tổ chức dạy học stem chủ đề khối lượng riêng và áp suất cho học sinh trung học cơ sở

Theo cách tiếp cận mới, giáo dục không phải để truyền thụ kiến thức mà nhằm giúp HS hoàn thành công việc, giải quyết các vấn đề trong học tập và đời sống nhờ vận dụng hiệu quả, sáng tạo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

NGUYỄN VÂN ANH

TỔ CHỨC DẠY HỌC STEM CHỦ ĐỀ “KHỐI LƯỢNG RIÊNG VÀ ÁP SUẤT” CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CƠ SỞ

LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM VẬT LÍ

HÀ NỘI – 2023

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

NGUYỄN VÂN ANH

TỔ CHỨC DẠY HỌC STEM CHỦ ĐỀ “KHỐI LƯỢNG RIÊNG VÀ ÁP SUẤT” CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CƠ SỞ

LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM VẬT LÍ CHUYÊN NGÀNH: LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC

BỘ MÔN VẬT LÍ Mã số: 8140211.01

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Mai Văn Lưu

HÀ NỘI – 2023

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi Các kết quả, số liệu nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng công bố trong bất kì công trình khoa học nào khác

Tôi chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình

Hà Nội, 17 tháng 08 năm 2023

Tác giả luận văn

Nguyễn Vân Anh

ii

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Mai Văn Lưu, đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, khoa Sư phạm, các giảng viên giảng dạy lớp cao học QH2020-S - Chuyên ngành Lí luận và phương pháp dạy học bộ môn vật lí - Trường đại học Giáo dục - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tâm giảng dạy, hướng dẫn, đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu của tôi

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy cô giáo và các em HS Trường Liên cấp Hanoi Victoria – Gia Lâm - Hà Nội đã tạo điều kiện và hỗ trợ tôi trong quá trình thực nghiệm sư phạm tại trường

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn những lời động viên, cổ vũ và tình cảm từ người thân, bạn bè, đồng nghiệp, đã tiếp thêm động lực để tôi hoàn thành luận văn này

Hà Nội, 17 tháng 08 năm 2023

Tác giả luận văn

Nguyễn Vân Anh

iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Đánh giá Thực nghiệm Đối chứng Trước tác động Sau tác động

iv

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2

3.1 Đối tượng nghiên cứu 2

3.2 Phạm vi nghiên cứu 2

4 Giả thuyết khoa học 2

5 Nhiệm vụ nghiên cứu 3

6 Phương pháp nghiên cứu 3

6.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 3

6.2 Các phương pháp nghiên cứu thực tiễn 3

6.3 Phương pháp thống kê toán học 3

7 Đóng góp mới của đề tài 4

7.1 Về lý luận 4

7.2 Về thực tiễn 4

8 Dự kiến kết quả đạt được 4

9 Cấu trúc của luận văn 4

CHƯƠNG 1 5

CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẤN ĐỀ GIÁO DỤC STEM NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC KHOA HỌC TỰ NHIÊN CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CƠ SỞ 5

1.1 Lý thuyết về giáo dục STEM trong trường trung học cơ sở 5

v

1.1.1 Thuật ngữ STEM 5

1.1.2 Giáo dục STEM 6

1.1.3 Mục tiêu giáo dục STEM 7

1.1.4 Phân loại STEM 7

1.1.5 Chủ đề giáo dục STEM 8

1.2 Phát triển năng lực KHTN của học sinh thông qua giáo dục STEM 9

1.2.1 Khái niệm năng lực KHTN 9

1.2.2 Biểu hiện năng lực KHTN của học sinh trong dạy học chủ đề STEM 10

1.2.3 Biện pháp phát triển năng lực KHTN của học sinh trong dạy học chủ đề STEM 12

1.3 Quy trình thiết kế chủ đề giáo dục STEM 15

1.4 Vận dụng dạy học mở mang tính thiết kế để tổ chức dạy học chủ đề STEM phát triển năng lực Khoa học tự nhiên 15

1.4.1 Khái niệm dạy học mở mang tính thiết kế 15

1.4.2 Đặc trưng của dạy học mở mang tính thiết kế 16

1.4.3 Tiến trình dạy học mở mang tính thiết kế chủ đề STEM phát triển năng lực Khoa học tự nhiên 17

1.5 Kết luận chương 1 19

CHƯƠNG 2 20

XÂY DỰNG CHỦ ĐỀ STEM CHỦ ĐỀ “KHỐI LƯỢNG RIÊNG VÀ ÁP SUẤT” THEO HƯỚNG PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC KHOA HỌC TỰ NHIÊN CỦA HỌC SINH TRUNG HỌC CƠ SỞ 20

2.1 Tổng quan nội dung chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất” - KHTN 8 20

2.1.1 Vị trí của chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất” - KHTN 8 20

2.1.2 Các mục tiêu cần đạt trong dạy học chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất” - KHTN 8 20

2.1.3 Nội dung kiến thức chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất” – KHTN 8 22 2.2 Xây dựng chủ đề STEM theo hướng phát triển năng lực KHTN của học sinh trong chương “Khối lượng riêng và áp suất” 26

2.2.1 Chủ đề STEM “Thợ lặn trong chai nhựa” 26

vi

2.2.2 Chủ đề STEM “Thuyền đồ chơi” 28

2.2.3 Chủ đề STEM “Đèn trời” 30

2.2.4 Chủ đề STEM “Thang máy thủy lực” 33

2.3 Tiến trình tổ chức dạy học STEM chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất” theo định hướng phát triển năng lực Khoa học tự nhiên cho học sinh Trung học cơ sở 35

2.3.1 Chủ đề STEM “Thợ lặn trong chai nhựa” 35

2.3.2 Chủ đề STEM “Thuyền đồ chơi” 41

2.3.3 Chủ đề STEM “Đèn trời” 47

2.3.4 Chủ đề STEM “Thang máy thủy lực” 52

2.4 Tiêu chí đánh giá năng lực Khoa học tự nhiên của học sinh trong dạy học chủ đề STEM 59

3.1.2 Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm 64

3.2 Đối tượng và thời gian, địa điểm thực nghiệm sư phạm 64

3.2.1 Đối tượng và địa bàn của thực nghiệm sư phạm 64

3.2.2 Kế hoạch thực nghiệm sư phạm 64

3.3.3 Thời gian thực nghiệm 65

3.3 Phương pháp thực nghiệm sư phạm 65

3.4 Kết quả thực nghiệm sư phạm 66

vii 2 Đề nghị 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

PHỤ LỤC

Hình 2.4 Sơ đồ hình thành ý tưởng chủ đề STEM thợ lặn trong chai nhựa 26

Hình 2.5 Sơ đồ hình thành ý tưởng chủ đề STEM thuyền đồ chơi 29

Hình 2.6 Sơ đồ hình thành ý tưởng chủ đề STEM đèn trời 31

Hình 2.7 Sơ đồ hình thành ý tưởng chủ đề STEM thang máy thủy lực 34

Hình 2.8 Dụng cụ chế tạo sản phẩm “Thợ lặn trong chai nhựa” 36

Hình 2.9 Sản phẩm “Thợ lặn trong chai nhựa” 36

Hình 2.10 Dụng cụ chế tạo sản phẩm “Thuyền đồ chơi” 41

Hình 2.11 Mô hình sản phẩm “Thuyền nước” 42

Hình 2.12 Mô hình sản phẩm “Thuyền hơi” 42

Hình 2.13 Dụng cụ chế tạo sản phẩm “Đèn trời” 47

Hình 2.14 Sản phẩm “Đèn trời” 48

Hình 2.15 Dụng cụ chế tạo sản phẩm “Thang máy thủy lực” 53

Hình 2.16 Mô hình sản phẩm “Thang máy thủy lực” 54

Hình 3.1 Biểu đồ sự tiến bộ năng lực KHTN sau tiết học thứ 1 lớp 8A và 8B 69Hình 3.2 Biểu đồ sự tiến bộ năng lực KHTN sau tiết học thứ 2 lớp 8A và 8B 70Hình 3.3 Đường lũy tích phần trăm số học sinh đạt điểm Xi trở xuống 73

Hình 3.4 Đường lũy tích phần trăm số học sinh đạt điểm Xi trở xuống 74

Hình 3.5 Biểu đồ phân loại kết quả học tập học sinh (Liên cấp Hanoi Victoria) 75

Hình 3.6 Đường lũy tích phần trăm số học sinh đạt điểm Xi trở xuống trong bài kiểm tra số 1 (Liên cấp Hanoi Victoria) 77

Hình 3.7 Đường lũy tích phần trăm số học sinh đạt điểm Xi trở xuống 78

ix Hình 3.8 Biểu đồ phân loại kết quả học tập học sinh (Liên cấp Hanoi Victoria) 79

x

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Kiến thức STEM trong chủ đề “Thợ lặn trong chai nhựa” 27

Bảng 2.2 Kiến thức STEM trong chủ đề “Thuyền đồ chơi” 29

Bảng 2.3 Kiến thức STEM trong chủ đề “Đèn trời” 32

Bảng 2.4 Kiến thức STEM trong chủ đề “Thang máy thủy lực” 34

Bảng 2.5 Tiêu chí đánh giá năng lực KHTN của HS 59

Bảng 3.1 Đối tượng và địa bàn TNSP 64

Bảng 3.2 Kết quả đánh giá năng lực KHTN sau tiết học thứ 1 lớp 8A và 8B 68

Bảng 3.3 Kết quả đánh giá năng lực KHTN sau tiết học thứ 2 lớp 8A và 8B 69

Bảng 3.4 Kết quả tự đánh giá năng lực KHTN của HS sau tiết học STEM 71

Bảng 3.5 Bảng phân phối tần số kết quả của hai bài kiểm tra 72

Bảng 3.6 Bảng phân phối tần suất kết quả của hai bài kiểm tra 72

Bảng 3.7 Bảng phân phối tần suất lũy tích kết quả của hai bài kiểm tra 73

Bảng 3.8 Bảng tổng hợp phân loại kết quả của hai bài kiểm tra 74

Bảng 3.9 Bảng tổng hợp các tham số đặc trưng của các bài kiểm tra 75

Bảng 3.10 Bảng phân phối tần số kết quả của hai bài kiểm tra 76

Bảng 3.11 Bảng phân phối tần suất kết quả của hai bài kiểm tra 76

Bảng 3.12 Bảng phân phối tần suất lũy tích kết quả của hai bài kiểm tra 77

Bảng 3.13 Bảng tổng hợp phân loại kết quả của hai bài kiểm tra 78

Bảng 3.14 Bảng tổng hợp các tham số đặc trưng của các bài kiểm tra 79

1

MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài

Chương trình giáo dục phổ thông môn Khoa học Tự nhiên đã chính thức được ban hành kèm theo Thông tư số 32/2018/TT-BGDĐT ngày 26 tháng 12 năm 2018 của Bộ trưởng Bộ Giáo dục và Đào tạo Theo cách tiếp cận mới, giáo dục không phải để truyền thụ kiến thức mà nhằm giúp HS hoàn thành công việc, giải quyết các vấn đề trong học tập và đời sống nhờ vận dụng hiệu quả, sáng tạo kiến thức đã học Đồng thời, chương trình mới lấy việc phát triển phẩm chất và năng lực thực tiễn của HS làm mục tiêu dạy học Do đó, hoạt động trải nghiệm là chương trình bắt buộc xuyên suốt tất cả các cấp học

Mục tiêu của giáo dục phổ thông hướng tới là phương pháp giáo dục phổ thông phải phát huy tính tích cực sáng tạo, vận dụng kiến thức vào thực tiễn Điều

đó đã được Luật giáo dục năm 2005, mục 28, điều 2 nêu rõ: “Phương pháp giáo dục phổ thông phải phát huy tính tích cực, tự giác, chủ động, sáng tạo của HS; phù hợp với đặc điểm của từng lớp học, môn học; bồi dưỡng phương pháp tự học, khả năng làm việc theo nhóm; rèn luyện kỹ năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn; tác động đến tình cảm, đem lại niềm vui, hứng thú học tập cho HS.”

Vật lí là một môn khoa học thực nghiệm, chính vì thế các kiến thức vật lí gắn liền với thực tiễn Trong chương trình giáo dục phổ thông mới, môn Khoa học tự nhiên là môn học bắt buộc và được xây dựng dựa trên quan điểm dạy học tích hợp, trong đó bao gồm môn Vật lí Vì vậy, ngoài việc giảng dạy lý thuyết vật lí thì việc thí nghiệm, thực hành Vật lí luôn giữ một vai trò quan trọng và rất được chú trọng trong thực hiện tiến trình dạy học của GV Thông qua hoạt động thực hành, thí nghiệm trong phòng thực hành và trong thực tế, HS không chỉ nắm vững lí thuyết, tăng sự hứng thú trong học tập mà đồng thời phát huy năng lực KHTN cũng như khả năng vận dụng kiến thức, kĩ năng KHTN vào thực tiễn đời sống

Thực tế hiện nay, do điều kiện về cơ sở vật chất, thời gian nên phần lớn các trường Trung học cơ sở chưa thể áp dụng các PPDH tích cực nhằm phát triển năng lực cho HS và HS cũng ít được thực hành với các thí nghiệm Vật lí Nhiều GV còn dạy học theo phương pháp truyền thống khiến nhiều HS thụ động, thiếu khả

2 năng tư duy sáng tạo, năng lực kỹ thuật chỉ biết đến các kiến thức hàn lâm mà chưa thể vận dụng vào trong đời sống, thực tiễn

Trong chương trình Khoa học tự nhiên, chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất” Vật lí 8 là phần có nội dung lý thuyết khó hiểu và khó nhớ hơn đối với HS Vì vậy, HS thường không hứng thú khi học chủ đề này Do đó, nếu đưa lí thuyết gắn với thực tiễn bằng cách thực hành thí nghiệm và thiết kế sản phẩm ứng dụng thì sẽ kích thích HS tìm tòi, khám phá, giúp HS hiểu sâu, mở rộng lý thuyết từ đó phát triển năng lực giải quyết vấn đề của HS

Bản thân học viên hiện là GV giảng dạy Vật lí cấp THCS Với những lí do

trên, tôi quyết định chọn và nghiên cứu đề tài “Tổ chức dạy học STEM chủ đề

“Khối lượng riêng và áp suất” cho học sinh trung học cơ sở”

2 Mục đích nghiên cứu

Thiết kế và tổ chức dạy học giáo dục STEM chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất” nhằm phát triển năng lực KHTN cho HS Trung học cơ sở

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Chương “Khối lượng riêng và áp suất” - Chương trình giáo dục phổ thông môn Khoa học Tự nhiên 8

- Hoạt động của GV và HS trong tiến trình dạy học STEM - Năng lực KHTN của HS

3

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý luận về năng lực KHTN của HS, về dạy học STEM và dạy học thí nghiệm trong môn Vật lí

- Tìm hiểu thực trạng về dạy học chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất” - Khoa học tự nhiên 8 ở một số trường THCS hiện nay

- Phân tích cấu trúc, nội dung dạy học chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất” - Khoa học Tự nhiên 8

- Thiết kế tiến trình dạy học STEM với chủ đề “Khối lượng riêng và áp

suất” để phát triển triển năng lực KHTN cho HS

- Tiến hành thực nghiệm sư phạm nhằm ĐG tính hiệu quả của việc

giảng dạy theo định hướng STEM nhằm phát triển năng lực KHTN của HS

6 Phương pháp nghiên cứu

6.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Nghiên cứu các tài liệu về dạy học gắn với thực tiễn, PPDH bộ môn

Vật lí theo hướng phát huy năng lực giải quyết vấn đề

- Nghiên cứu cơ sở lý luận của dạy học STEM - Nghiên cứu nội dung sách Khoa học Tự nhiên 8 và các tài liệu liên quan đến chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất”

6.2 Các phương pháp nghiên cứu thực tiễn

- Phương pháp quan sát: Quan sát thái độ và sự hứng thú của HS thông

qua tiết học STEM với chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất”

- Phương pháp điều tra:

+ Thực hiện phỏng vấn một số HS trong lớp sau tiết học để đánh giá mức độ hiệu quả của tiết dạy và thái độ, sự hứng thú của HS đối với tiết dạy

+ Trưng cầu ý kiến của các GV Vật lí khác về thực trạng dạy học chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất” - Khoa học Tự nhiên 8

- Phương pháp thực nghiệm khoa học

6.3 Phương pháp thống kê toán học

Sử dụng để xử lý thông tin từ thực nghiệm sư phạm

7.2 Về thực tiễn

- Xây dựng được 4 bài giảng theo định hướng STEM với chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất” - KHTN 8 và các tiến trình dạy học nhằm phát triển năng lực KHTN cho HS Trung học cơ sở

- Xây dựng được tiêu chí ĐG NL KHTN cho HS THCS khi thực hiện các chủ đề STEM

8 Dự kiến kết quả đạt được

- Đề xuất được một số tiến trình dạy học STEM nhằm bồi dưỡng năng lực KHTN cho HS THCS để cụ thể hóa cơ sở lí luận về dạy học giáo dục STEM

- Thiết kế được chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất” ở THCS theo định hướng STEM nhằm bồi dưỡng năng lực KHTN của HS

9 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Tài liệu tham khảo và phụ lục, Luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Cơ sở lý luận của vấn đề giáo dục STEM nhằm phát triển năng lực

KHTN cho học sinh Trung học cơ sở

Chương 2: Xây dựng chủ đề STEM chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất” theo

hướng phát triển năng lực KHTN của học sinh Trung học cơ sở

Chương 3: Thực nghiệm sư phạm

5

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẤN ĐỀ GIÁO DỤC STEM NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CƠ SỞ 1.1 Lý thuyết về giáo dục STEM trong trường trung học cơ sở

Công nghệ: Phát triển khả năng sử dụng, quản lý, hiểu và ĐG công nghệ của HS, tạo cơ hội cho HS hiểu công nghệ đang phát triển như thế nào và tác động của nó đến cuộc sống của các em như thế nào

Kỹ thuật: Phát triển sự hiểu biết của HS về cách công nghệ phát triển thông qua quy trình thiết kế kỹ thuật, tạo cơ hội tích hợp kiến thức đa ngành và giúp các khái niệm liên quan trở nên dễ tiếp cận Kỹ thuật cũng cung cấp cho sinh viên các kỹ năng để áp dụng một cách sáng tạo các nguyên tắc cơ bản về khoa học và toán học vào việc xây dựng các đối tượng, hệ thống hoặc quy trình sản xuất

Toán học: Phát triển khả năng phân tích, suy luận và truyền đạt ý tưởng của HS một cách hiệu quả để giải quyết các vấn đề toán học trong ngữ cảnh thông qua tính toán, giải thích và giải pháp

Các kiến thức, kỹ năng nêu trên phải được tổng hợp, tích hợp, bổ sung cho nhau để giúp HS nắm được nguyên lý, đồng thời có khả năng vận dụng vào thực tiễn, tạo ra sản phẩm trong cuộc sống hàng ngày

Trong đó, thông qua các kỹ năng khoa học, HS có thể nắm vững các khái niệm, nguyên tắc, định luật và kiến thức lý thuyết cơ bản của giáo dục khoa học Mục tiêu hướng đến của giáo dục STEM là giúp HS liên hệ, kết nối các kiến thức đã học với thực tiễn thông qua giáo dục khoa học và phát triển năng lực tư duy, sử dụng kiến thức để giải quyết các vấn đề thực tế

Tổ chức uy tín trong lĩnh vực giáo dục khoa học trên thế giới là Hiệp hội Giáo viên Khoa học Quốc gia (NSTA) được thành lập năm 1944 và đề xuất khái

niệm giáo dục STEM, định nghĩa ban đầu là: “Giáo dục STEM là một nền giáo dục liên ngành là một phương pháp tiếp cận quá trình học tập trong đó các khái niệm học thuật nguyên tắc được tích hợp với các bài học trong thế giới thực và HS áp dụng kiến thức khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học để giúp kết nối trường học, cộng đồng, trong bối cảnh cụ thể của nơi làm việc và các tổ chức

7

toàn cầu, từ đó phát triển năng lực phát triển các lĩnh vực STEM và có khả năng cạnh tranh trong nền kinh tế mới"

1.1.3 Mục tiêu giáo dục STEM

- Phát triển cho HS năng lực chuyên biệt trong các môn học STEM: là những kiến thức và kỹ năng liên quan đến các bộ môn khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học Trong đó, HS biết liên hệ kiến thức khoa học và toán học để giải quyết các vấn đề thực tiễn HS biết sử dụng, quản lý và tiếp cận công nghệ, tìm hiểu về quy trình thiết kế, chế tạo sản phẩm

- Phát triển năng lực cốt lõi của HS: Giáo dục STEM chuẩn bị cho HS trước những cơ hội và thách thức của nền kinh tế toàn cầu đầy cạnh tranh của thế kỷ 21 Ngoài việc hiểu biết về các lĩnh vực khoa học, công nghệ và toán học, HS sẽ phát triển khả năng tư duy phản biện và hợp tác thành công

Định hướng nghề nghiệp cho HS: Đào tạo STEM cung cấp cho HS kiến thức và kỹ năng nền tảng để học lên cao và nghề nghiệp tương lai Từ đó, góp phần xây dựng đội ngũ nhân lực có năng lực và chất lượng, đặc biệt là trong lĩnh vực STEM, nhằm thực hiện mục tiêu xây dựng đất nước và phát triển đất nước Trong thời đại cách mạng Công nghệ 4.0 hiện nay, vai trò của giáo dục STEM ngày càng trở nên quan trọng Sự phát triển của công nghệ đã dẫn đến sự thay thế của máy móc trong một số ngành nghề và đây cũng là cơ hội phát triển đầu tiên cho một số ngành nghề Đối với những người trẻ tuổi đang tìm việc làm, sự thay đổi này mang đến cả cơ hội và thách thức Vì lý do này, ngành giáo dục cần có những thay đổi tích cực để đào tạo nhân tài công nghệ cao Trường học phải là môi trường giúp HS phát huy khả năng sáng tạo, khơi dậy niềm đam mê khoa học Ngày nay, giáo dục STEM được ví như chiếc chìa khóa vàng mở ra cánh cửa thị trường việc làm đầy tiềm năng của đất nước

1.1.4 Phân loại STEM

Có ba cách để phân loại các chủ đề STEM - Dựa trên các môn học STEM liên quan đến giải quyết vấn đề - Xây dựng phạm vi kiến thức để giải quyết các vấn đề STEM

8 - Theo mục đích bài học

Lấy các chủ đề STEM liên quan đến giải quyết vấn đề làm phân loại, các chủ đề STEM có thể được chia thành hai loại

+ Hoàn thành các chủ đề STEM: HS vận dụng kiến thức từ cả 4 chủ đề STEM để giải quyết tình huống trong học tập và đời sống

+ Thiếu chủ đề STEM: HS áp dụng kiến thức ở ít nhất hai trong bốn lĩnh vực STEM để giải quyết vấn đề

Phân loại các chủ đề STEM theo khối lượng kiến thức cần thiết để giải quyết một vấn đề, các chủ đề STEM có thể được phân thành hai loại:

+ Các môn học chính STEM được xây dựng dựa trên kiến thức của các môn khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học trong chương trình giáo dục phổ thông Các sản phẩm của chủ đề STEM này có xu hướng đơn giản, theo định hướng sách giáo khoa và thường được xây dựng dựa trên nội dung thực tế, trải nghiệm của chương trình giáo dục phổ thông

+ Chủ đề STEM mở rộng bao gồm những kiến thức ngoài chương trình, sách giáo khoa giáo dục phổ thông HS phải độc lập học và nghiên cứu kiến thức này bằng văn bản chuyên nghiệp Loại sản phẩm STEM này phức tạp hơn

Cách cuối cùng để phân loại các môn học STEM là theo mục đích giáo dục STEM sau đó được phân thành hai loại

+ Dạy kiến thức mới: Các chủ đề STEM dựa trên cơ sở kết nối kiến thức của nhiều môn học khác nhau mà HS chưa học (hoặc mới học một phần) Thông qua việc giải quyết vấn đề, HS kết nối với các kiến thức đã học và tiếp thu kiến thức mới

+ Các chủ đề STEM trong giáo dục ứng dụng được xây dựng dựa trên những gì HS đã học Chủ đề STEM này phát huy khả năng vận dụng lý thuyết vào thực tế của HS Điều này giúp HS ghi nhớ và khắc sâu lý thuyết hơn [6]

1.1.5 Chủ đề giáo dục STEM

Chủ đề giáo dục STEM bao gồm 4 thành tố: Giải quyết vấn đề thực tiễn; Kiến thức thuộc lĩnh vực STEM; Định hướng thực hành; Làm việc nhóm

9 - Chủ đề STEM để giải quyết các vấn đề thực tiễn: Ứng dụng kiến thức STEM để giải quyết các vấn đề thực tiễn là mục tiêu giáo dục nhìn từ góc độ sư phạm STEM Do đó, các chủ đề của các môn học STEM luôn nhằm giải quyết các vấn đề và tình huống xã hội, kinh tế và môi trường trong cả cộng đồng địa phương và toàn cầu, thay vì giải quyết các vấn đề tưởng tượng và xa vời

- Các khóa học STEM nên nhắm đến những HS biết áp dụng kiến thức STEM để giải quyết vấn đề Các tiêu chuẩn nhằm đảm bảo tinh thần giáo dục STEM được tôn trọng, từ đó phát triển năng lực chuyên môn

- Chủ đề STEM định hướng thực hành: Định hướng hành động là tiêu chuẩn cho quan điểm giáo dục STEM nhằm hình thành và phát triển năng lực kết hợp giữa lý thuyết và thực hành của HS HS tiếp thu kiến thức thông qua kinh nghiệm hơn là kiến thức chuyên ngành, và hiểu sâu hơn về các lý thuyết và nguyên tắc thông qua các hoạt động thực tế

- Chủ đề STEM thúc đẩy tinh thần đồng đội giữa các sinh viên Trên thực tế, cũng có những chủ đề STEM có thể được giải quyết riêng lẻ Tuy nhiên, để giải quyết các nhiệm vụ phức tạp một cách thực tế, làm việc theo nhóm là hình thức được ưa chuộng hơn Ngoài ra, khi làm việc theo nhóm, HS được đặt trong một môi trường thúc đẩy nhu cầu giao tiếp, chia sẻ ý tưởng và cùng nhau phát triển các giải pháp

1.2 Phát triển năng lực KHTN của học sinh thông qua giáo dục STEM

1.2.1 Khái niệm năng lực KHTN

Năng lực Khoa học tự nhiên được tổ chức thành ba nhóm năng lực: Năng lực nhận thức về Khoa học, năng lực tìm hiểu và khám phá Thế giới tự nhiên, và năng lực áp dụng kiến thức và kỹ năng đã học vào thực tiễn

- Năng lực nhận thức về Khoa học: Trình bày, giải thích và vận dụng kiến thức cốt lõi chung về tổ chức cấu trúc, tính đa dạng, hệ thống, quy luật vận động, tương tác và biến đổi trong thế giới tự nhiên Chủ đề Khoa học: Vật chất và biến đổi của vật chất, sinh học, năng lượng và biến đổi vật chất, Trái đất và bầu trời; vai trò con người và cách ứng xử phù hợp với môi trường tự nhiên

- Năng lực tìm hiểu và khám phá Thế giới tự nhiên: Thứ nhất, kĩ năng cơ

10 bản tìm tòi khám phá một số sự vật, hiện tượng trong tự nhiên và đời sống: quan sát, thu thập thông tin Dự đoán, phân tích và xử lý dữ liệu Dự đoán kết quả nghiên cứu biện minh và trình bày

- Năng lực áp dụng kiến thức và kỹ năng đã học vào thực tiễn: Bước đầu vận dụng kiến thức khoa học vào một số tình huống đơn giản, mô tả, dự đoán và giải thích các hiện tượng khoa học đơn giản Cư xử phù hợp trong một số tình huống liên quan đến sức khỏe, gia đình và cộng đồng Nêu ý kiến cá nhân để vận dụng kiến thức đã học vào việc bảo vệ, bảo tồn và phát triển bền vững môi trường [4]

1.2.2 Biểu hiện năng lực KHTN của học sinh trong dạy học chủ đề STEM

(1) Biểu hiện năng lực nhận thức khoa học tự nhiên:

- Nhận biết, gọi tên, chỉ định, chỉ định sự vật, hiện tượng, khái niệm, quy luật, quá trình tự nhiên

- Biểu hiện các sự vật, hiện tượng, vai trò của sự vật, hiện tượng, quá trình tự nhiên dưới các hình thức nói, viết, công thức, hình ảnh, số liệu như biểu đồ, sơ đồ

- Phân loại các sự vật, hiện tượng, quá trình tự nhiên theo các tiêu chí khác nhau

- Phân tích các thuộc tính của sự vật, hiện tượng hoặc quá trình tự nhiên theo một logic nhất định

- So sánh, lựa chọn các hiện tượng, quá trình tự nhiên theo tiêu chí nhất định

- Tạo tóm tắt, tìm từ khóa, trình bày văn bản khoa học về khoa học và kết nối thông tin có logic có ý nghĩa

- Giải thích các mối liên hệ giữa các sự vật, hiện tượng (mối quan hệ nhân quả, cấu trúc và chức năng, )

- Nhận biết và sửa lỗi Tích cực thảo luận, đóng góp ý kiến và kết luận quan trọng về các nội dung trong chủ đề

(2) Biểu hiện năng lực tìm tòi và khám phá thế giới tự nhiên: Rèn luyện kĩ

năng tìm hiểu thế giới tự nhiên Chứng minh vấn đề thực tế với bằng chứng khoa

11 học

- Gợi vấn đề, đặt câu hỏi: + Xác định vấn đề và đặt câu hỏi về vấn đề + Phân tích cơ sở đề xuất vấn đề, kết nối kiến thức và kinh nghiệm hiện có, dùng ngôn ngữ của bản thân để diễn đạt vấn đề đề xuất

- Đưa ra nhận định và giả thuyết: + Phân tích tình huống học tập và xác định vấn đề + Xây dựng và phát triển lý thuyết phục vụ học tập - Lập kế hoạch thực hiện:

+ Tạo khung logic cho nội dung học tập của bạn + Lựa chọn phương pháp phù hợp (quan sát, thực nghiệm, khảo sát, phỏng vấn, hồi cứu dữ liệu,…)

+ Lập kế hoạch tiến hành nghiên cứu, thí nghiệm - Thực hiện kế hoạch:

+ Thu thập và lưu trữ dữ liệu từ kết quả ĐG, thí nghiệm và khảo sát + Sử dụng phân tích để ĐG kết quả và xử lý dữ liệu bằng các tham số thống kê đơn giản So sánh kết quả với lý thuyết khoa học đã học, giải thích và rút ra kết luận, điều chỉnh

- Thảo luận và viết báo cáo trình bày + Trình bày, báo cáo quá trình thực hiện và kết quả học tập bằng ngôn ngữ, hình vẽ, sơ đồ, bảng biểu

+ Tạo báo cáo sau quá trình điều tra + Tích cực tham gia, giải thích, phản biện và bảo vệ thuyết phục các kết quả nghiên cứu, làm việc với các đối tác tích cực lắng nghe và tôn trọng ý kiến, ĐG của người khác quần áo

- Đưa ra kết luận và kiến nghị: + Ra quyết định và đề xuất giải pháp cho các vấn đề đang nghiên cứu

(3) Biểu hiện năng lực dụng kiến thức, kĩ năng đã học vào thực tiễn:

- Nhận biết và giải thích các vấn đề thực tiễn dựa trên kiến thức khoa học có trong chủ đề

12 - Trên cơ sở những hiểu biết và dữ liệu nghiên cứu, đề xuất các giải pháp thực hiện hành vi, thái độ hợp lý để bảo vệ thiên nhiên, thích ứng với biến đổi khí hậu và phát triển bền vững, và một số giải pháp có thể thực hiện được [1]

1.2.3 Biện pháp phát triển năng lực KHTN của học sinh trong dạy học chủ đề STEM

Chương trình giáo dục phổ thông môn Khoa học tự nhiên ban hành kèm theo Thông tư số 32/2018/TT-BGDĐT ngày 26 tháng 12 năm 2018 của Bộ trưởng Bộ Giáo dục và Đào tạo có đưa ra định hướng về phương pháp hình thành, phát triển năng lực KHTN như sau:

- Để phát triển thành phần năng lực nhận thức khoa học tự nhiên, GV tạo

cho HS cơ hội huy động những hiểu biết, kinh nghiệm sẵn có để tham gia hình thành kiến thức mới Cần lưu ý tổ chức các hoạt động mà HS có thể tự diễn đạt hiểu biết của mình; thực hiện so sánh, phân loại, hệ thống hoá kiến thức, và áp dụng những kiến thức đã học để giải thích các hiện tượng hoặc giải quyết các vấn đề đơn giản Điều này giúp HS kết nối kiến thức mới với hệ thống kiến thức hiện có

- Để phát triển năng lực tìm hiểu tự nhiên, GV có thể tạo điều kiện cho HS đặt câu hỏi và tìm hiểu vấn đề; cung cấp cơ hội cho HS tham gia vào quá trình hình thành kiến thức mới, đưa ra và kiểm tra dự đoán và giả thuyết; thu thập bằng chứng, phân tích và xử lí để rút ra kết luận và ĐG kết quả thu được [1]

GV cần vận dụng một số phương pháp có ưu thế phát triển năng lực thành phần này như: thực nghiệm, điều tra, dạy học giải quyết vấn đề, dạy học dự án, HS có thể tự tìm các bằng chứng để kiểm tra các dự đoán, các giả thuyết qua việc thực hiện thí nghiệm, hoặc tìm kiếm, thu thập thông tin qua sách, internet, điều tra, ; phân tích, xử lí thông tin để kiểm tra dự đoán Phát triển năng lực ở yếu tố này còn liên quan đến việc tạo cơ hội cho HS hình thành và phát triển các kỹ năng lập kế hoạch, hợp tác trong hoạt động nhóm và kỹ năng giao tiếp thông qua các hoạt động thuyết trình, báo cáo hoặc giao tiếp Cuộc tranh cãi Ngoài ra, khả năng tìm hiểu về tự nhiên được trau dồi bằng cách thực hiện các bài tập lý thuyết và lý luận thực tế trong khi xử lý dữ liệu

13 - GV tạo cơ hội cho HS tiếp cận các tình huống thực tế và đặt câu hỏi, đề xuất nhằm phát triển năng lực vận dụng kiến thức, kĩ năng đã học HS có khả năng đọc hiểu, giải thích và trình bày các vấn đề thực tiễn cần giải quyết, từ đó vận dụng kiến thức khoa học để giải thích và giải quyết Chú ý rèn luyện các kĩ năng góp phần hình thành và phát triển kĩ năng giải quyết vấn đề của HS Biến vấn đề thành giải pháp bằng cách áp dụng kiến thức khoa học: Giải quyết vấn đề với các bước lần lượt là thu thập thông tin, trình bày, xử lý thông tin để đưa ra kết luận và các giải pháp cần khắc phục hoặc cải thiện

GV nên sử dụng nhiều phương pháp có lợi cho việc phát triển năng lực vận dụng kiến thức, kĩ năng đã học như: Lớp học giải quyết vấn đề, thí nghiệm, lớp học dự án, v.v HS có cơ hội liên hệ và vận dụng tổng hợp kiến thức và kỹ năng từ các lĩnh vực khác nhau của môn học và từ các môn học khác để giải quyết các vấn đề trong thế giới thực Khi sử dụng các dạng bài tập đòi hỏi tư duy phản biện và sáng tạo, GV cần thận trọng để đảm bảo rằng HS có đủ kiến thức và kỹ năng để giải quyết các câu hỏi mở và đưa ra phản hồi trong quá trình học Giáo dục STEM nên được tích hợp vào lớp học để phát triển khả năng tích hợp kiến thức và kỹ năng của HS về khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học để giải quyết một số tình huống thực tế [13]

Dựa trên những định hướng này, các bước phù hợp sẽ được thực hiện để phát triển các năng lực khoa học tự nhiên của nhóm đối tượng, cụ thể là HS trung học cơ sở

Biện pháp 1: Dành nhiều thời gian cho các thí nghiệm và bài tập Đảm bảo cân bằng giữa chuyển giao kiến thức và đào tạo kỹ năng

Đa dạng hóa các hoạt động, phương pháp dạy học, vận dụng linh hoạt các phương pháp dạy học tích cực, hiệu quả vào bài học, môn học, nhằm tạo điều kiện cho HS thực hành, lặp lại, thí nghiệm, thực hành Ngoài ra, các bài dạy phải phù hợp với tình hình, địa bàn thực tế của trường và năng lực tiếp thu của HS Đẩy mạnh ứng dụng giáo dục giải quyết vấn đề, tăng cường sử dụng thực nghiệm trong giáo dục, tạo sự gắn kết chặt chẽ hơn giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tiễn, cân bằng giữa truyền thụ kiến thức và rèn luyện kỹ năng cho HS Ví dụ:

14 nêu giả thuyết kết hợp với thực nghiệm để kiểm tra, nghe giảng kết hợp với thực nghiệm, giảng giải kết hợp với trực quan, lý thuyết kết hợp với thực tế sáng tạo, v.v Ngoài việc tổ chức cho HS hoàn thành nhiệm vụ học tập trên lớp thì việc giao nhiệm vụ học tập cho HS ở nhà cũng là một khâu quan trọng trên lớp thủ tục Nhiệm vụ giao cho HS càng rõ ràng, cụ thể thì quá trình dạy học các môn khoa học càng mạch lạc, HS càng phát triển toàn diện và giải quyết các vấn đề học tập của mình càng tốt

Biện pháp 2: Thực hành quan sát, phỏng đoán, dự đoán và đặt ra giả thtyết

Dự đoán có vai trò hết sức quan trọng trong con đường sáng tạo khoa học Các dự báo phần lớn dựa trên trực giác kết hợp với kinh nghiệm dày dặn và kiến thức sâu rộng trong từng lĩnh vực Sự khái quát hóa trong khoa học là quá trình tạo ra các giả thuyết dựa trên việc tóm tắt và tổng hợp các sự kiện thực nghiệm và kinh nghiệm cảm tính Tuy nhiên, sự khái quát hóa không chỉ đơn giản là việc đưa vào các yếu tố mới mà không có trong các sự kiện cơ bản Thay vào đó, nó là quá trình tìm ra các đặc điểm chung và quy luật tổng quát từ các sự kiện cụ thể để áp dụng cho các trường hợp khác Sự khái quát hóa giúp HS hiểu rõ hơn về thế giới xung quanh và phát triển kiến thức khoa học Các dự đoán khoa học không phải là tùy tiện, nhưng chúng phải được hỗ trợ ngay cả khi chúng không thực sự chắc chắn

Biện pháp 3: Thực hành đề xuất thiết kế thí nghiệm để kiểm tra dự đoán Trong nghiên cứu khoa học, các dự đoán và giả thuyết thường là sự khái quát hóa các sự kiện thực nghiệm, vì vậy chúng có tính trừu tượng và chung chung Điều này có nghĩa là chúng không thể được kiểm nghiệm trực tiếp Để kiểm tra xem một dự đoán hoặc giả thuyết có phù hợp với thực tế hay không, chúng ta cần xem dự đoán này thể hiện như thế nào trong thực tế và những dấu hiệu nào được quan sát thấy Nói cách khác, chúng ta cần rút ra các kết quả quan sát được từ các dự đoán và giả thuyết của mình, sau đó tiến hành các thí nghiệm để xác nhận xem kết quả rút ra từ các kết luận đó có đúng hay không với kết quả thực nghiệm Để kết quả được suy luận có ý nghĩa, nó phải khác với các sự kiện

15 ban đầu mà dự đoán dựa trên Càng nhiều kết quả tương ứng với thực tế, dự đoán sẽ càng an toàn và gần với sự thật [10]

Ngoài ra, cần tổ chức các hoạt động giáo dục phù hợp nhằm tạo cơ hội rèn luyện các phẩm chất tạo điều kiện phát triển năng lực khoa học: tự chủ, tự tin, chấp nhận rủi ro, đam mê, không gò bó, thích phiêu lưu, tò mò, ham học hỏi, hài hước, …

1.3 Quy trình thiết kế chủ đề giáo dục STEM

Căn cứ mục tiêu giáo dục STEM và các thành tố của chủ đề STEM, quy trình thiết kế chủ đề giáo dục STEM được thực hiện đầy đủ theo trình tự cụ thể như sau:

- Vấn đề thực tiễn: Là những tình huống đặt ra vấn đề cho HS và có tính chất kỹ thuật Nó có thể được áp dụng trong cuộc sống hàng ngày, nơi con người cần giải quyết những nhiệm vụ cụ thể và được kích thích thực hiện nhằm đáp ứng nhu cầu học tập và học tập của HS Nó cũng có thể là một yêu cầu đối với định hướng nghề nghiệp, trong đó sinh viên phải có kinh nghiệm thực hành giải quyết một số nhiệm vụ trong một lĩnh vực chuyên môn cụ thể

- Ý tưởng chủ đề STEM: Các bài toán mở mang tính chất kỹ thuật nhằm giải quyết các vấn đề thực tế mà HS gặp phải

- Xác định kiến thức STEM cần giải quyết: kiến thức chủ đề liên quan đến vật lý, hóa học, sinh học, công nghệ, kỹ thuật, toán học, v.v

- Xác định mục tiêu cho chủ đề STEM Đây là những kiến thức, kĩ năng và thái độ mà HS thu nhận được sau khi thực hiện chủ đề

- Tạo bộ câu hỏi liên quan đến STEM: Đây là những câu hỏi giúp đưa ra gợi ý cho HS và gợi ý các giải pháp, nhiệm vụ giúp các em đạt được mục tiêu chủ đề Bộ câu hỏi này rất quan trọng để phát triển kỹ năng sáng tạo cho các môn học STEM GV cần thường xuyên hướng dẫn HS thông qua các câu hỏi để định hướng hoạt động học tập trong khoảng thời gian ngắn [6]

1.4 Vận dụng dạy học mở mang tính thiết kế để tổ chức dạy học chủ đề STEM phát triển năng lực KHTN

1.4.1 Khái niệm dạy học mở mang tính thiết kế

16 Dạy học mở theo thiết kế là một định dạng giáo dục nhận biết và giải quyết các tình huống có vấn đề trong cuộc sống nghề nghiệp liên quan đến nội dung chuyên môn Tính mở của hình thức giáo dục này thể hiện ở các đặc điểm sau:

- Tính toán đa giải pháp - Khuyến khích HS tham gia giải quyết vấn đề: Khi học sinh tham gia vào quá trình giải quyết vấn đề, họ sẽ phát triển kỹ năng tư duy logic, tư duy sáng tạo và khả năng làm việc nhóm Đồng thời, việc giải quyết các vấn đề thực tế cũng giúp học sinh áp dụng kiến thức STEM vào cuộc sống hàng ngày

- Giảm căng thẳng cho HS: Bằng biện pháp thiết kế xoay quanh các phương pháp nghiên cứu khoa học, học tập mở khuyến khích HS tích cực khám phá và tận hưởng các hoạt động Tiền thân của học tập mở dựa trên thiết kế là giáo dục chủ động, tự định hướng

Dạy học mở mang tính thiết kế khuyến khích HS phát triển các kỹ năng tư duy sáng tạo, quan sát, tương tác xã hội, và khả năng làm việc nhóm Đây là phương pháp dạy học tương đối linh hoạt và thú vị, dựa trên những kinh nghiệm HS đã có, mở ra phạm vi cho HS hoạt động từ những tình huống có vấn đề, lấy HS làm trung tâm, khuyến khích tính chủ động của HS trong quá trình học tập, giúp HS học hỏi thông qua việc thực hành và áp dụng kiến thức vào thực tế [9]

Với những ưu thế kể trên thì phương pháp dạy học mở mang tính thiết kế hoàn toàn phù hợp và đáp ứng được các mục tiêu theo định hướng giáo dục STEM

1.4.2 Đặc trưng của dạy học mở mang tính thiết kế

Học tập mở theo thiết kế có các đặc điểm sau: - Kiến thức kỹ thuật của HS dựa trên kinh nghiệm của họ và do đó dựa trên sự phát triển các kỹ năng khoa học của họ

- Vai trò của GV là truyền đạt kiến thức và trở thành người tổ chức tư vấn cho sự tự hoàn thiện của HS

- Tạo hứng thú và trí tò mò cho HS Giáo dục mở được thiết kế để cung cấp nền tảng cho việc học của HS và phát triển kỹ năng vận dụng Để có thể thực hiện giảng dạy mở theo thiết kế, GV cần một tình huống vấn đề tổng thể (hoặc nhiệm vụ học tập), phạm vi ra quyết định và mức độ tự do ngôn luận Lời giải của HS

17 được tổng hợp thông qua trao đổi trong quá trình làm việc nhóm Hoạt động chính là để người học tìm ra và quyết định giải pháp tốt nhất cho vấn đề này

1.4.3 Tiến trình dạy học mở mang tính thiết kế chủ đề STEM phát triển năng lực Khoa học tự nhiên

Dạy học mở mang tính thiết kế phù hợp cho những nội dung mang tính thiết kế hệ thống kỹ thuật và phát triển NL KHTN của HS

- GV khuyến khích HS tìm cách giải quyết vấn đề và chấp nhận các cách giải pháp khác nhau

- GV và HS nhận xét để HS thấy được đáp án đúng và tìm ra giải pháp phù hợp nhất cho vấn đề nghiên cứu

- HS được tổ chức học theo nhóm, thảo luận, hợp tác và học hỏi lẫn nhau Tiến trình dạy học mở mang tính thiết kế chủ đề STEM phát triển năng lực

KHTN của HS được thực hiện theo sơ đồ hình 1.2

Hình 1.2 Tiến trình dạy học mở mang tính thiết kế chủ đề STEM phát triển năng

lực KHTN (1) Vấn đề mở: Một vấn đề thực tế với nhiều giải pháp, thường là vấn đề kỹ

thuật

18

(2) Đề xuất các giải pháp thiết kế: Từ các câu hỏi mở, HS đưa ra các giải

pháp khác nhau để giải quyết vấn đề

(3) Đánh giá giải pháp: Trên cơ sở các giải pháp đề xuất, tiến hành phân tích, ĐG điểm mạnh, điểm yếu của từng giải pháp

(4) Lựa chọn giải pháp tốt nhất: Sau khi ĐG từng giải pháp, học viên thống nhất lựa chọn giải pháp tốt nhất và phù hợp

(5) Thực hiện giải pháp đã chọn: Sau khi chọn giải pháp tốt nhất, HS tổ

chức thực hiện giải pháp bao gồm lập kế hoạch, lập bản vẽ, tìm tài liệu và lắp ráp

(6) Sản phẩm vật lý: Sau khi thực hiện giải pháp, HS sẽ nhận được sản

phẩm là mô hình chức năng vật lý hoặc sản phẩm thực tế

(7) Vận hành - Kiểm tra: HS vận hành sản phẩm và ĐG xem sản phẩm có

đạt yêu cầu như dự kiến ban đầu hay không Nếu chưa được hoặc còn sai sót, HS tiếp tục sửa

(8) Thành phẩm: Sản phẩm cuối cùng sau khi được HS cải tiến, chỉnh sửa

và vận hành đạt yêu cầu

Dạy học mở mang tính thiết kế có cấu trúc theo cách giải quyết vấn đề, tạo không khí học tập tốt, bồi dưỡng tư duy giải quyết vấn đề của học sinh, lấy học sinh làm trung tâm

19

1.5 Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu có liên quan đến đề tài: các tài liệu, luận văn và luận án có hướng nghiên cứu với đề tài Từ đó, đưa ra cơ sở lí luận của việc tổ chức dạy học chủ đề STEM trong môn Vật lí để phát triển năng lực KHTN cho HS (cụ thể là HS khối THCS)

Hiện nay, giáo dục theo định hướng STEM được hiểu theo nhiều góc độ khác nhau, nhưng ở góc độ tổng quát nhất, giáo dục STEM có thể được hiểu theo hai khái niệm cơ bản sau:

Thứ nhất: giáo dục STEM về cơ bản là giảng dạy tích hợp các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học

Thứ hai: Giáo dục STEM không chỉ cung cấp cho HS những kiến thức lý thuyết mà còn tạo cơ hội cho HS trải nghiệm, vận dụng những gì đã học vào giải quyết các vấn đề học tập hoặc các tình huống thực tiễn liên quan đến bản thân, gia đình và xã hội, từ đó trau dồi năng lực chung của học sinh

Bên cạnh đó, trong chương 1 cũng đã tìm hiểu các khái niệm và cấu trúc của NL KHTN và vai trò của giáo dục STEM trong việc phát triển năng lực này của học sinh THCS Đồng thời, đề tài này còn đề cập đến việc sử dụng phương pháp dạy học mở mang tính thiết kế theo hướng giáo dục STEM góp phần hình thành và phát triển năng lực KHTN của HS

20

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG BÀI DẠY STEM CHỦ ĐỀ “KHỐI LƯỢNG RIÊNG VÀ ÁP SUẤT” THEO HƯỚNG PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

CỦA HỌC SINH TRUNG HỌC CƠ SỞ

2.1 Tổng quan nội dung chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất” - KHTN 8

2.1.1 Vị trí của chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất” - KHTN 8

Nội dung “Khối lượng riêng và áp suất” nằm trong chủ đề lớn “Năng lượng và sự biến đổi” của Chương trình giáo dục phổ môn Khoa học tự nhiên cấp Trung học cơ sở (Ban hành kèm theo Thông tư số 32/2018/TT-BGDĐT ngày 26 tháng 12 năm 2018 của Bộ trưởng Bộ Giáo dục và Đào tạo)

Cụ thể, trong phân phối chương trình môn Khoa học tự nhiên lớp 8 HS sẽ tìm hiểu chương “Khối lượng riêng và áp suất” với nội dung kiến thức và thời lượng chiếm 8% chương trình cả năm (11 tiết), bao gồm các nội dung chính sau:

- Khái niệm khối lượng riêng - Đo khối lượng riêng

- Áp suất trên một bề mặt - Tăng, giảm áp suất - Áp suất trong chất lỏng, trong chất khí Với những nội dung kiến thức và thời lượng chương trình như trên, GV có thể phân bố thời lượng các tiết học lý thuyết, bài tập và thực hành lần lượt như sau: 4 tiết học lý thuyết, 5 tiết học thực hành (bao gồm chủ đề STEM và thực hành đo khối lượng riêng), 2 tiết học bài tập

2.1.2 Các mục tiêu cần đạt trong dạy học chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất” - KHTN 8

21 - Trình bày được định luật Archimedes (Acsimet) và điều kiện định tính về vật nổi, vật chìm

- Nêu được một số đơn vị đo áp suất thông dụng - Nêu được: Áp suất tác dụng vào chất lỏng sẽ được truyền đi nguyên vẹn theo mọi hướng và lấy ví dụ minh hoạ

- Có tinh thần hợp tác và trách nhiệm trong hoạt động tập thể - Có ý thức vận dụng kiến thức, kiến thức vật lý vào thực tiễn

2.1.2.4 Mục tiêu cần đạt về năng lực

- Năng lực giải quyết vấn đề: đặt được câu hỏi chứa vấn đề cần giải quyết; vận dụng kiến thức sẵn có để tìm ra hệ quả; đề xuất giả thuyết và thực hiện các phương án kiểm tra giả thuyết; kết luận được vấn đề

22 - Năng lực tự học: Biết nghiên cứu nội dung kiến thức phần tự học dựa trên những nhiệm vụ GV giao Thiết kế, thực hành thí nghiệm thông qua việc đọc trước cơ sở lí thuyết và mẫu báo cáo thực hành ở nhà

- Năng lực thực nghiệm: xác định được mục đích các chủ đề STEM; xác định được những dụng cụ cần dùng và xây dựng phương án, bản thiết kế chế tạo; tiến hành TN; ghi lại kết quả và rút ra kết luận

- Năng lực Khoa học tự nhiên: Nhận thức khoa học tự nhiên, tìm hiểu tự nhiên, vận dụng kến thức kĩ năng đã học

2.1.3 Nội dung kiến thức chủ đề “Khối lượng riêng và áp suất” – KHTN 8

2.1.2.1 Khối lượng riêng

Khối lượng riêng của một chất được xác định bằng khối lượng của một đơn vị thể tích chất đó

Khối lượng riêng = Khối lượng

Thể tích Nếu kí hiệu D là khối lượng riêng, m là khối lượng của lượng chất có thể tích V, ta có:

D = mVĐơn vị đo của khối lượng riêng là kilôgam trên mét khối, kí hiệu là kg/m3 Người ta cũng thường sử dụng đơn vị khác của khối lượng riêng là gam trên centimét khối, kí hiệu là g/cm3 hay gam trên mililít, kí hiệu là g/mL

(1 g/cm3 = 1 g/mL = 1000 kg/m3)

2.1.2.2 Áp suất trên một bề mặt - Tăng, giảm áp suất

- Áp lực là lực ép có phương vuông góc với mặt bị ép - Áp suất được tính bằng áp lực tác dụng lên một đơn vị diện tích mặt bị ép

Áp suất = Áp lực

Diện tích mặt bị ép - Đơn vị của áp suất là pascal (Pa)

- Có thể thay đổi áp suất tác dụng lên một diện tích mặt bị ép bằng cách thay đổi áp lực hoặc thay đổi diện tích mặt bị ép Không chỉ chất rắn mới gây ra áp suất lên mặt bị ép mà chất lỏng và chất khí cūng gây ra áp suất lên bình chứa

23 Vì chất khí có thể nén và dãn nên người ta sử dụng một số cách sau để làm tăng áp suất chất khí:

+ Với một bình chứa có thể tích cố định, cần làm tăng lượng chất khí trong bình bằng cách bổ sung thêm khí vào bình

+ Với một lượng chất khí nhất định, cần làm giảm thể tích của bình chứa lượng chất khí đó

2.1.2.3 Áp suất trong chất lỏng, trong chất khí Lực đẩy Ác-si-mét

- Định luật Acsimet: Chất lỏng tác dụng lên vật đặt trong nó một lực đẩy hướng thẳng đứng lên trên (lực đẩy Acsimet), có độ lớn bằng trọng lượng phẩn chất lỏng bị vật chiếm chỗ

FA = d V - Chất lỏng gây áp suất theo mọi phương lên các vật ở trong lòng nó Vật càng ở sâu trong lòng chất lỏng thì chịu tác dụng của áp suất chất lỏng càng lớn Khi thả một vật trong chất lỏng, vật sẽ nổi lên nếu khối lượng riêng của vật nhỏ hơn khối lượng riêng của chất lỏng, vật sẽ chìm xuống nếu khối lượng riêng của vật lớn hơn khối lượng riêng của chất lỏng

- Áp suất tác dụng vào chất lỏng sẽ được chất lỏng truyền đi nguyên vẹn theo mọi hướng

- Trái Đất và mọi vật trên Trái Đất đếu chịu tác dụng của áp suất khí quyển theo mọi phương

- Khi thay đổi áp suất đột ngột có thể gây ra tiếng động trong tai: Màng nhĩ ngăn cách tai giữa và ống tai ngoài Bình thường áp suất không khí ở tai giữa cân bằng với áp suất không khí ở ống tai ngoài Vòi nhĩ thông với họng hầu có tác dụng điều chỉnh áp suất ở tai trong Khi đi máy bay, trong giai đoạn máy bay cất cánh hoặc khi đi ô tô lên vùng núi cao mà độ cao tăng đột ngột, ta thường có cảm giác hơi đau tức tai, đôi khi còn nghe thấy tiếng động trong tai Nguyên nhân của hiện tượng này là do khi độ cao tăng quá nhanh, áp suất khí quyển giảm đột ngột, làm mất cân bằng áp suất giữa tai giữa và tai ngoài (áp suất ở tai giữa cao hơn áp suất ở tai ngoài), đẩy màng nhĩ ra phía ngoài Nếu vòi nhĩ mở, thông tai giữa với họng hầu làm giảm áp suất không khí ở tai giữa, màng nhĩ bị đẩy nhanh chóng về

24 vị trí cũ Sự di chuyển nhanh của màng nhĩ tạo nên một "tiếng động" trong tai

- Áp suất không khí được ứng dụng để chế tạo một số dụng cụ phục vụ đời sống:

+ Giác mút làm bằng chất dẻo, có hình dạng tròn lõm Ấn giác mút lên một bề mặt nhẵn (tấm kính, tường gạch men, ) để đẩy bớt không khí trong giác mút ra ngoài, làm giảm áp suất khí trong nó Sau đó thả tay ra, áp suất khí quyển ở bên ngoài lớn hơn áp suất bên trong giác mút Sự chênh lệch áp suất sẽ làm giác mút dính chặt vào bề mặt đó

Hình 2.1 Giác mút

+ Một số bình nước hoa, bình xịt muỗi, sử dụng khí nén để đẩy nước hoa hay dung dịch thuốc ra bên ngoài dưới dạng các giọt nhỏ Trong bình có chất lỏng và chất khí đã bị nén (áp suất cao) Khi ta ấn nút ở nắp bình xịt, van nắp bình được mở ra Áp suất của khí trong bình lớn hơn áp suất khí quyền nên chất lỏng bị đẩy qua ống dẫn, van và vòi xịt ở nắp bình ra ngoài Khi nhả nút, van đóng lại

Hình 2.2 Bình xịt

25 + Tàu đệm khí là loại tàu khi hoạt động được nâng lên khỏi mặt đất hay mặt nước nhờ một lớp "đệm khị" Nhờ đó giảm được ma sát Không khí được bơm vào dưới đáy tàu bằng bơm công suất lớn Nhờ vành chắn khí nên lượng khí thoát ra ngoài nhỏ hơn nhiều so với lượng khí được bơm vào Do đó không khí trong không gian dưới đáy tàu có áp suất cao so với áp suất khí quyển Chênh lệch áp suất này gây ra một áp lực lớn đủ nâng tàu lên khỏi mặt đất (mặt nước) Tàu chuyển động được nhờ động cơ Nhờ lớp đệm khí, tàu đệm khí có thể di chuyển trên nhiều loại bề mặt: mặt đất, mặt nước, đầm lầy, Vì thế, tàu đệm khí được sử dụng phồ biến trong tuần tra, cứu hộ

Hình 2.3 Tàu đệm khí

26

2.2 Xây dựng chủ đề STEM theo hướng phát triển năng lực Khoa học tự nhiên của học sinh trong chương “Khối lượng riêng và áp suất”

2.2.1 Chủ đề STEM “Thợ lặn trong chai nhựa”

2.2.1.1 Đối tượng và thời gian tổ chức chủ đề

- Đối tượng: HS lớp 8 - Thời gian: Học kì I - Sản phẩm: Thợ lặn trong chai nhựa

2.2.1.2 Vấn đề thực tiễn

Thợ lặn trong chai nhựa có thiết kế và cấu tạo đơn giản nên là món đồ chơi rất thú vị và hấp dẫn đối với các em HS Nó hoạt động dựa trên nguyên lý truyền áp suất trong chất lỏng, trạng thái vật nổi, chìm và nổi trong chất lỏng Được làm từ vật liệu tái chế như chai nhựa, ống hút, món đồ chơi này vừa an toàn cho sức khỏe, vừa góp phần bảo vệ môi trường bằng cách tái sử dụng chai nhựa, ống hút

2.2.1.3 Hình thành ý tưởng chủ đề

Hình 2.4 Sơ đồ hình thành ý tưởng chủ đề STEM thợ lặn trong chai nhựa 2.2.1.4 Kiến thức STEM trong chủ đề

27

Bảng 2.1 Kiến thức STEM trong chủ đề “Thợ lặn trong chai nhựa”

Tên sản phẩm Khoa học (S) Công nghệ

(T)

Kỹ thuật (E) Toán học

(M) Thợ lặn trong

chai nhựa

Lực đẩy si-mét, điều kiện nổi, chìm, lơ lửng

Ác-của vật bên trong chất

lỏng, tính truyền nguyên

vẹn áp suất của chất lỏng

Chế tạo mô hình thợ lặn đáp ứng yêu cầu có thể tăng – giảm

áp suất

Bản vẽ và quy trình lắp

ráp đồ chơi thợ lặn trong

chai nhựa

Đo kích thước các chi

tiết, vật liệu

2.2.1.5 Mục tiêu của chủ đề

a Kiến thức: - Trình bày được cấu tạo và nguyên lí hoạt động của đồ chơi thợ lặn trong chai nhựa

- Vận dụng được điều kiện chìm, nổi và lơ lửng của vật trong chất lỏng - Vận dụng nguyên lí truyền áp suất bên trong chất lỏng

b Kỹ năng: - Thiết kế bản vẽ cho phương án chế tạo đồ chơi thợ lặn trong chai nhựa - Chế tạo, lắp ráp được đồ chơi thợ lặn trong chai nhựa

- Vận hành, thử nghiệm, cải tiến được đồ chơi thợ lặn trong chai nhựa - Thuyết trình và phản biện, làm việc nhóm

c Thái độ - Thân thiện, có trách nhiệm với công việc được giao và nhiệm vụ chung của nhóm

- Nhiệt tình, chủ động trong quá trình thực hiện chế tạo, lắp ráp đồ chơi thợ lặn trong chai nhựa

28 - Ý thức giữ gìn sức khỏe, không sử dụng đồ chơi có chứa chất độc hại từ Trung Quốc

2.2.1.6 Bộ câu hỏi định hướng

a Câu hỏi khái quát - Bằng cách nào để làm đồ chơi thú vị dựa trên điều kiện chìm, nổi và lơ lửng bên trong chất lỏng?

b Câu hỏi bài học - Nguyên lí cấu tạo và hoạt động của đồ chơi thợ lặn trong chai nhựa là gì? - Chế tạo đồ chơi thợ lặn trong chai nhựa như thế nào?

- Làm thế nào để thợ lặn có thể chìm và nổi với tốc độ nhanh hơn? - Sử dụng những nguyên liệu và dụng cụ gì để hạn chế nhất các tác nhân đối với môi trường?

2.2.2 Chủ đề STEM “Thuyền đồ chơi”

2.2.2.1 Đối tượng và thời gian tổ chức chủ đề

- Đối tượng: HS lớp 8 - Thời gian: Học kì I - Sản phẩm: Thuyền đồ chơi

2.2.2.2 Vấn đề thực tiễn

Hiện nay, trên thị trường có nhiều loại thuyền đồ chơi đa dạng về chủng loại về giá cả, từ mô hình đến thuyền đồ chơi điều khiển từ xa Tuy nhiên, HS gần như không quan tâm đến cấu tạo, nguyên lý hoạt động của thuyền đồ chơi Trong khi đó, trào lưu tự làm đồ chơi ngày càng phát triển, không những HS tự làm được những chiếc thuyền đồ chơi độc đáo, sáng tạo thỏa sức đam mê mà HS phải tự tìm tòi, nghiên cứu trên sách báo, ỉnternet,… từ đó vốn kiến thức và kinh nghiệm được tích lũy, kỹ năng gia công thực hành được rèn luyện và phát triển, rèn luyện sự nhạy bén trong tư duy,…

2.2.2.3 Hình thành ý tưởng chủ đề