Luận án Day học môn công nghệ phổ thông theo định hướng giáo duc Stem

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI LÊ XUÂN QUANG DẠY HỌC MÔN CÔNG NGHỆ PHỔ THÔNG THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC Hà Nội - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI LÊ XUÂN QUANG DẠY HỌC MÔN CÔNG NGHỆ PHỔ THÔNG THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM Chuyên ngành: LL và PPDH bộ môn Kĩ thuật Công nghiệp Mã số: 62 14 01 11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Lê Huy Hoàng 2. TS. Vũ Đình Chuẩn Hà Nội - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình do chính tôi thực hiện. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, khách quan, nghiêm túc và chưa từng được tác giả khác công bố trong bất cứ công trình nào. Tác giả luận án Lê Xuân Quang LỜI CẢM ƠN Em xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Sư phạm kĩ thuật, trường Đại học Sư phạm Hà Nội đã tận tình giảng dạy, truyền thụ kiến thức, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em học tập và nghiên cứu tại Trường. Với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS. Lê Huy Hoàng và TS.Vũ Đình Chuẩn đã tận tình hướng dẫn và luôn động viên, giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu. Sự hiểu biết sâu sắc về khoa học cũng như kinh nghiệm của các thầy là tiền đề để em đạt được kết quả này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy giáo, các cô giáo và các bạn đồng nghiệp làm việc tại bộ môn Phương pháp dạy học, Khoa Sư phạm kĩ thuật, trường Đại học Sư phạm Hà Nội đã tận tình chỉ bảo và chia sẻ kinh nghiệm, kiến thức giúp đỡ em trong quá trình học tập và nghiên cứu. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các chuyên gia, các thầy cô giáo và các em học sinh, sinh viên đã tham gia, hợp tác và tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cha mẹ, gia đình, người thân, bạn bè đã luôn quan tâm, ủng hộ, động viên, khích lệ, và giúp đỡ để tôi hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày tháng 4 năm 2017 Nghiên cứu sinh Lê Xuân Quang i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt CNTT Công nghệ thông tin CS Cộng sự ĐC Đối chứng ĐLC Độ lệch chuẩn GV Giáo viên HS Học sinh NXB Nhà xuất bản PPDH Phương pháp dạy học STEM Science, Technology, Engineering và Mathematics Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học TB Trung bình THCS Trung học cơ sở THPT Trung học phổ thông TN Thực nghiệm TNSP Thực nghiệm sư phạm UNESCO United Nations Educational Scientific and Cultural Organization Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa của Liên hiệp quốc ii MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục từ viết tắt Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. Lí do chọn đề tài ........................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................. 3 3. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................ 3 4. Khách thể, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................... 3 5. Giả thuyết khoa học ................................................................................... 4 6. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 4 7. Đóng góp của đề tài ................................................................................... 5 8. Bố cục của luận án ..................................................................................... 5 Chương 1 - CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA DẠY HỌC MÔN CÔNG NGHỆ THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM ........................ 6 1.1. Tổng quan lịch sử nghiên cứu giáo dục STEM ...................................... 6 1.1.1. Giáo dục STEM trên thế giới........................................................... 6 1.1.2. Giáo dục STEM ở Việt Nam ......................................................... 13 1.2. Một số khái niệm .................................................................................. 16 1.2.1. STEM ............................................................................................. 16 1.2.2. Giáo dục STEM ............................................................................. 17 1.3. Một số vấn đề cơ bản về giáo dục STEM ............................................ 19 1.3.1. Mục tiêu giáo dục STEM ............................................................... 19 1.3.2. Mối liên hệ tương tác giữa các lĩnh vực trong giáo dục STEM .... 21 1.3.3. Quy trình giáo dục STEM ............................................................. 23 1.3.4. Các con đường giáo dục STEM cho học sinh ............................... 27 iii 1.3.5. Phân loại STEM ............................................................................. 31 1.4. Dạy học môn Công nghệ theo định hướng giáo dục STEM ................ 