Luận án Dạy học trên cơ sở vấn đề bài học Stem chủ đề các thể của chất môn Khoa học tự nhiên 6

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÁN THỊ HƯƠNG THỦY DẠY HỌC TRÊN CƠ SỞ VẤN ĐỀ BÀI HỌC STEM CHỦ ĐỀ CÁC THỂ CỦA CHẤT MÔN KHOA HỌC TỰ NHIÊN 6 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC THÁI NGUYÊN - 2023 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÁN THỊ HƯƠNG THỦY DẠY HỌC TRÊN CƠ SỞ VẤN ĐỀ BÀI HỌC STEM CHỦ ĐỀ CÁC THỂ CỦA CHẤT MÔN KHOA HỌC TỰ NHIÊN 6 Ngành: LÝ LUẬN VÀ PPDH BỘ MÔN VẬT LÝ Mã số: 9140111 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS Đỗ Hương Trà 2. PGS.TS Vũ Thị Kim Liên THÁI NGUYÊN - 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Kết quả và số liệu nêu trong luận án là trung thực, khách quan, có nguồn gốc rõ ràng và được trích dẫn đầy đủ theo quy định. Những kết luận của luận án chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 11 năm 2023 Tác giả luận án Hán Thị Hương Thủy ii LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn chân thành, sâu sắc nhất tới GS.TS Đỗ Hương Trà và PGS. TS Vũ Thị Kim Liên. Các cô giáo đã cho tôi những định hướng khoa học và đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 là cơ quan mà tôi đang công tác và Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên là cơ sở đào tạo đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận án. Tôi gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô, các Đồng nghiệp trong Khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên. Tôi muốn gửi thành quả này của mình đến chồng và các con những người luôn đồng hành và cổ vũ tôi trong mọi hoàn cảnh. Tôi xin gửi lòng biết ơn đến Bố, Mẹ, các anh, chị, em trong gia đình đã luôn động viên và hỗ trợ tôi trong cuộc sống và quá trình học tập. Chính sự tin yêu và mong đợi của gia đình đã tạo thêm động lực cho tôi thực hiện thành công luận án này. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các Thầy, Cô, Đồng nghiệp và bạn bè đã cổ vũ, động viên tôi vượt qua những khó khăn trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả luận án Hán Thị Hương Thủy iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... iv DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................... vi MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Lí do chọn đề tài ...................................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 4 4. Khách thể nghiên cứu .............................................................................................. 4 5. Giả thuyết khoa học ................................................................................................ 4 6. Nhiệm vụ nghiên cứu .............................................................................................. 4 7. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 5 8. Những đóng góp mới của luận án ........................................................................... 6 9. Cấu trúc của luận án ................................................................................................ 6 Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................................. 7 1.1. Các nghiên cứu về dạy học trên cơ sở vấn đề ...................................................... 7 1.1.1. Các nghiên cứu trên thế giới ............................................................................. 7 1.1.2. Các nghiên cứu trong nước ............................................................................. 10 1.2. Các nghiên cứu về giáo dục STEM .................................................................... 13 1.2.1. Các nghiên cứu trên thế giới ........................................................................... 13 1.2.2. Các nghiên cứu trong nước ............................................................................. 17 1.3. Các nghiên cứu về dạy học bồi dưỡng và phát triển năng lực khoa học ........... 20 1.3.1. Các nghiên cứu trên thế giới ........................................................................... 20 1.3.2. Các nghiên cứu trong nước ............................................................................. 24 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .......................................................................................... 27 Chương 2: CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA DẠY HỌC TRÊN CƠ SỞ VẤN ĐỀ BÀI HỌC STEM TRONG VIỆC BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC KHOA HỌC TỰ NHIÊN CỦA HỌC SINH ......................................................................... 28 iv 2.1. Dạy học trên cơ sở vấn đề .................................................................................. 