Tổng quan luận án

Công trình "Xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học chương “Dòng điện trong các môi trường” Vật lí 11 nhằm phát triển năng lực khoa học cho học sinh trung học phổ thông" là luận án tiến sĩ khoa học giáo dục của nghiên cứu sinh Lê Chí Nguyện, chuyên ngành Lý luận và phương pháp dạy học bộ môn Vật lý (mã số: 9140111), được bảo vệ tại Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên vào năm 2019, dưới sự hướng dẫn của TS. Cao Tiến Khoa.

Nghiên cứu được triển khai trong bối cảnh giáo dục quốc tế và Việt Nam chuyển dịch từ tiếp cận trang bị nội dung sang phát triển phẩm chất và năng lực người học, theo tinh thần Nghị quyết số 29-NQ/TW (ngày 04/11/2013) và Chương trình giáo dục phổ thông 2018. Thực hành thí nghiệm trong môn Vật lí giữ vai trò trọng tâm trong việc hình thành khái niệm, quy luật và phát triển năng lực khoa học (NLKH). Mặc dù các trường trung học phổ thông (THPT) tại Việt Nam đã được trang bị thiết bị theo "Danh mục thiết bị dạy học tối thiểu", việc sử dụng thí nghiệm về chương "Dòng điện trong các môi trường" vẫn còn nhiều hạn chế: số lượng thiết bị thiếu, đa phần là thí nghiệm định tính, các phép đo bằng đồng hồ đa năng hiện số có độ chính xác chưa cao và khó thao tác. Mặt khác, các thiết bị thí nghiệm nhập khẩu ghép nối máy tính có giá thành cao, cấu trúc lắp sẵn khép kín, chưa phù hợp cho việc học sinh tự lực đề xuất phương án và lắp ráp. Do đó, yêu cầu hoàn thiện, chế tạo các bộ thí nghiệm kết nối máy vi tính (MVT) có độ chính xác cao, chi phí thấp nhằm phát triển NLKH cho học sinh THPT là một khoảng trống thực tiễn cần giải quyết.

Mục đích nghiên cứu của luận án là xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” Vật lí 11 nhằm phát triển NLKH cho học sinh. Luận án đặt ra giả thuyết khoa học: “Nếu xây dựng được các thí nghiệm và sử dụng chúng để thiết kế tiến trình dạy học phù hợp với lí luận phát triển năng lực trong dạy học một số kiến thức về “Dòng điện trong các môi trường”(Vật lí 11), thì NLKH của học sinh sẽ được phát triển”.

Các câu hỏi nghiên cứu cốt lõi gồm:

  1. Tổ chức dạy học Vật lí như thế nào để phát triển được NLKH cho học sinh, trong đó tính đến yếu tố đặc thù là phát huy vai trò của thí nghiệm trong các hình thức tổ chức dạy học khác nhau?
  2. Cần xây dựng và sử dụng các thí nghiệm như thế nào để đảm bảo tính khả thi và tính hiệu quả trong việc phát triển NLKH cho học sinh THPT?
  3. Việc đánh giá tính khả thi, hiệu quả về sự phát triển NLKH của học sinh trong dạy học Vật lí có sử dụng các thí nghiệm đã xây dựng sẽ được thực hiện như thế nào?

Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể theo 7 nội dung:

  1. Nghiên cứu tổng quan về dạy học phát triển năng lực, đánh giá NLKH của học sinh ở trường phổ thông.
  2. Nghiên cứu lí luận dạy học phát triển năng lực, đánh giá NLKH của học sinh THPT trong học tập môn Vật lí.
  3. Nghiên cứu vai trò của thí nghiệm Vật lí ở trường THPT trong việc phát triển NLKH cho học sinh.
  4. Nghiên cứu thực trạng về sử dụng thí nghiệm trong dạy học kiến thức về “Dòng điện trong các môi trường”, theo định hướng dạy học phát triển năng lực cho học sinh.
  5. Xây dựng, hoàn thiện 3 bộ thí nghiệm và sử dụng chúng vào thiết kế tiến trình dạy học góp phần phát triển NLKH cho học sinh trong dạy học một số kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn”.
  6. Xây dựng bộ công cụ đánh giá mức độ phát triển NLKH của học sinh trong tiến trình dạy học có sử dụng các thí nghiệm đã xây dựng.
  7. Thực nghiệm sư phạm nhằm đánh giá tính khả thi của các thiết bị thí nghiệm và tiến trình dạy học về khả năng phát triển NLKH cho học sinh trong học một số kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” (Vật lí 11).

Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm: hoạt động dạy học và thí nghiệm hỗ trợ dạy học một số kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” trong chương trình Vật lí 11 THPT; NLKH của học sinh THPT trong học tập môn Vật lí. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế, hoàn thiện thiết bị thí nghiệm và tổ chức hoạt động học tập các kiến thức về dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn, tiến hành khảo sát và thực nghiệm trên đối tượng học sinh lớp 11 tại tỉnh Ninh Bình và thành phố Hà Nội.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng thuật toàn diện các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến phát triển năng lực khoa học, việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học Vật lí và các nghiên cứu chuyên sâu về chương "Dòng điện trong các môi trường".

Về phát triển năng lực và năng lực khoa học:

  • Các nghiên cứu quốc tế: Phân tích nguồn gốc thuật ngữ "Competence" và hai trường phái tâm lý học (quan điểm tiềm năng bẩm sinh của A. Simson, J. Watson và quan điểm thuộc tính tâm sinh lý hình thành qua hoạt động của Rudich năm 1986). Luận án tiếp thu quan điểm sư phạm tích hợp của Xavier Roegiers và De Ketele về "năng lực cơ bản" và "năng lực đề cao"; lý thuyết giáo dục dựa trên chuẩn đầu ra (OBE, CBE) từ những năm 1950 của Ralph W. Tyler và Benjamin S. Bloom. Về khung NLKH, tác giả khảo cứu Khung chuẩn giáo dục khoa học của NRC Hoa Kỳ (AAAS Science for All Americans, Benchmarks for Science Literacy, NRC 2012) gồm 8 nhóm thực hành khoa học - kỹ thuật; chu trình học tập 5 giai đoạn của Carl J. Wenning (2011) mô phỏng nghiên cứu khoa học (Quan sát, Thao tác, Khái quát, Xác minh, Áp dụng); khung năng lực của Liên minh Châu Âu (Sara Frank Bristow & Susan Patrick, 2014); các chu kỳ đánh giá PISA của OECD (PISA 2003, 2006, 2015) phân định kiến thức thủ tục (procedural knowledge) và tri thức khoa học (epistemic knowledge) với 3 năng lực thành tố; công trình của V. G. Razumốpxki (1975) về phát triển năng lực sáng tạo thông qua chu trình sáng tạo khoa học; nghiên cứu của Andrey Vorontsov và Elena Vorontsova (2015) tại Nga; nghiên cứu của Kai-ming Cheng (2017) tại Đông Á; công trình của Tokuhei Kametaka và Junichiro Yasuda (2012) tại Nhật Bản; cùng các nghiên cứu của Wang F. (2012) và Hu J. (2009) tại Trung Quốc.
  • Các nghiên cứu trong nước: Công trình của Bernd Meier và Nguyễn Văn Cường (2016) về cấu trúc 4 năng lực thành tố; Thái Duy Tuyên (2008) về chuyển phương pháp khoa học thành phương pháp tự học; Lê Đình Trung và Phan Thị Thanh Hội (2016); Đỗ Hương Trà (2015) về dạy học tích hợp; Vũ Trọng Rỹ và Phạm Xuân Quế (2015) về kiểm tra đánh giá theo PISA; Nguyễn Thị Diễm Hằng (2018) về phát triển NLKH tự nhiên THCS theo chuẩn PISA.

