- Khả năng tương tác kém: Với hình thức học trực tuyến sự tương tác giữa các bạn sinh viên, học
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
một số kiến thức phần Nhiệt học theo định hướng giáo dục STEM là cần thiết góp phần phát triển năng lực sáng tạo cho SV.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NGHIÊN CỨU
2.1. Dạy học Vật lí theo định hướng giáo dục STEM STEM
STEM là thuật ngữ viết tắt của các từ Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kĩ thuật) và Mathematics (Toán học) (Bộ GD-ĐT, 2019). STEM thường được nhắc đến trong quá trình phát triển khoa học, công nghệ của các quốc gia và ngày nay được sử dụng trong quá trình dạy học ở trường phổ thông nhằm gắn kiến thức với bối cảnh thực của cuộc sống. Giáo dục STEM được thực hiện dựa trên lí thuyết tích hợp chương trình giảng dạy; có nghĩa là, trong dạy học theo định hướng giáo dục STEM hoàn toàn cho phép GV tích hợp các mơn học có liên quan lại mà khơng bỏ qua các đặc điểm, nội dung cơ bản trong kiến thức chuyên sâu của ngành; do đó, giáo dục STEM địi hỏi GV phải xuất sắc trong việc tổ chức cho SV sử dụng các kiến thức, kĩ năng và niềm tin để giải quyết các vấn đề được đặt ra trong quá trình tổ chức dạy học theo định hướng giáo dục STEM (Corlu và cộng sự, 2014).
Một trong những thách thức đối với dạy học theo định hướng giáo dục STEM là GV phải hiểu được quy trình và tuân theo phương pháp dạy học theo hướng tích hợp STEM trong quá trình giảng dạy (Wang và cộng sự, 2011). Bản chất của giáo dục STEM là dạy học hợp tác. Hợp tác trong giảng dạy STEM được thể hiện trong nội dung của môn học, việc thực hiện các hành động học tập, đối tượng học tập và kết quả học tập. Muốn tổ chức dạy học Vật lí theo định hướng giáo dục STEM cần đặt SV trước những vấn đề trong bối cảnh thực có liên quan đến các kiến thức Vật lí và yêu cầu SV phải giải quyết vấn đề đó. Q trình giải quyết địi
KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QUI SỐ 57/2021
KH&CN QUI 47
hỏi SV phải tìm tịi, vận dụng kiến thức để đưa ra phương án giải quyết vấn đề (Bộ GD-ĐT, 2019).
Theo chúng tơi: Dạy học kiến thức vật lí (VL) theo định hướng giáo dục STEM ở trường học được thực hiện theo 02 hướng, cụ thể:
- Hoạt động STEM được tích hợp, lồng ghép trong bài học VL chính khóa dựa trên các vấn đề thực tiễn, kết hợp với chuẩn kiến thức, kĩ năng của môn VL trong chương trình đào tạo;
- Gắn với các chủ đề STEM , trong đó SV vận dụng kiến thức VL, hiểu biết về cơng nghệ, kĩ thuật và tốn học để tạo ra sản phẩm có ích đối với cuộc sống.
Các hoạt động STEM chủ yếu trong dạy học VL là: thực hành thí nghiệm tự tạo; thiết kế, chế tạo các sản phẩm ứng dụng kĩ thuật VL; thiết kế các thí nghiệm ảo trên nền tảng công nghệ thông tin. Để tạo ra các sản phẩm vật chất, SV cần sử dụng các thiết bị truyền thống như: cưa, máy khoan, mỏ hàn chì,... thậm chí là thiết bị hiện đại như: máy in 3D, máy cắt CNC,... để gia công, lắp ráp chúng. Nhờ đó, SV được tham gia vào quá trình lao động, ý thức được giá trị của lao động.
2.2. Phát triển năng lực sáng tạo của sinh viên trong dạy học Vật lí theo định hướng giáo dục trong dạy học Vật lí theo định hướng giáo dục STEM.
Năng lực sáng tạo chính là khả năng huy động vốn kiến thức, kĩ năng, thái độ và tư duy để tạo ra ý tưởng, giải pháp, tạo ra sản phẩm mới có giá trị với con người (Nguyễn Thị Mai Lan, 2018). Năng lực sáng tạo của SV là một khái niệm phức tạp có thể định nghĩa là khả năng của SV tạo ra được nhiều ý tưởng ban đầu và từ ý tưởng đó có thể tạo ra được nhiều sản phẩm khác nhau có ứng dụng cho khoa học, cuộc sống và kĩ thuật. Các mức độ biểu hiện tính sáng tạo của SV bao gồm (Cambridge University, 2011):
- Mức 1: Bản thân HS tham gia vào các hoạt động sáng tạo chung bao gồm các ý tưởng mới trong các cuộc thảo luận về các tình huống giả định, động não và các hoạt động giải quyết vấn đề cụ thể. - Mức 2: Tạo nội dung mới từ ý tưởng của riêng mình trong các tình huống cá nhân độc lập giải quyết hoặc tình huống mà nhiều người cùng tham gia giải quyết và mang lại lợi ích cho nhóm trong việc tăng hiệu quả làm việc.
