Bài viết trình bày một số quan điểm khi xây dựng chủ đề STEM và cách thức vận dụng quy trình thiết kế kĩ thuật để xây dựng chủ đề STEM. Đồng thời, tác giả vận dụng các quan điểm đó để xây dựng chủ đề STEM “Thiết kế mô hình nhà chống lũ” theo định hướng phát triển năng lực học sinh. Mời các bạn tham khảo!
Trang 1thEo đỊnh hƯớng phát triỂn nĂng lỰC họC Sinh
Nguyễn Thị Thu Thủy 1
Tóm tắt: Việc đưa giáo dục STEM vào trường phổ thông mang lại nhiều ý nghĩa,
phù hợp với định hướng đổi mới giáo dục phổ thông Việt Nam hiện nay Tuy nhiên, phần lớn giáo viên phổ thông chưa được bồi dưỡng những năng lực cần thiết về giáo dục STEM Việc xây dựng chủ đề STEM là một nhiệm vụ khó khăn khi giáo viên tiếp cận dạy học STEM Bài viết trình bày một số quan điểm khi xây dựng chủ
đề STEM và cách thức vận dụng quy trình thiết kế kĩ thuật để xây dựng chủ đề STEM Đồng thời, tác giả vận dụng các quan điểm đó để xây dựng chủ đề STEM
“Thiết kế mô hình nhà chống lũ” theo định hướng phát triển năng lực học sinh.
Từ khóa: Giáo dục STEM, Quy trình thiết kế kĩ thuật, Xây dựng chủ đề STEM.
1 Mở đầu
STEM là viết tắt của 4 từ tiếng Anh: Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kĩ thuật) và Mathematics (Toán học) Giáo dục STEM là trang bị cho người học những kiến thức và kĩ năng cần thiết liên quan đến các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học Các kiến thức và kĩ năng này phải được tích hợp, lồng ghép và bổ trợ cho nhau, giúp học sinh không chỉ hiểu biết về nguyên lí
mà còn có thể thực hành và tạo ra được những sản phẩm trong cuộc sống hằng ngày
Ở Việt Nam, giáo dục STEM đang được nhiều nhà giáo dục quan tâm, nghiên cứu Trong Chỉ thị số 16/CT-TTg, ngày 04/5/2017 của Thủ tướng Chính phủ về việc tăng cường năng lực tiếp cận cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ 4 chỉ rõ nhiệm
vụ của Bộ giáo dục và Đào tạo: “…Thúc đẩy triển khai giáo dục về khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học (STEM) trong chương trình giáo dục phổ thông; tổ chức thí điểm tại một số trường phổ thông ngay từ năm học 2017 – 2018…” Việc đưa giáo dục STEM vào trường phổ thông mang lại nhiều ý nghĩa: đảm bảo giáo dục toàn diện, nâng cao hứng thú học tập các môn học STEM, hình thành và phát triển năng lực, phẩm chất cho học sinh, kết nối trường học với cộng đồng, hướng nghiệp, phân
