Luận văn Tổ chức dạy học một số kiến thức chương cơ sở của nhiệt động lực học - Vật lý 10 theo định hướng giáo dục STEM

Nội dung text: Luận văn Tổ chức dạy học một số kiến thức chương cơ sở của nhiệt động lực học - Vật lý 10 theo định hướng giáo dục STEM

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC TỔ CHỨC DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC CHƯƠNG CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC -VẬT LÝ 10 THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM SVTH : Lê Thanh Trúc Ngành : Sư phạm Vật lý MSSV : K40.102.101 GVHD : TS. Nguyễn Thanh Nga Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2018
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC TỔ CHỨC DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC CHƯƠNG CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC -VẬT LÝ 10 THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM SVTH : Lê Thanh Trúc Ngành : Sư phạm Vật lý MSSV : K40.102.101 GVHD : TS. Nguyễn Thanh Nga Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2018
3.  MỤC LỤC   MỞ ĐẦU  1 1. Lý do chọn đề tài 1 2. Mục đích của đề tài 2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu 2 3.2. Phạm vi nghiên cứu 3 4. Giả thuyết khoa học 3 5. Nhiệm vụ nghiên cứu 3 6. Phƣơng pháp nghiên cứu 3 6.1. Phƣơng pháp nghiên cứu lý luận 3 6.2. Phƣơng pháp thực nghiệm sƣ phạm 3 6.3. Phƣơng pháp thống kê toán học 3 7. Cấu trúc của luận văn 4 CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ DẠY HỌC THEO ĐỊNH HƢỚNG GIÁO DỤC STEM 5 1.1. Dạy học tích cực 5 1.1.1. Hoạt động dạy học ở trường phổ thông 5 1.1.2. Dạy học tích cực ở trường phổ thông 5 1.2. Dạy học theo định hƣớng giáo dục STEM 6 1.2.1. Giáo dục STEM 6 1.2.2. Mục tiêu giáo dục STEM 7 1.2.3. Quy trình dạy học theo định hướng giáo dục STEM 7 1.2.3.1. Quy trình 5E 7 1.2.3.2. Quy trình nghiên cứu khoa học 9 1.3. Phát huy tính tích cực của học sinh trong dạy học theo định hƣớng giáo dục STEM 9 1.3.1. Định nghĩa tính tích cực 9 1.3.2. Biểu hiện tính tích cực của học sinh trong dạy học theo định hướng giáo dục STEM 10 1.3.3. Biện pháp phát huy tính tích cực của học sinh trong dạy học theo định hướng giáo dục STEM 11 1.4. Phát triển năng lực sáng tạo của học sinh theo định hƣớng giáo dục STEM 11 1.4.1. Khái niệm năng lực 12 1.4.2. Khái niệm năng lực sáng tạo 12 1.4.3. Biểu hiện năng lực sáng tạo của học sinh trong dạy học theo định hướng giáo dục STEM 13 1.4.4. Biện pháp phát triển năng lực sáng tạo của học sinh trong dạy học theo định hướng giáo dục STEM 14 1.5. Quy trình thiết kế chủ đề giáo dục STEM 15 1.6. Tiến trình tổ chức dạy học kiến thức Vật lý theo định hƣớng giáo dục STEM 15  KẾT LUẬN CHƢƠNG 1  18 CHƢƠNG 2: TỔ CHỨC DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC CHƢƠNG CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC – VẬT LÝ 10 THEO ĐỊNH HƢỚNG GIÁO DỤC STEM 19 2.1. Phân tích nội dung kiến thức chƣơng “Cơ sở của nhiệt động lực học – Vật lý 10” 19 2.1.1. Mục tiêu dạy học theo chuẩn kiến thức, kỹ năng 19 2.1.2. Phân tích nội dung kiến thức 20
4. 2.2. Xây dựng nội dung Chƣơng “Cơ sở của nhiệt động lực học – Vật lý 10” theo định hƣớng giáo dục STEM 22 2.2.1. Chủ đề : Hiệu ứng nhà kính 22 2.2.2. Chủ đề : Động cơ nhiệt đốt ngoài – động cơ Stirling 24 2.3. Tổ chức dạy học nội dung kiến thức chƣơng “Cơ sở của nhiệt động lực học – Vật lý 10” theo định hƣớng giáo dục STEM 25 2.3.1. Thiết bị dạy học chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” theo định hướng giáo dục STEM 25 2.3.2. Xây dựng nhiệm vụ dạy học 33 2.3.3. Kế hoạch dạy học chính khóa theo định hướng giáo dục STEM 33 2.3.4. Kế hoạch dạy học ngoại khóa theo định hướng giáo dục STEM 39 2.4. Công cụ đánh giá dạy học theo định hƣớng STEM 41 2.4.1. Tiêu chí đánh giá tính tích cực của HS trong dạy học theo định hướng STEM 41 2.4.2. Tiêu chí đánh giá năng lực sáng tạo của HS trong dạy học theo định hướng STEM 43 2.4.3. Đánh giá mức độ nắm vững kiến thức 44  KẾT LUẬN CHƢƠNG 2  49 CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM 50 3.1. Mục đích thực nghiệm sƣ phạm 50 3.2. Đối tƣợng thực nghiệm sƣ phạm 50 3.3. Phƣơng pháp thực nghiệm sƣ phạm 50 3.4. Những thuận lợi và khó khăn gặp phải khi tiến hành thực nghiệm sƣ phạm 50 3.4.1. Thuận lợi 50 3.4.2. Khó khăn 51 3.5. Kế hoạch thực nghiệm sƣ phạm 51 3.6. Phân tích diễn biến thực nghiệm sƣ phạm 51 3.7. Đánh giá kết quả TNSP 63 3.7.1. Đánh giá tính tích cực 63 3.7.2. Đánh giá năng lực sáng tạo 66 3.7.3. Đánh giá định lượng 68 3.7.4. Đánh giá chung về việc tổ chức dạy học theo định hướng giáo dục STEM trong dạy học chương “Cơ sở của Nhiệt động lực học” 72  KẾT LUẬN CHƢƠNG 3  73  KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  74 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 ii
5.  LỜI CẢM ƠN  ừ những ngày đầu thực hiện luận văn đến khi hoàn thành được luận văn, đó là cả một quá trình cố gắng học tập và làm việc nghiêm túc, sửa chữa những thiếu sót T và trưởng thành lên từng ngày của bản thân em. Tuy nhiên, sẽ không thể có được một sản phẩm hoàn chỉnh như ngày hôm nay nếu thiếu đi sự giúp đỡ, hỗ trợ, động viên tận tình của quý thầy cô, bạn bè và gia đình. Vì vậy, xin cho phép em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đến: - Quý thầy, cô giảng viên khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã dạy dỗ, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, sự nhiệt huyết với nghề cho em và các bạn sinh viên khác trong suốt quá trình học tập tại trường. - Thầy TS. Nguyễn Thanh Nga, giảng viên đã trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ, dìu dắt em thực hiện luận văn. Thầy - với kinh nghiệm, sự nhiệt huyết cùng lòng yêu nghề của mình - đã truyền đạt tận tình cho em các kiến thức chuyên môn. Thầy đã chỉ bảo cho em những lúc khó khăn, tạo điều kiện cho em có thể giao lưu, làm việc cùng câu lạc bộ “STEM” của trường THCS - THPT để em có cơ hội học hỏi, trải nghiệm thực tế, hoàn thành được luận văn. Những góp ý của thầy thực sự rất quý báu và giúp ích rất nhiều để em có thể hoàn thành được luận văn tốt nghiệp của mình. - Thầy ThS Hoàng Phước Muội - Giáo viên môn Vật lý trường THCS - THPT Hoa Sen đã giúp em thực nghiệm sư phạm để đánh giá tính khả thi của luận văn. - Anh Tôn Ngọc Tâm – Học viên cao học chuyên ngành Lý luận và phương pháp dạy học Vật lý đã hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình chế tạo động cơ Stirling. - Ban giám hiệu trường THCS - THPT Hoa Sen (quận 9), quý thầy cô tổ Vật lý, các anh chị trong ban chủ nhiệm câu lạc bộ “STEM” đã tạo điều kiện cho em tham dự, quan sát, tiếp cận học sinh, phân tích tiến trình, thực nghiệm sư phạm tại trường, làm cơ sở để hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp. Cuối cùng, em xin gửi lời cám ơn của mình đến gia đình, bạn bè đã luôn sát cánh, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 04 năm 2018 Sinh viên Lê Thanh Trúc iii
6. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nội dung CT Chương trình ĐHSP Đại học sư phạm GDPT Giáo dục phổ thông GV Giáo viên HN Hà Nội HS Học sinh NL Năng lực NXB Nhà xuất bản SGK Sách giáo khoa SP Sư phạm TB Trung bình THCS Trung học cơ sở THPT Trung học phổ thông ThS Thạc sĩ TNSP Thực nghiệm sư phạm TP HCM Thành phố Hồ Chí Minh TS Tiến sĩ 0
7.  MỞ ĐẦU  1. Lý do chọn đề tài Xã hội ngày càng phát triển theo hướng toàn cầu hóa và hội nhập quốc tế. Việt Nam đang phát triển theo hướng công nghiệp hóa – hiện đại hóa. Để bắt kịp nhịp phát triển của thế giới, không bị tụt hậu về trình độ sản xuất, nhu cầu cấp thiết đặt ra là đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao, có khả năng thích ứng và hội nhập. Từ đó có cơ sở để các doanh nghiệp khởi nghiệp sáng tạo và phát triển, tăng cơ hội đầu tư vào thị trường Việt Nam, giảm giá các chi phí, đồng thời nâng cao trình độ khoa học và công nghệ. Bên cạnh đó, xu hướng phát triển của xã hội hiện đại phụ thuộc ngày càng nhiều vào sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật. Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 với xu hướng phát triển dựa trên sự tích hợp giữa các lĩnh vực khoa học và công nghệ cao, hướng tới phát triển trí tuệ nhân tạo - thay đổi nền sản xuất của toàn thế giới, ngày càng tác động mạnh mẽ đến mọi mặt của đời sống xã hội, dẫn đến việc thay đổi phương thức và lực lượng sản xuất. “Hiền tài là nguyên khí quốc gia”, để đào tạo được nguồn nhân lực trẻ chất lượng đó thì trước tiên phải có được những sự thay đổi cách mạng theo hướng tích cực, đổi mới, sáng tạo trong hệ thống giáo dục nước ta, buộc các nhà sư phạm đào tạo ra con người năng động, sáng tạo đáp ứng yêu cầu của xã hội hiện đại. Trước đây, giáo dục theo kiểu truyền thống lấy giáo viên làm trung tâm, học sinh bị đặt vào thế thụ động được truyền thụ kiến thức một chiều, kiến thức bị giới hạn chỉ trong sách giáo khoa. Vì vậy, phương pháp dạy học phải thay đổi theo hướng hiện đại, phát huy tính tích cực, tự chủ, sáng tạo của học sinh, lấy học sinh làm trung tâm của quá trình dạy học. Giáo dục STEM là giải pháp góp phần tăng hiệu quả dạy học, phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh. Kiến thức và kỹ năng trong các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học được tích hợp thành các chủ đề, bài học nhằm phát triển các năng lực cốt lõi, năng lực đặc thù và định hướng nghề cho học sinh thông qua giải quyết các vấn đề thực tiễn. Hơn nữa, trong chỉ thị số 16/CT-TTg [19] của THỦ TƯỚNG CHÍNH PHỦ đã đưa ra giải pháp về mặt giáo dục là: “Thay đổi mạnh mẽ các chính sách, nội dung, phương pháp giáo dục và dạy nghề nhằm tạo ra nguồn nhân lực có khả năng tiếp nhận các xu thế công nghệ sản xuất mới, trong đó cần tập trung vào thúc đẩy đào tạo về khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học (STEM), ngoại ngữ, tin học trong chương trình giáo dục phổ thông.” Và đưa ra nhiệm vụ là “Thúc đẩy triển khai giáo dục về khoa học, công nghệ, kỹ 1
8. thuật và toán học (STEM) trong chương trình giáo dục phổ thông; tổ chức thí điểm tại một số trường phổ thông ngay từ năm học 2017-2018.” Việc dạy học Vật lý ở bậc trung học phổ thông cũng không nằm ngoài xu hướng chung đó. Vật lý là một môn khoa học thực nghiệm, không thể tách rời thực tiễn cuộc sống, nó được hỗ trợ rất nhiều bằng công cụ Toán học. Kiến thức Vật lý là cơ sở để phát triển Kỹ thuật - Công nghệ. Ngoài ra, việc phát triển chương trình giáo dục phổ thông mới dựa trên tiếp cận năng lực đòi hỏi giáo viên phải định hướng xây dựng các chủ đề tích hợp gắn với thực tiễn, tổ chức giờ học Vật lý thú vị, gần gũi, nhằm giúp học sinh vận dụng kiến thức để giải quyết vấn đề thực tiễn. Nhiệt động lực học nghiên cứu các hiện tượng nhiệt về mặt năng lượng và biến đổi năng lượng. Mọi hoạt động của sự sống đều cần đến năng lượng. Con người luôn tìm cách để tạo ra năng lượng hay nói cụ thể hơn là chế tạo và cải tiến các loại động cơ để tạo ra năng lượng, phục vụ đời sống. Kiến thức phổ thông về nguồn năng lượng, về môi trường, rải đều ở các môn Vật Lý, Hóa, Sinh, Địa Lý. Hơn nữa, học sinh có thể tìm tòi các thông tin về nguồn năng lượng trên các phương tiện thông tin công nghệ. Do đó, các chủ đề này có thể triển khai dạy học theo định hướng giáo dục STEM. Trên cơ sở đó, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu: “Tổ chức dạy học một số kiến thức chương Cơ sở của nhiệt động lực học - Vật Lý 10 theo định hướng giáo dục STEM”. 2. Mục đích của đề tài - Xây dựng và tổ chức dạy học theo định hướng giáo dục STEM một số kiến thức chương “Cở sở của nhiệt động lực học” ở lớp 10 THPT nhằm phát huy tính tích cực, phát triển năng lực sáng tạo của học sinh. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu - Cơ sở lý luận về giáo dục STEM. - Các nội dung kiến thức liên môn Vật Lý, Sinh, Công nghệ có liên quan đến chương “Cơ sở của nhiệt động lực học - Vật Lý 10” theo định hướng giáo dục STEM. - Nguyên lý hoạt động của động cơ nhiệt: động cơ đốt trong, động cơ đốt ngoài (động cơ Stirling). - Tiến trình tổ chức hoạt động dạy học môn Vật Lý 10 theo định hướng giáo dục STEM. - Phương pháp kiểm tra đánh giá trong giáo dục STEM. 2
9. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Hoạt động dạy học môn Vật Lý 10 trung học phổ thông tại Việt Nam, đặc biệt là “Chương cơ sở của nhiệt động lực học”. 4. Giả thuyết khoa học Nếu xây dựng và tổ chức dạy học một số kiến thức chương “Cơ sở của nhiệt động lực học – Vật Lý 10” theo định hướng giáo dục STEM thì sẽ phát huy tính tích cực, phát triển năng lực sáng tạo của học sinh. 5. Nhiệm vụ nghiên cứu - Hệ thống cơ sở lý luận và thực tiễn về dạy học Chương “Cơ sở của nhiệt động lực học – Vật Lý 10” theo định hướng giáo dục STEM. - Phân tích nội dung kiến thức Chương “Cơ sở của Nhiệt động lực học – Vật lý 10” ở các bộ môn có liên quan. - Xây dựng tiến trình dạy học kiến thức “Cơ sở của Nhiệt động lực học – Vật lý 10” theo định hướng giáo dục STEM. - Thực nghiệm sư phạm (TNSP). 6. Phƣơng pháp nghiên cứu 6.1. Phƣơng pháp nghiên cứu lý luận - Nghiên cứu cơ sở lý luận về dạy học theo định hướng giáo dục STEM. - Nghiên cứu các tài liệu về tâm lý học, lý luận dạy học phổ thông, lý luận dạy học hiện đại, các thông tư, quyết định của Bộ Giáo dục và Đào tạo về đổi mới giáo dục, các bài báo, tạp chí có liên quan - Nghiên cứu việc ứng dụng các kiến thức phần “Cơ sở của Nhiệt động lực học – Vật lý 10” vào trong thực tiễn. - Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến việc tích hợp công nghệ, kỹ thuật sử dụng các phần mềm tin học hỗ trợ nhằm phát huy hiệu quả tối đa của quá trình dạy học. 6.2. Phƣơng pháp thực nghiệm sƣ phạm - Tiến hành dạy thực nghiệm ở trường phổ thông theo quy trình, phương pháp và tổ chức tiến trình dạy học đã đề xuất. - Phân tích kết quả thu được trong quá trình thực nghiệm sư phạm từ đó rút ra kết luận của đề tài. - Phương tiện: dụng cụ ghi chép, trình chiếu, ghi hình. 6.3. Phƣơng pháp thống kê toán học Sử dụng các phương pháp thống kê, mô tả toán học để trình bày kết quả thực nghiệm sư phạm. 3
10. 7. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn gồm 3 chương:  Chương 1: Cơ sở lý luận về dạy học theo định hướng giáo dục STEM  Chương 2: Tổ chức dạy học một số kiến thức chương cơ sở của nhiệt động lực học – Vật lý 10 theo định hướng giáo dục STEM.  Chương 3: Thực nghiệm sư phạm 4
11. CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ DẠY HỌC THEO ĐỊNH HƢỚNG GIÁO DỤC STEM 1.1. Dạy học tích cực 1.1.1. Hoạt động dạy học ở trường phổ thông Hoạt động dạy học là hoạt động được thực hiện theo một chiến lược, chương trình đã được thiết kế, tác động đến học sinh (HS) nhằm hướng tới mục tiêu hình thành và phát triển phẩm chất, năng lực của HS. Đối tượng của hoạt động học tập là lĩnh hội các tri thức, kỹ năng, kỹ xảo. Trước đây, giáo viên đóng vai trò trung tâm trong quá trình dạy học. Theo quan điểm dạy học hiện đại, hoạt động dạy học bao gồm 2 thành tố cơ bản có mối quan hệ hết sức mật thiết, có tính độc lập tương đối với nhau là hoạt động dạy của GV và hoạt động học của HS [8]. Chúng tương tác với nhau và tương tác với môi trường diễn ra hoạt động dạy học. Sự tương tác trong hoạt động dạy học mang tính đặc thù. Hoạt động dạy của GV: tổ chức, điều khiển hoạt động nhận thức của HS, giúp HS tìm tòi, khám phá tri thức, tạo ra sự phát triển tâm lí, năng lực, phẩm chất và hoàn thiện nhân cách [14]. Hoạt động học của HS: tự giác, tích cực, chủ động điều khiển hoạt động nhận thức – học tập của mình nhằm thu nhận, xử lí và biến đổi thông tin bên ngoài thành tri thức của bản thân, qua đó HS tự làm phong phú những giá trị của mình [14]. Ở Việt Nam, Bộ Giáo dục và Đào tạo đã có văn bản quy định chuẩn nghề nghiệp dạy học [4]. Đây là yêu cầu chung về hoạt động dạy học cho tất cả giáo viên trong việc dạy các môn học ở trường phổ thông. Về phía HS, căn cứ vào mục tiêu của chương trình giáo dục, có những yêu cầu, chuẩn đánh giá để HS đáp ứng theo các thang, bậc của nền giáo dục [3]. Trong xu thế phát triển của khoa học, kỹ thuật trên thế giới, nền giáo dục của mỗi quốc gia đều phải được đổi mới, cải cách để đào tạo nguồn nhân lực phù hợp trình độ phát triển kinh tế, văn hóa của quốc gia và quốc tế. Để đáp ứng yêu cầu này, cần thiết phải nghiên cứu hoạt động dạy của GV và hoạt động học của HS xuất phát từ thực tiễn của mỗi quốc gia, dân tộc và xu thế phát triển của thế giới ngày nay [8]. 1.1.2. Dạy học tích cực ở trường phổ thông Dạy học tích cực là một quan niệm rộng về dạy học bao gồm hệ thống nhiều phương pháp, kỹ thuật, hình thức dạy học nhằm phát huy tính tự giác, tích cực, tự chủ, sáng tạo của HS; tăng cường sự tham gia của HS vào quá trình dạy học; tạo hứng thú học tập, tạo điều kiện cho HS phát triển tối đa khả năng học tập [14]. 5
12. Ngoài ra, dạy học tích cực còn hướng tới phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho HS. Dạy học tích cực sẽ đưa HS tới hoạt động giải quyết vấn đề. Các vấn đề gần gũi xuất phát từ thực tiễn, nhu cầu của cuộc sống sẽ có hiệu quả tốt nhất. Trong hoạt động này, GV là người định hướng, còn HS sẽ phải là người phát hiện và giải quyết vấn đề, rút ra kết luận cho bản thân. Trong dạy học tích cực ở trường phổ thông, HS là chủ thể của hoạt động học, GV đặt HS vào những tình huống, nhiệm vụ cụ thể sinh động kích thích động cơ muốn khám phá của HS. GV là người định hướng, tổ chức để HS tìm ra chân lí. Sau đó, GV sẽ đóng vai trò là người kết luận, kiểm tra đánh giá, trên cơ sở HS tự kiểm tra, đánh giá. Vai trò của GV và HS trong dạy học tích cực được thể hiện qua hình 1.1. Giáo viên (tác nhân) Học sinh (chủ thể) Định hướng/ Hướng dẫn Nghiên cứu, tìm tòi Tổ chức Thực hiện Trọng tài, cố vấn, kết Tự kiểm tra, tự điều luận, kiểm tra chỉnh Hình 1.1. Vai trò của GV và HS trong dạy học tích cực [14] 1.2. Dạy học theo định hƣớng giáo dục STEM 1.2.1. Giáo dục STEM STEM là viết tắt của các từ tiếng anh Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kỹ thuật), Math (Toán). Thuật ngữ STEM được dùng trong hai ngữ cảnh khác nhau đó là ngữ cảnh nghề nghiệp và ngữ cảnh giáo dục [11]. Trong phạm vi đề tài, chúng tôi quan tâm đến ngữ cảnh giáo dục của thuật ngữ STEM. Giáo dục STEM là giải pháp góp phần tăng hiệu quả dạy học, phát triển năng lực giải quyết vấn đề của HS, phát triển tư duy, logic, tự chủ, sáng tạo của HS đặc biệt trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, giúp HS có thể hiểu rõ được ý nghĩa thực tiễn của các kiến thức Vật lý được học. Có nhiều cách hiểu về Giáo dục STEM, tuy nhiên, chúng tôi muốn đề cập đến ba cách hiểu chính [11]: - Quan tâm đến các môn Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học: Đây cũng là quan niệm về giáo dục STEM của Bộ giáo dục Mỹ, giáo dục STEM là một chương trình 6
13. nhằm cung cấp hỗ trợ, tăng cường, giáo dục Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học ở tiểu học và trung học cho đến bậc sau đại học. Đây là nghĩa rộng khi nói về giáo dục STEM. - Tích hợp của bốn lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học: Kiến thức hàn lâm được kết hợp chặt chẽ với các bài học thực tế thông qua việc HS được áp dụng những kiến thức Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học vào trong những bối cảnh cụ thể nhằm tạo nên một kết nối giữa nhà trường, cộng đồng và các doanh nghiệp. - Tích hợp từ hai lĩnh vực về Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học trở lên: Giáo dục STEM là phương pháp tiếp cận, khám phá trong giảng dạy và học tập giữa hai hay nhiều hơn các môn học STEM, hoặc giữa một chủ đề STEM và một hoặc nhiều môn học khác trong nhà trường. 1.2.2. Mục tiêu giáo dục STEM Mục tiêu giáo dục STEM bao gồm: Phát triển năng lực đặc thù về STEM; Phát triển năng lực cốt lõi; Định hướng nghề nghiệp [11]. - Phát triển các năng lực đặc thù của các môn học về STEM cho HS: Là phát triển những kiến thức, kỹ năng liên quan đến các môn Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật, Toán. Hơn nữa, phải biết vận dụng phối hợp các kiến thức, kỹ năng để giải quyết các vấn đề thực tiễn. - Phát triển năng lực cốt lõi cho HS: Bên cạnh những hiểu biết về lĩnh vục Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật, Toán học, giáo dục STEM trang bị cho HS những kỹ năng phù hợp để đáp ứng yêu cầu thách thức trong nền thế kỉ 21. Ví dụ: Tư duy phản biện, phê phán; năng lực sáng tạo; năng lực giao tiếp, hợp tác; kỹ năng thuyết trình, - Định hướng nghề nghiệp cho HS: Giáo dục STEM tạo điều kiện cho HS có những kiến thức, kỹ năng nền tảng cho việc học tập ở các bậc học cao hơn cũng như cho nghề nghiệp tương lai của các em, góp phần đào tạo ra nguồn nhân lực chất lượng cho xã hội, đặc biệt là đối với các ngành nghề thuộc lĩnh vực STEM. 1.2.3. Quy trình dạy học theo định hướng giáo dục STEM 1.2.3.1. Quy trình 5E Quy trình 5E, tạm dịch từ thuật ngữ tiếng Anh “5E Instructional Model” (Mô hình dạy học 5E), được đề nghị bởi Rodger W Bybee và cộng sự [24], có nguồn gốc từ những mô hình dạy học trước đó, như mô hình của John Dewey vào những năm 1930. Mô hình tiền thân trực tiếp của quy trình 5E là chu trình học Atkin và Karplus, công bố vào những 7
14. năm đầu thập niên 60, dùng trong mô hình SCIS (Science Curriculum Improvement Study – (tạm dịch: Nghiên cứu Cải thiện Chương trình học Khoa học) – bao gồm 3 phân đoạn: khám phá, phát minh (đổi lại sau, thành giới thiệu thuật ngữ), phát hiện (đổi lại sau, thành ứng dụng khái niệm). Quy trình 5E thêm một phân đoạn ở đầu, để khơi gợi kiến thức đã có ở người học, và một phân đoạn ở cuối, để đánh giá khả năng hiểu của người học. Sự khác biệt về các giai đoạn giữa mô hình tiền thân (SCIS) và quy trình 5E được tóm tắt ở bảng 1.1. dưới đây: Bảng 1.1. Bảng tóm tắt sự khác biệt về các giai đoạn giữa mô hình tiền thân (SCIS) và quy trình 5E Mô hình SCIS Quy trình 5E Đặt vấn đề (mới) Khám phá Khám phá Phát minh (giới thiệu thuật ngữ) Giải thích Phát hiện (áp dụng khái niệm) Mở rộng Đánh giá (mới) Chi tiết của 5 giai đoạn là như sau: - Đặt vấn đề: Bài học đặt HS vào những hoạt động ngắn, tình huống có vấn đề, kích thích sự tò mò và khơi gợi kiến thức cũ. Ví dụ: Vấn đề khiến HS có những suy nghĩ như: tại sao điều đó lại có thể xảy ra, em cũng đã từng suy nghĩ nhưng không biết lí giải thế nào, - Khám phá: Đây là giai đoạn HS trải nghiệm thông qua các hoạt động như thu thập thông tin dữ liệu, quan sát mô hình, thí nghiệm, điều tra [17] để giải thích các hiện tượng và phát triển khả năng nhận thức của bản thân. GV đóng vai trò khởi đầu cho hoạt động, cung cấp cho HS kiến thức cần thiết, các vật liệu dụng cụ cần thiết cho hoạt động trải nghiệm, điều chỉnh nhận thức sai lầm của HS trong quá trình khám phá. HS có thể thực hiện thí nghiệm để dùng kiến thức cũ tạo ra các ý tưởng mới, khám phá các khả năng, thiết kế các quy trình, - Giải thích: Giai đoạn giải thích tập trung sự chú ý của HS vào một mặt cụ thể của trải nghiệm, tạo cơ hội thể hiện hiểu biết của họ về vấn đề. HS phân tích và diễn giải các dữ liệu, trao đổi kiến thức và đưa ra các giải pháp khả thi. Đây cũng là cơ hội để giáo viên trực tiếp giới thiệu khái niệm. Sự giải thích của giáo viên sẽ giúp HS hiểu sâu hơn vấn đề, và đây là điểm mấu chốt của giai đoạn này. - Mở rộng: Giai đoạn thách thức hiểu biết và kỹ năng của HS, HS có cơ hội được mở rộng và củng cố những hiểu biết của mình về các khái niệm, kiến thức, giúp cải thiện 8
15. chúng. Qua các hoạt động, HS phát triển hiểu biết sâu và rộng hơn, có kỹ năng thuần thục hơn. - Đánh giá: Phân đoạn này khuyến khích HS tự đánh giá khả năng và hiểu biết của mình, GV có cơ hội đánh giá tiến trình người học so với việc hoàn thành mục tiêu giáo dục. HS phải trình bày giải pháp của họ nhằm giải quyết các vấn đề được đặt ra ban đầu, chứng minh sự hiểu biết của mình dựa trên kết quả các nhiệm vụ thực hiện. 1.2.3.2. Quy trình nghiên cứu khoa học Quy trình dạy học dựa trên nghiên cứu khoa học (tạm dịch từ thuật ngữ “research- based”) sử dụng nghiên cứu và thực nghiệm làm xương sống – tức là, vấn đề khoa học và giả thuyết được đặt ra, sau đó sẽ có bước thu thập số liệu bằng thực nghiệm và kiểm chứng giả thuyết. Quá trình này mô phỏng việc các nhà khoa học khám phá các kiến thức trước đây. Mô hình này sử dụng các bước tương tự như một nghiên cứu khoa học thực thụ: Đặt câu hỏi nghiên cứu Đề xuất giả thuyết Trải nghiệm Quan sát và ghi chép Phân tích Chia sẻ kết quả Hình 1.2. Tiến trình dạy học STEM theo hướng nghiên cứu khoa học [27] 1.3. Phát huy tính tích cực của học sinh trong dạy học theo định hƣớng giáo dục STEM 1.3.1. Định nghĩa tính tích cực Có nhiều cách hiểu khác nhau về tính tích cực, đó là: - Theo Ôkôn thì: tính tích cực là lòng mong muốn hành động được nảy sinh do các động lực thúc đẩy hoạt động, do các quyết định dứt khoát và do ý chí của HS. Điều kiện của tính tích cực được biểu hiện bởi các yếu tố: hình dung rõ mục đích (thỏa mãn lòng 9
