1.4.1. Thiết kế chủ đề
Dựa trên mục tiêu giáo dục STEM và các tiêu chí của một chủ đề STEM, quy trình thiết kế chủ đề giáo dục STEM được thực hiện như sơ đồ 1.4 (trích Nguyễn Thanh Nga và các cộng sự, 2017).
Sơ đồ 1.4. Quy trình thiết kế chủ đề giáo dục STEM
(1) Vấn đề thực tiễn: được hiểu là các tình huống xảy ra có vấn đề đối với HS, có tính chất kỹ thuật. Nó có thể là các ứng dụng trong cuộc sống hằng ngày, con người cần giải quyết một công việc nào đó, thôi thúc HS tìm hiểu và thực hiện để đáp ứng nhu cầu. Nó cũng có thể là yêu cầu của định hướng nghề nghiệp, đòi hỏi HS giải quyết nhằm trải nghiệm một số nhiệm vụ của nghề nghiệp nào đó trong thực tế.
(2) Ý tưởng chủ đề STEM: là bài toán mở được hình thành có tính chất kỹ thuật nhằm giải quyết vấn đề thực tiễn mà HS gặp phải.
(3) Xác định kiến thức STEM cần giải quyết: là các kiến thức trong chủ đề có liên quan đến Vật lí, Hóa học, Sinh học, Công nghệ, Kỹ thuật, Toán học …
(4) Xác định mục tiêu chủ đề STEM: là các kiến thức, kỹ năng, thái độ HS sẽ đạt được sau khi thực hiện chủ đề.
(5) Xây dựng bộ câu hỏi định hướng chủ đề STEM: là các câu hỏi được đặt ra cho HS nhằm gợi ý để giúp HS đề xuất các giải pháp, nhiệm vụ nhằm đạt được mục tiêu của chủ đề. Bộ câu hỏi này rất cần thiết đối với chủ đề STEM phát triển năng lực sáng tạo, trong thời gian ngắn thì GV cần định hướng thường xuyên cho HS qua câu hỏi định hướng hoạt động học tập.
Vấn đề thực tiễn (1) Ý tưởng chủ đề STEM (2) Xác định kiến thức STEM cần thiết (3) Xác định mục tiêu chủ đề STEM (4) Xây dựng bộ câu hỏi định hướng chủ đề STEM (5)
hiện phỏng theo quy trình kỹ thuật theo bảng sau:
Sơ đồ 1.5. Tiến trình bài học STEM
Theo Bộ giáo dục (2019), tiến trình dạy học chủ đề STEM tuân theo quy trình kỹ thuật nêu trên nhưng các “bước” trong quy trình không được thực hiện một cách tuyến tính (hết bước nọ mới sang bước kia) mà có những bước được thực hiện song hành, tương hỗ lẫn nhau.
Theo chúng tôi, các hoạt động trên được sắp xếp linh hoạt tùy thuộc vào điều kiện, bối cảnh lớp học. Tuy nhiên không nên quá tập trung vào một hoạt động. Ví dụ như hoạt động chế tạo sản phẩm chỉ tạo thêm hứng thú cho HS trong quá trình tiếp
Xác định vấn đề
Đề xuất giải pháp/bản thiết kế Lựa chọn giải pháp/bản thiết kế
Chế tạo mô hình
Thử nghiệm và đánh giá
Chia sẻ và thảo luận
Điều chỉnh thiết kế
Cải tiến sản phẩm Nghiên cứu kiến thức nền
Toán Lí Hóa Sinh học Tin học Công nghệ
Hoạt động 1
Hoạt động 2
Hoạt động 3
Hoạt động 5 Hoạt động 4
nhận và vận dụng kiến thức, chúng ta không nên quá chú trọng vào việc gia công mà bỏ qua các kiến thức khoa học. Mặt khác, chúng ta cũng không nên quá tập trung vào kiến thức nền mà quên đi việc phát triển các năng lực khác của HS. Các hoạt động STEM cần được tích hợp, lồng ghép trong bài học dựa trên các vấn đề thực tiễn, kết hợp với chuẩn kiến thức, kĩ năng của môn học trong chương trình phổ thông, qua đó HS vận dụng kiến thức khoa học, hiểu biết về Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học để tạo ra sản phẩm có ích đối với cuộc sống.
1.5. Thực tiễn dạy học STEM trong trường THPT
Để tìm hiểu thực trạng dạy học Vật lí 11 – THPT theo định hướng giáo dục STEM, chúng tôi tiến hành khảo sát điều tra những hiểu biết của GV về giáo dục STEM trong dạy học Vật lí và mức độ hứng thú của HS khi học môn Vật lí trên địa bàn TP.HCM.