1 Trường Đại học Phạm Văn Đồng.
Trang 2luồng Để giáo viên có thể vận dụng mô hình này, Bộ giáo dục và Đào tạo đã tổ chức các đợt tập huấn, bồi dưỡng về giáo dục STEM Tuy nhiên, các đợt tập huấn chưa được tổ chức đồng bộ, phần lớn giáo viên còn khá xa lạ với giáo dục STEM, nhiều giáo viên đã tham gia các đợt tập huấn nhưng vẫn gặp nhiều khó khăn trong việc vận dụng vào dạy học tại các trường học Trong đợt tập huấn của Bộ Giáo dục và Đào tạo vào tháng 3 năm 2019, chúng tôi đã khảo sát 140 giáo viên đang công tác ở 18 trường phổ thông thuộc các tỉnh Đăk Lăk, Lâm Đồng, Quảng Ngãi, Nghệ An, Nam Định về vấn đề: “Các thầy (cô) đánh giá như thế nào về sự cần thiết phải bồi dưỡng cách thức xây dựng chủ đề STEM” Kết quả câu trả lời của giáo viên theo 4 mức độ như sau: (1) Không cần thiết: 0 GV; (2) Ít cần thiết: 3 GV; (3) Cần thiết: 87 GV; (4) Rất cần thiết: 50 GV Kết quả khảo sát cho thấy cách thức xây dựng chủ đề STEM là một vấn đề mà đa số các giáo viên cho là cần thiết để giáo viên tiếp cận dạy học STEM Đối với các chủ đề STEM như: Thiết kế hệ thống báo động khi mở cửa, Thiết kế đèn ngủ tự động tắt, Thiết kế mô hình Nhà chống lũ…; học sinh thường phải thực hiện các nhiệm vụ học tập gần giống với quy trình thiết kế kĩ thuật của các kĩ sư Vì vậy, vận dụng quy trình thiết kế kĩ thuật để xây dựng các chủ đề STEM có thể giúp học sinh phát triển năng lực nghiên cứu thiết kế thiết bị kĩ thuật, năng lực giải quyết vấn đề và năng lực hợp tác; phù hợp với định hướng giáo dục phổ thông mới Bài viết trình bày quan điểm về việc vận dụng quy trình thiết kế kĩ thuật xây dựng chủ
đề STEM đồng thời minh họa một chủ đề gắn liền với vấn đề thực tiễn Biến đổi khí hậu: “Thiết kế mô hình nhà chống lũ”
2 Nội dung nghiên cứu
2.1 Quy trình thiết kế kĩ thuật
Hình 1 Sơ đồ quy trình thiết kế kĩ thuật
Trang 3Bước 1: Xác định vấn đề
Dự án kỹ thuật được bắt đầu bằng một câu hỏi về vấn đề mà người nghiên cứu quan sát được Ví dụ như: Vấn đề ở đây là gì, Điều gì là cần thiết, Tại sao cần phải giải quyết, Có cách nào tốt hơn không, Cải tiến nó như thế nào…
Bước 2: Nghiên cứu tổng quan
Việc nghiên cứu tổng quan sẽ thừa hưởng kinh nghiệm của người khác, tránh được các sai lầm khi nghiên cứu Có hai vấn đề chính cần tìm hiểu và nghiên cứu trong giai đoạn này là: ý kiến của người sử dụng (hay khách hàng) và các ưu, nhược điểm của các qui trình, giải pháp kĩ thuật hay thiết bị, sản phẩm đã có
Bước 3: Xác định yêu cầu
Đề xuất những yêu cầu, tiêu chí thiết kế cần phải đạt được Một trong những cách xây dựng đề xuất tiêu chí là dựa vào sự phân tích các qui trình, giải pháp hay các sản phẩm đang có Yêu cầu, tiêu chí cần được xác định và phát biểu rõ ràng
Bước 4: Đề xuất các giải pháp, lựa chọn và hoàn thiện giải pháp
