Tài liệu Luận văn sư phạm thiết kế một số mô hình stem hóa học dành cho học sinh phổ thông

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ====== PHAN VĂN ĐỒNG THIẾT KẾ MỘT SỐ MÔ HÌNH STEM HÓA HỌC DÀNH CHO HỌC SINH PHỔ THÔNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa hữu cơ HÀ NỘI - 2019 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ====== PHAN VĂN ĐỒNG THIẾT KẾ MỘT SỐ MÔ HÌNH STEM HÓA HỌC DÀNH CHO HỌC SINH PHỔ THÔNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa hữu cơ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học TS. Chu Anh Vân HÀ NỘI - 2019 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đƣợc khóa luận này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giảng viên TS. Chu Anh Vân đã giao đề tài, hết lòng hƣớng dẫn, chỉ bảo, truyền đạt kinh nghiệm quý báu cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành khóa luận này. Đồng thời, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo khoa Hóa học trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2 đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận. Trong khuôn khổ của một bài khóa luận, do điều kiện về thời gian, năng lực và cũng lần đầu nghiên cứu khoa học nên không tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót. Vì vậy, tôi kính mong nhận đƣợc sự góp ý của thầy giáo, cô giáo và toàn thể bạn đọc để khóa luận đƣợc hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 02 tháng 05 năm 2019 Sinh viên Phan Văn Đồng MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1 2. Nội dung chính của đề tài, các vấn đề cần giải quyết ................................... 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................. 3 1.1. Lý thuyết về giáo dục STEM trong trƣờng trung học cơ sở và trung học phổ thông .................................................................................................... 3 1.1.1. Thuật ngữ STEM..................................................................................... 3 1.1.2. Phân loại STEM ...................................................................................... 4 1.1.3. Giáo dục STEM....................................................................................... 5 1.1.4. Mục tiêu của giáo dục STEM ................................................................. 5 1.1.5. Sự cần thiết của giáo dục STEM ............................................................. 6 1.1.6. Mối liên hệ tƣơng tác giữa các lĩnh vực trong giáo dục STEM.............. 7 1.1.7. Chủ đề giáo dục STEM ........................................................................... 9 1.1.8. So sánh giáo dục STEM với giáo dục truyền thống ............................. 10 1.1.9. Học sinh học đƣợc gì thông qua giáo dục STEM? ............................... 10 1.2. Tổng quan lịch sử nghiên cứu giáo dục STEM ....................................... 12 1.2.1. Giáo dục STEM trên thế giới ................................................................ 12 1.2.1.1. Giáo dục STEM tại Mỹ ...................................................................... 12 1.2.1.2. Giáo dục STEM tại Pháp ................................................................... 14 1.2.1.3. Giáo dục STEM tại Tại Anh .............................................................. 14 1.2.1.4. Giáo dục STEM tại Tại Malaysia ...................................................... 15 1.2.2. Giáo dục STEM ở Việt Nam................................................................. 16 1.3. Cơ sở của việc dạy học môn Hóa học theo định hƣớng giáo dục STEM .............................................................................................................. 