SKKN Hình thành và phát triển năng lực giải quyết vấn đề, sáng tạo cho HS thông qua một số bài dạy STEM trong chương “động lực học” và “năng lượng” vật lí 10

Phần 1: ĐẶT VẪN ĐỀ
1. Lí do chọn đề tài
Hội nghị lần thứ 8, Ban Chấp hành Trung ương khóa XI đã ban hành nghị quyết số 29-NQ/TW ngày 04/11/2013 “về đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo, đáp ứng yêu cầu công nghiệp hóa, hiện đại hóa trong điều kiện kinh tế thị trường định hướng xã hội chủ nghĩa và hội nhập quốc tế”. Đổi mới căn bản nền giáo dục đầu tiên chúng ta cần phải đổi mới phương pháp DH và hình thức tổ chức giáo dục theo hướng tiếp cận năng lực HS.
Thực trạng dạy và học vật lí ở trường phổ thông đang gặp nhiều khó khăn và bất cập. Việc dạy và học đang còn quá nặng về nội dung và điểm số, hay nói cách khác dạy để thi, học để thi chứ không phải chú trọng đến việc HS làm được cái gì trong và sau khi học. Trong giờ Vật lí, lượng thời gian để GV và HS liên hệ thực tế, mở rộng, thực hiện các thí nghiệm, nâng cao kiến thức là rất hạn chế do lượng kiến thức tương đối nhiều. Do đó, để hoàn thành tốt các yêu cầu trên là rất khó khăn.
DH vật lí ở trường trung học phổ thông đã trang bị cho HS các hệ thống kiến thức, giáo dục kĩ thuật tổng hợp, giáo dục thế giới quan, nhân cách và đặc biệt là phát triển và bồi dưỡng tư duy khoa học. Đây là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong DH vật lí. Bên cạnh đó, môn Vật lí đã cung cấp các kiến thức khoa học làm cơ sở cho nhiều ngành kĩ thuật, từ đó góp phần thực hiện nhiệm vụ giáo dục kĩ thuật tổng hợp.
Năm đầu tiên thực hiện chương trình giáo dục phổ thông 2018, sự thay đổi về phương pháp giáo dục từ chương trình 2006. Thực trạng ở các trường THPT còn gặp rất nhiều khó khăn, về phía GV vừa tiếp cận chương trình mới, về phía HS là thế hệ học chương trình giáo dục 2006 ở trường THCS nên khi bước vào THPT và học theo chương trình mới thì phương pháp học tập nghiên cứu đang còn mới lạ và bắt đầu hình thành phương pháp mới. Bên cạnh đó các bộ thí nghiệm Vật lí ở các trường THPT theo chương trình cũ cũng không còn phù hợp nữa, cộng với thời hạn sử dụng cũng đã hết nên để thực hiện được các thí nghiệm sẵn có ở trường phổ thông là vấn đề rất khó thực hiện. Còn các bộ thí nghiệm theo chương trình mới thì vẫn chưa được tiếp nhận, vì vậy để thực hiện được nhiệm vụ giáo dục theo chương trình giáo dực phổ thông 2018 chúng tôi đã bắt tay vào thiết kế, xây dựng và thực hiện một số bài dạy giáo dục STEM Vật lí nhằm phát huy năng lực và phẩm chất của HS trong giai đoạn mới.
Giáo dục STEM đưa ra cho HS những vấn đề thực tiễn trong cuộc sống hàng ngày cần được giải quyết, đòi hỏi người thực hiện phải tìm hiểu thực tiễn, thu nhận các tri thức khoa học và vận chúng để thiết kế, thực hiện giải quyết vấn đề được giao trong một hoàn cảnh cụ thể. Giáo dục STEM được xuất phát từ những vấn đề mâu thuẫn trong thực tiễn đã được thiết kế thành các bài dạy STEM, GV tổ chức hoạt động sẽ giúp cho HS tìm ra được giải pháp để giải quyết vấn đề đã nêu ra. Giáo dục STEM sẽ góp phần cho chúng ta trả lời được câu hỏi: Dạy cái gì và phải dạy như thế nào để HS làm được gì trong thực tiễn?