Với yêu cầu và tiêu chí đã đặt ra, luôn luôn có nhiều giải pháp tốt để giải quyết Trên cơ sở các giải pháp đã đề xuất, cần xem xét và đánh giá một cách toàn diện về mức độ phù hợp với yêu cầu, tiêu chí đã đặt ra cho sản phẩm Từ đó, lựa chọn giải pháp tốt nhất Mặc dù đã được chọn, giải pháp thực hiện cũng cần xem xét lại để cải tiến, hoàn thiện
Bước 5: Xây dựng mẫu
Mẫu sản phẩm được xem như là phiên bản “hoạt động” dựa trên giải pháp Thường thì nó được chế tạo bởi các vật liệu không giống với sản phẩm cuối cùng,
và lẽ đương nhiên, chưa cần quan tâm tới tính mỹ thuật của sản phẩm Mẫu này sẽ được xem xét, đánh giá, kiểm tra có đáp ứng các yêu cầu, tiêu chí đã đặt ra cho sản phẩm hay chưa
Bước 6: Thử nghiệm và hoàn thiện thiết kế
Quá trình thử nghiệm và hoàn thiện thiết kế nhằm hướng tới việc có một sản phẩm tốt nhất Một trong số đó là: Đánh giá giải pháp – tìm kiếm lỗi và thay đổi – Đánh giá giải pháp mới – tìm kiếm lỗi mới và thay đổi…., trước khi kết luận về bản thiết kế cuối cùng
Bước 7: Báo cáo kết quả
Việc báo cáo kết quả nhằm đánh giá, thảo luận, chia sẻ để tiếp tục điều chỉnh, hoàn thiện thiết kế
Trang 42.2 Quan điểm về việc xây dựng chủ đề STEM
Chủ đề STEM trong trường trung học (gọi tắt là chủ đề STEM) là chủ đề dạy học được thiết kế dựa trên vấn đề thực tiễn kết hợp với chuẩn kiến thức, kỹ năng của các môn khoa học trong chương trình phổ thông Trong quá trình dạy học, giáo viên
tổ chức cho học sinh làm việc nhóm, sử dụng công nghệ truyền thống và hiện đại, công cụ toán học để tạo ra sản phẩm có tính ứng dụng thực tế, phát triển kỹ năng và
tư duy của học sinh [4]
Việc vận dụng quy trình thiết kế kĩ thuật để xây dựng chủ đề STEM phải thỏa mãn 6 tiêu chí như sau:
- Chủ đề STEM tập trung vào các vấn đề thực tiễn;
- Cấu trúc chủ đề STEM theo quy trình thiết kế kĩ thuật;
- Phương pháp dạy học chủ đề STEM đưa học sinh vào hoạt động tìm tòi khám phá, định hướng hành động, trải nghiệm và sản phẩm;
- Hình thức tổ chức chủ đề STEM lôi cuốn học sinh vào hoạt động nhóm kiến tạo;
- Nội dung chủ đề STEM áp dụng chủ yếu từ nội dung khoa học và toán mà học sinh đã và đang học;
- Tiến trình dạy học chủ đề STEM tính đến có nhiều đáp án đúng và coi sự thất bại như một phần cần thiết trong học tập [1]
Việc xây dựng chủ đề STEM thường tuân theo các bước của quy trình xây dựng chủ đề STEM như sau:
Lựa chọn chủ
Xác định các kiến thức cần thiết để giải quyết vấn đề
Xây dựng tiêu chí của thiết bị
Xây dựng mục tiêu của chủ đề
Thiết kế tiến trình
tổ chức hoạt động dạy học của chủ đề
2.3 Vận dụng quy trình thiết kế kĩ thuật để xây dựng chủ đề STEM: “Thiết kế
mô hình nhà chống lũ”
Bước 1: Lựa chọn chủ đề STEM
Một trong các vấn đề mà cả thế giới quan tâm hiện nay là Biến đổi khí hậu Ở Việt Nam, biến đổi khí hậu làm cho tình hình lũ lụt diễn biến ngày càng phức tạp Người dân vùng lũ cần phải có những biện pháp thích nghi và ứng phó với tình hình này Một trong số các giải pháp là xây nhà chống lũ
Bước 2: Xác định vấn đề cần giải quyết
Vấn đề: Làm thế nào có thể thiết kế được mô hình nhà chống lũ?
