SKKN Xây dựng và thực hiện một số chủ đề dạy học STEM chương V sóng ánh sáng – Vật lí 12 THPT.

I. PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vật lí là một môn khoa học tự nhiên, ngoài việc có vai trò quan trọng trong việc rèn luyện cho người học các năng lực chung thì bản thân môn Vật lí còn có vai trò quan trọng trong việc hình thành và phát triển cho học sinh các năng lực chuyên biệt như năng lực nghiên cứu khoa học, năng lực thực nghiệm, năng lực vận dụng các kiến thức vào thực tiễn cuộc sống….
Giáo dục STEM vận dụng phương pháp học tập chủ yếu dựa trên thực hành và các hoạt động trải nghiệm sáng tạo. Các phương pháp giáo dục tiến bộ, linh hoạt nhất như học qua dự án – chủ đề,học qua trò chơi và đặc biệt phương pháp học qua hành luôn được áp dụng triệt để cho các môn học tích hợp STEM.
Đây là một bước đi mới của toàn cầu và Việt Nam đang dần áp dụng. Nhưng ít người đã biết được ưu điểm của giáo dục STEM đối với học sinh khi được tiếp cận và học hỏi. Kiến thức và kỹ năng STEM liên quan 4 lĩnh vực Science (khoa học), Technology (công nghệ), Engineering (kỹ thuật), Mathematics (toán học) được tích hợp, lồng ghép và bổ trợ cho nhau, giúp học sinh vừa nắm vững lý thuyết vừa thực hành, tạo ra sản phẩm thực tế, ứng dụng vào cuộc sống.
Bộ GD&ĐT nhấn mạnh rằng, vai trò của giáo dục STEM chủ yếu dạy học theo chủ đề liên môn, tổ chức hoạt động nghiên cứu khoa học của học sinh, câu lạc bộ khoa học – công nghệ. Các hoạt động tham quan, thực hành, giao lưu với các cơ sở giáo dục đại học, giáo dục nghề nghiệp và doanh nghiệp cũng được chú trọng hơn trong cách thiết kế chương trình.
Qua quá trình nghiên cứu và giảng dạy bộ môn Vật lí  ở THPT Tôi thấy có thể khai thác, thiết kế và thực hiện được nhiều chủ đề dạy học STEM ở tất cả các phân môn cơ, nhiệt, điện, quang và một số phần khác của bộ môn Vật lí. Trong thực tiễn, các loại máy móc, đồ dùng quen thuộc, gần gũi phục vụ trong đời sống đa phần là những sản phẩm được ứng dụng từ ánh sáng nên khai thác các chủ đề dạy học STEM phần sóng ánh sáng trong chương trình Vật lí phổ thông sẽ kích thích được sự hứng thú, tích cực của HS trong quá trình dạy học. Với những lí do trên nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng dạy học, Tôi đã nghiên cứu đề tài “Xây dựng và thực hiện một số chủ đề dạy học STEM chương V sóng ánh sáng – Vật lí 12 THPT”. 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 lí theo định hướng STEM ở các trường phổ thông.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
– Đối tượng nghiên cứu: HS lớp 12 trường THPT Thái Hòa, quá trình dạy học Vật lí ở trường THPT.
– Phạm vi nghiên cứu: Các chủ đề dạy học STEM phần sóng ánh sáng thuộc chương trình Vật lí 12 THPT. Tiến hành thực nghiệm sư phạm tại trường THPT Thái Hòa, Thị Xã Thái Hòa, tỉnh Nghệ An.
3. Phương pháp nghiên cứu
• Bước 1: Điều tra nghiên cứu cơ sở lí luận, cơ sở thực tiễn của chương trình giáo dục STEM trong trường THPT.
• Bước 2: Thiết kế các bước day học một số chủ đề chương sóng ánh sáng.
• Bước 3: Tiến hành thực nghiệm.
• Bước 4: Thu thập thông tin và xử lý số liệu.
4. Kế hoạch thời gian thực hiện
Thời gian Nội dung
Tháng 7/2021 – 12/2021 Viết đề cương và triển khai đề tài trong giai đoạn thử nghiệm, khảo sát và đánh giá kết quả đạt được.
Tháng 01/2021 – 02/2022 Tiếp tục áp dụng sáng kiến để kiểm định về độ tin cậy của đề tài.
Tháng 03/2022 Hoàn thành sáng kiến kinh nghiệm.

5. Nhiệm vụ nghiên cứu
– Phân tích cơ sở lý luận và thực tiễn của giáo dục STEM trong trường phổ thông.
– Điều tra, phân tích thực trạng dạy học Vật lí theo định hướng STEM ở một số trường THPT trên địa bàn thị xã Thái Hòa. Trên cơ sở đó phân tích các nguyên nhân, khó khăn để đề xuất hướng giải quyết của đề tài.