16. ham học hỏi, hứng thú, say mê), đi đến quyết định, thực hiện, đạt tới mục đích [16]. Như vậy tính tích cực trong hoạt động dựa trên nhu cầu và hứng thú cá nhân. - Theo L.V. Relrova: “Tính tích cực là một hiện tượng sư phạm biểu hiện sự gắng sức cao về nhiều mặt trong hoạt động học tập” [21]. - Theo P.V Erdơniev: “Tính tích cực học tập thực chất là nói đến tính tích cực nhận thức” [22]. - Theo Trần Thị Tuyết Oanh: “Tính tích cực nhận thức là thái độ cải tạo của chủ thể đối với khách thể thông qua sự huy động ở mức độ cao các chức năng tâm lý nhằm giải quyết những nhiệm vụ học tập” [15]. Trong luận văn, tính tích cực được hiểu: Là một trạng thái tâm lý sẵn sàng của người học, thể hiện sự mong muốn giải quyết các vấn đề gắn với thực tiễn trên cơ sở tạo hứng thú – động cơ và nỗ lực nhận thức của cá nhân. 1.3.2. Biểu hiện tính tích cực của học sinh trong dạy học theo định hướng giáo dục STEM Dấu hiệu của tính tích cực được G. I. Sukina nêu ra như sau: [9] - Khao khát, tự nguyện tham gia trả lời các câu hỏi của GV, bổ sung các câu trả lời của bạn, thích được phát biểu ý kiến của mình về vấn đề nêu ra. - Thường xuyên nêu thắc mắc, đòi hỏi giải thích cặn kẽ những vấn đề mà GV trình bày chưa đủ rõ. - Chủ động vận dụng linh hoạt những kiến thức, kỹ năng đã học để nhận thức những vấn đề mới. - Mong muốn được góp ý với thầy, với bạn những thông tin mới lấy từ những nguồn khác nhau, có khi vượt ra ngoài phạm vi bài học, môn học. - Ngoài những biểu hiện nói trên mà GV dễ nhận thấy, còn có những biểu hiện về mặt xúc cảm, khó nhận thấy hơn như thờ ơ hay hào hứng, phớt lờ hay ngạc nhiên, hoan hỉ hay buồn chán trước một nội dung nào đó của bài học hoặc tìm ra lời giải thích hay cho một bài tập khó, - Tập trung ý chí vào vấn đề đang học, kiên trì làm cho xong các nhiệm vụ học tập được giao, không nản chí trước tình huống khó khăn, thái độ phản ứng khi GV báo hết giờ như: tiếc rẻ, cố gắng làm cho xong, 10
17. Dựa vào các dấu hiệu của tính tích cực trong hoạt động nhận thức của G.I. Sukina đưa ra, chúng tôi nêu ra một số biểu hiện tính tích cực trong hoạt động nhận thức của HS khi học theo định hướng giáo dục STEM như sau: [13] (a) Khát khao tìm kiếm kiến thức mới liên quan đến các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật hay toán. (b) Hào hứng khi gặp một tình huống mới liên quan đến các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật hay toán. HS bắt tay vào giải quyết vấn đề, lên kế hoạch thực hiện ngay. (c) Tích cực tìm kiếm tài liệu từ nhiều nguồn, trao đổi thông tin, thảo luận với các HS khác, với giáo viên và các chuyên gia về vấn đề liên quan đến các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật hay toán. (d) Chủ động thành lập nhóm, diễn đàn trao đổi thông tin để thực hiện nhiệm vụ học tập được giao phó. (e) Kiên trì giải quyết nhiệm vụ học tập được giao mặc dù gặp phải vấn đề khó, chủ động chia sẻ các giải pháp tìm được. (f) Tự mở rộng bài học, mở rộng phạm vi kiến thức sang các lĩnh vực khác, thiết kế sơ đồ bài học để dễ nhớ và vận dụng. 1.3.3. Biện pháp phát huy tính tích cực của học sinh trong dạy học theo định hướng giáo dục STEM Để phát huy tính tích cực của HS trong dạy học theo định hướng giáo dục STEM, GV cần tạo ra và duy trì hứng thú, động cơ học tập cho HS. Các biện pháp khả dĩ là: [13] - Tổ chức các nội dung dạy học gắn với thực tiễn, vận dụng kiến thức để giải quyết các vấn đề thực tiễn. - Đưa HS vào tiến trình tìm tòi nghiên cứu, giải quyết các nhiệm vụ có tính thực tiễn, vận dụng kiến thức vào các tình huống mới. - Phối hợp nhiều hình thức tổ chức học tập đa dạng và phong phú nhằm đáp ứng nhu cầu học tập như: cá nhân, nhóm, tập thể, tham quan, phòng thí nghiệm, tổ chức thảo luận, báo cáo, - Sử dụng các phương tiện dạy học hiện đại. - Môi trường học an toàn, thân thiện, có các suất học bổng xứng đáng, tạo mối liên hệ chặt chẽ giữa trường đại học và doanh nghiệp. 1.4. Phát triển năng lực sáng tạo của học sinh theo định hƣớng giáo dục STEM 11
18. 1.4.1. Khái niệm năng lực Có nhiều cách định nghĩa năng lực theo các phạm trù khả năng, hoạt động, phẩm chất, thuộc tính, Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế Thế giới (OECD) quan niệm NL là: “khả năng cá nhân đáp ứng các yêu cầu phức hợp và thực hiện thành công nhiệm vụ trong một bối cảnh cụ thể” [25]. Còn theo F. E. Weinert, NL là “tổng hợp các khả năng và kỹ năng nhận thức sẵn có hoặc có thể học được ở cá nhân nhằm giải quyết những vấn đề nảy sinh trong cuộc sống. NL cũng hàm chứa động cơ và ý chí để cá nhân hành động một cách có trách nhiệm, có sự phê phán để đi đến giải pháp” [26]. Tài liệu hội thảo chương trình (CT) giáo dục phổ thông (GDPT) tổng thể trong CT GDPT mới của Bộ Giáo dục và Đào tạo (Bộ GD và ĐT) xếp NL vào phạm trù hoạt động khi giải thích: “NL là sự huy động tổng hợp các kiến thức, kỹ năng và các thuộc tính cá nhân khác như hứng thú, niềm tin, ý chí để thực hiện một loại công việc trong một bối cảnh nhất định” [2]. Cách hiểu của Từ điển tiếng Việt: NL là: “phẩm chất tâm lí và sinh lí tạo cho con người khả năng hoàn thành một loại hoạt động nào đó với chất lượng cao” [23]. Cách hiểu của Trần Trọng Thủy và Nguyễn Quang Uẩn: “NL là tổng hợp những thuộc tính độc đáo của cá nhân phù hợp với những yêu cầu đặc trưng của một hoạt động nhất định, nhằm đảm bảo việc hoàn thành có kết quả tốt trong lĩnh vực hoạt động ấy” [18]. Trong phạm vi luận văn, năng lực của HS được hiểu là tổng hợp các kiến thức và kỹ năng nhận thức sẵn có và có thể học được của mỗi HS nhằm giải quyết những vấn đề nảy sinh trong học tập và thực tiễn cuộc sống, giúp HS có thể giải quyết thành công vấn đề đó. 1.4.2. Khái niệm năng lực sáng tạo Theo Trần Thị Tuyết Oanh, “Sáng tạo là khả năng tạo ra những giá trị mới (kiến thức mới, giải pháp mới, ) mà sản phẩm của sự sáng tạo không thể suy ra từ cái đã biết bằng cách suy luận logic hay bắt chước” [15]. Như vậy, quan điểm của tác giả nhấn mạnh tính mới đối với sản phẩm của sự sáng tạo. Theo Đức Uy: “Sáng tạo là quá trình trở nên nhạy cảm đối với những khó khăn, khiếm khuyết, những lỗ hổng kiến thức, yếu tố còn thiếu, những bất ổn, là quá trình xác định khó khăn, tìm kiếm giải pháp, đưa ra phỏng đoán, nêu lên những giả thuyết về sự khiếm khuyết, kiểm tra và tái kiểm tra những giả thuyết đó, có thể là cả điều chỉnh và kiểm tra lại những điều chỉnh đó và cuối cùng là truyền đạt kết quả” [22]. 12
19. Theo Phan Dũng, sáng tạo gồm hai ý chính là có tính mới (khác với cái cũ, cái đã biết) và có lợi ích (tốt, có giá trị hơn cái cũ, cái đã biết) [5,6]. Sáng tạo là khả năng tạo ra được cái mới (khác với cái cũ, cái đã biết), tuy nhiên vẫn không chối bỏ việc sáng tạo trên cơ sở cái cũ, cái đã biết để tạo ra những cái tốt, có giá trị hơn cái đã biết. Trong phạm vi luận văn, năng lực sáng tạo của HS được hiểu là: HS phát hiện được vấn đề từ thực tiễn, đề xuất giải pháp và thực hiện giải pháp mang lại hiệu quả. Các cấp độ của năng lực sáng tạo được thể hiện bằng sơ đồ hình 1.3. Năng lực sáng Năng lực sáng Năng lực sáng tạo ở mức tạo ở mức kiệt tạo ở mức cao Năng lực sáng trung bình xuất tạo ở mức thấp (tài năng sáng (thiên tài sáng (có năng lực tạo) sáng tạo) tạo) Hình 1.3. Các cấp độ của năng lực sáng tạo [7] 1.4.3. Biểu hiện năng lực sáng tạo của học sinh trong dạy học theo định hướng giáo dục STEM Lacne đã chỉ ra 7 đặc trưng của hoạt động sáng tạo chung cho mọi lĩnh vực khoa học như sau: [9] - Có sự tự lực chuyển các tri thức và kỹ năng sang một tình huống mới gần hoặc xa, bên trong hay bên ngoài giữa các hệ thống kiến thức. - Nhìn thấy những vấn đề mới trong các điều kiện quen thuộc. - Nhìn thấy cấu trúc của đối tượng đang nghiên cứu. - Nhìn thấy chức năng mới của đối tượng quen biết. - Xây dựng phương án mới về nguyên tắc, khác với những phương pháp quen thuộc đã biết. - Nhìn thấy nhiều cách giải quyết có thể có, tiến hành giải quyết theo từng cách và lựa chọn cách tối ưu. - Tự lực kết hợp với các phương thức hoạt động đã biết, tạo thành cái mới. 13
20. Dựa vào định nghĩa năng lực sáng tạo, kết hợp cùng các đặc trưng của hoạt động sáng của Lacne đưa ra, chúng tôi nêu ra một số biểu hiện có năng lực sáng tạo trong hoạt động nhận thức của HS khi học theo định hướng giáo dục STEM như sau: [13] (a) Tự lực phát hiện vấn đề mới, tình huống mới từ những tình huống quen liên quan đến các ngành nghề kỹ thuật. (b) Nghiên cứu tổng quan các giải pháp kỹ thuật có sẵn, sau đó đưa ra bình luận, lật đi lật lại vấn đề, trao đổi, chất vấn với các HS khác, với giáo viên, với chuyên gia, Từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật mới, tối ưu trên cơ sở kế thừa các giải pháp kỹ thuật đã có. (c) Tự đề xuất các giải pháp kỹ thuật phù hợp đem lại hiệu quả cao mà không tham khảo các giải pháp đã có. (d) Tự truyền tải tri thức và kỹ năng từ lĩnh vực quen biết sang tình huống mới, vận dụng kiến thức đã học trong điều kiện mới, hoàn cảnh mới. (e) Nhận ra cấu trúc kỹ thuật, chức năng, bản chất của đối tượng kỹ thuật. Thực chất là bao quát nhanh chóng, đôi khi tức khắc, các bộ phận kỹ thuật, các yếu tố bản chất củ đối tượng kỹ thuật trong mối tương quan giữa chúng. (f) Đề xuất mô hình giả thuyết, đưa ra phương án thực nghiệm để kiểm tra giả thuyết hay hệ quả suy ra từ giả thuyết với hiệu quả cao nhất có thể được trong những điều kiện đã cho. (g) Tự thiết kế sơ đồ nguyên lý, bản vẽ kỉ thuật thể hiện cấu tạo, chức năng, của đối tượng kỹ thuật đang nghiên cứu. 1.4.4. Biện pháp phát triển năng lực sáng tạo của học sinh trong dạy học theo định hướng giáo dục STEM Căn cứ vào các biểu hiện của năng lực sáng tạo, có thể chỉ ra một số biện pháp để phát huy năng lực sáng tạo của HS trong dạy học theo định hướng giáo dục STEM được thể hiện qua bảng. Bảng 1.2. Biện pháp phát triển năng lực sáng tạo của học sinh Biện pháp Minh họa Tổ chức hoạt động sáng tạo gắn Vấn đề rác thải đô thị ngày càng tăng cao, liền với quá trình vận dụng kiến thức chôn lấp chiếm nhiều diện tích. Nhu cầu sử dụng Vật lý để giải quyết các vấn đề thực nguồn năng lượng tái tạo để hạn chế cạn kiệt tiễn liên quan đến ngành nghề kỹ nguồn tài nguyên và giảm thiểu ô nhiễm môi thuật, sáng tạo ra những sản phẩm, trường đang là vấn đề tất yếu. Do đó, khi dạy công cụ mới, có ích cho xã hội. đến bài nguyên lý của nhiệt động lực học, GV có thể tổ chức cho HS chế tạo động cơ Stirling. 14
21. Tổ chức hoạt động sáng tạo gắn Kiến thức Vật lý đại cương là những kiến liền với quá trình xây dựng kiến thức thức đã được khám phá bởi các nhà khoa học mới dựa vào các giả thuyết và thực nghiệm chứng minh. Quy trình của phương pháp thực nghiệm chính là chu trình sáng tạo kiến thức của các nhà khoa học. Do đó, GV có thể tổ chức dạy học theo “chu trình sáng tạo kiến thức của các nhà khoa học” để phát huy tối đa tính sáng tạo, tư duy nhạy bén cho HS. Luyện tập phỏng đoán, dự đoán, Trong khi dạy HS chế tạo động cơ Stirling. xây dựng giả thuyết HS phải đặt ra được những câu hỏi phỏng đoán như: Tại sao động cơ chạy được? Tại sao động cơ lại không chạy được? Luyện tập đề xuất phương án thí Trong khi dạy HS chế tạo động cơ Stirling, nghiệm kiểm tra dự đoán. HS được học: hệ khí xác định khi dãn nở có thể sinh công. Từ đó, HS đề xuất thí nghiệm kiểm chứng điều đó. 1.5. Quy trình thiết kế chủ đề giáo dục STEM Theo các tác giả Nguyễn Thanh Nga, Phùng Việt Hải, Nguyễn Quang Linh, Hoàng Phước Muội, quy trình thiết kế chủ đề giáo dục STEM được thể hiện như sơ đồ hình 1.4: [11] Xác định Xác định Xây dựng bộ Vấn đề Ý tưởng kiến thức mục tiêu câu hỏi định thực chủ đề STEM chủ đề hướng chủ đề tiễn STEM cần giải STEM STEM quyết Hình 1.4. Quy trình thiết kế chủ đề giáo dục STEM [11] 1.6. Tiến trình tổ chức dạy học kiến thức Vật lý theo định hƣớng giáo dục STEM Theo các tác giả Hoàng Phước Muội, Nguyễn Thanh Nga, tiến trình tổ chức dạy học kiến thức Vật lý theo định hướng giáo dục STEM được thể hiển ở sơ đồ hình 1.5: [10] 15
22. (1) Đặt vấn đề STEM (2) Làm việc với tài liệu hướng dẫn (3) Gia công, lắp ráp sản phẩm Không đạt (4) Vận hành sản phẩm Đạt (5) Thực hiện báo cáo kết quả (6) Nhận xét, đánh giá (7) Kết luận (8) Thực hiện bài kiểm tra STEM Hình 1.5. Sơ đồ tiến trình tổ chức dạy học kiến thức Vật lý theo định hướng giáo dục STEM [10] Bƣớc 1. Đặt vấn đề STEM Vấn đề STEM trong dạy học Vật lý thường là vấn đề ứng dụng mang tính kỹ thuật, gắn chặt với hoạt động thiết kế, chế tạo sản phẩm kỹ thuật. Hơn nữa, muốn tăng mức độ quan tâm của HS, vấn đề STEM cần gắn với thực tiễn, phục vụ được cho cuộc sống hằng ngày hoặc hoạt động vui chơi, giải trí của HS. Bƣớc 2. Làm việc với tài liệu hướng dẫn STEM Sau khi tiếp nhận vấn đề, xác nhận nhiệm vụ thiết kế, chế tạo sản phẩm kỹ thuật, HS làm việc với tài liệu hướng dẫn STEM. Thông qua tài liệu, HS tìm hiểu các thông tin cần thiết về: bản vẽ thiết kế, nguyên lý cấu tạo, nguyên lý hoạt động, vật liệu, quy trình chế tạo, Tài liệu hướng dẫn STEM tuy hạn chế sự sáng tạo của HS nhưng chúng giúp rút ngắn thời gian làm việc của HS, đảm bảo HS có thể hoàn thành được sản phẩm, chiếm lĩnh được các kiến thức trọng tâm bài học trong thời gian một tiết học. Bƣớc 3. Gia công, lắp ráp sản phẩm Nhóm trưởng huy động và điều phối các thành viên gia công các chi tiết, lắp ráp sản phẩm theo tài liệu hướng dẫn hoặc chính sự sáng tạo của HS. Lưu ý, các chi tiết gia công mất nhiều thời gian, phức tạp, đòi hỏi cao về an toàn, cần được giáo viên chuẩn bị, gia 16