Xuất phát từ những lí do đã nêu trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu: “Hình thành và phát triển năng lực giải quyết vấn đề, sáng tạo cho HS thông qua một số bài dạy STEM trong chương “động lực học” và “năng lượng” vật lí 10” để đóng góp một phần của giáo dục STEM vào trường học khi thực hiện chương trình giáo dục phổ thông 2018.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu
– Xây dựng kế hoạch bài dạy STEM vào chương trình giáo dục phổ thông 2018 nhằm phát triển phẩm chất và năng lực cho HS.
– Nâng cao năng lực tổ chức DH theo giáo dục STEM cho GV ở trường THPT.
– Tạo hứng thú cho HS trong học tập, biết vận dụng kiến thức đã học vào giải quyết các vấn đề trong thực tiễn.
– Phát huy tính tích cực, tự lực và phát triển năng lực sáng tạo, đam mê nghiên cứu khoa học của HS để chế tạo các sản phẩm để phục vụ cho học tập và cuộc sống hằng ngày.
Nhiệm vụ nghiên cứu
– Nghiên cứu cơ sở lí luận về DH STEM
– Nghiên cứu cơ sở lí luận và thực tiễn DH STEM chương Động lực học và Năng lượng, công, công suất Vật lí 10 để thiết kế, chế tạo các thiết bị thí nghiệm kiểm chứng và các sản phẩm kĩ thuật theo kế hoạch bài dạy STEM.
– Thiết kế xây dựng và thực hiện các kế hoạch bài dạy STEM về lực ma sát, Cân đòn và Chiếc xe tự hành.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
– Đối tượng nghiên cứu của đề tài:
+ Giáo dục STEM trong chương trình giáo dục phổ thông 2018.
+ Thiết kế, xây dựng và thực hiện kế hoạch bài dạy STEM khoa học và STEM kĩ thuật môn Vật lí 10.
– Phạm vi nghiên cứu:
Chương Động lực học. Năng lượng, công, công suất – Vật lí 10 chương trình giáo dục phổ thông 2018, thực hiện ở khối lớp 10, Trường THPT Nghi Lộc 4, huyện Nghi Lộc, tỉnh Nghệ An.
4. Giả thuyết khoa học
– Nếu HS thiết kế, chế tạo và thực hiện thành công bộ thí nghiệm về lực ma sát thì sẽ kiểm chứng được các đặc điểm độ lớn của lực ma sát về sự chính xác khoa học mà đáng lẽ GV phải dạy cho HS.
– Nếu HS thiết kế, chế tạo và vận hành được sản phẩm về Chiếc cân đòn, Chiếc xe tự hành thì việc áp dụng kiến thức khoa học vào thực tiễn sáng chế xem như đã thành công bước đầu của nghiên cứu khoa học.
5. Phương pháp nghiên cứu
– Phương pháp nghiên cứu lý luận: Thu thập cơ sở lý luận, thông tin, số liệu để kết luận cho nghiên cứu.
– Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Thu thập các thông tin thực tiễn để đúc kết, xây dựng cơ sở thực tiễn cho bài, bao gồm:
+ Phương pháp điều tra.
+ Phương pháp nghiên cứu các sản phẩm hoạt động
+ Phương pháp thực nghiệm.
– Phương pháp thống kê: Để phục vụ cho quá trình phân tích, nghiên cứu, thu thập và xử lí số liệu.
6. Những đóng góp của đề tài
– Thiết kế được các kế hoạch bài dạy STEM gồm: Một bài STEM khoa học và hai bài STEM kĩ thuật cụ thể:
+ Bài STEM khoa học Lực ma sát, hướng dẫn HS thiết kế, chế tạo và thực hiện được bộ thí nghiệm kiểm chứng các đặc điểm của lực ma sát trượt.
+ Bài STEM kĩ thuật 1: “Chiếc cân đòn”, hướng dẫn HS vận dụng kiến thức về mô men lực và cân bằng của vật rắn để thiết kế, sử dụng các vật liệu tái chế, có sẵn để chế tạo được chiếc cân đòn và cân được trọng lượng của các vật như đồ dùng học tập hay các vật nhỏ ở phòng thí nghiệm.
+ Bài STEM kĩ thuật 2: “Chiếc xe tự hành” hướng dẫn HS vận dụng kiến thức về sự chuyển hóa giữa thế năng và động năng, định luật bảo toàn cơ năng, bảo toàn năng lượng để chế tạo được chiếc xe tự hành chuyển hóa thế năng thành động năng là chiếc xe ròng rọc.