- Mức 3: Đề xuất một nội dung mới để giải quyết vấn đề và đưa ra quyết định để thấy nếu sử dụng phương án mới đề xuất sẽ giải quyết thành cơng vấn đề của cá nhân hoặc nhóm.
Tiêu chí đánh giá năng lực sáng tạo của SV trong dạy học Vật lí được dựa trên các yếu tố: (1) Đề xuất được các câu hỏi cho sự kiện cụ thể mà GV đặt ra; (2) Xác định được mơ hình phù hợp với sự kiện cụ thể từ câu hỏi nghiên cứu; (3) Đề xuất phương án thực nghiệm để kiểm chứng kết quả nghiên cứu khả
thi và sáng tạo; (4) Thực hiện phương án thực nghiệm khả thi và sáng tạo; (5) Xây dựng báo cáo kết quả khoa học và sáng tạo; (6) Trình bày kết quả khoa học và sáng tạo; (7) Đề xuất phương án đánh giá và tự đánh giá kết quả nghiên cứu (Nguyễn Văn Phương, 2015).
Do vậy chúng ta có thể sử dụng bảng đánh giá năng lực sáng tạo trong dạy học VL theo định hướng giáo dục STEM theo 7 tiêu chí với 4 mức độ như bảng 1.
- Mức 1: Không đề xuất ý tưởng, chỉ thực hiện (không sáng tạo);
- Mức 2: Tham gia hoạt động có sáng tạo;
- Mức 3: Đề xuất các nội dung sáng tạo từ ý tưởng của nhóm;
- Mức 4: Sử dụng nội dung sáng tạo giải quyết vấn đề;
Bảng 1. Tiêu chí đánh giá tính sáng tạo của SV trong dạy học Vật lí theo định hướng giáo dục STEM
TT Các tiêu chí Mức độ thể hiện 1 2 1 2 3 4 1 Xác định được các câu hỏi từ vấn đề STEM mà GV đưa ra 2 Xác định được mơ hình thiết kế STEM phù hợp với sự kiện cụ thể từ câu hỏi nghiên cứu
3
Đề xuất phương án thực nghiệm để kiểm chứng kết quả nghiên cứu khả thi và sáng tạo
4
Thực hiện phương án thực nghiệm khả thi và sáng tạo
5 Xây dựng báo cáo kết quả khoa học và sáng tạo 6 Trình bày kết quả khoa
học và sáng tạo
7
Đề xuất phương án đánh giá và tự đánh giá kết quả nghiên cứu
2.3. Tiến trình tổ chức dạy học một số kiến thức Vật lí theo định hướng giáo dục STEM. Vật lí theo định hướng giáo dục STEM.
Từ các nghiên cứu, có thể tổ chức dạy học Vật lí theo định hướng giáo dục STEM nhằm phát triển năng lực sáng tạo cho SV theo quy trình sau (Bộ GD-ĐT, 2019):
- Bước 1. GV đặt SV vào tình huống có vấn đề, hướng đến việc giải quyết vấn đề thực tiễn. GV cần tạo điều kiện cho SV tiếp nhận nhiệm vụ. Các nhiệm vụ được thiết kế nên là nhiệm vụ nhóm và huy động được tất cả SV trong một nhóm tham gia thực hiện.
48 KH&CN QUI
Sơ đồ 1. Sơ đồ tiến trình tổ chức dạy học một số kiến thức VL theo định hướng giáo dục STEM
- Bước 2. Bước này có thể gồm nhiều hoạt động tách nhỏ hoặc lồng ghép lại với nhau sao cho SV hoàn thành nhiệm vụ học tập sáng tạo, có thể thực hiện chuỗi các nhiệm vụ như: gia công, chế tạo sản phẩm; phác thảo bản vẽ kĩ thuật; giải thích nguyên lí hoạt động của thí nghiệm, sản phẩm. Đối với nhiệm vụ gia công, chế tạo sản phẩm, GV tổ chức cho SV hoạt động như trong sơ đồ 2.
Sơ đồ 2. Sơ đồ qui trình SV thực hiện nhiệm vụ STEM
- Bước 3. SV thực hiện báo cáo nhiệm vụ thông qua sản phẩm vật chất, phiếu học tập, bản vẽ cấu tạo sản phẩm. GV cần khuyến khích SV tự giác tham gia trình bày, phản biện, trao đổi nhằm làm rõ nguyên lí hoạt động của sản phẩm, các bước gia công, lắp ráp sản phẩm; những khó khăn và hướng giải quyết. - Bước 4. Kết luận: GV hợp thức hóa kiến thức trọng tâm của bài học, đồng thời giải quyết các vấn đề đặt ra ở bước 1.