17 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ...................................................................... 19 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 21 3.1. Mô hình tên lửa Rocket ............................................................................ 21 3.2. Mô hình súng thần công ........................................................................... 24 3.3. Mô hình động cơ quẹt diêm ..................................................................... 26 3.4. Mô hình điện phân nƣớc .......................................................................... 29 3.5. Mô hình đài phun nƣớc ............................................................................ 31 3.6. Mô hình lên men rƣợu .............................................................................. 34 3.7. Mô hình tái chế nhựa................................................................................ 36 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 40 BẢNG KÍ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tên đầy đủ CMCN Cách mạng công nghiệp CNTT Công nghệ thông tin GDPT Giáo dục phổ thông GV Giáo viên HS Học sinh KHTN Khoa học tự nhiên NXB Nhà xuất bản PDCA Plan - Do - Check – Act STEM Science Technology Engineering Mathematics THCS Trung học cơ sở THPT Trung học phổ thông UNESCO United Nations Educational Scientific and Cultural Organization DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Các thành tố của STEM .................................................................... 1 Hình 1.2. Mối liên quan của Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học ...... 8 Hình 1.3. Tiêu chí của chủ đề giáo dục STEM ................................................. 9 Hình 2.1. Quy trình thiết kế một mô hình STEM ........................................... 19 Hình 3.1. Mô hình tên lửa Rocket ................................................................... 23 Hình 3.2. Mô hình súng thần công .................................................................. 26 Hình 3.3. Mô hình động cơ quẹt diêm ............................................................ 28 Hình 3.4. Mô hình điện phân nƣớc ................................................................. 31 Hình 3.5. Mô hình đài phun nƣớc ................................................................... 33 Hình 3.6. Mô hình lên men rƣợu..................................................................... 36 Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi thể tích khí CO2 vào thời gian ........... 36 Hình 3.8. Mô hình tái chế nhựa....................................................................... 38 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Thuật ngữ "Công nghiệp 4.0" lần đầu tiên đƣợc đƣa ra ở Cộng hòa Liên bang Đức năm 2011 tại Hội chợ - Công nghệ Hannover. Đến năm 2012, đƣợc sử dụng đặt tên cho một chƣơng trình hỗ trợ của Chính phủ Đức hợp tác với giới nghiên cứu và các hiệp hội công nghiệp hàng đầu của Đức nhằm cải thiện quy trình quản lý và sản xuất trong các ngành chế tạo thông qua “điện toán hóa”. Từ đó đến nay, thuật ngữ “Công nghiệp 4.0” đƣợc sử dụng rộng rãi trên thế giới để mô tả cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ 4 (CMCN 4.0). Có 4 yếu tố mà chúng ta cần cân nhắc khi tiến vào CMCN 4.0 đó là: Thị trƣờng, công nghiệp, thể chế và giáo dục. Trong đó, cải cách thể chế và cải cách giáo dục là những chỗ dựa trọng yếu, đây là chìa khóa của chuyển đổi, là lĩnh vực có thể đột phá nhanh nhất, quyết định nhất.