– Đề xuất giải pháp thực hiện đề tài nghiên cứu: Xây dựng các chủ đề dạy học STEM phần sóng ánh sáng Vật lí 12 và tiến hành thực nghiệm tổ chức dạy học một số chủ đề tại trường THPT Thái Hòa.
– Trên cơ sở các chủ đề đã thực nghiệm, lựa chọn và giới thiệu cách tổ chức hoạt động cụ thể một số chủ đề dạy học STEM phần sóng ánh sáng Vật lí 12 theo các phương pháp, hình thức dạy học tích cực nhằm định hướng phát triển các năng lực HS.
6. Đóng góp mới của đề tài
– Điều tra được thực trạng dạy học Vật lí theo định hướng STEM ở một số trường THPT trên địa bàn Thị xã Thái Hòa, phân tích các nguyên nhân, khó khăn, đưa ra hướng khắc phục, giải pháp để nâng cao chất lượng dạy học các môn học STEM, áp dụng thực nghiệm có hiệu quả tại trường THPT Thái Hòa.
– Xây dựng hệ thống các chủ đề dạy học STEM phần sóng ánh sáng phục vụ giảng dạy một số bài học trong chương trình SGK Vật lí 12 nhằm phát triển năng lực nghiên cứu khoa học cho HS.
– Tổ chức dạy học một số chủ đề STEM phần sóng ánh sáng Vật lí 12 tại trường phổ thông phù hợp với điều kiện dạy học của nhà trường và thu được những kết quả thiết thực nhằm nâng cao chất lượng dạy học bộ môn Vật lí và các môn học
STEM, đưa giáo dục STEM vào trường học, góp phần vào phong trào thi đua đổi mới sáng tạo trong dạy học đáp ứng với yêu cầu chương trình GDPT tổng thể.

PHẦN II: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
CHƯƠNG I : CƠ SỞ KHOA HỌC
2.1. Cơ sở lý luận
1.1.1.  Khái niệm về giáo dục STEM
STEM là viết tắt của từ Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kĩ thuật), Mathematics (Toán học). Giáo dục STEM về bản chất được hiểu trang bị cho người học những kiến thức và kĩ năng cần thiết liên quan đến các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học. Các kiến thức và kĩ năng này phải được tích hợp, lồng ghép và bổ trợ cho nhau, giúp HS không chỉ hiểu về nguyên lí mà còn có thể thực hành và tạo ra các sản phẩm trong cuộc sống hằng ngày.
Đối với giáo dục STEM, các kiến thức khoa học, toán học, công nghệ và kĩ thuật không chỉ được dạy học theo hướng trang bị kiến thức thông thường mà được vận dụng nhằm giải quyết các tình huống thực tiễn trong cuộc sống. Việc làm này đem lại hai tác dụng lớn. Một là giúp cho trải nghiệm học tập của HS trở nên thú vị hơn, tạo động lực thúc đẩy các em hứng thú với việc học tập và nghiên cứu khoa học, công nghệ ngay từ nhỏ. Hai là gắn kết nhà trường với địa phương, cộng đồng cũng như các tổ chức thông qua những vấn đề mang tính toàn cầu..
Như vậy giáo dục STEM là một phạm trù rộng và liên quan đến nhiều lĩnh vực với hai đặc điểm nổi bật là tính tích hợp liên môn và hoạt động thực hành gắn với lí thuyết. Với giáo dục STEM, HS có thể học để lập trình điều khiển, chế tạo robot nhưng cũng có thể đơn giản là chế tạo ra những sản phẩm phục vụ đời sống. Qua đó cho thấy việc dạy và học STEM không nhất thiết cần điều kiện cơ sở vật chất, công nghệ hiện đại mà hoàn toàn tùy thuộc vào ý tưởng triển khai bài dạy của GV.
1.1.2 Chủ đề dạy học STEM trong trường trung học
Chủ đề STEM là chủ đề dạy học được thiết kế dựa trên vấn đề thực tiễn kết hợp với chuẩn kiến thức, kỹ năng của các môn khoa học trong chương trình phổ thông. Trong quá trình dạy học, GV tổ chức cho HS làm việc nhóm, sử dụng công nghệ truyền thống và hiện đại, công cụ toán học để tạo ra những sản phẩm có tính ứng dụng thực tiễn, phát triển kỹ năng và tư duy HS.
Chủ đề STEM cần đảm bảo các tiêu chí: giải quyết vấn đề thực tiễn, kiến thức trong chủ đề thuộc lĩnh vực STEM, định hướng hoạt động thực hành, làm việc nhóm.
