SKKN Dạy học phát triển năng lực tự học cho học sinh thông qua chủ đề Máy điện trong chương trình Vật lí 12 theo định hướng giáo dục STEM.

1.1.3. Giáo dục STEM
1.1.3.1. Khái niệm giáo dục STEM
STEM là thuật ngữ viết tắt của các từ tiếng Anh: Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kĩ thuật) và Mathematics (Toán học). Giáo dục STEM trang bị cho người học những kiến thức và kĩ năng liên quan đến các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học. Các kiến thức và kĩ năng này được lồng ghép, tích hợp và bổ trợ cho nhau giúp HS phát triển năng lực giải quyết vấn đề, tạo ra được những sản phẩm trong cuộc sống hằng ngày.
Theo UNESCO: “Giáo dục STEM là chìa khóa hướng đến sáng tạo và sự tăng trưởng kinh tế trong thế giới kết nối mạng, nơi mà con người được bao quanh bởi công nghệ và sáng tạo”.
1.1.3.2. Mục tiêu của giáo dục STEM
– Thứ nhất, đưa trải nghiệm sáng tạo vào trong quá trình học tập. Học sinh được học trên cơ sở dự án, được giao nhiệm vụ theo từng dự án, từ đó phát huy tối đa khả năng tư duy sáng tạo và ứng dụng các kiến thức khoa học vào cuộc sống. Bên cạnh kiến thức khoa học, học sinh cũng được thấm dần các thói quen tư duy, nhìn nhận và đánh giá hiện tượng, sự kiện một cách logic.
– Thứ hai, đem lại sự hứng thú trong học tập. Nhiệm vụ giao cho học sinh phải đủ hấp dẫn để kích thích trí sáng tạo và tò mò. Để đạt được điều này, ngoài thiết kế bài giảng thì người giáo viên STEM cũng đóng vai trò vô cùng quan trọng, giúp duy trì sự hứng thú học tập của học sinh trong quá trình học tập. Vì vậy, cách thức truyền tải kiến thức và hướng dẫn học sinh trên lớp của giáo viên phải được đào tạo thật bài bản.
– Thứ ba, ở trong cách đánh giá năng lực học sinh. Thay vì những bài thi quyết định kết quả học tập của một cá nhân, giáo dục STEM đánh giá sự tiến bộ của nhóm theo một quá trình. Trong đó, học sinh được cọ xát, tranh luận, bảo vệ ý kiến của bản thân cũng như tạo thói quen hợp tác với các thành viên trong nhóm.
1.1.3.3. Định hướng giáo dục STEM trong Chương trình Giáo dục phổ thông 2018
Việc đưa giáo dục STEM vào trường trung học mang lại nhiều ý nghĩa, phù hợp với định hướng đổi mới giáo dục phổ thông. Cụ thể là:
– Đảm bảo giáo dục toàn diện: Triển khai giáo dục STEM ở nhà trường, bên cạnh các môn học đang được quan tâm như Toán, Khoa học, các lĩnh vực Công nghệ, Kỹ thuật cũng sẽ được quan tâm, đầu tư trên tất cả các phương diện về đội ngũ giáo viên, chương trình, cơ sở vật chất.
– Nâng cao hứng thú học tập các môn học STEM: Các dự án học tập trong giáo dục STEM hướng tới việc vận dụng kiến thức liên môn để giải quyết các vấn đề thực tiễn, học sinh được hoạt động, trải nghiệm và thấy được ý nghĩa của tri thức với cuộc sống, nhờ đó sẽ nâng cao hứng thú học tập của học sinh.
– Hình thành và phát triển năng lực, phẩm chất cho học sinh: Khi triển khai các dự án học tập STEM, học sinh hợp tác với nhau, chủ động và tự lực thực hiện các nhiệm vụ học; được làm quen hoạt động có tính chất nghiên cứu khoa học.
– Kết nối trường học với cộng đồng: Để đảm bảo triển khai hiệu quả giáo dục STEM, cơ sở giáo dục phổ thông thường kết nối với các cơ sở giáo dục nghề nghiệp, đại học tại địa phương nhằm khai thác nguồn lực về con người, cơ sở vật chất triển khai hoạt động giáo dục STEM. Bên cạnh đó, giáo dục STEM phổ thông cũng hướng tới giải quyết các vấn đề có tính đặc thù của địa phương.