Phần 2: NỘI DUNG
Chương 1. Cơ sở lí luận và thực tiễn về giáo dục STEM ở trường trung học phổ thông theo chương trình giáo dục phổ thông 2018.
1. Khái quát chung về giáo dục STEM
1.1. Thuật ngữ STEM?
STEM là thuật ngữ viết tắt của các từ Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kĩ thuật) và Mathematics (Toán học), thường được sử dụng khi nói đến các chính sách phát triển về Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học của mỗi quốc gia. Cụ thể, Science là quy trình sáng tạo ra kiến thức khoa học; Engineering là quy trình sử dụng kiến thức khoa học để thiết kế công nghệ mới nhằm giải quyết các vấn đề đặt ra; Toán là công cụ được sử dụng để thu nhận đánh giá các kết quả thu được và chia sẻ kết quả đó với những người khác.
1.2. Giáo dục STEM
Giáo dục STEM yêu cầu HS cần phải giải quyết các vẫn đề thực tiễn, đòi hỏi người học cần phải tìm tòi, chiếm lĩnh kiến thức khoa học và vận dụng các kiến thức đó để thiết kế và thực hiện giải pháp giải quyết vấn đề thực tiễn đã đặt ra. Như vậy, trong các bài học STEM sẽ được đề cập tới các vấn đề thực tiễn cần giải quyết từ đó yêu cầu HS có thể tự tìm hiểu nhiệm vụ hoặc GV sẽ giao cho HS giải quyết các vấn đề đó. Người học cần phải huy động kiến thức đã có và tìm tòi, chiếm lĩnh kiến thức mới để sử dụng. Quá trình đó đòi hỏi người học cần phải thực hiện theo “Quy trình khoa học” và “Quy trình kĩ thuật” để sử dụng kiến thức đó vào việc giải quyết vấn đề đã đặt ra.
Như vậy, chúng ta có thể mô tả giáo dục STEM trong chương trình giáo dục phổ thông như sau: Giáo dục STEM là mô hình giáo dục dựa trên cách tiếp cận liên môn, giúp HS áp dụng các kiến thức khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học vào giải quyết một số vấn đề thực tiễn trong bối cảnh cụ thể.
1.3. Giáo dục STEM môn Vật lí THPT trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018.
a. Mục tiêu
Giáo dục vật lí ở cấp THPT tiếp tục phát triển, ở mức cao hơn, các năng lực vật lí mà HS đã tích lũy được sau khi kết thúc trung học cơ sở; tạo cơ hội phát triển ý thức, trách nhiệm sống và cách ứng xử khoa học. Đồng thời qua học tập môn vật lí có nhiều cơ hội rèn luyện ý thức lao động, an toàn lao động, tác phong khoa học cẩn thận, chu đáo, nghiêm túc cho HS. Kết thúc trung học phổ thông, HS có hiểu biết đại cương và định hướng nghề nghiệp liên quan đến môn vật lí.
b. Nội dung giáo dục môn Vật lí
Nội dung vật lí trong chương trình giáo dục cũng vận hành xoay quanh các nguyên lí, khái niệm chung về thế giới tự nhiên: Sự đa dạng, tính cấu trúc, tính hệ thống, sự vận động và biến đổi, sự tương tác của thế giới tự nhiên và một số thuộc tính, tư tưởng riêng như tính tương đối, sự tương tự, tính bảo toàn trong sự vận động và phát triển của thế giới vật chất. Ở trung học phổ thông nội dung được thiết kế chi tiết theo các mạch logic với những hệ vật lí từ đơn giản đến phức tạp.
Trong DH vật lí, có những nội dung cơ bản cốt lõi, phổ thông tất cả HS phải học. Bên cạnh đó, có những nội dung có tính đặc thù, chuyên biệt nhằm đáp ứng nguyện vọng, sở thích của HS, phù hợp với những yêu cầu của tùng địa phương, vùng miền.