Trang 5Bước 3: Xác định các kiến thức cần thiết để giải quyết vấn đề
Để thiết kế được mô hình nhà chống lũ, học sinh cần phải nghiên cứu các kiến thức sau: định luật Acsimet, điều kiện nổi và điều kiện cân bằng của vật rắn, nghiên cứu về các mô hình nhà chống lũ trên thực tế
Bước 4: Xây dựng tiêu chí của thiết bị
Từ việc nghiên cứu kiến thức nền, nghiên cứu các mô hình nhà chống lũ trên thực tế, giáo viên và học sinh thống nhất các tiêu chí đánh giá bản thiết kế và tiêu chí đánh giá sản phẩm mô hình nhà chống lũ
Bước 5: Xây dựng mục tiêu của chủ đề
Sau khi hoàn thành chủ đề, học sinh có khả năng:
a Kiến thức:
- Trình bày được các kiến thức về định luật Acsimet, điều kiện vật nổi, điều kiện cân bằng của vật rắn
- Vận dụng được các kiến thức về định luật Acsimet, điều kiện vật nổi, điều kiện cân bằng của vật rắn để thiết kế mô hình nhà chống lũ
b Kĩ năng:
- Tra cứu được thông tin cần thiết nhờ việc sử dụng công nghệ thông tin
- Tính toán, thiết kế, vẽ được sơ đồ mô hình nhà chống lũ
c Phát triển phẩm chất:
- Có tinh thần trách nhiệm, hòa đồng, giúp đỡ nhau trong nhóm, lớp
- Yêu thích môn học, thích khám phá, tìm tòi và vận dụng các kiến thức học được vào giải quyết các vấn đề thực tiễn cuộc sống
- Có ý thức tuân thủ các tiêu chuẩn kĩ thuật, tiết kiệm, bảo vệ môi trường
d Định hướng phát triển năng lực:
- Năng lực nghiên cứu thiết kế thiết bị kĩ thuật và năng lực thực nghiệm
- Năng lực giải quyết vấn đề
- Năng lực giao tiếp và hợp tác nhóm
Bước 6: Thiết kế tiến trình tổ chức hoạt động dạy học của chủ đề
Chủ đề: “Thiết kế mô hình nhà chống lũ” gồm 7 hoạt động như sau:
Hoạt động 1 XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU (Tiết 1)
Trang 6A Mục đích: HS hình thành đượckiến thức ban đầu về định luật Acsimet và
điều kiện cân bằng của vật rắn
B Nội dung và cách thức tổ chức hoạt động:
* Đặt vấn đề: GV cho HS xem đoạn video về tình hình lũ lụt do Biến đổi khí hậu
gây ra và nêu vấn đề: “Người dân vùng lũ làm thế nào để thích nghi và ứng phó với tình
hình lũ lụt thường xuyên xảy ra?”
* HS làm thí nghiệm khám phá kiến thức
- GV tổ chức chia nhóm HS HS theo từng nhóm thống nhất vai trò, nhiệm vụ của các thành viên trong nhóm;
- GV nêu rõ những yêu cầu cho HS khi làm thí nghiệm khám phá;
- Mỗi nhóm sẽ nhận được một số vật liệu và dụng cụ gồm: 1 khay nhựa lớn,
1 can nước, 4 vỏ chai nhựa, 1 miếng gỗ, 1 miếng sắt và 1 miếng nhựa
- GV phát cho các nhóm HS “Phiếu hướng dẫn tự làm thí nghiệm” và bảng ghi kết quả thí nghiệm như sau
* GV nêu vấn đề: Với nguyên lí như trên, nếu thay thế các vật trên bằng những vật liệu phù hợp và lắp ráp chúng thành mô hình thì có thể tạo ra mô hình nhà chống
lũ như thế nào?
* GV triển khai các nhiệm vụ tiếp theo:
Hoạt động 1: Xác định vấn đề cần giải quyết Tiết 1 (Tại lớp)
Hoạt động 2: Nghiên cứu kiến thức nền 4 ngày (HS tự học ở nhà theo nhóm).
Hoạt động 4: Đề xuất các giải pháp, lựa chọn giải
pháp tối ưu và hoàn thiện giải pháp
10 ngày (HS tự làm ở nhà theo
nhóm).