23. công trước. Ví dụ, trong dạy học bài “Lực ma sát”, bộ phận tay cầm và mạch điện motor đã được giáo viên gia công sẵn, nhiệm vụ của HS là gia công bánh đà mài và lắp ráp các chi tiết để thành máy mài cầm tay hoàn chỉnh. Bƣớc 4. Vận hành sản phẩm HS vận hành và quan sát kết quả vận hành sản phẩm. Thông thường, có hai trường hợp xảy ra. Trường hợp 1, sản phẩm hoạt động ổn định, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, khi đó nhóm hoàn thiện bài báo cáo, nghiên cứu thêm để cải tiến sản phẩm hay giải quyết các nhiệm vụ phụ khác. Trường hợp 2, sản phẩm không hoạt động hay không ổn định, thiếu an toàn, khi đó nhóm cần quay lại kiểm tra từ bước 2, đọc lại kỹ tài liệu hướng dẫn. Bƣớc 5. Thực hiện báo cáo kết quả Báo cáo kết quả có nhiều hình thức khác nhau, như: viết báo cáo, thuyết trình, làm video, thiết kế poster, Thông thường, giáo viên tổ chức các nhóm lần lượt thuyết trình về kết quả thực hiện nhiệm vụ thiết kế, chế tạo sản phẩm. Trong đó, các nhóm cần làm rõ nguyên lý cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách chế tạo, các khó khăn và giải quyết khó khăn như thế nào. Lưu ý, giáo viên cần khuyến khích các nhóm có sự phối hợp trình bày giữa các HS, kết hợp thuyết trình với vận hành sản phẩm. Hơn nữa, giáo viên cần tổ chức các nhóm phản biện, đóng góp ý kiến cho nhóm trình bày. Tuy hoạt động báo cáo kết quả thường mất nhiều thời gian nhưng HS có nhiều cơ hội để rèn luyện và phát triển năng lực giao tiếp, tư duy phê phán, Bƣớc 6. Nhận xét, đánh giá Giáo viên tổ chức các nhóm đánh giá lẫn nhau. Đồng thời, giáo viên đánh giá kết quả qua phần thực hiện báo cáo của các nhóm. Bên cạnh đó, giáo viên nhận xét hoạt động của các nhóm, chỉ ra điều làm được, chưa làm được. Giáo viên khen thưởng đối với nhóm hoàn thành tốt nhiệm vụ và khiển trách với các nhóm chưa hoàn thành nhiệm vụ. Bƣớc 7. Kết luận Giáo viên kết luận về kiến thức trọng tâm của bài học, cung cấp nội dung ghi bài học cho HS. Bƣớc 8. Thực hiện bài kiểm tra STEM Bài kiểm tra STEM nhằm đánh giá mức độ đạt được mục tiêu của bài học STEM, cần đánh giá về kiến thức Vật lý, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học. Bài kiểm tra nên được xây dựng theo hình thức trắc nghiệm khách quan nhiều lựa chọn, thời gian kiểm tra không quá 5 phút. Hình thức kiểm tra gồm có: trắc nghiệm trên giấy, trắc nghiệm nhờ sự hỗ trợ của công nghệ thông tin, ví dụ: công cụ kahoot.it, hay trò chơi với sự hỗ trợ của chuông điện. 17
24.  KẾT LUẬN CHƢƠNG 1  Trong chương I, chúng tôi trình bày về cơ sở lý luận của dạy học tích cực; dạy học theo định hướng giáo dục STEM; cơ sở lý luận về tính tích cực và năng lực sáng tạo, quy trình thiết kế chủ đề giáo dục STEM và tiến trình tổ chức dạy học kiến thức Vật lý theo định hướng giáo dục STEM. Đầu tiên chúng tôi trình bày về hoạt động dạy học nói chung và hoạt động dạy trong trường phổ thông nói riêng. Sau đó, chúng tôi làm rõ khái niệm dạy học tích cực ở trường phổ thông. Trong phần tiếp theo, chúng tôi cung cấp những cái nhìn cơ bản nhất về dạy học theo định hướng giáo dục STEM, thông qua định nghĩa thuật ngữ STEM, khái niệm Giáo dục STEM, làm rõ mục tiêu giáo dục STEM và quy trình dạy học theo định hướng giáo dục STEM (quy trình 5E và quy trình nghiên cứu khoa học), đây là quy trình chung khi dạy học theo định hướng giáo dục STEM. Sau đó, chúng tôi trình bày các khái niệm tính tích cực, năng lực sáng tạo trong học động nhận thức của HS theo định hướng giáo dục STEM. Cụ thể hơn, chúng tôi đã đưa ra một số biểu hiện của tính tích cực, biểu hiện của năng lực sáng tạo của HS và các biện pháp để phát huy tính tích cực và năng lực sáng tạo của HS. Cuối cùng, chúng tôi trình bày về quy trình để thiết kế chủ đề giáo dục STEM và tiến trình tổ chức dạy học kiến thức Vật lý theo định hướng giáo dục STEM. Sau khi nghiên cứu cơ sở lý luận, chúng tôi nhận thấy rằng, giáo dục STEM là một quan điểm dạy học tích cực, có mục tiêu cụ thể và khi ứng dụng nó vào dạy học ở trường phổ thông sẽ phát huy tính tích cực và sáng tạo của HS. Hơn nữa, việc tổ chức dạy học Vật lý theo định hướng giáo dục STEM đã có tiến trình cụ thể. Trong chương 2 của luận văn, chúng tôi sẽ trình bày chi tiết hơn việc tổ chức dạy học một số kiến thức chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” theo định hướng giáo dục STEM. 18
25. Chƣơng 2: TỔ CHỨC DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC CHƢƠNG CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC – VẬT LÝ 10 THEO ĐỊNH HƢỚNG GIÁO DỤC STEM 2.1. Phân tích nội dung kiến thức chƣơng “Cơ sở của nhiệt động lực học – Vật lý 10” 2.1.1. Mục tiêu dạy học theo chuẩn kiến thức, kỹ năng Với cách dạy truyền thống, GV là người dạy tuần tự các kiến thức theo đơn vị bài học của sách giáo khoa (SGK) Vật lý 10 cơ bản [1]. Các đơn vị kiến thức chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” được thể hiện trong bảng 2.1. Bảng 2.1. Các đơn vị kiến thức chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” trong SGK Vật lý 10 cơ bản Tên bài Nội dung Thời lƣợng Nội năng Bài 32: Nội năng và sự biến Các cách làm thay đổi nội 1 tiết thiên nội năng năng Nguyên lý I nhiệt động lực Bài 33: Các nguyên lý của học nhiệt động lực học 2 tiết Nguyên lý II nhiệt động lực học Giải bài tập nguyên lý I, Bài tập 1 tiết nguyên lý II Cụ thể mục tiêu dạy học của từng đơn vị bài học như sau: Bài 31: Nội năng và sự biến thiên nội năng a) Kiến thức - Nêu được có lực tương tác giữa các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên vật. - Nêu được nội năng gồm động năng của các hạt (nguyên tử, phân tử) và thế năng tương tác giữa chúng. - Nêu được ví dụ về hai cách làm thay đổi nội năng. b) Kỹ năng - Vận dụng được mối quan hệ giữa nội năng với nhiệt độ và thể tích để giải thích một số hiện tượng đơn giản có liên quan. c) Thái độ - Hòa nhã, say mê học tập và trách nhiệm cá nhân. - Tích cực phát biểu xây dựng bài. 19
26. Bài 32: Các nguyên lý của nhiệt động lực học a) Kiến thức - Phát biểu được nguyên lý I Nhiệt động lực học. Viết được hệ thức của nguyên lý I Nhiệt động lực học ∆U = A + Q. Nêu được tên, đơn vị và quy ước về dấu của các đại lượng trong hệ thức này. - Phát biểu được nguyên lý II Nhiệt động lực học. b) Kỹ năng - Vận dụng được mối quan hệ giữa nội năng với nhiệt độ và thể tích để giải thích một số hiện tượng đơn giản có liên quan. c) Thái độ - Say mê học tập và trách nhiệm cá nhân. - Tôn trọng và hợp tác trong quá trình thực hiện. 2.1.2. Phân tích nội dung kiến thức [12] Trong phần này, chúng tôi sẽ phân tích những nội dung kiến thức cơ bản của chương theo thứ tự đơn vị bài học trong Sách Giáo Khoa Vật lý 10 cơ bản. Bài 31: Nội năng và sự biến thiên nội năng *Định nghĩa nội năng: Các khối chất khí đứng yên có thể sinh công nhờ áp suất gây ra bởi chuyển động của các phân tử và nhờ tương tác giữa các phân tử, chứng tỏ chúng có năng lượng bên trong. Trong nhiệt động lực học, người ta gọi tổng động năng và thế năng tướng tác của các phân tử cấu tạo nên vật là nội năng của vật. Nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật [1]. *Độ biến thiên nội năng – các cách làm biến thiên nội năng: Trong nhiệt động lực học, người ta quan tâm đến độ biến thiên nội năng (∆U) của một quá trình. Có thể làm thay đổi nội năng bằng các quá trình thực hiện công hoặc truyền nhiệt. Cách 1: Thực hiện công Ta cọ xát một miếng kim loại lên mặt bàn. Sau một thời gian, ta thấy miếng kim loại nóng lên. Nội năng lại phụ thuộc vào nhiệt độ của vật, nhiệt độ vật tăng lên, điều đó chứng tỏ nội năng của miếng kim loại đã tăng lên do thực hiện công. Trong quá trình thực hiện công có sự chuyển hóa từ một dạng năng lượng khác sang nội năng. Ở ví dụ này, cơ năng chuyển hóa thành nội năng. ∆U=A Hình 2.1. Cọ xát một miếng kim loại lên bàn làm nội năng của nó thay đổi [1] 20
27. Cách 2: Truyền nhiệt Ta có một xi lanh chứa đầy không khí được bịt kín bởi một piston. Đem xi lanh đặt trên một ngọn đèn cồn thì nhiệt độ của khối khí bên trong tăng lên dẫn đến nội năng thay đổi. Quá trình làm thay đổi nội năng mà không có sự thực hiện công lên vật như vậy gọi là quá trình truyền nhiệt. Trong quá trình truyền nhiệt không có sự chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác, chỉ có truyền nội năng từ vật này sang vật khác, phần nội năng mà vật tăng thêm hay mất đi gọi là nhiệt lượng (còn gọi tắt là nhiệt). ∆U=Q Hình 2.2. Đun xi lanh chứa không khí trên ngọn lửa đèn cồn làm nội năng của nó thay đổi [1] Bài 32: Các nguyên lý của nhiệt động lực học *Nguyên lý I nhiệt động lực học Phát biểu: “Độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được.” [1] Hệ không thể thực hiện công nếu không được cung cấp nhiệt lượng từ bên ngoài mà nội năng lại không suy giảm. Muốn một động cơ thực hiện công thì ta phải cung cấp một nhiệt lượng cho nó. ∆U=A+Q *Nguyên lý II nhiệt động lực học Trong thực tế, không phải toàn bộ nhiệt lượng mà hệ nhận được đều được dùng để sinh công. Động cơ được chế tạo trong thực tế, không thể sử dụng toàn bộ nhiệt lượng mà nó nhận của một nguồn nào đó để biến thành công được mà bao giờ cũng phải truyền cho một nguồn nhiệt thứ hai một phần nhiệt lượng mà nó đã nhận được từ nguồn thứ nhất. Theo Rudolf clausius: “Nhiệt không thể tự truyền từ một vật sang vật khác nóng hơn”. Theo Sadi Carnot: “Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học.” [1] Q 1 =A+Q2 *Ứng dụng trong động cơ nhiệt: - Nguồn nóng cung cấp nhiệt lượng Q1 21
28. - Bộ phận phát động bao gồm tác nhân là vật trung gian, nhận nhiệt lượng từ nguồn nóng để sinh công. Ngoài ra, còn có các thiết bị phát động. - Nhiệt lượng do nguồn nóng truyền cho tác nhân không hoàn toàn chuyển hóa thành công mà được nguồn lạnh hấp thu. Nguồn nóng Q1 Tác A = Q – Q nhân 1 2 Q2 Nguồn lạnh Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý của một động cơ nhiệt 2.2. Xây dựng nội dung Chƣơng “Cơ sở của nhiệt động lực học – Vật lý 10” theo định hƣớng giáo dục STEM Chương “Cơ sở của nhiệt động lực học”- Vật lý 10 là chương có nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống và kỹ thuật. Tuy nhiên, GV thường dạy chương này bằng những phương pháp truyền thống, chủ yếu là thông báo và cung cấp thông tin. HS khi được học chương này, hầu như không hiểu rõ được ý nghĩa vật lý cũng như ý nghĩa thực tiễn của nó. Do đó, chúng tôi xây dựng và sắp xếp nội dung chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” theo định hướng giáo dục STEM thành các chủ đề Hiệu ứng nhà kính và Động cơ nhiệt đốt ngoài – động cơ Stirling nhằm truyền tải một cách nhẹ nhàng các kiến thức thuần khoa học này đến HS. Từ đó, không những HS biết được ý nghĩa thực tiễn của các kiến thức khoa học, kỹ thuật liên quan mà còn có cơ hội phát triển các năng lực khác như giao tiếp, hợp tác, phát hiện và giải quyết vấn đề 2.2.1. Chủ đề: Hiệu ứng nhà kính a) Vấn đề thực tiễn Con người đang phải đối mặt với hiện tượng trái đất nóng dần lên. Đây cũng là một vấn đề đang được quan tâm hiện tại. Hiệu ứng nhà kính khí quyển chính là nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này. Hiệu ứng nhà kính khí quyển là kết quả của sự trao đổi không cân bằng năng lượng giữa trái đất và môi trường xung quanh, điều đó dẫn đến nhiệt độ của khí quyển trái đất bị tăng lên. Vì vậy, làm băng ở 2 cực tan nhanh hơn, mực nước biển dâng cao, từ đó sẽ thu hẹp diện tích đất ven biển. Vùng ven biển là nơi phát triển 22
29. nông nghiệp, đồng thời, nếu mặt nước biển dâng cao sẽ làm tràn ngập nhiều thành phố cũng như bến cảng gây nhiều hậu quả nghiêm trọng. b) Hình thành ý tưởng GV có thể hướng dẫn HS thực hiện thí nghiệm mô phỏng hiện tượng băng tan khi xảy ra hiệu ứng nhà kính, từ đó HS biết được tác hại của hiệu ứng nhà kính đối với Trái Đất, góp phần giáo dục HS có ý thức bảo vệ môi trường. Thí nghiệm đơn giản, dễ thực hiện, HS dễ hình dung được tác hại của hiệu ứng nhà kính. c) Mục tiêu chủ đề - Kiến thức + Nêu được khái niệm nội năng. + Nêu được nội năng gồm động năng của các hạt (nguyên tử, phân tử) và thế năng tương tác giữa chúng. + Trình bày được hai cách làm thay đổi nội năng. + Định nghĩa được hiệu ứng nhà kính. + Trình bày được quá trình nhận nhiệt của Trái Đất từ Mặt Trời. + Biết được nhiệt độ Trái Đất tăng lên là do hiệu ứng nhà kính. + Phát biểu được nguyên lý I nhiệt động lực học. - Kỹ năng + Thực hiện được thí nghiệm đơn giản, mô phỏng hiện tượng băng tan khi xảy ra hiệu ứng nhà kính dựa vào sự hỗ trợ tài liệu hướng dẫn. + Phác thảo được bản vẽ sơ đồ bố trí thí nghiệm mô phỏng hiện tượng băng tan khi xảy ra hiệu ứng nhà kính. + Làm việc nhóm, hợp tác giữa các thành viên trong nhóm. + Rèn luyện tư duy phản biện, biết bảo vệ chính kiến cá nhân. + Rèn luyện kỹ năng thuyết trình trước đám đông, sắp xếp thời gian hợp lí. - Thái độ + Say mê học tập và trách nhiệm cá nhân. + Tôn trọng và hợp tác trong quá trình thực hiện. d) Kiến thức lĩnh vực STEM trong chủ đề + Kiến thức khoa học (Science): nội năng, độ biến thiên nội năng, nguyên lý I nhiệt động lực học. + Kiến thức công nghệ (Technology) và kỹ thuật (Engineering): sử dụng tua-vít để nối dây điện vào chuôi bóng đèn sợi đốt, lắp ráp đèn chuôi xoắn với chuôi, phác thảo được sơ đố bố trí thí nghiệm, sử dụng đồng hồ đo thời gian. 23
