SKKN Vận dụng giáo dục STEM vào dạy học chủ đề “dòng điện trong chất điện phân” – Vật lý 11 – để phát triển năng lực học sinh.

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Lý do chọn đề tài
Chúng ta đang tích cực thực hiện đổi mới căn bản toàn diện giáo dục đào tạo theo tinh thần của Nghị quyết 29-BCHTW, đổi mới phương pháp dạy học, hình thức tổ chức dạy học để chuyển từ chủ yếu quan tâm đến việc cung cấp kiến thức sang việc quan tâm hình thành, phát triển các năng lực, phẩm chất người học, phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo của học sinh, tăng cường kĩ năng thực hành…
Trong các phương pháp, các kỹ thuật dạy học phát triển năng lực học sinh thì phương pháp dạy học STEM có vai trò quan trọng.
Giáo dục STEM đang trở thành một xu hướng giáo dục mang tính tất yếu trên thế giới. Hình thức giáo dục này đóng vai trò là đòn bẩy để thực hiện mục tiêu giáo dục năng lực cho các công dân tương lai đáp ứng nhu cầu của nền khoa học công nghệ 4.0 trong thế kỉ XXI.
Giáo dục STEM là một chương trình dạy học dựa trên ý tưởng trang bị cho người học kiến thức, kỹ liên quan đến khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học theo cách tiếp cận liên môn và người học có thể ứng dụng để giải vấn đề đới sống hàng ngày.
Giáo dục STEM có thể tạo ra những con người có đầy đủ năng lực đáp ứng nhu cầu chất lượng nhân lực thời đại cách mạng công nghệ 4.0.
Giáo dục STEM giúp học sinh đánh giá được năng lực, sở thích của bản thân từ đó giúp định hướng lựa chọn phát triển nghề trong tương lai.
Giáo dục STEM giúp hình thành kiến thức, kỹ năng, năng lực ở học sinh một cách tự nhiên thông qua những tình huống phối hợp, tranh luận để cùng nhau giải quyết vấn đề gặp phải trong nhiệm vụ học tập được giao.
Giáo dục STEM giúp khơi dậy niềm đam mê khám phá tri thức của học sinh thông qua tình huống học sinh gặp phải trong đời sống hàng ngày.
Nhưng làm thế nào để vận dụng phương pháp dạy học STEM vào trường THPT của ta để mang lại hiệu quả?
Bản thân tôi đã lồng ghép dạy học STEM với dạy học tích cực và xây dựng một số chủ đề dạy học theo điều kiện của nhà trường và tôi thấy đã mang lại hiệu quả khả quan. Vì vậy tôi mạnh dạn đơn cử một chủ đề mà tôi đã thực hiện tương đối có hiệu quả để làm sáng kiến kinh nghiệm, đó là “Vận dụng giáo dục STEM vào dạy học chủ đề DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN” – Vật lý 11 – để phát triển năng lực học sinh.
Hy vọng đề tài sẽ góp một phần nhỏ, là nguồn tài liệu có ích giúp các thầy cô và các bạn đọc tham khảo và vận dụng vào quá trình dạy học môn Vật lý theo định hướng STEM ở các trường phổ thông.

2. Mục đích đề tài
– Nghiên cứu vai trò giáo dục STEM trong dạy học Vật lý nhằm phát triển năng lực cho học sinh.
– Xây dựng chủ đề dạy học “Dòng điện trong chất điện phân” – Vật lý 11 theo phương pháp giáo dục STEM để phát triển năng lực học sinh.
– Thông qua trải nghiệm STEM trong chủ đề “Dòng điện trong chất điện phân” để phát triển các năng lực cho học sinh, tạo hứng thú và niềm tin trong học tập cho học sinh và phát triển tư duy sáng tạo, khả năng giải quyết vấn đề, khám phá tiềm năng của bản thân học sinh.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
– Đối tượng dạy học: HS lớp 11 trường THPT Nghi Lộc 2.
– Phạm vi nghiên cứu: Các chủ đề dạy học STEM phần dòng điện trong chất điện phân thuộc chương trình Vật lý 11 THPT. Tiến hành thực nghiệm sư phạm tại trường THPT Nghi Lộc 2, Nghi Lộc, Nghệ An.
– Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 09/2022 đến tháng 03/2023.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
– Xây dựng cơ sở lí luận và thực tiễn của giáo dục STEM nhằm định hướng phát triển năng lực, phẩm chất cho HS trong dạy học Vật lý ở trường phổ thông.
– Điều tra, phân tích thực trạng dạy học Vật lý theo định hướng STEM ở trường THPT Nghi Lộc 2 hiện nay. Trên cơ sở đó phân tích các nguyên nhân, khó khăn để đề xuất hướng giải quyết của đề tài.
– Xây dựng chủ đề dạy học “Dòng điện trong chất điện phân” – Vật lý 11 theo phương pháp giáo dục STEM để phát triển năng lực học sinh. Tiến hành thực nghiệm tổ chức dạy học chủ đề tại trường THPT Nghi Lộc 2.
5. Phương pháp nghiên cứu
– Phương pháp nghiên cứu tài liệu.
– Phương pháp quan sát, phương pháp điều tra.
– Phương pháp thực nghiệm sư phạm.
– Phương pháp thống kê toán học.
6. Tính mới và đóng góp của đề tài
Vận dụng giáo dục STEM vào dạy học chủ đề “DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN” – Vật lý 11 – để phát triển năng lực học sinh là giải pháp mới giải quyết được một số vấn đề sau:
+ Phát triển dạy học STEM trong trường học, góp phần đổi mới phương pháp và hình thức tổ chức dạy học trong trường THPT Nghi Lộc 2.
+ Phát triển được các năng lực cốt lõi, năng lực đặc thù cho học sinh và đồng thời phát triển các năng lực chuyên biệt dựa trên đặc thù của môn học Vật lý. Rèn luyện cho học sinh khả năng tự chủ, sáng tạo và kích thích hứng thú học tập, tạo thói quen nghiên cứu khoa học. Bên cạnh đó giúp các em hình thành một số năng lực cơ bản của người lao động trong thời đại mới.
+ Hình thành và phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho người học, trang bị cho người học khả năng vận dụng linh hoạt kiến thức vào đời sống. Học sinh vừa học được kiến thức liên môn, vừa học được cách vận dụng kiến thức đó vào thực tiễn, được giáo dục tích hợp đa ngành kết hợp ứng dụng thực tế.

PHẦN II: NỘI DUNG
1. Cơ sở lý luận
1.1. Giáo dục STEM
1.1.1. Khái niệm 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 bàn đến các chính sách phát triển về Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học của mỗi quốc gia. Sự phát triển về Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học được mô tả bởi chu trình STEM (Hình 1), trong đó 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; Toán là công cụ được sử dụng để thu nhận kết quả và chia sẻ kết quả đó với những người khác.
1.1.2. Giáo dục STEM
Phỏng theo chu trình STEM, giáo dục STEM đặt học sinh trước những vấn đề thực tiễn (“công nghệ” hiện tại) cần giải quyết, đòi hỏi học sinh phải tìm tòi, chiếm lĩnhkiến thức khoa học và vận dụng kiến thức để thiết kế và thực hiện giải pháp giải quyết vấn đề (“công nghệ” mới). Như vậy, mỗi bài học STEM sẽ đề cập và giao cho học sinh giải quyết một vấn đề tương đối trọn vẹn, đòi hỏi học sinh phải huy động kiến thức đã có và tìm tòi, chiếm lĩnh kiến thức mới để sử dụng. Quá trình đó đòi hỏi học sinh phải thực hiện theo “Quy trình khoa học” (để chiếm lĩnh kiến thức mới) và “Quy trình kĩ thuật” để sử dụng kiến thức đó vào việc thiết kế và thực hiện giải pháp (“công nghệ” mới) để giải quyết vấn đề. Đây chính là sự tiếp cận liên môn trong giáo dục STEM, dù cho kiến thức mới mà học sinh cần phải học để sử dụng trong một bài học STEM cụ thể có thể chỉ thuộc một môn học.