Hoạt động 5: Chế tạo mẫu
Hoạt động 6: Thử nghiệm và hoàn thiện thiết kế
C Dự kiến sản phẩm hoạt động của học sinh:
Kết thúc hoạt động, HS cần đạt được các sản phẩm sau: Phiếu học tập hoạt động 1, kế hoạch thực hiện dự án với các mốc thời gian và nhiệm vụ rõ ràng
Trang 7Hoạt động 2 NGHIÊN CỨU KIẾN THỨC NỀN
A Mục đích: HS tự học được kiến thức nền liên quan thông qua việc nghiên
cứu tài liệu, làm các thí nghiệm để hiểu về định luật Acsimet, điều kiện vật nổi, điều kiện cân bằng của vật rắn, nghiên cứu mô hình nhà chống lũ trong thực tế, từ đó xác định được cơ sở khoa học của việc thiết kế mô hình nhà chống lũ
B Nội dung và cách thức tổ chức hoạt động:
- HS tự tìm hiểu các kiến thức nền liên quan từ sách giáo khoa, tài liệu tham khảo, tìm hiểu trên internet, hỏi ý kiến chuyên gia nhằm hoàn thành câu hỏi, bài tập được giao
– HS trao đổi và tìm sự hỗ trợ của GV các bộ môn liên quan
- GV hướng dẫn HS cách đọc tài liệu, đọc sách giáo khoa, tìm kiếm thêm tài liệu
từ các nguồn thông tin khác nhau Kết nối HS với những GV bộ môn khác để hỗ trợ
HS khi cần thiết
C Dự kiến sản phẩm hoạt động của học sinh:
Kết thúc hoạt động, HS cần đạt được sản phẩm: Phiếu học tập số hoạt động 2
Hoạt động 3 XÁC ĐỊNH YÊU CẦU (Tiết 2)
A Mục đích: HS thảo luận về việc vận dụng các kiến thức về định luật Acsimet,
điều kiện vật nổi, điều kiện cân bằng của vật rắn để thiết kế mô hình nhà chống lũ và xác định các tiêu chí cần đạt được khi thiết kế mô hình nhà chống lũ
B Nội dung và cách thức tổ chức hoạt động:
- HS báo cáo kiến thức nền đã tìm hiểu
- GV tổng kết kiến thức và yêu cầu HS ghi chép vào vở
- GV yêu cầu các nhóm thảo luận về việc vận dụng các kiến thức trên để thiết
kế mô hình nhà chống lũ, nêu những tiêu chí cần đạt được khi thiết kế mô hình nhà chống lũ
- GV thống nhất các tiêu chí:
Phiếu đánh giá số 1 (Bản thiết kế)
1 Bản thiết kế mô hình nhà chống lũ đúng nguyên lí, mô hình
Trang 8TT Tiêu chí Điểm tối đa Điểm đạt được
2 Giải thích rõ nguyên lí hoạt động của sản phẩm 3
3 Nêu rõ được vai trò, đặc điểm các bộ phận của mô hình
nhà chống lũ (phần móng, phần thân, phần mái). 2
Phiếu đánh giá số 2 (Sản phẩm)
1 Mô hình nhà chống lũ đạt yêu cầu nổi và nằm cân bằng trên mặt nước. 4
4 Đề xuất hướng phát triển của sản phẩm 2
C Dự kiến sản phẩm hoạt động của học sinh:
Kết thúc hoạt động, HS cần đạt được các sản phẩm sau: Bản ghi chép những kiến thức nền, Tiêu chí đánh giá bản thiết kế và sản phẩm
Hoạt động 4 ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP, LỰA CHỌN GIẢI PHÁP TỐI ƯU
VÀ HOÀN THIỆN GIẢI PHÁP
A Mục đích: HS đề xuất các ý tưởng khác nhau về giải pháp thiết kế mô hình
nhà chống lũ, lựa chọn giải pháp phù hợp nhất với các tiêu chí đã thống nhất ở hoạt động 3, từ đó hoàn thiện giải pháp và vẽ bản thiết kế, sơ đồ mô hình sản phẩm
B Nội dung và cách thức tổ chức hoạt động:
- HS tự tìm hiểu các kiến thức liên quan từ sách giáo khoa, tài liệu tham khảo, tìm hiểu trên internet, hỏi ý kiến chuyên gia nhằm đưa ra ý tưởng thiết kế mô hình nhà chống lũ
- Các nhóm tổ chức thảo luận để lựa chọn giải pháp phù hợp nhất, hoàn thiện giải pháp
- GV hướng dẫn HS cách thảo luận để lựa chọn và hoàn thiện giải pháp Kết nối
HS với những GV bộ môn khác để hỗ trợ HS khi cần thiết
Trang 9- HS vẽ bản thiết kế và sơ đồ mô hình sản phẩm sau khi hoàn thiện giải pháp.
