Tài liệu Xây dựng các mô đun chủ đề “ sản xuất điện năng ” theo định hướng stem trong dạy học môn khoa học tự nhiên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC NGUYỄN TRÍ THANH XÂY DỰNG CÁC MÔ ĐUN CHỦ ĐỀ “SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG” THEO ĐỊNH HƢỚNG STEM TRONG DẠY HỌC MÔN KHOA HỌC TỰ NHIÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ SƢ PHẠM VẬT LÍ HÀ NỘI - 2021 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC NGUYỄN TRÍ THANH XÂY DỰNG CÁC MÔ ĐUN CHỦ ĐỀ “SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG” THEO ĐỊNH HƢỚNG STEM TRONG DẠY HỌC MÔN KHOA HỌC TỰ NHIÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ SƢ PHẠM VẬT LÍ CHUYÊN NGÀNH: LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP DẠY HỌC BỘ MÔN VẬT LÍ MÃ SỐ: 8.14.02.11.01 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. TƢỞNG DUY HẢI HÀ NỘI - 2021 LỜI CẢM ƠN Với tình cảm chân thành, tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban giám hiệu, phòng Sau Đại học, Khoa sƣ phạm Trƣờng Đại Học Giáo Dục- Đại Học Quốc Gia Hà Nội, các thầy giáo, cô giáo đã tham gia quản lý, giảng dạy và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn, sự kính trọng đặc biệt đến thầy giáo Tiến sĩ Tƣởng Duy Hải ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ về khoa học để tôi hoàn thành luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn: - Lãnh đạo, chuyên viên Phòng GD huyện Xuân Trƣờng - Ban giám hiệu, các giáo viên dạy trƣờng THCS Xuân Ninh - Gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, cổ vũ, khích lệ và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian qua. Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, song có thể còn có những mặt hạn chế, thiếu sót. Tác giả rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp và sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp. Hà nội, tháng 11 năm 2020 Tác giả Nguyễn Trí Thanh i D NH MỤC CÁC CH VI T TẮT Chữ viết đầy đủ STT Chữ viết tắt 1 ĐC Đối chứng 2 GV Giáo viên 3 HS Học sinh 4 MPĐ 5 MPĐMP 6 NXB Nhà xuất bản 7 PPDH Phƣơng pháp dạy học 8 STEM 9 TN 10 THCS Máy phát điện Máy phát điện một pha Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học Thực nghiệm Trung học cơ sở ii D NH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Thực trạng mức độ dạy các môn KHTN với thực tiễn ................. 29 Bảng 1.2. Đánh giá về mức độ hiểu biết về sự hữu ích của giáo dục STEM ............................................................................................ 31 Bảng 1.3. Đánh giá về ƣu điểm, lợi thế của giáo dục theo định hƣớng STEM đối với hoạt động học tập của học sinh ............................. 33 Bảng 2.1. Các hoạt động STEM trong các môn Khoa học tự nhiên, bậc Trung học cơ sở ............................................................................ 47 Bảng 2.2 Hình thức thiết kế mô đun theo hƣớng giáo dục STEM............... 50 Bảng 2.3. Lĩnh vực mô đun áp dụng theo định hƣớng giáo dục STEM ....... 50 Bảng 2.4. Kiểm tra đánh giá mô đun chủ đề dạy học “Điện năng” theo định hƣớng giáo dục STEM .......................................................... 52 Bảng 3.1. Đặc điểm của các lớp diễn ra thực nghiệm................................... 96 Bảng 3.2. Kết quả điều tra phiếu hỏi học sinh (trƣớc thực nghiệm) ............. 97 Bảng 3.3. Kết quả điều tra phiếu hỏi học sinh (sau thực nghiệm) ................ 98 Bảng 3.4. Phân bố tần số kết quả điểm lớp TN và ĐC ............................... 101 Bảng 3.5. Phân bố tần suất điểm số bài kiểm tra ........................................ 102 Bảng 3.6. Phân bố tần suất tích lũy điểm số bài kiểm tra ........................... 102 Bảng 3.7. Phân loại kết quả học tập của học sinh ....................................... 103 Bảng 3.8. Các tham số thống kê kết quả của lớp TN và ĐC ...................... 104 iii D NH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH Biểu đồ: Biểu đồ 1.1. Mức độ phổ biến của giáo dục theo định hƣớng STEM ............ 30 Biểu đồ 2.2: Mức độ thiết kế các hoạt động dạy học liên quan đến STEM ... 32 Biểu đồ 3.1. Phân bố tần số tích lũy kết quả bài kiểm tra............................. 102 Biểu đồ 3.2. Phân loại kết quả học tập của học sinh ..................................... 103 Hình: Hình 1.1. Mối liên quan của Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học trong giáo dục, dạy học [28] ........................................................... 16 Hình 1.2. Mô hình 5E hƣớng dẫn tích hợp STEM [19] .................................. 17 Hình 1.3. Tiến trình dạy học STEM theo phƣơng pháp nghiên cứu khoa học[2] .............................................................................................. 19 Hình 1.4. Vòng lặp thiết kế trong giáo dục STEM [2] ................................... 20 Hình 1.5. Chủ đề STEM đƣợc dạy trong một môn học duy nhất [6] ............. 22 Hình 1.6. Chủ đề STEM đƣợc dạy trong nhiều môn học ............................... 22 Hình 1.7. Chủ đề STEM nhiều môn phối hợp ................................................ 23 Hình 2.6. Sơ đồ cấu tạo của MPĐMP ............................................................. 77 Hình 2.7. HS đề xuất các tiểu chủ đề dự án Pin mặt trời ................................ 82 Hình 2.8. Bản đồ tƣ duy phân công công việc các thành viên trong nhóm Pin mặt trời ............................................................................................ 83 Hình 2.9. Sơ đồ cấu tạo pin mặt trời ............................................................... 86 Hình 2.10. Pin mặt trời .................................................................................... 86 iv MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................. 3 3. Nhiệm vụ nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu .............................................. 4 4. Đối tƣợng và khách thể nghiên cứu .......................................................... 4 5. Giả thuyết nghiên cứu ............................................................................... 4 6. Phƣơng pháp nghiên cứu........................................................................... 5 7. Những đóng góp mới của đề tài ................................................................ 6 8. Cấu trúc đề tài ........................................................................................... 6 CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ................. 7 1.1. Tổng quan lịch sử nghiên cứu giáo dục STEM ..................................... 7 1.1.1. Giáo dục STEM trên thế giới ............................................................ 7 1.1.2. Giáo dục STEM ở Việt Nam............................................................. 7 1.2. Cơ sở lý luận ........................................................................................ 10 1.2.1. Khái niệm STEM ............................................................................ 10 1.2.2. Một số vấn đề về giáo dục STEM................................................... 11 1.3. Mô đun học phần.................................................................................. 26 1.3.1. Khái niệm ........................................................................................ 26 1.3.2. Quy trình thiết kế môn học theo mô đun dạy học........................... 26 1.4. Cơ sở thực tiễn ..................................................................................... 27 1.4.1. Khái quát về giáo dục STEM .......................................................... 27 1.4.2. Thực trạng xây dựng các mô đun chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên....................... 28 Kết luận Chƣơng 1 .......................................................................................... 35 CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG CÁC MÔ ĐUN CHỦ ĐỀ “SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG” THEO ĐỊNH HƢỚNG STEM TRONG DẠY HỌC MÔN KHOA HỌC TỰ NHIÊN ............................................................................................ 36 2.1. Phân tích chƣơng trình môn Khoa học tự nhiên bậc trung học cơ sở.. 36 2.1.1. Cấu trúc chƣơng trình môn Khoa học tự nhiên .............................. 36 v 2.1.2. Mục tiêu môn Khoa học tự nhiên ................................................... 39 2.2. Mối quan hệ giữa nội dung, chƣơng trình môn Khoa học tự nhiên với giáo dục STEM ........................................................................................... 39 2.3. Quy trình các mô đun chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên ............................................ 41 2.3.1. Xây dựng chủ đề ............................................................................. 41 2.3.2. Xây dựng nội dung học tập ............................................................. 41 2.3.3. Thiết kế các nhiệm vụ ..................................................................... 42 2.3.4. Tổ chức thực hiện............................................................................ 43 2.3.5. Tổ chức đánh giá ............................................................................. 44 2.4. Xây dựng một số mô đun chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên ................................. 45 2.4.1. Khái quát mô đun chủ đề “sản xuất điện năng”.............................. 45 2.4.2. Xây dựng một số mô đun chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên ............................... 46 2.4.3. Hình thức thiết kế và kiểm tra, đánh giá mô đun theo hƣớng giáo dục STEM ................................................................................................. 50 2.5. Thiết kế một số mô đun về chủ đề dạy học các môn Khoa học tự nhiên 53 2.5.1. Mô đun 1: Sản xuất điện từ nƣớc muối .......................................... 53 2.5.2. Mô đun 2: Sản xuất điện từ gió ....................................................... 60 2.5.3. Mô đun 3: Sản xuất điện từ máy phát điện xoay chiều một pha .... 71 2.5.4. Mô đun 4: Pin mặt trời .................................................................... 79 Kết luận Chƣơng 2 .......................................................................................... 88 CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM ................................................... 89 3.1. Mục đích thực nghiệm sƣ phạm ........................................................... 89 3.2. Nhiệm vụ thực nghiệm sƣ phạm .......................................................... 89 3.3. Nội dung thực nghiệm sƣ phạm ........................................................... 89 3.4. Tiến hành thực nghiệm sƣ phạm .......................................................... 90 3.5. Phƣơng pháp thực nghiệm sƣ phạm..................................................... 93 3.6. Kết quả thực nghiệm sƣ phạm ............................................................. 97 vi 3.6.1. Kết quả định lƣợng.......................................................................... 97 3.6.2. Kết quả định tính ........................................................................... 104 3.6.3. Nhận xét ........................................................................................ 105 3.6.4. Kết luận về kết quả thực nghiệm .................................................. 106 Kết luận Chƣơng 3 ........................................................................................ 108 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ............................................................... 109 1. Kết luận ................................................................................................. 109 2. Khuyến nghị .......................................................................................... 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 111 PHỤ LỤC vii MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong giai đoạn hiện nay nƣớc ta đang trong quá trình hội nhập quốc tế trên tất cả các lĩnh vực, trong đó có Giáo dục và Đào tạo (GD&ĐT), chính vì thế cần đổi mới và phát triển GD&ĐT của nƣớc ta để tiệm cận đƣợc với nền giáo dục (GD) tiên tiến của các nƣớc phát triển. Đây là một trong những nhiệm vụ cấp bách hiện nay của ngành GD đã và đang thực hiện để đào tạo nguồn nhân lực đáp ứng yêu cầu phát triển của đất nƣớc và khẳng định vị thế của nƣớc ta trên trƣờng quốc tế. Đứng trƣớc tình hình đó nghị quyết Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ XI đã khẳng định: “Đổi mới tư duy giáo dục một cách căn bản và toàn diện, từ mục tiêu chương trình, nội dung, phương pháp đến cơ cấu và hệ thống tổ chức, cơ chế quản lí để tạo bước chuyển biến cơ bản và toàn diện của nền giáo dục nước nhà, tiếp cận với trình độ giáo dục của khu vực và thế giới” [9]. STEM là thuật ngữ viết tắt của các từ Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kĩ thuật) và Mathematics (Toán học), thƣờng đƣợc sử dụng khi bàn đến các chính sách phát triển về Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học của mỗi quốc gia. Thuật ngữ này lần đầu tiên đƣợc giới thiệu bởi Quỹ Khoa học Mỹ vào năm 2001. Với những tiếp cận khác nhau, giáo dục STEM sẽ đƣợc hiểu và triển khai theo những cách khác nhau. Các nhà lãnh đạo và quản lý đề xuất các chính sách để thúc đẩy giáo dục STEM, quan tâm tới việc chuẩn bị nguồn nhân lực đáp ứng yêu cầu của sự phát triển khoa học, công nghệ. Ngƣời làm chƣơng trình quán triệt giáo dục STEM theo cách quan tâm tới nâng cao vai trò, vị trí, sự phối hợp giữa các môn học có liên quan trong chƣơng trình. Giáo viên thực hiện giáo dục STEM thông qua hoạt động dạy học để kết nối kiến thức học đƣờng 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 học 1 sinh. Giáo dục STEM xuất hiện ở Việt Nam trong vài năm trở lại đây, hiện nay mới đang ở bƣớc truyền thông và mang tính thử nghiệm, chƣa thực sự trở thành một hoạt động giáo dục chính thức trong trƣờng phổ thông. Tuy nhiên, giáo dục STEM với nhiệm vụ cung cấp các kiến thức và kĩ năng cần thiết cho HS thế kỉ 21 sẽ là mô hình giáo dục diện rộng trong tƣơng lai gần của thế giới. Do vậy, giáo dục STEM rất cần sự quan tâm và nhận thức của toàn xã hội. Ở Việt Nam, STEM và giáo dục STEM nói riêng vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu sâu. Hiện chƣa có công trình nào bàn về cơ sở lí luận của giáo dục STEM và vận dụng nó vào dạy học bộ môn. Khoa học tự nhiên (KHTN) là môn học đƣợc xây dựng và phát triển trên nền tảng của Vật lý, Hoá học, Khoa học tự nhiên và Khoa học Trái Đất,... Đồng thời, sự tiến bộ của nhiều ngành khoa học khác liên quan nhƣ Toán học, Tin học,... cũng góp phần thúc đẩy sự phát triển không ngừng của KHTN. Đối tƣợng nghiên cứu của KHTN là các sự vật, hiện tƣợng, quá trình, các thuộc tính cơ bản về sự tồn tại, vận động của thế giới tự nhiên.Do đó, trong môn KHTN những nguyên lý/khái niệm chung nhất của thế giới tự nhiên đƣợc tích hợp xuyên suốt các mạch nội dung. Trong quá trình dạy học, các mạch nội dung đƣợc tổ chức sao cho vừa tích hợp theo nguyên lí của tự nhiên, vừa đảm bảo logic bên trong của từng mạch nội dung. KHTN là khoa học có sự kết hợp nhuần nhuyễn lí thuyết với thực nghiệm. Vì vậy, thực hành, thí nghiệm trong phòng thực hành, phòng học bộ môn, ngoài thực địa có vai trò và ý nghĩa quan trọng, là hình thức dạy học đặc trƣng của môn học này. Qua đó, năng lực tìm tòi, khám phá của học sinh đƣợc hình thành và phát triển. Nhiều kiến thức khoa học tự nhiên rất gần gũi với cuộc sống hằng ngày của học sinh, đây là điều kiện thuận lợi để tổ chức cho học sinh trải nghiệm, nâng cao năng lực nhận thức kiến thức khoa học, năng lực tìm tòi, khám phá và vận dụng kiến thức khoa học vào thực tiễn. KHTN luôn đổi mới để đáp ứng yêu cầu của cuộc sống hiện đại. Do vậy giáo 2 dục phổ thông cần phải liên tục cập nhật những thành tựu khoa học mới, phản ánh đƣợc những tiến bộ của các ngành khoa học, công nghệ và kĩ thuật. Đặc điểm này đòi hỏi chƣơng trình môn KHTN phải tinh giản các nội dung có tính mô tả để tổ chức cho học sinh (HS) tìm tòi, nhận thức các kiến thức khoa học có tính nguyên lý, cơ sở cho quy trình ứng dụng khoa học vào thực tiễn cuộc sống. KHTN là môn học có ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển toàn diện của HS, có vai trò nền tảng trong việc hình thành và phát triển thế giới quan khoa học của HS cấp trung học cơ sở. Cùng với các môn Toán học, Công nghệ và Tin học, môn Khoa học tự nhiên góp phần thúc đẩy giáo dục STEM (Science, Technology, Engineering, Mathematics) - một trong những hƣớng giáo dục đang đƣợc quan tâm phát triển trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam, góp phần đáp ứng yêu cầu cung cấp nguồn nhân lực trẻ cho giai đoạn công nghiệp hoá và hiện đại hoá của đất nƣớc. Tuy nhiên, trên thực tế, việc dạy học môn KHTN ở nhiều trƣờng còn mang tính hàn lâm, nặng lý thuyết làm cho học sinh ngại học, lƣời tƣ duy, thiếu sáng tạo. Nội hàm môn KHTN đã có yếu tố tích hợp, do đó việc nghiên cứu về giáo dục STEM nói chung và xây dựng mô đun học phần dạy học nói chung và chủ đề “sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học các môn KHTN là hoàn toàn có cơ sở và phù hợp với định hƣớng đổi mới căn bản giáo dục Việt Nam theo định hƣớng phát triển năng lực ở ngƣời học nhằm đáp ứng những đòi hỏi của xã hội hiện đại. Từ những lý do trên, với mong muốn nâng cao chất lượng dạy học, chúng tôi thực hiện đề tài: Xây dựng các mô đun chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên 2. Mục đích nghiên cứu Xây dựng các mô đun chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên nhằm giúp học sinh có kỹ năng sử dụng kiến thức liên môn vào giải quyết các vấn đề thực tiễn, tạo hứng thú, 3 say mê học tập môn học, từ đó góp phần phát triển cho học sinh năng lực giải quyết vấn đề, năng lực vận dụng kiến thức, năng lực thực hành để nâng cao hiệu quả dạy học học các môn Khoa học tự nhiên. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu 3.1. Nhiệm vụ nghiên cứu Để đạt đƣợc mục đích nghiên cứu ở trên, tôi đề ra các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể nhƣ sau: - Nghiên cứu cơ sở lý luận giáo dục STEM. - Nghiên cứu về các mô đun học phần. - Tìm hiểu thực trạng xây dựng các mô đun chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên. - Xây dựng các mô đun chủ đề, hoạt động nhằm tổ chức dạy chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên theo mô hình giáo dục STEM. 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Giáo dục STEM và các mô đun học phần. 4. Đối tƣợng và khách thể nghiên cứu 4.1. Đối tượng nghiên cứu - Nội dung và tiến trình xây dựng các môn đun chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên. 4.2. Khách thể nghiên cứu - Quá trình xây dựng và thực nghiệm các mô đun chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên. 5. Giả thuyết nghiên cứu Nếu xây dựng đƣợc các mô đun chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên thì sẽ tăng hứng thú và tích cực trong học tập của học sinh. 4 6. Phƣơng pháp nghiên cứu 6.1 . Phương pháp nghiên cứu lí luận Đọc và nghiên cứu các tài liệu có liên quan đến đề tài. Dạy học theo định hƣớng STEM. Các năng lực học sinh đạt đƣợc thông qua dạy học STEM. 6.2. Phương pháp điều tra - Khảo sát, điều tra về thực trạng dạy học và hiểu biết về mô hình giáo dục STEM trên các đối tƣợng: GV, HS - Điều tra về chất lƣợng học sinh ở các lớp để lựa chọn lớp thực nghiệm và đối chứng - Sử dụng phiếu điều tra, bảng hỏi, dự giờ, phỏng vấn, tham khảo giáo án, sổ điểm của GV… 6.3. Phương pháp chuyên gia - Tham khảo ý kiến các chuyên gia, các giảng viên và GV có nhiều kinh nghiệm: chuyên gia, cán bộ quản lý, GV, HS về xây dựng các mô đun chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên và thuận lợi, khó khăn khi xây dựng các mô đun chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên. 6.4. Thực nghiệm sư phạm - Tổ chức giảng dạy thực nghiệm, phát phiếu điều tra; so sánh đối chiếu kết quả học tập trƣớc và sau quá trình thực nghiệm ở từng lớp và giữa các lớp, chiều hƣớng biến đổi năng lực của học sinh giữa các lớp đối chứng và các lớp thực nghiệm - Lớp thực nghiệm: là lớp đƣợc tiến hành giảng dạy theo giáo dục STEM - Lớp đối chứng: là lớp đƣợc tiến hành giảng dạy theo PPDH truyền thống 6.5. Phương pháp xử lí số liệu - Phân tích kết quả thực nghiệm bằng phƣơng pháp phân tích định lƣợng và phân tích định tính. 5 - Sử dụng các phần mềm xử lý số liệu vào việc đánh giá kết quả thu đƣợc. 7. Những đóng góp mới của đề tài Hoàn thiện cơ sở lí luận về xây dựng các mô đun chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên trên các phƣơng diện sau: - Đề xuất quy trình xây dựng các mô đun chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên. - Thiết kế đƣợc một số mô đun chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên. - Đánh giá thực trạng các mô đun đƣợc xây dựng ở chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên dƣới góc độ giáo dục STEM. - Góp phần đổi mới giáo dục phổ thông theo định hƣớng phát triển năng lực phù hợp với tƣ tƣởng tích hợp và định hƣớng đổi mới căn bản giáo dục Việt Nam sau năm 2015. 8. Cấu trúc đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận, khuyến nghị, tài liệu tham khảo, luận văn đƣợc dự kiến trình bày trong 3 chƣơng: Chƣơng 1. Cơ sở lý luận và thực tiễn của xây dựng các mô đun chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hướng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên Chƣơng 2. Xây dựng các mô đun chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hướng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên. Chƣơng 3. Thực nghiệm sư phạm. 6 CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦ ĐỀ TÀI 1.1. Tổng quan lịch sử nghiên cứu giáo dục STEM 1.1.1. Giáo dục STEM trên thế giới Một thống kê ở Mĩ cho thấy, từ năm 2004 đến năm 2014, việc làm liên quan đến khoa học và kĩ thuật tăng 26%, gấp hai lần so với tốc độ tăng trƣởng trung bình của các ngành nghề khác. Trong khi đó, việc làm STEM có tốc độ tăng trƣởng gấp 4 lần so với tốc độ tăng trƣởng trung bình của các ngành khác nếu tính từ năm 1950 đến 2007 [27]. Trong một bài phát biểu trƣớc thƣợng nghị viện Mĩ, Bill Gates đã từng nói: “Chúng ta không thể duy trì đƣợc nền kinh tế dẫn đầu toàn cầu trừ khi chúng ta xây dựng đƣợc lực lƣợng lao động có kiến thức và kĩ năng để sáng tạo”. Bill Gates đặc biệt nhấn mạnh đến vai trò của giáo dục trong việc xây dựng lực lƣợng lao động này. Ông nói tiếp: “Chúng ta cũng không thể duy trì đƣợc một nền kinh tế sáng tạo trừ phi chúng ta có những công dân đƣợc đào tạo tốt về toán học, khoa học và kĩ thuật” [Dẫn theo 28]. 