Thiết kế và sử dụng chủ đề định hướng giáo dục stem trong phần cơ học vật lý lớp 10 trung học phổ thông

Trang BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH LÊ XUÂN TRÍ THIẾT KẾ VÀ SỬ DỤNG CHỦ ĐỀ ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM TRONG PHẦN CƠ HỌC VẬT LÝ LỚP 10 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG NGHỆ AN 2019 Trang BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH LÊ XUÂN TRÍ THIẾT KẾ VÀ SỬ DỤNG CHỦ ĐỀ ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM TRONG PHẦN CƠ HỌC VẬT LÝ LỚP 10 TRUNG HỌC PHỔ THƠNG Chun ngành: Lý luận PPDH mơn Vật lí Mã số: : 14 01 11 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THỊ NHỊ Nghệ An – 2019 Trang LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Thiết kế sử dụng chủ đề định hướng giáo dục STEM phần học vật lí lớp 10 Trung học phổ thơng” cơng trình riêng tơi Các số liệu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu Tất tham khảo kế thừa trích dẫn tham chiếu đầy đủ Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan Học viên Lê Xuân Trí Trang LỜI CẢM ƠN Từ ngày đầu thực luận văn đến hoàn thành luận văn thạc sĩ này, q trình cố gắng học tập làm việc nghiêm túc, sửa chữa thiếu sót trưởng thành lên ngày thân em Tuy nhiên, khơng thể có sản phẩm hồn chỉnh ngày hơm thiếu giúp đỡ, hỗ trợ, động viên tận tình q thầy cơ, bạn bè gia đình Xin chân thành biết ơn đến PGS.TS Nguyễn Thị Nhị người hết lòng giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành luận văn Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến tồn thể q thầy Khoa Vật lý trường Đại học Vinh tận tình truyền đạt kiến thức quý báu, tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình học tập, nghiên cứu thực đề tài luận văn Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Ban giám hiệu trường trung học phổ thông Giá Rai, hỗ trợ tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt thời gian công tác thực luận văn Cuối cùng, em xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè sát cánh, giúp đỡ, động viên em suốt q trình học tập hồn thành luận văn tốt nghiệp Bạc Liêu, ngày 12 tháng 01 năm 2019 Học viên Lê Xuân Trí Trang MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ MỞ ĐẦU 11 Lý chọn đề tài 11 Mục tiêu nghiên cứu 12 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 12 Giả thuyết khoa học 12 Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu 12 Đóng góp đề tài 13 Cấu trúc luận văn 13 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ GIÁO DỤC STEM TRONG TRƯỜNG PHỔ THÔNG 14 1.1 Cơ sở tâm lý học lứa tuổi học sinh trung học phổ thông giáo dục STEM 14 1.1.1 Đặc điểm tâm lý lứa tuổi học sinh trung học phổ thông 14 1.1.2 Đặc điểm nhận thức lứa tuổi học sinh trung học phổ thông 15 1.2 Hoạt động dạy học cho