c. Định hướng giáo dục STEM trong môn Vật lí
Thúc đẩy và triển khai giáo dục STEM là một trong những ưu thế của môn Vật lí trong chương giáo dục phổ thông 2018 bao gồm: Giáo dục vật lí qua giáo dục STEM giúp HS thấy được ý nghiã và tầm quan trọng của môn học với thực tiễn. Cách làm này tăng cường sự hứng thú, sự quan tâm, thôi thúc HS chủ động học tập và làm việc hiệu quả. Giáo dục vật lí thông qua giáo dục STEM, có ưu thế hình thành và phát triển năng lực giải quyết vấn đề và sáng tạo, năng lực thiết kế một cách tự nhiên, hợp lí, tránh sự gượng ép; Giáo dục vật lí thông qua giáo dục STEM góp phần giáo dục hướng nghiệp, tạo cơ hội để HS tìm hiểu và xem xét các lĩnh vực nghề nghiệp theo nhiều góc độ, từ đó HS có thêm các căn cứ để lựa chọn nghề nghiệp phù hợp với bản thân thay vì lựa chọn cảm tính. Giáo dục vật lí thông qua giáo dục STEM góp phần phát triển năng lưc nghiên cứu theo chu trình khoa học và chu trình kĩ thuật một cách trọn vẹn.
Sản phẩm, quá trình công nghệ được tạo ra sau khi giáo dục môn Vật lí phổ thông qua giáo dục STEM luôn mang tính tích hợp, có ý nghĩa thực tiễn, liên hệ với Toán học và các môn khoa học khác. Đặc điểm này là cơ sở để tăng cường giáo dục STEM ngay trong DH môn Vật lí dựa vào các hoạt động nghiên cứu theo quy trình khoa học, quy trình thiết kế kĩ thuật, động viên nghiên cứu khoa học kĩ thuật.
2. Cơ sở thiết kế, tổ chức các hoạt động giáo dục STEM
2.1. Quy trình thiết kế kĩ thuật
Thiết kế kĩ thuật là quá trình phát hiện nhu cầu, vấn đề cần giải quyết, cần đổi mới trong thực tiễn; đề xuất giải pháp kĩ thuật, công nghệ đáp ứng nhu cầu, giải quyết vấn đề đặt ra; hiện thực hóa giải pháp kĩ thuật, công nghệ; thử nghiệm và đánh giá mức độ đáp ứng nhu cầu, vấn đề đặt ra. Quá trình trên được thực hiện trên cơ sở xem xét đầy đủ các khía cạnh về tài nguyên, môi trường, kinh tế và nhân văn.
2.2. Phương pháp khoa học
Đây là một phương pháp nghiên cứu trong đó những vấn đề khoa học, những số liệu liên quan được thu thập nhằm xây dựng những giả thuyết và những giả thuyết này được thực nghiệm kiểm chứng.
3. Hình thức tổ chức dạy học STEM
3.1. Khái quát về bài dạy STEM
Bài dạy STEM là quá trình DH dưới sự tổ chức của GV, HS chủ động thực hiện các hoạt động học tập trong một không gian, thời gian cụ thể để giải quyết các vấn đề thực tiễn trên cơ sở vận dụng kiến thức, kĩ năng trong các lĩnh vực STEM, góp phần hình thành phát triển phẩm chất và năng lực cho HS.
Đây là hình thức tổ chức giáo dục STEM chủ yếu trong nhà trường. Theo cách này, các bài dạy STEM được triển khai ngay trong quá trình DH các môn học thuộc lĩnh vực STEM theo tiếp cận nội môn hoặc liên môn.
Căn cứ vào cơ sở lý thuyết áp dụng, bài dạy STEM có thể được chia làm hai loại gồm: bài dạy STEM khoa học và bài dạy STEM kĩ thuật.
3.2. Bài dạy STEM khoa học
Là bài dạy STEM được thiết kế dựa trên quy trình khoa học, hướng tới tìm tòi, khám phá bản chất, quy luật của sự vật hiện tượng trong thế giới tự nhiên, được sử dụng chủ yếu trong các môn vật lí, hóa học, sinh học và được sử dụng chủ yếu trong hoạt động hình thành kiến thức mới của bài học.
Bài dạy STEM khoa học bao gồm 5 hoạt động chính, phản ánh được những bước chính trong quy trình khoa học. Đó là các hoạt động: (1) Xác định vấn đề khoa học, đề xuất giả thuyết khoa học; (2) Thiết kế thực nghiệm kiểm chứng; (3) Lựa chọn phương án thực nghiệm; (4) Tổ chức thực nghiệm, thảo luận kết quả; (5) Bảo cáo, đánh giá và điều chỉnh.