1.1.2. Giáo dục STEM ở Việt Nam Nhận thấy tiềm năng và những lợi ích thiết thực của Giáo dục STEM, đặc biệt là tạo một sân chơi sáng tạo cho các em học sinh thuộc độ tuổi từ Tiểu học đến Trung 14 học phổ thông nhằm tạo sân chơi trí tuệ, sáng tạo và bổ ích giúp các em có cơ hội đƣợc tham gia các hoạt động có tính khoa học, hiện đại và nâng cao, Công ty Cổ phần DTT Eduspec đã lần đầu tên giới thiệu chƣơng trình Giáo dục STEM vào Việt Nam từ năm 2011 tại hai thành phố lớn là Hà Nội và thành phố Hồ chí Minh, và sau đó là Đà Nẵng vào năm 2013, Cần Thơ 2016. Các tác giả Nguyễn Thanh Nga - Trƣờng Đại học Sƣ phạm Thành phố Hồ Chí Minh; Lê Thanh Trúc - Sinh viên Khoa Vật lí, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Thành phố Hồ Chí Minh; Hoàng Phƣớc Muội, Trƣờng Trung học cơ sở - Trung học phổ thông Hoa Sen, Thành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu đề 7 tài: “Tổ chức dạy học một số kiến thức chƣơng “Cơ sở của nhiệt động lực học” (Vật lí 10) theo định hƣớng giáo dục Stem”[21]. Theo nhóm tác giả: “Giáo dục STEM trong trƣờng trung học là quan điểm dạy học định hƣớng phát triển năng lực HS thuộc các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học”. Trong đó, HS đƣợc tham gia các hoạt động STEM, chủ yếu là thực hành và các hoạt động trải nghiệm nhằm tạo ra sản phẩm, phục vụ cho sinh hoạt và học tập, hay các hoạt động hƣớng đến giải quyết vấn đề thực tiễn. Dạy học kiến thức Vật lý theo định hƣớng giáo dục STEM ở trƣờng phổ thông đƣợc thực hiện theo 02 hƣớng, cụ thể: - Hoạt động STEM đƣợc tích hợp, lồng ghép trong bài học Vật lý chính khóa dựa trên các vấn đề thực tiễn, kết hợp với chuẩn kiến thức, kĩ năng của môn Vật lý trong chƣơng trình phổ thông; - Gắn với các chủ đề STEM, trong đó HS vận dụng kiến thức Vật lý, hiểu biết về công nghệ, kĩ thuật và toán học để tạo ra sản phẩm có ích đối với cuộc sống. Trên cơ sở đó, các tác giả minh họa tiến trình dạy học chủ đề “Động cơ Stirling dƣới góc nhìn Vật lí” bao gồm: Mục tiêu: Về kiến thức: Phát biểu đƣợc nguyên lí II nhiệt động lực học; trình bày đƣợc cấu tạo của động cơ Stirling; nắm đƣợc biểu thức tính hiệu suất của động cơ Stirling, các thiết bị, vật liệu để gia công, lắp ráp động cơ Stirling, các đặc tính của keo AB. Về kĩ năng: Phác thảo đƣợc sơ đồ cấu tạo của động cơ Stirling; lắp ráp, hoàn thiện động cơ Stirling; vận hành đƣợc động cơ Stirling; đọc và lấy thông tin về nguyên lí hoạt động, hiệu suất, cấu tạo của động cơ Stirling; sử dụng đƣợc các thiết bị gia công đơn giản nhƣ: tua vít, súng bắn keo; tổ chức và làm việc nhóm; tự tin trình bày hiểu biết về động cơ Stirling. Về thái độ: Tuyệt đối tuân thủ các quy định về an toàn trong gia công, lắp ráp động cơ Stirling; tích cực tham gia thực hiện các nhiệm vụ học tập. 8 Năm 2015, Bộ Khoa học và Công nghệ Việt Nam và Liên minh STEM tổ chức ngày hội STEM lần đầu tiên, tiếp theo đó là nhiều sự kiện tƣơng tự trên toàn quốc nổi bật là Ngày hội STEM quốc gia đã đƣợc tổ chức liên tục hàng năm. Không chỉ vận dụng STEM trong môn Vật lý mà Hóa học cũng là chủ đề đƣợc vận dụng STEM. Trong bài viết “ hiết kế chủ đề “pin chanh” chương t nh h a học vô cơ lớp 12 theo định hướng giáo dục Stem”. Nguyễn Mậu Đức - Đinh Thị Ngoan. Tác giả đã xây dựng chủ đề “pin chanh” theo định hƣớng giáo dục STEM. Từ trong cuộc sống hàng ngày, có lẽ không ai xa lạ với những củ khoai tây, chanh, táo,... Chúng là những thực phẩm cực kì bổ dƣỡng cho đời sống con ngƣời. Tuy nhiên, có một công dụng khác của chúng mà không phải ai cũng biết: Trong khoa học, chúng có thể trở thành những cục pin dùng cho đồng hồ, máy tính cầm tay, đèn bàn, đèn ngủ,... Trong chanh chứa các chất muối, axit hữu cơ, đặc biệt là acid citric [11]. Chúng cung cấp môi trƣờng và khi có hai dây dẫn nối vào, phản ứng hóa học xảy ra, tạo dòng điện làm cho đồ dùng điện hoạt động. Hiểu một cách đơn giản, pin khoai tây hay pin chanh,... có cấu tạo giống hệt pin điện hóa. Cấu tạo của nó gồm có hai dây dẫn làm bằng hai kim loại khác nhau - hai điện cực, một đầu đƣợc cắm vào quả chanh - môi trƣờng điện phân, đầu còn lại gắn vào thiết bị điện. Tác giả Nguyễn Bùi Hậu, Phạm Thị Minh Hiền (2019) với đề tài “Tiếp cận mô hình giáo dục STEM thông qua phần mềm SCRATCH”,đề tài đƣợc đăng trên Tạp chí Thiết bị giáo dục ISSN 1859-0810, Số 202, (kỳ 1-10/2019). Tác giả Bùi Văn Hồng, Lê Thị Mỹ Nga (2019) với đề tài “ Dạy học chủ đề STEAM cho học sinh lớp 4 tại trƣờng tiểu học Trƣờng Thạnh, Quận 9, Tp. HCM”, đề tài đƣợc đăng trên Tạp chí Thiết bị giáo dục ISSN 1859-0810, Số 202, (kỳ 1-10/2019). 9 Hiện nay, Bộ Giáo dục và Đào tạo đang phối hợp với Hội Đồng Anh triển khai chƣơng trình thí điểm về giáo dục STEM cho 14 trƣờng THCS và THPT tại các tỉnh thành nhƣ Hà Nội, Hải Dƣơng, Hải Phòng, Quảng Ninh và Nam Định. Đây là những bƣớc đi quan trọng nhằm phát triển một chƣơng trình giáo dục theo định hƣớng STEM mang tầm quốc gia. Từ tổng hợp một số nghiên cứu trong và ngoài nƣớc cho thấy: Đến nay vẫn chƣa có một nghiên cứu nào nghiên cứu một cách hệ thống, toàn diện và sâu sắc về xây dựng các mô đun chủ đề “Sản xuất điện năng” theo định hƣớng STEM trong dạy học môn Khoa học tự nhiên. Vì vậy, việc thực hiện đề tài này sẽ không trùng lắp, đảm bảo tính độc lập và có ý nghĩa lý luận và thực tiễn lớn đối với việc nâng cao chất lƣợng, hiệu quả dạy và học các môn KHTN bậc phổ thông. 1.2. Cơ sở lý luận 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) [16]. STEM là thuật ngữ rút gọn đƣợc 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 đƣợc giới thiệu bởi Quỹ Khoa học Mỹ (NSF) vào năm 2001. Trƣớc 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 đƣợc đổi thành STEM. Hiện nay thuật ngữ STEM đƣợc 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 năng cao năng lực cho ngƣời học. Giáo dục STEM có thể đƣợc hiểu và diễn 10 giải 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, STEM đƣợc 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… [22]. Tùy từng ngữ cảnh khác nhau mà STEM đƣợc hiểu nhƣ là các môn học hay các lĩnh vực. 1.2.2. Một số vấn đề về giáo dục STEM 1.2.2.1. Khái niệm giáo dục STEM Hiện nay, giáo dục STEM đƣợc nhiều tổ chức, nhà giáo dục quan tâm nghiên cứu. Do đó, khái niệm về giáo dục STEM cũng đƣợc định nghĩa dựa trên các cách hiểu khác nhau. Có ba cách hiểu chính về giáo dục STEM hiện nay là: Giáo dục STEM đƣợc 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 chƣơng trình nhằm cung cấp hỗ trợ, tăng cƣờng, giáo dục Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học (STEM) ở tiểu học và trung học cho đến bậc sau đại học” [22]. Đây là nghĩa rộng khi nói 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, tác giả Tsupros định nghĩa “Giáo dục STEM là một phƣơng pháp học tập tiếp cận liên ngành, ở đó những kiến thức hàn lâm đƣợc kết hợp chặt chẽ với các bài học thực tế thông qua việc HS đƣợc 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 trƣờng, cộng đồng và các doanh nghiệp cho phép ngƣời học phát triển những kĩ năng STEM và tăng khả năng cạnh tranh trong nền kinh tế mới” [22]. 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 quan niệm 11