học sinh trung học phổ thông 16 1.2.1 Bản chất trình dạy học Vật lý … 16 1.2.2 Mục tiêu dạy học Vật lý trường phổ thông 17 1.2.3 Đặc trưng trình dạy học thời đại Cách mạng công nghiệp 4.0 ………………… 1.3 Cơ sở lý thuyết giáo dục STEM 18 18 1.3.1 Khái niệm giáo dục STEM 18 1.3.2 Mục tiêu giáo dục STEM 19 Trang 1.3.3 Tiêu chí xây dựng chủ đề giáo dục STEM 19 1.4 Dạy học dự án chủ để STEM phát huy tính tích cực phát triển lực sáng tạo 19 1.4.1 Khái niệm dạy học dự án 19 1.4.2 Đặc trưng dạy học dự án 20 1.4.3 Tầm quan trọng dạy học dự án học sinh 20 1.4.4 Tiến trình dạy học dự án chủ đề STEM phát triển lực sáng tạo phát huy tính tích cực học sinh … 21 1.5 Phát triển lực sáng tạo học sinh dạy học chủ đề STEM 24 1.5.1 Khái niệm lực sáng tạo … 24 1.5.2 Biểu lực sáng tạo học sinh dạy học chủ đề STEM 24 1.5.3 Biện pháp phát triển lực sáng tạo học sinh dạy học chủ đề STEM 25 1.6 Phát huy tính tích cực học sinh dạy học theo định hướng giáo dục STEM 1.6.1 Định nghĩa tính tích cực 25 25 1.6.2 Biểu tính tích cực học sinh dạy học theo định hướng giáo dục STEM 25 1.6.3 Biện pháp phát huy tính tích cực học sinh dạy học theo định hướng giáo dục STEM 26 KẾT LUẬN CHƯƠNG 27 CHƯƠNG TỔ CHỨC DẠY HỌC MỘT SỐ CHỦ ĐỀ STEM CỦA NỘI DUNG KIẾN THỨC PHẦN CƠ HỌC VẬT LÝ LỚP 10 TRUNG HỌC PHỔ THƠNG 28 2.1 Phân tích nội dung kiến thức phần học vật lý lớp 10 trung học phổ thông theo định hướng giáo dục STEM 28 2.1.1 Chuẩn kiến thức, kỹ chương trình 28 2.1.2 Nội dung kiến thức phần học vật lý lớp 10 trung học phổ thông 29 2.2 Thiết kế chủ đề giáo dục STEM nội dung kiến thức phần học vật lý lớp 10 Trung học phổ thơng 36 2.2.1.Chủ đề "Bập bênh mơ hình bập bênh” 37 2.2.2 Chủ đề “Lực đàn hồi lò xo” 40 2.2.3 Chủ đề “Xe bong bóng sáng tạo” 2.3 Tổ chức dạy học chủ đề giáo dục STEM 2.3.1 Tổ chức dạy học chủ đề: “Lực đàn hồi lò xo” 2.3.2 Tổ chức dạy học chủ đề: “Xe bong bóng sáng tạo” 42 44 44 49 Trang 2.3.3 Tổ chức dạy học chủ đề: “Bập bênh mơ hình bập bênh” 52 2.4 Công cụ đánh giá chủ đề giáo dục STEM theo định hướng phát huy tính tích cực phát triển lực sáng tạo 55 2.4.1 Nguyên tắc đánh giá yêu cầu đánh giá kết học tập 2.4.2 Tiêu chí đánh giá lực sáng tạo học sinh dạy học theo định hướng STEM 55 57 2.4.3 Sự bộc lộ tính tích cực 59 2.4.4 Biểu S, E, T, M chủ đề 60 2.4.5 Xây dựng cơng cụ đánh giá hồn chỉnh cho chủ đề 61 KẾT LUẬN CHƯƠNG CHƯƠNG THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 65 66 3.1 Mục đích thực nghiệm sư phạm 66 3.2 Đối tượng thực nghiệm sư phạm 66 3.3 Phương pháp thực nghiệm sư phạm 66 3.4 Những thuận lợi khó khăn gặp phải tiến hành thực nghiệm sư phạm 66 3.4.1 Thuận lợi 66 3.4.2 Khó khăn 66 3.5 Kế hoạch thực nghiệm sư phạm 67 3.6 Phân tích diễn biến thực nghiệm sư phạm 67 3.7 Đánh giá kết thực nghiệm sư phạm mục tiêu giáo dục