ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM –––––––––––––––––––––– NGUYỄN ANH TUẤN THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC THÍ NGHIỆM ĐƠN GIẢN ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LỚP 6 THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO[.]
Trang 1ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ––––––––––––––––––––––
NGUYỄN ANH TUẤN
THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC THÍ NGHIỆM ĐƠN GIẢN
ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LỚP 6
THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC
THÁI NGUYÊN - 2020
Trang 2ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ––––––––––––––––––––––
NGUYỄN ANH TUẤN
THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC THÍ NGHIỆM ĐƠN GIẢN
ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LỚP 6
THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM
Ngành: Lý luận và phương pháp dạy học bộ môn Vật lí
Mã số: 8140111
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thị Thu Hà
THÁI NGUYÊN - 2020
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam kết luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu và những kết luận của luận văn này chưa được công bố trong bất kì một công trình nghiên cứu nào
Thái Nguyên, tháng 6 năm 2020
Tác giả
Nguyễn Anh Tuấn
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Để có được luận văn này, cho phép tôi được bày tỏ sự biết ơn của mình đến:
- Ban giám hiệu, Phòng sau đại học, quý thầy (cô) là giảng viên khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên, quý thầy (cô) là giảng viên của các trường đại học liên kết đào tạo đã truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, hướng dẫn cách tiếp cận và nghiên cứu đề tài
- TS Nguyễn Thị Thu Hà với kinh nghiệm, sự nhiệt tình và trách nhiệm cao Cô đã hướng dẫn, hỗ trợ, góp ý và chính sửa cho luận văn của tôi trong quá trình nghiên cứu đề tài và viết luận văn
- Ban giám hiệu trường phổ thông dân tộc nội trú THCS Đồng Hỷ cùng các thầy cô trong tổ bộ môn Khoa học tự nhiên của trường phổ thông dân tộc nội trú THCS Đồng Hỷ, các thầy (cô) đang công tác tại một số trường THCS trên địa bàn Thành phố Thái Nguyên và các em học sinh đã nhiệt tình giúp đỡ và ủng hộ tôi trong quá trình thực hiện đề tài
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cám ơn của mình đến gia đình, bạn bè đã luôn sát cánh, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này
Thái Nguyên, tháng 06 năm 2020
Tác giả
Nguyễn Anh Tuấn
Trang 5
MỤC LỤC
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các chữ viết tắt vi
Danh mục các bảng vii
Danh mục các hình viii
MỞ ĐẦU 1
1 Lí do chọn đề tài 1
2 Mục đích nghiên cứu 2
3 Khách thể và đối tượng nghiên cứu 2
4 Nhiệm vụ nghiên cứu 2
5 Giả thuyết khoa học 3
6 Phương pháp nghiên cứu 3
7 Đóng góp của đề tài 4
8 Cấu trúc của đề tài 4
PHẦN NỘI DUNG 5
Chương 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN 5
1.1 Lịch sử nghiên cứu về giáo dục STEM 5
1.1.1 Giáo dục STEM trên thế giới 5
1.1.2 Nghiên cứu về giáo dục STEM ở trong nước 7
1.2 Giáo dục STEM 11
1.2.1 Khái niệm về giáo dục STEM 11
1.2.2 Giáo dục STEM trong chương trình giáo dục phổ thông mới 12
1.2.3 Thí nghiệm trong dạy học theo định hướng GD STEM 29
1.3 Năng lực giải quyết vấn đề của học sinh 31
1.3.1 Khái niệm năng lực giải quyết vấn đề 31
Trang 61.3.2 Biểu hiện của năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trong học tập 32
1.3.3 Cấu trúc của năng lực giải quyết vấn đề 32
1.3.4 Các biện pháp sử dụng thí nghiệm trong dạy học nội dung vật lí môn KHTN theo định hướng giáo dục STEM nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của HS 34
1.4 Tìm hiểu thực tế dạy học STEM tại trường PT dân tộc nội trú THCS Đồng Hỷ 36
1.4.1 Mục đích điều tra 36
1.4.2 Phương pháp điều tra 37
1.4.3 Đối tượng điều tra 37
1.4.4 Kết quả điều tra 37
