Mã số N2008: Giải pháp thực hiện giáo dục STEM ở Trường Trung học cơ sở — Sở Khoa học và Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh

STEM là viết tắt của các từ: Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kỹ thuật) và Math (Toán học). Giáo dục STEM trang bị cho người học những kiến thức và kỹ năng cần thiết liên quan đến các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học. Những kiến thức và kỹ năng này được tích hợp và lồng ghép, bổ trợ lẫn nhau để giúp học sinh vừa hiểu được nguyên lý, vừa có thể áp dụng để thực hành và tạo ra được những sản phẩm trong cuộc sống thường ngày.

Khó khăn lớn nhất khi thực hiện giáo dục STEM cũng như các phương pháp dạy học tích cực khác là không đồng bộ với hoạt động giáo dục hiện hành. Chương trình giáo dục còn nặng nề và mang tính hàn lâm, nội dung thi cử còn nhiều yếu tố từ chương và kỹ năng vận dụng còn máy móc, chưa kiểm tra được đầy đủ năng lực vận dụng sáng tạo và thực tiễn của học sinh.

STEM cần được hiểu là một quy trình nghiên cứu khoa học, trong đó học sinh được yêu cầu huy động kiến thức đã có để tìm tòi, giải quyết vấn đề đặt ra trong thực tiễn. Bài học STEM không nhất thiết tích hợp nhiều môn học, nội dung kiến thức có thể chỉ thuộc một môn học nhưng gắn với ứng dụng trong cuộc sống. STEM không phải một hoạt động giáo dục đưa thêm vào chương trình mà là một trong những phương thức chuyển tải nội dung chương trình giáo dục. Giáo viên có thể linh hoạt tổ chức ở nhiều hình thức khác nhau, hướng đến mục tiêu cuối cùng là phát triển phẩm chất và năng lực của người học.

Là nơi giúp học sinh trau dồi kỹ năng học tập của mình và áp dụng vào các tình huống thực tế trong cuộc sống. Để đạt được mục tiêu này, các bài học STEM được thiết kế nhằm giúp học sinh suy nghĩ đa chiều về những thách thức trong cuộc sống và bắt đầu tìm ra giải pháp để giải quyết vấn đề cụ thể.

Học sinh sẽ được tiếp xúc với các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Nghệ thuật, Kỹ thuật và Toán học thông qua phương pháp “Học trải nghiệm” và “Làm dự án”. Mỗi dự án là một thử thách thực tế, tại đó học sinh tiến hành nghiên cứu, thảo luận nhóm để tìm ra phương án giải quyết vấn đề và tạo ra sản phẩm cuối cùng, từ đó phát triển các kỹ năng quan trọng như: Giải quyết vấn đề, Tư duy sáng tạo, Tư duy phản biện, Làm việc nhóm, Giao tiếp và Học tập hợp tác, mang lại hiệu quả cao cho các bộ môn học tập tại trường.

Hoạt động thực tiễn ở trường THCS Chu Văn An:

Dự án: “Sử dụng vỏ tôm và đá vôi xử lý sơ bộ hóa chất thải từ phòng thí nghiệm trường THCS”.

Nội dung cơ bản của dự án: Thống kê hóa chất thải từ phòng thí nghiệm trường THCS, đề xuất mô hình xử lý sơ bộ hóa chất thải nhằm tránh gây tắc nghẽn đường ống nước và đưa hóa chất về môi trường trung tính, ít gây hại cho môi trường hơn.

*Dự án: Xử lý nước thải phòng thí nghiệm.*

Dự án: “Đề xuất giải pháp tái chế nước sinh hoạt với bèo tấm, xương rồng lê gai và hạt chùm ngây”.

Nội dung cơ bản của dự án: khảo sát thành phần nước thải sinh hoạt, đề xuất mô hình xử lý sơ bộ chất thải nhằm tái sử dụng, bảo vệ môi trường và giải quyết nguy cơ thiếu nước sạch ở nhiều vùng.

*Thí nghiệm khả năng lọc nước của xương rồng lê gai.*

*Thí Nghiệm khả năng lọc của cát, sỏi, than và đưa vào bộ dụng cụ thí nghiệm.*

*Bộ dụng cụ thí nghiệm tái hiện quy trình tái chế nước.*

Dự án: “Đa dạng hóa các sản phẩm xà phòng từ nguyên liệu tái chế”.