Về nghiên cứu xây dựng và sử dụng thí nghiệm:

  • Quốc tế: Các công trình của Lunetta (1998), Hofstein và Lunetta (1982), Lederman (2002), Jones (2003), Chiaverina và Vollmer (2005), Marián Kireš và Zuzana Ješková (2009), dự án CLP (Computer as Learning Partner, Bell 2005); các thiết bị thương mại của PHYWE (CHLB Đức, 2008), PASCO (Mỹ), FESTO, LEYBOLD, ADDESTATION (Singapore).
  • Việt Nam: Lý luận dạy học thí nghiệm của Phạm Hữu Tòng (2002), Nguyễn Đức Thâm và Phạm Thị Ngọc Thắng (2003, 2004), Nguyễn Xuân Thành (2003, 2013), Phạm Xuân Quế (2007), Lê Văn Giáo (2005), Nguyễn Ngọc Hưng (2009), Đặng Minh Chưởng (2011), Dương Xuân Quý (2011), Nguyễn Anh Thuấn (2007), Cao Tiến Khoa (2014), Nguyễn Quang Linh (2016), Nguyễn Viết Thanh Minh (2015), Nguyễn Văn Biên (2010), Nguyễn Thị Thu Hà (2016); các giải pháp phần cứng DAQ-5104D (ĐHSP Hà Nội - GQY) và USB-HDL9090 (nhóm HOCDELAM).

Về nghiên cứu thí nghiệm chương "Dòng điện trong các môi trường" (Vật lí 11):

  • Các bộ thí nghiệm chuẩn của PHYWE (2008) như thí nghiệm khảo sát đường đặc trưng Vôn - Ampe của điôt bán dẫn (mã số 4.09-15), định luật Farađây (mã số 4.12-00), sự phụ thuộc điện trở của điôt vào nhiệt độ (mã số 4.04-01/15) và hiệu ứng nhiệt điện của chất bán dẫn (mã số 4.09-01).
  • Tại Việt Nam: Lê Minh Tân và Phùng Việt Hải chế tạo bộ thí nghiệm nhiệt điện dùng IC INA 125 ghép nối máy tính nhưng tín hiệu chưa ổn định do ảnh hưởng điện trở/tụ điện và nguồn nhiệt đun nước không đều; Nguyễn Ngọc Lê Nam (2012) sử dụng mô phỏng và bộ xử lý DAS-5104D; Trịnh Thị Thúy (2009) dùng đồng hồ DT 9208A để quan sát định tính dòng nhiệt điện; Vũ Quang (1978) biên soạn chương trình đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện nhưng chưa được áp dụng thực tế rộng rãi.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết là thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh các bộ thí nghiệm định lượng kết nối MVT đo được các tín hiệu điện áp rất nhỏ (dưới 0,5 mV) với độ ổn định cao từ linh kiện bán dẫn chi phí thấp, được cấu trúc dạng Module linh hoạt; đồng thời xây dựng tiến trình dạy học và bộ công cụ định lượng đánh giá NLKH theo chuẩn PISA và Chương trình GDPT 2018 cho nội dung dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Luận án xây dựng khung phân tích dựa trên sự kết hợp giữa lý luận dạy học hiện đại, tâm lý học nhận thức và các khung đánh giá giáo dục chuẩn mực:

  • Khái niệm năng lực: Tiếp thu định nghĩa của F. E. Weinert (2001), Xavier Roegiers (1996) và Từ điển Giáo dục học (2013), coi năng lực là tổ hợp phức hợp của kiến thức, kĩ năng, thái độ và sự sẵn sàng hành động để giải quyết thành công các tình huống thực tiễn.
  • Khung Năng lực khoa học PISA 2015: Cấu trúc gồm 3 năng lực thành tố cốt lõi:
    1. $C_1$: Giải thích các hiện tượng có khoa học (Explain phenomena scientifically).
    2. $C_2$: Đánh giá và thiết kế một điều tra khoa học (Evaluate and design scientific enquiry).
    3. $C_3$: Trình bày các dữ liệu và bằng chứng một cách khoa học (Interpret data and evidence scientifically).
  • Khung năng lực Vật lí theo Chương trình GDPT 2018: Phân thành 3 năng lực thành phần: Nhận thức kiến thức Vật lí; Tìm tòi, khám phá thế giới tự nhiên dưới góc độ Vật lí; Vận dụng kiến thức, kĩ năng đã học.
  • Chu trình nhận thức: Vận dụng chu trình sáng tạo khoa học của V. G. Razumốpxki kết hợp với chu trình học tập khoa học 5 giai đoạn của C. J. Wenning (2011) để thiết kế các pha học tập có thí nghiệm hỗ trợ.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng bộ các phương pháp định tính và định lượng:

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, tổng hợp các tài liệu khoa học giáo dục, văn bản chương trình SGK môn Vật lí, tài liệu hướng dẫn PISA và các công trình nghiên cứu về thí nghiệm trong và ngoài nước.
  • Phương pháp điều tra thực tiễn: Thiết kế và sử dụng phiếu điều tra lấy ý kiến của giáo viên và học sinh THPT nhằm khảo sát thực trạng trang thiết bị, mức độ sử dụng thí nghiệm và mức độ dạy học phát triển NLKH tại trường phổ thông.
  • Phương pháp thực nghiệm khoa học:
    • Thiết kế kỹ thuật và chế tạo phần cứng: Tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu số USB-NI6001, cảm biến nhiệt độ, bộ khuếch đại điện áp IC chuyên dụng và các linh kiện bán dẫn (điôt, LED) để lắp ráp 3 bộ thí nghiệm.
    • Thực nghiệm sư phạm: Tổ chức dạy học thực nghiệm qua 2 vòng trên các lớp học đối chứng và thực nghiệm tại các trường THPT thuộc tỉnh Ninh Bình và Hà Nội nhằm kiểm chứng giả thuyết khoa học.
  • Phương pháp thống kê toán học: Sử dụng phần mềm thống kê chuyên dụng để xử lý số liệu định lượng thu được từ các bảng kiểm quan sát, bài kiểm tra và phiếu đánh giá rubrics; kiểm định độ tin cậy và sự khác biệt có ý nghĩa thống kê giữa các nhóm.
Hạng mục dữ liệu / Phương pháp Công cụ và nguồn tư liệu thực tế Mục đích sử dụng
Nghiên cứu lý thuyết Văn bản NQ 29-NQ/TW, CT GDPT 2018, tài liệu PISA 2015, giáo trình LLDH Xây dựng khung năng lực, nguyên tắc và quy trình dạy học
Điều tra thực trạng Phiếu khảo sát giáo viên và học sinh THPT tại Ninh Bình và Hà Nội Đánh giá thực trạng sử dụng thí nghiệm và dạy học NLKH
Thực nghiệm kỹ thuật USB-NI6001, cảm biến nhiệt, IC khuếch đại, điôt, LED, đồng hồ DT 9208A Chế tạo và hiệu chỉnh 3 bộ thí nghiệm định lượng kết nối MVT
Thực nghiệm sư phạm Phiếu tiêu chí chấm điểm, phiếu tự đánh giá/đồng đẳng, bài kiểm tra Thu thập dữ liệu định lượng về mức độ phát triển $C_1, C_2, C_3$
Thống kê toán học Phần mềm thống kê, công thức tính tham số đặc trưng và đồ thị phân phối Xử lý số liệu, kiểm chứng hiệu quả và tính khả thi của luận án

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lịch sử và tình hình nghiên cứu về phát triển NLKH cho học sinh THPT ở trong nước và quốc tế. Tác giả phân tích quá trình hình thành khái niệm năng lực, đối chiếu các khung NLKH của NRC (Hoa Kỳ), Liên minh Châu Âu, OECD (PISA 2003–2015), Nga, Đông Âu và các quốc gia Châu Á (Nhật Bản, Trung Quốc, Singapore). Đồng thời, chương này tổng thuật các xu hướng chế tạo và sử dụng thí nghiệm Vật lí (thí nghiệm tự tạo, thí nghiệm mô phỏng, thí nghiệm ghép nối máy tính).

