Tổ chức dạy học chủ đề tích hợp STEM “khoa học về những cây cầu” ở trường trung học phổ thông

Sự phù hợp của dạy học theo trạm, dạy học dự án các nội dung tích hợp STEM phát triển năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn.. Để đạt được mục tiêu đó, giáo dục cần có những điều chỉnh cả

“KHOA HỌC VỀ NHỮNG CÂY CẦU”

Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM -

THÁI DUY VŨ

TỔ CHỨC DẠY HỌC CHỦ ĐỀ TÍCH HỢP STEM

“KHOA HỌC VỀ NHỮNG CÂY CẦU”

Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

Chuyên ngành : Lý luận và PPDH Bộ môn Vật lí

Mã số: 60140111

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS NGUYỄN VĂN BIÊN

Đà Nẵng – Năm 2018

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

3 GQVĐTT Giải quyết vấn đề thực tiễn

4 NLGQVĐTT Năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài 2

3 Giả thuyết khoa học của đề tài 2

4 Đối tượng nghiên cứu của đề tài 2

5 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

6 Phương pháp nghiên cứu 3

7 Đóng góp của đề tài 3

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ DẠY HỌC TÍCH HỢP STEM NHẰM PHÁT TRIỂN NẮNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ THỰC TIỄN CỦA HỌC SINH THPT 4

1.1 Năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn 4

1.1.1 Khái niệm năng lực 4

1.1.2 Khái niệm năng lực GQVĐTT của học sinh 4

1.1.3 Cấu trúc của năng lực GQVĐTT 5

1.2 Dạy học tích hợp STEM 8

1.2.1 Dạy học tích hợp 8

1.2.2 Khái niệm về giáo dục STEM 9

1.2.3 Mối quan hệ giữa các môn học STEM 9

1.2.4 Đặc trưng của STEM 11

1.2.5 Khung làm việc STEM 13

1.2.6 Các bước để thiết kế 1 bài học STEM 14

1.2.7 Mô hình dạy học 5E và 6E 14

1.3 Sự phù hợp của dạy học theo trạm, dạy học dự án các nội dung tích hợp STEM phát triển năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn 16

1.3.1 Dạy học theo trạm 16

1.3.2 Dạy học dự án 17

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG HOẠT ĐỘNG CHỦ ĐỀ TÍCH HỢP STEM “KHOA HỌC VỀ NHỮNG CÂY CẦU” Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG 20

2.1 Mục tiêu 20

2.1.1 Kiến thức 20

2.1.2 Năng lực 21

2.2 Xác định nội dung trọng tâm 21

2.2.1 Khái niệm công trình cầu 21

2.2.2 Lịch sử phát triển của công trình cầu 21

2.2.3 Phân loại công trình cầu 23

2.2.3.1 Phân loại theo hình thức sử dụng 23

2.2.3.2 Phân loại theo vật liệu làm kết cấu nhịp 23

2.2.3.3 Phân loại theo cao độ đường xe chạy 23

2.2.3.4 Phân loại theo chướng ngại vật mà cầu vượt qua 23

2.2.3.5 Phân loại theo sơ đồ chịu lực 24

2.2.4 Một số đặc điểm của công trình cầu 26

2.2.4.1 Một số đặc điểm của cầu dầm 26

2.2.4.2 Một số đặc điểm của cầu giàn 26

2.2.4.3 Một số đặc điểm của cầu khung, khung vòm 27

2.2.4.4 Một số đặc điểm của cầu dây văng 27

2.2.4.5 Một số đặc điểm của cầu dây võng 27

2.2.5 Các yêu cầu cơ bản đối với công trình cầu 27

2.2.5.1 Yêu cầu về kỹ thuật công trình 27

2.2.5.2 Yêu cầu về mặt khai thác công trình 28

2.2.5.3 Yêu cầu về mặt kinh tế 28

2.2.5.4 Yêu cầu về mặt mỹ quan, kiến trúc 28

2.2.5.5 Yêu cầu về mặt môi trường 28

2.2.6 Một số kiến thức vật lý vận dụng trong xây dựng công trình cầu 29

2.2.6.1 Lực hướng tâm 29

2.2.6.2 Cân bằng của một vật có mặt chân đế 29

2.2.6.3 Điều kiện cân bằng 29

2.2.6.4 Mức vững vàng của cân bằng 29

2.2.6.5 Sự nở vì nhiệt của vật rắn 30

2.3 Xây dựng các hoạt động 30

2.3.1 Bảng tổng hợp các hoạt động được xây dựng trong chủ đề 30

2.3.2 Thiết kế các hoạt động 32

2.3.2.1 Nội dung 1: Vai trò của những cây cầu 32

2.3.2.2 Nội dung 2: Khoa học về những cây cầu 37

2.3.2.3 Nội dung 3: Dự án chế tạo cầu bền vững nhất từ nguyên vật liệu cho trước 40

2.4 Tổ chức dạy học 41

2.4.1 Kế hoạch dạy học 41

2.4.2 Tổ chức dạy học và kiểm tra, đánh giá 48

2.5 Công cụ đánh giá 48

2.5.1 Công cụ đánh giá năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn 48

2.5.1.1 Rubric đánh giá năng lực GQVĐTT 48

2.5.1.2 Các công cụ đánh giá khác 50

2.5.2 Công cụ đánh giá các sản phẩm dự án 51

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 53

3.1 Mục tiêu của thực nghiệm sư phạm 53

3.2 Nhiệm vụ của thực nghiệm 53

3.3 Đối tượng và thời gian thực nghiệm 53

3.4 Phương pháp thực nghiệm sư phạm 53

3.5 Những thuận lợi và khó khăn trong quá trình thực nghiệm sư phạm 54

3.5.1 Thuận lợi 54

3.5.2 Khó khăn 54

3.6 Các bước tiến hành thực nghiệm 54

3.7 Kết quả thực nghiệm sư phạm 56

3.7.1 Phân tích diễn biến giờ học và đánh giá định tính 56

3.7.2 Đánh giá định lượng 59

3.7.3 Nhận xét kết quả chủ đề tích hợp 61

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Cấu trúc năng lực GQVĐTT của HS 5

Bảng 2.1 Kế hoạch dạy học chủ đề tích hợp Stem “Khoa học về những cây cầu” 41

Bảng 2.2 Rubric đánh giá năng lực GQVĐTT 49

Bảng 2.3 Phiếu đánh giá năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn 50

Bảng 2.4 Phiếu đánh giá kết quả sản phẩm dự án 51

Bảng 3.1 Kế hoạch cụ thể các công việc dạy học 55

Bảng 3.2 Kết quả đánh giá năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn 58

Bảng 3.3 Kết quả năng lực các nhóm đạt được 60

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mối liên quan của Khoa học (Science), Công nghệ (Engineering), Kĩ thuật

(Technology) và Toán học (Math) 10

Hình 1.2 Khung làm việc STEM 13

Hình 1.3 Mô hình 5E trong dạy học STEM 15

Hình 1.4 Mô hình 6E trong dạy học STEM 16

Hình 2.1 Cầu Arkadiko ở Peloponnese, Hy Lạp 22

Hình 2.2 Cầu Triệu Châu, thuộc tỉnh Hà Bắc, Trung Quốc 22

Hình 2.3 Cầu quay sông Hàn, Đà Nẵng 24

Hình 2.4 Cầu khung 25

Hình 2.5 Các dạng cầu vòm 25

Hình 2.6 Cầu treo dây võng 25

Hình 2.7 Cầu treo dây văng 26

Hình 2.8 Cầu dàn 26

Hình 2.9 Hình ảnh về mức vững vàng của mặt chân đế 29

Hình 3.1 Giới thiệu chủ đề cho nhóm học sinh 56

Hình 3.2 HS thực hiện nhiệm vụ làm mô hình cầu 57

Hình 3.3 Ảnh kết quả thực hiện dự án 57

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Sự thành công của mỗi quốc gia phụ thuộc vào những ý tưởng sáng tạo và kĩ năng mà công dân đất nước đó sở hữu Những kĩ năng này là yếu tố cơ bản để có thể thay đổi mô hình sản xuất, mô hình kinh tế, nâng cao năng suất lao động và tạo ra ưu thế cạnh tranh Trong thế kỉ XXI, xu thế phát triển của công nghệ và sự sáng tạo đòi hỏi các quốc gia phải trang bị nhiều hơn nữa những kĩ năng cho lực lượng lao động để

có thể cạnh tranh với thị trường toàn cầu

Trước tình hình đó, Đại hội đại biểu toàn quốc lần thứ XII Đảng Cộng Sản Việt

Nam tiếp tục khẳng định: “Chuyển mạnh quá trình giáo dục chủ yếu từ trang bị kiến

thức sang phát triển toàn diện năng lực và phẩm chất người học; học đi đôi với hành,

lý luận gắn với thực tiễn Phát triển giáo dục và đào tạo phải gắn với nhu cầu phát triển kinh tế- xã hội, xây dựng và bảo vệ tổ quốc, với tiến bộ khoa học – công nghệ, yêu cầu phát triển nguồn nhân lực và thị trường lao động” Đây là quan điểm định hướng cho phát triển giáo dục và đào tạo ở nước ta trong những năm tới