Có thể phân loại các chủ đề dạy học STEM dựa vào các tiêu chí sau:
Dựa vào phạm vi kiến thức để giải quyết vấn đề STEM, người ta chia chủ đề STEM thành hai loại:
Chủ đề STEM cơ bản được xây dựng trên cơ sở kiến thức thuộc phạm vi các môn khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán trong chương trình giáo dục phổ thông. Các sản phẩm chủ đề STEM này thường đơn giản, bám sát nội dung sách giáo khoa (SGK) và thường được xây dựng trên cơ sở các nội dung thực hành, thí nghiệm trong chương trình giáo dục phổ thông.
Chủ đề STEM mở rộng có những kiến thức nằm ngoài chương trình giáo dục phổ thông và SGK. Những kiến thức đó HS phải tự tìm hiểu và nghiên cứu từ tài liệu chuyên ngành. Sản phẩm STEM loại hình này có độ phức tạp cao hơn.
Dựa vào mục đích dạy học, ta có thế chia chủ đề STEM thành hai loại chính:
Chủ đề STEM dạy học kiến thức mới được xây dựng trên cơ sở kết nối kiến thức của nhiều môn học khác nhau mà HS chưa được học hoặc được học một phần, HS sẽ vừa giải quyết được vấn đề và vừa lĩnh hội tri thức mới.
Chủ đề STEM dạy học và vận dụng được xây dựng trên cơ sở những kiến thức HS đã được học. Chủ đề STEM dạng này bồi dưỡng cho HS năng lực vận dụng lý thuyết vào thực tiễn. Kiến thức lý thuyết được củng cố và khắc sâu.
1.1.3. Quy trình xây dựng chủ đề 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 bài học.
Bước 2: Xác định vấn đề cần giải quyết
Sau khi lựa chọn chủ đề của bài học, cần xác định vấn đề cần giải quyết để giao cho HS thực hiện sao cho khi giải quyết vấn đề đó HS phải học được những kiến thức, kĩ năng cần dạy trong chương trình môn học đã lựa chọn hoặc vận dụng những kiến thức, kỹ năng đã biết để xây dựng bài học.
Bước 3: Xây dựng tiêu chí của thiết bị và 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.
Các tiêu chí này phải hướng tới việc định hướng quá trình học tập và vận dụng kiến thức nền của HS chứ không nên tập trung đánh giá sản phẩm vật chất.
Bước 4: Thiết kế tiến trình tổ chức hoạt động
Tiến trình tổ chức hoạt động học được thiết kế theo các phương pháp, kĩ thuật dạy học tích cực với 5 hoạt động học. Mỗi hoạt động được thiết kế rõ ràng về mục đích, nội dung và sản phẩm học tập mà HS phải hoàn thành. Các hoạt động này có thể được tổ chức cả trong và ngoài lớp học (ở trường, ở nhà và cộng đồng).
1.1.4. Tiến trình tổ chức dạy học STEM trong trường Trung học
Mỗi bài học STEM thường được tổ chức theo 5 hoạt động như sau:
Hoạt động 1: Xác định vấn đề
– Mục đích: Xác định tiêu chí sản phẩm, phát hiện vấn đề/ nhu cầu.
– Nội dung: Tìm hiểu hiện tượng, sản phẩm, công nghệ, đánh giá về hiện tượng, sản phẩm, công nghệ…
– Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS: Các mức độ hoàn thành nội dung (Bài ghi chép thông tin về hiện tượng, sản phẩm, công nghệ, đánh giá, đặt câu hỏi về hiện tượng, công nghệ, sản phẩm).
– Cách tổ chức hoạt động: GV giao nhiệm vụ (nội dung, phương tiện, cách thực hiện, yêu cầu sản phẩm phải hoàn thành); HS thực hiện nhiệm vụ (qua thực tế, tài liệu, video, cá nhân hoặc nhóm); Báo cáo, thảo luận (thời gian, địa điểm, cách thức); Phát hiện/ phát biểu vấn đề (GV hỗ trợ).
Hoạt động 2: Nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất giải pháp
– Mục đích: Hình thành kiến thức mới và đề xuất giải pháp.
– Nội dung: Nghiên cứu sách giáo khoa, tài liệu, thí nghiệm để tiếp nhận, hình thành kiến thức mới và đề xuất giải pháp/ thiết kế.
– Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS: Các mức độ hoàn thành nội dung (xác định và ghi được thông tin, dữ liệu, giải thích, kiến thức mới, giải pháp/ thiết kế).  – Cách tổ chức hoạt động: GV giao nhiệm vụ (nêu rõ yêu cầu đọc/ nghe/ nhìn/ làm để xác định và ghi được thông tin, dữ liệu, giải thích kiến thức mới) HS nghiên cứu tài liệu, làm thí nghiệm (cá nhân, nhóm); Báo cáo, thảo luận. GV điều hành, “chốt” kiến thức mới và hỗ trợ HS đề xuất giải pháp/ thiết kế mẫu thử nghiệm.
