Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư (CMCN 4.0) với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ số, internet vạn vật, tự động hóa và vật liệu mới, giáo dục đòi hỏi phải đổi mới toàn diện nhằm trang bị cho người học tư duy sáng tạo, kỹ năng giải quyết vấn đề và năng lực thích ứng. Tại Việt Nam, định hướng đổi mới phương pháp dạy học được cụ thể hóa qua Chỉ thị số 666/CT-BGDĐT ngày 24/08/2020 của Bộ Giáo dục và Đào tạo về nhiệm vụ năm học 2020-2021 (nhấn mạnh đẩy mạnh giáo dục STEM trong giáo dục phổ thông) và Công văn số 3089/BGDĐT-GDTrH về việc triển khai giáo dục STEM trong giáo dục trung học. Tại tỉnh An Giang, các trường trung học cơ sở đang từng bước triển khai chỉ tiêu mỗi tổ chuyên môn thực hiện tối thiểu một chủ đề STEM mỗi năm.

Về mặt thực tiễn môn học, chương "Điện học" trong chương trình Vật lý lớp 9 giữ vị trí quan trọng, cung cấp kiến thức nền tảng về dòng điện, định luật Ôm, công suất, điện năng và các nguyên tắc an toàn, tiết kiệm điện. Tuy nhiên, việc giảng dạy truyền thống còn nặng tính lý thuyết, thiếu tiết thực hành gắn kết với ứng dụng thực tế đời sống. Xuất phát từ thực trạng đó, đề tài "Ứng dụng mô hình giáo dục STEM trong dạy học chương 'Điện học' Vật lý 9" được thực hiện.

Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận gồm:

  1. Xây dựng cơ sở lý luận về giáo dục STEM tại các trường trung học và thiết kế quy trình dạy học môn Vật lý theo định hướng này.
  2. Áp dụng thực tế mô hình giáo dục STEM vào dạy học chương Điện học (Vật lý 9) nhằm phát huy năng lực sáng tạo, tư duy kỹ thuật và năng lực làm việc nhóm của học sinh.

Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định qua 5 nội dung:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý luận dạy học theo định hướng giáo dục STEM.
  2. Nghiên cứu nội dung kiến thức chương Điện học trong chương trình Vật lý lớp 9.
  3. Nghiên cứu quy trình dạy học môn Vật lý theo định hướng giáo dục STEM.
  4. Xây dựng một chủ đề giáo dục STEM trong chương Điện học, Vật lý lớp 9.
  5. Thực nghiệm sư phạm tại trường Trung học cơ sở Tây Phú nhằm kiểm nghiệm và đánh giá giả thuyết khoa học.
  • Đối tượng nghiên cứu: Cơ sở lý luận về giáo dục STEM áp dụng trong dạy học chương Điện học, Vật lý lớp 9.
  • Khách thể nghiên cứu: Hoạt động học tập của học sinh lớp 9 trong chương Điện học theo định hướng giáo dục STEM.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nội dung kiến thức chương Điện học trong chương trình Vật lý lớp 9; địa bàn thực nghiệm tại trường THCS Tây Phú, huyện Thoại Sơn, tỉnh An Giang trong năm học 2020–2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên khung lý luận tổng quan về giáo dục STEM (Science - Technology - Engineering - Mathematics), tiếp cận theo quan điểm của Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (NSF), các chỉ đạo chuyên môn của Bộ Giáo dục và Đào tạo Việt Nam (Chỉ thị 16/CT-TTg năm 2017, Chỉ thị 666/CT-BGDĐT năm 2020, Công văn 3089/BGDĐT-GDTrH), cùng các công trình nghiên cứu lý luận dạy học STEM của Nguyễn Thanh Nga (2018), Nguyễn Văn Biên và Tưởng Duy Hải (2021).

Khung lý thuyết phân tích rõ bốn thành tố tích hợp:

  • Khoa học (S): Hệ thống khái niệm, nguyên lý, định luật vật lý (định luật Ôm, định luật Jun – Len-xơ, quy tắc an toàn và tiết kiệm điện).
  • Công nghệ (T): Nhận biết, lựa chọn, sử dụng vật liệu (giấy bìa, tăm tre, que kem, bông gòn) và công cụ kỹ thuật số, công cụ đo lường (ampe kế, vôn kế).
  • Kỹ thuật (E): Quy trình thiết kế kỹ thuật, lập bản vẽ thiết kế sơ đồ mạch điện, gia công lắp ráp mô hình thực tế.
  • Toán học (M): Tính toán thông số điện học (cường độ dòng điện, hiệu điện thế, điện trở, công suất), đo đạc kích thước và tỷ lệ hình học khi dựng mô hình.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả triển khai bao gồm:

  1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết (đọc sách và tìm tài liệu): Thu thập, tổng hợp, phân tích các tài liệu chuyên môn, chương trình sách giáo khoa Vật lý THCS và các văn bản chỉ đạo để xây dựng cơ sở lý luận và quy trình thiết kế chủ đề STEM.
  2. Phương pháp đàm thoại, trao đổi chuyên môn: Phối hợp với giáo viên giảng dạy Vật lý tại trường THCS để thống nhất mục tiêu, nội dung bài giảng, cách thức tổ chức và tiêu chí đánh giá học sinh.
  3. Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Tổ chức dạy học trực tiếp chủ đề STEM "Ngôi nhà mơ ước" trên nhóm học sinh thực nghiệm (lớp 9A3, $n=35$) và so sánh với lớp đối chứng (lớp 9A1, $n=34$) tại trường THCS Tây Phú.
  4. Phương pháp phân tích, xử lý dữ liệu: Đánh giá định tính qua quan sát hành vi, hoạt động nhóm, sản phẩm mô hình; đánh giá định lượng thông qua khảo sát bằng bảng hỏi 8 tiêu chí về hứng thú học tập và bảng tiêu chí đánh giá tính sáng tạo, tư duy kỹ thuật của học sinh.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu xác lập tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh thực hiện đổi mới giáo dục phổ thông và cuộc CMCN 4.0. Tác giả tổng quan lịch sử vấn đề nghiên cứu từ các chương trình quốc tế (chương trình iSTEM tại Sydney - Úc năm 2009, các dự án ITEST của NSF, chương trình giáo dục STEM của NASA năm 2006) đến các đề tài trong nước (chuyên đề thiết kế nhà nổi chống lũ của Nguyễn Minh Thư năm 2020; dạy học STEM dòng điện xoay chiều của Đỗ Thị Thanh Hải năm 2018; phát triển phẩm chất, năng lực học sinh lớp 9 tại Lâm Đồng của Hà Văn Đồng năm 2020). Chương 1 xác định rõ mục đích, khách thể, đối tượng, 5 nhiệm vụ nghiên cứu, phương pháp thực hiện và cấu trúc toàn bộ khóa luận, cùng bảng phân công tiến độ nghiên cứu từ tháng 01/2021 đến tháng 05/2021.

Chương 2: Cơ sở lí luận của mô hình giáo dục STEM

Chương 2 phân tích hệ thống lý luận về giáo dục STEM trong trường trung học:

  • Lịch sử và bản chất: Khái niệm xuất phát từ NSF dưới sự chủ trì của Rita Colwell; phân tích hai lý do thúc đẩy STEM tại Mỹ (nguồn nhân lực khoa học kỹ thuật và nhu cầu thị trường lao động) cùng tiến trình đưa STEM vào giáo dục Việt Nam từ năm 2012 đến nay.
  • Tiêu chí và phân loại chủ đề STEM: Làm rõ 4 tiêu chí cốt lõi (giải quyết vấn đề thực tiễn, chứa kiến thức STEM, định hướng hoạt động - thực hành, làm việc nhóm). Phân loại theo cấu trúc (đầy đủ/khuyết), theo phạm vi kiến thức (cơ bản/mở rộng) và theo mục đích (tiếp thu kiến thức mới/vận dụng).
  • Quy trình thiết kế: Mô hình 5 bước thiết kế chủ đề (Vấn đề thực tiễn $\rightarrow$ Ý tưởng chủ đề $\rightarrow$ Xác định kiến thức STEM $\rightarrow$ Xác định mục tiêu $\rightarrow$ Xây dựng câu hỏi định hướng) và 2 sơ đồ nghiên cứu (phương pháp nghiên cứu khoa học và phương pháp thiết kế kỹ thuật).
  • Phát triển năng lực học sinh: Phân tích khái niệm, 6 biểu hiện cụ thể và 3 biện pháp rèn luyện năng lực sáng tạo; định nghĩa tư duy kỹ thuật (tính chất lý thuyết - thực hành, mối liên hệ khái niệm - hình tượng), 3 nhóm biểu hiện và các biện pháp sư phạm bồi dưỡng tư duy kỹ thuật cho học sinh THCS.