33 1.4.1. Cơ sở khoa học của dạy học môn Công nghệ theo định hướng giáo dục STEM ................................................................................................ 33 1.4.2. Bản chất của dạy học môn Công nghệ theo định hướng giáo dục STEM ....................................................................................................... 40 1.4.3. Đặc điểm của dạy học môn Công nghệ theo định hướng giáo dục STEM ....................................................................................................... 41 1.4.4. Quy trình dạy học môn Công nghệ theo định hướng giáo dục STEM ....................................................................................................... 42 1.4.5. Phương pháp và hình thức tổ chức dạy học môn Công nghệ theo định hướng giáo dục STEM ..................................................................... 49 1.4.6. Cơ sở vật chất trong giáo dục STEM ............................................ 54 1.5. Thực trạng dạy học môn Công nghệ phổ thông dưới góc độ định hướng giáo dục STEM ............................................................................................ 55 1.5.1. Từ góc độ chương trình ................................................................. 55 1.5.2. Từ điều tra thực tiễn ...................................................................... 56 Kết luận chương 1 ....................................................................................... 63 Chương 2 - DẠY HỌC MÔN CÔNG NGHỆ 8 THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM ........................................................................................ 65 2.1. Phân tích môn Công nghệ 8 dưới góc độ giáo dục STEM [4] ............. 65 2.1.1. Mục tiêu môn Công nghệ 8 ........................................................... 65 2.1.2. Cấu trúc nội dung môn Công nghệ 8 ............................................. 67 2.1.3. Đặc điểm môn Công nghệ 8 .......................................................... 68 2.2. Mối quan hệ giữa mục tiêu, chương trình, nội dung môn Công nghệ 8 với mục tiêu, nội dung giáo dục STEM ..................................................... 70 2.3. Các mức độ dạy học môn Công nghệ 8 theo định hướng giáo dục STEM........................................................................................................... 72 2.4. Vận dụng quy trình giáo dục STEM trong dạy học môn Công nghệ 8 73 iv 2.4.1. Xây dựng chủ đề ............................................................................ 73 2.4.2. Xây dựng nội dung học tập môn Công nghệ theo định hướng giáo dục STEM ................................................................................................ 79 2.4.3. Thiết kế các nhiệm vụ .................................................................... 83 2.4.4. Tổ chức thực hiện .......................................................................... 84 2.4.5. Đánh giá ......................................................................................... 86 2.5. Một số ví dụ minh hoạ .......................................................................... 97 2.5.1. Chủ đề STEM cho dạy lồng ghép bộ phận .................................... 97 2.5.2. Chủ đề STEM cho dạy lồng ghép toàn bộ ................................... 101 2.5.3. Chủ đề STEM cho dạy phối hợp nhiều bài học ........................... 111 Kết luận chương 2 ..................................................................................... 118 CHƯƠNG 3. KIỂM NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ............................................. 119 3.1. Thực nghiệm sư phạm ........................................................................ 119 3.1.1. Mục đích thực nghiệm sư phạm .................................................. 119 3.1.2. Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm .................................................. 119 3.1.3. Nội dung thực nghiệm sư phạm................................................... 120 3.1.4. Tiến hành thực nghiệm sư phạm ................................................. 120 3.1.5. Phương pháp thực nghiệm sư phạm ............................................ 122 3.1.6. Kết quả thực nghiệm sư phạm ..................................................... 125 3.2. Phương pháp chuyên gia .................................................................... 134 3.2.1. Mục đích ...................................................................................... 134 3.2.2. Đối tượng xin ý kiến chuyên gia ................................................. 134 3.2.3. Nội dung và phương pháp tiến hành............................................ 135 3.2.4. Đánh giá kết quả .......................................................................... 137 Kết luận chương 3 ..................................................................................... 144 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ............................................................. 145 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ......................................... 147 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 148 PHỤ LỤC v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Xác định chủ đề STEM từ ngữ cảnh cuộc sống ............................. 46 Bảng 1.2. Kết quả mức độ quan tâm của GV tới các năng lực chung thông qua bài giảng ......................................................................................... 57 Bảng 1.3. Mức độ GV sử dụng phương pháp và kĩ thuật dạy học tích cực .... 58 Bảng 1.4. Kết quả hướng dẫn HS vận dụng kiến thức để giải quyết các vấn đề thực tiễn .......................................................................................... 59 Bảng 1.5. Kết quả mức độ GV chú ý định hướng hứng thú ở HS .................. 59 Bảng 1.6. Kết quả mức độ GV tổ chức cho HS hợp tác làm ra sản phẩm trong quá trình dạy học ............................................................................ 60 Bảng 1.7. Kết quả mức độ GV kết nối kiến thức từ các môn Khoa học tự nhiên trong quá trình dạy học môn Công nghệ .............................. 60 Bảng 1.8. Kết quả khảo sát mức độ GV sử dụng cơ sở vật chất dạy học môn Công nghệ ....................................................................................... 61 Bảng 1.9. Kết quả khảo sát về phòng học môn Công nghệ ............................ 62 Bảng 1.10. Kết quả mức độ nhận thức của GV về STEM .............................. 62 Bảng 1.11. Mối quan tâm về STEM hiện nay của GV môn Công nghệ ........ 63 Bảng 2.1. Một số nội dung trong chương trình môn Công nghệ 8 có thể lựa chọn để xây dựng chủ đề STEM .................................................... 74 Bảng 2.2. Ứng dụng các kiến thức trong môn Công nghệ 8 trong thực tiễn .. 76 Bảng 2.3. Nội dung cho chủ đề giáo dục STEM ............................................ 82 Bảng 2.4. Bảng Rubric đánh giá sản phẩm của HS ........................................ 89 Bảng 2.5. Cấu trúc và tiêu chí năng lực giải quyết vấn đề ............................. 90 Bảng 2.6. Các mức của năng lực giải quyết vấn đề ........................................ 91 Bảng 2.7. Bảng kiểm quan sát năng lực giải quyết vấn đề ............................. 92 Bảng 2.8. Cấu trúc và các tiêu chí của năng lực sáng tạo ............................... 92 Bảng 2.9. Bảng mô tả các tiêu chí và mức độ đánh giá năng lực sáng tạo ..... 93 vi Bảng 2.10. Bảng kiểm quan sát năng lực sáng tạo ......................................... 94 Bảng 2.11. Cấu trúc và các tiêu chí của năng lực hợp tác .............................. 94 Bảng 2.12. Các tiêu chí và mức độ đánh giá năng lực hợp tác ....................... 95 Bảng 2.13. Bảng kiểm quan sát năng lực hợp tác ........................................... 96 Bảng 3.1. Các trường và lớp trong TNSP ..................................................... 121 Bảng 3.2. Bảng tổng hợp các tham số đặc trưng của lớp TN trước và sau tác động sư phạm ............................................................................... 126 Bảng 3.3. Bảng tổng hợp các tham số đặc trưng của lớp TN và lớp ĐC .... 128 Bảng 3.4. Bảng tổng hợp các tham số đánh giá năng lực giải quyết vấn đề 129 Bảng 3.5. Bảng tổng hợp các tham số đánh giá năng lực sáng tạo ............... 131 Bảng 3.6 Bảng tổng hợp các tham số đánh giá năng lực hợp tác ................. 132 Bảng 3.7. Kết quả điều tra mức độ đồng tình của HS .................................. 133 Bảng 3.8. Ý kiến chuyên gia về cơ sở khoa học của dạy học môn Công nghệ theo định hướng giáo dục STEM ................................................. 137 Bảng 3.9. Ý kiến chuyên gia về đặc điểm của giáo dục STEM.................... 138 Bảng 3.10. Ý kiến chuyên gia về tiêu chí xây dựng chủ đề giáo dục STEM 140 Bảng 3.11. Ý kiến chuyên gia về nguyên tắc dạy học môn Công nghệ theo định hướng giáo dục STEM ......................................................... 140 Bảng 3.12. Ý kiến chuyên gia về tính khả thi của đề xuất ............................ 142 Bảng 3.13. Ý kiến chuyên gia về chủ đề đã xây dựng .................................. 143 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Mối liên quan của Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học .... 22 Hình 1.2. Mô hình 5E hướng dẫn tích hợp STEM .......................................... 24 Hình 1.3. Tiến trình dạy học STEM theo phương pháp nghiên cứu khoa học26 Hình 1.4. Vòng lặp thiết kế trong giáo dục STEM [84] ................................. 27 Hình 1.5. Chủ đề STEM được dạy trong một môn học duy nhất ................... 29 Hình 1.6. Chủ đề STEM được dạy trong nhiều môn học ............................... 29 Hình 1.7. Chủ đề STEM nhiều môn phối hợp ................................................ 30 Hình 1.8. Quy trình dạy học môn Công nghệ theo định hướng giáo dục STEM 42 Hình 1.9. Quy trình xây dựng chủ đề giáo dục STEM ................................... 43 Hình 1.10. Mô hình ba chiều xem xét chủ đề giáo dục STEM ....................... 45 Hình 1.11. Sơ đồ các bước thực hiện dạy học theo dự án .............................. 52 Hình 1.12. Biểu đồ mức độ sử dụng phương pháp và kĩ thuật dạy học.......... 59 Hình 1.13. Kết quả mức độ kết nối kiến thức từ các môn Toán học, Vật lí, Hóa học, Sinh học và Tin học trong quá trình dạy học môn Công nghệ .. 61 Hình 2.1. Nội dung môn Công nghệ 8 ............................................................ 68 Hình 2.2. Các giai đoạn tổ chức thực hiện nội dung học tập .......................... 85 Hình 3.1. Đồ thị đường lũy tích bài kiểm tra của lớp TN trước và sau tác động sư phạm .......................................................................................... 126 Hình 3.2. Đồ thị đường lũy tích bài kiểm tra của lớp TN (sau tác động sư phạm) và lớp ĐC............................................................................ 127 1 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Một nền kinh tế thịnh vượng trong thế kỉ 21 sẽ dựa trên nền tảng của Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học [64]. Điều này đặt ra cho ngành giáo dục nhiệm vụ cần chuẩn bị cho học sinh (HS) những kĩ năng và kiến thức theo chuẩn toàn cầu để đáp ứng với nhu cầu hội nhập ngày càng cao. Giáo dục STEM bắt nguồn từ nước Mỹ cách đây gần hai thập kỉ, đây được coi như một cuộc cải cách giáo dục mang tính đột phá của Mỹ với mục tiêu xác lập vững chắc vị thế của quốc gia đứng đầu thế giới về kinh tế, khoa học và công nghệ với nguồn lao động chất lượng thuộc các lĩnh vực STEM. Bên cạnh đó tiếp tục làm gia tăng tầm ảnh hưởng của Mỹ với thế giới thông qua những phát minh, sáng chế. Cho đến nay đã có rất nhiều quốc gia theo đuổi chương trình giáo dục STEM bởi họ nhận thấy đó là hướng đi đúng và mang tính tất yếu trong bối cảnh cạnh tranh kinh tế giữa các quốc gia trên thế giới. STEM là viết tắt của các từ Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kĩ thuật) và Mathematics (Toán học). Giáo dục STEM là quan điểm dạy học theo tiếp cận liên ngành nhằm trang bị cho HS những kiến thức và kĩ năng cần thiết liên quan đến các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học. Các kiến thức và kĩ năng này phải được giảng dạy tích hợp giúp người học có thể áp dụng những kiến thức đó trong những bối cảnh cụ thể. Theo số liệu của Cục thống kê lao động Mỹ năm 2012 cho thấy việc làm thuộc lĩnh vực STEM được dự báo mở rộng và phát triển nhanh hơn so với việc làm thuộc lĩnh vực phi STEM trong giai đoạn 2010 - 2020 [82]. Trong đó, số lượng lao động của Mỹ giai đoạn 2012 - 2022 cần thêm 15,6 triệu người (tăng 10,8%), đặc biệt tỉ lệ tăng trưởng về việc làm trong lĩnh vực STEM chiếm tỉ lệ cao nhất [74]. Tương tự tại Úc, ước tính 75% những nghề phát triển nhanh nhất đòi hỏi kĩ năng và kiến thức về STEM. Như vậy, nguồn nhân lực thuộc lĩnh vực 2 STEM cũng đang trở nên rất cần thiết đối với các quốc gia khác đặc biệt trong bối cảnh toàn cầu hóa hiện nay. Ở Việt Nam, định hướng phát triển đất nước sớm trở thành nước công nghiệp theo hướng hiện đại, đặc biệt chú trọng tới phát triển kinh tế tri thức. Trong chiến lược phát triển công nghiệp Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035 chú trọng đào tạo nguồn nhân lực công nghiệp có kĩ năng, có năng lực sáng tạo; ưu tiên phát triển và chuyển giao công nghệ đối với các ngành. Trong đó, Chính phủ đã xác định 3 nhóm ngành công nghiệp lựa chọn ưu tiên phát triển gồm: công nghiệp chế biến chế tạo, điện tử và viễn thông, năng lượng mới và năng lượng tái tạo [29]. Để xây dựng được nguồn nhân lực đó, giáo dục cần phải chuẩn bị một lực lượng thành thạo trong lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật... Vì vậy, trong quá trình hội nhập quốc tế sâu rộng, cơ hội tiếp cận với các xu thế mới, các mô hình giáo dục mới và học hỏi kinh nghiệm của các nước có nền giáo dục tiên tiến là cần thiết nhằm thay đổi căn bản giáo dục phổ thông tại Việt Nam. Giáo dục STEM xuất hiện ở Việt Nam trong vài năm trở lại đây, hiện nay mới đang ở bước truyền thông và mang tính thử nghiệm, chưa thực sự trở thành một hoạt động giáo dục chính thức trong trường phổ thông. Tuy nhiên, giáo dục STEM với nhiệm vụ cung cấp các kiến thức và kĩ năng cần thiết cho HS thế kỉ 21 sẽ là mô hình giáo dục diện rộng trong tương lai gần của thế giới. Do vậy, giáo dục STEM rất cần sự quan tâm và nhận thức của toàn xã hội. Hiện nay ở Việt Nam, STEM và giáo dục STEM nói riêng vẫn chưa được nghiên cứu sâu. Các bài viết, tài liệu về giáo dục STEM ở Việt Nam hiện nay mới chỉ mang tính chất thông tin và bình luận. Hiện chưa có công trình nào bàn về cơ sở lí luận của giáo dục STEM và vận dụng nó vào dạy học bộ môn. Bên cạnh đó, môn Công nghệ có nhiều điểm tương đồng với giáo dục STEM bởi đây là môn khoa học ứng dụng