Hoạt động 3: Lựa chọn giải pháp
– Mục đích: Lựa chọn giải pháp/ bản thiết kế.
– Nội dung: Trình bày, giải thích, bảo vệ giải pháp/ thiết kế để lựa chọn và hoàn thiện.
– Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS: Giải pháp/ bản thiết kế được lựa chọn, hoàn thiện.
– Cách tổ chức hoạt động: GV giao nhiệm vụ (Nêu rõ yêu cầu HS trình bày, báo cáo, giải thích, bảo vệ giải pháp/thiết kế); HS báo cáo, thảo luận; GV điều hành nhận xét, đánh giá và hỗ trợ HS lựa chọn giải pháp / thiết kế mẫu thử nghiệm.
Hoạt động 4: Chế tạo mẫu, thử nghiệm và đánh giá  – Mục đích: Chế tạo và thử nghiệm mẫu thiết kế.
– Nội dung: Lựa chọn dụng cụ/thiết bị thí nghiệm; Chế tạo mẫu theo thiết kế, thử nghiệm và điều chỉnh.
– Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS: Dụng cụ/ thiết bị/ mô hình/ đồ vật…đã chế tạo và thử nghiệm, đánh giá.
– Cách tổ chức hoạt động: GV giao nhiệm vụ ( Lựa chọn dụng cụ/ thiết bị/ mô hình/ đồ vật/thiết bị thí nghiệm để chế tạo và lắp ráp).
Hoạt động 5: Chia sẻ, thảo luận, điều chỉnh
-Mục đích: Trình bày, chia sẻ, đánh giá sản phẩm nghiên cứu.
– Nội dung: Trình bày và thảo luận.
– Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS: Sản phẩm, bài thuyết trình sản phẩm.  – Cách tổ chức hoạt động: GV giao nhiệm vụ (Mô tả rõ yêu cầu và sản phẩm trình bày); HS báo cáo và thảo luận, GV đánh giá, kết luận, cho điểm và định hướng tiếp tục hoàn thiện.
1.2. Cơ sở thực tiễn
1.2.1. Thực trạng của việc tìm hiểu, khai thác, xây dựng và thực hiện các chủ đề giáo dục STEM trong trường THPT
Để tiến hành tìm hiểu về thực trạng dạy học STEM trong dạy học Vật lí ở trường THPT tôi đã tiến hành khảo sát bằng phiếu điều tra đối với GV và HS với mục đích thu thập thông tin, phân tích khó khăn, thuận lợi của thực trạng dạy học STEM môn Vật lí ở trường phổ thông.
Nội dung khảo sát: Tìm hiểu nhận thức, hiểu biết, quá trình tổ chức dạy học STEM môn Vật lí các GV ở các trường THPT.
Đối tượng khảo sát: 40 GV dạy các bộ môn KHTN, công nghệ ở 3 trường
THPT trong thị xã Thái Hòa: Trường Thái Hòa, THPT Tây Hiếu, THPT Đông Hiếu và 160 HS trường THPT Thái Hòa.
Thời gian khảo sát: Từ tháng 9/2021 đến tháng 11/2021.
Phiếu khảo sát GV và HS (có trong Phụ lục 01 kèm theo).
Sau khi thu thập, phân tích, tổng hợp qua các phiếu điều tra, kết quả  cho thấy như sau( phụ lục 02 kèm theo)
Từ các số liệu thu thập được, ta thấy rằng tình hình vận dụng những ưu điểm giáo dục STEM vào trong quá trình dạy học của giáo viên còn nhiều hạn chế, chưa thực sự sâu rộng trong đội ngũ giáo viên THPT. Tuy nhiên, với những ưu điểm vượt trội của nó, việc nghiên cứu và vận dụng giáo dục STEM vào quá trình dạy học của GV sẽ trở nên phổ biến hơn trong thời gian tới. Điều này chứng tỏ mặc dù giáo dục STEM đang tương đối xa lạ với học sinh các huyện miền núi nhưng với ưu điểm phù hợp với xu hướng đổi mới nền giáo dục hiện nay, nhu cầu của người học, việc tìm hiểu, nghiên cứu, khai thác và áp dụng chương trình giáo dục STEM vào học tập của học sinh sẽ trở nên phổ biến hơn nhiều trong vài năm tới.
1.2.2. Nguyên nhân của những thực trạng
– Các tài liệu tham khảo bằng tiếng việt về giáo dục STEM rất ít, chủ yếu bằng tiếng nước ngoài là khó khăn không nhỏ cho việc tìm hiểu và tiếp cận với chương trình giáo dục STEM.