Chúng tôi khảo sát 45 GV, kết quả thu được cho thấy đa số GV từng tìm hiểu về giáo dục STEM (37,8%), biết được mục đích và hình thức dạy học STEM. Tuy nhiên, chỉ một số GV đã giảng dạy STEM.
Biểu đồ 1.1. Biểu đồ phần trăm GV từng tìm hiểu, nghiên cứu hay giảng dạy giáo dục STEM
STEM kết hợp với ngoại khóa là hình thức dạy học STEM phù hợp. Đây cũng chính là những khó khăn trong dạy học mà GV nêu ra. Vì thế, trong quá trình dạy một số kiến thức Quang hình học, hầu hết GV đều chọn hình thức thí nghiệm biểu diễn, thuyết trình và đàm thoại. Qua khảo sát chúng tôi nhận thấy hầu hết GV vẫn còn truyền thụ kiến thức một chiều, HS vẫn tiếp thu kiến thức thụ động, học tập một cách máy móc, rập khuôn. Điều này kìm hãm sự phát triển năng lực cá nhân của HS.
Song song đó, chúng tôi cũng khảo sát về mức độ hứng thú khi học bộ môn Vật lí của 126 HS lớp 11. Kết quả cho thấy hầu hết HS đều xác định mục tiêu học tập là “Học để thi đại học” (69%) nhưng đa số HS rất hứng thú khi thực hiện các bài thực nghiệm và thích làm thí nghiệm Vật lí.
Biểu đồ 1.2. Biểu đồ phần trăm thể hiện mức độ hứng thú của HS đối với môn Vật lí
Đối với câu hỏi 1 “Em có suy nghĩ như thế nào về việc học Vật lí của bản thân?” để tiện cho việc thống kê chúng tôi mã hóa các mức độ thành các số như sau: “Rất đồng ý” = 1, “Đồng ý” = 2, “Bình thường” = 3, “Không đồng ý” = 4, “Rất không đồng ý” = 5. Ở câu hỏi này chúng tôi thống kê được là:
Bảng 1.3. Bảng thống kê khảo sát HS – Câu hỏi 1 Suy nghĩ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Mức 1 18 20 53 29 12 17 51 15 24 42 33 Mức 2 40 48 53 53 23 20 37 26 49 53 45 Mức 3 56 48 10 34 62 49 31 64 42 23 37 Mức 4 9 9 6 8 24 29 6 17 8 6 8 Mức 5 3 1 4 2 5 11 1 4 3 2 3
Từ bảng 1.3 cho thấy đa số HS chọn mức 1, 2 và 3 ở hầu hết các suy nghĩ. Trong suy nghĩ 3, HS chọn mức 1, 2 nhiều nhất. Điều này chứng tỏ HS rất chăm chú lắng nghe khi GV giảng dạy trên lớp. Ở suy nghĩ 5, phần lớn HS chọn “Bình thường” (mức 3); còn suy nghĩ 7, HS chọn “Rất đồng ý” (mức 1) nhiều nhất; ở suy nghĩ 6, đa phần HS chọn “Bình thường” (mức 3). Điều này chứng tỏ HS cảm thấy bình thường khi học lí thuyết nhưng lại rất hứng thú khi thực hiện các thí nghiệm Vật lí. Trong suy nghĩ 9, 10, 11 các em chọn mức 1, 2, 3 là nhiều nhất, và các suy nghĩ này tập trung vào mức 2. Điều này chứng tỏ HS đồng ý với phương pháp học Vật lí gắn liền với thực tiễn, trực quan và có ích cho cuộc sống; đồng thời HS thích thảo luận với bạn bè và Thầy (Cô) về những hiện tượng Vật lí.
Đối với câu hỏi 2 “Em thích học Vật lí như thế nào?” để tiện cho việc thống kê chúng tôi mã hóa các mức độ thành các số như sau: “Rất thích” = 4, “Thích” = 3, “Bình thường” = 2, “Không thích” = 1, “Rất không thích” = 0. Ở câu hỏi này chúng tôi thống kê được là:
Bảng 1.4. Bảng thống kê khảo sát HS – Câu hỏi 2
Câu 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Mức 1 33 26 56 48 53 51 23 21 11
Mức 2 52 45 41 39 41 44 45 38 32
Mức 3 35 40 20 30 21 20 51 56 55
thú. Đặc biệt, HS thể hiện rất rõ ràng ở việc được làm việc nhóm, làm thí nghiệm, tham gia hoạt động ngoại khóa, cũng như được học qua xem phim, video, phóng sự.