30. 2.2.2. Chủ đề : Động cơ nhiệt đốt ngoài – động cơ Stirling [12] a) Vấn đề thực tiễn Từ buổi đầu cuộc cách mạng công nghiệp đến nay, người ta đã không ngừng lên ý tưởng để chế tạo và cải tiến các loại động cơ với mục đích tăng năng suất lao động, giảm bớt gánh nặng công việc cho mỗi cá nhân. Thế giới không ngừng vận động, các động cơ vẫn đang được vận hành xung quanh ta. Trong các nhà máy, chúng là “con tim” của các thiết bị máy móc sản xuất ra hàng hóa. Trong đời sống, các phương tiện di chuyển sẽ không thể hoạt động được nếu không có động cơ. Nhờ có động cơ mà xã hội không ngừng được cải tạo và phát triển. Khi sử dụng các loại động cơ nhiệt thì phải tìm cho nó một nguồn nhiên liệu. Điều đó tất yếu dẫn đến những hậu quả sau: + Khai thác cạn kiệt nguồn tài nguyên. + Nhiên liệu bị đốt cháy trong động cơ nhiệt làm ô nhiễm môi trường. + Theo nguyên lý II nhiệt động lực học, phần nhiệt lượng mà động cơ được cung cấp từ nguồn nóng sẽ không hoàn toàn chuyển hóa thành công cơ học mà sẽ tỏa nhiệt vào môi trường xung quanh. Nhiệt lượng này làm nhiệt độ khí quyển Trái Đất tăng cao ảnh hưởng tới hệ sinh thái, gây thiên tai đe dọa đời sống của các loài sinh vật. Động cơ Stirling là động cơ nhiệt đốt ngoài, có thể sử dụng nguồn nhiệt sạch như ánh sáng mặt trời, nguồn năng lượng tái tạo từ việc đốt rác (rác đã qua phân loại và khí thải sẽ phải được xử lí) để vận hành động cơ, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. b) Hình thành ý tưởng Hướng dẫn HS chế tạo động cơ Stirling, GV giáo dục HS ý thức bảo vệ môi trường. Động cơ cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, HS dễ hình dung nguyên lý hoạt động và chuyển hóa năng lượng trong động cơ. c) Mục tiêu chủ đề - Kiến thức + Nêu được khái niệm động cơ nhiệt đốt ngoài, động cơ nhiệt đốt trong. + Nêu được nguyên lý chuyển hóa năng lượng trong động cơ nhiệt. + Phát biểu được nguyên lý II của nhiệt động lực học. Dùng nguyên lý II để giải thích hoạt động của động cơ nhiệt (cụ thể là động cơ Stirling). + Biết được nguyên lý cấu tạo và hoạt động của động cơ nhiệt: động cơ đốt ngoài (động cơ Stirling). - Kỹ năng + Phác thảo được bản vẽ cấu tạo của động cơ Stirling. + Tìm kiếm vật liệu, thiết bị, dụng cụ theo bản vẽ đã thiết kế. 24
31. + Lắp ráp được động cơ Stirling đơn giản theo hướng dẫn. + Làm việc nhóm, phân công nhiệm vụ, có sự hợp tác giữa các thành viên trong nhóm. + Rèn luyện kỹ năng thuyết trình trước đám đông, sắp xếp thời gian hợp lí. + Rèn luyện kỹ năng phản biện, nhận xét, đặt câu hỏi. - Thái độ + Say mê học tập và trách nhiệm cá nhân. + Tôn trọng và hợp tác trong quá trình thực hiện dự án. d) Kiến thức lĩnh vực STEM trong chủ đề + Kiến thức khoa học (Science): Công, nhiệt, nội năng, độ biến thiên nội năng, sự chuyển hóa năng lượng trong động cơ nhiệt, nguyên lý II nhiệt động lực học, hiệu suất động cơ nhiệt. + Kiến thức công nghệ (Technology): kiềm, kéo, dao rọc giấy, súng bắn keo, keo AB, Smartphone, laptop, + Kiến thức kỹ thuật (Engineering): Bản vẽ cấu tạo động cơ Stirling, quy trình lắp ráp động cơ Stirling. + Kiến thức toán học (Math):Tính toán và đo đạc kích thước piston, xi lanh, độ dài trục quay, 2.3. Tổ chức dạy học nội dung kiến thức chƣơng “Cơ sở của nhiệt động lực học – Vật lý 10” theo định hƣớng giáo dục STEM 2.3.1. Thiết bị hỗ trợ dạy học chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” theo định hướng giáo dục STEM Thí nghiệm mô phỏng hiệu ứng nhà kính a) Mục đích - Thí nghiệm dùng để mô phỏng hiện tượng ban tan khi xảy ra hiệu ứng nhà kính. b) Dụng cụ, vật liệu - Dụng cụ và vật liệu để tiến hành thí nghiệm được liệt kê trong bảng 2.2. 25
32. Bảng 2.2. Các dụng cụ và nguyên vật liệu để thực hiện thí nghiệm mô phỏng hiện tượng băng tan khi xảy ra hiệu ứng nhà kính 1 Thùng 2 bóng đèn 1 chuôi đèn và Tô thủy tinh: 2 Đá viên 2 Cốc thủy carton (60 x dây tóc loại Dây điện có cái (đường tinh 100 ml 40 x 50) cm 220V- 60W phích cắm kính 20- 25cm) c) Các bƣớc tiến hành thí nghiệm Hình 2.4. Cách bố trí thí nghiệm Bƣớc 1: Đặt 2 cốc thủy tinh 100 ml vào trong thùng carton và cho đá vào cả 2 cốc. Lưu ý: cho lượng đá ít và hai cốc có lượng đá như nhau. Bƣớc 2: Dùng chậu thủy tinh úp một cốc thủy tinh 100 ml có đá. Bƣớc 3: Đặt một bóng đèn bên trong chậu thủy tinh và một bóng đèn ngoài chậu thủy tinh. Lưu ý: hai bóng đèn phải cách đều hai cốc thủy tinh 100 ml có đá. Bƣớc 4: Cắm phích cắm, nối nguồn điện cho cả hai bóng đèn. Quan sát và so sánh sự khác nhau của lượng đá trong hai cốc thủy tinh (bên trong và bên ngoài chậu thủy tinh). 26
33. Hình 2.5. Cắm phích cắm, nối nguồn điện cho cả hai bóng đèn Bƣớc 5: Sau 5 phút, rút phích cắm điện, thu gọn và nộp dụng cụ. Tiến hành chuẩn bị báo cáo. d) Kết quả và giải thích - Kết quả: đá ở cốc đặt trong chậu thủy tinh sẽ tan nhanh hơn đá ở cốc đặt bên ngoài chậu thủy tinh - Giải thích: Trong thí nghiệm trên, khoảng cách 2 bóng đèn đến 2 cốc thủy tinh chứa đá là như nhau. Do năng lượng bức xạ nhiệt từ bóng đèn làm đá trong cốc tan. Tuy nhiên, nước đá trong cốc 1 (được đặt trong chậu thủy tinh) tan nhanh hơn đá trong cốc 2 (được đặt ngoài chậu thủy tinh). Chậu thủy tinh đóng vai trò như lồng kính, có tác dụng phản xạ các tia bức xạ bên trong chậu thủy tinh, hạn chế các tia bức xạ ra bên ngoài. Các tia bức xạ được giữ lại làm nội năng của khối khí bên trong chậu thủy tinh tăng nhanh hơn so với bên ngoài, đồng nghĩa với nhiệt độ khối khí bên trong lớn hơn nên lượng đá bên trong chậu sẽ tan nhanh hơn. Nếu chúng ta coi bóng đèn như Mặt trời, chậu thủy tinh như bầu khí quyển (khi lượng CO2 gia tăng) và nước đá như là băng ở 2 cực thì thí nghiệm trên mô phỏng hiện tượng băng tan nhanh hơn khi xảy ra hiệu ứng nhà kính khí quyển. Động cơ đốt ngoài – động cơ Stirling a) Mục đích - Cho HS lắp ráp và vận hành động cơ Stirling. Thông qua quan sát và thực hành, HS biết được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ. 27
34. b) Dụng cụ, vật liệu Bảng 2.3. Các dụng cụ để chế tạo động cơ Stirling Kéo, kiềm, tu – vít, dao rọc Máy khoan mini Súng bắn keo giấy Khoan máy Keo AB Đèn cồn Bảng 2.4. Các vật liệu để chế tạo động cơ Stirling Tên vật liệu Số lƣợng Hình minh họa Lon bia hoặc lon nước ngọt 03 Nắp chai sơn phun 01 Cuộn thép len 01 Thước nhôm dài 15cm 01 Đĩa CD cũ 02 Căm xe đạp 03 Hộp cana rỗng loại 220gr 01 Domino loại trung 08 Ốc+tán (dài 1,5 cm) 03 28
35. Ống nhựa silicon chịu nhiệt 01 Bong bóng 01 Săm xe đạp cũ 01 Nắp chai nước Lavie 04 Vỏ lon sữa 900gr 01 Giấy foam 01 c) Hướng dẫn thực hiện động cơ Stirling [12] (a) (b) Hình 2.6. Động cơ Stirling chưa lắp giá đỡ (a) và đã lắp giá đỡ (b) Bước 1: Cắt lon bia A cao 6 cm (1). Khoan 1 lỗ ngay tâm của đáy lon sao cho thanh căm xe đạp có thể xuyên qua (2). Khoan 2 lỗ trên thành lon để bắt ốc với giá đỡ piston truyền lực(3). Bước 2: Gập thước nhôm vuông góc để làm giá đỡ piston truyền lực, khoan 2 lỗ trên thước để cố định với lon A (4). Bước 3: Cắt nắp chai sơn cao 3cm (5), khoan 1 lỗ dưới đáy để gắn vào giá đỡ (6). 29
36. Bước 4: Ráp các chi tiết. Có thể chèn 1 miếng săm xe ở vị trí bắt ốc của nắp sơn vào giá đỡ cho kín khí. Bước 5: Khoan thêm 2 lỗ trên thành lon A, 2 lỗ trên đáy lon A. Khoan thêm 2 lỗ trên nắp sơn để gắn ống nhựa silicon dẫn khí (7). Bôi keo AB để kín khí các chỗ khoan. Bước 6: Cắt lon bia B cao 10 cm để làm xi lanh của piston tự do (8). Bước 7: Cắt 1 đoạn thép len, cuộn thành hình trụ cao 4 cm, đường kính nhỏ hơn đường kính lon bia 1 chút để làm piston tự do (cuộn thép len phải nhẹ và di chuyển dể dàng trong xi lanh). Bước 8: Dùng 1 thanh căm xe đạp để làm trục truyền động (thẳng đứng) của piston tự do (9). Quấn cuộn thép len lúc nãy quanh trục thẳng đứng và cố định nó lại (có thể dùng 2 miếng kim loại và 2 con domino để cố định ở 2 đầu cuộn thép len). Bước 9: Dùng lon bia cuối cùng để làm giá đỡ trục nằm ngang (10). Bước 10: Dùng 1 thanh căm xe đạp khác làm trục nằm ngang, bẻ trục nằm ngang tạo thành 2 phần liên kết với 2 piston. 2 phần này vuông góc với nhau và độ sâu của khớp khoảng 1,5 cm (11). Trục nằm ngang và trục thẳng đứng được nối với nhau bằng 1 khớp động (12). Bước 11: Gắn bong bóng vào nắp sơn, bắt ốc và nắp chai vào bong bóng để làm piston truyền lực. Cắt 2 đoạn săm xe làm thành sợi chun có tác dụng làm kín khí cho piston truyền lực(13). Bước 12: Cắt 1 đoạn căm xe đạp làm trục cho piston truyền lực (14). Bước 13: Dùng 2 đĩa CD + giấy foam làm bánh đà, gắn 2 nắp chai để đĩa quay được ổn định (15). Bước 14: Làm két nước gắn vào lon B, cách đáy lon 6 cm (16). Bước 15: Làm giá đỡ cho động cơ đứng vững bằng lon sữa 900 gr, cũng là nơi đặt đèn cồn để cung cấp nhiệt lượng cho động cơ hoạt động, trên lon sữa có khoan lỗ để có Oxi vào duy trì sự cháy của đèn cồn (17). Bước 16: Lắp ráp toàn bộ các chi tiết tạo thành động cơ Stirling, dùng keo AB để dán các chỗ kết nối giữa các lon lại với nhau. d) Các bƣớc tiến hành lắp ráp Bƣớc 1: Lắp bánh đà vào động cơ sao cho mặt bánh đà vuông góc với trục. Dán kéo silicon cố định bánh đà, vặn đầu căm xe đạp vào ngoài cùng. Hình 2.7. Bánh đà của động cơ Stirling 30
37. Bƣớc 2: Lắp piston truyền lực như hình. Lưu ý phải lắp lớp màng bong bóng sao cho không quá căng hoặc quá trùng, đảm bảo bao phủ toàn bộ nắp sơn để khí không bị lọt ra ngoài, buộc thêm miếng săm xe cho chắc để khi hoạt động màng bong bóng không bị bung ra ngoài. Hình 2.8. Piston truyền lực của động cơ Stirling Bƣớc 3: Đốt đèn cồn, đặt đèn cồn vào đáy dưới. Bƣớc 4: Đợi 30 giây, quay mồi bánh đà, vận hành động cơ. Bƣớc 5: Thu gọn và nộp dụng cụ. Tiến hành chuẩn bị báo cáo e) Nguyên lý hoạt động [20] Động cơ nhiệt Stirling theo một chu trình gồm bốn giai đoạn, mỗi giai đoạn là một quá trình thuận nghịch, và cả bốn quá trình thuận nghịch này tạo nên chu trình Stirling như hình Hình 2.9. Giản đồ p-V của chu trình Stirling và các giai đoạn hoạt động của chu trình Stirling [20] - Ở vị trí 1, khi đó piston tự do đang ở vị trí trên cùng, lúc này lượng khí sẽ chiếm chỗ vùng nóng đang ở nhiệt độ TH. Khí nhận nhiệt lượng QH, dãn nở và đẩy piston truyền lực di chuyển lên phía trên. - Ở vị trí 2, piston truyền lực ở vị trí cao nhất của quỹ đạo chuyển động (khối khí đạt thể tích lớn nhất V2). Giai đoạn piston truyền lực di chuyển chậm lên vị trí cao nhất được xem như quá trình đẳng tích. Piston tự do lúc này di chuyển đến vùng nóng, đẩy khí di chuyển lên vùng lạnh. Trong thiết kế này, piston tự do sẽ trữ nhiệt lượng QC của khí khi nó được làm lạnh từ nhiệt độ TH đến TC. - Ở vị trí 3, toàn bộ lượng khí đang ở vùng lạnh, lúc này khí sẽ co lại và kéo piston truyền lực đi xuống. 31
38. - Ở vị trí 4, piston truyền lực di chuyển chậm và bị nén hoàn toàn ở vị trí thấp nhất của quỹ đạo (khối khí có thể tích nhỏ nhất V1). Piston tự do di chuyển lên trên và đẩy khối khí xuống vùng nóng. Khi khối khí lạnh đi ngang qua piston tự do, nó sẽ nhận lại nhiệt lượng QH đã trữ trước đó. Động cơ Stirling khi hoàn tất chu trình sẽ trở về vị trí 1, và cứ thế lặp đi lặp lại. f) Kết luận - Động cơ Stirling là những động cơ hoạt động được nhờ năng lượng thu được khi đốt cháy nhiên liệu. Nhiên liệu cháy và giải phóng năng lượng. Năng lượng được giải phóng đó chính là nhiệt năng. - Khi ta đốt cháy nhiên liệu, khí bên trong xi lanh đã nhận một nhiệt lượng do quá trình này tỏa ra. Dựa vào nguyên lý I của nhiệt động lực học: ∆U= A+Q, nội năng của nó cũng tăng lên. Ta thấy đã có sự chuyển hóa từ nhiệt năng sang nội năng của chất khí bên trong xi lanh. Khí dãn nở và làm piston dịch chuyển lên. Piston chuyển động, thông qua hệ thống truyền động làm quay bánh đà để động cơ hoạt động. => Như vậy, có thể nói sự chuyển hóa năng lượng trong động cơ nhiệt là từ Nhiệt năng→ nội năng→công cơ học (cơ năng). - Trong thực tế, không phải toàn bộ nhiệt lượng mà hệ nhận được đều được dùng để sinh công. Động cơ được chế tạo trong thực tế, không thể sử dụng toàn bộ nhiệt lượng mà nó nhận từ nguồn thứ nhất (nguồn nóng) để biến thành công được mà bao giờ cũng phải truyền cho một nguồn nhiệt thứ hai (nguồn lạnh) một phần nhiệt lượng mà nó đã nhận được từ nguồn thứ nhất. Nguồn nóng Q1 Tác A = Q1 – Q2 nhân Q2 Nguồn lạnh Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý của động cơ nhiệt  Hiệu suất của động cơ nhiệt sẽ được tính bằng : .100% H= 푄1 Công cơ học sinh ra ít hơn nhiệt lượng nhận được => A < Q1 Vậy, luôn có sự hao phí năng lượng khi hoạt động. 32