28 2.1.1. Khái niệm ........................................................................................................ 28 2.1.2. Mục tiêu của dạy học trên cơ sở vấn đề .......................................................... 29 2.1.3. Đặc điểm của dạy học trên cơ sở vấn đề ......................................................... 30 2.1.5. Tình huống trong dạy học trên cơ sở vấn đề ................................................... 34 2.1.6. Tổ chức dạy học trên cơ sở vấn đề .................................................................. 39 2.2. Dạy học STEM ở Trung học cơ sở .................................................................... 42 2.2.1. Khái niệm về dạy học STEM .......................................................................... 42 2.2.2. Mục tiêu của dạy học STEM ........................................................................... 43 2.2.3. Đặc điểm tâm sinh lí và nhận thức của học sinh đầu Trung học cơ sở ........... 44 2.2.4. Sản phẩm của dạy học STEM ở Trung học cơ sở ........................................... 46 2.3. Tiến trình dạy học trên cơ sở vấn đề bài học STEM.......................................... 48 2.3.1. Khái niệm bài học STEM ................................................................................ 48 2.3.2. Thiết kế tiến trình dạy học trên cơ sở vấn đề bài học STEM .......................... 49 2.4. Bồi dưỡng năng lực khoa học tự nhiên trong dạy học trên cơ sở vấn đề bài học STEM ................................................................................................................. 53 2.4.1. Khái niệm năng lực khoa học tự nhiên ........................................................... 53 2.4.2. Cấu trúc năng lực khoa học tự nhiên trong dạy học STEM ............................ 55 2.5. Điều tra thực tiễn ................................................................................................ 65 2.5.1. Điều tra lần thứ nhất ........................................................................................ 65 2.5.2. Điều tra lần thứ hai .......................................................................................... 73 2.5.3. Kết luận rút ra từ điều tra thực tiễn ................................................................. 76 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .......................................................................................... 78 Chương 3: THIẾT KẾ TIẾN TRÌNH DẠY HỌC TRÊN CƠ SỞ VẤN ĐỀ BÀI HỌC STEM CHỦ ĐỀ CÁC THỂ CỦA CHẤT ....................................................... 79 3.1. Phân tích nội dung kiến thức chủ đề Các thể của chất ....................................... 79 3.2. Nội dung chủ đề Các thể của chất trong chương trình giáo dục phổ thông ....... 81 3.2.1. Mục tiêu môn khoa học tự nhiên ..................................................................... 81 3.2.2. Yêu cầu cần đạt về phẩm chất và năng lực ..................................................... 82 3.2.3. Yêu cầu cần đạt trong dạy học chủ đề Các thể của chất ................................. 85 3.3. Tiến trình dạy học trên cơ sở vấn đề bài học STEM chủ đề Các thể của chất... 85 v 3.3.1. Phân tích nội dung kiến thức của chủ đề......................................................... 85 3.3.2. Các kiến thức khoa học bổ trợ cho giáo viên .................................................. 86 3.3.3. Tổ chức dạy học trên cơ sở vấn đề bài học STEM ......................................... 88 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ........................................................................................ 122 Chương 4: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM ................................................................ 123 4.1. Mục đích và nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm .................................................. 123 4.1.1. Mục đích thực nghiệm sư phạm .................................................................... 123 4.1.2. Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm ................................................................... 123 4.2. Đối tượng và nội dung thực nghiệm sư phạm .................................................. 123 4.2.1. Đối tượng thực nghiệm sư phạm ................................................................... 123 4.2.2. Thời gian và nội dung thực nghiệm sư phạm................................................ 125 4.3. Phương pháp thực nghiệm sư phạm và lựa chọn thiết kế ................................ 125 4.3.1. Các phương pháp được sử dụng trong thực nghiệm sư phạm ...................... 125 4.3.2. Lựa chọn thiết kế ........................................................................................... 125 4.4. Diễn biến và kết quả thực nghiệm sư phạm ..................................................... 126 4.4.1. Kết quả thực nghiệm sư phạm vòng 1 .......................................................... 126 4.4.2. Diễn biến và kết quả thu trong thực nghiệm sư phạm vòng 2 ...................... 133 4.5. Đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm ........................................................... 147 4.5.1. Xây dựng tiêu chí đánh giá các mức độ đạt được của NL KHTN ................ 147 4.5.2. Nghiên cứu trường hợp: đánh giá sự phát triển NL KHTN của học sinh ..... 149 4.5.3. Đánh giá qua bài kiểm tra sau thực nghiệm sư phạm ................................... 152 4.5.4. Kết quả bài kiểm tra đánh giá năng lực của tám học sinh ............................ 161 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ........................................................................................ 165 KẾT LUẬN, ĐỀ XUẤT VÀ KHUYẾN NGHỊ ...................................................... 166 1. Kết luận ............................................................................................................... 166 2. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo của đề tài .............................................................. 166 3. Khuyến nghị ........................................................................................................ 167 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 169 PHỤ LỤC iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ DH Dạy học ĐG Đánh giá GD Giáo dục GD&ĐT Giáo dục và đào tạo GQ Giải quyết GQVĐ Giải quyết vấn đề GV Giáo viên HĐ Hoạt động HS Học sinh HT Học tập KH Khoa học KHTN Khoa học tự nhiên KN Kĩ năng LA Luận án MT Mục tiêu NC Nghiên cứu NL Năng lực NLTT Năng lực thành tố NL KHTN Năng lực Khoa học tự nhiên PPDH Phương pháp dạy học PBL Problem Based Learning - Dạy học trên cơ sở vấn đề PT Phổ thông SGK Sách giáo khoa THCS Trung học cơ sở TN Thí nghiệm TNSP Thực nghiệm sư phạm VĐ Vấn đề PPDHTC Phương pháp dạy học tích cực ND Nội dung PP Phương pháp CBQL Cán bộ quản lí v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Các giai đoạn trong dạy học trên cơ sở vấn đề. ........................................ 39 Bảng 2.2. Năng lực nhận thức kiến thức khoa học tự nhiên. .................................... 59 Bảng 2.3. Năng lực khám phá khoa học ................................................................... 60 Bảng 2. 4. Cấu trúc năng lực khám phá KH và năng lực vận dụng kiến thức KH hướng tới phát triển bền vững ................................................................. 62 Bảng 2. 5. Cấu trúc năng lực khoa học tự nhiên ....................................................... 64 Bảng 2. 6. Tổng hợp kết quả điều tra câu hỏi 1 ........................................................ 66 Bảng 2. 7. Kết quả điều tra câu hỏi 2 ........................................................................ 67 Bảng 2. 8. Kết quả điều tra câu hỏi 6 ........................................................................ 70 Bảng 2. 9. Kết quả điều tra câu hỏi 9. ....................................................................... 71 Bảng 3. 1. Cấu trúc NL khoa học tự nhiên................................................................ 82 Bảng 3. 2. Yêu cầu cần đạt của chủ đề Các thể của chất. ......................................... 85 Bảng 3. 3. Thời gian tan chảy của các viên nước đá tương ứng với các giải pháp khác nhau ................................................................................................. 93 Bảng 3. 4. Rubric đánh giá NL KHTN bài học STEM “Hiện tượng nóng chảy” .... 95 Bảng 4.1. Trung bình điểm kiểm tra đầu vào thực nghiệm. ................................... 124 Bảng 4. 2. Bảng đánh giá T-Test độc lập điểm kiểm tra vòng 1 ............................ 124 Bảng 4. 3. Đánh giá T-Test độc lập điểm thực nghiệm sư phạm vòng 2. ............... 125 Bảng 4. 4. Cách thức phân tích dữ liệu thực nghiệm .............................................. 126 Bảng 4. 5. Kết quả đánh giá TNSP tại trường thực nghiệm ................................... 127 Bảng 4. 6. Kết quả NL KHTN của HS trong bài “Hiện tượng nóng chảy và đông đặc” .............................................................................................. 136 Bảng 4. 7. Kết quả NL KHTN của HS trong bài “Hiện tượng bay hơi và ngưng tụ” .............................................................................................. 141 Bảng 4. 8. Kết quả NL KHTN của HS trong bài “Tính chất của chất và sự chuyển thể của chất” .......................................................................................... 146 Bảng 4. 9. Lượng hóa các mức độ đạt được của từng hành vi của NL KHTN....... 147 Bảng 4. 10. Tiêu chí ĐG các mức độ đạt được của NL KHTN của HS ................. 147 Bảng 4. 11. Điểm học sinh đánh giá đồng đẳng đã qui đổi .................................... 148 Bảng 4. 12. Điểm giáo viên đánh giá nhóm đã qui đổi ........................................... 148 Bảng 4. 13. Bảng mã hóa học sinh 2 lớp thực nghiệm ........................................... 149 vi Bảng 4. 14. Bảng mã hóa bài thực nghiệm ............................................................. 149 Bảng 4. 15. Kết quả đánh giá NL KHTN bài “Hiện tượng nóng chảy và đông đặc” . 149 Bảng 4. 16. Kết quả đánh giá NL KHTN bài “Hiện tượng bay hơi và nhưng tụ” .. 150 Bảng 4.17. Kết quả đánh giá NL KHTN bài “Tính chất của chất và sự chuyển thể của chất” ................................................................................................ 151 Bảng 4.18. Kết quả ý kiến chuyên gia đề kiểm tra đánh giá NL KHTN ................ 153 Bảng 4. 19. Ma trận bài kiểm tra ĐG NL KHTN lần 1 .......................................... 154 Bảng 4. 20. Ma trận bài kiểm tra ĐG NL KHTN lần 2 .......................................... 155 Bảng 4. 21. So sánh điểm trung bình của bài kiểm tra lần 1 ở hai cặp lớp cùng trường ... 157 Bảng 4. 22. So sánh điểm trung bình của bài kiểm tra lần 1 ở hai cặp lớp khác trường ... 157 Bảng 4. 23. So sánh điểm trung bình của bài kiểm tra lần 2 ở hai cặp lớp khác trường ... 158 Bảng 4. 24. So sánh điểm trung bình của bài kiểm tra lần 2 ở hai cặp lớp cùng trường .. 159 Bảng 4. 25. Bảng so sánh điểm trung bình của 2 bài kiểm tra của 4 lớp thực nghiệm ..... 160 Bảng 4.26. Trọng số điểm của các năng lực thành phần của 2 bài kiểm tra ........... 160 Bảng 4. 27. Hệ số SMD đánh giá mức độ ảnh hưởng của tác động ....................... 161 Bảng 4. 28. Bảng kết quả đánh giá năng lực của 8 học sinh ................................... 161 Bảng 4. 29. So sánh điểm trung bình của 2 bài kiểm tra NL với điểm NL ............ 162 Bảng 4.30. Kết quả đánh giá NL KHTN và biểu đồ biểu diễn ............................... 163 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1. So sánh dạy học trên cơ sở vấn đề và dạy học truyền thống .............................. 30 Hình 2.2. Sơ đồ minh họa tình huống gián đoạn .................................................................. 35 Hình 2.3. Sơ đồ minh họa tình huống liên tiếp ..................................................................... 35 Hình 2.4. Các bước xây dựng một tình huống vấn đề ......................................................... 37 Hình 2.5. Các bước của tổ chức DH trên cơ sở VĐ............................................................. 39 Hình 2.6. Sản phẩm dạy học STEM đối với HS đầu THCS. .............................................. 47 Hình 2.7. So sánh tiến trình dạy học trên cơ sở vấn đề và dạy học STEM [6], [85] ........ 51 Hình 2. 8. Sơ đồ dạy học trên cơ sở vấn đề bài học STEM. ............................................... 52 Hình 2. 9. Sơ đồ năm giai đoạn xác định cấu trúc năng lực ................................................ 57 Hình 2. 10. Thang SOLO [92]. .............................................................................................. 61 Hình 2. 11. Kết quả điều tra câu hỏi 1 ................................................................................... 67 Hình 2. 12. Kết quả điều tra câu hỏi 4 ................................................................................... 68 Hình 2. 13. Kết quả điều tra câu hỏi 6 ................................................................................... 70 Hình 2. 14. Kết quả điều tra câu hỏi 9 ................................................................................... 72 Hình 2. 15. Kết quả điều tra câu hỏi 1. .................................................................................. 74 Hình 2. 16. Kết quả điều tra câu hỏi 2. .................................................................................. 74 Hình 2. 17. Kết quả điều tra câu hỏi 3. .................................................................................. 74 Hình 2. 18. Kết quả điều tra câu hỏi 4. .................................................................................. 75 Hình 2. 19. Kết quả đánh giá GV. ......................................................................................... 76 Hình 3. 1. Sự chuyển thể của chất.......................................................................................... 80 Hình 3. 2. Trạng thái của một số chất .................................................................................... 88 Hình 3. 3. Tiến trình DH trên cơ sở VĐ bài học STEM “Hiện tượng nóng chảy”........... 89 Hình 3. 4.