STEM KẾT LUẬN CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82 90 91 1.Kết luận 91 Kiến nghị 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 PHỤ LỤC 94 Trang DANH MỤC CÁC BẢNG TT Số bảng Tên bảng Trang 1.1 Hoạt động giáo viên học sinh tiến trình dạy học theo dự án 21 2.1 Chuẩn kiến thức kĩ phần học Vật lý lớp 10 trung học phổ thơng 28 2.2 Các chủ đề STEM thực 36 2.3 Các kiến thức STEM thể chủ đề 37 2.4 Mô tả nhiệm vụ học tập hình thành chủ đề “Bập bênh Mơ hình bập bênh” 38 2.5 Các kiến thức STEM thể chủ đề 40 2.6 Mô tả nhiệm vụ học tập hình thành chủ đề “Xác định độ cứng lò xo” 41 2.7 Các kiến thức STEM thể chủ đề 43 2.8 Mô tả nhiệm vụ học tập hình thành chủ đề “Xe bong bóng sáng tạo” 44 2.9 Bảng mơ tả tiêu chí mức độ đánh giá lực sáng tạo 57 2.10 Bảng mơ tả tiêu chí mức độ đánh giá tính tích cực 59 2.11 Bảng mơ tả mức độ biểu STEM 60 2.12 2.13 2.14 3.1 Bảng đánh giá chung Phiếu lấy ý kiến Phiếu tiêu chí đánh giá chủ đề “Bập bênh mơ hình bập bênh Bảng mơ tả biểu lực sáng tạo 62 64 81 82 3.2 Bảng mơ tả biểu tính tích cực 84 3.3 Bảng phân bố điểm số học sinh lớp 10C2 86 Trang DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Sơ đồ mô tả đặc trưng dạy học dự án 20 1.2 Các giai đoạn dạy học theo dự án 21 1.3 Sơ đồ mơ tả tiến trình dạy học dự chủ đề STEM 23 2.1.1 Mô tả nội dung kiến thức Tổng hợp lực 30 2.1.2 Mô tả nội dung kiến thức Định luật III Niutơn 31 2.1.3 Mô tả nội dung kiến thức Lực hấp dẫn làm hành tinh quay quanh mặt trời 32 2.1.4 Mô tả nội dung kiến thức Định luật Húc 32 Mô tả nội dung kiến thức Lực hướng tâm chuyển động li Tâm Mô tả nội dung kiến thức Cân vật có mặt chân 2.1.6 đế 2.1.7 Mô tả nội dung kiến thức Momen lực Mô tả nội dung kiến thức Hợp lực hai lực song song 2.1.8 chiều 2.1.9 Mô tả nội dung kiến thức Định luật bảo tồn động lượng 2.1.10 Mơ tả nội dung kiến thức Lực hướng tâm 2.1.11 Mô tả nội dung kiến thức Cân vật có mặt chân đế 2.1.5 2.1.12 2.2.1 2.2.2 2.2.3 3.2.4 Mô tả nội dung kiến thức Định luật bảo toàn động lượng Sơ đồ hình thành ý tưởng chủ đề STEM “Bập bênh mơ hình bập bênh” Sơ đồ hình thành ý tưởng chủ đề STEM “Lực đàn hồi lò xo” Sơ đồ hình thành ý tưởng chủ đề STEM “Xe bong bóng sáng tạo” Hình ảnh vật liệu sử dụng cho tiết học chủ đề “Lực đàn 33 33 34 34 35 36 36 36 38 41 43 51 2.2.5 Hình ảnh lị xo bị biến dạng 52 2.2.6 Hình ảnh lị xo dùng làm giảm xóc 52 2.2.7 Học sinh làm thí nghiệm 52 2.2.8 Kết làm thí nghiệm 53 2.2.9 Tiếp tục treo thêm vật vào lị xo 53 3.1 3.2 Dụng cụ thí nghiệm để tiến hành thí nghiệm xác định độ cứng lị xo Dụng cụ thí nghiệm giới thiệu lực đàn hồi lò xo 68 69 Trang 10 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 Các em học sinh thảo luận tiến hành làm thí nghiệm 70 Hình ảnh cho học sinh quan sát chuyển động phản lực 71 Hình