39. => Do đó H luôn bé hơn 100%. - Khó khăn và khắc phục -Do nhiệt nhận từ nguồn nóng truyền trong chất rắn nhanh hơn nên động cơ không tạo được đủ sự chênh lệch nhiệt độ giữa phần không khí nóng và phần không khí lạnh của piston tự do. Khắc phục: thêm phần két nước để tăng hiệu suất. - Do các chi tiết bị ma sát với ổ trục gây khó quay. Khắc phục: tra 1 ít dầu máy vào ổ trục. - Do bong bóng bị kéo quá căng, công do khí dãn nở không đủ để tạo lực kéo bong bóng lên. Khắc phục: không kéo bong bóng quá căng. 2.3.2. Xây dựng nhiệm vụ dạy học Thí nghiệm mô phỏng hiện tƣợng băng tan khi xảy ra hiệu ứng nhà kính - Thực hiện thí nghiệm mô phỏng hiện tượng băng tan khi xảy ra hiệu ứng nhà kính với các dụng cụ: 2 cốc thủy tinh 100 ml; 2 bóng đèn sợi đốt; 1 chậu thủy tinh; 1 cốc đá; 01 thùng carton (thời gian thực hiện: 15 phút; hỗ trợ: Tài liệu hướng dẫn (phụ lục 4)). - Báo cáo: Thực hiện báo cáo thuyết trình về cách bố trí thí nghiệm mô phỏng hiệu ứng nhà kính thông qua sơ đồ và phân tích kết quả thí nghiệm. Động cơ đốt ngoài – động cơ Stirling - Thực hiện lắp ráp bánh đà và piston truyền lực vào động cơ Stirling, sau đó vận hành động cơ (thời gian thực hiện: 20 phút; hỗ trợ: Tài liệu hướng dẫn (phụ lục 5)). - Thực hiện báo cáo thuyết trình về động cơ Stirling: cấu tạo (vẽ sơ đồ cấu tạo), phân tích cách lắp ráp và quá trình vận hành. 2.3.3. Kế hoạch dạy học chính khóa theo định hướng giáo dục STEM Trong dạy học chính khóa, chúng tôi sẽ dạy chương này trong 2 tiết. Tiết 1: Chủ đề Hiệu ứng nhà kính, HS sẽ được học các kiến thức Vật lý: Nội năng của chất khí, sự biến thiên nội năng do truyền nhiệt lượng, và nguyên lý I nhiệt động lực học. Tiết 2: Chủ đề động cơ nhiệt đốt ngoài – động cơ Stirling, HS sẽ được học các kiến thức Vật lý: Sự chuyển hóa năng lượng trong động cơ nhiệt, nguyên lý II nhiệt động lực học, hiệu suất động cơ nhiệt và biểu thức tính hiệu suất. Giáo án STEM 1: NỘI NĂNG. SỰ BIẾN THIÊN NỘI NĂNG I. Mục tiêu a) Kiến thức - Nêu được khái niệm nội năng. 33
40. - Nêu được nội năng gồm động năng của các hạt (nguyên tử, phân tử) và thế năng tương tác giữa chúng. - Trình bày được hai cách làm thay đổi nội năng. - Định nghĩa được hiệu ứng nhà kính. - Trình bày được quá trình nhận nhiệt của Trái Đất từ Mặt Trời. - Biết được nhiệt độ Trái Đất tăng lên là do hiệu ứng nhà kính. - Phát biểu được nguyên lý I nhiệt động lực học. b) Kỹ năng - Tiến hành thí nghiệm mô phỏng hiện tượng băng tan khi xảy ra hiệu ứng nhà kính với sự hỗ trợ của tài liệu hướng dẫn. - Sử dụng các dụng cụ gia công cơ bản (Tua-vít). - Phác thảo được bản vẽ sơ đồ bố trí thí nghiệm mô phỏng hiện tượng băng tan khi xảy ra hiệu ứng nhà kính. - Làm việc nhóm, hợp tác giữa các thành viên trong nhóm. - Rèn luyện tư duy phản biện, biết bảo vệ chính kiến cá nhân. - Rèn luyện kỹ năng thuyết trình trước đám đông, sắp xếp thời gian hợp lí. - Thuyết trình, thảo luận phản biện. c) Thái độ - Hòa nhã, say mê học tập và trách nhiệm cá nhân. - Tôn trọng và hợp tác trong quá trình thực hiện. - Tích cực và sáng tạo. d) Năng lực - Năng lực sáng tạo. - Năng lực giao tiếp, hợp tác. II. Chuẩn bị - Chuẩn bị tài liệu dạy học. + Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm mô phỏng hiện tượng băng tan khi xảy ra hiệu ứng nhà kính (phụ lục 3). + Phiếu học tập chủ đề hiệu ứng nhà kính (phụ lục 1). - Chuẩn bị thiết bị dạy học. + Chuẩn bị 4 bộ dụng cụ thí nghiệm. - Chuẩn bị phương tiện dạy học + Máy chiếu để trình chiếu khi hướng dẫn HS. + Phòng học, bàn ghế cho các nhóm HS. 34
41. III. Tiến trình dạy học  HOẠT ĐỘNG 1: Đặt vấn đề (3 phút) Hoạt động của GV Hoạt động của HS - GV cho HS xem clip tác hại của hiệu ứng nhà - Quan sát, lắng nghe kính. - GV yêu cầu HS cho biết nguyên nhân, hậu quả - Dự đoán nguyên nhân. của hiệu ứng nhà kính và giải thích vì sao hiệu ứng nhà kính làm TĐ nóng dần lên.  HOẠT ĐỘNG 2: Thực hiện thí nghiệm mô phỏng hiện tƣợng băng tan khi xảy ra hiệu ứng nhà kính (green house effect) (30 phút) Hoạt động của GV Hoạt động của HS - GV cho các nhóm HS thực hiện thí nghiệm mô phỏng hiện tượng băng tan khi xảy ra hiệu ứng nhà kính. +GV giới thiệu thí nghiệm và nêu yêu cầu nhiệm vụ. +GV phát cho mỗi nhóm thiết bị thí nghiệm, tài - HS lấy các bộ dụng cụ và tiến hành liệu hướng dẫn và phiếu học tập. thực hiện thí nghiệm. +GV cho các nhóm HS thực hiện thí nghiệm trong -HS nghiên cứu tài liệu hướng dẫn, thời gian quy định. tiến hành thí nghiệm, hoàn thành +GV cho HS báo cáo. phiếu học tập (phụ lục 1). +GV tổ chức cho các nhóm HS nhận xét, đánh giá, - HS báo cáo, nhận xét, đặt câu hỏi. đặt câu hỏi, phản biện với nhau để xuất hiện vấn đề .  Hoạt động 3: GV kết luận (12 phút) Hoạt động của GV Hoạt động của HS -GV nhận xét phần trình bày của nhóm báo cáo. -GV trả lời các câu hỏi của HS mà nhóm báo cáo - Quan sát, lắng nghe, ghi nhận. không trả lời được. - GV chốt kiến thức: 1/ Thông báo khái niệm nội năng. 2/ Nhấn mạnh cách làm thay đổi nội năng của khí quyển trong trường hợp Mặt Trời bức xạ nhiệt đến Trái Đất là truyền nhiệt. 35
42. 3/ Thông báo cách khác làm thay đổi nội năng của khí là thực hiện công. 4/ Thông báo nguyên lý I của Nhiệt động lực học và quy ước về dấu. 5/ Giải thích tại sao bức xạ nhiệt không thoát ra được lại có thể làm cho TĐ ngày càng nóng lên và gây ra hàng loạt các mối nguy hại như ngày nay? 6/ GV yêu cầu HS suy nghĩ các cách làm giảm - Thảo luận và đưa ra biện pháp thiểu lượng khí CO gây ra hiệu ứng nhà kính. 2 giảm thiểu lượng khí CO2 gây ra hiệu ứng nhà kính. Giáo án STEM 2: CÁC NGUYÊN LÝ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC I. Mục tiêu a) Kiến thức - Nêu được khái niệm động cơ nhiệt đốt ngoài, động cơ nhiệt đốt trong. - Nêu nguyên lý chuyển hóa năng lượng trong động cơ nhiệt. - Phát biểu được nguyên lý II của nhiệt động lực học. Dùng nguyên lý II để giải thích hoạt động của động cơ nhiệt (cụ thể là động cơ Stirling). - Biết được cấu tạo và cơ chế hoạt động của động cơ Stirling. b) Kỹ năng - Phác thảo bản vẽ cấu tạo của động cơ Stirling. - Lắp ráp và vận hành được động cơ Stirling đơn giản theo hướng dẫn. - Làm việc nhóm, phân công nhiệm vụ, có sự hợp tác giữa các thành viên trong nhóm. - Rèn luyện kỹ năng thuyết trình trước đám đông, sắp xếp thời gian hợp lí. - Rèn luyện kỹ năng phản biện, nhận xét, đặt câu hỏi. c) Thái độ - Hòa nhã, say mê học tập và trách nhiệm cá nhân. - Tôn trọng và hợp tác trong quá trình thực hiện. - Tích cực và sáng tạo. d) Năng lực - Năng lực sáng tạo. - Năng lực giao tiếp. - Năng lực hợp tác. 36
43. II. Chuẩn bị - Chuẩn bị tài liệu dạy học. + Tài liệu hướng dẫn lắp ráp và vận hành động cơ Stirling (phụ lục 4). + Phiếu học tập chủ đề hiệu ứng nhà kính (phụ lục 2). - Chuẩn bị thiết bị dạy học. + Chuẩn bị 4 bộ động cơ. Hình 2.11. 4 bộ động cơ Stirling được GV chuẩn bị sẵn để HS lắp ráp và vận hành - Chuẩn bị phương tiện dạy học + Máy chiếu để trình chiếu khi hướng dẫn HS. + Phòng học, bàn ghế cho các nhóm HS III. Tiến trình thực hiện  HOẠT ĐỘNG 1: Đặt vấn đề (5 phút) Hoạt động của GV Hoạt động của HS - GV đặt vấn đề liên quan thực tiễn. - Chú ý lắng nghe. - GV giới thiệu động cơ Stirling. - Chú ý quan sát. - GV vận hành thử động cơ Stirling. - HS trải nghiệm vận hành thử động - GV đề nghị một vài HS trải nghiệm vận hành cơ. thử động cơ Stirling để kích thích sự tò mò, hứng thú của HS. - GV giao nhiệm vụ: lắp ráp và động cơ, thực hiện báo cáo thuyết trình về động cơ Stirling: vẽ sơ đồ cấu tạo, phân tích cách lắp ráp và quá trình vận hành. 37
44.  HOẠT ĐỘNG 2: Lắp ráp động cơ Stirling – báo cáo (25 phút) Hoạt động của GV Hoạt động của HS - GV cho các nhóm HS thực hiện lắp ráp động cơ Stirling. +GV giới thiệu các bộ phận cần lắp ráp và - HS chú ý lắng nghe. nêu yêu cầu nhiệm vụ. - HS lấy các bộ dụng cụ, tài liệu học tập +GV phát cho mỗi nhóm một bộ động cơ, tài và tiến hành thực hiện thí nghiệm. liệu hướng dẫn và phiếu học tập. -HS nghiên cứu tài liệu hướng dẫn, tiến +GV cho các nhóm HS thực hiện lắp ráp hành thí nghiệm, hoàn thành phiếu học trong thời gian quy định. tập (phụ lục 2). +GV cho HS báo cáo. - HS báo cáo, nhận xét, đặt câu hỏi. +GV tổ chức cho các nhóm HS nhận xét, đánh giá, đặt câu hỏi, phản biện với nhau để xuất hiện vấn đề .  HOẠT ĐỘNG 3: GV kết luận (15 phút) Hoạt động của GV Hoạt động của HS GV kết luận các kiến thức sau: - Quan sát, ghi nhận, lắng nghe. 1/ Động cơ nhiệt là gì? => Động cơ nhiệt là những động cơ trong đó một phần năng lượng của nhiên liệu bị đốt cháy chuyển hóa thành cơ năng. 2/ Có những loại động cơ nhiệt nào phổ biến hiện nay? => Có nhiều cách để phân loại động cơ nhiệt. Nhưng phổ biến nhất là chia 2 loại: động cơ đốt trong hay đốt ngoài. Động cơ nhiệt đốt ngoài là 1 loại động cơ nhiệt mà nhiên liệu được đốt ở bên ngoài xi lanh, Còn động cơ nhiệt đốt trong là 1 loại động cơ nhiệt mà nhiên liệu được đốt ở bên trong xi lanh. 3/ Động cơ Stirling là loại động cơ nhiệt đốt ngoài. Sự chuyển hóa năng lượng trong động cơ nhiệt là từ Nhiệt năng→ nội năng→công cơ học (cơ 38
45. năng). 4/ Động cơ này tuân thủ Nguyên lý II nhiệt động lực học Theo Các – nô: “Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học”. - GV yêu cầu HS về nhà tìm hiểu thêm các cách phát biểu khác của nguyên lý II. 5/ Nguyên lý hoạt động của động cơ Stirling. (giống TLHD) 6/ Hiệu suất của động cơ nhiệt sẽ được tính bằng : .100 H= 푄1 - Hao phí do tỏa nhiệt ra ngoài môi trường, do làm nóng thành lon. Do sự chênh lệch nhiệt độ của nguồn nóng và nguồn lạnh không nhiều, => Công cơ học sinh ra sẽ ít hơn nhiệt lượng nhận được =>A Do đó H luôn bé hơn 100%. - GV yêu cầu HS về nhà tìm cách để nâng cao hiệu suất động cơ Stirling mà các em đã lắp ráp? 7/ GV làm rõ nguyên nhân tại sao có thể gọi động cơ Stirling là động cơ xanh. 2.3.4. Kế hoạch dạy học ngoại khóa theo định hướng giáo dục STEM Cả 2 chủ đề đều có thể tổ chức dạy học ngoại khóa theo kế hoạch được thể hiện qua bảng 2.4. sau: Bảng 2.5. Kế hoạch dạy các chủ đề khi tổ chức dạy học ngoại khóa Thời gian Hoạt động của GV Hoạt động của HS Tuần 1 - Giới thiệu chung sơ bộ về dự án, - Lắng nghe GV giới thiệu. 39
46. đưa ra câu hỏi định hướng. - Chú ý lắng nghe câu hỏi định - Đưa ra các tiêu chí đánh giá dự án. hướng và trả lời. - Hướng dẫn HS một số phương - Chia nhóm, bầu ra nhóm trưởng, pháp làm việc nhóm và thuyết trình thư kí và ban điều hành dự án. hiệu quả. - Mỗi nhóm nhận nhiệm vụ học - Đề xuất giải pháp cung cấp cho HS tập. một số tài liệu, trang web liên quan. - Lắng nghe, lấy phiếu đánh giá. - Yêu cầu HS tìm dụng cụ nguyên - Tìm nguyên vật liệu. vật liệu để chuẩn bị tiến hành thực - Báo cáo những khó khăn hay đề Tuần 2 hiện chủ đề. xuất cần hỗ trợ. - Hỗ trợ HS nếu cần. - Báo cáo giá tiền của các nguyên vật liệu. - Hướng dẫn HS thực hiện chủ đề. - Tiến hành thực hiện chủ đề. - Theo dõi tiến độ làm việc của các - Làm việc nhóm hoàn thành bài nhóm qua trưởng nhóm (thông qua trình diễn PowerPoint. Facebook, mail, zalo, điện thoại, ). -Tiến hành thực hiện chủ đề. Tuần 3 - Giải quyết những thắc mắc của các nhóm. - Kiểm tra tiến trình làm việc tại chỗ. - Theo dõi tiến độ làm việc tại chỗ - Tiếp tục hoàn thiện việc thực Tuần 4 của các nhóm. hiện chủ đề và bài trình diễn - Hỗ trợ giải đáp thắc mắc. PowerPoint. - Hoàn thành và tổ chức báo cáo sản - Nhóm trình bày bằng phẩm. PowerPoint và đưa ra sản phẩm. - Thời gian: mỗi nhóm 15 phút. - Cả lớp cùng thảo luận. - Tổ chức thảo luận. -Lắng nghe ý kiến nhận xét.của Tuần 5 - Đưa ra nhận xét- đánh giá- khen GV hướng dẫn và tiếp nhận kiến thưởng. thức. -Mở rộng chủ đề. - HS nộp phiếu tự đánh giá. - Thực hiện các phiếu đánh giá. 40
47. 2.4. Công cụ đánh giá dạy học theo định hƣớng STEM 2.4.1. Tiêu chí đánh giá tính tích cực của HS trong dạy học theo định hướng STEM *Tiêu chí đánh giá tính tích cực của HS đối với chủ đề Căn cứ vào các đặc trưng của dạy học theo định hướng giáo dục STEM, tiến trình dạy học kiến thức Vật lý theo định hướng giáo dục STEM, và một số biểu hiện tính tích cực trong hoạt động nhận thức của HS, chúng tôi cụ thể hoá tính tích cực của HS thông qua các tiêu chí ở bảng 2.6. Đây là công cụ đánh giá của GV, đánh giá đồng đẳng (HS trong cùng nhóm đánh giá lẫn nhau), tự đánh giá của HS. Tuy nhiên để phù hợp với thực tế giảng dạy, GV có thể cân nhắc, lựa chọn và chỉnh sửa các tiêu chí sao cho phù hợp với đặc trưng của đối tượng HS, với phương pháp dạy học mình lựa chọn, Bảng 2.6. Tiêu chí đánh giá tính tích cực của HS trong dạy học theo định hướng giáo dục STEM [13] Các mức độ tích cực Rất Thường Thỉnh Hiếm Không Tiêu chí thường xuyên thoảng khi (2) bao giờ xuyên (4) (3) (1) (5) (1) Thắc mắc, tìm hiểu các kiến thức mới, tình huống mới; [tương ứng với biểu hiện (a)] (2) Đề xuất vấn đề và lập kế hoạch, tiến hành thực hiện kế hoạch, giải quyết một vấn đề cụ thể có liên quan đến nội dung kiến thức học; [tương ứng với biểu hình (b)] (3) Tìm hiểu từ nhiều nguồn kiến thức khác: bài báo, tạp chí, internet, bạn bè, chuyên gia ; [tương ứng với biểu hiện (c)] (4) Hợp tác, phối hợp với các thành viên trong nhóm và với các thành viên nhóm khác; [tương ứng với biểu hiện (c), (d)] (5) Chủ động trao đổi kiến thức, những 41