[10] Vấn đề lớn nhất của ngành giáo dục cần giải hiện nay là chuẩn bị nguồn nhân lực cho tƣơng lai, đặc biệt cho CMCN 4.0. Giáo dục STEM đƣợc công nhận rộng rãi trên thế giới là hƣớng đi đúng đắn cho vấn đề này. STEM là viết tắt của 4 từ Khoa học (Science), Công nghệ (Technology), Kỹ thuật (Engineering) và Toán học (Mathematics). Nguồn nhân lực với kiến thức và kỹ năng trong các lĩnh vực STEM đang ngày càng trở thành yêu cầu cơ bản và thiết yếu của các quốc gia trong thế kỷ XXI, và là chìa khóa để nâng cao sức cạnh tranh của nền kinh tế và hƣớng đến sự thịnh vƣợng.[10] Hình 1.1. Các thành tố của STEM Với mô hình giáo dục STEM, các kiến thức và kỹ năng trong các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học đƣợc truyền đạt đan xen và 1 kết dính lẫn nhau cho học sinh trên cơ sở học thông qua thực hành và hƣớng đến giải quyết các vấn đề thực tiễn. Ngoài ra, giáo dục STEM còn chú trọng trang bị cho học sinh những kỹ năng mềm cần thiết cho sự thành công trong công việc sau này nhƣ kỹ năng cộng tác, làm việc nhóm, giải quyết vấn đề, tƣ duy sáng tạo, tƣ duy phản biện…[10] Hiện nay ở Việt Nam, STEM và giáo dục STEM vẫn chƣa đƣợc đề cập nhiều. Các bài báo, tài liệu, chƣơng trình về giáo dục STEM ở Việt Nam hiện nay còn nhiều hạn chế. Chỉ có một số ít công trình nào bàn về cơ sở lí luận của giáo dục STEM và vận dụng nó vào dạy học bộ môn. Bên cạnh đó, môn Hóa học có nhiều điểm tƣơng đồng với giáo dục STEM bởi đây là môn khoa học ứng dụng các kiến thức nền tảng của các môn khoa học cơ bản nhƣ Toán học, Vật lí, Công nghệ… Bản thân môn Hóa học cũng là một thành tố trong STEM. Nội hàm môn Hóa học đã có yếu tố tích hợp, do đó việc nghiên cứu về giáo dục STEM nói chung và dạy học môn Hóa học theo định hƣớng giáo dục STEM nói riêng là hoàn toàn có cơ sở và phù hợp với định hƣớng đổi mới căn bản giáo dục Việt Nam sau 2015 theo hƣớng phát triển năng lực ở ngƣời học nhằm đáp ứng những đòi hỏi của xã hội hiện đại. Với các lí do trên tôi chọn nghiên cứu đề tài: “Thiết kế một số mô hình STEM Hóa học dành cho học sinh phổ thông”. 2. Nội dung chính của đề tài, các vấn đề cần giải quyết - Đƣa ra đƣợc bối cảnh thực tiễn cho mỗi mô hình. - Phân tích đƣợc các yếu tố S, T, E, M. - Nêu đƣợc các bƣớc thiết kế. - Nêu đƣợc các thách thức khi sử dụng mỗi mô hình. 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Lý thuyết về giáo dục STEM trong trƣờng trung học cơ sở và trung học phổ thông 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). Science (Khoa học): giúp HS tìm hiểu về thế giới tự nhiên thông qua các kiến thức Vật lý, Hóa học, Sinh học và Khoa học trái đất. Từ đó vận dụng kiến thức liên môn để giải quyết các vấn đề thực tiễn mà cuộc sống đặt ra. Technology (Công nghệ): phát triển nhận thức cho HS về kỹ năng sử dụng công nghệ; từ đó hiểu đƣợc công nghệ hiện đại ngày nay áp dụng vào cuộc sống ra sao cũng nhƣ ảnh hƣởng của nó nhƣ thế nào. Engineering (Kĩ thuật): giúp HS nắm bắt đƣợc sự tiến bộ của công nghệ thông qua quá trình xây dựng bản vẽ, gia công sản phẩm; nhờ sử dụng kiến thức của nhiều môn học mà các khái niệm liên quan sẽ đƣợc hiểu dễ dàng hơn. Kĩ thuật cùng với Khoa học và Toán học sẽ tạo ra những cơ sở cho sự sáng tạo trong khâu thiết kế, xây dựng hệ thống, quy trình sản xuất. Mathematics (Toán học): là môn học yêu cầu HS sử dụng các kỹ năng nhƣ phân tích, tổng hợp, tham chiếu, đối chứng...để xử lý các bài toán đặt ra trong cuộc sống. Hiện nay thuật ngữ STEM đƣợc dùng trong hai ngữ cảnh khác nhau đó là ngữ cảnh giáo dục và ngữ cảnh nghề nghiệp [6]: Trong ngữ cảnh giáo dục, đó là sự chú trọng của giáo dục vào các môn Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học; phát triển khả năng nhận thức cho HS thông qua việc tích hợp liên môn. Giáo dục STEM đƣợc hiểu và trình bày ở nhiều cấp độ nhƣ: chính sách STEM, chƣơng trình STEM, nhà trƣờng STEM, môn học STEM, bài học STEM hay hoạt động STEM. Trong ngữ cảnh nghề nghiệp, đó là nghề nghiệp thuộc các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học, ví dụ: Nhóm ngành nghề về 3 Công nghệ thông tin, Công nghệ sinh học, Điện lạnh, Kĩ thuật, Khoa học máy tính… Trong từng ngữ cảnh, STEM đƣợc đề cập là các môn học hay các lĩnh vực nghề nghiệp. 1.1.2. Phân loại STEM - Phân loại dựa trên khía cạnh các lĩnh vực STEM tham gia giải quyết vấn đề ta có [6]: + STEM đầy đủ: là loại hình STEM mà ở đó HS cần vận dụng đầy đủ cả bốn thành tố để có thể giải quyết các vấn đề thực tiễn đặt ra. + STEM khuyết: là loại hình STEM khuyết một số thành tố, HS vận dụng các kiến thức của thành tố còn lại để giải quyết các vấn đề thực tiễn đặt ra. - Phân loại dựa trên khía cạnh phạm vi kiến thức để giải quyết vấn đề STEM ta có: + STEM cơ bản: là loại hình STEM đƣợc thiết kế thuộc các môn học Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học trong chƣơng trình phổ thông. Các sản phẩm STEM không mang tính yêu cầu cao, chủ đề giáo dục bám sát chƣơng trình giáo dục, đƣợc tổng hợp dựa trên các vấn đề thực nghiệm trong chƣơng trình giáo dục phổ thông. + STEM mở rộng: là loại hình STEM không nằm trong chƣơng trình giảng dạy, mà ở đó ngƣời học phải tự kiếm lấy kiến thức thông qua quan sát, nghiên cứu các tài liệu liên quan. Sản phẩm STEM cấp độ này cao hơn so với sản phẩm STEM cơ bản. Nội dung đƣợc xây dụng trên nhiều khía cạnh và lĩnh vực khác nhau, nằm ngoài chƣơng trình phổ thông. - Phân loại dựa vào mục đích dạy học ta có: + STEM dạy kiến thức mới: là STEM đƣợc xây dựng dựa trên các kiến thức mới của các môn học khác nhau mà HS chƣa đƣợc đề cập ở cấp học dƣới. HS sẽ tiếp thu đƣợc kiến thức mới thông qua việc giải quyết vấn đề. 4 + STEM vận dụng: là STEM đƣợc xây dựng dựa trên nền tảng kiến thức mà HS đã đƣợc tiếp cận từ trƣớc. Qua đó, kiến thức lý thuyết của HS sẽ đƣợc khắc ghi nhờ áp dụng vào thực tế. 1.1.3. Giáo dục STEM Hiện nay, có nhiều cá nhân và tổ chức giáo dục nghiên cứu về STEM. Chính vì thế, khái niệm giáo dục STEM đƣợc trình bày trên các khía cạnh khác nhau. Dƣới đây đề cập đến ba cách hiểu về giáo dục STEM: - Giáo dục STEM đƣợc khai thác dựa trên nghĩa rộng, đó là sự chú trọng đến các môn Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học. Quan điểm này hoàn toàn phù hợp với chủ trƣơng, chính sách của Bộ giáo dục Mỹ về giáo dục STEM. - Giáo dục STEM đƣợc hiểu theo nghĩa là tích hợp (liên ngành) của 4 lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học. Theo nhƣ tác giả Tsupros đã đề cập tới giáo dục STEM là một phƣơng thức học tập liên ngành, những kiến thức khó sẽ đƣợc gắn kết với các vấn đề thực tế nhờ áp dụng những kiến thức của 4 lĩnh vực vào trong những tình huống cụ thể tạo nên mối liên kết giữa nhà trƣờng, xã hội và các doanh nghiệp. Từ đó, cho phép HS phát triển những kĩ năng STEM và nâng cao khả năng cạnh tranh trong nền CMCN 4.0. - Giáo dục STEM đƣợc 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 nhƣ tác giả Sanders giải thích giáo dục STEM nhƣ là một cách thức tiếp cận, tìm hiểu trong giáo dục của ít nhất hai môn học STEM, hoặc giữa một hoặc nhiều môn học khác nhau với một chủ đề STEM trong nhà trƣờng. Bên cạnh đó, giáo dục STEM cũng đƣợc hiểu nhƣ là chƣơng trình giảng dạy lấy ý tƣởng cho HS dựa trên bốn lĩnh vực cụ thể - Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học - trong một chỉnh thể thống nhất cùng với phƣơng thức tiếp cận ứng dụng. Thay vì dạy theo hình thức tách biệt và rời rạc, STEM gắn kết chúng lại thành một mô hình học tập liền khối dựa trên các ứng dụng gắn liền với thực tế. 1.1.4. Mục tiêu của giáo dục STEM 5 - Phát triển các năng lực đặc thù của các môn học thuộc về STEM cho HS: Đó là những kiến thức, kĩ năng liên quan đến các môn học Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học. HS biết tích hợp các kiến thức Khoa học, Toán học để giải quyết các vấn đề thực tiễn đặt ra trong cuộc sống. Biết cách thức làm việc với Công nghệ. HS xây dựng bản vẽ quy trình thiết kế, lắp ráp các nguyên vật liệu để tạo ra các sản phẩm.[10] - Phát triển các năng lực cốt lõi cho HS: Giáo dục STEM nhằm chuẩn bị cho HS những nền tảng cả về kiến thức cũng nhƣ kĩ năng để có thể gặt hái đƣợc thành công nền xu thế toàn cầu hóa của thế kỉ XXI. Cùng với những hiểu biết về các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật, Toán học, HS sẽ đƣợc phát triển cả về tƣ duy phản biện, kỹ năng giao tiếp và hợp tác để thành công.[10] - Định hướng nghề nghiệp cho HS: Giáo dục STEM sẽ trang bị cho HS những kiến thức, kĩ năng nền tảng cho việc học tập ở các bậc học cao hơn cũng nhƣ cho nghề nghiệp trong tƣơng lai. Từ đó, góp phần xây dựng lực nguồn nhân lực đầy đủ các năng lực, phẩm chất đáp ứng đƣợc công cuộc xây dựng và phát triển đất nƣớc. 1.1.5. Sự cần thiết của giáo dục STEM Giáo dục STEM mở rộng việc nghiên cứu kỹ thuật trong từng môn học, từng cấp học khác nhau. Điều này tạo điều kiện cho tất cả HS đƣợc tiếp cận với giáo dục STEM, chứ không phải dừng lại ở chƣơng trình năng khiếu. Giáo dục STEM thƣờng sử dụng các công nghệ mới nhƣ Khoa học máy tính, Robotics, máy in 3D, Khoa học dữ liệu để khuyến khích sự quan tâm trong các lĩnh vực STEM. Theo UNESCO: “Giáo dục STEM là chìa khóa hƣớng đến sáng tạo và sự tăng trƣởng kinh tế trong thế giới kết nối mạng, nơi mà con ngƣời đƣợc bao quanh bởi công nghệ và sáng tạo”. Giáo dục STEM sử dụng phƣơng pháp học tập dựa trên thực hành và các hoạt động trải nghiệm sáng tạo. Những kiến thức đƣợc cho là “khó hiểu”, “khó nhớ” sẽ đƣợc minh họa bằng các ví dụ thực tế trở lên dễ tiếp thu. Về lâu dài, những hoạt động thực hành trên lớp sẽ tạo dựng một nền kiến thức không 6 chỉ cơ bản mà còn linh hoạt, khiến cho phần lớn HS có thể ứng dụng chúng vào thực tiễn cuộc sống. Khi tiếp cận với STEM, HS hình thành đƣợc những ƣu thế nổi bật nhƣ: kiến thức khoa học, kỹ thuật, công nghệ và toán học chắc chắn, khả năng sáng tạo, tƣ duy logic, hiệu suất học tập và làm việc vƣợt trội và có cơ hội phát triển các kỹ năng mềm toàn diện hơn trong khi không hề gây cảm giác nặng nề, quá tải đối với HS. Với học sinh phổ thông, việc theo học các môn học STEM còn có góp phần định hƣớng nghề nghiệp tƣơng lai. Khi đƣợc học các kiến thức theo hình thức tích hợp liên môn, học sinh sẽ tạo đƣợc sự hứng thú với việc học tập thay vì thái độ chán nản, e ngại một lĩnh vực nào đó. Từ đó sẽ giúp HS có định hƣớng tốt hơn khi chọn chuyên ngành trong các cấp học cao hơn cũng nhƣ sự nghiệp về sau. Cùng với sự phát triển của khoa học thì việc làm liên quan đến STEM ngày càng gia tăng, vì vậy ngành giáo dục cũng phải có những bƣớc chuyển đổi để đáp ứng nhu cầu của xã hội. Giáo dục STEM là hƣớng đi đúng đắn cho sự thay đổi này, nó tạo ra nguồn nhân lực đáp ứng đƣợc thách thức công việc của thế kỷ XXI, có ảnh hƣởng lớn đến sự thay đổi nền kinh thế thế giới. 1.1.6. Mối liên hệ tương tác giữa các lĩnh vực trong giáo dục STEM Khoa học đƣợc tác động bởi những lợi ích từ sự phát triển của Công nghệ, Kĩ thuật. Bên cạnh đó Công nghệ, Kĩ thuật là ứng dụng những thành tựu của Khoa học vào đời sống thực tiễn. Những tiến bộ của Khoa học, Công nghệ đều có liên quan đến Toán học và qua đó cũng góp phần phát triển những tiến bộ mới trong Toán học. Các lĩnh vực này đều nằm trong mối liên kết động để thúc đẩy nhau cùng phát