2.4. Tổ chức dạy học một số kiến thức “Nhiệt học” thuộc học phần Vật lí đại cương theo định học” thuộc học phần Vật lí đại cương theo định hướng giáo dục STEM.
Một số sản phẩm, thí nghiệm được sử dụng để tổ chức các hoạt động thực hành, trải nghiệm sáng tạo trong dạy học “Nhiệt học” theo định hướng giáo dục STEM gồm: thí nghiệm mơ phỏng hiện tượng băng tan vì hiệu ứng nhà kính; động cơ Stirling;
thuyền hơi . Dưới đây tơi trình bày ví dụ minh họa tiến trình dạy học chủ đề “Động cơ nhiệt”.
2.4.1. Mục tiêu.
- Về kiến thức: Phát biểu được nguyên lí II nhiệt động lực học; trình bày được cấu tạo của động cơ nhiệt, động cơ Stirling; nắm được biểu thức tính hiệu suất của động cơ nhiệt, các thiết bị, vật liệu để gia công, lắp ráp động cơ Stirling.
- Về kĩ năng: Phác thảo được sơ đồ cấu tạo của động cơ Stirling; lắp ráp, hoàn thiện động cơ Stirling; vận hành được động cơ Stirling; đọc và lấy thơng tin về ngun lí hoạt động, hiệu suất, cấu tạo của động cơ Stirling; sử dụng được các thiết bị gia cơng đơn giản như: tua vít, súng bắn keo; tổ chức và làm việc nhóm; tự tin trình bày hiểu biết về động cơ Stirling.
- Về thái độ: Tuyệt đối tuân thủ các quy định về an tồn trong gia cơng, lắp ráp động cơ Stirling; tích cực tham gia thực hiện các nhiệm vụ học tập.
2.4.2. Chuẩn bị các phương tiện dạy học.
- Một động cơ Stirling mẫu (Hình 1);
Hình 1. Động cơ Stirling mẫu
- Tài liệu hướng dẫn “Động cơ Stirling - động cơ xanh”;
- Nguyên liệu lắp ráp động cơ Stirling: giấy A3, sáp màu, nam châm dính bảng, laptop; thiết bị gia cơng: tua vít, súng bắn keo.
Phiếu học tập được thiết kế như sau: PHIẾU HỌC TẬP
ĐỘNG CƠ NHIỆT- ĐỘNG CƠ STIRLING 1. Khái niệm động cơ nhiệt? Động cơ nhiệt đốt ngồi? Vì sao động cơ Stirling được gọi là động cơ xanh?............................................................... 2. Cấu tạo động cơ Stirling ................................. 3. Phân tích hoạt động của động cơ Stirling : - Giải thích cơ chế hoạt động của động cơ Stirling thơng qua ngun lí I nhiệt động lực học.
Động cơ Stirling hoạt động tuân theo kiến thức nhiệt học là .........................................
được phát biểu ....................................
Q trình chuyển hóa năng lượng khi động cơ Stirling hoạt động: ...............
4. Hiệu suất của động cơ Stirling:…… Đặt vấn đề và giao nhiệm vụ STEM
Thực hiện nhiệm vụ STEM
Kết luận
Báo cáo nhiệm vụ STEM
2. Thực hiện nhiệm vụ STEM
2.1.Làm việc với tài liệu hướng dẫn 2.3.Vận hành sản phẩm 2.2.Gia công lắp ráp sản phẩm 3. Báo cáo Đạt Không đạt
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI SỐ 57/2021
KH&CN QUI 49
2.4.3. Tổ chức hoạt động dạy học
+ Hoạt động 1: Tìm hiểu thực tiễn, phát hiện vấn đề, giao nhiệm vụ
Hoạt động của GV Hoạt động của SV - Đặt vấn đề: Quá trình đốt
nhiên liệu của động cơ nhiệt gây ô nhiễm môi trường, làm thế nào để hạn chế tác hại của chúng với môi trường?
- Giới thiệu động cơ Stirling và vận hành mẫu, đây là mẫu động cơ nhiệt thân thiện với môi trường gọi là động cơ xanh.
Giao nhiệm vụ: Yêu cầu các nhóm đọc tài liệu hướng dẫn, thực hiện các nhiệm vụ sau: 1. Tìm hiểu các kiến thức liên qua đến động cơ nhiệt. sự chuyển hóa năng lượng và hiệu suất động cơ nhiệt. Thực hiện phiếu học tập.
