SKKN Phát triển năng lực Vật lí của học sinh trong dạy học STEM chủ đề “Sóng âm” – Vật lí 12

Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Lí do chọn đề tài
Ngày 4/5/2017, Thủ tướng Chính phủ ban hành Chỉ thị số 16/CT-TTg về việc tăng cường năng lực tiếp cận cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Một trong các giải pháp mà Chỉ thị đề ra nhằm thúc đẩy giáo dục STEM tại Việt Nam là: “Thay đổi mạnh mẽ các chính sách, nội dung, phương pháp giáo dục và dạy nghề nhằm tạo ra nguồn nhân lực có khả năng tiếp nhận các xu thế công nghệ sản xuất mới, trong đó cần tập trung vào thúc đẩy đào tạo về khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học (STEM), ngoại ngữ, tin học trong chương trình giáo dục phổ thông”.
Theo chương trình giáo dục phổ thông 2018, giáo dục STEM là mô hình giáo dục dựa trên cách tiếp cận liên môn, giúp học sinh 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. Từ đó, trang bị cho học sinh những kiến thức khoa học gắn liền với ứng dụng của chúng trong thực tiễn.
Trong dự thảo chương trình giáo dục phổ thông tổng thể, giáo dục STEM đã được chú trọng thông qua các biểu hiện: Chương trình giáo dục phổ thông mới có đầy đủ các môn học STEM. Đó là các môn Toán học; Khoa học tự nhiên; Công nghệ; Tin học; Vị trí, vai trò của giáo dục tin học và giáo dục công nghệ trong chương trình giáo dục phổ thông mới đã được nâng cao rõ rệt. Điều này không chỉ thể hiện rõ tư tưởng giáo dục STEM mà còn là sự điều chỉnh kịp thời của giáo dục phổ thông trước cuộc cách mạng công nghiệp 4.0.
Ngày 06/12/2022 Sở GD&ĐT Nghệ An ban hành công văn số 2696/SGD&ĐT- GDTrH về việc điều động giáo viên tham gia tập huấn chuyên sâu về giáo dục STEM, hướng nghiệp nhằm nâng cao hiệu quả triển khai chương trình giáo dục phổ thông 2018.
Từ những yêu cầu về dạy học tích hợp, đổi mới phương pháp trong chương trình GDPT, nhận thấy vai trò của giáo dục STEM cực kỳ quan trọng.
Thúc đẩy và triển khai giáo dục STEM là một trong những ưu thế của môn Vật lí trong chương trình giáo dục phổ thông 2018. Ở cấp THPT, Vật lí, Hóa học, Sinh học là môn lựa chọn thuộc nhóm Khoa học tự nhiên, cùng với các chuyên đề học tập tích hợp liên môn và các chuyên đề phân môn ứng dụng thực tế là những thay đổi quan trọng nhằm phát triển một chương trình giáo dục theo định hướng STEM trong giáo dục Việt Nam.
Giáo dục Vật lí ở cấp trung học phổ thông tiếp tục phát triển, ở mức cao hơn, các năng lực vật lí mà học sinh đã tích lũy được sau khi kết thúc trung học cơ sở; tạo cơ hội phát triển ý thức, trách nhiệm sống và cách thức ứng xử khoa học. Năng lực vật lí của HS THPT biểu hiện qua các thành phần: Nhận thức kiến thức Vật lí, tìm tòi và khám phá thế giới tự nhiên dưới góc độ Vật lí, vận dụng kiến thức Vật lí

vào thực tiễn.
Từ những lý do trên, tôi chọn đề tài nghiên cứu: “Phát triển năng lực Vật lí của học sinh trong dạy học STEM chủ đề “Sóng âm” – Vật lí 12”.
2. Mục đích nghiên cứu
– Nghiên cứu cơ sở lý luận về giáo dục STEM trong trường phổ thông; dạy học định hướng phát triển năng lực Vật lí HS THPT.
– Thiết kế, tổ chức dạy học STEM chủ đề “Sóng âm”- Vật lí 12 cơ bản theo hướng phát triển năng lực Vật lí cho HS THPT.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
– Đối tượng nghiên cứu: Phương pháp và hình thức tổ chức dạy học theo mô hình giáo dục STEM; Thực nghiệm sư phạm trên đối tượng học sinh lớp 12 trường THPT Tương Dương 1.