Thông qua việc khảo sát, chúng tội nhận thấy HS tự đánh giá việc học của bản thân và các bạn trong lớp chủ yếu ở mức khá (61,9%) và trung bình (25,4%).
Biểu đồ 1.3. Biểu đồ phần trăm thể hiện năng lực bản thân của HS.
Sau khi khảo sát những hiểu biết của GV về giáo dục STEM trong dạy học Vật lí và mức độ hứng thú của HS khi học môn Vật lí trên địa bàn TP.HCM, chúng tôi nhận thấy hầu hết HS hứng thú với các hoạt động liên quan đến bộ môn Vật lí. Bên cạnh đó, do điều kiện cơ sở vật chất và phương pháp dạy học rập khuôn, GV vẫn còn truyền thụ kiến thức một chiều, HS vẫn tiếp thu kiến thức thụ động, học tập một cách máy móc. Điều này kìm hãm sự phát triển năng lực cá nhân của HS.
Tiểu kết chương 1
Trong chương 1, chúng tôi trình bày những cơ sở lí luận và thực tiễn giáo dục STEM bao gồm:
Cơ sở lí luận về giáo dục STEM trong trường THPT
Phát huy tính tích cực của HS
Phát triển năng lực sáng tạo của HS
Quy trình thiết kế chủ đề STEM
Điều tra tình hình dạy học STEM trong trường THPT.
Đầu tiên, chúng tôi trình bày những nội dung cơ bản nhất về cơ sở lí thuyết giáo dục STEM thông qua việc định nghĩa thuật ngữ STEM, khái niệm và mục tiêu giáo dục STEM, chủ đề STEM.
Kế tiếp, thông qua việc phân tích khái niệm tích cực và biểu hiện tính tích cực của HS, chúng tôi phát triển và làm rõ thêm biện pháp phát triển tính tích cực của HS. Ngoài ra, chúng tôi cũng đã xây dựng những tiêu chí đánh giá tính tích cực của HS trong dạy học chủ đề STEM.
Tương tự như phần “Phát huy tính tích cực của HS thông qua dạy học chủ đề STEM”, chúng tôi cũng đã phát triển và làm rõ thêm biện pháp phát triển năng lực sáng tạo của HS thông qua những phân tích về khái niệm năng lực sáng tạo và biểu hiện năng lực sáng tạo của HS trong dạy học chủ đề STEM. Đồng thời, chúng tôi cũng đã xây dựng bộ tiêu chí đánh giá sáng tạo của HS trong dạy học chủ đề STEM.
Tiếp theo, chúng tôi trình bày quy trình thiết kế chủ đề STEM và tiến trình dạy học STEM.
Trong phần cuối cùng chúng tôi trình bày về những kết quả của nghiên cứu tình hình thực tế việc tổ chức dạy học STEM tại một số trường THPT trên địa bàn TP.HCM.
Sau khi nghiên cứu cơ sở lí luận và thực tiễn, chúng tôi nhận thấy rằng: giáo dục STEM là một định hướng dạy học tiên tiến, có quy trình chặt chẽ và khi ứng dụng nó vào dạy học ở trường phổ thông nói chung và dạy học Vật lí ở phổ thông nói riêng sẽ phát huy được tính tích cực và phát triển năng lượng sáng tạo của HS. Từ
Chương 2. TỔ CHỨC DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC QUANG HÌNH HỌC – VẬT LÍ 11 THEO ĐỊNH HƯỚNG
GIÁO DỤC STEM
2.1. Phân tích một số kiến thức chương Quang hình học – Vật lí 11 theo định hướng giáo dục STEM hướng giáo dục STEM
Phần Quang hình học Vật lí 11 nghiên cứu hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Trong đó có ba nội dung chính: Hiện tượng khúc xạ; Định luật khúc xạ ánh sáng và Ứng dụng hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Khi nghiên cứu hiện tượng khúc xạ ánh sáng ta tìm ra định luật khúc xạ ánh sáng và ứng dụng của hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Đồng thời những ứng dụng đó làm minh chứng cho tính đúng đắn của định luật khúc xạ ánh sáng.
Khi nghiên cứu sự truyền ánh sáng qua các môi trường ngoài hiện tượng khúc xạ ánh sáng người ta còn phát hiện ra hiện tượng phản xạ toàn phần với nhiều ứng dụng quan trọng trong cuộc sống như lăng kính phản xạ toàn phần …
Khi nghiên cứu ứng dụng của hiện tượng khúc xạ ánh sáng, ta nghiên cứ sự nhìn của mắt và các dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt nhằm giải thích sự nhìn rõ của mắt, chỉ ra các nguyên nhân các tật cận thị, viễn thị và lão thị; từ đó tạo ra các loại kính để khắc phục. Ngoài ra chúng ta còn chế tạo các dụng cụ bổ trợ cho việc nhìn các vật nhỏ, rất nhỏ (kính lúp, kính hiển vi) và các vật ở xa như kính thiên văn.