Nội dung cơ bản của dự án:

Từ các nguyên liệu tái chế như: dầu ăn, xà phòng … điều chế thành các loại xà phòng với chi phí thấp, giảm thiểu lãng phí và hạn chế tình trạng ô nhiễm môi trường. Đưa xà phòng giá rẻ đến gần trẻ em vùng sâu vùng xa, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống ở nông thôn …

*Nấu xà phòng từ dầu thải, lọc bằng than hoạt tính.*

*Nghiệm thu sản phẩm: Thử pH, màu, độ đục.*

Dụ án: “Chế phẩm từ lôi hội, lá dứa, kinh giới dùng cho vệ sinh tay”

Nội dung cơ bản của dự án: kết hợp giữa khả năng dưỡng ẩm của lô hội, tính năng bảo quản của tinh chất lá dứa và hoạt tính kháng khuẩn của tinh dầu kinh giới vào các sản phẩm dùng để vệ sinh tay.

*Chưng cất tinh chất lá dứa và tinh dầu kinh giới, xay phần thịt lô hội, pha chế dung dịch rửa tay khô, xà phòng rửa tay lỏng, nấu bánh xà phòng rửa tay.*

TỰ CHẾ TẠO SẢN PHẨM ĐƠN GIẢN CỦA HỌC SINH:

Học sinh được yêu cầu thiết kế, chế tạo, vận hành thử nghiệm và tối ưu hóa một sản phẩm phục vụ cho yêu cầu của đời sống. Để thực hiện được các nhiệm vụ đó, học sinh có thể được hướng dẫn thông qua văn bản, video, … hoặc dưới sự hướng dẫn trực tiếp của giáo viên. Với sự định hướng, hỗ trợ của giáo viên, học sinh sẽ đặt ra các vấn đề bản thân gặp phải, có thể là tìm hiểu nguyên lí của sản phẩm, các bước chế tạo … và tìm cách giải quyết. Trong quá trình tìm cách giải quyết sẽ có những ý tưởng nảy sinh, giải pháp mới. Quá trình “thiết kế – thử nghiệm – điều chỉnh” được vận hành liên tục.

Hoạt động thực tiễn ở trường THCS Chu Văn:

Mô hình điện phân nước:

- Học sinh tìm hiểu về thiết bị điện phân nước: Điện phân nước là quá trình phân hủy nước thành oxi và khí hiđro nhờ dòng điện được truyền qua nước. Các phản ứng có một điện thế tiêu chuẩn là -1,23V. Một nguồn điện một chiều được kết nối với hai điện cực (thường được làm từ một số kim loại trơ như bạch kim, thép không gỉ, …) được đặt trong nước. Hiđro sẽ xuất hiện ở cực âm, và oxi sẽ xuất hiện ở cực dương. Giả sử hiệu quả là lý tưởng, số lượng hydro tạo ra gấp đôi lượng oxi.

- Tham khảo các đoạn phim hướng dẫn làm thiết bị điện phân nước có trên mạng internet:

- Giáo viên giải đáp thắc mắc cho học sinh (về điện cực, về chất xúc tác, …), hướng dẫn an toàn (không sử dụng axit, …) trước khi học sinh tiến hành làm thiết bị điện phân nước.

Chất chỉ thị màu từ tự nhiên:

- Các nhóm học sinh tìm hiểu về chất chỉ thị màu: Chất chỉ thị pH hay chỉ thị axit bazơ là hợp chất có thể thay đổi màu sắc trong dung dịch ở một khoảng pH hẹp. Chỉ một số lượng nhỏ hợp chất chỉ thị cần để tạo ra thay đổi màu sắc có thể nhìn thấy. Khi được sử dụng với nồng độ thấp, chất chỉ thị không có ảnh hưởng nhiều lên tính axit hoặc bazơ của dung dịch hóa chất. Một số chất chỉ thị thay đổi từ màu này thành màu khác, trong khi một số lại thay đổi từ trạng thái có màu thành không có màu. Các chất chỉ thị pH luôn là axit hoặc bazơ yếu. Nhiều trong số chất này xuất hiện trong tự nhiên. Ví dụ, anthocyanins là chất chỉ thị pH được tìm thấy trong hoa, quả và các loại rau. Thực vật chứa những phân tử này bao gồm lá bắp cải đỏ, hoa hồng, quả việt quất, thân cây đại hoàng, hoa cẩm tú cầu và hoa anh túc.