– Phạm vi nghiên cứu: Hoạt động dạy và học khi tổ chức dạy học STEM chủ đề “Sóng âm”- Vật lí 12 cơ bản theo hướng phát triển năng lực Vật lí cho HS THPT.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
– Nghiên cứu cơ sở lí luận, cơ sở thực tiễn về giáo dục STEM; dạy học định hướng phát triển năng lực Vật lí.
– Phân tích nội dung kiến thức về “Sóng âm” trong chương trình vật lí THPT.
– Thiết kế và tổ chức thực hiện dạy học STEM chủ đề “Sóng âm”- Vật lí 12 cơ bản theo hướng phát triển năng lực Vật lí cho HS THPT.
– Xây dựng bộ công cụ đánh giá năng lực Vật lí của HS trong dạy học STEM chủ đề “Sóng âm” – Vật lí 12.
– Tiến hành thực nghiệm sư phạm, phân tích kết quả thu được. Đánh giá hiệu quả việc dạy học STEM hướng phát triển năng lực Vật lí cho HS.
5. Phương pháp nghiên cứu
– Nghiên cứu lý luận dạy học Vật lí theo mô hình giáo dục STEM; lý luận về năng lực Vật lí.
– Khảo sát điều tra, phân tích tổng hợp lý thuyết, bài tập từ các tài liệu, sách giáo khoa, sách tham khảo, phỏng vấn trao đổi, nghiên cứu sản phẩm.
– Xây dựng và sử dụng bộ công cụ đánh giá năng lực Vật lí trong dạy học STEM chủ đề “Sóng âm” – Vật lí 12 cơ bản.
– Tổ chức dạy học thực nghiệm và thực nghiệm sư phạm. Thu thập và phân tích số liệu, đánh giá kết quả thu được từ thực nghiệm sư phạm.
6. Những đóng góp của đề tài
– Trình bày cơ sở lý luận về giáo dục STEM; dạy học định hướng phát triển năng lực Vật lí.
– Thiết kế và tổ chức thực hiện dạy học STEM chủ đề “Sóng âm”- Vật lí 12 cơ bản, phát triển năng lực Vật lí cho HS THPT.
– Xây dựng bộ công cụ đánh giá năng lực Vật lí của HS trong dạy học STEM chủ đề “Sóng âm” – Vật lí 12.
– Tiến hành thực nghiệm sư phạm tại trường THPT Tương Dương 1 bài dạy STEM chủ đề “Sóng âm”.
– Các kết quả nghiên cứu của đề tài làm tài liệu tham khảo, nghiên cứu về giáo dục STEM cho GV trường phổ thông.

Phần 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
I. CỞ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC VẬT LÍ CỦA HS TRONG DẠY HỌC STEM CHỦ ĐỀ “SÓNG ÂM” – VẬT LÍ 12
1. Cơ sở lí luận
1.1. Khái niệm giáo dục STEM
1.1.1. 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). Thuật ngữ này được sử dụng khi đề cập đến các chính sách phát triển về Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học của mỗi quốc gia. Hiện nay thuật ngữ này được dùng chủ yếu trong hai ngữ cảnh là giáo dục và nghề nghiệp.
1.1.2. Giáo dục STEM
Theo chương trình giáo dục phổ thông 2018, giáo dục STEM là mô hình giáo dục dựa trên cách tiếp cận liên môn, giúp học sinh áp dụng các kiến thức khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học vào giải quyết một số vấn đề thực tiễn trong bối cảnh cụ thể. Khi chủ đề tích hợp liên môn không chỉ liên quan tới khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán, mà còn quan tâm lồng ghép nghệ thuật và nhân văn (Art), thì sẽ có giáo dục STEAM.
Nhằm đa dạng hóa hình thức tổ chức giáo dục STEM trong trường phổ thông, tại Công văn số 3089/BGDĐT–GDTrH, ngày 14/8/2020 của Bộ Giáo dục và Đào tạo về việc triển khai thực hiện giáo dục STEM trong giáo dục trung học, giáo dục STEM được mở rộng hơn. Theo đó, giáo dục STEM là một phương thức giáo dục nhằm trang bị cho học sinh những kiến thức khoa học gắn liền với ứng dụng của chúng trong thực tiễn.
