Đối với giáo dục trung học, Bộ Giáo dục và Đào tạo đã chỉ đạo các địa phương triển khai hoạt động nghiên cứu khoa học của học sinh trung học cơ sở, trung học phổ thông và tổ chức Cuộc th
MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ GIÁO DỤC STEM
MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ GIÁO DỤC STEM
STEM là viết tắt của Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kĩ thuật) và Mathematics (Toán học), thể hiện mối liên hệ giữa các lĩnh vực khoa học và ứng dụng công nghệ Thuật ngữ này được dùng khi nói về các chính sách phát triển về Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học của mỗi quốc gia và hiện nay nó được sử dụng chủ yếu trong hai ngữ cảnh là giáo dục và nghề nghiệp.
Trong ngữ cảnh giáo dục hiện đại, STEM được nhắc đến nhằm nhấn mạnh sự quan tâm của ngành giáo dục đối với các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học Phương pháp dạy học STEM chú trọng tiếp cận tích hợp liên môn và gắn liền với thực tiễn đời sống, từ đó hình thành và phát triển phẩm chất, năng lực cho học sinh Mục tiêu là giúp người học rèn luyện tư duy logic, sáng tạo và kỹ năng giải quyết vấn đề, đồng thời tăng cường làm việc nhóm và khả năng ứng dụng kiến thức vào thực tiễn Nhờ đó, giáo dục STEM đóng vai trò then chốt trong nâng cao chất lượng giáo dục và chuẩn bị học sinh cho thách thức của thế kỷ 21.
Trong ngữ cảnh nghề nghiệp, STEM được dùng để chỉ các ngành nghề thuộc hoặc liên quan đến Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học Đây là các lĩnh vực có vai trò quyết định sức cạnh tranh của nền kinh tế và đang có nhu cầu tuyển dụng cao trong xã hội hiện đại.
1.1.2 Khoa học – Kĩ thuật – Công nghệ – Toán học
Trong ngữ cảnh STEM, khoa học được hiểu là khoa học tự nhiên – một nhánh của khoa học có mục tiêu nhận thức, mô tả, giải thích và tiên đoán các sự vật, hiện tượng và quy luật tự nhiên Khoa học dựa trên bằng chứng rõ ràng từ quan sát và thực nghiệm để củng cố các nhận định, đồng thời cho phép kiểm chứng và điều chỉnh lý thuyết khi có bằng chứng mới Nhờ phương pháp này, khoa học cung cấp khung có thể áp dụng để giải thích thế giới tự nhiên và tạo nền tảng cho công nghệ, giáo dục và các ứng dụng thực tiễn trong đời sống.
Khoa học tự nhiên được chia thành bốn lĩnh vực chính: vật lý, hóa học, thiên văn học và khoa học Trái Đất, và sinh học Ba lĩnh vực đầu thuộc về khoa học về vật chất (physical science), còn sinh học thuộc về khoa học về sự sống (life science).
Vật lý học là ngành khoa học nghiên cứu các dạng vận động cơ bản của vật chất và các tương tác giữa chúng, liên hệ mật thiết với toán học và các môn khoa học tự nhiên khác, đồng thời cung cấp nền tảng cho kỹ thuật và công nghệ Bên cạnh đó, vật lý học đóng vai trò then chốt trong việc xây dựng thế giới quan khoa học.
Hóa học là ngành khoa học nghiên cứu thành phần cấu trúc, tính chất và sự biến đổi của các đơn chất và hợp chất, đồng thời là cầu nối giữa các lĩnh vực khoa học tự nhiên như vật lý, sinh học, y dược và địa chất học Những tiến bộ của hóa học gắn liền với sự phát triển và ứng dụng các phát hiện mới trong sinh học, y dược và vật lý, mở ra nhiều cơ hội sáng chế, công nghệ và nâng cao hiệu quả sản xuất Vai trò của hóa học vượt ra ngoài phòng lab, tác động trực tiếp đến cuộc sống hàng ngày, sản xuất và kinh tế xã hội, đóng góp vào sự phát triển kinh tế - xã hội của đất nước.
Sinh học là ngành khoa học nghiên cứu sự sống và các sinh vật sống, từ cấu trúc vật chất, quá trình hoá học và tương tác phân tử đến cơ chế sinh lý, sự phát triển và tiến hóa của sinh vật Nền tảng của sinh học được mở rộng qua các nhánh như hoá sinh học, thực vật học, động vật học, sinh học tế bào, sinh thái học, tiến hóa, di truyền học, sinh học phân tử và sinh lý học, giúp giải mã cách sinh vật tồn tại, thích nghi và biến đổi theo thời gian Nhờ đó, sinh học đóng vai trò then chốt trong hiểu biết về sự sống và ứng dụng rộng rãi trong y học, nông nghiệp và môi trường.
