Sở Giáo dục và Đào tạo

         I. Mở đầu

Giáo dục STEM hiện nay đã và đang trở thành một xu hướng giáo dục được quan tâm ở nhiều nước trên thế giới và Việt Nam. Từ năm học 2016– 2017 Bộ Giáo dục và Đào tạo (GDĐT) đã triển khai thí điểm giáo dục STEM tại một số trường trung học. Hiện nay, Bộ GDĐT đang trong quá trình triển khai xây dựng nội dung, phương pháp, hình thức tổ chức và quản lí hoạt động dạy học, kiểm tra, đánh giá theo định hướng giáo dục STEM trong chương trình giáo dục phổ thông.

Giáo dục STEM đặt học sinh trước những vấn đề thực tiễn, công nghệ, hiện tại cần giải quyết, đòi hỏi học sinh phải tìm tòi nghiên cứu con đường chiếm lĩnh  kiến thức khoa học và vận dụng kiến thức để thiết kế và thực hiện giải pháp giải quyết vấn đề. Như vậy, mỗi bài học STEM sẽ đề cập và giao cho học sinh giải quyết một vấn đề tương đối trọn vẹn, đòi hỏi học sinh phải huy động kiến thức đã có và tìm tòi, chiếm lĩnh kiến thức mới. Quá trình đó đòi hỏi học sinh phải thực hiện theo quy trình khoa học để chiếm lĩnh kiến thức mới và quy trình kĩ thuật để sử dụng kiến thức đó vào việc thiết kế và thực hiện giải pháp và giải quyết vấn đề học tập. Đây là cơ sở để hình thành và phát triển năng lực nghiên cứu khoa học cho học sinh.

        II. Dạy học STEM – dạy học phát triển năng lực cho học sinh

STEM là thuật ngữ viết tắt của các từ Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kĩ thuật) và Mathematics (Toán học), như vậy, STEM là mô hình giáo dục tích hợp nội dung khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học vào giải quyết một số vấn đề thực tiễn. Tổ chức hoạt động dạy học STEM hướng tới phát triển tư duy thiết kế kĩ thuật nhằm giải quyết các vấn đề thực tiễn cho học sinh.

Giáo dục STEM là cách tiếp cận theo định hướng dạy học tích hợp và hướng tới việc phát triển phẩm chất, năng lực học sinh thông qua quá trình vận dụng kiến thức, kỹ năng của các lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên giáo dục STEM có một số đặc trưng riêng như hướng tới tư duy thiết kế kỹ thuật nhằm giải quyết vấn đề thực tiễn. Giáo dục STEM là sự giao thoa hội tụ của khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học được sử dụng hợp nhất các lĩnh vực này để giải quyết các vấn đề thực tiễn, giáo dục STEM thực hiện đầy đủ các mục tiêu giáo dục đã nêu trong chương trình giáo dục phổ thông, cụ thể: 

- Phát triển các năng lực đặc thù của các môn học STEM cho học sinh như các môn Khoa học (Vật lí, Hóa học, Sinh học, Khoa học tự nhiên), Công nghệ và Toán học. Trong đó, học sinh biết liên kết các kiến thức, kỹ năng Khoa học, Toán học để giải quyết các vấn đề thực tiễn, biết sử dụng, quản lí, truy cập Công nghệ và vận dụng quy trình thiết kế kỹ thuật để chế tạo ra các sản phẩm.

- Phát triển các năng lực cốt lõi cho học sinh và chuẩn bị cho học sinh những cơ hội cũng như thách thức trong nền kinh tế cạnh tranh toàn cầu của thế kỉ 21. Bên cạnh những hiểu biết về các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật, Toán học, học sinh sẽ được phát triển tư duy phê phán, khả năng hợp tác để thành công…

- Định hướng nghề nghiệp cho học sinh: Giáo dục STEM nhằm trang bị cho học sinh có những kiến thức, kỹ năng nền tảng cho việc học tập ở các bậc học cao hơn cũng như cho nghề nghiệp trong tương lai của học sinh, góp phần xây dựng lực lượng lao động có năng lực, phẩm chất tốt đặc biệt là lao động trong lĩnh vực STEM nhằm đáp ứng mục tiêu xây dựng và phát triển đất nước.