Trên cơ sở phân tích các công trình về chương "Dòng điện trong các môi trường" của các tác giả trong nước (Lê Minh Tân, Phùng Việt Hải, Nguyễn Ngọc Lê Nam, Trịnh Thị Thúy, Vũ Quang) và các hãng thiết bị quốc tế (PHYWE), chương 1 đã chỉ rõ những mặt hạn chế về độ ổn định kỹ thuật khi đo tín hiệu nhỏ cũng như việc thiếu vắng các quy trình dạy học và công cụ đánh giá NLKH theo chuẩn PISA. Từ đó, tác giả xác lập 3 câu hỏi nghiên cứu định hướng cho toàn bộ luận án.

Chương 2: Cơ sở lí luận và thực tiễn

Chương 2 làm rõ các khái niệm công cụ, xây dựng khung lý thuyết và đánh giá thực trạng dạy học:

  • Hệ thống hóa các biểu hiện của NLKH theo PISA 2015 ($C_1, C_2, C_3$), biểu hiện năng lực Vật lí theo Chương trình GDPT 2018 và cụ thể hóa thành bảng các tiêu chí hành vi phù hợp với môn Vật lí cấp THPT.
  • Xác định 3 nguyên tắc xây dựng thí nghiệm: đảm bảo tính sư phạm; đảm bảo tính khoa học - kỹ thuật (độ chính xác, độ nhạy đối với tín hiệu nhỏ); đảm bảo tính khả thi và kinh tế (linh kiện dễ kiếm, chi phí thấp, dạng Module).
  • Xây dựng quy trình 5 bước xây dựng thí nghiệm và quy trình sử dụng thí nghiệm trong 3 hình thức dạy học: dạy học kiến thức mới, hướng dẫn thực hành thí nghiệm và giải bài tập thí nghiệm (BTTN) ở nhà.
  • Đề xuất 3 biện pháp dạy học và 3 nguyên tắc sử dụng thí nghiệm phát triển NLKH; xây dựng bộ công cụ lượng giá tiêu chí đánh giá NLKH với thang đo định lượng rõ ràng.
  • Báo cáo kết quả điều tra thực trạng dạy học chương "Dòng điện trong các môi trường": phân tích số liệu thu được từ phiếu hỏi giáo viên và học sinh tại Ninh Bình và Hà Nội, khẳng định việc sử dụng thí nghiệm định lượng kết nối MVT còn rất hiếm, phương pháp dạy học chủ yếu vẫn là truyền thụ lý thuyết hoặc biểu diễn thí nghiệm định tính sơ sài.

Chương 3: Xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học kiến thức về "Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn" Vật lí 11 nhằm phát triển năng lực khoa học cho học sinh

Chương 3 tập trung vào khâu thiết kế kỹ thuật, xây dựng tiến trình sư phạm và bộ công cụ đo lường:

  1. Chế tạo 3 bộ thí nghiệm:
    • Bộ thí nghiệm 1 - Khảo sát định lượng hiện tượng nhiệt điện: Sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu số USB-NI6001, cảm biến nhiệt độ, bộ khuếch đại điện áp tích hợp IC chuyên dụng và nguồn nhiệt ổn định trên $150^\circ\text{C}$ có điều khiển, cho phép đo chính xác suất điện động nhiệt điện cỡ milivôn (mV), thu thập số liệu tự động và vẽ đồ thị thực nghiệm trên MVT.
    • Bộ thí nghiệm 2 - Khảo sát đặc tính chỉnh lưu của điôt bán dẫn: Thiết kế sơ đồ nguyên lý đo dòng điện thuận và dòng điện ngược của điôt bán dẫn, ghép nối đồng hồ đo DT 9208A/DT 920A và giao diện MVT để vẽ đường đặc trưng Vôn - Ampe.
    • Bộ thí nghiệm 3 - Bài tập thí nghiệm tự làm ở nhà: Sử dụng 4 điôt bán dẫn và 2 đèn LED để học sinh tự thiết kế, lắp ráp mạch chỉnh lưu và chứng minh tính dẫn điện một chiều.
  2. Thiết kế tiến trình dạy học cho 4 nội dung kiến thức:
    • Dạy học kiến thức mới: "Hiện tượng nhiệt điện" (theo chu trình sáng tạo khoa học).
    • Thực hành thí nghiệm: "Đo hệ số nhiệt điện động $\alpha_T$ của cặp nhiệt điện".
    • Thực hành thí nghiệm: "Khảo sát dòng điện đi qua điôt bán dẫn".
    • Hoạt động tự học: Giải bài tập thí nghiệm chế tạo mạch kiểm chứng tính chất điôt ở nhà.
  3. Thiết kế chi tiết bộ công cụ đánh giá NLKH cho từng nội dung dạy học: gồm hệ thống tiêu chí chấm điểm của giáo viên, bảng kiểm quan sát hành vi, phiếu ghi điểm đánh giá đồng đẳng giữa các học sinh trong nhóm và các đề bài tập kiểm tra năng lực.

Chương 4: Thực nghiệm sư phạm

Chương 4 trình bày kế hoạch, tiến trình và kết quả thực nghiệm sư phạm:

  • Triển khai qua 2 vòng thực nghiệm tại các trường THPT ở tỉnh Ninh Bình và thành phố Hà Nội với các lớp thực nghiệm và đối chứng tương đương về trình độ ban đầu.
  • Đánh giá định tính: Phân tích diễn biến các giờ học cho thấy học sinh các lớp thực nghiệm tích cực, chủ động hơn trong việc đề xuất giả thuyết, thiết kế phương án thí nghiệm, thao tác thiết bị trên máy vi tính và tự tin thảo luận, giải thích kết quả.
  • Đánh giá định lượng: Phân tích kết quả thống kê điểm số đánh giá 3 thành tố năng lực ($C_1, C_2, C_3$) qua từng hoạt động học tập (học kiến thức mới, thực hành đo $\alpha_T$, thực hành điôt, giải BTTN ở nhà). Đồ thị biểu diễn mức độ NLKH của lớp thực nghiệm ở cả hai vòng đều có sự dịch chuyển rõ rệt sang các mức điểm cao hơn so với lớp đối chứng với độ tin cậy thống kê xác thực, qua đó khẳng định tính khả thi và hiệu quả của các thiết bị và tiến trình dạy học đã đề xuất.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lí luận

  1. Xác lập được 3 nguyên tắc xây dựng và 3 biện pháp sử dụng thí nghiệm hỗ trợ dạy học Vật lí nhằm phát triển NLKH cho học sinh THPT.
  2. Xây dựng được quy trình sử dụng thí nghiệm hỗ trợ hoạt động dạy học kiến thức mới, thực hành thí nghiệm và giải bài tập thí nghiệm ở nhà nhằm phát triển NLKH cho học sinh.
  3. Xây dựng được bộ công cụ đánh giá mức độ phát triển NLKH của học sinh THPT trong học tập môn Vật lí có sử dụng thí nghiệm, tích hợp giữa chuẩn PISA và Chương trình GDPT 2018.