Nhìn chung, khi đề cập tới STEM, giáo dục STEM, cần nhận thức và hành động theo cả hai cách hiểu sau đây:
– Một là, TƯ TƯỞNG (chiến lược, định hướng) giáo dục, bên cạnh định hướng giáo dục toàn diện, THÚC ĐẨY giáo dục 4 lĩnh vực: Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật, và Toán học với mục tiêu “định hướng và chuẩn bị nguồn nhân lực đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các ngành nghề liên quan tới các lĩnh vực STEM, nhờ đó, nâng cao sức cạnh tranh của nền kinh tế”.
– Hai là, phương pháp TIẾP CẬN LIÊN MÔN (khoa học, công nghệ, kĩ thuật, toán) trong dạy học với mục tiêu: (1) Nâng cao hứng thú học tập các môn học thuộc lĩnh vực STEM; (2) Vận dụng kiến thức liên môn để giải quyết các vấn đề thực tiễn;
(3) Kết nối trường học và cộng đồng; (4) Định hướng hành động, trải nghiệm trong học tập; (5) Hình thành và phát triển năng lực và phẩm chất người học.
1.2. Mục tiêu của giáo dục STEM
Giáo dục STEM trong trường phổ thông hướng tới mục tiêu thúc đẩy giáo dục các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học trên tất cả các phương diện về chương trình, đội ngũ giáo viên, cơ sở vật chất vàchính sách; nâng cao nhận thức của nhà trường, xã hội về vai trò, ý nghĩa của các môn học thuộc lĩnh vực STEM trong trường phổ thông; thu hút sự quan tâm, nâng cao hứng thú và chất lượng học tập của học sinh về những môn học này; kết hợp với hoạt động giáo dục hướng nghiệp và định hướng phân luồng, nâng cao tỉ lệ học sinh có xu hướng lựa chọn nghề nghiệp thuộc các lĩnh vực STEM, đáp ứng yêu cầu về nguồn nhân lực STEM cho sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa và phát triển kinh tế xã hội của đất nước.
1.3. Vai trò, ý nghĩa giáo dục STEM trong trường phổ thông
Việc đưa giáo dục STEM vào trường phổ thông 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 duy trì sự quan tâm các môn học thuộc lĩnh vực toán, khoa học, các lĩnh vực công nghệ, kĩ 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 để giáo dục STEM đạt hiệu quả mong muốn.
– Nâng cao hứng thú học tập các môn học thuộc lĩnh vực STEM
Các hoạt động 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 đối với các môn học thuộc lĩnh vực STEM và xuất hiện xu hướng lựa chọn nghề nghiệp phù hợp.
– Hình thành và phát triển năng lực, phẩm chất cho học sinh
Khi triển khai các bài dạy STEM, học sinh được hợp tác với nhau, chủ động và tự lực thực hiện các nhiệm vụ học; được làm quen với hoạt động có tính chất nghiên cứu khoa học, kĩ thuật. Các hoạt động nêu trên góp phần tích cực vào hình thành và phát triển phẩm chất, năng lực cho học sinh. Đó là các năng lực chung cốt lõi (tự chủ và tự học, giao tiếp và hợp tác, giải quyết vấn đề và sáng tạo); các năng lực đặc thù như năng lực toán học, năng lực khoa học, năng lực công nghệ và năng lực tin học.
– Kết nối trường học với cộng đồng
Để đảm bảo triển khai hiệu quả giáo dục STEM, cơ sở giáo dục phổ thông cần kết nối với các cơ sở giáo dục nghề nghiệp, giáo dục đại học, cơ sở nghiên cứu, cơ sở sản xuất tại địa phương nhằm khai thác nguồn lực về con người, cơ sở vật chất, tài chính để 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 phổ thông, 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. Qua đó, học sinh có được lựa chọn nghề nghiệp đúng đắn. Thực hiện tốt giáo dục STEM ở trường phổ thông cũng là cách thức thu hút học sinh theo học, lựa chọn các ngành nghề thuộc lĩnh vực STEM, các ngành nghề có nhu cầu cao về nguồn nhân lực trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư.
1.4. Định hướng giáo dục STEM trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018
Trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018, giáo dục STEM vừa mang nghĩa thúc đẩy giáo dục các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kĩ thuật, và toán học vừa thể hiện phương pháp tiếp cận liên môn, phát triển năng lực và phẩm chất người học. Cụ thể là:
Theo tiếp cận thúc đẩy giáo dục các lĩnh vực STEM
– Chương trình giáo dục phổ thông 2018 có đầy đủ các môn học thuộc lĩnh vực STEM. Đó là môn Toán, các môn khoa học tự nhiên, môn Công nghệ, và môn Tin h
ọc. Trong đó, môn tin học được xem như thuộc lĩnh vực công nghệ (ở mạch nội dung ICT).