ảnh vật liệu chế tạo xe bong bóng 71 Các em học sinh thảo luận đưa mơ hình 72 Các nhóm tiến hành thiết kế mơ hình xe bóng bóng giấy A0 73 Các nhóm tiến hành thiết kế mơ hình xe bóng bóng giấy A0 73 Các nhóm hồn thành sản phẩm (1) 74 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 Các nhóm hồn thành sản phẩm (2) Hoạt động đua xe bong bóng vịng Hoạt động đua xe bong bóng vịng Hoạt động đua xe bong bóng lượt vịng Hình ảnh cho học sinh quan sát bập bênh Thiết kế bập bênh nhóm Hình ảnh sản phẩm nhóm Hoạt động sáng tạo học sinh Các nhóm thiết kế sơ đồ nguyên lý hoạt động Hoạt động điều chỉnh lượng khí học sinh 74 76 78 78 79 80 81 83 83 84 3.20 Thiết kế thân xe lon nước uống Marinda giấy Carton 84 3.21 Thiết kế mơ hình chuyển động phản lực 86 3.22 Liên hệ kiến thức môn thể dục 86 3.23 Học sinh trao đổi thảo luận 86 3.24 Hoạt động báo cáo nhóm 87 3.25 Biểu đồ cột thể mức điểm học sinh đạt qua bảng tiêu chí đánh giá chung 88 3.26 3.27 3.28 Biểu đồ tròn thể phần trăm câu trả lời học sinh câu hỏi số Biểu đồ tròn thể phần trăm câu trả lời học sinh câu hỏi số Biểu đồ tròn thể phần trăm câu trả lời học sinh câu hỏi số 88 89 89 Trang 82 3.7 Đánh giá kết thực nghiệm sư phạm qua mục tiêu giáo dục STEM 3.7.1 Đánh giá định tính a) Đánh giá lực sáng tạo Theo dõi diễn biến thực nghiệm sư phạm, nhận thấy biểu học sinh phù hợp với tiêu chí đánh giá lực sáng tạo học sinh đưa mục 2.4.2 Chương Tiêu chí đánh giá Biểu cụ thể Tìm vấn đề mới, - Học sinh có sáng tạo việc thiết kế ống dẫn tình thực khí qua trọng tâm thân xe, ứng dụng vào điều tiễn đề xuất phương án kiện cân vật có mặt chân đế Hạ thấp trọng giải đúng, hệ thống tâm xe, để tăng mức vững vàng Tuy nhiên mang lại hiệu quả; có khuyết điểm riêng [tương ứng với biểu sáng tạo (a)] Hình 3.17 Hoạt động sáng tạo học sinh Thiết kế sơ đồ, vẽ Học sinh vẽ sơ đồ thiết kế sản phẩm, thể nguyên lý cấu tạo trình bày lại nội dung học có liên quan kết hoạt động, vận hành của việc hoạt động nhóm để thống phương án hệ thống mới; [tương ứng với Biểu sáng tạo (e) (g)] Hình 3.18 Các nhóm thiết kế sơ đồ nguyên lý hoạt động Tìm giải pháp, kháo sát, đo đạc mới, đảm bảo tính hiệu dễ thực hiện, đảm bảo tính xác; [tương ứng với biểu Qua lượt thi, em học có điều chỉnh lại sản phẩm nhóm để hồn thiện hơn, đạt kết tốt có thể, em có tính tốn lượng khí cần thiết để đưa vào bong bóng lượt thi thứ vòng thi thứ Trang 83 (b)] Hình 3.19 Hoạt động điều chỉnh lượng khí học sinh Tìm thiết bị, vật liệu thay cho thiết bị, Các em biết sử giấy Carton lon nước uống Mirinda để thay cho vỏ chai nhựa làm thân xe nhìn vật liệu cũ đảm thẩm mỉ hơn, giảm khối lượng xe khơng khí bảo tính hiệu cao đẩy xe nhanh xa Tiết kiệm; [tương ứng với biểu (b), (c), (d)] Đề xuất giải pháp thiết kế cho hệ thống kỹ thuật có, thay đổi số chi