Đóng góp về mặt thực tiễn

  1. Thiết kế, chế tạo thành công và đưa vào sử dụng 3 bộ thí nghiệm phục vụ dạy và học kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” (Vật lí 11). Bằng các linh kiện bán dẫn phổ biến, chi phí thấp kết hợp với card USB-NI6001 và mạch khuếch đại chuyên dụng, tác giả đã xử lý được bài toán đo các tín hiệu điện áp nhỏ (mV) với độ chính xác cao, ổn định, hỗ trợ thu thập và xử lý số liệu nhanh trên máy vi tính.
  2. Xây dựng hoàn chỉnh tiến trình dạy và học cho 4 nội dung kiến thức thuộc chương “Dòng điện trong các môi trường” (Vật lí 11) có ứng dụng các thiết bị thí nghiệm đã chế tạo.
  3. Xây dựng và kiểm chứng thành công bộ công cụ đánh giá mức độ phát triển NLKH của học sinh áp dụng trong và sau khi học 4 nội dung kiến thức trên.

Kiến nghị đề xuất

  • Từng bước triển khai, trang bị các module thí nghiệm kết nối thiết bị vi tính đo tín hiệu nhỏ vào các trường THPT để nâng cao chất lượng thực hành Vật lí.
  • Khuyến khích giáo viên Vật lí tự thiết kế, cải tiến các bộ thí nghiệm đơn giản, dạng mở để học sinh có cơ hội trực tiếp tham gia đề xuất phương án và thao tác kỹ thuật.
  • Đổi mới công tác kiểm tra, đánh giá theo hướng đo lường các hành vi thực hành khoa học và xử lý số liệu thực nghiệm thay vì chỉ kiểm tra ghi nhớ kiến thức lý thuyết.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án chỉ tập trung nghiên cứu trong phạm vi một số nội dung kiến thức cụ thể về "Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn" thuộc chương "Dòng điện trong các môi trường" (Vật lí 11). Địa bàn thực nghiệm sư phạm mới chỉ được tiến hành tại một số trường THPT trên địa bàn tỉnh Ninh Bình và thành phố Hà Nội.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng phạm vi nghiên cứu thiết kế và chế tạo các thiết bị thí nghiệm ghép nối máy vi tính cho toàn bộ các môi trường dẫn điện khác trong chương trình (dòng điện trong chất điện phân, chất khí, chân không).
    • Tiếp tục hoàn thiện phần mềm giao diện xử lý số liệu theo hướng tối ưu hóa bằng tiếng Việt và triển khai thực nghiệm sư phạm trên phạm vi rộng hơn ở nhiều địa phương khác nhau.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và nhà nghiên cứu giáo dục: Luận án cung cấp khung lý luận chặt chẽ về cách thức tích hợp chuẩn đánh giá PISA vào môn học chuyên biệt, phương pháp luận phát triển NLKH thông qua phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật xây dựng rubrics định lượng.
  • Đối với giảng viên và sinh viên ngành Sư phạm Vật lý: Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích về kỹ thuật chế tạo thiết bị dạy học số (giao tiếp card thu nhận dữ liệu, xử lý tín hiệu cảm biến) và phương pháp tổ chức dạy học theo chu trình nghiên cứu khoa học.
  • Đối với giáo viên THPT và cán bộ quản lý chuyên môn: Cung cấp 4 giáo án tiến trình dạy học cụ thể, bản vẽ nguyên lý 3 bộ thí nghiệm chi phí thấp dễ tự làm, cùng bộ công cụ phiếu đánh giá học sinh dùng được ngay trong đổi mới phương pháp dạy học theo Chương trình GDPT 2018.

Câu hỏi thường gặp

1. Khung Năng lực khoa học (NLKH) của học sinh trong luận án được cấu trúc từ những nguồn lý thuyết nào?
Khung NLKH trong luận án được xây dựng trên cơ sở tích hợp giữa khung đánh giá năng lực khoa học PISA 2015 (gồm 3 năng lực thành tố: $C_1$ - Giải thích hiện tượng có khoa học, $C_2$ - Đánh giá và thiết kế điều tra khoa học, $C_3$ - Trình bày dữ liệu và bằng chứng khoa học) và các yêu cầu cần đạt về năng lực Vật lí trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018 của Việt Nam.