Thiên văn học là khoa học nghiên cứu các thiên thể và các hiện tượng có nguồn gốc bên ngoài vũ trụ Nó phân tích sự phát triển của vũ trụ, tính chất vật lý và hóa học của các vật thể vũ trụ, cùng với khí tượng học và chuyển động của chúng Ngoài ra, thiên văn học nghiên cứu quá trình hình thành và tiến hóa của vũ trụ qua từng thời kỳ Đây là một trong những ngành khoa học cổ xưa nhất của nhân loại.
Khoa học Trái Đất là nhánh của khoa học tự nhiên tập trung vào cấu tạo và bầu khí quyển của Trái Đất, đồng thời nghiên cứu các đặc điểm vật lí của hành tinh mà loài người sinh sống Nó bao gồm các hiện tượng tự nhiên từ động đất và hạt mưa đến lũ lụt và hóa thạch, giúp làm sáng tỏ nguồn gốc và quá trình vận động của Trái Đất Khoa học Trái Đất được chia thành bốn nhánh chính là thạch quyển, thủy quyển, khí quyển và sinh quyển, mỗi nhánh lại được phân nhỏ thành các lĩnh vực chuyên biệt hơn.
Kỹ thuật là lĩnh vực khoa học ứng dụng, sử dụng các thành tựu của toán học và khoa học tự nhiên để giải quyết các vấn đề thực tiễn và đáp ứng nhu cầu của cuộc sống Hoạt động nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật tạo ra các giải pháp, sản phẩm và công nghệ mới, giúp tối ưu hóa quy trình, nâng cao hiệu quả sản xuất và cải thiện chất lượng cuộc sống Nhờ mối liên hệ chặt chẽ giữa lý thuyết và thực tiễn, kỹ thuật đóng góp vào sự tiến bộ của nhiều ngành công nghiệp và lĩnh vực xã hội Các ứng dụng kỹ thuật lan rộng từ thiết kế và chế tạo đến hệ thống và dịch vụ, mang lại lợi ích kinh tế, xã hội và môi trường bền vững.
Nhờ tiến bộ của kỹ thuật, các nguyên lý khoa học được áp dụng vào thực tiễn và thể hiện qua các thiết bị, máy móc và hệ thống phục vụ đời sống, sản xuất và kiến tạo môi trường sống Kỹ thuật được phân thành nhiều lĩnh vực, nổi bật như kỹ thuật hóa học, kỹ thuật xây dựng, kỹ thuật điện và kỹ thuật cơ khí, mỗi lĩnh vực đóng vai trò thiết yếu trong đẩy mạnh công nghiệp và nâng cao chất lượng cuộc sống.
Công nghệ là tri thức có hệ thống về quy trình và kĩ thuật dùng để chế biến vật liệu và thông tin, bao gồm kiến thức, thiết bị, phương pháp và các hệ thống được sử dụng để tạo ra hàng hóa và cung cấp dịch vụ Khi thực hiện một công việc hoặc giải quyết một vấn đề, thường có nhiều công nghệ khác nhau và chúng được phân biệt bởi mức độ hiện đại của chúng Nhờ sự phát triển của khoa học và kĩ thuật, công nghệ liên tục được đổi mới nhằm phục vụ ngày càng tốt hơn nhu cầu của con người, của nền kinh tế và của xã hội.
Khi nhắc đến công nghệ, ta hiểu đó là kết quả của việc con người tích lũy tri thức và làm chủ một loại hình hoạt động nhất định Điều này đồng nghĩa với tính chuyển giao của công nghệ, khi nó có thể được áp dụng và thích nghi ở nhiều hoàn cảnh khác nhau Mỗi công nghệ là thành quả của một hoạt động kỹ thuật cụ thể: kỹ thuật là quá trình tìm tòi, nghiên cứu để giải quyết vấn đề, còn công nghệ là sản phẩm, hệ thống và giải pháp để giải quyết vấn đề ấy.
Công nghệ có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm theo lĩnh vực khoa học như công nghệ hóa học, công nghệ sinh học và công nghệ thông tin; theo lĩnh vực kỹ thuật như công nghệ cơ khí, công nghệ điện, công nghệ xây dựng và công nghệ vận tải; hoặc theo hoạt động và đối tượng cụ thể như công nghệ trồng cây trong nhà kính, công nghệ ô tô, công nghệ vật liệu và công nghệ nano.
GIÁO DỤC STEM TRONG CHƯƠNG TRÌNH GIÁO DỤC PHỔ THÔNG 2018
Trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018, giáo dục STEM vừa thúc đẩy giáo dục các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học, vừa thể hiện phương pháp tiếp cận liên môn nhằm phát triển năng lực và phẩm chất người học Cụ thể, STEM kết nối kiến thức từ nhiều môn học để tăng cường tư duy liên ngành và khả năng giải quyết vấn đề cho học sinh.