Như vậy, thông qua giáo dục STEM, học sinh được hình thành những phẩm chất, rèn luyện các kỹ năng, phát triển các năng lực của bản thân trở thành con người toàn diện, năng động, sáng tạo thích ứng với thời cuộc.

        III. Năng lực nghiên cứu khoa học của học sinh trung học phổ thông

        1. Quan điểm về năng lực nghiên cứu khoa học

Năng lực nghiên cứu khoa học của học sinh phổ thông là khả năng phát hiện; vận dụng kiến thức, kỹ năng khoa học để giải quyết các vấn đề khoa học trong một bối cảnh nhất định qua đó đạt được mục đích nghiên cứu là tạo ra sản phẩm học tập có ý nghĩa thực tiễn.

Năng lực nghiên cứu khoa học của học sinh thể hiện thông qua việc học sinh thực hiện được một số kỹ năng cơ bản trong tìm tòi, khám phá sự vật hiện tượng trong tự nhiên và đời sống: quan sát, thu thập thông tin; phân tích, xử lí số liệu; dự đoán kết quả nghiên cứu. Giải thích được một số hiện tượng khoa học đơn giản gần gũi với đời sống, sản xuất. Đồng thời học sinh thực hiện được một số kỹ năng tìm tòi, khám phá theo tiến trình: đặt câu hỏi cho vấn đề nghiên cứu; xây dựng giả thuyết; lập kế hoạch và thực hiện kế hoạch giải quyết vấn đề; trình bày kết quả nghiên cứu. Từ đó học sinh thực hiện được việc phân tích, so sánh, rút ra những dấu hiệu chung và riêng của một số sự vật, hiện tượng đơn giản trong tự nhiên; biết cách  sử dụng các chứng cứ khoa học, lí giải các chứng cứ để rút ra kết luận.

  Năng lực nghiên cứu khoa học của học sinh phổ thông là sự vận dụng kiến thức, kỹ năng khoa học để giải quyết các vấn đề khoa học trong một bối cảnh nhất định qua đó đạt được mục đích nghiên cứu là tạo ra và công bố sản phẩm trong quá trình học tập. Đối với trường trung học phổ thông (THPT) thì việc phát triển năng lực nghiên cứu khoa học cho học sinh vừa là mục tiêu vừa là phương tiện để nâng cao chất lượng dạy học các môn học nói chung và các môn Khoa học tự nhiên nói riêng.

Khi thực hiện quy trình nghiên cứu khoa học, học sinh sử dụng một số kỹ năng tìm tòi, khám phá theo tiến trình: đặt câu hỏi cho vấn đề nghiên cứu; từ đó xây dựng giả thuyết; lập kế hoạch và thực hiện kế hoạch giải quyết vấn đề (kiểm chứng giả thuyết và trả lời câu hỏi đặt ra); trình bày kết quả nghiên cứu. Trong quá trình nghiên cứu học sinh tiến hành phân tích, rút ra những đặc điểm chung và riêng của một số sự vật, hiện tượng đơn giản trong tự nhiên đồng thời sử dụng các minh chứng khoa học cần thiết và lí giải các minh chứng đó để rút ra kết luận. Thông thường kết quả nghiên cứu khoa học của học sinh cũng là sản phẩm “mới” đối với chính họ, có tác dụng nhất định đối với thực tiễn trong khuôn khổ phạm vi hẹp nhưng có thể không phải là sản phẩm mới đối với xã hội.

        2. Cấu trúc của năng lực nghiên cứu khoa học

Cấu trúc năng lực nghiên cứu khoa học của học sinh THPT gồm ba thành tố cơ bản là năng lực lập kế hoạch nghiên cứu, năng lực thực hiện kế hoạch nghiên cứu, năng lực viết báo cáo và trình bày kết quả.

- Năng lực lập kế hoạch nghiên cứu: học sinh lập kế hoạch nghiên cứu theo quy trình nghiên cứu khoa học, sản phẩm cần có là kế hoạch nghiên cứu, gồm dự kiến hay đề xuất về: Chủ đề nghiên cứu; Các câu hỏi nghiên cứu của vấn đề nghiên cứu; Giả thuyết nghiên cứu/dự đoán tương ứng cho mỗi câu hỏi nghiên cứu; Phương án thực nghiệm để trả lời câu hỏi nghiên cứu; Cách thức thu thập thông tin, xử lí thông tin: Công cụ thu thập và phân tích kết quả; Dự kiến sản phẩm, kết luận “cái mới” tìm được; Cấu trúc nội dung báo cáo; Dự kiến cách trình bày kết quả nghiên cứu theo ngôn ngữ khoa học.

- Năng lực thực hiện kế hoạch nghiên cứu: Thể hiện rõ ở kết quả nghiên cứu tạo sản phẩm cuối cùng gồm: Chủ đề nghiên cứu: Có tính thiết thực, thực tiễn, khả thi; Câu hỏi nghiên cứu: Thể hiện rõ định hướng và có thể tìm tòi nghiên cứu được; Giả thuyết nghiên cứu/dự đoán: Rõ ràng, có thể kiểm chứng được, phù hợp với câu hỏi nghiên cứu; Phương án thực nghiệm khả thi để kiểm chứng giả thuyết và trả lời cho câu hỏi nghiên cứu; Tiến hành có hiệu quả theo phương án thực nghiệm đã đề ra. Thu thập được thông tin, xử lí thông tin một cách khoa học; Rút ra kết luận: “cái mới” tìm được trên cơ sở các bằng chứng khoa học.

- Năng lực viết báo cáo và trình bày kết quả nghiên cứu: Viết được báo cáo ngắn gọn, cấu trúc logic theo ngôn ngữ khoa học; Trình bày kết quả nghiên cứu làm nổi bật cái mới, đóng góp của đề tài.

        III. Bản chất khoa học trong quy trình dạy học STEM với vấn đề phát triển năng lực nghiên cứu khoa học cho học sinh

Tiến trình khoa học là cách mà các nhà khoa học thực hiện các nghiên cứu khoa học để xác định vấn đề nghiên cứu, tiến hành thực nghiệm, thu thập minh chứng và đưa ra những kết luận khoa học. Tương tự như vậy, trong giáo dục STEM, thông qua tiến trình khoa học, học sinh có thể sử dụng các nghiên cứu khoa học để tự khám phá thế giới tự nhiên. Đây là một cách để đặt câu hỏi và trả lời các câu hỏi khoa học bằng cách quan sát và thực hiện các thí nghiệm. Tiến trình khoa học của giáo dục STEM cung cấp cho học sinh cơ hội được thực hiện các hoạt động [8]: (1) Đặt câu hỏi về những gì học sinh muốn tìm hiểu thêm; (2) Dự đoán hoặc đưa ra giả thuyết trả lời câu hỏi; (3) Kiểm tra giả thuyết bằng cách lập kế hoạch và tiến hành các thí nghiệm hoặc quan sát; (4) Theo dõi và ghi lại những gì xảy ra; (5) Sử dụng thông tin thu được từ các quan sát/thí nghiệm phân tích và rút ra kết luận; (6) Chia sẻ và phổ biến kết quả.

        Đặc trưng của giáo dục STEM là quy trình thiết kế kỹ thuật, quy trình được áp dụng với mục đích tìm ra giải pháp tối ưu cho việc giải quyết vấn đề. Khi giải quyết nhiệm vụ học tập theo quy trình thiết kế kỹ thuật, học sinh sẽ tự trang bị cho mình phương pháp tiếp cận giải quyết vấn đề của các kĩ sư, học sinh vận dụng quy trình kỹ thuật để sử dụng kiến thức vào việc thiết kế và thực hiện giải pháp từ đó giải quyết nhiệm vụ học tập. Quy trình này được thực hiện thông qua các bước: (1) Xác định vấn đề dựa trên nền tảng khoa học; (2) Thu thập thông tin để phát triển các giải pháp có thể nhờ vào tri thức khoa học và công cụ công nghệ; (3) Phát triển các giải pháp; (4) Thiết kế và xây dựng mô hình; (5) Thử nghiệm, xác nhận và đánh giá mô hình; (6) Chia sẻ kết quả. Khi tham gia đầy đủ các công đoạn trên, học sinh được rèn tư duy khoa học, logic; kỹ năng nghiên cứu tìm tòi, khám phá; phương pháp học tập khoa học, hiệu quả; đồng thời năng lực giải quyết vấn đề, năng lực sáng tạo, năng lực tự học, tự nghiên cứu, năng lực nghiên cứu khoa học của học sinh cũng được hình thành và phát triển.

        Có thể thấy tiến trình khoa học trong giáo dục STEM, Quy trình thiết kế kĩ thuật trong giáo dục STEM có những điểm tương đồng với quy trình nghiên cứu khoa học của nhà khoa học. Tiến trình bài học STEM cung cấp một cách thức linh hoạt đưa học sinh từ việc xác định một vấn đề hay một yêu cầu thiết kế đến sáng tạo và phát triển một giải    pháp. Quy trình dạy học chủ đề STEM thể hiện bản chất khoa học rõ nét, con đường giải quyết nhiệm vụ học tập của học sinh thông qua chủ đề STEM gần với quy trình nghiên cứu khoa học tìm ra một giải pháp mới hay thiết kế một sản phẩm mới. Các hoạt động cụ thể có thể tiến hành theo [8]: (1) Xác định vấn đề; (2) Nghiên cứu kiến thức nền; (3) Đề xuất các giải pháp/thiết kế; (4) Lựa chọn giải pháp/thiết kế; (5) Chế tạo mô hình (nguyên mẫu); (6) Thử nghiệm và đánh giá; (7) Chia sẻ và thảo luận; (8) Điều chỉnh thiết kế. Trong thực tiễn dạy học, quy trình 8 bước này được thể hiện qua 5 hoạt động chính:

Hoạt động 1: Xác định vấn đề (yêu cầu thiết kế, chế tạo);

Hoạt động 2: Nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất các giải pháp thiết kế;

Hoạt động 3: Trình bày và thảo luận phương án thiết kế;

Hoạt động 4: Chế tạo mô hình/thiết bị... theo phương án thiết kế (đã được cải tiến theo góp ý); thử nghiệm và đánh giá;

Hoạt động 5: Trình bày và thảo luận về sản phẩm được chế tạo; điều chỉnh thiết kế ban đầu.

Trong quy trình nghiên cứu, tìm tòi hoàn thành dự án STEM các nhóm học sinh thử nghiệm các ý tưởng nghiên cứu của mình, sử dụng nhiều cách tiếp cận khác nhau, mắc sai lầm, chấp nhận, học từ sai lầm và thử lại, điều chỉnh dựa trên những kinh nghiệm trước. Sự tập trung của học sinh là phát triển các giải pháp để giải quyết vấn đề đặt ra, nhờ đó học được và vận dụng được kiến thức mới trong chương trình giáo dục. Như vậy, học sinh được trải nghiệm quy trình làm việc, nghiên cứu, thử nghiệm sản phẩm của một kỹ sư, đóng vai trò như một nhà khoa học trẻ đi tìm hiểu, khám phá, đưa ra ý tưởng, lập kế hoạch thực hiện triển khai ý tưởng đó, thử nghiệm sản phẩm mình nghiên cứu ra và rút ra kinh nghiệm, kết luận qua đó chiếm lĩnh kiến thức mới về khoa học và thực tiễn.

        Như vậy, từ việc nghiên cứu lí luận và thực tiễn dạy học STEM, bản chất khoa học trong quy trình dạy học STEM, cấu trúc năng lực nghiên cứu khoa học cho thấy việc vận dụng dạy học chủ đề STEM theo quy trình khoa học, hợp lý có thể góp phần hình thành và phát triển năng lực nghiên cứu khoa học cho học sinh THPT. Đây là một vấn đề mới cần được quan tâm nghiên cứu, thực nghiệm kiểm chứng góp phần hoàn thành mục tiêu dạy học định hướng năng lực của Bộ GDĐT trong chương trình giáo dục phổ thông 2018.

                                 Phạm Thị Kim Ngân – Phòng GDTX-GDNN