Như vậy, giáo dục STEM được sử dụng theo mô tả trong Chương trình giáo dục phổ thông năm 2018 như sau: 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.

1.1.3. Mục tiêu giáo dục STEM
Dưới góc độ giáo dục và vận dụng trong bối cảnh Việt Nam, giáo dục STEM một mặt thực hiện đầy đủ mục tiêu giáo dục đã nêu trong chương trình giáo dục phổ thông, mặt khác giáo dục STEM nhằm:
– Phát triển các năng lực đặc thù của các môn học thuộc lĩnh vực STEM cho HS: Đó là khả năng vận dụng những kiến thức, kĩ năng liên quan đến các môn học Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học. Trong đó HS biết liên kết các kiến thức Khoa học, Toán học để giải quyết các vấn đề thực tiễn. Biết sử dụng, quản lí và truy cập Công nghệ. HS biết về quy trình thiết kế kĩ thuật và chế tạo ra các sản phẩm.
– Phát triển các năng lực chung cho HS: Giáo dục STEM nhằm chuẩn bị cho HS những cơ hội, cũng như thách thức trong nền kinh tế cạnh tranh toàn cầu của thế kỉ 21. Bên cạnh những hiểu biết về các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật, Toán học, HS sẽ được phát triển năng lực giải quyết vấn đề và sáng tạo, năng lực giao tiếp và hợp tác, năng lực tự chủ và tự học.
– Định hướng nghề nghiệp cho HS: Giáo dục STEM sẽ tạo cho HS có những kiến thức, kĩ năng mang tính nền tảng cho việc học tập ở các bậc học cao hơn cũng như cho nghề nghiệp trong tương lai của HS. Từ đó, góp phần xây dựng lực lượng lao động có năng lực, phẩm chất tốt, đặc biệt là lao động trong lĩnh vực STEM nhằm đáp ứng mục tiêu xây dựng và phát triển đất nước.
1.2. Xu thế tất yếu của dạy học STEM trong thời gian tới
a) 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. Chỉ thị của Thủ tướng đề ra những giải pháp và nhiệm vụ thúc đẩy giáo dục STEM tại Việt Nam, mà một trong các giải pháp đó 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”. Chỉ thị cũng giao nhiệm vụ cho Bộ GDĐT “thúc đẩy triển khai giáo dục về khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học (STEM) trong chương trình giáo dục phổ thông; tổ chức thí điểm tại một số trường phổ thông ngay từ năm học 2017 – 2018…”. Với việc ban hành Chỉ thị trên, Việt Nam chính thức ban hành chính sách thúc đẩy giáo dục STEM trong chương trình giáo dục phổ thông.
Giáo viên, người trực tiếp đứng lớp sẽ thể hiện STEM thông qua việc xác định các chủ đề liên môn, thể hiện nó trong mỗi tiết dạy, mỗi hoạt động dạy học để kết nối kiến thức học đường với thế giới thực, giải quyết các vấn đề thực tiễn, để nâng cao hứng thú, để hình thành và phát triển năng lực và phẩm chất cho họcsinh.
b) Trong Chương trình giáo dục phổ thông năm 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.
c) Định hướng đổi mới phương pháp dạy nêu trong Chương trình giáo dục phổ thông 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.
1.3. Vai trò và ý nghĩa của giáo dục STEM trong giáo dục phổ thông
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, 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.
– 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. Các hoạt động nêu trên góp phần tích cực vào hình thành và phát triển phẩm chất, năng lực cho học sinh.
– 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 hoạtđộng 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. Thực hiện tốt giáo dục STEM ở trường trung học 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.
– Thích ứng với cách mạng công nghiệp 4.0: Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật thì nhu cầu việc làm liên quan đến STEM ngày càng lớn đòi hỏi ngành giáo dục cũng phải có những sự thay đổi để đáp ứng nhu cầu của xã hội. Giáo dục STEM có thể tạo ra những con người có thể đáp ứng được nhu cầu công việc của thế kỷ mới có tác động lớn đến sự thay đổi nên kinh tế đổi mới.
