Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 và sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ, việc nâng cao chất lượng giáo dục phổ thông, đặc biệt là phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh, trở thành yêu cầu cấp thiết. Theo báo cáo của ngành giáo dục, việc áp dụng giáo dục STEM (Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học) đã được nhiều quốc gia phát triển triển khai nhằm trang bị cho học sinh những kỹ năng cần thiết để thích ứng với nền kinh tế tri thức. Tại Việt Nam, Bộ Giáo dục và Đào tạo cũng đã định hướng đổi mới giáo dục theo hướng phát triển năng lực người học, trong đó giáo dục STEM được xem là giải pháp trọng tâm.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổ chức hoạt động giáo dục STEM trong dạy học phần “Từ trường. Cảm ứng điện từ” thuộc môn Vật lí lớp 11 tại trường Phổ thông Dân tộc Nội trú Pi Năng Tắc, tỉnh Ninh Thuận, nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 02/2022 đến tháng 05/2023, với đối tượng là học sinh lớp 11A2 và giáo viên bộ môn Vật lí tại trường. Mục tiêu cụ thể là thiết kế và tổ chức các chủ đề dạy học STEM phù hợp với nội dung chương trình, đồng thời đánh giá hiệu quả bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề của học sinh thông qua các hoạt động thực nghiệm sư phạm.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện ở việc góp phần nâng cao chất lượng dạy học Vật lí THPT, phát triển năng lực giải quyết vấn đề – một năng lực cốt lõi trong chương trình giáo dục phổ thông mới, đồng thời tạo cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc áp dụng giáo dục STEM trong các môn khoa học tự nhiên tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cũng mở ra hướng phát triển tiếp theo với việc nhân rộng và hoàn thiện tiến trình dạy học STEM trên diện rộng hơn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết về năng lực giải quyết vấn đề (NLGQVĐ) và cơ sở giáo dục STEM.

  1. Năng lực giải quyết vấn đề (NLGQVĐ):
    NLGQVĐ được hiểu là khả năng của cá nhân trong việc nhận biết, phân tích và xử lý các tình huống có vấn đề mà không có giải pháp sẵn có. Theo OECD (2012), năng lực này bao gồm bốn thành tố chính:

    • Tìm hiểu vấn đề: nhận diện và phân tích thông tin liên quan.
    • Đề xuất giải pháp: xây dựng và lựa chọn phương án giải quyết.
    • Thực hiện giải pháp: vận dụng kiến thức và kỹ năng để giải quyết vấn đề.
    • Đánh giá và phản ánh: kiểm tra hiệu quả và rút ra bài học.
      Mỗi thành tố được thể hiện qua các hành vi cụ thể như quan sát, phân tích, lập kế hoạch, thực hành và đánh giá.

  2. Giáo dục STEM:
    STEM là phương pháp giáo dục tích hợp bốn lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học nhằm phát triển năng lực tổng hợp cho học sinh. Giáo dục STEM nhấn mạnh việc học tập qua trải nghiệm, giải quyết các vấn đề thực tiễn, phát triển kỹ năng tư duy phản biện, sáng tạo và hợp tác.
    Ba quy trình tổ chức dạy học STEM được áp dụng phổ biến:

    • Quy trình 5E (Engagement, Exploration, Explanation, Elaboration, Evaluation) giúp học sinh xây dựng kiến thức qua trải nghiệm.
    • Quy trình nghiên cứu khoa học, trong đó học sinh học theo cách của nhà khoa học qua thu thập dữ liệu, xây dựng và kiểm chứng giả thuyết.
    • Quy trình thiết kế kỹ thuật, tập trung vào vòng lặp thiết kế để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tiễn.
      Các chủ đề STEM được thiết kế dựa trên các vấn đề thực tiễn, tích hợp kiến thức liên môn, định hướng thực hành và làm việc nhóm.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu sau:

  • Phương pháp nghiên cứu lý luận:
    Tổng hợp, phân tích các tài liệu, nghiên cứu trước về giáo dục STEM, năng lực giải quyết vấn đề và phương pháp dạy học tích cực.

  • Phương pháp điều tra thực tiễn:
    Khảo sát ý kiến của 35 giáo viên và 158 học sinh tại các trường phổ thông ở Ninh Thuận về thực trạng dạy học STEM, phương pháp tổ chức và khó khăn gặp phải. Phương pháp này sử dụng phiếu điều tra trực tuyến (Google Form), quan sát và phân tích kết quả học tập.

  • Phương pháp thực nghiệm sư phạm:
    Thực hiện thử nghiệm dạy học STEM với hai chủ đề: “Mô hình hệ thống cầu trục sử dụng nam châm điện chế tạo từ vật liệu phế thải” và “Máy phát điện mini sử dụng tay quay đơn giản” tại lớp 11A2 trường PT DTNT Pi Năng Tắc. Cỡ mẫu gồm toàn bộ học sinh lớp 11A2 (khoảng 30 học sinh). Các bước thực nghiệm gồm thiết kế bài học, tổ chức dạy học, thu thập dữ liệu đánh giá năng lực giải quyết vấn đề qua các tiêu chí đã xây dựng.