Theo tiếp cận thúc đẩy giáo dục các lĩnh vực STEM
Chương trình giáo dục phổ thông 2018 tích hợp đầy đủ các môn học thuộc lĩnh vực STEM, gồm Toán, các môn khoa học tự nhiên, Công nghệ và Tin học, nhằm phát huy năng lực tư duy và giải quyết vấn đề cho học sinh Trong cấu trúc này, Tin học được xem như một phần của lĩnh vực công nghệ nằm trong mạch nội dung ICT.
Chương trình môn Toán chú trọng vận dụng toán học vào thực tiễn và dành thời lượng đáng kể cho các hoạt động trải nghiệm, đây là cơ sở để tổ chức các hoạt động giáo dục STEM trong quá trình dạy học môn Toán; đồng thời, vị trí và vai trò của môn Công nghệ và môn Tin học trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018 đã được nâng cao rõ rệt, thể hiện tư tưởng giáo dục STEM và là sự điều chỉnh kịp thời của giáo dục phổ thông trước cuộc Cách mạng công nghiệp 4.0.
Việc hình thành nhóm môn Công nghệ và Nghệ thuật trong giai đoạn giáo dục định hướng nghề nghiệp, cùng với quy định lựa chọn 5 môn học từ 3 nhóm, mỗi nhóm bắt buộc chọn ít nhất một môn, đảm bảo mọi học sinh được học các môn thuộc lĩnh vực STEM C cơ cấu này cân bằng giữa công nghệ và nghệ thuật, giúp học sinh phát triển tư duy sáng tạo và kỹ năng phân tích kỹ thuật, đồng thời mở rộng cơ hội tiếp cận các môn học STEM một cách công bằng Việc lên kế hoạch môn học như vậy tăng tính linh hoạt, đồng thời thúc đẩy hiệu quả giáo dục định hướng nghề nghiệp bằng cách chuẩn bị cho học sinh hành trang vững chắc để thích nghi với thị trường lao động và các thách thức trong tương lai.
Theo tiếp cận liên môn trong dạy học các lĩnh vực STEM
Trong giáo dục cơ bản, chương trình môn học tích hợp chứa nhiều chủ đề STEM phong phú Ở cấp tiểu học, các môn Tự nhiên và Xã hội, Khoa học, Tin học và Công nghệ được thiết kế để học sinh tiếp cận và làm quen với các nội dung STEM một cách liên kết Đến cấp trung học cơ sở, môn Khoa học tự nhiên tiếp tục mở rộng các chủ đề STEM và ứng dụng công nghệ vào thực tiễn, giúp hình thành nền tảng kiến thức liên môn và kỹ năng giải quyết vấn đề cho học sinh.
Chương trình cung cấp các chuyên đề học tập về STEM cho học sinh lớp 10–12, tập trung vào các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán, nhằm mở rộng nhận thức về nghề nghiệp STEM và phát triển những kỹ năng cơ bản cho tương lai Bên cạnh đó là các hoạt động trải nghiệm được tổ chức dưới hình thức câu lạc bộ nghiên cứu khoa học, nơi học sinh tham gia các dự án nghiên cứu STEM thực tế, rèn luyện tư duy phản biện, năng lực làm việc nhóm và khả năng giải quyết vấn đề.
Chương trình giáo dục phổ thông 2018 với tính mở tạo cơ hội tích hợp nội dung giáo dục STEM vào giáo dục địa phương và kế hoạch giáo dục của từng nhà trường Nội dung STEM có thể được xây dựng và triển khai thông qua các chương trình, hoạt động STEM do nhà trường tổ chức và thực hiện, đồng thời thông qua các hoạt động xã hội hóa giáo dục để kết nối với cộng đồng Việc lồng ghép STEM như vậy giúp nâng cao tính linh hoạt của chương trình học, tăng cường liên kết giữa nhà trường, địa phương và thực tiễn xã hội, đồng thời đáp ứng nhu cầu phát triển khoa học, công nghệ và kỹ năng cho học sinh.
Định hướng đổi mới phương pháp giáo dục được nêu trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018 phù hợp với giáo dục STEM ở cấp độ dạy học tích hợp theo chủ đề liên môn, nhằm vận dụng kiến thức liên môn để giải quyết các vấn đề thực tiễn Mô hình này kết nối nội dung học tập với các tình huống thực tế, tăng cường tư duy phản biện, kỹ năng hợp tác và sáng tạo thông qua các dự án liên môn và các bài tập giải quyết vấn đề.