48. vướng mắc, khó khăn với GV ; [tương ứng với biểu hiện (c)] (6) Làm sơ đồ, mô hình, làm bộc lộ cấu trúc bài học, giúp dễ nhớ và vận dụng; [tương ứng với biểu hiện (f)] (7) Tìm tòi, bổ sung kiến thức từ việc nghiên cứu lý thuyết và từ những bài học kinh nghiệm rút ra từ thực tiễn; [tương ứng với biểu hiện (f)] (8) Vận dụng kiến thức vào cuộc sống và nghề nghiệp tương lai [tương ứng với biểu hiện (f)] (9) Mở rộng kiến thức sang nhiều lĩnh vực khác nhau, liên hệ kiến thức được học (mới) với kiến thức đã học (cũ) và với kiến thức các môn học khác; [tương ứng với biểu hiện (f)] (10) Phối hợp kiến thức của nhiều môn khác nhau (tính liên môn) để vận dụng giải quyết các vấn đề thực tiễn liên quan đến nghề nghiệp và cuộc sống; [tương ứng với biểu hiệu (f)] (11) Tham gia đầy đủ các buổi họp nhóm, thảo luận nhóm; [tương ứng với biểu hiện (b)] (12) Tích cực trong thảo luận nhóm, trao đổi với bạn cùng lớp, với chuyên gia; [tương ứng với biểu hiện (c)(d)] (13) Tôn trọng ý kiến người khác, biết tiếp thu một cách có chọn lọc, hoàn thiện bản thân; [tương ứng với biểu hiện (c)(d)] (14) Nghiêm túc thực hiện theo kế hoạch đã vạch ra, tôn trọng tập thể, đoàn kết với các thành viên; [tương ứng với biểu 42
49. hiện (c)(d)(e)] (15) Tự chịu trách nhiệm với hành động bản thân; [tương ứng với biểu hiện (e),(f)] 2.4.2. Tiêu chí đánh giá năng lực sáng tạo của HS trong dạy học theo định hướng STEM *Tiêu chí đánh giá năng lực sáng tạo của HS đối với chủ đề Căn cứ vào các đặc trưng của dạy học theo định hướng giáo dục STEM, tiến trình dạy học kiến thức Vật lý theo định hướng giáo dục STEM, và một số biểu hiện của năng lực sáng tạo trong hoạt động nhận thức của HS, chúng tôi cụ thể hoá năng lực sáng tạo của HS thông qua các tiêu chí ở bảng 2.7. Đây là công cụ đánh giá của GV, đánh giá đồng đẳng (HS trong cùng nhóm đánh giá lẫn nhau), tự đánh giá của HS. Tuy nhiên để phù hợp với thực tế giảng dạy, GV có thể cân nhắc, lựa chọn và chỉnh sửa các tiêu chí sao cho phù hợp với đặc trưng của đối tượng HS, với phương pháp dạy học mình lựa chọn. Bảng 2.7. Tiêu chí đánh năng lực sáng tạo của HS đối với chủ đề [11] Các tiêu chí Mức độ thể hiện Rất rõ Rõ ràng Không rõ Không có ràng ràng (1) Tự tìm ra vấn đề mới, tình huống mới trong thực tiễn ngành kỹ thuật và đề xuất phương án giải quyết đúng, mang lại hiệu quả; [tương ứng với biểu hiện (a)] (2) Thiết kế được sơ đồ, bản vẽ thể hiện nguyên lý cấu tạo và hoạt động , vận hành của hệ thống kỹ thuật và chỉ ra được tính mới, tính hiệu quả của nó so với những cái đã biết; [tương ứng với biểu hiện (e), (g)] (3) Tìm ra các giải pháp kháo sát, đo đạc mới, đảm bảo tính hiệu quả nhưng dễ thực hiện, đảm bảo tính chính xác; [tương ứng với biểu hiện (b)] 43
50. (4) Tìm ra các thiết bị, vật liệu mới thay thế cho thiết bị, vật liệu cũ nhưng vẫn đảm bảo tính hiệu quả cao và tiết kiệm; [tương ứng với biểu hiện (b) (c) (d)] (5) Đề xuất giải pháp thiết kế mới cho hệ thống kỹ thuật đã có, thay đổi một số chi tiết thiết kế nhằm tăng hiệu quả cho hệ thống kỹ thuật; [tương ứng với biểu hiện (d)] (6) Tiến hành thực hiện giải pháp, thi công, chế tạo, hệ thống kỹ thuật nhằm mang lại lợi ích và có ý nghĩa xã hội; [tương ứng với biểu hiện (c) (d)] (7) Vận dụng kiến thức được học để giải quyết các vấn đề mới, tình huống mới trong thực tiễn liên quan đến ngành kỹ thuật;[tương ứng với biểu hiện (d)] (8) Kết hợp các thao tác tư duy (so sánh, phân tích, đánh giá) và các phương pháp phán đoán, mô hình giả thuyết, từ đó đưa ra kết luận chính xác cho vấn đề; [tương ứng với biểu hiện (f)] (9) Lập được nhiều phương án giải quyết cho một vấn đề thực tiễn và mang lại kết quả tối ưu; [tương ứng với biểu hiện (b) (c)] 2.4.3. Đánh giá mức độ nắm vững kiến thức Để đánh giá mức độ nắm vững kiến thức khoa học, chúng tôi sử dụng công cụ là 1 bài kiểm tra bao gồm 20 câu trắc nghiệm khách quan 4 lựa chọn. HS sẽ làm bài kiểm tra này trong thời gian 15 phút. 44
51. Đề kiểm tra 1. Tại sao ta động cơ Stirling đƣợc xem là “động cơ xanh”? A. Vì động cơ Stirling có màu xanh. B. Vì động cơ Stirling thân thiện với môi trường. C. Vì sử dụng nguồn nhiệt “sạch” để cung cấp nhiệt lượng cho động cơ. D. Vì động cơ này ít gây ô nhiễm tiếng ồn. 2. Động cơ Stirling thuộc loại nào trong các loại động cơ sau đây? A. Động cơ nhiệt đốt ngoài. B. Động cơ nhiệt đốt trong. C. Động cơ điện. D. Động cơ hơi nước. 3. Nguồn năng lƣợng dùng để vận hành động cơ Stirling nào sau đây đƣợc xem là sạch? A. Năng lượng Mặt trời. B. Năng lượng nhiệt từ việc đốt cháy xăng. C. Năng lượng nhiệt từ việc đốt cháy dầu hỏa. D. Điện năng. 4. Phát biểu nào sau đây là nội dung của nguyên lý I nhiệt động lực học? A. Nội năng của hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được. B. Độ biến thiên nội năng của hệ bằng tỉ số giữa công và nhiệt lượng mà hệ nhận được. C. Nội năng của hệ bằng tỉ số giữa công và nhiệt lượng mà hệ nhận được. D. Độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được. 5. Trong hình 1, trục kết nối 2 piston của động cơ stirling đƣợc làm bằng vật liệu gì? A. Thanh nhôm. B. Thanh nhựa. C. Căm xe đạp. D. Dây kẽm. 6. Trong hình 1, bánh đà của động cơ stirling đƣợc làm bằng vật liệu gì? A. Giấy foam. B. Đĩa CD. C. Bìa cứng. Hình 1 D. Giấy foam + Đĩa CD. 45
52. 7. Sự chuyển hóa năng lƣợng trong động cơ nhiệt là từ A. nội năng → công cơ học. B. cơ năng → nhiệt năng→ nội năng. C. cơ năng → nội năng → nhiệt năng. D. nhiệt năng → nội năng → công cơ học. 8. Phát biểu nào sau đây là nội dung của nguyên lý II nhiệt động lực học? A. Độ biến thiện nội năng bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được. B. Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học. C. Độ biến thiện nội năng bằng hiệu giữa công và nhiệt lượng mà hệ nhận được. D. Động cơ nhiệt có thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học. 9. Biểu thức tính hiệu suất của động cơ Stirling là .100 A. H= 1 .100 B. H= 1 .100 C. H= 1 D. H= 1. . 10. Để lắp ráp bánh đà và piston truyền lực cho động cơ Stirling nhƣ hình 1, những dụng cụ và vật liệu đã sử dụng là: A. tua-vít, keo silicon, keo AB. B. kềm, kéo, tua-vít. C. tua-vít, súng bắn keo silicon, domido điện tử. D. tua-vít,súng bắn keo silicon. 11. Vì sao phải dùng keo AB để dán các chi tiết tiếp xúc gần nguồn nhiệt của động cơ Stirling mà không dùng keo silicon? A. Vì keo AB dán chắc hơn keo silicon. B. Vì keo AB không thấm nước. C. Vì keo AB bền nhiệt hơn keo silicon. D. Vì keo AB có giá thành thấp hơn keo silicon. 12. Đâu là nguồn nóng của động cơ Stirling? A. Đèn cồn. B. Bánh đà. C. Két nước. D. Lớp màng bong bóng. 46
53. 13. Khi lắp lớp màng bằng bong bóng vào nắp sơn để làm piston truyền lực cho động cơ Stirling, cần lƣu ý điều gì sau đây? A. Lắp lớp màng thật căng để có tác dụng ép hơi tốt nhất, đảm bảo bao phủ toàn bộ nắp sơn để khí không bị lọt ra ngoài. B. Lắp lớp màng thật trùng để động cơ quay dễ dàng hơn, đảm bảo bao phủ toàn bộ nắp sơn để khí không bị lọt ra ngoài. C. Lắp lớp màng sao cho bao phủ toàn bộ nắp sơn để khí không bị lọt ra ngoài. D. Lắp lớp màng không được trùng hoặc căng quá, đảm bảo bao phủ toàn bộ nắp sơn để khí không bị lọt ra ngoài. 14. Nội năng của một khối khí có thể thay đổi bằng cách A. thực hiện công. B. truyền nhiệt. C. thực hiện công và truyền nhiệt. D. ma sát. 15. Chọn phát biểu đúng về sự thay đổi nội năng của khí quyển. A. Mặt trời thực hiện công lên Trái đất, làm thay đổi nội năng của khí quyển. B. Mặt trời truyền nhiệt lượng cho Trái đất, làm thay đổi nội năng của khí quyển. C. Mặt trời vừa thực hiện công vừa truyền nhiệt lượng cho Trái đất, làm thay đổi nội năng của khí quyển. D. Nội năng của khí quyển hầu như không thay đổi được, nếu có thì thay đổi rất ít. 16. Hiệu ứng nhà kính có thể giải thích bằng kiến thức A. nguyên lý II nhiệt động lực học. B. nguyên lý I nhiệt động lực học. C. nguyên lý cực tiểu năng lượng. D. nguyên lý I và II nhiệt động lực học. Dùng hình 2 để trả lời các câu hỏi 17, 18, 19 Hình 2 47
54. 17. Ở thí nghiệm mô phỏng hiện tƣợng băng tan khi xảy ra hiệu ứng nhà kính (hình 2), bóng đèn dây tóc đóng vai trò tƣơng tự nhƣ vật gì trong hiệu ứng nhà kính khí quyển ? A. Trái Đất. B. Mặt trời. C. Nguồn nóng. D. Mặt trăng. 18. Ở thí nghiệm mô phỏng hiện tƣợng băng tan khi xảy ra hiệu ứng nhà kính (hình 2), đá ở cốc đặt trong chậu thủy tinh sẽ tan nhanh hơn đá ở cốc đặt bên ngoài chậu là vì sao? A. Vì khoảng các giữa cốc trong chậu đến bóng đèn gần hơn khoảng cách từ cốc ngoài chậu thủy tinh đến bóng đèn B. Vì chậu thủy tinh giữ nhiệt lại làm cho nhiệt lượng của bóng đèn thoát ra môi trường ít hơn, nhiệt độ bên trong chậu cao, nên đá tan nhanh hơn. C. Bóng đèn đặt trong chậu thủy tinh nóng hơn bóng đèn đặt bên ngoài chậu thủy tinh. D. Đây chỉ là hiện tượng xảy ra ngẫu nhiên. 19. Trong hiệu ứng nhà kính khí quyển, khí CO2 trong khí quyển tạo nên 1 “lớp màng” bao bọc Trái Đất làm nhiệt lƣợng đƣợc lƣu giữ lại Trái Đất. Vậy trong thí nghiệm mô phỏng hiệu ứng nhà kính, vật nào cũng đóng vai trò tƣơng tự nhƣ lớp màng CO2 này? A. Thùng carton. B. Bóng đèn. C. Cốc thủy tinh 100 ml. D. Chậu thủy tinh. 20. Đơn vị của nội năng là A. Jun. B. Oát (W). C. Vôn. D. J/s. Hết Đáp án 1 C 6 D 11 C 16 B 2 A 7 D 12 A 17 B 3 A 8 B 13 D 18 B 4 D 9 A 14 C 19 D 5 C 10 C 15 B 20 A 48
55.  KẾT LUẬN CHƢƠNG 2  Trong chương này, chúng tôi đã tiến hành phân tích nội dung kiến thức chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” – Vật lý 10 (cơ bản). Căn cứ vào mục tiêu dạy học của chương và quy trình thiết kế một chủ đề giáo dục STEM, chúng tôi nghiên cứu, lựa chọn kiến thức để xây dưng nội dung chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” thành 2 chủ đề “Hiệu ứng nhà kính” và “Động cơ nhiệt đốt ngoài – động cơ Stirling” nhằm tổ chức dạy học (chính khóa và ngoại khóa) chương này theo định hướng giáo dục STEM. Để kiểm chứng giả thuyết khoa học và có cơ sở thực tiễn cho đề tài, chúng tôi đã tiến thành thực nghiệm sư phạm ở trường THPT với hình thức dạy học chính khóa trong 2 tiết học. Nội dung thực nghiệm được thể hiện ở chương 3. 49
56. Chƣơng 3: THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM 3.1. Mục đích thực nghiệm sƣ phạm Chúng tôi tiến hành thực nghiệm sư phạm: “Tổ chức dạy học chương Cơ sở của nhiệt động lực học – Vật lý 10 theo định hướng giáo dục STEM” nhằm: - Kiểm chứng giả thuyết khoa học đã đề ra trong luận văn. - Đánh giá tính khả thi của tiến trình dạy học một số kiến thức chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” đã đề xuất. 3.2. Đối tƣợng thực nghiệm sƣ phạm - HS lớp 10A10 trường THCS – THPT Hoa Sen (quận 9), năm học 2017-2018. Lớp 10A10 gồm 33 HS (16 nữ -17 nam). - Phần lớn HS là đối tượng không đạt lớp 10 Công lập, có nhiều hoàn cảnh khác nhau, nhiều em chưa ngoan, chán học và học yếu. 3.3. Phƣơng pháp thực nghiệm sƣ phạm - Xin phép Ban giám hiệu nhà trường, tổ vật lý trong trường được thực nghiệm sư phạm. - Chúng tôi nhờ GV đang đứng lớp để thực nghiệm giáo án trong 2 tiết chính khóa. - GV tổ chức dạy học như tiến trình trong giáo án đã đề ra. - GV tổ chức kiểm tra dựa trên đề kiểm tra do chúng tôi biên soạn. - Từ kết quả thực nghiệm, chúng tôi đánh giá những gì đã đạt được và những mặt còn hạn chế cần phải chỉnh sửa. 3.4. Những thuận lợi và khó khăn gặp phải khi tiến hành thực nghiệm sƣ phạm 3.4.1. Thuận lợi - Ban giám hiệu trường THCS - THPT Hoa Sen và tổ Vật lý rất ủng hộ, khuyến khích GV đổi mới phương pháp dạy học, tạo điều kiện cho các tiết học định hướng giáo dục STEM. - Tại thời điểm thực nghiệm, nhà trường có một phòng học STEM được trang bị đầy đủ các thiết bị, cơ sở vật chất để tổ chức dạy các tiết học theo định hướng giáo dục STEM. - HS lớp thực nghiệm năng động, đoàn kết, tích cực, có năng khiếu thực hành và đã được tham gia nhiều tiết định hướng giáo dục STEM. - GV thực nghiệm là GV giỏi, có năng lực chuyên môn, và có kinh nghiệm giảng dạy vật lý theo định hướng giáo dục STEM. 50
57. 3.4.2. Khó khăn - Việc chuẩn bị các thiết bị bởi GV rất mất thời gian và cần sự hỗ trợ của nhiều người. - Lớp học tương đối đông, thiết bị TN chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng của HS. - Phần lớn HS là đối tượng không đạt lớp 10 Công lập, có nhiều hoàn cảnh khác nhau, nhiều em chưa ngoan, chán học và học yếu. 3.5. Kế hoạch thực nghiệm sƣ phạm - Từ 20/02/2018 đến 15/03/2018: Chuẩn bị giáo án, tài liệu học tập và các bộ dụng cụ thí nghiệm mô phỏng hiện tượng băng tan khi xảy ra hiệu ứng nhà kính (4 bộ) và mô hình lắp ráp động cơ Stirling (4 bộ). - Từ 16/03/2018 đến 30/03/2018: Kiểm tra và chỉnh sửa các bộ dụng cụ. Chuẩn bị cơ sở vật chất (bàn ghế, máy chiếu, phòng học). - Ngày 31/03/2018: Thực nghiệm sư phạm trong 2 tiết chính khóa. - Ngày 03/04/2018: GV tổ chức cho HS kiểm tra lấy kết quả phân tích. 3.6. Phân tích diễn biến thực nghiệm sƣ phạm  Giai đoạn 1: Chuẩn bị *Chuấn bị đồ dùng, dụng cụ dạy học Đối với của chủ đề 1: Hiệu ứng nhà kính - GV chuẩn bị 4 bộ dụng cụ dạy học, mỗi bộ được đựng sẵn trong 4 khay nhựa để phát cho mỗi nhóm, riêng thùng giấy carton do kích thước cồng kềnh nên được để sẵn trên bàn cho mỗi nhóm. Hình 3.1. Dụng cụ thí nghiệm được trang bị cho mỗi nhóm HS 51