2. Vẽ sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling trên giấy A3. Đề xuất phương án chế tạo và mơ hình động cơ Stirling. 3. Chế tạo và vận hành mơ hình động cơ Stirling - Quan sát động cơ mẫu về cấu tạo và hoạt động. - Tìm hiểu kiến thức trong nhiệm vụ 1. - Nghiên cứu động
cơ nhiệt thân thiện với môi trường
-Quan sát, tiếp nhận vấn đề. - Tiếp nhận nhiệm vụ
+ Hoạt động 2: tìm tịi, nghiên cứu, thảo luận Hoạt động của GV Hoạt động
của SV 1. - Đặt câu hỏi về vấn đề
cốt lõi của chủ đề:“Chế tạo mơ hình động cơ Stirling?” - Chia nhóm SV (4-6 SV /nhóm)
- Hướng dẫn SV xác định kiến thức vật lí có trong chủ đề
- yêu cầu các nhóm báo cáo, thảo luận về vấn đề cần giải quyết
- Hoạt động nhóm, thảo luận để trả lời câu hỏi. - Xác định kiến thức liên quan. - Nêu những hiểu biết về động cơ Stirling.
- Báo cáo, nêu nhận xét, thảo luận với các nhóm về những gì mình tìm hiểu được - GV nhận xét, đánh giá
báo cáo của SV
- Tóm tắt lại những kiến thức cần nhớ. - Làm rõ vấn đề cần giải quyết. - Giúp SV xác định các tiêu chí của sản phẩm. - Định hướng các hoạt động tiếp theo của SV
- Ghi chép những kiến thức cần nhớ - Vạch ra kế hoạch để giải quyết vấn đề. - Xác định tiêu chí của sản phẩm. - Lên kế hoạch cho các hoạt động tiếp theo
+ Hoạt động 3: Giải quyết vấn đề
Hoạt động của GV Hoạt động của SV
- Đề xuất giải pháp: hướng dẫn SV đưa ra đề xuất giải pháp.
- Giao nhiệm vụ về nhà: yêu cầu SV thảo luận nhóm và đưa ra mô tả thiết kế sản phẩm của nhóm mình:
+ Cấu tạo của động cơ. + Nguyên lí hoạt động của động cơ. + Các nguyên vật liệu dự kiến. + Những hạn chế chưa khắc phục được.
- Căn cứ vào các tiêu chí đã đề ra, SV thảo luận nhóm và đưa ra các giải pháp, giả thuyết để giải quyết vấn đề. - Thiết kế bản vẽ cấu tạo. - Lập bảng nguyên liệu, xác định giá thành của từng nguyên liệu. - Chuẩn bị những nguyên, vật liệu theo thiết kế.
- Thực hiện thiết kế động cơ.
- Quan sát SV thử nghiệm động cơ, hướng dẫn, nhắc nhở SV. - Lưu ý an toàn khi thực hành cho SV.
- Xây dựng sản phẩm và chạy thử nghiệm.
- Phân tích các số liệu thu được trong các lần thử nghiệm. - Rút ra kết luận. GV lần lượt kiểm tra
nhanh các báo cáo của các nhóm
Báo cáo kết quả
3. KẾT QUẢ
Trong năm học 2020-2021, chúng tôi đã tổ chức thực nghiệm với 158 SV K13 của Trường ĐHCNQN. SV đã hoàn toàn thiết kế được động cơ Stirling bằng các vật liệu dễ kiếm như vỏ lon, ống nhựa PVC, đĩa DVD,… kinh phí gần như khơng đáng kể, các nhóm trình bày được sản phẩm trước tồn lớp.
Hình 2. Mơ hình sản phẩm động cơ Stirling do SV lớp TDH K13 chế tạo
50 KH&CN QUI
Tổ chức đánh giá kết quả thực nghiệm về năng lực sáng tạo của SV, kết quả như sau:
Bảng 2. Kết quả thực nghiệm về năng lực sáng tạo của SV TT Các tiêu chí Mức độ thể hiện 1 2 1 2 3 4 1 Xác định được các câu hỏi từ vấn đề STEM mà GV đưa ra 36 67 37 18 2 Xác định được mơ hình thiết kế STEM phù hợp với sự kiện cụ thể từ câu hỏi nghiên cứu 39 50 39 30 3 Đề xuất phương án thực nghiệm để kiểm chứng kết quả nghiên cứu khả thi và sáng tạo 30 58 40 30 4 Thực hiện phương án thực nghiệm khả thi và sáng tạo 29 57 37 35 5
Xây dựng báo cáo kết quả khoa học và sáng tạo 26 49 42 41 6 Trình bày kết quả khoa học và sáng tạo 28 44 48 38 7 Đề xuất phương án đánh giá và tự đánh giá kết quả nghiên cứu
31 49 42 36
Bảng 2 cho thấy, năng lực sáng tạo của người học trong quá trình học tập được tăng dần đều từ mức 1 lên mức 4: ở hoạt động 1 mức năng lực sáng tạo 4