Chương 3: Xây dựng chủ đề giáo dục STEM trong dạy học chương “Điện học” Vật lý 9

Tác giả phân tích cấu trúc 24 tiết của chương Điện học (13 tiết lý thuyết, 8 tiết bài tập, 2 tiết thực hành, 1 tiết kiểm tra) và hệ thống hóa chuẩn kiến thức, kỹ năng theo từng bài học qua bảng danh mục chi tiết. Trên cơ sở đó, chủ đề giáo dục STEM "Ngôi nhà mơ ước" được thiết kế:

  • Vấn đề thực tiễn và bộ câu hỏi định hướng: Xuất phát từ nhu cầu thiết kế không gian sống an toàn, tiết kiệm điện; xây dựng bộ câu hỏi định hướng về nguồn điện, nguyên tắc mắc mạch điện gia đình, sơ đồ thiết kế và giải pháp an toàn điện.
  • Mục tiêu giáo dục: Xác định rõ chuẩn kiến thức, kỹ năng, thái độ và mục tiêu tích hợp 4 thành tố S-T-E-M.
  • Tiến trình tổ chức: Thiết kế thời lượng 4 giờ (2 buổi, mỗi buổi 120 phút), chia lớp thành 7 nhóm (4–5 học sinh/nhóm):
    • Hoạt động 1 (75 phút): Tìm hiểu các khái niệm chương Điện học qua 3 nhiệm vụ trên phiếu học tập (Nhiệm vụ 1: Nguồn điện - 10 phút; Nhiệm vụ 2: Mạch điện, sơ đồ mạch điện, thực hành mắc nối tiếp/song song, đo $U, I$, vai trò khóa K - 50 phút; Nhiệm vụ 3: An toàn và tiết kiệm điện - 15 phút).
    • Hoạt động 2 (165 phút): Thiết kế và hoàn thiện mô hình (Nhiệm vụ 1: Lập ý tưởng, vẽ bản thiết kế kiến trúc và sơ đồ mạch điện trên giấy A3 - 45 phút ở buổi 1; Nhiệm vụ 2: Thi công mô hình, lắp đặt hệ thống điện, thử nghiệm và thuyết trình sản phẩm - 120 phút ở buổi 2).

Chương 4: Thực nghiệm sư phạm

Trình bày việc triển khai thực nghiệm sư phạm tại trường THCS Tây Phú từ ngày 05/04/2021 đến ngày 10/04/2021:

  • Mẫu thực nghiệm: Lớp thực nghiệm 9A3 ($n=35$, gồm 15 nam, 20 nữ; phân loại học lực học kỳ I: 12 Giỏi, 13 Khá, 10 Trung bình); Lớp đối chứng 9A1 ($n=34$, gồm 15 nam, 19 nữ; học lực học kỳ I: 11 Giỏi, 10 Khá, 12 Trung bình).
  • Phân tích thuận lợi - khó khăn: Thuận lợi từ sự đồng hành của nhà trường, giáo viên hướng dẫn thực nghiệm (thầy Võ Văn Tuấn Nhỏ) và tinh thần hợp tác của học sinh; khó khăn do thời lượng chương trình chính khóa nặng, kinh nghiệm thực hành STEM của giáo viên và học sinh bước đầu còn bỡ ngỡ.
  • Kết quả thu được: Đánh giá định tính về sản phẩm mô hình (nhóm 1, 2, 4, 6 sử dụng bìa cứng, tăm tre, que kem, đèn led nhiều màu, động cơ mini làm quạt) và xử lý định lượng số liệu điều tra hứng thú học tập qua 35 phiếu thu về.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết quá trình thực hiện đề tài, khẳng định việc hoàn thành các nhiệm vụ nghiên cứu đặt ra, tính đúng đắn của giả thuyết khoa học và đề xuất các kiến nghị đối với nhà trường, giáo viên trong việc duy trì, nhân rộng các chủ đề giáo dục STEM trong môn Vật lý.

Kết quả và đóng góp

Kết quả khảo sát thực nghiệm

Kết quả điều tra mức độ hứng thú học tập của 35 học sinh lớp 9A3 sau khi tham gia chủ đề STEM "Ngôi nhà mơ ước" được thống kê chi tiết:

STT Nội dung khảo sát Rất đồng ý (4) Đồng ý (3) Không đồng ý (2) Rất không đồng ý (1)
1 Cảm thấy hoạt động STEM chủ đề “Ngôi nhà mơ ước” rất hứng thú 25 (71,4%) 9 (25,7%) 1 (2,9%) 0 (0%)
2 Hiểu được kiến thức bài học và biết cách vận dụng vào thực tiễn 9 (25,7%) 24 (68,6%) 2 (5,7%) 0 (0%)
3 Được thực hành nhiều hơn so với tiết học thông thường trên lớp 26 (74,3%) 9 (25,7%) 0 (0%) 0 (0%)
4 Được giao tiếp, trao đổi và hợp tác làm việc nhóm tốt hơn 12 (34,3%) 21 (60,0%) 2 (5,7%) 0 (0%)
5 Hoạt động giúp phát triển khả năng phát hiện và giải quyết vấn đề 16 (45,7%) 15 (42,8%) 4 (11,5%) 0 (0%)
6 Hoạt động đòi hỏi phải phát huy tư duy sáng tạo để hoàn thành nhiệm vụ 25 (71,4%) 10 (28,6%) 0 (0%) 0 (0%)
7 Cảm thấy thích học môn Vật lý hơn sau khi tham gia hoạt động 6 (17,1%) 26 (74,3%) 3 (8,6%) 0 (0%)
8 Mong muốn được tham gia nhiều hoạt động STEM tương tự 27 (77,1%) 8 (22,9%) 0 (0%) 0 (0%)

Dữ liệu cho thấy:

  • 97,1% học sinh bày tỏ sự hứng thú với chủ đề STEM (tổng tỷ lệ Rất đồng ý và Đồng ý ở câu 1).
  • 100% học sinh ghi nhận thời lượng và cơ hội thực hành tăng lên rõ rệt so với tiết học truyền thống (câu 3) và nhận thấy hoạt động đòi hỏi tư duy sáng tạo cao (câu 6).
  • 100% học sinh mong muốn tiếp tục tham gia các hoạt động giáo dục STEM tiếp theo (câu 8).
  • 94,3% học sinh công nhận việc nâng cao khả năng tiếp thu và vận dụng kiến thức lý thuyết vào đời sống thực tế (câu 2).

Đóng góp của khóa luận

  • Về mặt lý luận: Hệ thống hóa cơ sở lý luận về dạy học tích hợp STEM cấp THCS, làm rõ quy trình 5 bước xây dựng chủ đề dạy học và các biện pháp sư phạm nhằm phát triển năng lực sáng tạo, tư duy kỹ thuật trong môn Vật lý.
  • Về mặt thực tiễn: Xây dựng hoàn chỉnh kế hoạch bài dạy, hệ thống phiếu học tập định hướng và tiến trình tổ chức chủ đề STEM "Ngôi nhà mơ ước" cho chương Điện học (Vật lý 9). Đây là sản phẩm dạy học ứng dụng cụ thể kèm theo hệ thống minh chứng thực nghiệm sư phạm tại trường THCS Tây Phú, cung cấp tài liệu tham khảo trực tiếp cho giáo viên Vật lý THCS.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Thời gian thực nghiệm sư phạm còn ngắn (từ 05/04/2021 đến 10/04/2021), diễn ra trong khuôn khổ 4 tiết học nên mức độ tác động dài hạn lên kết quả học tập định lượng của học sinh chưa được theo dõi qua nhiều bài kiểm tra định kỳ.
    • Địa bàn thực nghiệm mới dừng lại ở phạm vi một trường THCS (THCS Tây Phú, huyện Thoại Sơn, tỉnh An Giang) trên một lớp thực nghiệm ($n=35$).
    • Chương trình môn học còn nặng kiến thức lý thuyết, thời lượng dành cho các tiết thực hành còn hạn chế; tài liệu hướng dẫn giáo dục STEM chuyên biệt cho từng bài học chưa thật sự đồng bộ.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Tiếp tục hoàn thiện và mở rộng quy trình thiết kế các chủ đề STEM sang các chương khác của chương trình Vật lý lớp 9 (Điện từ học, Quang học, Sự bảo toàn và chuyển hóa năng lượng) cũng như chương trình Vật lý cấp THPT.
    • Triển khai thực nghiệm trên diện rộng với nhiều trường THCS khác nhau nhằm kiểm chứng tính phổ quát và tối ưu hóa hệ thống tiêu chí đánh giá năng lực học sinh.