Để đạt được mục tiêu đó, giáo dục cần có những điều chỉnh cả về nội dung chương trình cũng như phương pháp tổ chức dạy học, điều này được thể hiện rõ rệt ngay trong dự thảo “Chương trình giáo dục phổ thông tổng thể” (tháng 7 năm 2015),

cụ thể “nội dung giáo dục phổ thông bảo đảm tinh giản, hiện đại, thiết thực, thực hành, vận dụng kiến thức vào thực tiễn, phù hợp với đặc điểm tâm - sinh lý lứa tuổi học sinh” và “tiếp tục đổi mới mạnh mẽ phương pháp dạy và học theo định hướng phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo của học sinh; tập trung dạy cách học và rèn luyện năng lực tự học, tạo cơ sở để học tập suốt đời, tự cập nhật và đổi mới tri thức, kỹ năng, phát triển năng lực; khắc phục lối truyền thụ áp đặt một chiều, ghi nhớ máy móc; vận dụng các phương pháp, kỹ thuật dạy học một cách linh hoạt, sáng tạo”

Khi cần phải giải quyết một vấn đề thực tiễn, học sinh phải vận dụng kiến thức tổng hợp, liên quan đến nhiều môn học cả ở lĩnh vực tự nhiên lẫn xã hội Vì vậy, hướng tới mục tiêu phát triển năng lực, kĩ năng cho học sinh, đòi hỏi giáo viên cần phải tăng cường việc dạy học theo hướng tích hợp, liên môn Qua quá trình nghiên cứu chương trình giáo dục phổ thông hiện hành, tôi nhận thấy hiện nay học sinh đang được học các môn học theo hướng độc lập và chỉ mới thực hiện tích hợp các nội dung trong từng môn học, ví dụ: tích hợp các phân môn Cơ học, Điện, Nhiệt học và Quang học trong môn Vật lí; Đại số, Hình học, Lượng giác trong môn Toán; Hoá học hữu cơ và Hoá học vô cơ trong môn Hoá học;… Chương trình học của học sinh hiện nay chưa thể hiện được sự gắn kết giữa các kiến thức, kĩ năng của các môn học trong nhiều tình

huống và hiện tượng đời sống Các tình huống thực tiễn chưa được xem như là các bài toán cần giải quyết một cách thiết thực, hữu ích ngay trong chương trình giáo dục nhà trường

Trong bối cảnh đó, giáo dục STEM - một xu thế giáo dục mang tính tích hợp cao theo hướng hình thành và phát triển năng lực người học, tạo ra lực lượng lao động đáp ứng yêu cầu của xã hội thông tin, khoa học, công nghệ và kĩ thuật - cần được chú ý nghiên cứu và vận dụng một cách linh hoạt, sáng tạo, phù hợp với hoàn cảnh Việt Nam đáp ứng được yêu cầu hội nhập quốc tế

“Giáo dục STEM là một cách tiếp cận liên môn trong học tập, ở đó những khái niệm học thuật chính xác được kết hợp với bài học thực tiễn khi học sinh vận dụng khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học trong một bối cảnh cụ thể, tạo nên sự kết nối giữa nhà trường, cộng đồng, việc làm và hoạt động kinh doanh toàn cầu cho phép sự phát triển những hiểu biết tối thiểu về STEM và cùng với nó là khả năng cạnh tranh trong nền kinh tế mới.” (Tsupros, 2009)

Bản chất của giáo dục STEM là thông qua việc tích hợp các môn học để trang bị cho người học khả năng vận dụng tổng hợp những kiến thức và kĩ năng cần thiết liên quan đến các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học vào giải quyết các tình huống và yêu cầu của thực tiễn

Từ những lí do trên, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: Tổ chức dạy học chủ đề tích hợp STEM “Khoa học về những cây cầu” ở trường trung học phổ thông

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Xây dựng nội dung và tổ chức dạy học chủ đề tích hợp STEM “Khoa học về những cây cầu” ở trường trung học phổ thông

3 Giả thuyết khoa học của đề tài

Nếu xây dựng nội dung chủ đề tích hợp STEM “Khoa học về những cây cầu” ở mức độ liên môn và sử dụng các phương pháp và hình thức tổ chức dạy học hiện đại tổ chức dạy học chủ đề tích hợp “Khoa học về những cây cầu” thì sẽ phát triển năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn của học sinh THPT

4 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

- Các nội dung kiến thức chủ đề “Khoa học về những cây cầu”

- Cơ sở lí luận và thực tiễn dạy học tích hợp STEM

- Cơ sở dạy học phát triển năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn của học sinh

- Các phương pháp dạy học hiện đại

- Hoạt động dạy học các kiến thức “Khoa học về những cây cầu”

5 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Hoạt động dạy và học chủ đề tích hợp STEM “Khoa học về những cây cầu”

- Tổ chức thực nghiệm sư phạm tại trường THPT Trần Phú tại Đà Nẵng

6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý luận

+ Nghiên cứu lý luận về dạy học, dạy học tích hợp

+ Nghiên cứu tài liệu, sách giáo khoa về một số môn học phổ thông

- Phương pháp điều tra, quan sát thực tiễn

+ Điều tra thực trạng dạy học tích hợp và tích hợp STEM ở nước ta hiện nay

- Phương pháp thực nghiệm sư phạm

+ Tiến hành dạy thực nghiệm ở trường THPT theo quy trình, phương pháp và hình thức tổ chức đã đề xuất

+ Phân tích kết quả thu được trong quá trình thực nghiệm sư phạm từ việc so sánh kết quả kiểm tra trước và sau tác động, từ đó rút ra kết luận của đề tài

7 Đóng góp của đề tài

- Trình bày có hệ thống về cơ sở lí luận dạy học tích hợp STEM

- Xây dựng được các hoạt động của chủ đề tích hợp STEM về “Khoa học về những cây cầu”

- Thông qua việc dạy học chủ đề theo phương pháp dạy học hiện đại nhằm bồi dưỡng và phát huy các kĩ năng: kĩ năng khoa học, công nghệ, kĩ thuật, toán học, kĩ năng thế kỉ XXI và kĩ năng chuyên ngành

8 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục, nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương

Chương 1 Cơ sở lý luận và thực tiễn về dạy học tích hợp STEM nhẳm phát triển năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn của học sinh THPT

Chương 2 Xây dựng hoạt động chủ đề tích hợp STEM “Khoa học về những cây cầu”

Chương 3 Thực nghiệm sư phạm

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ DẠY HỌC TÍCH HỢP STEM NHẰM PHÁT TRIỂN NẮNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ THỰC TIỄN

CỦA HỌC SINH THPT

1.1 Năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn

1.1.1 Khái niệm năng lực

Năng lực hiểu theo nghĩa chung nhất là khả năng mà cá nhân thể hiện khi tham gia một hoạt động nào đó ở một thời điểm nhất định Có nhiều quan niệm khác nhau

về khái niệm năng lực:

Năng lực được xây dựng trên cơ sở tri thức, thiết lập qua giá trị, cấu trúc như là khả năng, hình thành qua trải nghiệm/củng cố qua kinh nghiệm, hiện thực hóa qua ý chí (John Erpenbeck, 1998)

Năng lực là khả khả năng hay kĩ năng nhận thức vốn có ở cá nhân hay có thể học được…để giải quyết các vấn đề đặt ra trong cuộc sống (Weinert, 2001)

Theo Quecsbec – Ministere de l’Education, 2004 định nghĩa: Năng lực là khả năng vận dụng những kiến thức, kinh nghiệm, kĩ năng, thái độ và hứng thú để hành động một cách phù hợp và có hiệu quả trong các tình huống đa dạng của cuộc sống Theo chương trình giáo dục phổ thông (2017): Năng lực là thuộc tính cá nhân được hình thành, phát triển nhờ tố chất sẵn có và quá trình học tập, rèn luyện, cho phép con người huy động tổng hợp các kiến thức, kỹ năng và các thuộc tính cá nhân khác như hứng thú, niềm tin, ý chí, thực hiện thành công một loại hoạt động nhất định, đạt kết quả mong muốn trong những điều kiện cụ thể

Như vậy, năng lực là khả năng huy động hệ thống kiến thức, kĩ năng, thái độ và vận hành (kết nối) chúng một cách hợp lí vào thực hiện thành công nhiệm vụ hoặc giải quyết hiệu quả vấn đề đặt ra trong học tập và trong đời sống

1.1.2 Khái niệm năng lực GQVĐTT của học sinh

Vấn đề là những hiện tượng, tình huống mâu thuẫn với vốn kiến thức, kinh nghiệm sẵn có của HS

Vấn đề thực tiễn là những hiện tượng, tình huống có thực trong thực tế mâu thuẫn với vốn kiến thức, vốn kinh nghiệm sẵn có của HS

Theo OECD (2012) định nghĩa: Năng lực GQVĐ là khả năng cá nhân tham gia vào quá trình nhận thức để hiểu và giải quyết các tình huống có vấn đề mà ở đó HS chưa thể tìm ngay ra giải pháp một cách rõ ràng Nó bao gồm cả thái độ sẵn sàng tham gia các tình huống có vấn đề để trở thành một công dân có tinh thần xây dựng và tự phản ánh

Theo quan niệm trong chương trình giáo dục phổ thông của Quebec – Canada:

Năng lực GQVĐTT là sự kết hợp một cách linh hoạt và có tổ chức kiến thức, kĩ năng với thái độ, tình cảm, giá trị, động cơ cá nhân,…nhằm đáp ứng hiệu quả một yêu cầu phức hợp của hoạt động trong bối cảnh nhất định

Như vậy, năng lực GQVĐ thực tiễn là năng lực GQVĐ trong các bối cảnh gắn với thực tiễn, các nhiệm vụ HS cần giải quyết cũng là các nhiệm vụ cần giải quyết trong thực tiễn

1.1.3 Cấu trúc của năng lực GQVĐTT

Xuất phát từ định nghĩa năng lực GQVĐTT, ta có thể xác định các thành tố của năng lực GQVĐTT như sau:

- Hiểu và phát biểu vấn đề

- Đề xuất các giải pháp GQVĐ

- Thực hiện giải pháp GQVĐ

- Đánh giá và điều chỉnh giải pháp GQVĐ

Bảng 1.1 Cấu trúc năng lực GQVĐTT của HS

đề mà GV đưa ra nhờ định hướng của GV

Tự nhận ra các tình huống có vấn

đề trong các tình huống

GV đưa ra

Tự đặt ra các tình huống có vấn đề của

GV đưa ra với các tình huống tương

tự trong thực tiễn

Phân

tích vấn

đề

Mô tả được các tình huống có vấn

đề trong thực tiễn bằng ngôn ngữ thông thường

Mô tả được các tình huống có vấn

đề trong thực tiễn bằng ngôn ngữ khoa học

Xác định được các vấn

đề thực tiễn liên quan đến chủ đề cần giải quyết

Xác định được các vấn

đề thực tiễn trọng tâm cần giải quyết của chủ đề

Phát

biểu

vấn đề

Phát biểu được câu hỏi

có liên quan đến vấn đề

Phát biểu được các câu hỏi trong đó

có câu hỏi

Phát biêủ được các câu hỏi đúng vấn

đề cần giải

Diễn đạt câu hỏi mạch lạc,

rõ ràng và đúng trọng

được giải quyết

đúng vấn đề cần giải quyết

quyết nhưng diễn đạt các câu hỏi chưa mạch lạc, trôi chảy

tâm của vấn

đề cần giải quyết

do GV cung cấp

Tìm kiếm thông tin có liên quan đến vấn đề thông qua thảo luận nhóm

Tìm kiếm thông tin liên quan từ kinh nghiệm, kiến thức sẵn có của bản thân

HS

Tìm kiếm thông tin trọng tâm do

dự đoán từ các kinh nghiệm, kiến thức sẵn có của HS

Phân tích được đầy đủ một thông tin quan trọng liên quan đến vấn đề cần giải quyết

Phân tích tương đối đầy

đủ hơn một nửa thông tin quan trọng của vấn đề

Phân tích đầy

đủ các thông tin quan trọng của vấn đề

án GQVĐ dưới sự hướng dẫn của GV

Đề xuất được một phương

án thông qua thảo luận nhóm

Tự đề xuất được một phương án có tính khả thi

Tự đề xuất được nhiều phương án có tính khả thi trong đó có một phương

án mới, sáng tạo

GV

Lựa chọn được giải pháp tối ưu sau khi thảo luận nhóm

Tự lựa chọn được giải pháp khả thi

và giải thích được giải pháp

Tự lựa chọn được giải pháp tối ưu nhất và giải thích rõ ràng giải pháp đã lựa chọn

Tự xác định được tương đối đầy đủ các nhiệm vụ

Xác định được đầy đủ các nhiệm vụ cần thực hiện thông qua

Tự xác định được đầy đủ các nhiệm vụ cần thực hiện

lý và các phương tiện cần thiết dưới

sự định hướng của GV

Xác định được khoảng thời gian hợp

lý và các phương tiện cần thiết thông qua thảo luận nhóm

Xác định được thời gian hợp lý

và các phương tiện cần thiết để thực hiện từng nhiệm

vụ

Lập được kế hoạch về thời gian, phương tiện tương ứng một cách chi tiết, cụ thể cho từng hoạt động

Tự nêu được

sơ lược kết quả của sản phẩm dự kiến

Nêu rõ ràng, chi tiết về kết quả sản phẩm

dự kiến đạt được

Nêu và giải thích rõ ràng, chi tiết về kết quả sản phẩm

dự kiến đạt được

Có sự tham gia đầy đủ của các thành viên của nhóm

Có sự phân công rõ ràng, hợp lý cho các thành viên của nhóm

Thực hiện giải pháp theo đúng kế hoạch đã đề

ra trước đó

Thực hiện giải pháp theo kế hoạch, có khắc phục các khó khăn trong quá trình thực hiện

Thực hiện giải pháp hoàn chỉnh, thu được kết quả tốt

Trình bày kết quả thực hiện giải pháp theo mẫu cho trước với ngôn ngữ thông thường

Trình bày kết quả thực hiện giải pháp theo mẫu cho trước với ngôn ngữ khoa học

Trình bày kết quả thực hiện giải pháp một cách rõ ràng, sáng tạo

GV

Đánh giá, xác nhận những kiến thức và kinh nghiệm thu nhận

Đánh giá được từng giai đoạn của quá trình thực hiện giải pháp

Đánh giá được toàn bộ quá trình thực hiện giải pháp dẫn đến kết

GQVĐ giải

pháp

GQVĐ

được thông qua quá trình thực hiện

dẫn đến kết quả thu được

quả thu được

Đề ra được giải pháp điều chỉnh để cải thiện khó khăn của một giai đoạn của quá trình

Đề ra được giải pháp tối

ưu hơn để giải quyết vấn

đề

Đề ra được giải pháp tối

ưu để giải quyết các vấn

đề tương tự trong thực tiễn

là phép cộng giản đơn những thuộc tính của các thành phần ấy

Như vậy, tích hợp có hai tính chất cơ bản, liên hệ mật thiết với nhau và quy định lẫn nhau, đó là tính liên kết và tính toàn vẹn

Dạy học tích hợp là gì?

Dạy học tích hợp là hành động liên kết một cách hữu cơ, có hệ thống các đối tượng nghiên cứu, học tập của một vài lĩnh vực môn học khác nhau thành nội dung thống nhất, dựa trên cơ sở các mối liên hệ về lí luận và thực tiễn được đề cập trong các môn học đó nhằm hình thành ở học sinh các năng lực cần thiết

Như vậy: Dạy học tích hợp là một quan điểm sư phạm, ở đó người học cần huy

động (mọi) nguồn lực để giải quyết một tình huống phức hợp- có vấn đề nhằm phát triển các năng lực và phẩm chất cá nhân

Những môn học ở trường hiện nay được dạy một cách độc lập và riêng rẽ với nhau, tạo nên một rào cản giữa tri thức học ở trường và những tình huống thực tế xảy

ra trong cuộc sống, làm cho học sinh cảm thấy những kiến thức mà chúng được dạy trở nên thật vô nghĩa trong cuộc sống mà chúng hàng ngày phải đối mặt Thêm vào đó, một vài học sinh thực sự không thích những môn học bởi vì nó không liên quan và không liên hệ gì với những gì chúng biết Do đó, việc vận dụng giáo dục STEM tới học sinh là hết sức cần thiết và nên được tiến hành sớm Với một nền giáo dục STEM, chúng ta có thể cung cấp cho học sinh những tri thức và những năng lực cần thiết cho những công dân thế kỉ 21

1.2.2 Khái niệm về giáo dục STEM

- Khi mới xuất hiện STEM đề cập tới việc dạy và học liên quan tới bốn môn học: Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học (như hình 1.1 bên dưới) và bao gồm các hoạt động giáo dục xuyên suốt các cấp bậc và xuất hiện ở cả những lớp học chính thống và không chính thống

- Tổ chức giáo dục uy tín hàng đầu trên thế giới Tổ chức giáo viên khoa học quốc gia (National Science Teachers Association ) (NSTA), thành lập năm 1944, đã đề xuất khái niệm về giáo dục STEM với định nghĩa ban đầu như sau:

“STEM education is an interdisciplinary approach to learning where rigorous academic concepts are coupled with real-world lessons as students apply science, technology, engineering, and mathematics in contexts that make connections between school, community, work, and the global enterprise enabling the development of STEM literacy and with it the ability to compete in the new economy (Tsupros,

Kohler, & Hallinen, 2009) có nghĩa là “Giáo dục STEM là một cách tiếp cận liên môn

để học các khái niệm học tập chính xác được kết hợp với các bài học trong thế giới thực khi học sinh áp dụng khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học vào trong các tình huống nhằm tạo liên kết giữa trường học, cộng đồng, công việc và các doanh nghiệp toàn cầu tạo ra sự phát triển về những hiểu biết và vận dụng giáo dục STEM cùng với những khả năng để có thể cạnh tranh trong nền kinh tế mới (Tsupros,

Kohler, & Hallinen, 2009)

- Bên cạnh từ khóa về ‘Giáo dục STEM’ thì chúng ta cũng có thể bắt gặp những khái niệm liên quan tới STEM như : Lĩnh vực STEM, giáo dục tích hợp STEM, Việc làm STEM, chương trình STEM,…

1.2.3 Mối quan hệ giữa các môn học STEM

Khoa học hưởng lợi ích từ kĩ thuật , kĩ thuật là ứng dụng của khoa học - 2 môn học liên kết với nhau Thực tế, sự liên kết giữa những chủ đề và những khu vực STEM còn lại (Công nghệ và toán học) là bền vững , có liên hệ chặt chẽ, và liên tục phát triển theo thời gian Một cái nhìn đơn giản về một số đó được thể hiện như biểu

đồ dưới đây

Hình 1.1 Mối liên quan của Khoa học (Science), Công nghệ (Engineering), Kĩ

thuật (Technology) và Toán học (Math)

Sự tương tác giữa khoa học và kĩ thuật với những chủ đề STEM còn lại (toán và công nghệ) cũng khá rõ ràng Kĩ năng toán học là cần thiết cho cả khoa học và kĩ thuật Cũng giống như những thành tựu của khoa học và kĩ thuật có thể thúc đẩy sự phát triển và tiến bộ của những kĩ thuật toán học mới

1.2.4 Đặc trưng của STEM

- Những bài học STEM tập trung vào những vấn đề trong thế giới thực tiễn Trong những bài học STEM, học sinh sẽ phải giải quyết những vấn đề trong thực tế liên quan tới xã hội, kinh tế và những vấn đề môi trường… Từ đó tìm ra phương án giải quyết bằng cách kết hợp sử dụng những kinh nghiệm cá nhân với những gì chúng được học ở trường

- Kết nối từ trường học, cộng đồng tới những tổ chức toàn cầu Đây là kỉ nguyên của cuộc cải cách công nghiệp 4.0 nơi mà những hệ thống tự động hóa và điều khiển từ xa làm chủ Giáo dục STEM do đó không chỉ về tri thức mà còn phải tập

Bốn môn học STEM

Khoa học là nghiên cứu về thế giới tự nhiên, bao gồm các định luật tự nhiên liên

quan đến vật lý, hóa học và sinh học và các giải pháp hay ứng dụng vào thực tế, nguyên tắc, khái niệm hoặc quy ước liên quan đến các ngành này Khoa học vừa là một hệ thống thức đã được tích luỹ theo thời gian và là một quá trình tư duy khoa học

- tạo ra tri thức mới Kiến thức từ khoa học thông báo quy trình thiết kế kỹ thuật

bao gồm toàn bộ hệ thống con người và tổ chức, kiến thức, quy trình và thiết bị đi vào tạo ra và vận hành các sản phẩm công nghệ, cũng như các hiện vật Trong suốt lịch

sử, con người đã tạo ra công nghệ để đáp ứng mong muốn và nhu cầu của họ Phần lớn công nghệ hiện đại là một sản phẩm của khoa học và kỹ thuật, và thiết bị công nghệ được sử dụng trong cả hai lĩnh vực

người tạo ra - và một quy trình giải quyết vấn đề Quá trình này được thiết kế theo ràng buộc Một ràng buộc trong thiết kế kỹ thuật là quy luật của tự nhiên, hay khoa học Các ràng buộc khác bao gồm thời gian, tiền bạc, tài liệu có sẵn, thái, các quy định về môi trường, khả năng sản xuất và khả năng thay thế Kỹ thuật sử dụng các khái niệm về khoa học và toán học cũng như các thiết bị công nghệ

và không gian Không giống như trong khoa học, nơi mà bằng chứng thực nghiệm được tìm kiếm để chắn chắn hay thay đổi các phát hiện, Các phát hiện trong toán học được bảo đảm thông qua các đối số logic dựa trên các giả định cơ bản Các đối số lôgic chính họ là một phần của toán học cùng với các tuyên bố Như trong khoa học, tri thức trong toán học tiếp tục phát triển, nhưng không giống như trong khoa học, tri thức trong toán học không bị đảo ngược, trừ phi các giả định cơ bản được biến đổi Toán học được sử dụng trong khoa học, kỹ thuật và công nghệ

SOURCE: Adapted from NRC (2009)

trung vào những bối cảnh kinh tế hay xu hướng toàn cầu.Ví dụ: thay đổi khí hậu, năng lượng sạch,

- Những bài học STEM có các nội dung toán học và khoa học được liên kết chặt chẽ Trong các bài học STEM, các nội dung toán và khoa học nên được kết nối và tích hợp Cần có kế hoạch phối hợp giữa GV toán và GV khoa học để đạt được cái nhìn sâu sắc về mục tiêu khóa học, từ đó, tìm cách đan xem trong một bài học nhất định Khi học, sinh viên có thể học các kiến thức toán và khoa học riêng rẽ nhưng lại nhận ra sự kết hợp giữa toán và khoa học để giải quyết vấn đề Đây chính là mối liên hệ trong việc học toán và khoa học của HS Với nhiệm vụ thiết kế các sản phẩm (chính là sản phẩm của công nghệ), HS cần thiết kế các sản phẩm

- Những bài học STEM sử dụng tiến trình thiết kế kĩ thuật (engineering

design process) Tiến trình thiết kế kĩ thuật cung cấp cho chúng ta một tiến trình linh

hoạt có thể giúp học sinh xác định vấn đề để tạo ra và phát triển các giải pháp cho những vấn đề ấy Từ hướng dẫn, HS sẽ đặt các vấn đề bản thân gặp phải có thể là nguyên lí hoạt động của sản phẩm, các bước chế tạo…và tìm cách giải quyết Trong quá trình tìm cách giải quyết sẽ có những ý tưởng nảy sinh, giải pháp mới Quá trình thử - sai - đổi được vận hành liên tục

- Những bài học STEM thường đặt học sinh vào những hoạt động tập thể Trong những bài học STEM, thường sẽ là các vấn đề mở, ở đó học sinh sẽ phải cố gắng củng cố kiến thức và hợp tác với những người khác, từ đó đưa ra những ý kiến riêng của mình, chia sẻ cho mọi người nếu cần thiết để đi tới những ý kiến chung của

cả tập thể Việc tổ chức để HS làm việc nhóm hiệu quả như một quy trình sản xuất (có phân vai và hợp tác) là việc không dễ dàng Không chỉ HS, nếu GV trong toàn trường thực hiện làmviệc nhóm với nhau để tạo hệ thống ngôn ngữ, thủ tục, mục tiêu với HS thì việcthúc đẩy làm việc nhóm hiệu quả sẽ được tăng lên cấp số nhân

- Những bài học STEM không có câu trả lời đúng duy nhất kể cả việc thử - sai – chỉnh cũng là một phần cần thiết của bài học Có những thí nghiệm khoa học cho các đội sẽ cùng lúc diễn ra, có thể điều kiện giống nhau nhưng chưa chắc đã cho ra kết quả giống nhau Qua đó HS có thể chấp nhận các kết quả tương tự hoặc bác bỏ một giả thuyết nào đó

1.2.5 Khung làm việc STEM

Hình 1.2 Khung làm việc STEM

Trong đó ‘Bốn kĩ năng thế kỉ 21’ là : Khả năng sáng tạo, khả năng phản biện, khả năng hợp tác và khả năng giao tiếp Và mục đích chính của giáo dục tích hợp STEM

đó là trang bị cho học sinh những kiến thức, kĩ năng và năng lực cần thiết cuộc sống và

sự nghiệp trong tương lai

Đầu ra cho học sinh

Học tập và đạt được kết quả

Kĩ năng thế kỉ 21 Khóa học STEM, theo học cao và tỉ lệ tốt nghiệp

Nhân lực liên quan tới lĩnh vực STEM Hứng thú với STEM

Phát triển bản sắc STEM Khả năng liên kết các môn học STEM

Đầu ra cho các nhà giáo dục

Thay đổi trong cách thực hiện Trau dồi thêm nội dung kiến thức về thực nghiệm sư phạm

Mục tiêu cho học sinh

Kiến thức kĩ năng về STEM

Kĩ năng thế kỉ 21

Nguồn nhân lực chất lượng cao STEM

Hứng thú và tham gia

Tạo sự kết nối

Mục tiêu cho các nhà giáo dục

Trau dồi nội dung kiến thức về STEM

Trau dồi kiến thức nội dung về thực tập

GIÁO DỤC TÍCH HỢP STEM

1.2.6 Các bước để thiết kế 1 bài học STEM

Step 1 Chọn chủ đề

Step 2 Liên kết với những vấn đề trong cuộc sống

Step 3 Xác định thách thức mà học sinh cần giải quyết

Step 4 Xác định sản phẩm , mục tiêu học sinh cần đạt được

Step 5 Sử dụng Engineering process để lên kế hoạch

Step 6 Giúp học sinh nhận ra thách thức

Step 7 Đặt học sinh vào những nhóm để cùng nghiên cứu giải quyết vấn đề Step 8 Khuyến khích nhóm tìm kiếm giải pháp và chia sẻ chúng

Step 9 Giúp nhóm thực hiện để tạo ra sản phẩm của riêng họ

Step 10 Kiểm tra và đánh giá sản phẩm

Step 11 Đặt nhóm vào những cuộc thảo luận về kết quả

Step 12 Cải tiến nếu còn thời gian

1.2.7 Mô hình dạy học 5E và 6E

5E viết tắt của 5 từ bắt đầu bằng chữ E trong tiếng Anh: Engage (Gắn kết), Explore (Khảo sát), Explain (Giải thích), Elaborate (Áp dụng cụ thể), và Evaluate (Đánh giá) Trong các lớp học khoa học (Science) và các chương trình tích hợp STEM (Science, Technology, Engineering, Mathematics) (integrated STEM education) ở Mỹ,

mô hình dạy học (instructional model) 5E được áp dụng khá phổ biến Mô hình 5E dựa trên thuyết kiến tạo nhận thức (cognitive constructivism) của quá trình học, theo

đó học sinh xây dựng các kiến thức mới dựa trên các kiến thức hoặc trải nghiệm đã biết trước đó [15]

Vào khoảng năm 1987, Tiến sĩ Rodger W.Bybee cùng với những đồng nghiệp của ông ấy đã làm việc trong tổ chức giáo dục nghiên cứu Khung chương trình dạy Sinh học ở Colorado, Mỹ đã đề xuất một sự cải tiến trong mô hình dạy học cho chương trình giáo dục ở tiểu học Mô hình cũng thừa kế từ những sự phát triển của mô hình trước Herbart (trước 1900), Dewey (những năm 1930), Heiss và đồng nghiệp (những năm 1950 )

Sau khi thử nghiệm trong một số chương trình sinh học, mô hình 5E tiếp tục tác động rộng rãi đến nhiều ngành khác, bao gồm toán học và công nghệ Nhiều báo cáo cho thấy mô hình 5E có hiệu quả trong việc học STEM Mô hình này đã lan rộng đến nhiều quốc gia và châu lục khác, đến các cấp độ giảng dạy khác nhau Phương pháp 5E tạo cơ hội cho sinh viên xây dựng kiến thức mới và thể hiện suy nghĩ của mình trong suốt quá trình học tập

Hình 1.3 Mô hình 5E trong dạy học STEM

Trong một vài năm trở lại đây, mô hình 5E tiếp tực phát triển, dựa trên tinh thần đó mà nhiều mô hình khác cũng ra đời để phù hợp hơn với những mục đích dạy

học khác nhau Điển hình là mô hình 6E, được sử dụng rộng rãi đặc biệt là trong việc dạy học STEM So với mô hình 5E thì mô hình 6E có thêm phần CHẾ TẠO (Engineering)

• Chứng minh sự hiểu biết về khái niệm mới qua quan sát và những câu hỏi

mở

• Áp dụng trong tình huống vấn đề

• Đưa ra những dẫn chứng của việc thực hiện

• Liên kết những kiến thức

cũ với kiến thức vừa đưa ra

• Thảo luận về kiến thức mới

• Liên kết những kiến thức chính thống với không chính thống

Hình 1.4 Mô hình 6E trong dạy học STEM 1.3 Sự phù hợp của dạy học theo trạm, dạy học dự án các nội dung tích hợp STEM phát triển năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn

1.3.1 Dạy học theo trạm

Dạy học theo trạm là phương pháp tổ chức dạy học trong đó học sinh thực hiện các nhiệm vụ học tập độc lập một cách tự chủ theo đúng năng lực cá nhân Các yêu cầu, phương tiện của nhiệm vụ học tập này được giáo viên chuẩn bị trước và bố trí ở các vị trí khác nhau, mỗi vị trí này gọi là một trạm Giáo viên cũng có thể cùng học sinh chuẩn bị các phương tiện dạy học

Trạm, theo nghĩa tiếng Việt đó là một địa điểm không gian cố định, tại đó con người giải quyết một vấn đề chuyên biệt nào đó Ví dụ: Các trạm xe buýt,các trạm không gian vũ trụ…Trong học tập, trạm là nhiệm vụ học tập học sinh cần thực hiện ở một vị trí mà ở đó giáo viên đã chuẩn bị sẵn các tư liệu, thiết bị Tại mỗi trạm, HS có thể tự tổ chức các hoạt động học tập (làm thí nghiệm, giải bài tập hay giải quyết một vấn đề nào đó trong học tập)

Dạy học theo trạm là một phương pháp tổ chức dạy học mở, trong đó căn cứ vào yêu cầu về kiến thức, kĩ năng của bài học, GV có thể tổ chức cho HS hoạt động học tập tự lực tại các vị trí không gian học để giải quyết các vấn đề trong học tập Hệ thống các trạm được thiết kế có thể bố trí theo hình thức cácvòng tròn khép kín trong không gian lớp học

1.3.2 Dạy học dự án

Dạy học dự án là một phương pháp tổ chức dạy học trong đó giáo viên tổ chức, hướng dẫn học sinh thực hiện một nhiệm vụ học tập phức hợp, gắn với thực tiễn Trong quá trình đó học sinh tự lực lập và thực hiện kế hoạch, thể hiện kết quả thông qua quá trình học tập và sản phẩm dự án, tự đánh giá và tham gia đánh giá kết quả Xuất phát từ nội dung bài học, hoặc giáo viên hoặc học sinh hoặc cả giáo viên và học sinh cùng đưa ra một dự án hấp dẫn, kích thích được học sinh tham gia thực hiện Khi học sinh nhận được bài tập hoặc những thông tin chi tiết về dự án của mình, các

em sẽ quyết định cách thức giải quyết những vấn đề được đưa ra.Học sinh trong quá trình thực hiện nhiệm vụ được giao phải tự tìm hiểu những nội dung cần học thông qua các nguồn tài liệu và thông qua trao đổi một cách có định hướng các nhiệm vụ cần thực hiện

Trong cách học theo dự án, hình thức làm việc chủ yếu là theo nhóm, mỗi học sinh cộng tác với các thành viên khác trong nhóm trong một khoảng thời gian nhất định để giải quyết những vấn đề được giao và cuối cùng trình bày công việc mình đã làm trước một cử tọa ngoài nhóm Bước cuối cùng có thể là một buổi thuyết trình sử dụng các phương tiện nghe nhìn, một ấn phẩm báo chí, một trang web hoặc một sản phẩm được tạo ra

Dựa trên cấu trúc chung của một dự án trong lĩnh vực sản xuất, kinh tế, ta có thể phân chia DHDA thành 4 giai đoạn: Quyết định chủ đề dự án, lập kế hoạch thực hiện

dự án, thực hiện, kết thúc dự án Cũng có thể chia DHDA thành nhiều giai đoạn nhỏ hơn, như tác giả Đỗ Hương Trà đã đề xuất DHDA gồm 5 giai đoạn:

Việc phân chia trên có thể áp dụng cho mọi môn học, không phải đặc thù cho riêng môn nào Tuy nhiên, việc phân chia trên chỉ mang tính tương đối Trong thực tế, chúng có thể xen kẽ và thâm nhập lẫn nhau Việc tự kiểm tra, điều chỉnh cần được thực hiện trong tất cả các giai đoạn của dự án Với những dự án khác nhau có thể xây dựng cấu trúc chi tiết riêng phù hợp nhiệm vụ dự án Giai đoạn 4, 5 cũng thường được

mô tả chung thành một giai đoạn (giai đoạn kết thúc dự án)

Khi tiến hành thống kê các loại hoạt động học tập đã tổ chức trong các chủ đề tích hợp đã xây dựng, kết quả cho thấy dạy học theo trạm và dạy học dự án là những hình thức được sử dụng thường xuyên và đem lại sự thuận tiện nhất Lí giải kết quả này là do đây là các phương pháp tổ chức dạy học tích cực, phù hợp với mục tiêu phát triển năng lực của học sinh Với dạy học theo trạm, rất phù hợp với yêu cầu tiếp cận một vấn đề từ nhiều góc nhìn khác nhau của dạy học tích hợp Mặt khác dạy học theo trạm cho phép phân hóa sự tham gia của học sinh tùy theo sở thích và trình độ của học

Xây dựng ý tưởng dự án Quyết định chủ đề

Giáo viên tạo điều kiện để học sinh đề xuất ý tưởng dự án, quyết

định chủ đề

Xây dựng kế hoạch thực hiện dự án

Học sinh lập kế hoạch làm việc, phân công lao động

sinh Còn với dạy học dự án, yêu cầu vận dụng kiến thức tạo ra sản phẩm vật chất rất phù hợp với dạy học tích hợp bởi vì khi tạo ra sản phẩm bất kì, học sinh thường phải huy động kiến thức của nhiều môn học khác nhau

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Để làm cơ sở lý luận cho đề tài, trong chương 1 chúng tôi đã:

- Nghiên cứu cơ sở lý luận của dạy học tích hợp STEM

- Nghiên cứu lý luận các phương pháp tổ chức dạy học sử dụng trong DHTH STEM: dạy học theo góc, dạy học theo dự án Sử dụng các phương pháp dạy học hiện đại một cách phù hợp với mỗi chủ đề tích hợp, mỗi đối tượng học sinh

- Nghiên cứu cơ sở lý luận về năng lực GQVĐ thực tiễn: khái niệm, năng lực GQVĐTT, bảng tiêu chí đánh giá NLGQVĐTT

- Dạy học tích hợp STEM thường gắn với các nhiệm vụ thực tiễn, do đó, cần đòi hỏi sử dụng kiến thức, kĩ năng, phương pháp một cách linh hoạt và tổng hợp Cũng bởi xuất phát từ thực tiễn nên với định hướng thực hành, định hướng sản phẩm đã rút ngắn khoảng cách giữ lí thuyết hàn lâm và thực tế

Áp dụng các cơ sở lí luận và thực tiễn được trình bày ở chương 1,chương 2 sẽ xây dựng các hoạt động của chủ đề tích hợp STEM “Khoa học về những cây cầu” nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG HOẠT ĐỘNG CHỦ ĐỀ TÍCH HỢP STEM “KHOA HỌC VỀ NHỮNG CÂY CẦU” Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

2.1 Mục tiêu

2.1.1 Kiến thức

- Nêu được khái niệm cầu (giao thông), chức năng và vai trò của nó trong đời sống

- Nêu được phân loại cầu theo mục đích sử dụng, theo vật liệu làm cầu, theo dạng kết cấu và theo sơ đồ chịu lực

- Trình bày được khái niệm và ứng dụng của một số loại công trình cầu phổ biến

- Nêu được ảnh hưởng của công trình cầu đối với môi trường, cảnh quan xung quanh

- Nêu được khái niệm lực cơ học, các định luật Newton, quy tắc tổng hợp và phân tích lực

- Trình bày được các định luật vật lí, các nguyên lí cơ bản của tĩnh học vật rắn dùng để nghiên cứu cấu trúc của công trình cầu

- Trình bày được về biến dạng cơ của vật rắn, sự nở vì nhiệt và các định luật, công thức tính toán liên quan

- Vận dụng được các kiến thức khoa học địa lý,vật lý, kinh tế xã hội để đề xuất vị trí xây dựng các công trình cầu

- Thiết kế một số cấu trúc cầu đơn giản và tiến hành chế tạo, thí nghiệm đo sức bền của các cấu trúc này với cùng một loại vật liệu

- Vận dụng được kiến thức hóa học, vật lý vào thực tiễn nhằm nhận biết các tác hại của môi trường bên ngoài đến công trình cầu, từ đó đề xuất phương án khắc phục, duy tu, bảo dưỡng

- Phát triển kỹ năng vẽ đồ thị nhằm khảo và phân tích về một vấn đề thực tiễn

Ví dụ về một số kiến thức được học sau khi học xong chủ đề:

- Khái niệm về lực, các loại lực cơ học (Vật lí lớp 7,10)

- Các định luật về dòng điện như định luật Ampere, định luật Faraday (Vật lí lớp 11)

- Khái niệm dung môi, chất tan, dung dịch, sự ăn mòn kim loại (Hóa học lớp 8, 9)

- Khái niệm dao động, dao động cưỡng bức, công hưởng (Vật lí 12)

- Đặc điểm địa hình khí hậu Việt Nam và hình thái địa lí, cấu trúc địa chất liên quan đến việc phát triển các công trình cầu.( Địa lí 8, 12)

- Đặc điểm dân cư, kinh tế, xã hội Việt Nam

- Ứng dụng web và phần mềm mô phỏng để thiết kế các mô hình cầu (khoa học máy tính)

- Tác động của công trình cầu đến môi trường, hệ sinh thái và vấn đề ô nhiễm môi trường

2.1.2 Năng lực

- Phát triển năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn, cụ thể HS sẽ khám phá, tìm hiểu vấn đề, trình bày và phát biểu vấn đề dưới dạng bài toán khoa học có thể giải quyết được HS đề xuất được giải pháp, thực hiện giải pháp, đánh giá và điều chỉnh giải pháp dưới sự hướng dẫn của GV

- Thông qua một số nhiệm vụ GV đặt ra, HS vừa đạt mục tiêu kiến thức, vừa có thể phát triển năng lực

o Năng lực xác định vấn đề cần nghiên cứu và đưa ra các dự đoán, giả thuyết;

o Năng lực thiết kế các phương án thí nghiệm;

o Năng lực tiến hành phương án thí nghiệm đã thiết kế;

o Năng lực xử lí, phân tích và trình bày kết quả

2.2 Xác định nội dung trọng tâm

2.2.1 Khái niệm công trình cầu

Cầu là một công trình giao thông được bắc qua các chướng ngại nước như: rãnh nước, dòng suối, dòng sông, hồ, biển, thung lũng, hay các chướng ngại khác như: đường bộ, đường sắt đảm bảo cho giao thông được liên tục Nó được xây dựng

đủ vững chắc để chịu được sức nặng của chính nó và cho phép con người cũng như các phương tiện giao thông vượt qua nó antoàn Các cây cầu đã và đang được xây dựng từ nhiều loại vật liệu khác nhau và theo các thiết kế khác nhau, tùy thuộc vào chức năng dự kiến của nó, địa hình nơi cây cầu được xây dựng, vật liệu được sử dụng

để tạo ra nó

2.2.2 Lịch sử phát triển của công trình cầu

Các cây cầu đầu tiên xuất hiện trong tự nhiên có thể là một khúc gỗ rơi qua một dòng suối và tạo thành một cây cầu hoặc đá tự nhiên có thể rơi xuống sông từ một vách đá gần đó Khi con người bắt đầu xây dựng cầu, họ xây dựng chúng dưới hình thức đơn giản bằng các khúc gỗ hoặc ván, đá, được hỗ trợ bởi các thanh ngang được sắp xếp đơn giản, đôi khi còn sử dụng sợi thiên nhiên được dệt với nhau để giữ vật liệu Một trong những cầu vòm cổ nhất tồn tại là cầu Arkadiko ở Peloponnese, Hy Lạp Nó có từ thế kỷ 13 TCN

Hình 2.1 Cầu Arkadiko ở Peloponnese, Hy Lạp

Người La mã là những người xây dựng cầu giỏi nhất trong thời cổ đại Họ xây dựng các cây cầu vòm và đường máng dẫn nước vẫn giữ được đến ngày hôm nay Họ cũng sử dụng xi măng bao gồm nước, vôi, cát, đá núi lửa

Người Ấn Độ cũng xây dựng các cây cầu, được ghi lại trong văn bản cổ của họ, Arthashastra, được viết vào khoảng thế kỷ 4 và 3 trước Công nguyên Họ sử dụng tre nứa và sắt đan lại làm nguyên liệu

Cầu đá ở Trung Quốc còn sót lại là cầu Triệu Châu Nó được xây dựng từ năm

955 đến 605 sau Công nguyên trong thời nhà Tùy Nó cũng là cây cầu vòm đá cổ nhất trên thế giới được xây dựng

Hình 2.2 Cầu Triệu Châu, thuộc tỉnh Hà Bắc, Trung Quốc

Từ thế kỷ 12 đến 16 nhiều cây cầu đã được xây dựng với những ngôi nhà trên

đó Đó là giải pháp cho không gian hạn chế trong các thành phố và chỉ riêng tại Pháp

đã có đến 35 công trình như thế

Nền văn minh Inca đã sử dụng cầu dây, một loại cầu treo đơn giản, vào thế kỷ

16 Hans Ulrich, Johannes Grubenmann, và những người khác đã cải tiến dể xây dựng cầu treo trong thế kỷ 18 Đồng thời Hubert Gautier đã viết một cuốn sách về kỹ thuật xây dựng cầu

Cầu sắt đầu tiên được xây dựng ở Coalbrookdale, miền Bắc nước Anh vào năm

1779 là một trong những kỳ quan kỹ thuật của thời đại vì đó là lần đâu tiên con người

sử dụng gang thép để thiết kế một cây cầu có chiều dài hơn 30m

Cách mạng công nghiệp trong thế kỷ 19 tạo ra hệ thống vật liệu mới là thép (một hợp kim sắt với carbon rất thấp) Thép, với độ bền kéo cao, thay thế cho sắt (không có

độ bền kéo để mang trọng lượng lớn) và cho phép cầu lớn hơn Gustave Eiffel, với những ý tưởng mới mẻ, là một trong những người đầu tiên sử dụng nó

Ngày nay, các loại cầu bằng bêtông trở nên phổ biến cùng với cầu thép Nhịp cầu ngày càng được kéo dài, từ vài trăm mét như loại cầu dầm, cầu giàn bêtông ứng suất hoặc thép, và lên đến 2000 mét như cầu treo dây võng Akashi-Kaikyo (Nhật Bản)

2.2.3 Phân loại công trình cầu

2.2.3.1 Phân loại theo hình thức sử dụng

- Cầu ôtô: Là công trình cầu cho tất cả các phương tiện giao thông như : Xe tải,

xe gắn máy, xe thô sơ và đoàn người đi bộ

- Cầu đường sắt: Được xây dựng dành riêng cho xe lửa

- Cầu người đi bộ: Phục vụ dành riêng cho người đi bộ

- Cầu thành phố: Là cầu cho ô tô, xe điện, người đi bộ

- Cầu chạy chung: Là cầu cho cả ô tô, xe lửa, người đi bộ

- Cầu đặc biệt: Là các cầu phục vụ cho các ống dẫn nước, ống dẫn khí, ống dẫn

hơi đốt, dẫn dây cáp điện

2.2.3.2 Phân loại theo vật liệu làm kết cấu nhịp

Cầu gỗ, cầu đá, cầu bê tông, cầu thép

2.2.3.3 Phân loại theo cao độ đường xe chạy

- Cầu có đường xe chạy trên: Đường xe chạy đặt trên đỉnh kết cấu nhịp

- Cầu có đường xe chạy dưới: Đường xe chạy dọc theo bên dưới kết cấu nhịp

- Cầu có đường xe chạy giữa: Đường xe chạy bố trí trong phạm vi chiều cao kết cấu nhịp

2.2.3.4 Phân loại theo chướng ngại vật mà cầu vượt qua

- Cầu thông thường (Cầu vượt sông): là các công trình cầu được xây dựng vượt qua các dòng nước như : sông, suối, khe sâu

- Cầu vượt (Cầu qua đường) : là các công trình cầu được thiết kế cho các nút giao nhau khác mức trên đường ô tô hoặc đường sắt

- Cầu cạn : là cầu được xây dựng ngay trên mặt đất nhằm dẫn vào một cầu chính hoặc nâng cao độ tuyến đường lên để giải phóng không gian bên dưới

- Cầu cao: là các công trình cầu bắc qua thung lũng khe sâu , các trụ cầu có chiều cao > 20 - 25 m

- Cầu phao : là các công trình cầu được xây dựng bằng hệ nổi phục vụ cho mục đích Quân sự hoặc phục vụ giao thông trong thời gian ngắn

- Cầu mở: Cầu mở là cầu có 1 hoặc 2 nhịp sẽ được di chuyển khỏi vị trí để tàu bè qua lại trong khoảng thời gian nhất định áp dụng: chiều cao thông thuyền lớn HTT≥

Hình 2.3 Cầu quay sông Hàn, Đà Nẵng

2.2.3.5 Phân loại theo sơ đồ chịu lực

- Cầu dầm: Bộ phận chịu lực chủ yếu là dầm, chịu uốn và cắt.Khi chịu tải trọng

thẳng đứng trên kết cấu nhịp thì tại gối chỉ có thành phần phản lực thẳng đứng V Các loại Kết cấu nhịp Cầu Dầm :Cầu dầm giản đơn, cầu dầm hẫng, cầu dầm hẫng + nhịp đeo, cầu dầm liên tục

- Cầu khung

Hình 2.4 Cầu khung

• Trụ và dầm được liên kết cứng với nhau để chịu lực

• Phản lực gối gồm thành phần thẳng đứng V, thành phần nằm ngang H và mô men uốn M

- Cầu vòm

Hình 2.5 Các dạng cầu vòm

• Bộ phận chịu lực chủ yếu là vòm, chịu nén và cắt

• Khi chịu tải trọng thẳng đứng trên kết cấu nhịp thì tại chân vòm có các thành phần nội lực: V, H, M do đó ta phải xây dựng vòm tại nơi có địa chất tốt

• Theo vị trí đường xe chạy có các loại Cầu vòm sau: Cầu vòm có đường xe chạy trên, cầu vòm có đường xe chạy giữa, cầu vòm có đường xe chạy dưới

- Cầu treo

• Bộ phận chịu lực chủ yếu của cầu treo là dây cáp hoặc dây xích đỡ hệ mặt cầu

Do đó trên quan điểm tĩnh học, cầu treo là hệ thống tổ hợp giữa dây và dầm

• Có thể phân cầu treo thành 2 loại :

+ Cầu treo dây võng (gọi tắt là cầu treo)

Hình 2.6 Cầu treo dây võng

Đặc điểm : Trong cầu treo, dây làm việc chủ yếu chịu kéo và tại chỗ neo cáp có lực nhổ rất lớn do đó tại vị trí mố ta phải cấu tạo hố neo lớn và rất phức tạp

+ Cầu treo dây xiên (Cầu dây văng)

Hình 2.7 Cầu treo dây văng

Đặc điểm : Kết cầu dầm cứng tựa trên các gối cứng là các gối cầu trên mố - trụ

và các gối đàn hồi là các dây văng.Dây văng và dầm chủ tạo nên hệ bất biến hình do

đó hệ có độ cứng lớn hơn so với cầu treo Khả năng vượt nhịp hợp lý của cầu dây văng

là từ 150 - 450 m

Ví dụ : Mỹ Thuận (VN) 150+350+150 m Cầu Cần Thơ (Cần Thơ) : 270+550+270 m Cầu Kiền (Hải Phòng): 84,5+200+84,5 m Cầu Bãi Cháy (Quảng Ninh): 125+435+125 m

- Cầu dàn

Hình 2.8 Cầu dàn

• Bộ phận chịu lực chủ yếu là dàn kết hợp với hệ thống dầm mặt cầu

• Các thanh trong dàn chịu lực kéo, nén và lực cắt, bỏ qua mômen uốn trong thanh

2.2.4 Một số đặc điểm của công trình cầu

2.2.4.1 Một số đặc điểm của cầu dầm

- Đã được xây dựng một cách phổ biến rộng rãi

- Thường được sử dụng cho kết cấu nhịp ngắn và trung bình

- Chủ yếu chịu biến dạng cắt và uốn

- Khả năng phân bố vật liệu hợp lý là khó

- Kinh tế và là giải pháp lâu dài cho đại đa số các cầu

- Bản mặt cầu và dầm thường tác động cùng nhau chịu toàn bộ tải trọng trên đường

2.2.4.2 Một số đặc điểm của cầu giàn

- Thành phần lực cơ bản là lực dọc trục

- Dễ tạo hình kiến trúc đẹp

- Kết cấu nhẹ hơn so với cầu dầm (có khả năng phân bố vật liệu một cách hợp lý

và giảm trọng lượng bản thân)

2.2.4.3 Một số đặc điểm của cầu khung, khung vòm

- Kết cấu khung làm giảm mô men uốn cho dầm

- Kinh tế so với dầm thẳng giản đơn và giàn

- Thích hợp đặt tại các vị trí thũng lũng với móng khung đặt trên nền sườn đá cứng

- Khung vòm có chi phí chế tạo và lắp ráp cao

- Khung chủ yếu chịu nén

2.2.4.4 Một số đặc điểm của cầu dây văng

- Kết cấu thanh mảnh có khả năng vượt nhịp lớn từ 100 – 500m thậm chí lên đến 900m

- Do có hệ thống cáp văng neo vào dầm và tháp nên phân bố vật liệu hợp lý, giảm trọng lượng dầm

- Dầm chịu uốn, cắt và chịu nén dọc trục vị trí tháp do cáp neo vào dầm

- Toàn bộ tải trọng trên cầu truyền xuống dầm được truyền về các gối đàn hồi là các điểm neo dây vào dầm và truyền về tháp rồi truyền xuống kết cấu móng

- Tháp chủ yếu chịu nén uốn

- Chiều cao tháp thường bằng 1/5 -1/10 chiều dài nhịp chính

2.2.4.5 Một số đặc điểm của cầu dây võng

- Thành phần chịu lực chủ yếu là cáp treo Tại chỗ neo cáp của cầu treo có phản lực thẳng đứng (lực nhổ) và phản lực nằm ngang hướng ra phía sông

- Kết cấu thanh mảnh có khả năng vượt nhịp lớn từ đến 1000m thậm chí 2000m

- Dầm chịu uốn, cắt, thanh treo chịu kéo, và tháp chủ yếu chịu nén uốn

- Toàn bộ tải trọng trên cầu truyền xuống dầm được truyền về các thanh treo và truyền về tháp rồi truyền xuống kết cấu móng

- Do chỉ có 1 cáp chủ nên kết cấu khi thiết kế rất cần được quan tâm tới tính ổn định hình học và ổn định do các nhân động như gió, động đất, hoạt tải

- Chiều cao tháp lớn

2.2.5 Các yêu cầu cơ bản đối với công trình cầu

2.2.5.1 Yêu cầu về kỹ thuật công trình

Khi thiết kế công trình cầu cần chú ý đến các điều kiện quan trọng sau đây:

- Thiết kế công trình cầu cần đảm bảo yêu cầu về độ bền Tức là đảm bảo khả năng chịu lực của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng

- Thiết kế công trình cầu phải đảm bảo yêu cầu về mặt độ cứng Đảm bảo công trình cầu không bị biến dạng hoặc biến dạng nhưng không được vượt quá trị số cho phép nhất định dưới tác dụng của tải trọng

- Bên cạnh đó, khi thiết kế công trình cầu cần chú ý về độ ổn định của công trình Phải đảm bảo cho công trình giữ nguyên được hình dáng tổng thể, vị trí ban đầu dưới tác dụng của tải trọng khác nhau

2.2.5.2 Yêu cầu về mặt khai thác công trình

- Công trình cầu phải đảm bảo cho phương tiện giao thông đi qua được thuận tiện, an toàn mà vẫn đảm bảo được tốc độ lưu thông

- Phải tính toán chiều rộng đường xe chạy phù hợp với lưu lượng và loại xe lưu thông Mặt cầu được thiết kế tốt đảm bảo độ bằng phẳng, độ nhám và thoát nước sau mưa tốt Chiều dài nhịp, chiều dài cầu đảm bảo thoát lũ, tĩnh không thông thuyền đảm bảo tàu bè qua lại dưới sông dễ dàng và an toàn

2.2.5.3 Yêu cầu về mặt kinh tế

- Công trình cầu khi xây dựng cần phải đảm bảo ít tốn kém nhất Tính toán để chọn thiết bị, vật liệu phù hợp và kinh tế nhất, giảm sức lao động, giảm giá thành xây dựng, phải tính đến giá thành duy tu bảo dưỡng, sửa chữa và khai thác về sau Khi lựa chọn các hạng mục kết cấu cần xét đến sự phát triển về sau của cơ sở hạ tầng khu vực xây dựng cũng như sự phát triển của kinh tế trong khu vực

- Khi lựa chọn loại hình kết cấu, chiều dài nhịp và vật liệu phải xem xét trên cơ

sở giá thành dự án công trình cầu Cần xét đến chi phí duy tu bảo dưỡng tương lai trong tuổi thọ thiết kế của cầu Các nhân tố địa phương như vật liệu tại chỗ, vị trí của các trở ngại trong vận chuyển và lắp ráp cũng phải được xem xét

2.2.5.4 Yêu cầu về mặt mỹ quan, kiến trúc

- Công trình cầu khi xây dựng phải theo đúng quy hoạch giao thông vận tải và quy hoạch xây dựng của tỉnh, thành phố và của vùng Công trình cầu phải được thiết

kế kiểu dáng kết cấu, chiều cao, màu sắc hài hòa với các công trình xây dựng của khu vực, phù hợp với cảnh quan của môi trường xung quanh

- Các giải pháp kiến trúc đối với công trình cầu phải thoả mãn các yêu cầu về chức năng sử dụng, về tổ chức không gian chung của khu vực và về công nghệ xây dựng, bố trí trang thiết bị kỹ thuật cho công trình

- Các kết cấu trên cầu mang các nét đặc trưng có sự phối hợp hài hoà để tạo nên

vẻ đẹp cho công trình Công trình cầu phải bổ sung vẻ đẹp cho cảnh quan xung quanh

2.2.5.5 Yêu cầu về mặt môi trường

- Đối với môi trường cảnh quan phải giải quyết tốt mối quan hệ giữa môi trường

và cảnh quan, tuân thủ qui định về bảo vệ các danh lam, thắm cảnh và di tích lịch sử,