tiết thiết kế nhằm tăng hiệu cho hệ thống kỹ thuật; [tương ứng với biểu (d)] Tiến hành thực giải pháp thi công, chế tạo… mang lại lợi ích; [tương ứng với biểu (c) (d)] Vận dụng kiến thức học để giải vấn đề mới, tình thực tiễn liên quan đến ngành kỹ thuật;[tương ứng với biểu (d)] Kết hợp thao tác tư (so sánh, phân tích, đánh giá) phương pháp phán đốn, mơ hình giải quyết; [tương ứng với biểu (f)] Hình 3.20 Thiết kế thân xe lon nước uống Marinda giấy Carton Dựa vào mơ hình xe chuyển động phản lực ứng dụng sống làm xe đồ chơi cho em nhỏ khơng có tiền mua xe đồ chơi tiệm Trong trình học, em học sinh đưa ý tưởng, tiếp tục tổ chức chơi lớn hơn, cải tiến công nghệ hơn, tăng thêm độ hấp dẫn thi hơn, thi chế tạo tên lửa nước, tổ chức cho tất lớp trường tham gia Trong trình thiết kế xe em học sinh quan tâm đến ống nhựa xả khí, em sử dụng ống hút ống hút phải cứng thẳng để lượng khí để xe thẳng không đổi hướng, điều trục bánh xe phải nằm tâm bánh xe Trang 84 Lập nhiều phương án giải cho vấn đề thực tiễn mang lại kết tối ưu; [tương ứng với biểu (b) (c)] Trong trình thiết kế xe để xe hướng, nhanh em đưa phương án như: - Chiếc xe phải gọn nhẹ; - Các bánh xe phải nhau, trục bánh xe phải nằm tâm bánh xe; - Ống hút dùng xả khí phía sau phải đặt thẳng theo thân xe không bị lệch sang trái hay sang phải, ống cứng khó bị đè nén để khí Bảng 3.1 Bảng mơ tả biểu lực sáng tạo b) Đánh giá tính tích cực Theo dõi diễn biến thực nghiệm sư phạm, nhận thấy biểu học sinh phù hợp với tiêu chí đánh giá tính tích cực học sinh đưa mục 2.4.3 chương Tiêu chí Biểu cụ thể Thắc mắc, tìm hiểu kiến - Khi giáo viên nêu kế hoạch thiết kế đua xe chuyển thức mới, tình mới; động phản lực câu hỏi định hướng, [tương ứng với biểu (a)] hệ thống lại kiến thức, học sinh ý theo dõi - Khi yêu cầu tiến hành thí nghiệm, học sinh hào hứng lên thực - Học sinh hứng thú đặt câu hỏi, nhận xét, đóng góp ý kiến, có ý kiến phản biện,… Đề xuất vấn đề lập kế Khi giáo viên gợi ý thiết kế xe bong bóng sáng tạo, ý hoạch, tiến hành thực kế em học sinh đề xuất tổ chức thi, có nhiều hoạch, giải vấn đề kiến đưa cách thức tổ chức, đua xe chạy nhanh cụ thể có liên quan đến nội đích, xe chạy nhanh thẳng, đua xe đích cuối dung kiến thức học; [tương lớp thống hai đua đưa kế ứng với biểu hình (b)] hoạch thực chủ đề Tìm hiểu từ nhiều nguồn kiến Học sinh chịu khó tìm tịi kiến thức mạng thức khác: báo, tạp chí internet, báo chí vấn đề cần giải tìm internet, bạn bè, chuyên kiến thức liên quan tới chuyển động phản [tương ứng với biểu (c)] lực để thiết kế xe chuyển động tốt đáp ứng thi xe chạy xa xa thi xe đích Hợp tác, phối hợp với Các thành viên nhóm trao đổi, phối hợp với thành viên nhóm với để thực chủ đề hoàn thiện hơn, phối thành viên nhóm khác; hợp giúp đỡ dụng cụ hỗ trợ chế tạo xe [tương ứng với biểu (c), súng bắn keo, kéo, khoan, (d)] Trang 85 Chủ động trao đổi kiến thức, vướng mắc, khó khăn với GV ; [tương ứng với biểu (c)] Làm sơ đồ, mơ hình, nhằm bộc lộ cấu trúc học, giúp dễ nhớ vận dụng; [tương ứng với biểu (f)] Trong trình thiết kế có khó khăn khơng ngờ đến, em đến trao đổi, giải đáp hướng dẫn em nhận thấy đơn giản, ví dụ em cho xe chạy thử xe chuyển động có xu hướng lệch sang phải Có nhóm xe chạy chậm Các em học sinh vẽ mơ hình thể chuyển động phản lực nhờ lượng khí từ bong bóng phía sau Hình 3.21 Thiết kế mơ hình chuyển động phản lực Tìm tịi, bổ sung kiến thức từ Khi học sinh tìm hiểu chuyển động phản lực từ xe việc nghiên cứu lý thuyết bong bóng, em tìm hiểu thêm chuyển động tên từ học kinh nghiệm lửa nước, liên quan đến áp suất không khí nén rút từ thực tiễn; [tương ứng đẩy lượng nước phía sau để tên lửa chuyển động phía trước với biểu (f)] Mở rộng kiến thức sang - Học sinh vận dụng lực phản lực để nói nhiều lĩnh vực khác nhau, lực đàn hồi lò xo, lực ma sát nghỉ, Định luật III Niwtơn, Lực hấp dẫn liên hệ kiến thức học (mới) với kiến thức học (cũ) với kiến thức môn học khác; [tương ứng với biểu (f)] - Qua kiến thức phản lực mở rộng sang môn thể dục hướng dẫn học sinh xuất phát chạy 100 m, 200 m Hình 3.22 Liên hệ kiến thức mơn thể dục Tham gia đầy đủ buổi Mỗi nhóm sau hồn thành nhóm trưởng thống kê lại nhiệm vụ họp nhóm, thảo luận nhóm; [tương ứng với biểu (b)] công việc mà cá nhân hồn thành cho dự án, q nhận thấy hầu hết Tích cực thảo luận nhóm, trao đổi với bạn lớp, với chuyên gia; [tương ứng với biểu (c)(d)] em tham gia tích cực hoạt động Hình 3.23 Học sinh trao đổi, thảo luận Trang 86 Trong q trình nhóm báo cáo, học sinh trật tự chăm lắng nghe, sau góp ý nghiêm túc để nhóm bạn nhận sai sót Tơn trọng ý kiến người khác, biết tiếp thu cách có chọn lọc, hồn thiện thân;[tương ứng với biểu (c)(d)] Hình 3.24 Hoạt động báo cáo nhóm Học sinh hồn thành dự án thời hạn với góp sức tất thành viên nhóm Nghiêm túc thực theo kế hoạch vạch ra, tôn trọng tập thể, đoàn kết với thành viên; [tương ứng với biểu (c)(d)(e)] Tự chịu trách nhiệm với hành động thân; [tương ứng với biểu (e),(f)] Trong nhóm có phân công rõ ràng nhiệm vụ thành viên nhóm trưởng nhận xét hồn thành nhiệm vụ Bảng 3.2 Bảng mô tả biểu tính tích cực 3.7.2 Đánh giá định lượng Sau học xong 03 chủ đề, Tôi cho lớp thực đánh giá lực theo bảng 2.12 - Chương với kết sau : - Phổ điểm thể bảng phân bố sau: + Số lượng học sinh: 40 + Tổng số phiếu đánh giá thực hiện: 80 + Điểm tối đa phiếu Bảng 3.3 Bảng phân bố điểm số học sinh lớp 10C2 Điểm xi 3.67 Tần số fi Tần số tích lũy 1 5,0 5.83 6,0 6,3 6,42 6,92 7,17 7,25 7,5 13 1 13 26 27 28 31 35 38 40 Trang 87 ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN ĐIỂM SỐ CỦA HỌC SINH Điểm