1.4. Xây dựng và thực hiện chủ đề giáo dục STEM
Môn vật lí thuộc lĩnh vực khoa học tự nhiên, mô tả các hiện tượng tự nhiên và đặc tính của vật chất; nội dung môn vật lí bao gồm từ cấu tạo hạt cơ bản tới cấu trúc vũ trụ. Vật lí học là cơ sở của nhiều ngành kĩ thuật và công nghệ quan trọng. Vì vậy
những hiểu biết và phương pháp nhận thức vật lí có giá trị to lớn trong quá trình nhận thức và trong cuộc sống. Có rất nhiều cơ hội trong việc tích hợp những nội dung vật lí với các môn học khác để thực hiện dạy học theo phương thức STEM, theo đó học sinh được vận dụng kiến thức vào thực tiễn, đem đến sự hứng thú và những trải nghiệm có ý nghĩa trong học tập môn học. Bản chất dạy học các ứng dụng kĩ thuật của vật lí có sự tích hợp rõ ràng giữa vật lí và kĩ thuật. Việc này càng rõ ràng hơn nếu vận dụng quy trình thiết kế kĩ thuật để tổ chức dạy học các kiến thức vật lí trong từng bài học.
1.4.1. Tiêu chí xây dựng chủ đề/ bài họcSTEM
Tiêu chí 1: Chủ đề bài học STEM tập trung vào các vấn đề của thực tiễn
Trong các bài học STEM, học sinh được đặt vào các vấn đề thực tiễn xã hội, kinh tế, môi trường và yêu cầu tìm các giải pháp.
Tiêu chí 2: Cấu trúc bài học STEM kết hợp tiến trình khoa học và quy trình thiết kế kĩ thuật
Tiến trình bài học STEM cung cấp một cách thức linh hoạt đưa học sinh từ việc xác định một vấn đề – hoặc một yêu cầu thiết kế – đến sáng tạo và phát triển một giảipháp. Theo quy trình này, học sinh thực hiện các hoạt động: (1) Xác định vấn đề
– (2) Nghiên cứu kiến thức nền – (3) Đề xuất các giải pháp/thiết kế – (4) Lựa chọn giải pháp/thiết kế – (5) Chế tạo mô hình (nguyên mẫu) – (6) Thử nghiệm và đánh giá
– (7) Chia sẻ và thảo luận – (8) Điều chỉnh thiết kế. Trong thực tiễn dạy học, quy trình 8 bước này được thể hiện qua 5 hoạt động chính: HĐ1: Xác định vấn đề (yêu cầu thiết kế, chế tạo) ––> HĐ2: Nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất các giải pháp thiết kế ––> HĐ3: Trình bày và thảo luận phương án thiết kế ––> HĐ4: Chế tạo mô hình/thiết bị… theo phương án thiết kế (đã được cải tiến theo góp ý); thử nghiệm và đánh giá ––> HĐ5: Trình bày và thảo luận về sản phẩm được chế tạo; điều chỉnh thiết kế ban đầu. Trong quy trình kĩ thuật, các nhóm học sinh thử nghiệm các ý tưởng dựa nghiên cứu của mình, sử dụng nhiều cách tiếp cận khác nhau, mắc sai lầm, chấp nhận và học từ sai lầm, và thử lại. Sự tập trung của học sinh là phát triển các giải pháp để giải quyết vấn đề đặt ra, nhờ đó học được và vận dụng được kiến thức mới trong chương trình giáo dục.
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 tạo ra sản phẩm
Quá trình tìm tòi khám phá được thể hiện trong tất cả các hoạt động của chủ đề STEM, tuy nhiên trong hoạt động 2 và hoạt động 4 quá trình này cần được khai thác triệt để. Trong hoạt động 2 học sinh sẽ thực hiện các quan sát, tìm tòi, khám phá để xây dựng, kiểm chứng các quy luật. Qua đó, học được kiến thức nền đồng thời rèn luyện các kĩ năng tiến trình như: Quan sát, đưa ra dự đoán, tiến hành thí nghiệm, đo đạc, thu thập số liệu, phân tích số liệu… Trong hoạt động 4, quá trình tìm tòi khám phá được thể hiện giúp học sinh kiểm chứng các giải pháp khác nhau để tối ưu hoá sản phẩm.