triển, góp phần phản ánh các vấn đề của tự nhiên thông qua khám phá và cải tạo thế gới. 7 Hình 1.2. Mối liên quan của Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học Trong giáo dục, giảng dạy Khoa học gồm cả việc dạy về phƣơng pháp khoa học là một quy trình đề xuất giả thuyết và biện luận để đồng ý hay bác bỏ. Dạy học Công nghệ và Kĩ thuật là dạy về sự tiến bộ, sáng tạo và linh hoạt trong cách thức sử dụng. Tuy nhiên để đo lƣờng đƣợc các thuộc tính này là điều không hề đơn giản trong dạy học, nhƣng nó lại hết sức quan trọng trong dạy học Công nghệ, Kĩ thuật. HS phải đƣợc tiếp cận trong môi trƣờng, không gian chuyên biệt và cần có thời gian trải nghiệm để có thể tạo nên sự sáng tạo. Do vậy, để tạo ra sự kết hợp hài hòa, cân đối giữa các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán thì cần tiếp cận STEM theo hƣớng liên ngành nhằm mang lại cho HS những trải nghiệm thực sự có ý nghĩa. Ví dụ trong vấn STEM về lĩnh vực xây cầu, HS liên tƣởng mình là kiến trúc sƣ tƣ vấn cho một công ty phải thay mới một cây cầu hoặc sửa chữa những phần hƣ hỏng. HS sẽ đƣợc tiếp cận về bản chất của lực, trọng lực cũng nhƣ làm thế nào để tạo nên lực cân bằng thông qua các kiến thức về Vật lý, Toán học. Qua đó đề xuất các giải pháp, ý tƣởng để tạo ra đƣợc những cấu trúc thật sự chắc chắn và ổn định. Hay, khi nghiên chủ đề về hệ mặt trời, HS không chỉ nghiên cứu xem hệ mặt trời gồm những hành tinh nào cũng nhƣ đặc điểm của chúng khác nhau ở điểm gì mà còn đƣợc tìm hiểu quá trình làm ra kính thiên văn (Công 8 nghệ), bệ đỡ cho kính thiên văn (Kĩ thuật), học cách tính khoảng cách giữa các ngôi sao và kích thƣớc của chúng (Toán học).[10] 1.1.7. Chủ đề giáo dục STEM Kiến thức thuộc lĩnh vực STEM Làm viêc nhóm Tiêu chí chủ đề STEM Giải quyết vấn đề thực tiễn Định hƣớng thực hành Hình 1.3. Tiêu chí của chủ đề giáo dục STEM - Chủ đề STEM hướng tới giải quyết các vấn đề trong thực tiễn Mục tiêu của dạy học theo định hƣớng STEM là áp dụng các kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề thực tiễn. Do đó, bài học STEM luôn hƣớng tới giải quyết các tình huống, các vấn đề đặt ra trong môi trƣờng công cộng, kinh tế, xã hội cũng nhƣ mang tính toàn cầu.[6] - Chủ đề STEM phải hướng tới việc HS vận dụng các kiến thức trong lĩnh vực STEM để giải quyết Tiêu chí này nhằm đảm bảo theo đúng tinh thần giáo dục STEM, qua đó mới phát triển đƣợc những năng lực chuyên môn.[6] - Chủ đề STEM định hướng thực hành Định hƣớng hành động là một quan điểm xuyên suốt trong chủ đề giáo dục STEM nhằm hình thành và phát triển ở HS khả năng kết hợp lý thuyết và thực hành cho HS. Điều này sẽ giúp HS chiếm lĩnh đƣợc kiến thức từ thực hành chứ không phải từ trong những trang sách, bài báo hay tạp chí chuyên 9 môn. Bằng việc xây dựng các bài dạy theo từng chủ đề dựa trên thực hành, HS sẽ hiểu sâu về các nguyên lý, lý thuyết thông qua các hoạt động trải nghiệm.[6] - Chủ đề STEM khuyến khích làm việc nhóm giữa các HS Mặc dù có những chủ đề STEM có thể áp dụng theo hình thức cá nhân. Nhƣng có thể thấy hình thức làm việc nhóm tỏ ra ƣu thế hơn trong việc giải quyết các vấn đề phức hợp gắn với thực tiễn cuộc sống. Đó là một kỹ năng cần đƣợc chú củng cố và nâng cao hơn nữa trong kỷ nguyên mà chúng ta đnag sống, qua đó HS sử dụng các phƣơng thức giao tiếp cũng nhƣ đề xuất các giải pháp để giải quyết vấn đền đặt ra.[6] 1.1.8. So sánh giáo dục STEM với giáo dục truyền thống Điểm khác biệt của giáo dục STEM đƣợc thể hiện trên nhiều góc độ, từ góc độ tiếp thu kiến thức của học sinh, phƣơng pháp giảng dạy của giáo viên, giáo trình và nội dung [10]:  Giáo trình đƣợc xây dựng có hệ thống từ các vấn đề thực tiễn.  Dạy và học dựa trên dự án thực tế.  