– Chương trình môn Toán chú trọng vận dụng toán học vào thực tiễn, dành thời lượng đáng kể cho các hoạt động trải nghiệm trong môn học. Quan điểm này là cơ sở tổ chức các hoạt động giáo dục STEM trong quá trình dạy học môn Toán.
– Vị trí, vai trò của môn Công nghệ và môn Tin học trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018 đã được nâng cao rõ rệt. Điều này không chỉ thể hiện rõ tư tưởng giáo dục STEM mà còn là sự điều chỉnh kịp thời của giáo dục phổ thông trước cuộc Cách mạng công nghiệp 4.0.
– Việc hình thành nhóm môn Công nghệ và Nghệ thuật ở giai đoạn giáo dục định hướng nghề nghiệp cùng với quy định lựa chọn 5 môn học trong 3 nhóm, trong đó mỗi nhóm chọn ít nhất một môn sẽ đảm bảo mọi học sinh đều được học các môn học thuộc lĩnh vực STEM.
Theo tiếp cận liên môn trong dạy học các lĩnh vực STEM
– Có nhiều chủ đề STEM trong chương trình môn học tích hợp ở giai đoạn giáo dục cơ bản như các môn Tự nhiên và Xã hội, Khoa học, Tin học và Công nghệ (ở tiểu học), môn Khoa học tự nhiên (ở trung học cơ sở).
– Có các chuyên đề học tập về STEM, nghề nghiệp STEM ở lớp 10, 11, 12 trong các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán; các hoạt động trải nghiệm dưới hình thức câu lạc bộ nghiên cứu khoa học, trong đó có các hoạt động nghiên cứu STEM.
– Tính mở của Chương trình giáo dục phổ thông 2018 cũng cho phép một số nội dung giáo dục STEM có thể được xây dựng thông qua nội dung giáo dục địa phương, kế hoạch giáo dục nhà trường; qua những chương trình, hoạt động STEM được triển khai, tổ chức thông qua hoạt động xã hội hóa giáo dục.
– Định hướng đổi mới phương pháp giáo dục nêu trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018 cũng phù hợp với giáo dục STEM ở cấp độ dạy học tích hợp theo chủ đề liên môn, vận dụng kiến thức liên môn giải quyết các vấn đề thực tiễn.
1.5. Giáo dục STEM trong môn Vật lí cấp THPT
a. Mục tiêu môn Vật lí
Giáo dục vật lí ở cấp THPT tiếp tục phát triển, ở mức cao hơn, các năng lực vật lí mà học sinh đã tích lũy được sau khi kết thúc THCS; tạo cơ hội phát triển ý thức, trách nhiệm sống và cách thức 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 học sinh. Kết thúc trung học phổ thông, học sinh có hiểu biết đại cương và định hướng nghề liên quan đến môn vật lí như Cơ điện tử, Tự động hóa, Vật liệu nano, Quang học lượng tử, Y học vật lí, Năng lượng hạt nhân, Thiên văn học, Vật lí môi trường.
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 theo các quy luật 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 THPT nội dung được thiết kế chi tiết theo các mạch logic với những hệ Vật lí đơn giản đến phức tạp.
Trong dạy học vật lí, có những nội dung cơ bản, cốt lõi, phổ thông tất cả học sinh đều phải học. Bên cạnh đó, có những nội dung có tính đặc thù, chuyên biệt nhằm đáp ứng nguyện vọng, sở thích của học sinh, phù hợp với yêu cầu của từng địa phương, vùng miền.
Các chuyên đề học tập trong môn Vật lí: Vật lí trong một số ngành nghề; Trái Đất và bầu trời; Vật lí với giáo dục và bảo vệ môi trường; trường hấp dẫn; truyền thông tin bằng sóng vô tuyến; mở đầu về điện tử học; dòng điện xoay chiều; một số ứng dụng vật lí trong chuẩn đoán y học; Vật lí lượng tử.
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 trình giáo dục phổ thông 2018 bao gồm: (1) Giáo dục vật lí qua giáo dục STEM giúp học sinh thấy được ý nghĩa và tầm quan trọng của môn học với thực tiễn.