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 41
Chương 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC NỘI DUNG VẬT LÍ MÔN KHOA HỌC TỰ NHIÊN 6 THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM 42
2.1 Phân tích nội dung thí nghiệm vật lí trong chương trình Khoa học tự nhiên 6 theo định hướng giáo dục STEM 42
2.1.1 Mục tiêu môn vật lí lớp 6 42
2.1.2 Cấu trúc nội dung Vật lí trong chương trình Khoa học tự nhiên 6 45
2.2 Xây dựng thí nghiệm 45
2.2.1 Nguyên tắc chế tạo thí nghiệm 45
2.2.2 Quy trình chế tạo thí nghiệm 46
2.3 Sử dụng thí nghiệm trong dạy học bài “đòn bẩy và ròng rọc” theo định hướng giáo dục STEM 54
2.3.1 Mục tiêu chủ đề 54
2.3.2 Kiến thức về STEM trong chủ đề 54
2.3.3 Kế hoạch dạy học 55
2.3.4 Chuẩn bị các điều kiện tổ chức dạy học 55
Trang 72.4 Đánh giá năng lực GQVĐ của học sinh trong quá trình dạy học 72
2.4.1 Các tiêu chí và phiếu để giáo viên đánh giá nhóm học sinh 72
2.4.2 Các tiêu chí và phiếu để học sinh tự đánh giá và đánh giá đồng đẳng 74
2.4.3 Đề kiểm tra năng lực giải quyết vấn đề 75
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 77
Chương 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 78
3.1 Mục đích thực nghiệm sư phạm 78
3.2 Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm 78
3.3 Kế hoạch thực nghiệm sư phạm 79
3.4 Tiến hành thực nghiệm sư phạm 79
3.4.1 Công tác chuẩn bị 79
4.4.2 Tổ chức dạy học bài “Đòn bẩy” 79
4.4.3 Tổ chức dạy học bài “Ròng rọc” 81
3.5 Đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm 82
3.5.1 Đánh giá định tính 82
3.5.2 Đánh giá định lượng 83
3.5.3 Đánh giá chung về thực nghiệm sư phạm 88
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 89
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 PHỤ LỤC
Trang 8DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Trang 9DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Bảng mô tả biểu hiệu năng lực giải quyết vấn đề 32
Bảng 2.1 Bảng kế hoạch dạy học chủ đề “đòn bẩy và ròng rọc” theo định hướng GD STEM 55
Bảng 2.2 Các tiêu chí và mức độ đánh giá năng lực giải quyết vấn đề 73
Bảng 2.3 Các tiêu chí và mức độ đánh giá năng lực giải quyết vấn đề 74
Bảng 3.1 Bảng điểm đánh giá nhóm học sinh của giáo viên 83
Bảng 3.2 Bảng điểm tổng hợp đánh giá năng lực GQVĐ của học sinh 84
Trang 10DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Quy trình thiết kế bài học STEM 13
Hình 1.2 Sơ đồ tiến trình tổ chức dạy học Vật lý theo định hướng GD STEM 16
Hình 1.3 Cấu trúc năng lực GQVĐ 33
Hình 1.4 Sơ đồ quy trình sử dụng TN trong tổ chức dạy học theo định hướng giáo dục STEM 36
Hình 2.1 Sơ đồ quy trình chế tạo thí nghiệm 47
Hình 2.2 Phương án chế tạo thí nghiệm đòn bẩy 48
Hình 2.3 Lắp ráp thành bộ đòn bẩy 49
Hình 2.4 Tiến hành thí nghiệm tác dụng của đòn bẩy 50
Hình 2.5 Thí nghiệm tác dụng của đòn bẩy làm thay đổi hướng của lực 50
Hình 2.6 Thí nghiệm đòn bẩy được lợi về lực 50
Hình 2.7 Phương án chế tạo thí nghiệm ròng rọc tĩnh (a) và ròng rọc động (b) 51
Hình 2.8 Lắp ráp 2 bộ ròng rọc động và tĩnh 52
Hình 2.9 Thí nghiệm về tác dụng của ròng rọc 52
Hình 2.10 Thí nghiệm tác dụng của ròng rọc tĩnh làm thay đổi hướng của lực 53
Hình 2.11 Thí nghiệm tác dụng của ròng rọc động lực kéo vật nhỏ hơn trọng lượng của vật 53
Hình 2.12 Một số hình ảnh về sản phẩm cối giã gạo đơn giảm 67
Hình 2.13 Một số hình ảnh về sản phẩm máy cần cẩu đơn giản 72
Hình 3.1 Tỉ lệ nam và nữ trong lớp TN 75
Hình 3.2 Trung bình điểm đánh giá năng lực giải quyết vấn đề của nhóm HS nam và nữ 76
Hình 3.3 Điểm trung bình bài kiểm tra và điểm trung bình phiếu đánh giá 76
Hình 3.4 Điểm trung bình học tập với điểm đánh giá năng lực GQVĐ 77
Hình 3.5 Điểm trung bình đánh giá năng lực GQVĐ của các nhóm 77
Trang 11MỞ ĐẦU
1 Lí do chọn đề tài
Chương trình giáo dục phổ thông mới để được vận dụng trong dạy học một cách hiệu quả và có thể phát huy hết năng lực và tư duy của người học thì chúng ta cần phải nâng cao chất lượng và phương pháp giáo dục hơn nữa Và chương trình giáo dục mới đang hướng học sinh từ tiếp cận, lĩnh hội những kiến thức cơ bản sang phát triển năng lực của người học Muốn thực hiện được điều đó thay vì dạy học theo “lối truyền thụ một chiều” sang dạy “cách học, cách vận dụng kiến thức, rèn luyện kỹ năng, hình thành năng lực và phẩm chất của người học, đồng thời phải chuyển cách đánh giá kết quả giáo dục từ nặng về kiểm tra trí nhớ sang kiểm tra, đánh giá năng lực vận dụng kiến thức tổng hợp để giải quyết vấn đề thực tiễn, nhằm hình thành và phát triển năng lực GQVĐ” Một trong những cách học phát huy được vai trò chủ động, tích cực, sáng tạo và vận dụng tổng hợp các kiến thức của các môn học để giải quyết vấn đề thực tiễn
là dạy học theo định hướng giáo dục STEM
STEM là thuật ngữ viết tắt của các từ Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kĩ thuật) và Mathematics (Toán học), thường được sử dụng khi bàn đến các chính sách phát triển về Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học của mỗi quốc gia Thuật ngữ này lần đầu tiên được giới thiệu bởi Quỹ Khoa học Mỹ vào năm 2001
Với những tiếp cận khác nhau, giáo dục STEM sẽ được hiểu và triển khai theo những cách khác nhau Các nhà lãnh đạo và quản lý đề xuất các chính sách để thúc đẩy giáo dục STEM, quan tâm đến việc chuẩn bị nguồn nhân lực đáp ứng yêu cầu của sự phát triển khoa học, công nghệ Người làm chương trình quán triệt giáo dục STEM theo cách quan tâm tới nâng cao vai trò, vị trí, sự phối hợp giữa các môn học có liên quan trong chương trình Giáo viên thực hiện giáo dục STEM thông qua hoạt động dạy học để kết nối kiến thức học
Trang 12đường với thế giới thực, giải quyết các vấn đề thực tiễn, để nâng cao hứng thú, để hình thành và phát triển năng lực và phẩm chất cho học sinh
Dạy học theo định hướng giáo dục STEM giúp học sinh có được các kỹ năng, năng lực, kỹ thuật, hiểu được quy trình từ đó có khả năng sản xuất ra đối tượng Học sinh được trang bị khả năng phân tích, tổng hợp, kết hợp để biết cách làm thế nào cân bằng các yếu tố liên quan như khoa học, nghệ thuật, công nghệ, kỹ thuật nhằm có được một giải pháp tốt nhất trong thiết kế và xây dựng quy trình Ngoài ra, học sinh còn có khả năng nhận ra nhu cầu và phản ứng của xã hội trong những vấn đề liên quan đến kỹ thuật và nghề nghiệp trong tương lai
Xuất phát từ những lí do trên, tôi chọn đề tài “Thiết kế chế tạo các thí
nghiệm đơn giản để sử dụng trong dạy học Khoa học tự nhiên lớp 6 theo định hướng giáo dục STEM”
2 Mục đích nghiên cứu
Thiết kế, chế tạo một số thí nghiệm đơn giản vận dụng trong dạy học một
số nội dung Vật lí môn Khoa học tự nhiên lớp 6 theo định hướng giáo dục STEM nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh
3 Khách thể và đối tượng nghiên cứu
- Khách thể: Học sinh trường phổ thông dân tộc nội trú THCS Đồng Hỷ
- Đối tượng nghiên cứu:
+ Nội dung Vật lí trong chương trình Khoa học tự nhiên 6 + Năng lực giải quyết vấn đề của học sinh
+ Các hoạt động chế tạo và sử dụng thí nghiệm trong dạy học nội dung Vật lí môn khoa học tự nhiên 6 theo định hướng giáo dục STEM nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh
4 Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về đề tài nghiên cứu
- Nghiên cứu một số vấn đề lý luận cơ bản về:
+ Dạy học theo định hướng giáo dục STEM
Trang 13+ Năng lực giải quyết vấn đề của học sinh + Thiết kế và chế tạo thí nghiệm
+ Nghiên cứu đánh giá thực trạng việc sử dụng thí nghiệm trong trường trung học cơ sở
+ Nghiên cứu chương trình khoa học tự nhiên và nội dung Vật lí trong chương trình Khoa học tự nhiên 6 (Chương trình Giáo dục phổ thông 2018)
- Phân tích nội dung Vật lí trong chương trình Khoa học tự nhiên 6, từ đó lựa chọn nội dung kiến thức và nghiên cứu thiết kế, chế tạo thí nghiệm đơn giản
- Sử dụng thí nghiệm đã chế tạo trong dạy học một số chủ đề trong chương trình Khoa học tự nhiên 6 nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh
- Tiến hành thực nghiệm sư phạm: Tổ chức hoạt động dạy nội dung kiến thức có liên quan đến thí nghiệm từ đó đối chứng với phương pháp truyền thống, thực hiện phân tích định tính, định lượng các kết quả thực nghiệm, từ đó rút ra các sửa đổi, bổ sung cần thiết
5 Giả thuyết khoa học
Nếu thiết kế, chế tạo được một số thí nghiệm đơn giản và sử dụng chúng vào trong dạy học nội dung Vật lí môn Khoa học tự nhiên 6 theo định hướng giáo dục STEM một cách hợp lí sẽ góp phần phát triển năng lực giải quyết vấn
đề của HS
6 Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau:
- Nhóm phương pháp nghiên cứu lý luận: Tìm kiếm nội dung, đọc tài
liệu, nghiên cứu, phân tích các tài liệu về STEM, tổng hợp các quan điểm, lý luận liên quan đến vấn đề nghiên cứu
- Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Quan sát, điều tra - khảo sát
bằng phiếu hỏi, tổng kết kinh nghiệm
- Nhóm phương pháp thực nghiệm: Tổ chức cho các lớp học sinh học tập
nội dung kiến thức theo phương pháp truyền thống và theo phương pháp dạy
học theo định hướng giáo dục STEM, so sánh kết quả
Trang 147 Đóng góp của đề tài
- Góp phần làm rõ hơn cơ sở lí luận về tổ chức hoạt động dạy học theo định hướng giáo dục STEM cho HS ở trường THCS
- Thiết kế và chế tạo được các thí nghiệm đơn giản để sử dụng trong dạy học nội dung Vật lí môn Khoa học tự nhiên lớp 6 theo định hướng giáo dục STEM nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của HS
- Tổ chức một số hoạt động dạy học nội dung Vật lí theo định hướng giáo dục STEM tại trường THCS
8 Cấu trúc của đề tài
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, cấu trúc luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Cơ sở lí luận và thực tiễn Chương 2: Thiết kế, chế tạo và sử dụng thí nghiệm trong dạy học nội
dung Vật lí môn Khoa học tự nhiên 6 theo định hướng giáo dục STEM
Chương 3: Thực nghiệm sư phạm
Trang 15PHẦN NỘI DUNG
Chương 1
CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN 1.1 Lịch sử nghiên cứu về giáo dục STEM
1.1.1 Giáo dục STEM trên thế giới
Trong những năm gần đây các nghiên cứu về STEM được nhiều các nhà giáo dục trên thế giới nghiên cứu và tiếp tục phát triển Theo thống kê của Josh Brown - Trường đại học Illinois giai đoạn 2007 - 2010 tại Mỹ có 60 bài báo khoa học liên quan trực tiếp đến giáo dục STEM được xuất bản từ 8 tạp chí nổi tiếng trong lĩnh vực giáo dục của Mỹ, điều này cho thấy cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu về giáo dục STEM [17] Theo cơ sở dữ liệu ISI trong những năm 1992-2013 thì số lượng các bài báo nghiên cứu về vấn đề STEM phát triển mạnh tăng từ 15 bài báo trong năm 2008 đến năm 2013 đã có con số gần 100 bài báo có chất lượng về STEM Trong các bài báo trên thì Mỹ là quốc gia có
số nghien cứu nhiều nhất( 52%), tiếp theo là Anh có 9,35%, Hà Lan, Úc cùng chiếm (14,6%) còn lại các quốc gia khác như Tây Ban Nha, Thổ Nhĩ Kỳ, Canada, Đài Loan… Các nghiên cứu tập trung vào các lĩnh vực chủ yếu như: Giáo dục học, tâm lí học, kĩ thuật,…
Tổng thống Mỹ Barack Obama trong buổi nói chuyện và phát biểu tại Hội chợ Khoa học Nhà Trắng, tổ chức lần thứ ba vào tháng 4 năm 2013 như sau: “Một trong những điều mà tôi tập trung khi làm Tổng thống là làm thế nào chúng ta tạo ra một phương pháp tiếp cận toàn diện cho khoa học, công nghệ,
kỹ thuật và toán học (STEM) Chúng ta cần phải ưu tiên đào tạo đội ngũ giáo viên mới trong các lĩnh vực STEM để đảm bảo rằng tất cả chúng ta là một quốc gia ngày càng dành cho các giáo viên sự tôn trọng cao hơn mà họ xứng đáng”
Giáo sư Steven Chu, người đoạt giải Nobel Vật lý, phát biểu tại đại học SUSTech, ngày 16 tháng 10 năm 2016: “Giáo dục STEM là một loại hình giáo dục hướng dẫn bạn học cách tự học”, giáo sư Chu đã chỉ ra lợi thế của giáo dục