Vật lí tại các trường trung học phổ thông.