1.2.2 Giáo dục STEM trong một số môn học thuộc lĩnh vực STEM cấp THPT 1.2.2.1 Môn Toán a Mục tiêu môn Toán Đối với cấp trung ho ̣c phổ thông, giáo dục toán góp phần phát triển tư duy logic, giú p ho ̣c sinh: Có hiểu biết tương đối tổng quát về các ngành nghề gắn với môn Toán và giá tri ̣ của nó; làm cơ sở cho đi ̣nh hướng nghề nghiệp sau trung ho ̣c phổ thông; có đủ năng lực tối thiểu để tự tìm hiểu những vấn đề liên quan đến toán học trong suốt cuộc đời b Nội dung giáo dục môn Toán
Nội dung cốt lõi môn Toán được tích hợp quanh ba mạch kiến thức chính: Số, Đại số và một số yếu tố Giải tích; Hình học và Đo lường; Thống kê và Xác suất Trong đó, Số, Đại số và một số yếu tố Giải tích là nền tảng cho các nghiên cứu sâu hơn về Toán học, trang bị các công cụ toán học để giải quyết các bài toán của Toán học và các lĩnh vực khoa học liên quan; đồng thời phát triển năng lực suy luận logic, tư duy sáng tạo và khả năng sử dụng các thuật toán Hàm số cũng đóng vai trò quan trọng cho việc xây dựng các mô hình toán học của các quá trình và hiện tượng trong thế giới thực.
Hình học và Đo lường là một trong những thành phần quan trọng và cần thiết cho học sinh trong việc tiếp thu kiến thức về không gian và phát triển các kỹ năng thực tế Hình học và Đo lường hình thành các công cụ nhằm mô tả các đối tượng, thực thể của thế giới xung quanh; đồng thời cung cấp kiến thức và kỹ năng toán học cơ bản về hình học và đo lường với các đại lượng đo thông dụng, giúp học sinh phát triển khả năng suy luận, thực hiện các chứng minh toán học và nuôi dưỡng tư duy logic, khả năng sáng tạo toán học, tư duy trừu tượng không gian và trực giác Đồng thời, hình học còn góp phần giáo dục thẩm mỹ và nâng cao văn hóa toán học cho học sinh Việc gắn kết Đo lường và Hình học sẽ tăng cường tính trực quan và tính thực tiễn của việc dạy học môn Toán.
Thống kê và xác suất là một phần bắt buộc của giáo dục toán học, góp phần tăng cường tính ứng dụng và giá trị thực tiễn của môn học Nhờ đó, học sinh có khả năng nhận thức và phân tích các thông tin được thể hiện dưới nhiều hình thức khác nhau, hiểu bản chất xác suất của nhiều sự kiện trong thực tế và thấy được vai trò của thống kê như một nguồn thông tin quan trọng về mặt xã hội Từ nền tảng này, học sinh được trang bị tư duy thống kê để phân tích dữ liệu và áp dụng các phương pháp nghiên cứu nhằm khám phá thế giới hiện đại, nâng cao sự hiểu biết và khả năng nghiên cứu, từ đó có thể đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu.
Các hoạt động thực hành và trải nghiệm bao gồm tiến hành các đề tài, dự án học tập về toán, đặc biệt là các đề tài và dự án về ứng dụng toán học vào thực tiễn; tổ chức cho học sinh tham gia các trò chơi toán học, câu đố, diễn đàn, hội thảo và cuộc thi về toán; ra báo tường hoặc nội san về toán; tham quan các cơ sở đào tạo và nghiên cứu toán học, giao lưu với học sinh có khả năng và yêu thích môn toán Những hoạt động này giúp học sinh vận dụng tri thức, kỹ năng và thái độ đã tích lũy từ giáo dục toán học và kinh nghiệm cá nhân vào thực tế cuộc sống một cách sáng tạo; phát triển năng lực tổ chức và quản lý hoạt động, năng lực tự nhận thức và tích cực hóa bản thân, đồng thời phát triển kỹ năng mềm và định hướng nghề nghiệp Từ đó, học sinh có thể xác định năng lực, sở trường của mình để lựa chọn nghề nghiệp phù hợp và hình thành nền tảng cho người lao động tương lai và công dân có trách nhiệm.
Chủ đề học tập này cung cấp thêm kiến thức và kỹ năng toán học nhằm đáp ứng yêu cầu phân hóa sâu, giới thiệu các nội dung như phương pháp quy nạp toán học, hệ phương trình bậc nhất ba ẩn, biến ngẫu nhiên, biến hình phẳng, vẽ kỹ thuật và các yếu tố của lý thuyết đồ thị; mục tiêu là tạo cơ hội cho học sinh vận dụng toán học để giải quyết các vấn đề liên môn và thực tiễn, đồng thời đóng góp vào nền tảng khoa học cho giáo dục STEM Nội dung còn nêu các ví dụ ứng dụng cụ thể: giải quyết các bài toán vật lý về tính điện trở và cường độ dòng điện trong dòng điện không đổi, cân bằng phản ứng hóa học, bài toán sinh học về nguyên phân và giảm phân, cũng như các bài toán tối ưu liên quan đến khoảng cách, thời gian và kinh tế thông qua kiến thức đạo hàm; chương trình giúp học sinh hiểu sâu vai trò và các ứng dụng của toán học trong thực tiễn và trang bị kiến thức về các ngành nghề gắn với môn Toán để làm cơ sở cho định hướng nghề nghiệp sau trung học phổ thông.
Để tạo cơ hội cho học sinh nhạy cảm với toán biết nâng cao năng khiếu, cần khuyến khích họ phát hiện sở thích, nuôi dưỡng hứng thú và xây dựng niềm tin vào khả năng của bản thân khi làm toán Việc phát triển tư duy toán học và năng lực giải quyết các vấn đề liên quan đến toán học nên được tích hợp xuyên suốt trong quá trình học, giúp học sinh tự tin nhận diện và vượt qua thách thức, đồng thời liên hệ kiến thức toán với thực tiễn đời sống Định hướng giáo dục STEM trong môn Toán đóng vai trò then chốt để mở rộng cơ hội học tập và ứng dụng toán vào các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học nói chung Nhờ đó, học sinh được trang bị những kỹ năng tư duy logic, phân tích dữ liệu và làm việc sáng tạo khi tiếp cận các bài toán phức tạp và các bài toán liên môn.
CƠ SỞ THIẾT KẾ, TỔ CHỨC CÁC HOẠT ĐỘNG GIÁO DỤC STEM
Tiếp cận liên môn trong giáo dục STEM nhấn mạnh việc vận dụng kiến thức từ các môn học thuộc lĩnh vực STEM để giải quyết các vấn đề thực tiễn; vì vậy giáo dục STEM định hình bằng hoạt động và trải nghiệm, tập trung vào khám phá, thực hành và sản phẩm để gắn kết lý thuyết với thực tiễn Với đặc trưng ấy, chu trình STEM cùng phương pháp khoa học (Scientific Method) và quy trình thiết kế kỹ thuật (Engineering Design Process) được xác định là nền tảng để thiết kế và tổ chức các hoạt động giáo dục STEM, đảm bảo sự kết nối giữa nhận thức và thực tiễn Phương pháp khoa học hướng tới khám phá tri thức, trong khi quy trình thiết kế kỹ thuật thúc đẩy quá trình ý tưởng, thử nghiệm, đánh giá và hoàn thiện sản phẩm nhằm giải quyết các vấn đề thực tiễn.
2 Chương trình GDPT 2018 môn Tin học hướng tới vận dụng tri thức khoa học để giải quyết các vấn đề thực tiễn, trong khi chu trình STEM thể hiện sự liên hệ, kết nối giữa các lĩnh vực STEM
Khoa học tự nhiên, kĩ thuật và công nghệ có mối liên hệ mật thiết với nhau và cùng sử dụng toán làm công cụ quan trọng Mối liên hệ này được thể hiện thông qua chu trình STEM (Hình 1.1)
Trong chu trình STEM, khoa học được xem là nguồn tri thức về thế giới tự nhiên dựa trên công cụ toán học và các công nghệ hiện có Kĩ thuật dựa trên toán học và tri thức khoa học, kết hợp với các công nghệ sẵn có, nhằm giải quyết các vấn đề thực tiễn và mang lại các công nghệ mới.
Xem xét mối quan hệ giữa khoa học và công nghệ cho thấy khoa học là nền tảng của sự phát triển công nghệ, cung cấp kiến thức, phương pháp và dữ liệu để ứng dụng vào thực tiễn Ngược lại, sự tiến bộ của công nghệ mở ra các cơ hội cho khoa học khám phá, thử nghiệm và mở rộng phạm vi nghiên cứu, từ đó thúc đẩy sự phát triển của khoa học Mối quan hệ hai chiều này là động lực và nguồn lực cho đổi mới sáng tạo và tiến bộ xã hội.
Trong chu trình STEM, Khoa học được thể hiện bằng một mũi tên từ Công nghệ sang Tri thức, tượng trưng cho quy trình sáng tạo khoa học; đứng trước thực tiễn và công nghệ hiện tại, các nhà khoa học với năng lực tư duy phản biện đặt ra những câu hỏi và vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, làm cơ sở cho việc hoàn thiện và phát triển công nghệ Việc trả lời các câu hỏi khoa học hoặc giải quyết các vấn đề khoa học sẽ phát minh ra Tri thức khoa học Ngược lại, Kỹ thuật (Engineering) trong chu trình STEM được mô tả bởi một mũi tên từ Tri thức sang Công nghệ, thể hiện quy trình kỹ thuật; các kỹ sư sử dụng Tri thức khoa học để thiết kế và sáng tạo ra công nghệ.
Theo nguồn tham khảo từ KnowAtom, việc giải quyết vấn đề thực tiễn được thể hiện qua chu trình sáng tạo khoa học – kỹ thuật Đặc trưng của khoa học là phương pháp khoa học, trong khi đặc trưng của kỹ thuật là thiết kế kỹ thuật Hai quy trình này kết nối, khép kín thành chu trình xoáy ốc, qua mỗi vòng lặp lượng kiến thức khoa học được mở rộng và công nghệ phát triển lên trình độ cao hơn.
Mối liên hệ mật thiết giữa các lĩnh vực STEM được thể hiện qua chu trình, làm cơ sở triển khai giáo dục STEM tại phổ thông theo phương thức tích hợp liên môn Việc áp dụng phương thức tích hợp liên môn sẽ kết nối chặt chẽ giữa các môn khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học để hình thành một mô hình giáo dục STEM thống nhất Mô hình chủ đạo sẽ được triển khai và áp dụng trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018, nhằm nâng cao chất lượng và tính liên ngành của giáo dục STEM ở cấp phổ thông.
1.3.2 Quy trình thiết kế kĩ thuật
Hình 1.2: Quy trình thiết kế kĩ thuật trong giáo dục STEM
Thiết kế kĩ thuật là quá trình phát hiện nhu cầu và vấn đề cần giải quyết, đồng thời đổi mới trong thực tiễn; từ đó đề xuất các giải pháp kĩ thuật, công nghệ phù hợp để đáp ứng nhu cầu và xử lý các thách thức Quá trình này bao gồm hiện thực hóa giải pháp kĩ thuật, công nghệ và tiến hành thử nghiệm, đánh giá mức độ đáp ứng nhằm đảm bảo tính khả thi và hiệu quả Quá trình được thực hiện trên cơ sở xem xét đầy đủ các khía cạnh về tài nguyên, môi trường, kinh tế và nhân văn để cân bằng lợi ích và hạn chế rủi ro Nội dung cụ thể của các bước trong quy trình thiết kế kĩ thuật (theo Hình 1.2) gồm các bước từ nhận diện nhu cầu, phân tích vấn đề, đề xuất giải pháp, triển khai và kiểm nghiệm, đến đánh giá và tối ưu hóa kết quả.
Xác định vấn đề là xuất phát điểm của quá trình thiết kế kỹ thuật Ở bước này, cần trả lời rõ ràng ba câu hỏi: Vấn đề hay nhu cầu cần giải quyết là gì; ai đang gặp vấn đề hay có nhu cầu đó; tại sao vấn đề hay nhu cầu đó lại cần được giải quyết Việc nắm rõ các yếu tố này giúp xác định phạm vi dự án và định hướng các giải pháp thiết kế phù hợp với người dùng và mục tiêu kỹ thuật.
Vấn đề và nhu cầu của người dùng được xác định thông qua quan sát thế giới tự nhiên và môi trường sống của con người, đồng thời qua đọc tài liệu, khảo sát nhu cầu và trao đổi giao tiếp để phát hiện những tồn tại chưa được giải quyết hay cần cải tiến, cũng như những mong muốn đặc thù trong từng bối cảnh cụ thể Quá trình này liên kết dữ liệu thực tế với diễn giải thông tin từ người dùng, giúp nhận diện các yếu tố cần tối ưu hóa trong sản phẩm hoặc dịch vụ nhằm đáp ứng mục tiêu và yêu cầu thực tế Nhờ đó có thể xây dựng nội dung có giá trị SEO và mang tính ứng dụng cao, phản ánh đúng nhu cầu thực tế và phù hợp với ngữ cảnh của người dùng.
Việc thực hiện tổng quan nghiên cứu giúp thừa hưởng kinh nghiệm từ người đi trước và tránh các sai lầm trong quá trình nghiên cứu Ở giai đoạn này, cần rà soát các vấn đề cốt lõi như nhu cầu đã được giải quyết hay chưa; nếu đã được giải quyết, cần phân tích ưu điểm và hạn chế của các sản phẩm hoặc giải pháp hiện có Đồng thời, tổng quan cũng gồm hệ thống hóa kiến thức và kỹ năng liên quan đến vấn đề, xem xét chúng bao gồm những yếu tố nào và được áp dụng như thế nào để đạt được mục tiêu nghiên cứu.
Để nắm bắt thông tin tổng quan một cách hiệu quả, ta có thể bắt đầu bằng việc đọc các thông tin chung trong từ điển, bách khoa toàn thư và sách giáo khoa liên quan đến các từ khóa của vấn đề; tiếp đó xem xét các tài liệu kỹ thuật về các sản phẩm đã có để hiểu đặc điểm và giới hạn hiện hành; đồng thời trao đổi trực tiếp với người dùng và các chuyên gia để có những quan điểm thực tế và ngữ cảnh ứng dụng; tham gia các diễn đàn liên quan để mở rộng góc nhìn và tiếp nhận phản hồi từ cộng đồng; cuối cùng thực hiện tìm kiếm, đánh giá và sử dụng thông tin trên Internet một cách có hệ thống nhằm tổng hợp dữ liệu và rút ra các kết luận phù hợp.
Trong giai đoạn này, cần đề xuất các yêu cầu và tiêu chí thiết kế cần đạt được cho dự án Một phương pháp hiệu quả là dựa trên phân tích kỹ lưỡng các quy trình, giải pháp và sản phẩm hiện có để rút ra các tiêu chí thiết kế phù hợp Các yêu cầu và tiêu chí phải được xác định rõ ràng, có thể đo lường được và được thể hiện đầy đủ để làm cơ sở cho việc đánh giá, lựa chọn giải pháp và triển khai các bước tiếp theo.
Yêu cầu của một sản phẩm được thể hiện thông qua các chức năng mà nó phải thực hiện và các tiêu chuẩn hiệu suất cho từng chức năng Các giới hạn về đặc điểm vật lý như kích thước, khối lượng và cân nặng cũng là yếu tố thiết yếu cần được xác định Ngoài ra, các vấn đề liên quan đến tài chính, bảo vệ môi trường, an toàn và thẩm mỹ (nếu có) sẽ ảnh hưởng đến thiết kế và lựa chọn giải pháp Quá trình này bao gồm đề xuất, đánh giá và lựa chọn các giải pháp tối ưu dựa trên sự cân bằng giữa yêu cầu chức năng, giới hạn vật lý và các yếu tố bền vững.
MỘT SỐ HÌNH THỨC TỔ CHỨC GIÁO DỤC STEM
1.4.1 Dạy học các môn khoa học theo bài dạy STEM
1.4.1.1 Khái quát về bài dạy STEM
Bài dạy STEM là quá trình dạy học do giáo viên tổ chức, trong đó học sinh chủ động tham gia thực hiện các hoạt động học tập trong một không gian, thời gian cụ thể để giải quyết các vấn đề thực tiễn dựa trên vận dụng kiến thức và kỹ năng thuộc các lĩnh vực STEM, nhằm hình thành và phát triển phẩm chất cũng như năng lực của học sinh Đây là hình thức tổ chức giáo dục STEM chủ yếu được áp dụng tại nhà trường Theo cách tiếp cận này, các bài dạy STEM được triển khai ngay trong quá trình dạy học các môn thuộc lĩnh vực STEM theo hướng nội môn hoặc liên môn.
Dựa trên cơ sở lý thuyết áp dụng, bài dạy STEM được phân thành hai loại chính: bài dạy STEM khoa học và bài dạy STEM kỹ thuật Nội dung của hai loại này được trình bày cụ thể tại mục 1.4.1.2, giúp giáo viên xây dựng kế hoạch giảng dạy tích hợp giữa khoa học và kỹ thuật, đồng thời phát triển tư duy phản biện và kỹ năng giải quyết vấn đề cho học sinh.
Bài dạy STEM bám sát chương trình giáo dục phổ thông và gắn kết với bản chất, nguyên lí khoa học của thế giới tự nhiên hoặc các vấn đề thực tiễn, xã hội Nội dung được xây dựng dựa trên hoạt động học tập tích cực theo phương pháp giảng dạy hiện đại, giúp học sinh liên hệ lý thuyết với thực tiễn, phát triển tư duy phản biện, sáng tạo và kỹ năng giải quyết vấn đề trong ngữ cảnh STEM.
4 chủ đề STEM hướng tới việc vận dụng kiến thức tích hợp các lĩnh vực Toán, Khoa học, Kĩ thuật và Công nghệ nhằm giải quyết các vấn đề thực tiễn trong cuộc sống STEM nhấn mạnh tiến trình thiết kế kĩ thuật và các phương pháp dạy học cho phép học sinh tham gia vào các hoạt động tìm tòi và khám phá, định hướng hành động và sản phẩm Với hình thức tổ chức dạy học đa dạng, STEM lôi cuốn học sinh vào hoạt động kiến tạo, tăng cường hoạt động nhóm và tự lực tiếp cận kiến thức mới để vận dụng giải quyết vấn đề Chương trình ưu tiên sử dụng các thiết bị, công nghệ sẵn có và chi phí tối thiểu, giúp học sinh dễ tiếp cận và thực nghiệm các giải pháp STEM trong thực tế.
1.4.1.2 Nội dung bài dạy STEM a) Bài dạy STEM khoa học
Đây là bài dạy STEM được thiết kế dựa trên quy trình khoa học, như đã trình bày tại mục 1.3.3 của chương Bài dạy STEM hướng tới tìm tòi và khám phá bản chất, quy luật của sự vật và hiện tượng trong thế giới tự nhiên, đồng thời phát triển kỹ năng điều tra và tư duy khoa học cho người học.
Bài dạy STEM về khoa học được ứng dụng chủ yếu trong các môn khoa học tự nhiên ở cấp trung học cơ sở và các môn vật lý, hóa học, sinh học ở cấp trung học phổ thông, với trọng tâm là các hoạt động hình thành kiến thức mới cho bài học.
Bài dạy STEM về khoa học gồm 5 hoạt động chính, phản ánh các bước cốt lõi của quy trình khoa học: xác định vấn đề khoa học và đề xuất giả thuyết khoa học; thiết kế thực nghiệm để kiểm chứng giả thuyết; lựa chọn phương án thực nghiệm phù hợp; tổ chức thực nghiệm, thu thập dữ liệu và thảo luận kết quả; báo cáo, đánh giá và điều chỉnh dựa trên kết quả thu được.
Các bài dạy STEM theo cách này chú trọng hoạt động khám phá và tìm hiểu tự nhiên thông qua thực nghiệm khoa học Học sinh được tham gia quá trình quan sát, đặt câu hỏi và thử nghiệm để rút ra kết luận dựa trên dữ liệu thực nghiệm Đây là một thành phần quan trọng của năng lực khoa học trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018, đóng góp vào phát triển tư duy logic, kỹ năng giải quyết vấn đề và khả năng tự học Việc áp dụng phương pháp học tập dựa trên khám phá giúp học sinh hình thành năng lực nghiên cứu và nhận thức khoa học một cách có hệ thống.
Trọng tâm của bài dạy STEM môn khoa học là học sinh thiết kế và thực hiện các thí nghiệm để phát hiện bản chất, quy luật và mối quan hệ của các sự vật, hiện tượng được đề cập trong bài học Quá trình này giúp học sinh tự rút ra các kết luận mang tính khoa học, trong khi giáo viên đóng vai trò hướng dẫn và hệ thống hóa kiến thức để đảm bảo học sinh nắm vững nội dung.
Việc học tập của học sinh trong bài dạy STEM mang tính chất nghiên cứu khoa học, giúp các em phát triển tư duy khoa học và kỹ năng thực hành qua thực nghiệm Bài dạy này đã được nhiều giáo viên quan tâm và tích cực triển khai trong quá trình đổi mới phương pháp dạy học theo chỉ đạo của Bộ Giáo dục và Đào tạo trong thời gian vừa qua.
Trong giáo dục STEM, bài dạy khoa học thường được tổ chức tại phòng thí nghiệm bộ môn với đầy đủ dụng cụ thí nghiệm và thực hành, giúp học sinh thiết kế và triển khai các thí nghiệm khoa học dưới sự định hướng và giám sát của giáo viên và nhân viên thí nghiệm Bài dạy STEM kĩ thuật cũng được thiết kế tương tự, nhấn mạnh vận dụng nguyên lý khoa học vào các bài toán kỹ thuật để phát huy tư duy sáng tạo và khả năng giải quyết vấn đề của học sinh.
Bài dạy STEM được thiết kế dựa trên quy trình thiết kế kỹ thuật (như trình bày trong mục 1.3.2 của chương này), nhằm giúp học sinh phát hiện vấn đề và đề xuất các giải pháp giải quyết vấn đề trong thực tiễn bằng cách vận dụng các nguyên lý khoa học, toán học và các công nghệ hiện có.
Bài dạy STEM kỹ thuật được tích hợp trong các môn học thuộc lĩnh vực STEM, là sự kết hợp giữa tìm tòi nguyên lý khoa học và vận dụng chúng vào thiết kế, chế tạo các sản phẩm nhằm giải quyết các vấn đề và đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.
Cấu trúc bài dạy STEM kĩ thuật gồm 5 hoạt động chính trên cơ sở quy trình
Hoạt động thiết kế kỹ thuật là một quy trình gồm nhiều bước nhằm xác định và giải quyết vấn đề thiết kế chế tạo Quá trình bắt đầu với Xác định vấn đề thiết kế và mục tiêu chế tạo, tiếp tục Nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất giải pháp thiết kế phù hợp, rồi Lựa chọn giải pháp thiết kế tối ưu dựa trên tiêu chí và giới hạn thực tế Tiếp đó Chế tạo mẫu, thử nghiệm và đánh giá để kiểm chứng tính khả thi và hiệu quả của giải pháp, và kết thúc bằng Chia sẻ, thảo luận và điều chỉnh dựa trên phản hồi của các bên liên quan để hoàn thiện sản phẩm và quy trình thiết kế kỹ thuật.
Bài dạy STEM kĩ thuật tập trung vào thiết kế và chế tạo, định hướng ra sản phẩm nhằm giải quyết các vấn đề được đặt ra Bên cạnh tư duy sáng tạo và khả năng giải quyết vấn đề, bài học STEM kĩ thuật yêu cầu học sinh phát huy năng lực khám phá khoa học và vận dụng kĩ thuật, công nghệ trong thiết kế sản phẩm, lựa chọn và gia công vật liệu cơ khí; thiết kế, lập trình và lắp ráp mạch điện điều khiển và tự động hóa, in 3D, IoT, Robotics để hiện thực hóa sản phẩm Việc học diễn ra như công việc của một kỹ sư: qua các bài dạy STEM kĩ thuật, học sinh tự khám phá tri thức khoa học và vận dụng nó để thiết kế, chế tạo các sản phẩm giải quyết vấn đề, từ đó phát triển tư duy thiết kế, năng lực giải quyết vấn đề và sự sáng tạo.