58. Đối với của chủ đề 2: Động cơ đốt ngoài - Động cơ stirling - GV cũng chuẩn bị 4 bộ động cơ. Tuy nhiên, do giới hạn thời gian trong 1 tiết học, GV sẽ gia công sẵn một số phận của động cơ Stirling. Nhiệm vụ của HS chỉ là lắp bánh đà và piston truyền lực để hoàn thiện và vận hành được động cơ. Do đó, mỗi bộ dụng cụ được trao cho mỗi nhóm sẽ bao gồm: Hình 3.2. Động cơ Stirling được GV Hình 3.3. Đèn cồn gia công trước một số chi tiết 3 1 2 5 6 4 Hình 3.4. Một số thành phần, dụng cụ cần thiết để lắp ráp động cơ được GV chuẩn bị cho mỗi nhóm. Bao gồm: 52
59. 1. Bánh đà. 2. Dây thun làm bằng săm xe máy. 3. 2 con domino điện tử được khoan sẵn và 1 đầu căm xe đạp. 4. Piston truyền lực. 5. Tua-vít. 6. Súng bắn keo. Ngoài ra, để phục vụ cho việc báo cáo thuyết trình của HS, GV cung cấp cho mỗi nhóm: Bút màu, giấy roki, thước kẻ, *Chuẩn bị tài liệu dạy học Đối với chủ đề 1: Hiệu ứng nhà kính: GV chuẩn bị các mẫu phiếu học tập và tài liệu hướng dẫn như Phụ lục 1,3. Đối với chủ đề 2: Động cơ đốt ngoài - Động cơ Stirling: GV chuẩn bị các mẫu phiếu học tập và tài liệu hướng dẫn như Phụ lục 2,4. *Chuẩn bị thiết bị dạy học GV trước khi lên lớp sẽ chuẩn bị phòng học, bàn ghế, máy chiếu, để dạy học.  Giai đoạn 2: Tổ chức dạy học trên lớp Chúng tôi tiến hành thực nghiệm theo tiến trình dạy học kiến thức vật lý định hướng giáo dục STEM như sơ đồ hình 1.5 - Chương 1 và giáo án ở mục 2.3.3 – Chương 2. Đối với chủ đề 1: Hiệu ứng nhà kính  Đặt vấn đề - GV giới thiệu chủ đề “Hiệu ứng nhà kính” thông qua video. Các HS của lớp chăm chú theo dõi clip. - GV đặt vấn đề và giao nhiệm vụ : “ Để hiểu thêm về tác hại của hiệu ứng này, các em hãy tiến hành thí nghiệm mô phỏng hiện tượng băng tan khi xảy ra hiệu ứng nhà kính. Sau đó, các nhóm sẽ báo cáo thuyết trình về cách bố trí thí nghiệm thông qua sơ đồ và phân tích kết quả thí nghiệm này.” Hầu hết các HS của lớp đều chú ý lắng nghe yêu cầu của GV. - GV bàn giao các thiết bị, dụng cụ thí nghiệm cho các nhóm HS. Các em rất tò mò, hứng thú và đều nhanh chóng lên nhận các bộ dụng cụ từ GV. - GV giới thiệu thiết bị thí nghiệm, tài liệu học tập cho các nhóm HS. Các HS của lớp đa số đều chú ý lắng nghe. . Hình 3.5. GV giới thiệu dụng cụ thí nghiệm 53
60.  Làm việc với tài liệu hƣớng dẫn STEM Chúng tôi theo dõi quá trình làm việc của các nhóm. Khi các nhóm bắt đầu làm thí nghiệm, chỉ nhóm 1,2,4 bầu nhóm trưởng và nhóm trưởng phân công nhiệm vụ cho các thành viên khác. Còn nhóm 3 vẫn loay hoay với các thiết bị và không tập trung vào nhiệm vụ học tập GV phân công. Nhóm HS được nhóm trưởng phân công nhiệm vụ nghiên cứu tài liệu hướng dẫn sẽ: + Phối hợp cùng các bạn chịu trách nhiệm tiến hành thí nghiệm kiểm tra các bộ dụng cụ nhận được từ GV về: số lượng các thiết bị, tình trạng chất lượng của các thiết bị, tìm hiểu quy trình thực hiện thí nghiệm. + Phối hợp với nhóm nhận nhiệm vụ hoàn thành phiếu học tập, điền đầy đủ các nội dung kiến thức trong phiếu học tập. + Phối hợp với nhóm nhận nhiệm vụ hoàn thành sơ đồ cách bố trí của thí nghiệm vẽ lên giấy roki. Hình 3.6. HS nhóm 1 đang làm việc với tài liệu hướng dẫn  Thực hiện thí nghiệm Các thành viên trong nhóm tiến hành thí nghiệm cần có khả năng kỹ thuật tốt. Trong quá trình thực hiện thí nghiệm, các HS thuộc nhóm này sẽ làm việc với tài liệu hướng dẫn và thực hiện theo quy trình tiến hành thí nghiệm. Đối với chủ đề này, GV đã chuẩn bị sẵn các bộ dụng cụ, HS dựa vào tài liệu hướng dẫn, bố trí và thực hiện thí nghiệm, nhận xét kết quả đạt được, sau đó tiếp tục thực hiện các nhiệm vụ khác. 54
61. Trong lúc bố trí thí nghiệm, nhìn chung, các HS khá tập trung và tích cực hoạt động; trao đổi, thảo luận rất sôi nổi; biết phối hợp với nhau, phân chia công việc với nhau để thực hiện các nhiệm vụ học tập.  Đối với các nhóm thực hiện thành công thí nghiệm Thí nghiệm gọi là thành công nếu như các nhóm tuân thủ đầy đủ các yêu cầu của thí nghiệm được ghi trong tài liệu hướng dẫn và đạt được kết quả là đá trong cốc 100ml nằm trong chậu thủy tinh tan nhanh hơn đá trong cốc 100 ml nằm ngoài chậu thủy tinh. Hầu như cả 4 nhóm của lớp 10A10 đều có chung một kết quả này. Tuy nhiên, trong các nhóm, nhóm 1 thực hiện nhanh và đúng nhất trong thời gian 5 phút, sau đó tắt đèn lấy kết quả. Sở dĩ, nhóm thành công là nhóm đọc kĩ tài liệu và biết phân công nhiệm vụ cho các thành viên. Hình 3.7. HS nhóm 4 đang quan sát thí nghiệm Hình 3.8. HS nhóm 2 đang quan sát thí nghiệm 55
62.  Đối với các nhóm chưa thực hiện thành công thí nghiệm Nếu thực hiện không thành công, các nhóm HS sẽ phải quay lại đọc kỹ tài liệu hướng dẫn, đưa ra các giải pháp khắc phục. Mặc dù 4 nhóm đều thành công, nhưng trong quá trình thực hiện, bóng đèn của nhóm 3 đã không sáng làm mất khá nhiều thời gian của nhóm. Tuy nhiên, sau đó các em đã tìm cách khắc phục và thực hiện thành công thí nghiệm. Hình 3.9. Nhóm 3 thực hiện thành công thí nghiệm mô phỏng hiện tượng băng tan khi xảy ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính.  Tổ chức cho HS báo cáo kết quả - GV tổ chức cho các nhóm báo cáo kết quả thí nghiệm theo hình thức 2 HS đại diện 1 nhóm báo cáo. Các HS khác sau đó sẽ nhận xét, bổ sung, đặt câu hỏi cho nhóm thuyết trình. Do giới hạn về thời gian, chỉ có 1 nhóm báo cáo trong tiết học. - Đối với phần báo cáo của nhóm 4: 2 HS nhóm 4 (Minh, Trí) báo cáo sơ đồ bố trí thí nghiệm và hoàn thành nội dung trong phiếu học tập. Nhìn chung, nhóm tập trung trình bày cách bố trí và tiến hành thí nghiệm, khẳng định kết quả thí nghiệm, nêu được định nghĩa nội năng nhưng không chỉ ra được cơ sở khoa học của hiện tượng hiệu ứng nhà kính. Chúng tôi ghi lại một vài ý kiến của nhóm 4 trong phần trình bày của mình. + Minh: “Đặt 1 li thủy tinh và 1 bóng đèn vào trong 1 chậu thủy tinh. Đặt thêm 1 li thủy tinh và 1 bóng đèn khác bên ngoài chậu sao cho 2 bóng đèn phải cách đều 2 li thủy tinh.” + Trí: “Ta thấy lượng đá ở li phía trong tan nhanh hơn lượng đá ở li ngoài. Kết quả thí nghiệm: Lồng thủy tinh đóng vai trò ngăn nhiệt thoát ra ngoài làm làm tăng nhiệt.” 56
63.  Nhận xét, đánh giá - GV tổ chức cho HS nhận xét, phản biện, trong quá trình đó, phát hiện vấn đề. Nhìn chung, các nhóm 1, 2 và 3 có cùng kết quả thí nghiệm. Các HS tích cực đặt câu hỏi phân tích vấn đề. - Chúng tôi ghi lại một số câu hỏi tiêu biểu của các nhóm: + Nhóm 2: “Có phải bóng đèn phía trong chậu nóng hơn bóng còn lại không?” + Nhóm 3: “Tại sao đá của cốc ở trong chậu thủy tinh tan chảy trước đá của cốc ở ngoài chậu?”  Đối với câu hỏi của nhóm 2, nhóm 4 trả lời: “ 2 bóng đèn cùng loại, cùng công suất nên nóng giống nhau”.  Đối với câu hỏi của nhóm 3, nhóm 4 trả lời: “Vì có chậu thủy tinh cản nhiệt lại, còn bóng đèn bên ngoài tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh, nên đá bên ngoài tan chảy lâu hơn.  Kết luận - GV nhận xét và hệ thống lại sơ đồ bố trí thí nghiệm. - GV kết luận lại nội dung kiến thức Vật lý trọng tâm của bài học: + Định nghĩa nội năng, độ biến thiên nội năng. + Các cách làm biến thiên nội năng. Nội năng của khí quyển thay đổi là do được Mặt trời truyền nhiệt lượng dưới hình thức bức xạ nhiệt. + Nguyên lý I nhiệt động lực học và quy ước dấu. - GV sử dụng kiến thức Vật lý đã dạy để giải thích hiệu ứng nhà kính khí quyển. Đối với chủ đề: Động cơ đốt ngoài - Động cơ Stirling  Đặt vấn đề - GV giới thiệu động cơ Stirling, đây là động cơ xanh và một số bộ phận chính của động cơ. - GV giới thiệu chung về hoạt động của động cơ. - GV vận hành mẫu động cơ. Sau đó, mời HS lên trải nghiệm vận hành động cơ mẫu. HS hào hứng xung phong vận hành thử nghiệm. 57
64. Hình 3.10. GV giới thiệu động cơ Stirling cho HS Hình 3.11. GV vận hành mẫu động cơ Stirling Hình 3.12. HS trải nghiệm vận hành động cơ Stirling 58
65. - GV giao dụng cụ cho các nhóm HS. Các nhóm sẽ thực hành lắp ráp và vận hành động cơ Stirling, báo cáo kết quả thực hành và hoàn thành phiếu học tập. - HS nhanh chóng nhận dụng cụ, nhanh chóng tham gia lắp ráp.  Làm việc với tài liệu hƣớng dẫn STEM - Các HS đọc tài liệu hướng dẫn đề hoàn thành các nội dung trong phiếu học tập và nghiên cứu các bước tiến hành lắp ráp động cơ. Hình 3.13. HS nhóm 2 đang đọc tài liệu hướng dẫn  Gia công, lắp ráp và vận hành sản phẩm Hình 3.14. HS nhóm 1 đang lắp piston truyền lực vào động cơ Stirling 59
66. Hình 3.15. HS nhóm 3 đang lắp piston truyền lực vào động cơ Stirling Hình 3.16. HS nhóm 4 đang lắp piston truyền lực vào động cơ Stirling 60
67.  Vận hành sản phẩm Sau khi lắp ráp xong theo hướng dẫn, các nhóm vận hành thành thử động cơ.  Đối với các nhóm vận hành thành công động cơ Nếu động cơ quay được 1 cách ổn định thì nhóm đã vận hành thành công. Trong tiết học, sau khi lắp ráp các chi tiết, chỉ có nhóm 2 và nhóm 3 đã thành công vận hành động cơ quay nhanh và ổn định. GV giao nhiệm vụ về nhà cho nhóm là đề xuất phương án dùng động cơ này để tạo ra dòng điện thắp sáng bóng đèn và các cách làm hạn chế ô nhiễm môi trường khi vận hành động cơ công suất lớn hơn.  Đối với các nhóm chưa vận hành thành công động cơ Nếu vận hành không thành công, các nhóm HS sẽ phải quay lại đọc kỹ tài liệu hướng dẫn, phân tích nguyên nhân và đánh giá và đưa ra các giải pháp khắc phục. Nhóm 1,4 vận hành không thành công động cơ Stirling.  Tổ chức cho HS báo cáo kết quả Nhóm 2 cử 2 bạn Hào và Nghĩa báo cáo kết quả: - Hào: “Một số nguyên vật liệu cần thiết của động cơ bao gồm: Lon bia, căm xe đạp, lon sữa, nắp chai sơn, bong bóng, nắp chai, đèn cồn, đĩa CD, giấy foam, Đây là động cơ đốt ngoài vì nhiên liệu được đốt cháy bên ngoài xi lanh.” -Nghĩa: “Cách vận hành động cơ là ta sẽ đổ nước vào trong két đựng nước, đốt đèn cồn, quay mồi bánh đà.” - Hào: “Mình nhận thấy nước càng lạnh thì động cơ quay tốt hơn.” - Nghĩa: “Động cơ hoạt động tuân theo nguyên lý II của nhiệt động lực học. Đó là động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học.” - Hào: “Sự chuyển hóa năng lượng trong động cơ nhiệt là từ nhiệt năng sang nội năng và chuyển thành công cơ học. - Nghĩa: “Hiệu suất đặc trưng cho mức sử dụng hữu ích năng lượng của một máy hay một hệ thống nào đó, căn cứ vào nó có thể biết được máy hoạt động hiệu quả tới đâu. Hiệu suất của động cơ nhiệt sẽ được tính bằng. .100% H= 푄1 61
68. Hình 3.17. HS nhóm 2 đang thực hiện phần báo cáo về động cơ Stirling Trong phần báo cáo này, ngoài nhóm 2, còn có 2 đại diện của nhóm 1 lên báo cáo kết quả. Hình 3.18. HS nhóm 1 đang thực hiện phần báo cáo của mình 62
69.  Nhận xét, đánh giá Chúng tôi ghi lại một số câu hỏi tiêu biểu của các nhóm  “Tại sao lại có thể gọi động cơ này là động cơ xanh?”  “Tại sao nước đổ vào càng lạnh thì động cơ quay càng tốt?”  “Tại sao đốt cháy lại làm nó quay được?”. Đây là câu hỏi phát hiện vấn đề của 1 HS nhóm 3. Tuy nhiên cả 2 nhóm thuyết trình chưa có câu trả lời thuyết phục.  Kết luận - GV trả lời câu hỏi của các nhóm khác vì nhóm báo cáo vẫn chưa có câu trả lời thật sự thuyết phục. - GV giải thích thế nào là động cơ nhiệt đốt ngoài, động cơ nhiệt đốt trong. - GV nhắc lại cơ chế hoạt động của động cơ Stirling. - GV kết luận lại nội dung kiến thức Vật lý trọng tâm của bài học: + Phân tích sơ đồ cấu tạo cơ bản của một động cơ nhiệt. + Nguyên lý II của nhiệt động lực học. + Ý nghĩa của Hiệu suất và công thức tính Hiệu suất. - GV đặt câu hỏi “Động cơ nhiệt đốt ngoài có thể dùng nguồn nhiệt đốt ngoài, có thể tận dụng nguồn nhiệt nào giảm thải ô nhiễm môi trường?” - HS trả lời: “Động cơ sử dụng năng lượng mặt trời không gây ô nhiễm môi trường.” “ Ta có thể đốt rác thay vì chôn nó xuống đất để chạy động cơ nhiệt”.  Giai đoạn 3: Kiểm tra và đánh giá kết quả dạy học trên lớp Thực hiện bài kiểm tra: GV biên soạn đề kiểm tra gồm 20 câu, thời gian 30 phút dùng để kiểm tra các kiến thức Vật lý, Công nghệ và Kỹ thuật. 3.7. Đánh giá kết quả TNSP 3.7.1. Đánh giá tính tích cực Theo dõi diễn biến thực nghiệm sư phạm, chúng tôi nhận thấy các biểu hiện ở HS phù hợp với tiêu chí đánh giá tính tích cực của HS đã đưa ra ở mục 2.4.1 – Chương 2. Chúng tôi thể hiện nó ở bảng 3.1. Bảng 3.1 . Tiêu chí đánh giá tính tích cực và biểu hiện của thể của HS trong tiết học Tiêu chí Biểu hiện cụ thể (1) Thắc mắc, tìm hiểu các kiến - Khi GV đặt vấn đề vào bài học, hoặc hệ thống lại kiến thức mới, tình huống mới thức, HS rất chú ý theo dõi. - Khi được yêu cầu trải nghiệm thử động cơ mẫu, HS rất hào hứng và xung phong lên thực hiện. - HS hứng thú đặt câu hỏi, nhận xét, đóng góp ý kiến, có 63