Bài dạy STEM kiểu này chú trọng hoạt động khám phá, tìm hiểu tự nhiên thông qua thực nghiệm khoa học, một trong những năng lực thành phần quan trọng của năng lực khoa học trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018.
Trọng tâm của bài dạy STEM khoa học là HS phải thiết kế và thực hiện được các thí nghiệm để phát hiện bản chất, quy luật, mối quan hệ của sự vật hiện tượng đề cập trong bài học. Từ đó, tự các em rút ra các kết luận có tính khoa học mà lẽ ra, GV giảng dạy cho HS.
3.3. Bài dạy STEM kĩ thuật
Là bài dạy STEM được thiết dựa trên quy trình thiết kế kĩ thuật, hướng tới phát hiện, đề xuất giải pháp giải quyết vấn đề trong thực tiễn trên cơ sở vận dụng các nguyên lí khoa học, toán và các công nghệ hiện có. Bài dạy STEM kĩ thuật được sử dụng trong các môn học của lĩnh vực STEM, là sự kết hợp giữa tìm tòi nguyên lí khoa học và vận dụng nó trong thiết kế, chế tạo các sản phẩm giải quyết vấn đề đặt ra hay đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.
Cấu trúc bài dạy STEM kĩ thuật gồm 5 hoạt động chính trên cơ sở quy trình 8 bước của hoạt động thiết kế kĩ thuật. Đó là các hoạt động:
(1) Xác định vấn đề thiết kế, chế tạo.
(2) Nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất giải pháp thiết kế.
(3) Lựa chọn giải pháp thiết kế.
(4) Chế tạo mẫu, thử nghiệm và đánh giá.
(5) Chia sẻ, thảo luận và điều chỉnh.
Bài dạy STEM kĩ thuật chú trọng thiết kế, chế tạo; định hướng sản phẩm giải quyết vấn đề đặt ra. Bên cạnh tư duy sáng tạo và giải quyết vấn đề, bài dạy STEM kĩ thuật yêu cầu HS có năng lực khám phá khoa học (để chiếm lĩnh tri thức khoa học); năng lực về kĩ thuật, công nghệ trong vẽ thiết kế sản phẩm, lựa chọn và gia công vật liệu cơ khí; thiết kế, lập trình và lắp ráp mạch điện điều khiển và tự động hóa…
Việc học của HS giống như công việc của các kĩ sư. Thông qua bài dạy STEM kĩ thuật, HS được tự mình khám phá tri thức khoa học, vận dụng tri thức đó để thiết kế, chế tạo các sản phẩm giải quyết vấn đề đặt ra, phát triển tư duy thiết kế, năng lực giải quyết vấn đề và sáng tạo.
Tổ chức thực hiện bài dạy STEM kĩ thuật thường kết hợp giữa hoạt động trên lớp và hoạt động ngoài giờ học. Trong đó, các hoạt động xác định vấn đề; lựa chọn giải pháp; chia sẻ, thảo luận và điều chỉnh thường được bố trí trên lớp, có sự điều khiển, giám sát của GV.
Chương 2. Xây dựng và thực hiện bài dạy STEM
1. Tìm hiểu thực trạng việc DH STEM ở bộ môn Vật lí trong trường THPT
1.1 Mục đích tìm hiểu
– Tìm hiểu hoạt động giáo dục STEM của các GV Vật lí THPT trên địa bàn huyện hiện đang tham gia DH vật lý lớp 10 chương trình giáo dục phổ thông 2018.
– Tìm hiểu PPDH tổ chức DH ở các bài trên đã được GV triển khai.
– Thực trạng hoàn thành được các mục tiêu giáo dục đề ra.
– Các nội dung đánh giá được chia thành 4 cấp độ theo thứ tự tăng dần từ cấp độ 1 đến cấp độ 4. Kết quả đánh giá được biểu thị dưới dạng phần trăm GV đã lựa chọn mức độ đó trên tổng số GV được tìm hiểu.
– Thời gian: Tháng 3 năm 2023.
1.2. Kết quả
Dựa trên thực tế khảo sát 20 GV ở một số trường phổ thông, qua trao đổi trực tiếp với GV giảng dạy bộ môn vật lí, các môn học khác và phiếu điều tra ở một số trường THPT ở Nghi Lộc. Kết quả của chúng tôi đã nhận được như sau