Chú trọng tƣ duy máy tính và các khái niệm lớn trong CMCN 4.0 và kỹ năng thế kỉ XXI.  Đánh giá học sinh thông qua các kỹ năng.  Phƣơng pháp giảng dạy hƣớng ngƣời học làm trung tâm, học dựa vào truy vấn và thực hành giúp hình thành kỹ năng tự giải quyết vấn đề. 1.1.9. Học sinh học được gì thông qua giáo dục STEM? Khi tiếp xúc với giáo dục STEM, HS có cơ hội tiếp cận với những công nghệ tiên tiến, tìm hiểu và khám phá những hiện tƣợng hóa học và sáng tạo những sản phẩm công nghệ nổi bật. Điều này đặc biệt trở nên quan trọng khi xã hội ngày một hiện đại, những phát minh về công nghệ nói riêng và những thành tựu khoa học nói chung luôn hiện hữu xung quanh con ngƣời, phục vụ lợi ích của con ngƣời. Ngoài ra, HS còn có đƣợc những lợi ích thiết thực nhƣ sau [10]: 10 + STEM học 1 đƣợc 4 (chỉ với 1 mô hình học mà tổng hợp đƣợc đến 4 bộ môn): Toán, hóa học, công nghệ đƣợc truyền đạt đan xen và bổ trợ cho nhau nhƣ một khối thống nhất. Học sinh sẽ thấy đƣợc sự liên quan của các môn học khác nhau. Giúp HS có đƣợc một bức tranh tổng thể. + STEM mang lại cho học sinh phát triển kỹ năng sáng tạo, kích thích trí tƣởng tƣợng, tập tính kiên nhẫn, khả năng làm việc nhóm, khả năng lãnh đạo, thuyết trình trƣớc đám đông, tự giải quyết vấn đề, tƣ duy máy tính, phát triển ngôn ngữ... + STEM là sự kết hợp giữa học, chơi và thực hành cũng nhƣ chƣơng trình học khám phá khoa học. Chính điều này sẽ kích thích niềm đam mê khoa học. HS thấy đƣợc nhu cầu học tập là quan trọng. HS sẽ luôn tự tìm tòi, học hỏi, nghiên cứu để lấp đầy khoảng trống kiến thức của mình. - Phƣơng pháp “Học qua hành”: Dựa vào những tình huống thực tế cho phép học sinh hiểu tính liên quan của công việc với đời sống và thế giới xung quanh. Với phƣơng pháp dùng mô hình – thí nghiệm để mô phỏng bài học một cách sinh động, không cứng nhắc, không bắt buộc HS phải luôn ghi nhớ, học thuộc lòng một cách khô khan. Tạo môi trƣờng học sinh động, cởi mở, rút ngắn khoảng cách giữa thầy và trò. STEM mang đến sự thú vị, tƣơi mới trong phƣơng pháp giảng dạy thông qua các câu chuyện, nhiệm vụ, ngày càng kích thích sự sáng tạo vô hạn vốn đã có sẵn trong HS. Từ đó, HS có thể ứng dụng những nguyên lý đã học trong những sản phẩm thật sự ngoài đời. Nhờ đó kiến thức đƣợc lƣu lại lâu hơn và có ý nghĩa hơn đối với tất cả học sinh. Học sinh có thể thỏa chí thể hiện suy nghĩ, sự tƣởng tƣợng phong phú của mình. - Ngoài ra, giáo dục STEM sẽ mang lại những lợi ích nhất định theo cả hai hƣớng trực tiếp và gián tiếp cho học sinh: + Các học sinh theo học các chuyên ngành STEM sau này sẽ trở thành ngƣời làm việc trong các ngành liên quan trực tiếp đến STEM nhƣ kỹ sƣ, bác sỹ, chuyên viên công nghệ thông tin, nhà toán học và nhà khoa học,vv... Đây là những ngành nghề có sự hiện diện của Khoa học, Kỹ thuật, Công nghệ và Toán học, đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong xã hội hiện đại. Điều quan 11 trọng là, học sinh học STEM, khi làm việc trong các lĩnh vực nói trên có nhiều khả năng trở thành nhân lực bậc cao, những lao động chủ chốt khi mà ngay từ nhỏ HS đã đƣợc huấn luyện cả về lý thuyết và thực hành, cùng những kỹ năng mềm cần thiết trong môi trƣờng làm việc chuyên nghiệp. + Những học sinh còn lại, khi không theo chuyên ngành liên quan đến STEM cũng có những ƣu thế nhất định so với những học sinh khác nhƣ: có kiến thức nền tảng về khoa học tự nhiên, có tƣ duy logic, tính sáng tạo, tính chủ động, hiệu suất làm việc cao, vv... Giáo dục STEM qua đó cũng đã gián tiếp tiếp sức cho công cuộc phát triển nguồn nhân lực của các thành phố và của nƣớc nhà. 1.2. Tổng quan lịch sử nghiên cứu giáo dục STEM 1.2.1. Giáo dục STEM trên thế giới 1.2.1.1. Giáo dục STEM