- GV nhận xét và góp ý bản thiết kế và sơ đồ mô hình sản phẩm của các nhóm
- HS xác định các nguyên vật liệu cần thiết và hoàn thành phiếu học tập:
PHIẾU HỌC TẬP HOẠT ĐỘNG 4
Tên nhóm:………
Tên nguyên
vật liệu
Bản vẽ thiết kế
Sơ đồ mô hình sản phẩm
C Dự kiến sản phẩm hoạt động của học sinh:
Kết thúc hoạt động, HS cần đạt được sản phẩm: phiếu học tập hoạt động 4
Hoạt động 5 CHẾ TẠO MẪU
A Mục đích: HS chế tạo được mô hình nhà chống lũ căn cứ trên bản vẽ thiết
kế và sơ đồ mô hình sản phẩm và đảm bảo các tiêu chí thống nhất ở hoạt động 3
B Nội dung và cách thức tổ chức hoạt động:
- HS tìm kiếm, chuẩn bị các vật liệu dự kiến;
- HS lắp đặt các thành phần của hệ thống theo bản thiết kế bằng vật liệu đã có;
Trong quá trình chế tạo sản phẩm, GV đôn đốc, hỗ trợ, ghi nhận hoạt động của các nhóm HS
C Dự kiến sản phẩm hoạt động của học sinh:
Kết thúc hoạt động, HS cần đạt được sản phẩm sau: Mô hình nhà chống lũ
Hoạt động 6 THỬ NGHIỆM VÀ HOÀN THIỆN THIẾT KẾ
A Mục đích: HS thử nghiệm mô hình đã chế tạo, đánh giá mức độ đạt được các
tiêu chí của sản phẩm đồng thời điều chỉnh và hoàn thiện thiết kế
B Nội dung và cách thức tổ chức hoạt động:
Trang 10- HS thử nghiệm mô hình, so sánh với các tiêu chí đánh giá sản phẩm;
- HS điều chỉnh lại vật liệu và thiết kế, ghi lại nội dung điều chỉnh và giải thích
lí do;
- HS hoàn thiện bảng ghi danh mục các vật liệu và tính giá thành sản phẩm;
- HS đóng gói và sắp xếp sản phẩm, sẵn sàng cho phần triển lãm sản phẩm; xây
dựng bản báo cáo và tập trình bày, giới thiệu sản phẩm
GV đôn đốc, hỗ trợ, ghi nhận hoạt động của các nhóm HS
C Dự kiến sản phẩm hoạt động của học sinh:
Kết thúc hoạt động, HS cần đạt được các sản phẩm sau: Mô hình nhà chống lũ
và Bản thiết kế đã điều chỉnh
Hoạt động 7 TRÌNH BÀY SẢN PHẨM VÀ THẢO LUẬN (Tiết 3)
A Mục đích: HS giới thiệu và vận hành được mô hình nhà chống lũ để chứng
minh sự phù hợp của sản phẩm với điều kiện thực tế cũng như đáp ứng được các tiêu chí đánh giá sản phẩm đã đặt ra (Phiếu đánh giá số 2) HS thực hành được kỹ năng thuyết trình và phản biện kiến thức liên quan; rèn luyện được thói quen giữ gìn vệ sinh, an toàn trong lắp đặt và thu hồi sản phẩm; hình thành ý thức về cải tiến, phát triển sản phẩm
B Nội dung và cách thức tổ chức hoạt động:
- Các nhóm HS lắp đặt sản phẩm trên bể chứa nước (thực hiện trước khi vào tiết học);
- Các nhóm lần lượt báo cáo, trình diễn hoạt động của mô hình:
+ Nhóm trình bày về cách thức hoạt động của sản phẩm; những điều chỉnh trong quá trình chế tạo sản phẩm và giải thích lí do; giải thích cách tính giá thành sản phẩm;
+ Đồng thời, GV và HS cùng kiểm tra tiêu chuẩn kĩ thuật: độ dao động, độ cân bằng khi có lực tác động, quá trình nổi của mô hình khi mực nước dâng cao
- GV đặt câu hỏi, nhận xét và công bố kết quả chấm sản phẩm theo tiêu chí của phiếu đánh giá số 2;
- GV gợi mở về việc tìm hiểu kiến thức và mở rộng, nâng cấp sản phẩm cho HS
C Dự kiến sản phẩm hoạt động của học sinh:
Kết thúc hoạt động, HS cần đạt được sản phẩm sau: Mô hình nhà chống lũ vận hành được trong bể nước theo đúng tiêu chí đánh giá