Tài liệu Dạy học một số chủ đề môn toán lớp 12 trung học phổ thông theo định hướng giáo dục stem

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ------------------------ ĐOÀN ÁNH DƯƠNG DẠY HỌC MỘT SỐ CHỦ ĐỀ MÔN TOÁN LỚP 12 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM Ngành: Lý luận và Phương pháp dạy học bộ môn Toán Mã số: 8.14.01.11 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC Người hướng dẫn khoa học: TS. BÙI THỊ HẠNH LÂM THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu: “Dạy học một số chủ đề môn Toán lớp 12 theo định hướng giáo dục STEM” dưới sự hướng dẫn của TS. Bùi Thị Hạnh Lâm là kết quả nghiên cứu của cá nhân tôi, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực chưa được công bố. Thái Nguyên, ngày ..... tháng ..... năm 2019 Tác giả luận văn ĐOÀN ÁNH DƯƠNG Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này, ngoài sự nỗ lực của bản thân là sự giúp đỡ của khoa, trường, các thầy cô bạn bè và gia đình. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới người hướng dẫn khoa học - TS. Bùi Thị Hạnh Lâm đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Tôi xin cảm ơn trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên và sự giúp đỡ của các thầy cô giáo khoa Toán. Lời cảm ơn cuối cùng, tôi xin gửi tới bạn bè ở lớp Lí luận và phương pháp dạy học môn Toán K25, đồng nghiệp, các em HS nơi tôi công tác và gia đình đã cổ vũ, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài. Xin được trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 4 năm 2019 Tác giả ĐOÀN ÁNH DƯƠNG Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC Lời cam đoan ................................................................................................................. i Lời cảm ơn .................................................................................................................... ii Mục lục ........................................................................................................................ iii Danh mục các từ, cụm từ viết tắt ................................................................................. iv Danh mục các bảng, hình và biểu đồ ............................................................................ v MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài .......................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................................2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................................2 4. Đối tượng và khách thể nghiên cứu ...........................................................................2 5. Giả thuyết khoa học của đề tài ...................................................................................2 6. Phương pháp nghiên cứu ...........................................................................................2 7. Cấu trúc của luận văn.................................................................................................3 Chương 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN.......................................................4 1.1. Dạy học tích hợp là gì? ...........................................................................................4 1.2. STEM và giáo dục STEM .......................................................................................4 1.2.1. Khái niệm STEM .................................................................................................4 1.2.2. Giáo dục STEM ...................................................................................................7 1.2.3. Dạy học theo định hướng STEM .........................................................................9 1.2.4. Vai trò của dạy học theo định hướng giáo dục STEM đối với việc phát triển năng lực cho HS THPT ................................................................................................17 1.2.5. Vai trò của môn Toán trong dạy học theo định hướng giáo dục STEM ...........18 1.3. Thực trạng dạy học tích hợp STEM .....................................................................19 1.3.1. Thực trạng thiết kế và tổ chức dạy học môn Toán lớp 12 theo định hướng giáo dục STEM ............................................................................................................19 1.3.2. Thực trạng việc học tập môn của HS lớp 12 trong dạy học Toán theo định hướng Giáo dục STEM ................................................................................................21 1.4. Kết luận chương 1. ................................................................................................22 Chương 2: THIẾT KẾ VÀ TỔ CHỨC DẠY HỌC MỘT SỐ CHỦ ĐỀ MÔN TOÁN LỚP 12 THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM .................................24 2.1. Cấu trúc chủ đề dạy học môn Toán theo định hướng giáo dục STEM ................24 2.1.1. Mục tiêu .............................................................................................................24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 2.1.2. Xác định nội dung trọng tâm .............................................................................24 2.1.3. Giới thiệu cấu trúc chủ đề ..................................................................................24 2.1.4. Bảng tổng hợp các hoạt động được xây dựng trong chủ đề ..............................25 2.1.5. Một số chủ đề môn Toán lớp 12 có thể dạy học theo định hướng giáoduục STEM ..........................................................................................................................26 2.1.5.1. Tổng quan về chương trình môn Toán 12 của HS THPT ...............................26 2.3. Một số chủ đề dạy học môn Toán theo định hướng giáo dục STEM ...................28 2.3.1. Chủ đề 1 (Trên lớp) ...........................................................................................28 2.4.2. Chủ đề 2 (Trải nghiệm)......................................................................................40 2.4.3. Chủ đề 3 (Trên lớp) ..........................................................................................57 2.3.4. Chủ đề 4 (Trải nghiệm).....................................................................................66 2.4. Tổ chức thực hiện dạy học các chủ đề môn Toán lớp 12 theo định hướng giáo dục STEM ....................................................................................................................75 Sau đây là một dự án dạy học mà chúng em đã tiến hành dạy tại trường THPT Bắc Sơn ( Phụ lục 5) ...........................................................................................................75 Kết luận chương 2 ........................................................................................................76 Chương 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM .................................................................77 3.1. Mục đích thực nghiệm ..........................................................................................77 3.2. Nội dung thực nghiệm ..........................................................................................77 3.3. Đối tượng thực nghiệm .........................................................................................77 3.4. Phương pháp thực nghiệm sư phạm .....................................................................77 3.5. Thời gian nghiệm sư phạm ...................................................................................77 3.6. Các bước tiến hành ...............................................................................................78 3.7. Đánh giá về kết quả thực nghiệm .........................................................................79 3.7.1. Đánh giá định tính..............................................................................................79 3.7.2. Đánh giá định lượng ..........................................................................................80 Kết luận chương 3 ........................................................................................................81 KẾT LUẬN .................................................................................................................83 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................84 PHỤ LỤC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC TỪ, CỤM TỪ VIẾT TẮT Viết đầy đủ Viết tắt DH : Dạy học GV : Giáo viên phổ thông HS : Học sinh PP : Phương pháp HĐ : Hoạt động PPDH : Phương pháp dạy học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC BẢNG, HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ Bảng 3.1. Bảng phân phối tần số điểm của bài kiểm tra ...............................................80 Bảng 3.2. Bảng phân phối tần suất điểm của bài kiểm tra ............................................80 Hình 1.1. Mô hình 5E hướng dẫn tích hợp STEM .....................................................11 Hình 1.2. Tiến trình dạy học STEM theo phương pháp nghiên cứu khoa học - Quy trình tiếp cận theo lí thuyết thiết kế kĩ thuật...............................................12 Hình 1.3. Vòng lặp thiết kế trong giáo dục STEM ...................................................13 Hình 1.4. Mối liên quan của Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học ..............14 Hình 1.5. Quy trình dạy học môn Toán theo định hướng giáo dục STEM ................17 Biểu đồ 3.1. Biểu đồ phân phối tần suất điểm ...............................................................81 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Thế kỉ XXI, với sự bùng nổ của công nghệ và khoa học, xã hội đứng trước những thách thức lớn về nhiều mặt như biến đổi khí hậu, cạn kiệt tài nguyên…và đặc biệt là giáo dục. Mục tiêu của giáo dục không đơn thuần chỉ là truyền thụ kiến thức trong nền tảng tri thức loài người đã gây dựng qua bao đời mà cao hơn cả là mục tiêu bồi dưỡng phát triển năng lực đặt vấn đề, giải quyết vấn đề, tìm kiếm thông tin, thu thập, xử lí số liệu, năng lực hợp tác, năng lực sáng tạo,…để khám phá những tri thức mới, phương pháp mới, vấn đề mới, cách giải quyết mới. Trước tình hình đó, Nghị quyết 29 về đổi mới căn bản, toàn diện GD-ĐT xác định mục tiêu cụ thể đối với giáo dục phổ thông là: “Đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo là đổi mới những vấn đề lớn, cốt lõi, cấp thiết, từ quan điểm, tư tưởng chỉ đạo đến mục tiêu, nội dung, phương pháp, cơ chế, chính sách, điều kiện bảo đảm thực hiện; đổi mới từ sự lãnh đạo của Đảng, sự quản lý của Nhà nước đến hoạt động quản lý dạy và học trong các nhà trường, việc tham gia của gia đình, cộng đồng, xã hội và bản thân người học; đổi mới ở tất cả các bậc học, ngành học” [4]. Để đạt được mục tiêu đó, giáo dục cần có những điều chỉnh cả về nội dung chương trình cũng như phương pháp tổ chức dạy học theo hướng tăng cường gắn kết giữa lý thuyết với thực hành, lý luận với thực tiễn, nhà trường gắn với gia đình và xã hội điều này được thể hiện ngay trong “Chương trình giáo dục phổ thông tổng thể” (ban hành tháng 12.2018). Trong chương trình này, định hướng dạy học tích hợp đã được xác định rõ và một trong những định hướng tích hợp mới được đề cập là tích hợp theo định hướng giáo dục STEM. Định hướng này đã được thể hiện trong chương trình tổng thể, chương trình môn học ở các cấp, bậc, lớp học. Giáo dục STEM là một trong những định hướng giáo dục tích hợp đã được phát triển mạnh ở Mỹ (2012), Thái Lan (2014), Canada (2015), Úc (2009)...và đã đem lại những thành tựu tốt cho giáo dục của các quốc gia này. “Bản chất của giáo dục STEM là thông qua việc tích hợp các môn học để trang bị cho người học khả năng vận dụng tổng hợp những kiến thức và kĩ năng cần thiết liên quan đến các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học vào giải quyết các tình huống và yêu cầu của thực tiễn”. Định hướng giáo dục STEM là phù hợp với việc đổi mới chương trình GDPT theo định hướng phát triển năng lực. Đối với Việt Nam, định hướng giáo dục STEM cũng đã được triển khai ở một số trường và bước đầu cũng đã có được những kết quả Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn tốt, tuy nhiên nhìn chung vấn đề này còn khá mới, khó thực hiện đối với cả GV và HS cũng như các cấp quản lí GD. Từ những lí do trên, đề tài được lựa chọn là: “Dạy học một số chủ đề môn Toán lớp 12 trung học phổ thông theo định hướng giáo dục STEM”. 2. Mục đích nghiên cứu Trên cơ sở nghiên cứu về dạy học tích hợp, về giáo dục STEM, thiết kế và tổ chức dạy học một số chủ đề môn Toán tích hợp theo hướng giáo dục STEM cho HS lớp 12 ở trường trung học phổ thông. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu cơ sở lí luận về dạy học nhằm phát huy tính tích cực, tự lực, sáng tạo của HS, về dạy học tích hợp, về giáo dục STEM. Nghiên cứu thực trạng dạy học tích hợp và thực trạng dạy học theo định hướng giáo dục STEM cho HS lớp 12 THPT. Thiết kế và tổ chức dạy học một số chủ đề dạy học tích hợp theo định hướng giáo dục STEM trong dạy học Toán cho HS lớp 12 THPT. Thực nghiệm sư phạm để kiểm nghiệm tính hiệu quả và khả thi của một số chủ đề đã thiết kế. 4. Đối tượng và khách thể nghiên cứu Khách thể nghiên cứu: quá trình dạy học môn Toán ở trường THPT. Đối tượng nghiên cứu: thiết kế và tổ chức dạy học chủ đề dạy học tích hợp theo định hướng giáo dục STEM cho HS lớp 12 THPT. 5. Giả thuyết khoa học của đề tài Nếu thiết kế được một số chủ đề dạy học tích hợp theo định hướng STEM trong dạy học môn Toán cho HS lớp 12 và tổ chức thực hiện dạy học hợp lí thì sẽ phát triển năng lực giải quyết vấn đề, năng lực vận dụng toán học vào thực tiễn cho HS lớp 12 THPT. 6. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý luận Nghiên cứu các sách, báo, các công trình về về dạy học nhằm phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo, dạy học tích hợp, dạy học theo hướng STEM. - Phương pháp điều tra, quan sát thực tiễn Quan sát, điều tra - khảo sát bằng phiếu hỏi để tìm hiểu thực trạng dạy học tích hợp và thực trạng dạy học theo định hướng giáo dục STEM trong dạy học môn Toán ở trường THPT. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn - Phương pháp thực nghiệm sư phạm Tiến hành dạy thực nghiệm ở trường THPT nhằm kiểm nghiệm tính hiệu quả và khả thi của một số chủ đề đã thiết kế. 7. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có 3 chương: Chương 1: Cơ sở lý luận và thực tiễn Chương 2: Thiết kế và tổ chức dạy học một số chủ đề môn toán lớp 12 theo định hướng giáo dục STEM Chương 3: Thực nghiệm sư phạm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Chương 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN 1.1. Dạy học tích hợp là gì? Theo [9], dạy học tích hợp là hành động liên kết một cách hữu cơ, có hệ thống các đối tượng nghiên cứu, học tập của một vài lĩnh vực môn học khác nhau thành nội dung thống nhất, dựa trên cơ sở các mối liên hệ về lí luận và thực tiễn được đề cập trong các môn học đó nhằm hình thành ở HS các năng lực cần thiết. Trong dạy học tích hợp, HS dưới sự chỉ đạo của GV thực hiện việc chuyển đổi liên tiếp các thông tin từ ngôn ngữ của môn học này sang môn học khác; HS học cách sử dụng phối hợp những kiến thức, những kĩ năng và những thao tác để giải quyết một tình huống phức hợp - thường là gắn với thực tiễn. Chính nhờ qua trình đó, HS nắm vững kiến thức, hình thành khái niệm, phát triển năng lực và các phẩm chất cá nhân[9]. Theo chương trình giáo dục phổ thông mới Bộ Giáo dục và Đào tạo công bố ngày 27/12/2018, dạy học tích hợp là “định hướng dạy học giúp HS phát triển khả năng huy động tổng hợp kiến thức, kĩ năng,... thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau để giải có hiệu quả các vấn đề trong học tập và trong cuộc sống, được thực hiện ngay trong quá trình lĩnh hội tri thức và rèn luyện kĩ năng”. Như vậy, có thể hiểu “Dạy học tích hợp là một quan điểm dạy học nhằm hình thành và phát triển ở HS những năng lực cần thiết trong đó có năng lực vận dụng kiến thức để giải quyết có hiệu quả các tình huống thực tiễn”. 1.2. STEM và giáo dục STEM 1.2.1. 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) [6]. STEM là thuật ngữ rút gọn được sử dụng khi bàn đến các chính sách phát triển về Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học của Mỹ. Thuật ngữ này lần đầu tiên được giới thiệu bởi Quỹ Khoa học Mỹ (NSF) vào năm 2001. Trước đó, năm 1990, NSF dùng thuật ngữ SMET tuy nhiên thuật ngữ này có cách phát âm giống từ “SMUT” (một từ có ý nghĩa không tích cực), vì vậy SMET sau nay được đổi thành STEM. Hiện nay thuật ngữ STEM được dùng trong hai ngữ cảnh khác nhau đó là ngữ cảnh giáo dục và ngữ cảnh nghề nghiệp. Trong ngữ cảnh giáo dục, nói đến STEM là muốn nhấn mạnh đến sự quan tâm của nền giáo dục đối với các môn Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học. Quan tâm đến việc tích hợp các môn học trên gắn với thực tiễn để nâng cao năng lực cho Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn người học. Giáo dục STEM có thể được hiểu và diễn giải ở nhiều cấp độ như: chính sách STEM, chương trình STEM, nhà trường STEM, môn học STEM, bài học STEM hay hoạt động STEM. Trong ngữ cảnh nghề nghiệp, STEM được hiểu là nghề nghiệp thuộc các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học, ví dụ: Nhóm ngành nghề về CNTT; Y sinh; Kĩ thuật, Điện tử và Truyền thông… .[6]. Tùy từng ngữ cảnh khác nhau mà STEM được hiểu như là các môn học hay các lĩnh vực. Hiện nay, giáo dục STEM được nhiều tổ chức, nhà giáo dục quan tâm nghiên cứu. Do đó, khái niệm về giáo dục STEM cũng được định nghĩa dựa trên các cách hiểu khác nhau. Có ba cách hiểu chính về giáo dục STEM hiện nay là: - Giáo dục STEM được hiểu theo nghĩa là quan tâm đến các môn Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học. Đây cũng là quan niệm về giáo dục STEM của Bộ giáo dục Mỹ “Giáo dục STEM là một chương trình nhằm cung cấp hỗ trợ, tăng cường, giáo dục Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học (STEM) ở tiểu học và trung học cho đến bậc sau đại học” [6]. Đây là nghĩa rộng khi nói về giáo dục STEM. - Giáo dục STEM được hiểu theo nghĩa là tích hợp (liên ngành) của 4 lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học [6], tác giả Tsupros [6] định nghĩa “Giáo dục STEM là một phương pháp học tập tiếp cận liên ngành, ở đó những kiến thức hàn lâm được kết hợp chặt chẽ với các bài học thực tế thông qua việc HS được áp dụng những kiến thức Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học vào trong những bối cảnh cụ thể tạo nên một kết nối giữa nhà trường, cộng đồng và các doanh nghiệp cho phép người học phát triển những kĩ năng STEM và tăng khả năng cạnh tranh trong nền kinh tế mới” [6]. - Giáo dục STEM được hiểu theo nghĩa là tích hợp (liên ngành) từ 2 lĩnh vực về Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học trở lên. Theo quan niệm này, tác giả Sanders định nghĩa “Giáo dục STEM là phương pháp tiếp cận, khám phá trong giảng dạy và học tập giữa hai hay nhiều hơn các môn học STEM, hoặc giữa một chủ đề STEM và một hoặc nhiều môn học khác trong nhà trường” [6]. Bên cạnh đó, giáo dục STEM cũng được quan niệm STEM như là chương trình đào tạo dựa trên ý tưởng giảng dạy cho HS bốn lĩnh vực cụ thể - Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học - trong một liên ngành và phương pháp tiếp cận ứng dụng. Thay vì dạy bốn lĩnh vực này theo những môn học tách biệt và rời rạc, STEM tổng hợp chúng thành một mô hình học tập liền mạch dựa trên các ứng dụng thực tế [6]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Trong nghiên cứu này giáo dục STEM được hiểu theo nghĩa thứ ba và được tác giả định nghĩa như sau:“Giáo dục STEM là một quan điểm dạy học theo tiếp cận liên ngành từ hai trong các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học trở lên. Trong đó nội dung học tập được gắn với thực tiễn, PPDH theo quan điểm dạy học định hướng hành động” [6]. Ở ngữ cảnh giáo dục và trên bình diện thế giới, STEM được hiểu với nghĩa là giáo dục STEM trong đó: Science (Khoa học): Là môn học nhằm phát triển khả năng sử dụng các kiến thức Khoa học (Vật lí, Hóa học, Sinh học và Khoa học trái đất) của HS, không chỉ giúp HS hiểu về thế giới tự nhiên mà còn có thể vận dụng kiến thức đó để giải quyết các vấn đề khoa học trong cuộc sống hàng ngày. Technology (Công nghệ): Là môn học nhằm phát triển khả năng sử dụng, quản lí, hiểu và đánh giá công nghệ của HS. Nó cung cấp cho HS những cơ hội để hiểu về công nghệ được phát triển như thế nào, cung cấp cho HS những kĩ năng để có thể phân tích được sự ảnh hưởng của công nghệ mới tới cuộc sống hàng ngày của HS và của cộng đồng… Engineering (Kĩ thuật): Là môn học nhằm phát triển sự hiểu biết ở HS về cách công nghệ đang phát triển thông qua quá trình thiết kế kĩ thuật. Kĩ thuật cung cấp cho HS những cơ hội để tích hợp kiến thức của nhiều môn học, giúp cho những khái niệm liên quan trở nên tường minh trong cuộc sống của họ. Kĩ thuật cũng cung cấp cho HS những kĩ năng để có thể vận dụng sáng tạo cơ sở Khoa học và Toán học trong quá trình thiết kế các đối tượng, các hệ thống hay xây dựng các quy trình sản xuất. Mathematics (Toán học): Là môn học nhằm phát triển ở HS khả năng phân tích, biện luận và truyền đạt ý tưởng một cách hiệu quả thông qua việc tính toán, giải thích, các giải pháp giải quyết các vấn đề toán học trong các tình huống đặt ra [6]. Với nội hàm các môn học như trên, liên hệ với chương trình giáo dục phổ thông Việt Nam hiện hành ta dễ dàng nhận thấy môn Khoa học tương ứng với các môn Khoa học tự nhiên ở Việt Nam như Vật lí, Hóa học, Sinh học. Ở Việt Nam môn Công nghệ đã bao hàm cả yếu tố Công nghệ và Kĩ thuật, do vậy môn Công nghệ và môn Kĩ thuật trên thế giới tương ứng với môn Công nghệ và môn Tin học ở Việt Nam. Vì vậy, trong luận văn này vận dụng vào bối cảnh giáo dục Việt Nam nội dung giáo dục STEM sẽ bao hàm nội dung của các môn học là Vật lí, Hóa học, Sinh học, Công nghệ, Tin học và Toán. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 1.2.2. Giáo dục STEM 1.2.2.1. Khái niệm giáo dục STEM Phạm trù năng lực thường được hiểu theo những cách khác nhau và mỗi cách hiểu có những thuật ngữ tương ứng. Theo [9], năng lực được hiểu theo các cách khác nhau như: - “Năng lực” hiểu theo nghĩa chung nhất là khả năng mà cá nhân thể hiện khi tham gia một hoạt động nào đó ở một thời điểm nhất định. Ví dụ khả năng giải toán, khả năng nói tiếng Anh,… thường được đánh giá bằng trắc nghiệm trí tuệ; - Năng lực là khả năng thực hiện hiệu quả một nhiệm vụ/một hành động cụ thể, liên quan đến một lĩnh vực nhất định dựa trên cơ sở hiểu biết, kĩ năng, kĩ xảo và sự sẵn sàng hành động. - Năng lực của người học (HS) là khả năng làm chủ những hệ thống kiến thức, kĩ năng, thái độ,… phù hợp với lứa tuổi và vận hành (kết nối) chúng một cách hợp lí vào thực hiện thành công nhiệm vụ học tập, giải quyết hiệu quả những vấn đề đặt ra cho chính các em trong cuộc sống. - Giáo dục STEM là 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 biết về nguyên lí mà còn có thể thực hành và tạo ra được những sản phẩm trong cuộc sống hằng ngày. Do vậy, dạy học theo định hướng phát triển năng lực là một trong các cơ sở khoa học của giáo dục STEM được thể hiện ở các nội dung cơ bản sau: Hệ thống mục tiêu được mô tả tường minh rõ ràng về hệ thống các năng lực. Khác với dạy học định hướng nội dung, dạy học định hướng năng lực tập trung vào kết quả học tập của HS tức là quan tâm tới “đầu ra”. Đây là cơ sở cho việc lựa chọn nội dung, phương pháp, hình thức tổ chức và kiểm tra đánh giá nhằm đảm bảo kết quả đầu ra như mong muốn. Do vậy, trong dạy học định hướng năng lực kết quả học tập hay là mục tiêu thường được mô tả thông qua hệ thống các năng lực một cách chi tiết, rõ ràng có thể quan sát và đánh giá được. Đặc điểm này của dạy học định hướng năng lực là cơ sở khoa học quan trọng trong việc xây dựng mục tiêu giáo dục STEM và bảng kiểm đánh giá các năng lực của HS thông qua bài học STEM. Dạy học dựa trên định hướng hành động. Tư tưởng của dạy học dựa trên định hướng hành động là: người học sẽ học tốt nhất khi được trực tiếp tham gia vào hoạt động học tập trải nghiệm; kiến thức phải được khám phá bởi chính các cá nhân nếu nó có ý nghĩa quan trọng với họ hoặc tạo ra sự khác biệt trong hành vi của họ và người học sẽ có quyết tâm cao khi họ được tự do Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn thiết lập các mục tiêu học tập của mình và có thể chủ động theo đuổi nó trong một khuôn khổ nhất định [1]. Dạy học theo dự án là một hình thức điển hình của dạy học định hướng hành động, trong đó HS tự lực thực hiện trong nhóm một nhiệm vụ học tập phức hợp, gắn với các vấn đề thực tiễn, kết hợp lí thuyết và thực hành, có tạo ra các sản phẩm có thể công bố. Trong dạy học theo dự án, có thể vận dụng nhiều lí thuyết và quan điểm dạy học hiện đại như lí thuyết kiến tạo, dạy học định hướng HS, dạy học hợp tác, dạy học tích hợp, dạy học khám phá, sáng tạo, dạy học theo tình huống và dạy học định hướng hành động. Do vậy, vận dụng dạy học định hướng hành động có ý nghĩa quan trọng trong việc xây dựng nguyên lí giáo dục kết hợp lí thuyết với thực tiễn, tư duy và hành động, nhà trường và xã hội của giáo dục STEM. Đây là cơ sở trong việc lựa chọn PPDH trong giáo dục STEM. Tư tưởng dạy học tích hợp liên môn và định hướng vận dụng vào giải quyết các vấn đề thực tiễn. Dạy học tích hợp liên môn là dạy học những nội dung kiến thức liên quan đến hai hay nhiều môn học. "Tích hợp" là nói đến phương pháp và mục tiêu của hoạt động dạy học còn "liên môn" là đề cập tới nội dung dạy học. Các chủ đề liên môn, tích hợp có tính thực tiễn nên sinh động, hấp dẫn, có ưu thế trong việc tạo ra động cơ, hứng thú học tập cho HS [9]. Dạy học tích hợp liên môn không chỉ chú ý tích cực hoá HS về hoạt động trí tuệ mà còn chú ý rèn luyện năng lực giải quyết vấn đề gắn với những tình huống của cuộc sống và nghề nghiệp, đồng thời gắn hoạt động trí tuệ với hoạt động thực hành, thực tiễn. Tăng cường việc học tập trong nhóm, đổi mới quan hệ GV - HS theo hướng cộng tác. Đặc điểm này của dạy học định hướng năng lực là cơ sở để xây dựng các chủ đề giáo dục STEM gắn với thực tiễn cuộc sống. Đánh giá trong dạy học định hướng năng lực là đánh giá quá trình Về bản chất, đánh giá năng lực là đánh giá khả năng vận dụng kiến thức, kĩ năng thực hiện nhiệm vụ của HS và việc đánh giá này là đánh giá cả quá trình vì sự tiến bộ của HS [2]. Đánh giá quá trình là những phản hồi cần thiết cho cả GV và HS về những hiểu biết hiện tại và phát triển kĩ năng nhằm xác định những bước tiếp theo [2]. Đánh giá quá trình được xem là một phương thức tạo động lực học tập cho người học hiệu quả và có tác động ngay tức thì đến quá trình học. Đánh giá trong dạy học định hướng năng lực sẽ là cơ sở để xây dựng nội dung đánh giá trong quy trình giáo dục STEM. 1.2.2.2. Đặc trưng giáo dục STEM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn - Giáo dục STEM là dạy học tích hợp, là cách tiếp cận liên ngành trong quá trình học. Về khái niệm “liên ngành” khác với “đa ngành”. Mặc dù cũng là có nhiều ngành, nhiều lĩnh vực nhưng “liên ngành” thể hiện sự kết nối và bổ trợ lẫn nhau trong các ngành còn “đa ngành” cũng là có nhiều ngành nhưng không thể hiện được sợi dây kết nối bổ trợ lẫn nhau trong các ngành. Do vậy, nếu một chương trình học, một trường học chỉ có nhiều môn, nhiều GV dạy các ngành khác nhau mà không có sự kết nối và bổ trợ lẫn nhau thì chưa được gọi là giáo dục STEM. - HS phải kết hợp trí óc và chân tay. Lồng ghép với các bài học trong thế giới thực. Thể hiện tính thực tiễn và tính ứng dụng kiến thức trong việc giải quyết các vấn đề thực tế. Ở đây, không còn rào cản của việc học kiến thức lý thuyết với ứng dụng. Do vậy, các chương trình STEM nhất thiết phải hướng đến các hoạt động thực hành và vận dụng kiến thức để tạo ra sản phẩm hoặc giải quyết các vấn đề của thực tế cuộc sống. - Giải quyết vấn đề thực tiễn. - Phát triển mạnh năng lực và phẩm chất HS - Định hướng thực hành và sản phẩm - Kết nối từ trường học, cộng đồng đến các tổ chức toàn cầu. Đó là kỷ nguyên của thế giới phẳng, cách mạng công nghiệp 4.0 (nơi mà tự động hóa và điều khiển từ xa thông qua các thiết bị điện tử di động lên ngôi, thông qua đường truyền Internet). Do vậy, quá trình giáo dục STEM không chỉ hướng đến vấn đề cụ thể của địa phương mà phải đặt trong mối liên hệ với bối cảnh kinh tế toàn cầu và các xu hướng chung của thế giới. Ví dụ: biến đổi khí hậu, năng lượng tái tạo… 1.2.3. Dạy học theo định hướng STEM 1.2.3.1. Đặc trưng của bài học STEM - Một chủ đề STEM đầy đủ sẽ hội tụ cả bốn thành tố của STEM như: + Khoa học: Các quy luật tự nhiên, xã hội + Công nghệ: Quy trình sản xuất ra sản phẩm học tập. + Kĩ thuật: Thiết kế, chế tạo đẽo gọt,... + Toán học: Ý nghĩa các con số, hình dạng, phép tính, số lượng liên quan đến sản phẩm chế tạo. - Một bài học STEM có các đặc trưng sau: + Bài học STEM tập trung vào các tình huống và các vấn đề mang tính thực tiễn liên quan đến vấn đề xã hội, kinh tế, môi trường cần được giải quyết. + Bài học STEM thường được hướng dẫn bằng các quá trình thiết kế kĩ thuật. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn + Bài học STEM đặt HS vào hàng loạt những câu hỏi - đáp về thực hành và những khám phá có kết thúc mở. Trong các bài học STEM, con đường học tập STEM có kết thúc mở trong một quá trình không quá ràng buộc. Điều ràng buộc, nếu có chỉ là các vật liệu được cung cấp sẵn. Giáo dục STEM về bản chất được hiểu là trang bị cho người học những kiến thức và kỹ năng cần thiết liên quan đến các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học. Các kiến thức và kỹ năng này phải được tích hợp, lồng ghép và bổ trợ cho nhau, giúp HS không chỉ hiểu biết về nguyên lý mà còn có thể thực hành và tạo ra được những sản phẩm trong cuộc sống hàng ngày. Giáo dục STEM sẽ thu hẹp khoảng cách giữa hàn lâm và thực tiễn, tạo ra những con người có năng lực làm việc “tức thì” trong môi trường có tính sáng tạo cao và sử dụng trí óc có tính chất công việc ít lặp lại. Giáo dục STEM có đặc trưng không phải là để HS trở thành những nhà toán học, nhà khoa học, kỹ sư hay những kỹ thuật viên mà là phát triển cho HS các kỹ năng có thể được sử dụng để làm việc và phát triển trong thế giới công nghệ hiện đại ngày nay. Vâng, đó chính là kỹ năng STEM. 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. Một trong những phương pháp dạy và học mang lại hiệu quả cao nhất cho giáo dục STEM là phương pháp “Học qua hành” - “Learning by doing”. Phương pháp “Học qua hành” giúp HS có được kiến thức từ kinh nghiệm thực hành chứ không phải chỉ từ lý thuyết. Bằng cách xây dựng các bài giảng theo chủ đề và dựa trên thực hành, HS sẽ được hiểu sâu về lý thuyết, nguyên lý thông qua các hoạt động thực tế. Chính các hoạt động thực tế này sẽ giúp HS nhớ kiến thức lâu hơn, sâu hơn. HS sẽ được làm việc theo nhóm, tự thảo luận tìm tòi kiến thức, tự vận dụng kiến thức vào các hoạt động thực hành rồi sau đó có thể truyền đạt lại kiến thức cho người khác. Với cách học này, GV không còn là người truyền đạt kiến thức nữa mà sẽ là người hướng dẫn để HS tự xây dựng kiến thức cho chính mình. 1.2.3.2. Quy trình xây dựng và tổ chức dạy học STEM - Quy trình 5E Quy trình 5E được Rodger W Bybee và cs xây dựng dựa trên mô hình SCIS của J. Myron Atkin và Robert Karplus (1962) - một mô hình dùng để cải tiến chương trình dạy học môn Khoa học ở HS bậc tiểu học. Kể từ năm 1980, Quy trình 5E đã được dùng để thiết kế các tài liệu giảng dạy. Quy trình hướng dẫn 5E đóng một vai trò quan trọng quá trình phát triển chương trình và xây dựng tài liệu giáo trình cho các lớp học khoa học. Ngày nay, một số tác giả đã rất quan tâm đến quy trình 5E và coi nó là một quy trình phù hợp để giáo dục STEM. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Quy trình 5E nhằm mô tả tiến trình dạy học và có thể được sử dụng trong toàn bộ chương trình, cho một chương hay một bài học cụ thể [4]. Quy trình 5E gồm có 5 giai đoạn trong một chuỗi quá trình dạy học là: Engagement (Thâm nhập vấn đề), Exploration (khám phá), Explanation (giải thích), Elaboration/Extension (mở rộng) và Evaluation (đánh giá) (Hình 1.1). Hình 1.1. Mô hình 5E hướng dẫn tích hợp STEM Thâm nhập vấn đề: Mục tiêu của giai đoạn này là để tạo sự chú ý và quan tâm của HS. HS được đặt vào những tình huống, sự kiện hay vấn đề liên quan đến nội dung học tập mang tính thách thức và gợi nhu cầu HS cần phải giải quyết. Về bản chất, ở đây là tạo các tình huống có vấn đề khiến HS có những suy nghĩ như: tại sao điều đó lại có thể xảy ra, em cũng đã từng suy nghĩ nhưng không biết lí giải thế nào, em muốn tìm hiểu thêm về vấn đề này… và khi đó HS cảm thấy cần thiết phải giải quyết hay học thêm một vấn đề gì đó. Khám phá: Đây là giai đoạn HS trải nghiệm thông qua các hoạt động như thu thập thông tin dữ liệu, quan sát mô hình, thí nghiệm, điều tra… để giải thích các hiện tượng và phát triển khả năng nhận thức của bản thân. Vai trò của GV trong giai đoạn khám phá là người chỉ dẫn và khởi đầu cho hoạt động. Cung cấp cho HS những kiến thức nền cần thiết; những dụng cụ, nguyên vật liệu phục vụ hoạt động trải nghiệm của HS và điều chỉnh những nhận thức sai lầm mà HS có thể gặp phải trong quá trình khám phá. Đây là giai đoạn HS suy nghĩ, lập kế hoạch và tổ chức những thông tin dữ liệu thu thập được. Giai đoạn này HS có thể thực hiện các thí nghiệm, tiến hành nghiên cứu, thiết kế các quy trình, thiết kế mẫu… Lựa chọn và áp dụng các phương pháp tiếp cận có hệ thống thích hợp để trả lời câu hỏi mang tính phức hợp, để điều tra các vấn đề mang tính thời sự và phát triển các giải pháp cho những thách thức và các vấn đề trong thế giới thực. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Giải thích: HS phân tích và diễn giải các dữ liệu. Trao đổi những kiến thức và các giải pháp mang tính khả thi. Sử dụng công nghệ thích hợp để phân tích và thông tin liên lạc. Mở rộng: Giai đoạn này HS có cơ hội được mở rộng và củng cố những hiểu biết của mình về các khái niệm, kiến thức. HS điều chỉnh các giải pháp, các quy trình. Sửa đổi quy trình thử nghiệm để tìm hiểu thêm. Xác định và phân tích các kết nối đến nghề nghiệp thuộc lĩnh vực STEM. Đánh giá: Đánh giá được tiến hành thông qua việc HS phải trình bày giải pháp của họ nhằm giải quyết các vấn đề được đặt ra ban đầu. HS được tham gia đánh giá đồng đẳng. HS phải chứng minh sự hiểu biết của mình dựa trên kết quả các nhiệm vụ thực hiện. GV sẽ đánh giá cả kiến thức và kĩ năng của HS, xem xét những minh chứng cho thấy sự hiểu biết của HS. Quy trình trên được xây dựng dựa trên lí thuyết kiến tạo, giúp HS có thể tự xây dựng những hiểu biết của mình thông qua những trải nghiệm và những ý tưởng mới. - Quy trình tiếp cận nghiên cứu khoa học Cùng với quy trình 5E, hiện nay trên thế giới, giáo dục STEM được giảng dạy theo phương pháp nghiên cứu 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 TN kiểm chứng. Theo cách tiếp cận này HS sẽ được học theo cách của các nhà khoa học khám phá hay trả lời các câu hỏi khoa học. Quy trình này phù hợp cho các hình thức giáo dục STEM thông qua nghiên cứu khoa học hay mô hình sinh hoạt câu lạc bộ khoa học. Trên cơ sở quy trình nghiên cứu khoa học, tiến trình dạy học STEM theo phương pháp nghiên cứu khoa học được cải tiến như sau (Hình 1.2) [8]. Hình 1.2. Tiến trình dạy học STEM theo phương pháp nghiên cứu khoa học - Quy trình tiếp cận theo lí thuyết thiết kế kĩ thuật Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Đặc điểm nổi bật của giáo dục STEM là nhấn mạnh yếu tố kĩ thuật và cụ thể là tính thiết kế. Do vậy, nhiều nhà sư phạm đã vận dụng quy trình thiết kế kĩ thuật để giảng dạy STEM cho HS. Vòng lặp thiết kế là một ví dụ trong việc vận dụng quy trình thiết kế kĩ thuật trong giáo dục STEM. Vòng lặp thiết kế là một hướng dẫn giúp HS giải quyết các vấn đề nói chung và giải quyết vấn đề trong thiết kế nói riêng khi học STEM một cách hiệu quả (Hình 1.3). Khác với quy trình tiếp cận nghiên cứu khoa học là dựa trên các câu hỏi, dựa trên các giả thuyết khoa học để làm xuất phát điểm cho quá trình nhận thức của HS, và ở đó quan tâm nhiều đến việc tìm ra các minh chứng để trả lời cho các câu hỏi khoa học đó thì quy trình tiếp cận theo lí thuyết thiết kế kĩ thuật sẽ dựa trên các vấn đề và tìm giải pháp cho các vấn đề cần phải giải quyết. Hay nói cách khác về bản chất ở đây là dựa trên quy trình thiết kế kĩ thuật để giải quyết vấn đề. Hình 1.3. Vòng lặp thiết kế trong giáo dục STEM [8] - Thiết lập mối quan hệ giữa các kiến thức, kĩ năng và phương pháp của các môn học. Hiện nay trong giáo dục truyền thống bốn lĩnh vực quan trọng: Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học được xây dựng và giảng dạy một cách độc lập. Tuy việc dạy theo cách này vẫn giữ một vai trò quan trọng trong việc cung cấp những kiến thức cơ bản thuộc các lĩnh vực trên. Nhưng sự tách rời này cũng sẽ đem đến một khoảng cách lớn giữa học và thực hành, giữa nhà trường và doanh nghiệp bởi nhà trường dạy theo các môn học nhưng cuộc sống thực tiễn thì lại không tồn tại theo các môn độc lập như trong nhà trường mà là những vấn đề mang tính phức hợp. HS được đào tạo theo mô hình truyền thống sẽ cần thời gian để thích nghi, để hiểu được làm thế nào để từ cơ sở lí thuyết, nguyên lí, những kiến thức được học trong trường chuyển thành các ứng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn