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 lí 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 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 Thái Ngun, tháng năm 2020 Tác giả 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 các 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 quá trình nghiên cứu đề tài và viết luận văn - Ban giám hiệu trường phổ thông dân tộc nội trú THCS Đồng Hỷ cùng các thầy cô tổ môn Khoa học tự nhiên trường phổ thông dân tộc nội trú THCS Đồng Hỷ, các thầy (cô) công tác tại số trường THCS địa bàn Thành phố Thái Nguyên và các em học sinh nhiệt tình giúp đỡ và ủng hộ tơi quá 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 hồn thành ḷn văn tốt nghiệp Thái Nguyên, tháng 06 năm 2020 Tác giả 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 Khách thể và đối tượng nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Giả thuyết khoa học Phương pháp nghiên cứu Đóng góp đề tài 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 các điều kiện tổ chức dạy học 55 iv 2.4 Đánh giá lực GQVĐ học sinh quá 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 Nội dung GQVĐ Giải vấn đề GV Giáo viên HĐ Hoạt động HS Học sinh THCS Trung học sở 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 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 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 rịng rọc động và tĩnh 52 Hình 2.9 Thí nghiệm tác dụng rịng 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 nữ lớp TN 75 Hình 3.2 Trung bình điểm đánh giá lực giải vấn đề nhóm HS nam nữ 76 Hình 3.3 Điểm trung bình 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 viii GQVĐ trung bình là 6,3 thấp khá nhiều so với điểm kết học tập kiểm tra tiết học kì I là 7.2 (hình 3.4) Kết này cho thấy kiểm tra đánh giá học sinh quan tâm đến lực giải vấn đề học sinh mà tâm vào kiểm tra đánh giá kiến thức học thuộc áp dụng tính tốn thơng thường + So sánh kết đánh giá lực các nhóm lớp Điểm đánh giá lực trung bình các nhóm thể hình 3.5 Kết cho thấy điểm trung bình đánh giá lực GQVĐ các nhóm có sự khác Sự chênh lệch nhiều xảy nhóm và nhóm (chênh lệch 0,7 điểm), điều này cho thấy học sinh nhóm nhóm tập chung nhiều em có lực GQVĐ tốt hẳn nhóm Còn nhón 1, nhóm 2, nhóm chênh 0,1 điểm nên có sự đồng HS có lực GQVĐ Để phát triển đồng lực giải vấn các nhóm trình chia nhóm GV cần phân bố HS cho các nhóm có tỷ lệ nam, nữ tương đối đồng và số lượng HS giỏi, khá, trung bình, yếu tương đối đồng 87 3.5.3 Đánh giá chung thực nghiệm sư phạm Qua kết đánh giá định tính, định lượng nhận thấy dạy học theo định hướng giáo dục STEM đem lại hiệu cao giáo dục cấp THCS + HS tích cực tham gia học nhóm, chủ động tham gia vào hoạt động GV đưa Trong học HS sôi không căng thẳng vừa học vừa vui chơi + HS biết tìm vấn đề làm thí nghiệm thành cơng, biết vẽ sơ đồ tạo thành công sản phẩm mà GV yêu cầu Kết cho thấy tính đắn giả thuyết khoa học trình bày luận văn phù hợp với phát triển lực giải vấn đề HS 88 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương này thực nhiệm vụ sau - Tổ chức dạy học chủ đề “ đòn bẩy” và “ròng rọc” với thời lượng tiết học - Qua trao đổi với GV HS lớp thực nghiệm chúng tơi thấy: + Đa số HS tích cực, chủ động tham gia hạt động nhóm bộc lộ lực giải vấn đề học sinh Nếu áp dụng phương pháp dạy học hợp lí giúp hình thành phát triển lực giải vấn đề cho học sinh + Tiến trình dạy học hợp lí tạo hứng thú, lơi HS vào xây dựng thực nhiệm vụ GV đưa - Qua kết thực nghiệm sư phạm, lần nữa khẳng định: Việc thiết kế tổ chức dạy học có sử dụng thí nghiệm GV tự tạo theo định hướng GD STEM bồi dưỡng lực giải vấn đề cho HS 89 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau thực đề tài nghiên cứu hoàn thành các nhiệm vụ sau: - Tổng hợp sở lí ḷn giáo dục STEM mục tiêu, vai trị quy trình thiết kế chủ đề giáo dục STEM, khái niệm biểu lực giải vấn đề HS - Điều tra đánh giá thực trạng dạy học theo định hướng giáo dục STEM số GV HS số trường THCS TP Thái Nguyên - Xác định tiêu chí, mức độ biểu lực giải vấn đề công cụ đánh giá lực giải vấn đề HS - Thiết kế 02 chủ đề dạy học theo định hướng giáo dục STEM 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, 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 chúng tơi có số khuyến nghị sau: - Khuyến khích mở rộng các 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 xây dựng tiến trình dạy học đạt kết cao 90 Với thời gian nghiên cứu có hạn kinh nghiệm chưa nhiều nên luận văn này còn nhiều thiếu sót Chúng tơi kính mong q thầy cơ, đồng nghiệp đóng góp ý kiến để luận văn này hoàn chỉnh 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 thơng, 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 chủ đề Giáo dục Stem trường trung học” Tài liệu lưu hành nội bộ, HN, tháng 2019 Bộ Giáo dục 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 thơng 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-cong-nghekhoahoc-danh-cho-hoc-sinh-1432439880.htm 93 21.https://thuvienphapluat.vn/van-ban/dau-tu/Chi-thi-16-CT-TTg-tang-cuongnang-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 phục vụ nghiên cứu khoa học, mục đích đánh giá giáo viên, mong thầy (cơ) hợp tác và giúp đỡ) Họ 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 có tự tìm hiểu tập huấn giáo dục STEM khơng? Có  Khơng  Câu Thầy (cơ) có chế tạo thí nghiệm giảng dạy ? Có  Khơng  Câu Theo thầy cơ, 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 phục vụ nghiên cứu khoa học, khơng có mục đích đánh giá học sinh, mong em cộng tác trả lời trung thực) Họ tên (có thể khơng ghi): ……………………………… …… Lớp:…………Trường:…………… …………………………… … Câu Các thầy (cơ) sử dụng thí nghiệm/ứng dụng kĩ thuật dạy học mức độ nào? Không sử dụng  Hiếm  Rất thường xun  Thường xun  Câu Em có thích học có sử dụng thí nghiệm/ứng dụng kĩ tḥt 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  Bình thường  Muốn  Rất muốn  Câu Em có nguyện vọng các học mơn 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 các em! PL2 Phụ lục 3: Tiêu chí và bảng điểm quan sát giáo viên PL3 Phụ lục 4: Tiêu chí và phiếu tự đánh giá và đánh giá đồng đẳng PL4 Phụ lục 5: Mợt sớ hình ảnh chế tạo cối giã gạo đơn giản PL5 Phụ lục 6: Mợt sớ hình ảnh chế tạo cần cẩu đơn giản PL6 Phụ lục 7: Mợt sớ hình ảnh 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 đích nghiên cứu Thiết kế, chế tạo số thí nghiệm đơn giản vận dụng dạy... thí nghiệm đơn giản để sử dụng dạy học khoa học tự nhiên lớp theo định hướng giáo dục STEM” 40 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương ḷn văn này, chúng tơi trình bày: Các nghiên cứu và ngoài nước giáo. .. 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