STEM TRONG DẠY HỌC CHƯƠNG DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG LỚP 11

CHƯƠNG I: XÂY DỰNG VÀ THỰC HIỆN CHỦ ĐỀ GIÁO DỤC STEM

TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ Ở TRƯỜNG THPT

1.1. Cơ sở lí luận về giao dục STEM trong nhà trường phổ thong đáp ứng

với chương trình GDPT mới

1.1.1. Khái niệm về giáo dục STEM

STEM là thuật ngữ viết tắt của các từ Science ( Khoa học), Techonology

( Công nghệ), Engineering ( Kĩ thuật) và Mathematics ( Toán học), thường được

sử dụng khi bàn đến các chính sách phát triển về khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật

và Toán học của mỗi quốc gia. Thuật ngữ ngày lần đầu tiên được giới thiệu bởi

Quỹ Khoa học Mỹ vào năm 2001, mục tiêu của giáo dục STEM là tạo ra sự hiểu

biết về STEM và năng lực phẩm chất của công dân thế kỉ 21, phát triển nguồn

nhân lực trong lĩnh vực STEM, đồng thời tạo ra sự hứng thú và tích cực tham gia

của người học. Bằng việc đặt người học vào những tình huống, nhiệm vụ học tập

có ý nghĩa, liên quan đến thực tiễn đời sống và có tính ứng dụng, giáo dục

STEM đã tạp động lực và hứng thú cho người học.

Để triển khai giáo dục Stem, có 2 hình thức tiếp cận phổ biến là dựa vào

tìm hiểu, khám phá và dựa vào thiết kế kĩ thuật. Sự khác biệt giữa hai hình thức

này chính là điểm xuất phát: khám phá khoa học bắt đầu bằng câu hỏi khoa học

cần phải trả lời , trong khi thiết kế kĩ thuật bắt đầu bằng vấn đề thực tiễn cần giải

quyết. Khác nhau trong cách tiếp cận và tổ chức dạy học của giáo viên, ngoài ra

đối với tiếp cận khám phá khoa học, kết quả là câu trả lời cho giả thuyết khoa

học, còn kết quả của thiết kế kĩ thuật là các giải pháp thiết kế và thi công sản

phẩm.

Dù dạy học theo hình thức tiếp cận nào thì cũng đều phải hướng đến mục

tiêu lấy người làm trung tâm và chú trọng phát triển năng lực, phẩm chất của

người học thông qua đánh giá sản phẩm, đánh giá quá trình hoạt động, kĩ năng

làm việc nhóm.

Trong chương trình giáo dục phổ thông mới, chương trình giáo dục STEM

được thực hiện thông qua các hoạt động dạy học, kết nối các kiến thức lý thuyết

gằn liền với thực tế, giải quyết các vấn đề thực tiễn đặt ra, làm phát triển năng

lực nhận thức và phẩm chất của học sinh. STEM là phương thức giáo dục tích

hợp nhiều môn học, các bài học được xây dựng theo từng chủ đề, lồng ghép các

kiến thức khoa học, công nghệ và toán học, hướng tới vận dụng kỹ thuật vào giải

quyết vấn đề.

Dựa trên tiêu chí “ Học đi đôi với hành”, giáo dục STEM xây dựng với

mục tiêu tích hợp, lồng ghép giữa các kiến thức nhằm bổ trợ lẫn nhau, giúp học

sinh có thể áp dụng lý thuyết vào thực hành tạo ra các sản phẩm phục vụ nhu

cầu. Rèn luyện các kĩ năng công nghệ và kĩ thuật cho học sinh.

+ Với kĩ năng công nghệ, học sinh được tiếp cận, làm quen với nhiều các lĩnh

vực công nghệ khác nhau từ những thứ nhỏ nhặt hàng ngày tới những vấn đề

phức tạp hơn liên quan máy móc, động cơ...

+ Về kĩ thuật, học sinh được bắt tay vào làm ra những sản phẩm, đưa ra những

phương án tối ưu cho sản phẩm của mình, liên hệ với thực tiễn để thấy được tầm

quan trọng của các vấn đề kĩ thuật liên quan. Trong STEM, toán học cũng đóng

một phần cốt lõi, giúp học sinh tính toán và lên các ý tưởng chính xác, khả năng

áp dụng cao. Vận dụng các kỹ năng toán học trong các khâu của quá trình hoạt

động STEM

Bên cạnh đó, giáo dục STEM cũng được quan niệm như chương trình đào

tạo dựa trên ý tường giảng dạy cho học sinh các kiến thức thuộc 4 lĩnh vực:

Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học. Thay vì dạy 4 lĩnh vực này theo các

môn học tác biệt và rời rạc, STEM tổng hợp chũng thành một mô hình học tập

liền mạch dựa trên các ứng dụng thực tế.

Giáo dục STEM, trong đó:

+ Science ( Khoa học): là môn học nhằm phát triển khả năng sử dụng kiến thức

khoa học tự nhiên ( Vật lí, Hóa học, Sinh học...) của học sinh, để giúp học sinh

tìm hiểu về thế giới tự nhiên và vận dụng kiến thức để giải quyết các vấn đề

khoa học trong cuộc sống.

+ Techonogy ( Công nghệ): là môn học nhằm phát triển khả năng sử dụng, quản

lý, hiểu và đánh giá công nghệ của học sinh. Nó cũng cấp cho học sinh cơ hội để

hiểu về công nghệ, cung cấp kĩ năng phân tích ảnh hưởng của công nghệ đến

cuộc sống hằng ngày.

+ Engineering (Kĩ thuật): là môn học phát triển sự hiểu biết của học sinh thông

qua thiết kế kĩ thuật. Kĩ thuật cung cấp cho học sinh cơ hội để tích hợp môn học

vào nhiều môn, kĩ năng vận dụng sáng tạo cơ sở khoa học và toán học vào qúa

trình thiết kế đối tượng trong quá trình sản xuất.

+ Mathemastics ( Toán học): là môn học nhắm phát triển cho học sinh khả năng

phân tích, biện luận và truyền đạt ý tưởng hiệu quả thông qua việc tính toán, giải

thích các vấn đề toán học được đưa ra.

1.1.2. Chủ đề dạy học STEM trong trường trung học.

Chủ đề dạy học Stem được thiết kế trên các vấn đề thực tiễn kết hợp với

chuẩn kiến thức kĩ năng trong chương trình phổ thông. Trong quá trình học tập,

giáo viên hướng dẫn, tổ chức cho học sinh làm việc, sử dụng công nghệ thông

tin, các kiến thức, kĩ năng về công nghệ, kĩ thuật có tính ứng dụng, phát triển kĩ

năng, tư duy.

Chủ đề STEM phải đáp ứng giải quyết được vấn đề thực tiễn, áp dụng được

kiến thức thuộc chủ đề đó, định hướng cho học sinh hoạt động, thực hành và kĩ

năng làm việc nhóm.

Có thể phân loại chủ đề STEM dựa vào trên phạm vi giải quyết vấn đề hoặc

dựa trên mục đích bài học như sau:

Dựa trên phạm vi kiến thức để giải quyết vấn đề STEM, chủ đề STEM được chia

làm hai loại:

+ Chủ đề STEM cơ bản, được xây dựng bán sát chương trình sách gióa khoa trên

cơ sở các môn khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học. Các sản phẩm STEM

này thường đơn giản trên cơ sở các thí nghiệm, bài thực hành trong chương trình

học. Các chủ đề STEM có thể áp dụng kiến thức của một môn học đặc thù, cũng

có thể được xây dựng dựa trên tích hợp kiến thức liên môn nhằm phát huy năng

lực của học sinh.

Ví dụ chủ đề chỉ áp dụng dạy môn Vật lý phần Động lượng, định luật bảo

toàn động lượng. Sau khi học sinh kết thúc bài “ Động lượng. Định luật bảo toàn

động lượng”, áp dụng kiến thức về chuyển động bằng phản lực giáo viên tổ chức

cho học sinh vận dụng kiến thức vào hoạt động STEM làm: Tên lửa nước, động

cơ không khói... Các chủ đề kết hợp kiến thức liên môn trước khi chuyển giao

nhiệm vụ giáo viên cần cung cấp kiến thức, hướng dẫn học sinh cách thực hiện

và kết hợp lồng ghép kiến thức. Một số chủ đề STEM kết hợp liên môn có thể áp

dụng như: chế tạo chiếc cầu bập bênh. Từ kiến thức về trung điểm của đoạn

thẳng thiết kế cầu bập bênh. Các kiến thức được vận dụng gồm có khoa học,

toán, công nghệ, vật lý. Với kiến thức toán học, Cầu bập bênh áp dụng kiến thức

về trung điểm đoạn thẳng, áp dụng kiến thức Trọng lực ( môn Vật lý 6) và bản

vẽ chi tiết ( Môn Công nghệ 8).

+ Chủ đề STEM mở rộng, là những chủ đề áp dụng kiến thức ngoài phạm vi sách

giáo khoa, những kiến thức đó học sinh tự tìm kiếm và nghiên cứu tài liệu. Sản

phẩm của chủ đề này thường phức tạp và yêu cầu kĩ thuật cao hơn.

Dựa vào mục đích dạy học, chủ đề STEM được chia thành:

+ Chủ đề STEM dạy học kiến thức mới, được xây dựng trên cơ sở kết nối kiến

thức nhiều môn học khác nhau mà học sinh chưa được học hoặc đã được nghiên

cứu lý thuyết một phần, áp dụng nó để vừa giải quyết vấn đề vừa tiếp thu những

kiến thức mới.

+ Chủ đề STEM dạy học và vận dụng: dạng này được xây dựng trên những kiến

thức học sinh được học để vận dụng các kiến thức vào thực tiễn.

Giáo dục STEM là một phương thức giáo dục nhằm trang bị cho học sinh

những kiến thức khoa học gắn liền với ứng dụng của chúng vào thực tiễn, qua đó

phát triển cho học sinh năng lực phát triển và giải quyết vấn đề cùng với những

năng lực khác tương ứng, đáp ứng được yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội. Ở các

môi trường giáo dục phổ thông, giáo dục STEM được áp dụng ở các mức độ như

sau

+ Dạy học các môn học theo phương thức STEM

Đây là hình thức tổ chức STEM chủ yếu ở các nhà trường phổ thông hiện

nay. Theo cách này, các bài học, hoạt động giáo dục STEM được triển kgai ngay

trong quá trình dạy học các môn học STEM theo tiếp cận liên môn. Các chủ đề,

bài học, hoạt động STEM bán sát chương trình các môn học thành phần. Với

hình thức này nó không làm phát sinh hay kéo dài thời gian học tập.

+ Tổ chức các hoạt động trải nghiệm STEM

Với hình thức này, học sinh được khám phá các ứng dụng khoa học, kỹ thuật

trong thực tiễn đời sống. Qua đó, nhận biết được ý nghĩa của khoa học, công

nghệ, kỹ thuật và toán học đối với cuộc sống sinh hoạt con người, nâng cao hứng

thú học tập STEM. Đây là hình thức đòi hỏi sự liên kết giữa các tổ chức giáo dục

với nhau. Với hình thức này, có thể thực hiện thoogn qua hợp tác giữa các trường

trung học, các trương dạy nghề và các trường cao đẳng, đại học để vận dụng

những ưu thế về cơ sở vật chất của các cơ sở giáo dục. Các trường cũng có thể

triển khai giáo dục STEM thông qua hình thức các câu lạc bộ, nhằm nâng cao

trình độ, triển khai các dự án nghiên cứu, tìm hiểu các ngành nghề thuộc lĩnh vực

STEM, theo năng khiếu và sở thích của học sinh.

+ Tổ chức hoạt động nghiên cứu khoa học, kĩ thuật

Dưới hình thức tổ chức các hoạt động nghiên cứu khoa học, các cuộc thi sáng

tạo khoa học kĩ thuật. Hình thức này không diễn ra đại trà mà nó dành cho những

học sinh có năng lực, sở thích và hứng thú tìm tòi, khám phá khoa học, kĩ thuật.

Áp dụng nó vào các vấn đề thực tiễn đặt ra.

Việc đưa giáo dục STEM vào các trường trung học mang lại nhiều ý nghĩa

và đáp ứng được những đổi mới trong giáo dục như: Đảm bảo tính toàn diện,

nâng cao hứng thú học tập STEM, hình thành và phát triển năng lực, phẩm chất

Science

(Khoa học)

Knowledge (Kiến thức)

Engineering

(Kĩ thuật)

Technology

(Công nghệ)

Mathematic

(Toán học)

cho học sinh, kết nối trường học với cộng đồng và hướng nghiệp, phân luồng

học sinh.

1.1.3. Quy trình xây dựng chủ đề bài học STEM

Các bài học STEM, được xây dựng trên mối quan hệ giữa Khoa học, Công

nghệ, Kĩ thuật, Toán học trong sự phát triển của khoa học – kĩ thuật theo chu

trình:

Hình 1: Chu trình STEM

Chu trình bao gồm hai quá trình sáng tạo là quy trình khoa học và quy trình kĩ

thuật.

Với quy trình khoa học: Các ý tưởng xuất phát từ ý tưởng khoa học, hỗ trợ

của công nghệ hiện đại, với sự hỗ trợ của công cụ toán học, các nhà khoa học

khám phá ra các tri thức mới theo các bước như sau: Câu hỏi – giả thuyết – kiểm

chứng – kết luận.

Quy trình kĩ thuật: Xuất phát từ vấn đề thực tiễn, các kĩ sư công nghệ sử

dụng kiến thức khoa học, toán học tạo ra các giải pháp giải quyết vấn đề theo các

bước: vấn đề - giải pháp –thử nghiệm – kết luận.

Hai quá trình được nối tiếp nhau, khép kín thành chu trình sáng tạo khoa học – kĩ

thuật theo mô hình xoáy ốc.

“Science” trong chu trình STEM được mô tả bời mũi tên từ “Technology” sang

“Knowledge” thể hiện quá trình sáng tạo khoa học. Đứng trước thực tiễn với

“Công nghệ”, trả lời được các vấn đề khoa học đặt ra giúp cho con người phát

minh ra kiến thức. Ngược lại, “ Engineering” trong chu trình STEM được mô tả

bởi một mũi tên từ “ Knowledge” sang “Technology” thể hiện chu trình kĩ thuật.

Các kĩ sư sử dụng “Kiến thức” khoa học để thiết kế, sáng tạo ra công nghệ mới.

Ta thấy, “ Science” không chỉ là “ Kiến thức” thuộc các môn khoa học như Hóa

học, Sinh học, Vật lý...mà nó còn bao hàm “ Quy trình khoa học” để phát minh

ra kiến thức mới. “Engineering” trong chu trình STEM không chỉ là “Kiến thức”

thuộc lĩnh vực “Kĩ thuật” mà bao hàm “Quy trình kĩ thuật” để sáng tạp ra “Công

nghệ” mới. Hai quy trình nối tiếp nhau, khép kín thành chu trình sáng tạo khoa

học – kĩ thuật theo mô hình “xoáy ốc” mà cứ sau mỗi chu trình thid lượng kiến

thức khoa học tăng lên và cùng với nó là công nghệ phát triển ở trình độ cao.

Ngoài ra, quá trình xây dựng chủ đề STEM có thể được xây dựng theo chu trình

chung gồm các bước sau:

Bước 1: Lựa chọn và xác định vấn đề

Giáo viên giao cho học sinh những tình huống thực tế gắn với các vấn đề

cần giải quyết. Các nhiệm vụ này có thể thực hiện trên lớp hoặc được giao cho

học sinh tìm hiểu một phần kiến thức liên quan.

Ví dụ: Khi tổ chức học về định luật bảo toàn động lượng, Vật lý 11, giáo viên có

thể cho học sinh quan sát đoạn video, hình ảnh về tên lửa nước, giáo viên chuẩn

bị một số dụng cụ để tổ chức học sinh thực hiện lắp ráp trên lớp. Chuyển giao

nhiệm vụ về nhà để các nhóm học sinh tiến hành nghiên cứu chế tạo sản phẩm.

Hình 2: Các dụng cụ chuẩn bị

cho 1 tiết STEM

Hình 3: Trải nghiệm 1 tiết STEM

tại trường

Hay như với môn Hóa học lớp 11, sau phần kiến thức tìm hiểu về ANCOL,

giáo viên có thể giao cho học sinh nhiệm vụ về nhà thực hiện lên men từ trái cây,

hoặc từ tinh bột để ra được sản phẩm...

Các nhiệm vụ được giao về nhà sau khi hoàn thành, giáo viên yêu cầu học sinh

trình bày, giải thích và xác định các tiêu chí của sản phẩm.

Bước 2: Nghiên cứu kiến thức

Để học sinh có đầy đủ kiến thức để thực hiện nhiệm vụ, giáo viên là người

hướng dẫn cung cấp các tài liệu khoa học, giúp học sinh tiếp thu kiến thức, kĩ

năng theo yêu cầu của chương trình. Từ những vấn đề cần giải quyết, kèm theo

sản phẩm giáo viên hoàn thành các tiêu chí đánh giá sản phẩm và các giải pháp

thiết kế sản phẩm. Các hoạt động này được thực hiện trên lớp theo thời lượng

phân phối chương trình nhưng cần lưu ý tăng cường hướng dẫn học sinh tự lực

nghiên cứu sách giáo khoa. Hoạt động nghiên cứu kiến thức đi kèm các hoạt

động luyện tập, vận dụng kiến thức để trả lời các câu hỏi và bài tập.

Bước 3: Xây dựng tiêu chí đánh giá và tìm giải pháp giải quyết vấn đề

Sau khi đã xác định được vấn đề nghiên cứu, giáo viên cần phải thống nhất

và đưa ra các tiêu chí đánh giá giải pháp và sản phẩm. Các tiêu chí này luôn

hướng tới việc định hướng quá trình học tập và vận dụng kiến thức của học sinh,

không nên chỉ tập trung vào đánh giá đúng sai, đánh giá sản phẩm.

Bước 4: Thiết kế tiến trình tổ chức hoạt động

Tiến trình tổ chức các hoạt động được xây dựng trên các phương pháp kĩ thuật

tích cực với mục đích rõ ràng, yêu cầu về nội dung và sản phẩm cụ thể rõ ràng

theo các tiêu chí được xây dựng.

Nói tóm lại, với phương pháp dạy học STEM cũng như các phương pháp, kĩ

thuật dạy học tích cực khác, luôn hướng tới lấy học sinh làm trung tâm, hướng

tới phát triển năng lực và phẩm chất cho học sinh. Giáo viên đóng vai trò hướng

dẫn cho học sinh để đề xuất các giả thuyết khoa học, các giải pháp giải quyết vấn

đề, rút ra các hệ quả kiểm chứng, từ đó đưa ra các phương pháp thực nghiệm

bằng mô hình hoặc thực nghiệm, phân tích số liệu và đánh giá, rút ra kết quả

khoa học để hoàn thiện mô hình sản phẩm.

1.1.4. Tiến trình tổ chức dạy học STEM trong trường THPT

Trong thời kì phát triển nhanh của khoa học – công nghệ, để đáp ứng những

đòi hỏi không ngừng của xã hội sự hình thành và phát triển năng lực cho học

sinh là một tất yếu.

Mục tiêu của giáo dục STEM phụ thuộc vào nhu cầu và bối cảnh thực tiễn của

tường quốc gia, từng vùng, từng địa phương. Tuy nhiên, dễ nhận thấy rằng giáo