Giá trị tham khảo

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

  • Sinh viên ngành Sư phạm Vật lý và Sư phạm Khoa học tự nhiên: Tài liệu tham khảo về phương pháp xây dựng giáo án, lập phiếu học tập định hướng và thiết kế tiến trình tổ chức hoạt động trải nghiệm STEM theo quy định của Bộ Giáo dục và Đào tạo.
  • Giáo viên Vật lý tại các trường THCS: Bộ giáo án và kế hoạch thực hiện chủ đề "Ngôi nhà mơ ước" có thể áp dụng trực tiếp hoặc chuyển đổi linh hoạt trong kế hoạch dạy học chương Điện học, đáp ứng chỉ tiêu triển khai giáo dục STEM của tổ chuyên môn.
  • Cán bộ quản lý chuyên môn và người làm nghiên cứu giáo dục: Cung cấp mẫu phiếu khảo sát hứng thú học tập và khung tiêu chí đánh giá năng lực sáng tạo, tư duy kỹ thuật của học sinh THCS trong môi trường dạy học tích hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. Chủ đề STEM "Ngôi nhà mơ ước" được bố trí thời lượng bao nhiêu và gồm những hoạt động nào?
Chủ đề được tổ chức trong tổng thời gian 4 giờ (chia thành 2 buổi, mỗi buổi 120 phút), gồm 2 hoạt động chính:

  • Hoạt động 1 (75 phút): Tìm hiểu nguồn điện, mạch điện, sơ đồ mạch điện, thực hành đo $U, I$, mắc mạch nối tiếp/song song và an toàn điện thông qua phiếu học tập.
  • Hoạt động 2 (165 phút): Thiết kế bản vẽ kiến trúc cùng sơ đồ mạch điện trên giấy A3 (45 phút) và thi công mô hình ngôi nhà, lắp ráp mạch điện, thử nghiệm và thuyết trình sản phẩm (120 phút).

2. Học sinh lớp thực nghiệm sử dụng những vật liệu và thiết bị gì để hoàn thiện mô hình?
Học sinh sử dụng các vật liệu thủ công dễ tìm gồm giấy, bìa các-tông cứng, tăm tre, que kem, bông gòn để dựng khung nhà; sử dụng nguồn pin, dây dẫn, công tắc (khóa K), điện trở, cầu chì, hệ thống đèn led nhiều màu chiếu sáng và mô-tơ mini chế tạo quạt điện trong mô hình.

3. Khách thể và địa bàn thực nghiệm sư phạm của đề tài được triển khai ở đâu?
Thực nghiệm sư phạm được tiến hành trên học sinh lớp 9A3 (lớp thực nghiệm, $n=35$) và lớp 9A1 (lớp đối chứng, $n=34$) tại trường THCS Tây Phú, huyện Thoại Sơn, tỉnh An Giang, trong khoảng thời gian từ ngày 05/04/2021 đến ngày 10/04/2021.

4. Khóa luận phân loại chủ đề giáo dục STEM theo những tiêu chí nào?
Tác giả phân loại dựa trên 3 tiêu chí chính từ cơ sở lý luận:

  • Theo lĩnh vực tham gia: Chủ đề STEM đầy đủ (vận dụng đủ 4 lĩnh vực) và Chủ đề STEM khuyết (vận dụng từ 2 lĩnh vực trở lên).
  • Theo phạm vi kiến thức: Chủ đề STEM cơ bản (trong chương trình SGK phổ thông) và Chủ đề STEM mở rộng (có kiến thức bổ sung ngoài SGK).
  • Theo mục đích dạy học: Chủ đề STEM dạy học kiến thức mới và Chủ đề STEM dạy học vận dụng.

5. Tỷ lệ phản hồi của học sinh về mức độ hứng thú và tính sáng tạo khi tham gia hoạt động STEM đạt kết quả như thế nào?
Theo kết quả khảo sát 35 học sinh tại Bảng 2 của khóa luận, 71,4% học sinh chọn "Rất đồng ý" và 25,7% chọn "Đồng ý" về mức độ hứng thú (tổng cộng 97,1%); 71,4% học sinh chọn "Rất đồng ý" và 28,6% chọn "Đồng ý" khẳng định hoạt động đòi hỏi và kích thích tư duy sáng tạo (tổng cộng 100%).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Phạm Châu Huỳnh My đã xây dựng thành công cơ sở lý luận và tiến trình dạy học tích hợp STEM cho chương Điện học (Vật lý 9) thông qua chủ đề thực tiễn "Ngôi nhà mơ ước". Kết quả thực nghiệm sư phạm tại trường THCS Tây Phú (An Giang) xác nhận mô hình dạy học giúp tăng cường hứng thú học tập, phát triển năng lực làm việc nhóm, tư duy kỹ thuật và tính sáng tạo của học sinh. Công trình là tài liệu tham khảo sư phạm hữu ích cho giáo viên và sinh viên chuyên ngành Vật lý trong việc hiện thực hóa định hướng đổi mới phương pháp dạy học theo chương trình giáo dục phổ thông.