Trong phạm vi luận văn, chúng tôi xây dựng, tổ chức dạy học một số kiến thức Quang hình học – Vật lí 11 gồm: khúc xạ ánh sáng, phản xạ ánh sáng toàn phần, thấu kính, …
2.1.1. Khúc xạ ánh sáng
Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng lệch phương của tia sáng khi truyền xuyên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau.
Hình 2.1. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng
Định luậtkhúc xạ ánh sáng
Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (tạo bởi tia tới và pháp tuyến) và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới.
Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (sini) và sin góc khúc xạ (sinr) luôn không đổi.
sin sin
i
r = hằng số
2.1.2. Chiết suất của môi trường
Chiết suất tỉ đối giữa hai môi trường
Chiết suất tỉ đối của môi trường 2 (môi trường khúc xạ) đối với môi trường 1 (môi trường tới):
21 sin sin i n r
Nếu n211thì góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới. Ta nói môi trường (2) chiết quang kém môi trường (1).
Nếu n211thì góc khúc xạ lớn hơn góc tới. Ta nói môi trường (2) chiết quang
hơn môi trường (1).
Nếu i0thì r0: tia sáng chiếu vuông góc với mặt phân cách sẽ truyền thẳng.
Trong lí thuyết ánh sáng, chiết suất tỉ đối bằng tỉ số giữa các tốc độ v1và v2của ánh sáng khi đi trong môi trường 1 và trong môi trường 2.
1 21 2 v n v
Chiết suất tuyệt đối của một môi trường
Chiết suất tuyệt đối của một môi trường (thường được gọi là chiết suất môi trường) là chiết suất tỉ đối của môi trường đó với chân không.
c n
v
Trong đó:
clà tốc độ truyền ánh sáng trong chân không.
vlà tốc độ truyền ánh sáng trong môi trường ta xét.
Vì tốc độ của ánh sáng truyền đi trong các môi trường bao giờ cũng nhỏ hơn tốc độ ánh sáng trong chân không (vc), nên chiết suất tuyệt đối của mọi chất đều lớn hơn 1. Suy ra: 1 2 21 2 1 v n n v n
Định luật khúc xạ ánh sáng có thể được viết dưới dạng sau:
1sin 2sin
n in r
2.1.3. Phản xạ toàn phần
Phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ toàn bộ tia sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt. Khi có phản xạ toàn phần thì không còn tia khúc xạ. Ta gọi phản xạ toàn phần để phân biệt với phản xạ một phần luôn xảy ra đi kèm với sự khúc xạ.
Hình 2.2. Hiện tượng phản xạ toàn phần
Điều kiện để có phản xạ toàn phần:
Ánh sáng truyền từ một môi trường tới môi trường chiết quang hơn.
2 1
n n
Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn.
gh
ii
2.1.4. Thấu kính mỏng
Thấu kính là một khối chất trong suốt, đồng chất (thủy tinh, nhựa, …) với hai mặt khúc xạ mà trục chính của chúng trùng nhau; trục chính ấy là trục chính của thấu kính. Khi một thấu kính được không khí bao bọc, ánh sáng khúc xạ từ không khí vào thấu kính đi qua thấu kính và sau đó khúc xạ trở lại không khí.
Ở đây chúng ta xét một trường hợp đặc biệt là thấu kính mỏng. Đó là thấu kính mà độ dày của nó nhỏ so với khoảng cách vật, khoảng cách ảnh và kể cả hai bán kính cong của thấu kính.
Chú ý:
Đối với mặt lồi R 0;
Đối với mặt lõm R 0;
Đối với mặt phẳng R = . Theo hình dạng, thấu kính có hai loại:
Thấu kính lồi (thấu kính rìa mỏng) được gọi là thấu kính hội tụ; khi chùm tia tới là chùm song song thì thấu kính lồi tạo ra chùm tia ló hội tụ.
Thấu kính lõm (thấu kính rìa dày) được gọi là thấu kính phân kì; khi chùm tia tới là chùm song song thì thấu kính lõm tạo ra chùm tia ló phân kì.
Hình 2.4. Hình bổ dọc TKHT Hình 2.5. Ký hiệu TKHT
Hình 2.6. Đường truyền tia sáng qua TKHT
O F
F’