2. Ba bộ thí nghiệm được tác giả nghiên cứu chế tạo trong luận án gồm những thiết bị nào?
Ba bộ thí nghiệm gồm: (1) Thí nghiệm khảo sát định lượng hiện tượng nhiệt điện (sử dụng card USB-NI6001, cảm biến nhiệt độ, bộ khuếch đại điện áp); (2) Thí nghiệm khảo sát đặc tính chỉnh lưu của điôt bán dẫn (sử dụng mạch đo dòng thuận, dòng ngược kết nối đồng hồ DT 9208A/DT 920A và máy vi tính); (3) Bài tập thí nghiệm tự tạo ở nhà (sử dụng 4 điôt bán dẫn và 2 đèn LED để chứng minh tính dẫn điện một chiều).

3. Luận án đã giải quyết khó khăn kỹ thuật gì khi đo tín hiệu của hiện tượng nhiệt điện?
Luận án đã khắc phục nhược điểm của các nghiên cứu trước (vốn dùng IC INA 125 bị nhiễu do tụ điện/điện trở và gia nhiệt bằng đun nước không đều) bằng cách: sử dụng mạch khuếch đại tích hợp chuyên dụng trên một IC để triệt tiêu ảnh hưởng của linh kiện ngoài, dùng cảm biến chuẩn và thiết kế nguồn nhiệt điều khiển được quá trình tăng nhiệt độ lên trên $150^\circ\text{C}$, giúp tín hiệu điện áp cỡ milivôn (mV) ổn định, cho phép vẽ đồ thị chính xác qua phần mềm máy vi tính.

4. Chu trình dạy học khoa học được luận án áp dụng gồm những giai đoạn nào?
Tiến trình dạy học kiến thức mới có sử dụng thí nghiệm được thiết kế theo chu trình 5 giai đoạn của Wenning (2011) phỏng theo phương pháp nghiên cứu khoa học, bao gồm: Quan sát (Observation) $\rightarrow$ Thao tác (Manipulation) $\rightarrow$ Khái quát (Generalization) $\rightarrow$ Xác minh (Verification) $\rightarrow$ Áp dụng (Application).

5. Thực nghiệm sư phạm của luận án được tiến hành ở đâu và chứng minh điều gì?
Thực nghiệm sư phạm được tiến hành qua 2 vòng tại các trường THPT thuộc tỉnh Ninh Bình và thành phố Hà Nội. Kết quả thống kê định lượng chứng minh rằng học sinh học theo các tiến trình có sử dụng 3 bộ thí nghiệm chế tạo đạt được sự tiến bộ rõ rệt ở cả 3 thành tố năng lực khoa học ($C_1, C_2, C_3$) so với học sinh lớp đối chứng, khẳng định tính đúng đắn của giả thuyết khoa học.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Lê Chí Nguyện đã giải quyết thỏa đáng vấn đề lý luận và thực tiễn về việc phát triển năng lực khoa học cho học sinh THPT thông qua hệ thống thí nghiệm Vật lí. Bằng việc chế tạo thành công 3 bộ thí nghiệm chi phí thấp có khả năng đo đạc chính xác các tín hiệu điện áp nhỏ kết nối máy tính, tác giả đã xây dựng hoàn chỉnh 4 tiến trình dạy học chuyên đề và bộ công cụ đánh giá định lượng theo chuẩn PISA và Chương trình GDPT 2018. Các kết quả thực nghiệm sư phạm tại Ninh Bình và Hà Nội đã kiểm chứng tính khả thi và hiệu quả của các giải pháp đề xuất, đóng góp thiết thực cho công tác đổi mới phương pháp dạy học bộ môn Vật lí ở trường phổ thông.