  • Phương pháp thống kê toán học:
    Xử lý số liệu thu thập được từ khảo sát và thực nghiệm bằng các công cụ thống kê mô tả, phân tích định lượng để đánh giá mức độ phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trước và sau thực nghiệm.

  • Timeline nghiên cứu:
    Nghiên cứu được tiến hành từ tháng 02/2022 đến tháng 05/2023, trong đó giai đoạn thiết kế và xây dựng chủ đề STEM diễn ra trong 6 tháng đầu, thực nghiệm sư phạm và thu thập dữ liệu trong 6 tháng tiếp theo, cuối cùng là phân tích và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiểu biết và thực trạng dạy học STEM của giáo viên:

    • 52% giáo viên khảo sát có hiểu biết khá hoặc sâu về STEM, trong khi 48% đã vận dụng dạy STEM nhưng chưa thực sự hiểu rõ.
    • 70% giáo viên chọn phương pháp dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề, 90% chọn dạy học theo dự án là phù hợp với giáo dục STEM.
    • 96% giáo viên cho rằng cơ sở vật chất, thiết bị dạy học chưa đáp ứng được yêu cầu dạy học STEM.

  2. Thực trạng tổ chức dạy học STEM tại các trường phổ thông ở Ninh Thuận:

    • 58% giáo viên đã vận dụng STEM vào bài dạy một số môn học, 34% tổ chức chuyên đề, ngoại khóa theo khối, lớp.
    • Các hình thức dạy học phổ biến gồm thí nghiệm thực hành (60%), đàm thoại + quan sát (54%), thí nghiệm mô phỏng (78%).
    • Nội dung chương trình hiện hành khó thực hiện chủ đề STEM được 90% giáo viên phản ánh.

  3. Hiệu quả thực nghiệm sư phạm:

    • Qua hai chủ đề STEM được thiết kế và thực nghiệm, học sinh lớp 11A2 đã phát huy năng lực giải quyết vấn đề với mức độ biểu hiện tăng trung bình 25% so với trước thực nghiệm.
    • Các thành tố năng lực như tìm hiểu vấn đề, đề xuất giải pháp, thực hiện và đánh giá giải pháp đều có sự cải thiện rõ rệt, trong đó năng lực đề xuất giải pháp tăng 30%, năng lực thực hiện giải pháp tăng 28%.
    • Học sinh thể hiện sự tích cực, chủ động trong các hoạt động nhóm, khả năng vận dụng kiến thức liên môn và kỹ năng thực hành được nâng cao.

Thảo luận kết quả

Kết quả khảo sát và thực nghiệm cho thấy giáo dục STEM có tác động tích cực đến việc phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh. Việc tổ chức các chủ đề STEM gắn với thực tiễn, sử dụng các phương pháp dạy học tích cực như dự án, thí nghiệm mô phỏng đã giúp học sinh hiểu sâu kiến thức, đồng thời phát triển kỹ năng tư duy phản biện và sáng tạo. Tuy nhiên, khó khăn về cơ sở vật chất và thiết bị dạy học vẫn là rào cản lớn, ảnh hưởng đến hiệu quả triển khai STEM tại các trường phổ thông ở Ninh Thuận.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này phù hợp với xu hướng chung về lợi ích của giáo dục STEM trong phát triển năng lực học sinh. Việc áp dụng quy trình 5E kết hợp với vòng lặp thiết kế kỹ thuật đã tạo điều kiện cho học sinh trải nghiệm thực tế và phát triển toàn diện các kỹ năng cần thiết. Các biểu đồ thể hiện sự tăng trưởng năng lực qua từng giai đoạn học tập sẽ minh họa rõ nét hiệu quả của phương pháp.

Nghiên cứu cũng khẳng định vai trò quan trọng của giáo viên trong việc thiết kế bài học STEM phù hợp, hướng dẫn và hỗ trợ học sinh vận dụng tư duy tích hợp để giải quyết các thách thức thực tiễn. Đây là cơ sở để đề xuất các giải pháp nâng cao năng lực giáo viên và cải thiện điều kiện dạy học STEM trong tương lai.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng và nhân rộng các chủ đề dạy học STEM gắn với thực tiễn địa phương:
    Thiết kế thêm các chủ đề STEM phù hợp với đặc điểm vùng miền, sử dụng nguyên vật liệu sẵn có để tăng tính thực tiễn và hấp dẫn cho học sinh. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể: Sở Giáo dục, các trường THPT.

  2. Tăng cường đào tạo, bồi dưỡng năng lực giáo viên về giáo dục STEM và phương pháp dạy học tích cực:
    Tổ chức các khóa tập huấn chuyên sâu về thiết kế bài học STEM, kỹ thuật hướng dẫn học sinh phát triển năng lực giải quyết vấn đề. Thời gian: hàng năm. Chủ thể: Trung tâm bồi dưỡng giáo viên, trường đại học sư phạm.

  3. Đầu tư cơ sở vật chất, trang thiết bị dạy học STEM hiện đại:
    Trang bị phòng STEM, thiết bị thí nghiệm, công nghệ hỗ trợ như máy in 3D, phần mềm mô phỏng để tạo môi trường học tập đa dạng, sinh động. Thời gian: 3 năm. Chủ thể: Nhà trường, Sở Giáo dục, các nguồn xã hội hóa.

  4. Xây dựng bộ công cụ đánh giá năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục STEM:
    Phát triển các tiêu chí, rubric đánh giá phù hợp với từng chủ đề STEM, đảm bảo đánh giá toàn diện kiến thức, kỹ năng và thái độ của học sinh. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: Bộ môn Vật lí, các chuyên gia giáo dục.

  5. Khuyến khích tổ chức các hoạt động trải nghiệm, câu lạc bộ STEM và hội thi khoa học kỹ thuật:
    Tạo sân chơi để học sinh vận dụng kiến thức STEM, phát triển năng lực giải quyết vấn đề và kỹ năng mềm. Thời gian: liên tục. Chủ thể: Nhà trường, các tổ chức giáo dục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Giáo viên bộ môn Vật lí và các môn khoa học tự nhiên:
    Có thể áp dụng các chủ đề và tiến trình dạy học STEM được thiết kế để nâng cao hiệu quả giảng dạy và phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh.

  2. Nhà quản lý giáo dục và cán bộ chuyên môn:
    Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, kế hoạch đào tạo giáo viên và đầu tư cơ sở vật chất phù hợp với định hướng đổi mới giáo dục phổ thông.

  3. Sinh viên, nghiên cứu sinh ngành Sư phạm Vật lí và Giáo dục STEM:
    Tham khảo phương pháp nghiên cứu, khung lý thuyết và kết quả thực nghiệm để phát triển đề tài nghiên cứu hoặc ứng dụng trong giảng dạy.

  4. Các tổ chức, doanh nghiệp liên quan đến giáo dục STEM:
    Có thể phối hợp với nhà trường trong việc cung cấp thiết bị, tài liệu, tổ chức các hoạt động trải nghiệm STEM nhằm nâng cao chất lượng giáo dục.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giáo dục STEM là gì và tại sao lại quan trọng trong dạy học Vật lí?
    Giáo dục STEM là phương pháp tích hợp Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học nhằm phát triển năng lực tổng hợp cho học sinh. Trong dạy học Vật lí, STEM giúp học sinh hiểu sâu kiến thức, vận dụng vào thực tiễn và phát triển kỹ năng giải quyết vấn đề, sáng tạo.

  2. Năng lực giải quyết vấn đề được hiểu như thế nào trong giáo dục STEM?
    Đây là khả năng nhận diện, phân tích và xử lý các tình huống phức tạp mà không có giải pháp sẵn có, bao gồm các bước tìm hiểu, đề xuất, thực hiện và đánh giá giải pháp. Năng lực này giúp học sinh chủ động và sáng tạo trong học tập và cuộc sống.

  3. Làm thế nào để thiết kế một chủ đề dạy học STEM hiệu quả?
    Chủ đề STEM cần xuất phát từ vấn đề thực tiễn, tích hợp kiến thức liên môn, định hướng thực hành và khuyến khích làm việc nhóm. Giáo viên cần xây dựng bộ câu hỏi định hướng, tiêu chí đánh giá rõ ràng và tạo môi trường học tập đa dạng.

  4. Khó khăn lớn nhất khi triển khai giáo dục STEM tại các trường phổ thông là gì?
    Theo khảo sát, khó khăn chủ yếu là thiếu cơ sở vật chất, thiết bị dạy học hiện đại và giáo viên chưa được đào tạo bài bản về phương pháp dạy học STEM, dẫn đến hiệu quả chưa cao.

  5. Làm thế nào để đánh giá năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trong dạy học STEM?
    Đánh giá dựa trên các tiêu chí về kiến thức, kỹ năng và thái độ trong quá trình giải quyết vấn đề, sử dụng rubric đánh giá chi tiết cho từng thành tố năng lực. Đánh giá kết hợp quan sát, sản phẩm học tập và phản hồi của học sinh.

Kết luận

  • Đã thiết kế và tổ chức thành công hai chủ đề dạy học STEM trong phần “Từ trường. Cảm ứng điện từ” – Vật lí 11, góp phần bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh.
  • Thực nghiệm sư phạm cho thấy năng lực giải quyết vấn đề của học sinh được cải thiện rõ rệt, đặc biệt trong các thành tố đề xuất và thực hiện giải pháp.
  • Giáo viên và học sinh tại trường PT DTNT Pi Năng Tắc đã có sự chuyển biến tích cực trong nhận thức và phương pháp dạy học theo hướng STEM.
  • Cơ sở vật chất và thiết bị dạy học hiện còn hạn chế, cần được đầu tư nâng cấp để phát huy hiệu quả giáo dục STEM.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu trên diện rộng hơn, đồng thời tăng cường đào tạo giáo viên và xây dựng bộ công cụ đánh giá năng lực phù hợp.

Hành động tiếp theo: Các nhà quản lý giáo dục và giáo viên nên phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất nhằm nâng cao chất lượng dạy học STEM, đồng thời tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện tiến trình dạy học để đáp ứng yêu cầu đổi mới giáo dục phổ thông.