– Hướng nghiệp, phân luồng: Tổ chức tốt giáo dục STEM ở trường trung học, học sinh sẽ được trải nghiệm trong các lĩnh vực STEM, đánh giá được sự phù hợp, năng khiếu, sở thích của bản thân với nghề nghiệp thuộc lĩnh vực STEM.
1.1.3.4. Các kĩ năng trong giáo dục STEM
Giáo dục STEM không phải là để học sinh trở thành những nhà toán học, nhà khoa học, kỹ sư hay những kỹ thuật viên mà là phát triển cho học sinh các kỹ năng có thể được sử dụng để làm việc và phát triển trong thế giới công nghệ hiện đại ngày nay. Kỹ năng STEM được hiểu là sự tích hợp, lồng ghép hài hòa từ bốn nhóm kỹ năng là: Kỹ năng khoa học, kỹ năng công nghệ, kỹ năng kỹ thuật và kỹ năng toán học.
– Kỹ năng khoa học: Là khả năng liên kết các khái niệm, nguyên lý, định luật và các cơ sở lý thuyết của giáo dục khoa học để thực hành và sử dụng kiến thức này để giải quyết các vấn đề trong thực tế.
– Kỹ năng công nghệ: Là khả năng sử dụng, quản lý, hiểu biết, và truy cập được công nghệ. Công nghệ là từ những vật dụng hằng ngày đơn giản nhất như quạt mo, bút chì đến những hệ thống sử dụng phức tạp như mạng internet, mạng lưới điện quốc gia, vệ tinh… Tất cả những thay đổi của thế giới tự nhiên mà phục vụ nhu cầu của con người thì được coi là công nghệ.
– Kỹ năng kỹ thuật: Là khả năng giải quyết vấn đề thực tiễn diễn ra trong cuộc sống bằng cách thiết kế các đối tượng, hệ thống và xây dựng các quy trình sản xuất để tạo ra đối tượng. Hiểu một cách đơn giản, học sinh được trang bị kỹ năng kỹ thuật là có khả năng sản xuất ra đối tượng và hiểu được quy trình để làm ra nó. Học sinh phải có khả năng phân tích, tổng hợp và kết hợp để biết cách làm thế nào cân bằng các yếu tố liên quan (như khoa học, nghệ thuật, công nghệ, kỹ thuật) để có được một giải pháp tốt nhất trong thiết kế và xây dựng quy trình. Ngoài ra, học sinh còn có khả năng nhìn nhận ra nhu cầu và phản ứng của xã hội trong những vấn đề liên quan đến kỹ thuật.
– Kỹ năng toán học: Là khả năng nhìn nhận và nắm bắt được vai trò của toán học trong mọi khía cạnh tồn tại trên thế giới. Học sinh có kỹ năng toán học sẽ có khả năng thể hiện các ý tưởng một cách chính xác, áp dụng các khái niệm và kĩ năng toán học vào cuộc sống hằng ngày.
1.1.3.5. Xây dựng và thực hiện bài học STEM
a. Tiêu chí xây dựng bài học STEM
Tiêu chí 1: Chủ đề bài học STEM tập trung vào các vấn đề của thực tiễn
Tiêu chí 2: Cấu trúc bài học STEM theo quy trình thiết kế kĩ thuật
Tiêu chí 3: Phương pháp dạy học bài học STEM đưa học sinh vào hoạt động tìm tòi và khám phá, định hướng hành động, trải nghiệm và sản phẩm
Tiêu chí 4: Hình thức tổ chức bài học STEM lôi cuốn học sinh vào hoạt động nhóm kiến tạo
Tiêu chí 5: Nội dung bài học STEM áp dụng chủ yếu từ nội dung khoa học và toán mà học sinh đã và đang học
Tiêu chí 6: Tiến trình bài học STEM tính đến có nhiều đáp án đúng và coi sự thất bại như là một phần cần thiết trong học tập
b. Quy trình xây dựng bài học STEM
Bước 1: Lựa chọn chủ đề bài học
Căn cứ vào nội dung kiến thức trong chương trình môn học và các hiện tượng, quá trình gắn với các kiến thức đó trong tự nhiên; quy trình hoặc thiết bị công nghệ có sử dụng của kiến thức đó trong thực tiễn…để lựa chọn chủ đề của bài học
Bước 2: Xác định vấn đề cần giải quyết
Sau khi chọn chủ đề của bài học, cần xác định vấn đề cần giải quyết để giao cho học sinh thực hiện sao cho khi giải quyết vấn đề đó, học sinh phải học được những kiến thức, kĩ năng cần dạy trong chương trình môn học đã được lựa chọn (đối với STEM kiến tạo) hoặc vận dụng những kiến thức, kỹ năng đã biết (đối với STEM vận dụng) để xây dựng bài học.
Bước 3: Xây dựng tiêu chí của thiết bị/giải pháp giải quyết vấn đề
Sau khi đã xác định vấn đề cần giải quyết/sản phẩm cần chế tạo, cần xác định rõ tiêu chí của giải pháp/sản phẩm. Những tiêu chí này là căn cứ quan trọng để đề xuất giả thuyết khoa học/giải pháp giải quyết vấn đề/thiết kế mẫu sản phẩm.
Bước 4: Thiết kế tiến trình tổ chức hoạt động dạy học.
1.1.3.6. Đánh giá trong tổ chức dạy học theo định hướng giáo dục STEM
– Hình thức đánh giá : Đánh giá bằng nhận xét, đánh bằng động viên, đánh giá bằng xếp loại.
– Kĩ thuật đánh giá: đánh giá quan sát hoạt động, đánh giá qua hồ sơ hoạt động, đánh giá qua sản phẩm hoạt động, đánh giá qua thảo luận, phỏng vấn sâu, học sinh tự đánh giá.
– Công cụ đánh giá của giáo viên bao gồm: Phiếu quan sát học sinh, bảng kiểm, nhật kí, câu hỏi, bài tập tình huống…
– Công cụ tự đánh giá của học sinh bao gồm: Phiếu tự đánh giá, bản thu hoạch cá nhân,…
– Công cụ đánh giá của cha mẹ học sinh bao gồm: Phiếu đánh giá.
1.1.4. Dạy học Vật lí theo định hướng giáo dục STEM nhằm phát triển năng lực tự học cho học sinh
Vật lí học là ngành khoa học nghiên cứu các dạng vận động đơn giản nhất của vật chất và tương tác giữa chúng. Vật lí học liên hệ mật thiết với Toán học và các môn khoa học tự nhiên khác.
Vật lí học cung cấp cơ sở cho kĩ thuật và công nghệ. Nhiều thành tựu của Vật lí học đã được ứng dụng rộng rãi, làm tiền đề cho các cuộc cách mạng khoa học, công nghệ.
Trong nhà trường phổ thông, môn Vật lí giúp học sinh có được những tri thức phổ thông cốt lõi của Vật lí học và ứng dụng của chúng trong cuộc sống. Một trong năm loại kiến thức cơ bản của Vật lí là nội dung dạy học các ứng dụng kỹ thuật. Có hai con đường dạy học ứng dụng kỹ thuật của Vật lý đó là:
* Con đường thứ nhất
Quan sát cấu tạo của đối tượng kĩ thuật đã có sẵn và tìm hiểu, giải thích nguyên tắc hoạt động của nó dựa trên các định luật vật lí.
Dạy ứng dụng kĩ thuật vật lý theo con đường này thực chất là giải bảo toàn hộp trắng: Biết đầu vào, đầu ra, cấu tạo bên trong của hộp, hãy giải thích tại sao đầu vào thế này, nhờ thiết bị lại cho đầu ra như vậy? Để đưa ra lời giải thích đúng, điều quan trọng trước tiên là học sinh phải xác định được điều cần giải thích.
Đây là con đường phổ biến đang được áp dụng trong dạy học truyền thống trong các bài học vật lý về các thiết bị kỹ thuật. Chủ yếu là giảng giải- minh họa, HS lắng nghe, thông hiểu, ghi nhớ và khi cần thì tái hiện lại.
* Con đường thứ hai
Dựa trên định luật vật lí vừa học, thiết kế một dụng cụ, máy móc nhằm giải quyết một yêu cầu kĩ thuật nào đó. Con đường này thực chất là sự sáng chế một thiết bị máy móc dùng trong kĩ thuật. Ở đây, hiện tượng vật lí và các định luật vật lí đã được biết dưới dạng tổng quát, yêu cầu là phải tìm ra một thiết bị có cấu tạo thích hợp để tạo ra hiện tượng vật lí đáp ứng được một số yêu cầu cụ thể của sản xuất và đời sống.
Nhận xét: Đây là con đường dạy học sáng tạo: HS được đặt vào vị trí nhà khoa học để tái phát minh ra thiết bị. Mô hình dạy học dự án là sự hiện thực hóa dạy học ứng dụng kỹ thuật của vật lý theo con đường này.
Trong dạy học môn Vật lí, các ứng dụng kỹ thuật thường liên quan hầu hết đến các lĩnh vực giáo dục STEM, tức là: Khi tự làm sản phẩm kĩ thuật, học sinh phải sử dụng các công nghệ gia công vật liệu, phải vẽ và đọc được bản vẽ kỹ thuật và phải đo đạc, tính toán kích thước vật liệu. Vì vậy, khi lựa chọn dạy học những nội dung này theo định hướng giáo dục STEM sẽ phát huy những thế mạnh của dạy học STEM tốt nhất.
1.2. Cơ sở thực tiễn
1.2.1. Thực trạng việc vận dụng giáo dục STEM trong dạy học tại một số trường THPT trên địa bàn huyện Miền núi – tỉnh Nghệ An
Theo kết quả điều tra của GV Hồ Sĩ Hào – Giáo viên môn Toán tại trường THPT Anh Sơn 2, đạt SKKN bậc 4 năm học 2020- 2021 về dạy dọc Toán theo định hướng giáo dục STEM cho thấy:
Các trường THPT trên địa bàn huyện Miền núi- nghệ An dạy học theo định hướng giáo dục STEM đang được thử nghiệm tại một số môn học. Thường tập trung qua các hình thức: dạy học tích hợp theo định hướng giáo dục STEM, sinh hoạt câu lạc bộ STEM, Các cuộc thi, các hoạt động trải nghiệm sáng tạo. Qua đó cho thấy bước đầu có kết quả khả quan
Tại trường THPT Anh Sơn 2, mặc dù là trường miền núi, điều kiện cơ sở vật
chất còn nhiều khó khăn nhưng trong những năm qua nhà trường rất chú trọng việc bồi dưỡng phát triển năng lực cho học sinh, học đi đôi với hành, hướng dẫn học sinh tham gia vận dụng kiến thức đã học vào thực tiễn cuộc sống. Vì vậy phong trào HS tham gia cuộc thi sáng tạo khoa học kĩ thuật tỉnh Nghệ An rất tích cực, nhiều em đạt được thành tích cao trong các cuộc thi cấp tỉnh, cấp quốc gia. Nổi bật là em Trần Mạnh Cường, giải nhất quốc gia cuộc thi KHKT năm 2016 và Em Nguyễn Trần Huyền Anh, giải ba quốc gia sáng tạo thanh thiếu niên nhi đồng năm 2019, Em Trần Thị Hồng Thắm giải ba cuộc thi sáng tạo thanh thiếu niên Nhi đồng toàn quốc năm 2021, Em Bùi Khôi Nguyên giải nhì cuộc thi KHKT cấp tỉnh năm học 2021-2022.
1.2.2. Thực trạng dạy học Vật lí theo định hướng giáo dục STEM nhằm phát triển năng lực tự học của HS tại một số trường THPT trên địa bàn huyện Anh Sơn và huyện Thanh Chương.
Để tìm hiểu và định hướng cho quá trình thiết kế tiến trình tổ chức và lựa chọn nội dung dạy học STEM chủ đề “Máy điện” trong chương trình vật lý 12, tôi đã tiến hành tìm hiểu thực trạng dạy học vật lí theo định hướng giáo dục STEM và nhu cầu của HS trong hoạt động TNST tại trường phổ thông.
Chúng tôi khảo sát bằng phiếu điều tra đối với 20 giáo viên (GV) dạy môn Vật lí ở các trường THPT Anh Sơn 1, THPT Anh Sơn 2, THPT Anh Sơn 3, THPT Thanh Chương 1, thpt Đặng Thúc Hứa, THPT Nguyễn Sỹ Sách và 100 HS trường THPT Anh Sơn 2 và THPT Nguyễn Sỹ Sách. Kết quả thu được như sau: