Luận văn thạc sĩ thiết kế chế tạo các thí nghiệm đơn giản để sử dụng trong dạy học khoa học tự nhiên lớp 6 theo định hướng giáo dục STEM​

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM –––––––––––––––––––––– NGUYỄN ANH TUẤN THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC THÍ NGHIỆM ĐƠN GIẢN ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LỚP THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC THÁI NGUYÊN - 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM –––––––––––––––––––––– NGUYỄN ANH TUẤN THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC THÍ NGHIỆM ĐƠN GIẢN ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LỚP THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM Ngành: Lý luận và phương pháp dạy học bộ môn Vật li Mã số: 8140111 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thị Thu Hà THÁI NGUYÊN - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam kết luận văn này là cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nghiên cứu và những kết luận luận văn này chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu nào Thái Ngun, tháng năm 2020 Tác gia Nguyễn Anh Tuấn i LỜI CẢM ƠN Để có luận văn này, cho phép bày tỏ sự biết ơn đến: - Ban giám hiệu, Phòng sau đại học, quý thầy (cô) là giảng viên khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên, quý thầy (cô) là giảng viên trường đại học liên kết đào tạo truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, hướng dẫn cách tiếp cận và nghiên cứu đề tài - TS Nguyễn Thị Thu Hà với kinh nghiệm, sự nhiệt tình và trách nhiệm cao Cô hướng dẫn, hỗ trợ, góp ý và chính sửa cho ḷn văn tơi q trình nghiên cứu đề tài và viết luận văn - Ban giám hiệu trường phổ thông dân tộc nội trú THCS Đồng Hỷ cùng thầy cô tổ môn Khoa học tự nhiên trường phổ thông dân tộc nội trú THCS Đồng Hỷ, thầy (cô) công tác tại số trường THCS địa bàn Thành phố Thái Nguyên và em học sinh nhiệt tình giúp đỡ và ủng hộ tơi q trình thực đề tài Cuối cùng, xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè ln sát cánh, giúp đỡ, động viên suốt trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này Thái Nguyên, tháng 06 năm 2020 Tác gia Nguyễn Anh Tuấn ii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục chữ viết tắt vi Danh mục bảng vii Danh mục hình viii MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu .2 Khách thể và đối tượng nghiên cứu .2 Nhiệm vụ nghiên cứu Giả thuyết khoa học .3 Phương pháp nghiên cứu .3 Đóng góp đề tài .4 Cấu trúc đề tài PHẦN NỘI DUNG Chương 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN 1.1 Lịch sử nghiên cứu giáo dục STEM 1.1.1 Giáo dục STEM giới 1.1.2 Nghiên cứu giáo dục STEM nước 1.2 Giáo dục STEM 11 1.2.1 Khái niệm giáo dục STEM .11 1.2.2 Giáo dục STEM chương trình giáo dục phổ thông mới .12 1.2.3 Thí nghiệm dạy học theo định hướng GD STEM 29 1.3 Năng lực giải vấn đề học sinh 31 1.3.1 Khái niệm lực giải vấn đề 31 iii 1.3.2 Biểu lực giải vấn đề học sinh học tập 32 1.3.3 Cấu trúc lực giải vấn đề 32 1.3.4 Các biện pháp sử dụng thí nghiệm dạy học nội dung vật lí môn KHTN theo định hướng giáo dục STEM nhằm phát triển lực giải vấn đề HS 34 1.4 Tìm hiểu thực tế dạy học STEM tại trường PT dân tộc nội trú THCS Đồng Hỷ 36 1.4.1 Mục đích điều tra 36 1.4.2 Phương pháp điều tra .37 1.4.3 Đối tượng điều tra 37 1.4.4 Kết điều tra 37 KẾT LUẬN CHƯƠNG 41 Chương 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC NỢI DUNG VẬT LÍ MƠN KHOA HỌC TỰ NHIÊN THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM .42 2.1 Phân tích nội dung thí nghiệm vật lí chương trình Khoa học tự nhiên theo định hướng giáo dục STEM 42 2.1.1 Mục tiêu môn vật lí lớp 42 2.1.2 Cấu trúc nội dung Vật lí chương trình Khoa học tự nhiên 45 2.2 Xây dựng thí nghiệm 45 2.2.1 Nguyên tắc chế tạo thí nghiệm 45 2.2.2 Quy trình chế tạo thí nghiệm 46 2.3 Sử dụng thí nghiệm dạy học bài “đòn bẩy và ròng rọc” theo định hướng giáo dục STEM 54 2.3.1 Mục tiêu chủ đề .54 2.3.2 Kiến thức STEM chủ đề 54 2.3.3 Kế hoạch dạy học 55 2.3.4 Chuẩn bị điều kiện tổ chức dạy học 55 iv 2.4 Đánh giá lực GQVĐ học sinh trình dạy học .72 2.4.1 Các tiêu chí và phiếu để giáo viên đánh giá nhóm học sinh 72 2.4.2 Các tiêu chí và phiếu để học sinh tự đánh giá và đánh giá đồng đẳng 74 2.4.3 Đề kiểm tra lực giải vấn đề 75 KẾT LUẬN CHƯƠNG 77 Chương 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 78 3.1 Mục đích thực nghiệm sư phạm .78 3.2 Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm 78 3.3 Kế hoạch thực nghiệm sư phạm .79 3.4 Tiến hành thực nghiệm sư phạm 79 3.4.1 Công tác chuẩn bị 79 4.4.2 Tổ chức dạy học bài “Đòn bẩy” 79 4.4.3 Tổ chức dạy học bài “Ròng rọc” 81 3.5 Đánh giá kết thực nghiệm sư phạm 82 3.5.1 Đánh giá định tính 82 3.5.2 Đánh giá định lượng 83 3.5.3 Đánh giá chung thực nghiệm sư phạm .88 KẾT LUẬN CHƯƠNG 89 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 PHỤ LỤC v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt GQVĐ GV HĐ HS THCS vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Bảng mô tả biểu hiệu lực giải vấn đề 32 Bảng 2.1 Bảng kế hoạch dạy học chủ đề “đòn bẩy và ròng rọc” theo định hướng GD STEM 55 Bảng 2.2 Các tiêu chí và mức độ đánh giá lực giải vấn đề 73 Bảng 2.3 Các tiêu chí và mức độ đánh giá lực giải vấn đề 74 Bảng 3.1 Bảng điểm đánh giá nhóm học sinh giáo viên 83 Bảng 3.2 Bảng điểm tổng hợp đánh giá lực GQVĐ học sinh 84 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Quy trình thiết kế bài học STEM 13 Hình 1.2 Sơ đồ tiến trình tổ chức dạy học Vật lý theo định hướng GD STEM 16 Hình 1.3 Cấu trúc lực GQVĐ 33 Hình 1.4 Sơ đồ quy trình sử dụng TN tổ chức dạy học theo định hướng giáo dục STEM 36 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình chế tạo thí nghiệm 47 Hình 2.2 Phương án chế tạo thí nghiệm đòn bẩy 48 Hình 2.3 Lắp ráp thành đòn bẩy .49 Hình 2.4 Tiến hành thí nghiệm tác dụng đòn bẩy 50 Hình 2.5 Thí nghiệm tác dụng đòn bẩy làm thay đổi hướng lực .50 Hình 2.6 Thí nghiệm đòn bẩy lợi lực 50 Hình 2.7 Phương án chế tạo thí nghiệm ròng rọc tĩnh (a) và ròng rọc động (b) 51 Hình 2.8 Lắp ráp ròng rọc động và tĩnh 52 Hình 2.9 Thí nghiệm tác dụng ròng rọc .52 Hình 2.10 Thí nghiệm tác dụng ròng rọc tĩnh làm thay đổi hướng lực 53 Hình 2.11 Thí nghiệm tác dụng ròng rọc động lực kéo vật nhỏ trọng lượng vật 53 Hình 2.12 Một số hình ảnh sản phẩm cối giã gạo đơn giảm 67 Hình 2.13 Một số hình ảnh sản phẩm máy cần cẩu đơn giản 72 Hình 3.1 Tỉ lệ nam và nữ lớp TN 75 Hình 3.2 Trung bình điểm đánh giá lực giải vấn đề nhóm HS nam và nữ 76 Hình 3.3 Điểm trung bình bài kiểm tra và điểm trung bình phiếu đánh giá .76 Hình 3.4 Điểm trung bình học tập với điểm đánh giá lực GQVĐ .77 Hình 3.5 Điểm trung bình đánh giá lực GQVĐ nhóm 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau thực đề tài nghiên cứu hoàn thành nhiệm vụ sau: - Tổng hợp sở lí luận giáo dục STEM mục tiêu, vai trò và quy trình thiết kế chủ đề giáo dục STEM, khái niệm và biểu lực giải vấn đề HS - Điều tra đánh giá thực trạng dạy và học theo định hướng giáo dục STEM số GV và HS số trường THCS TP Thái Nguyên - Xác định tiêu chí, mức độ biểu lực giải vấn đề và công cụ đánh giá lực giải vấn đề HS - Thiết kế 02 chủ đề dạy học theo định hướng giáo dục STEM và tiến hành thực nghiệm sư phạm tại lớp 6A trường Phổ thông nội trú THCS Đồng Hỷ đồng thời xử lí kết thu Qua kết thực nghiệm sư phạm, chúng tơi nhận thấy tiến trình dạy học theo định hướng giáo dục STEM giúp hình thành phát triển lực giải vấn đề cho học sinh Khuyến nghị Qua đề thực nghiên cứu đề tài có số khuyến nghị sau: - Khuyến khích mở rộng đề tài nghiên cứu tương tự để thiết kế, tổ chức dạy học theo chủ đề STEM nhằm phát triển lực giải vấn đề HS - Cần thay đổi hình thức đánh giá nhằm phát triển lực giải vấn đề cho học sinh - Bộ GD&ĐT và Phòng GD&ĐT cần mở nhiều lớp tập huấn cho GV giáo dục STEM giúp GV có kinh nghiệm tổ chức hoạt động dạy học - Nhà trường tạo điều kiện cho GV thời gian, kinh phí để nghiên cứu chế tạo thí nghiệm và xây dựng tiến trình dạy học đạt kết cao 90 Với thời gian nghiên cứu có hạn và kinh nghiệm chưa nhiều nên luận văn này còn nhiều thiếu sót Chúng kính mong quý thầy cô, đồng nghiệp đóng góp ý kiến để luận văn này hoàn chỉnh và vận dụng vào dạy học trường THCS Xin chân thành cảm ơn! 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO I Tài liệu tiếng Việt: Nguyễn Hoàng Anh “Xây dựng sử dụng thí nghiệm tự tạo theo hướng tích cực hóa hoạt động nhận thức học sinh dạy học phần học vật lí lớp 12 nâng cao” Nguyễn Văn Biên, Tưởng Duy Hải (chủ biên), Giáo dục STEM nhà trường phổ thông, NXB Giáo dục Việt Nam Tơ Văn Bình (2002), Thí nghiệm Vật lí trường phổ thơng, Đại học Sư phạm Thái Ngun Tơ Văn Bình (2010), Phương tiện dạy học thí nghiệm vật lí trường phổ thông, Đại học Sư Phạm Thái Nguyên Bộ giáo dục và Đào tạo : Tài liệu tập huấn, “Xây dựng thực các chủ đề Giáo dục Stem trường trung học” Tài liệu lưu hành nội bộ, HN, tháng 2019 Bộ Giáo dục và Đào tạo (2014), Dạy học Kiểm tra, đánh giá kết học tập theo định hướng phát triển lực học sinh, NXB Giáo Dục, Hà Nội Bộ Giáo dục và Đào tạo (2015), Tài liệu hội thảo Chương trình giáo dục phổ thơng tổng thể Chương trình giáo dục phổ thông mới, Tài liệu lưu hành nội bộ, HN, tháng 3-2015 Bộ giáo dục và đào tạo, Sách giáo khoa vật lí Hà Mạnh Đạc, “Tổ chức hoạt động dạy học số kiến thức nguồn điện xoay chiều theo định hướng giáo dục STEM cho học sinh THPT” 10 Hoàng Phước Muội, Nguyễn Thanh Nga (2017), “Tổ chức dạy học số kiến thức chương động lực học chất điểm vật lý 10 theo định hướng GD STEM”, Kỷ yếu Hội thảo nghiên cứu khoa học GD STEM chương trình giáo dục phổ thông mới, NXB Đại học Sư Phạm, TP HCM 11 Nguyễn Thanh Nga (Chủ biên), Phùng Việt Hải, Nguyễn Quang Linh, Hoàng Phước Muội (2017), Thiết kế tổ chức chủ đề GD STEM cho 92 học sinh trung học sở trung học phổ thông, NXB Đại học Sư Phạm, TP HCM 12 Nguyễn Thanh Nga (Chủ biên), Phùng Việt Hải, Nguyễn Quang Linh, Hoàng Phước Muội (2018), Thiết kế tổ chức chủ đề STEM cho học sinh trung học sở trung học phổ thông, NXB Đại học Sư Phạm, TP HCM 13 Lê Xuân Quang (2017), Dạy học môn Công nghệ phổ thông theo định hướng GD STEM, Luận án nghiên cứu Tiễn sĩ Khoa học Giáo dục, Trường ĐHSP Hà Nội 14 Nguyễn Đức Thâm (chủ biên) - Nguyễn Ngọc Hưng - Phạm Xuân Quế (2002), Phương pháp dạy học vật lí trường phổ thông, NXB Đại học Sư Phạm 15 Phạm Hữu Tòng (1999), Hình thành vận dụng các phương pháp nhận thức khoa học dạy học Vật lí (Sách bồi dưỡng thường xuyên chu kỳ 19972000 cho giáo viên THPT), Bộ Giáo dục và Đào tạo, NXB Giáo dục 16 Lê Thanh Trúc (2017), Tổ chức dạy học số kiến thức chương sở nhiệt động lực học - vật lý 10 theo định hướng GD STEM, Luận văn tốt nghiệp đại học II Tài liệu tiếng Anh: 17 Brown J (2012), "The current status of STEM education research" 18 Sanders M (2009), "STEM, STEM Education, STEMmania", Technology Teacher, 68(4), pp 20-26 III Tài liệu webside: 19 Bộ Giáo dục và Đào tạo (2018), Tài liệu hội thảo định hướng GD STEM trường trung học, http://ptdtntdakrlap.daknong.edu.vn/tai-lieu-hoithao-dinh- huong-giao-duc-stem-trong-truong-trung-hoc.html, ngày 30/11/2018 20 http://dantri.com.vn/giao-duc-khuyen-hoc/tung-bung-ngay-hoi-congnghe-khoahoc-danh-cho-hoc-sinh-1432439880.htm 93 21 https://thuvienphapluat.vn/van-ban/dau-tu/Chi-thi-16-CT-TTg-tangcuong-nang-luc-tiep-can-cuoc-Cach-mang-cong-nghiep-lan-thu-4-2017348297.aspx 22 Journal of STEM Education: Innovations and Research, 13(5), pp 7-11 http://stttt.bacninh.gov.vn/documents/57420/75834/%C4%90%E1%BB%81 +%C3%A1n+gi%C3%A1o+d%E1%BB%A5c+STEM+v3/2e6352e0-59064b4c-b3c5-75389a21a43e 23 Trithuc.vn 94 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Phiếu vấn giáo viên PHIẾU PHỎNG VẤN GIÁO VIÊN THCS (Phiếu này phục vụ nghiên cứu khoa học, không có mục đích đánh giá giáo viên, mong thầy (cô) hợp tác và giúp đỡ) Họ và tên (có thể không ghi): ……………………………………… Đơn vị công tác: …………………………………………………… Chuyên môn giảng dạy:…………………………………………… Xin thầy (cô) cho biết số ý kiến việc tổ chức dạy học theo định hướng giáo dục STEM Câu Thầy cô có tự tìm hiểu tập huấn giáo dục STEM không?   Có Không Câu Thầy (cô) có chế tạo thí nghiệm giảng dạy ?   Có Không Câu Theo thầy cô, có cần tổ chức hoạt động giáo dục STEM dạy học trường phổ thơng khơng?   Khơng cần Bình thường   Cần Rất cần Câu Thầy (cô) vận dụng dạy học theo định hướng giáo dục STEM chưa? Chưa sử dụng  Thỉnh thoảng    Thường xuyên Rất thường xuyên Câu Theo thầy (cô) việc vận dụng giáo dục STEM dạy học gặp khó khăn gì?(có thể chọn nhiều phương án)  Không đủ thời gian  Không đủ phương tiện  Học sinh không hứng thú học  Mất nhiều thời gian thiết kế hoạt động Trình độ học sinh chưa phù hợp  Các ý kiến khác: ………………………………………………………………………………… Xin chân thành cảm ơn thầy (cô )! PL1 Phụ lục 2: Phiếu vấn học sinh PHIẾU PHỎNG VẤN HỌC SINH (Phiếu này phục vụ nghiên cứu khoa học, không có mục đích đánh giá học sinh, mong em cộng tác và trả lời trung thực) Họ và tên (có thể không ghi): ……………………………… …… Lớp:…………Trường:…………… …………………………… … Câu Các thầy (cô) sử dụng thí nghiệm/ứng dụng kĩ thuật dạy học mức độ nào? Không sử dụng   Hiếm   Rất thường xuyên Thường xuyên Câu Em có thích học có sử dụng thí nghiệm/ứng dụng kĩ thuật khơng? Khơng  Bình thường    Thích Rất thích Câu Em có thích học lý thuyết gắn liền với việc trải nghiệm khơng? Khơng  Bình thường    Thích Rất thích Câu Em có muốn áp dụng lý thuyết học để chế tạo sản phẩm gắn với thực tiến không? Không Muốn Câu Em có nguyện vọng học môn vật lí?  Cứ giữ Tăng việc sử dụng thí nghiệm/ứng dụng kĩ thuật Tăng việc sử dụng thí nghiệm/ứng dụng kĩ thuật /trải nghiệm   Các ý kiến khác: …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… Xin chân thành cảm ơn em! PL2 Phụ lục 3: Tiêu chi và bang điểm quan sát giáo viên PL3 Phụ lục 4: Tiêu chi và phiếu tự đánh giá và đánh giá đồng đẳng PL4 Phụ lục 5: Một sớ hình anh chế tạo cới giã gạo đơn gian PL5 Phụ lục 6: Mợt sớ hình anh chế tạo cần cẩu đơn gian PL6 Phụ lục 7: Một số hình anh thực nghiệm PL7 ... đề tài ? ?Thiết kế chế tạo thí nghiệm đơn giản để sử dụng dạy học Khoa học tự nhiên lớp theo định hướng giáo dục STEM” Mục đich nghiên cứu Thiết kế, chế tạo số thí nghiệm đơn giản vận dụng dạy... HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM –––––––––––––––––––––– NGUYỄN ANH TUẤN THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC THÍ NGHIỆM ĐƠN GIẢN ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LỚP THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO... ngun tắc sử dụng thí nghiệm dạy học theo định hướng GD STEM a Vai trò sử dụng thí nghiệm dạy học theo định hướng GD STEM - Đảm bảo giáo dục toàn diện: Thí nghiệm giáo dục STEM giúp học sinh phát