tại Mỹ Giáo dục STEM không phải là vấn đề quá mới ở Mỹ, nhƣng gần đây nó dành đƣợc sự quan tâm lớn của quốc gia thông qua luật liên bang. Mối quan tâm này đến từ những nghiên cứu cho thấy sự giảm sút về năng lực giữa HS Mỹ và các HS quốc gia khác trong môn Toán học và Khoa học. Ngay từ năm 1990, chính phủ Mỹ đã xây dựng 6 mục tiêu giáo dục và một trong số đó là cần thiết phát triển HS thông thạo về Toán học và Khoa học. Phát triển năng lực cạnh tranh toàn cầu là kết quả của sáng kiến cạnh tranh nƣớc Mỹ đƣợc đề xuất bởi tổng thống George.W.Bush trong năm 2006. Sáng kiến này mong đợi một chính sách nhằm thúc đẩy sự phát triển những thành tựu đạt đƣợc của HS thuộc các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học. Hiệp hội Thống đốc quốc gia Mỹ đã xuất bản tác phẩm “Những vấn đề xây dựng Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học” với những khuyến cáo cho hệ thống giáo dục 12 năm bảo đảm cho tất cả HS tốt nghiệp có những năng lực STEM ở mức cao. Có ba khuyến cáo quan trọng cho những nhà hoạch định chính sách phát triển các công cụ nhằm xây dựng những vấn đề liên quan đến STEM một cách toàn diện gồm: yêu cầu xây dựng một cách nghiêm túc chƣơng trình giáo dục STEM trong hệ đào tạo 12 năm; cải thiện việc dạy và học STEM trên phạm vi toàn quốc; hỗ trợ các mô hình mới tập trung vào sự 12 phù hợp để chắc chắn rằng tất cả các HS đều có những kĩ năng STEM sau khi tốt nghiệp. Báo cáo cũng đƣa ra những gợi ý về một sự cải cách cần thiết với các trƣờng công lập hƣớng đến sự cạnh tranh toàn cầu một cách hiệu quả bởi hệ thống chƣơng trình hiện tại rời rạc không liên quan tới các phƣơng pháp truyền thống. HS không còn quan tâm tới các chủ đề mà không liên quan với đời sống hiện tại. Dƣới thời tổng thống Barack Obama, Chính phủ Mỹ khuyến khích các trƣờng phổ thông xây dựng các lớp học về STEM, hợp tác với các trƣờng Đại học, các doanh nghiệp giúp phát triển giáo dục STEM trong nhà trƣờng. Tại trƣờng trung học Hàng không ở thành phố Long Island, New York, các HS đã có đƣợc trải nghiệm thú vị tập trung vào giáo dục Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học về các lĩnh vực thuộc ngành Khoa học hàng không và Công nghiệp vũ trụ. Trong các lớp học truyền thống, nhà trƣờng có các vật thể bay để HS thực hành sửa chữa. Đây là một ví dụ điển hình cho triết lí giáo dục đƣợc Bộ Giáo dục Mỹ đề xuất về sự thay đổi trong các trƣờng trung học giúp việc học trở nên cần thiết và hứng thú hơn với HS. Ở Hawaii đã thành lập Học viện STEM thông qua chƣơng trình thí điểm của trƣờng Cao đẳng cộng đồng Kauai. Trƣờng đại học Hawaii giúp đào tạo các GV THCS những kĩ năng và kiến thức về chƣơng trình giáo dục STEM. Trƣờng Jackson ở Georgia đã hợp tác với trƣờng đại học Georgia khuyến khích GV Toán học và Khoa học tích hợp các chủ đề cho các HS từ lớp 6 đến lớp 12. Thông qua kế hoạch gặp gỡ và hội thảo thƣờng xuyên, GV làm việc nhƣ một ngƣời hỗ trợ HS trong việc tạo ra những kiến thức một cách liên hoàn từ “chiều ngang” giữa các môn học và “chiều dọc” giữa các bậc học. Các báo cáo dự án là một cải tiến quan trọng của Bang trong việc chuẩn hóa kiểm tra ở bậc học trung học, từ đó HS các trƣờng trung học đã cho thấy những sự cải thiện ở môn Số học và Hình học [5]. Một trong các chiến lƣợc chung nhất ở Mỹ hƣớng tới STEM là nâng cao yêu cầu về Toán học và Khoa học đối với HS tốt nghiệp. Cách tiếp cận này là cơ sở giúp nhà trƣờng có thể tác động tới tất cả HS. Từ năm học 2007 2008, các bang ở Mỹ đã tăng đáng kể số điểm tín chỉ tốt nghiệp ở các trƣờng phổ thông từ 2,2 đối với môn Toán học và 2,0 đối với môn Khoa học lên 3,0 và 2,7. Bên cạnh đó, các GV cũng thƣờng xuyên đƣợc tham gia các khoá bồi 13