- Cách điều chế chất chỉ thị màu từ bắp cải tím, hoa hồng …: cắt nhỏ, ngâm nước sôi hoặc đun với nước.

- Cơ sở để xác định dung dịch là axit, bazơ hay trung tính: tương tự giấy pH

- Dùng chất chỉ thị tự điều chế được để xác định tính axit, bazơ của một số dung dịch thường dùng tại gia đình.

Lên men rượu từ trái cây:

- Tìm hiểu quy trình:

+ Xử lý nguyên liệu: Trái cây được lọc, loại bỏ những trái bị hư. Sau đó ngâm nước muối loãng từ 7 – 10 phút, rửa sạch bằng nước. Tùy từng lọai trái cây, cắt nhỏ phù hợp.

Chọn những loại có vị ngọt và dễ lên men. Trong quá trình làm, có thể thêm một số loại đường, men hoặc mật để kích thích sự lên men nhanh hơn và tạo nên hương vị thơm cho đồ uống.

+ Lên men: dùng bình thủy tinh thật khô và sạch rồi mới xếp lần lượt từng loại trái cây đan xen vào. Không nên xếp quá khít nhau vì như vậy rượu sau khi lên men dễ bị trào ra ngoài. Bình chọn ngâm rượu phải là loại to, làm bằng thủy tinh và có nắp đậy kín có vòng nệm cao su đảm bảo chặt, không lọt không khí. Lên men từ 7 – 10 ngày ở nhiệt độ 27 – 28oC. Trong quá trình ngâm rượu trái cây, phải lắc bình lên để hoa quả lên men đều. Rượu ngâm càng lâu thì hương vị sẽ càng ngon.

- Học sinh thực hiện sau khi trình bày cách tiến hành và được giáo viên thông qua.

Các gameshow về STEM:

Là cách “học qua hành”, học qua các ví dụ, qua các trò chơi mà các em sẽ phải kết hợp kiến thức của nhiều môn với nhau. Khi trực tiếp tham gia các trải nghiệm khoa học, học sinh nỗ lực và cố gắng vì sự đam mê, vì niềm vui chứ không phải vì sự cạnh tranh.

Hoạt động thực tiễn ở trường THCS Chu Văn An:

Hoạt động: Em là nhà khoa học

Vận dụng kiến thức khoa học tự nhiên giải thích một số vấn đề thực tế và phát triển tư duy logic cho học sinh. Thực hiện tại sân trường. Phân công và hướng dẫn cho các nhóm học sinh chuẩn bị theo nội dung được giao. Ví dụ:

Câu 1: Có thể dùng ống hút đâm xuyên củ khoai tây không?

- Thí nghiệm: với ống hút, bạn rất khó đâm vào củ khoai tây vì ống hút nhựa rất mềm. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có cách thực hiện điều tưởng như bất khả thi này. Tất cả những gì cần làm chỉ đơn giản là bịt kín một đầu ống hút bằng ngón cái. Ống hút lúc này đâm thẳng và xuyên qua củ khoai một cách dễ dàng.

- Giải thích: Khi dùng ngón cái bịt kín đầu ống hút, bạn đã chặn không khí bên trong nó. Không khí bị nén lại sẽ tạo áp lực trong ống hút khiến ống hút đủ cứng để xuyên qua củ khoai tây.

Câu 2: Chanh có thể sinh ra điện không?

- Thí nghiệm: Để chế tạo ra pin từ chanh, chỉ cần 2 tấm kim loại: một anot với điện cực âm (có thể làm bằng kẽm) và một catot với điện cực dương (có thể làm bằng đồng). Axit bên trong chanh sẽ tạo ra phản ứng hóa học với kẽm và đồng, và năng lượng sau đó sẽ được giải phóng.

Câu 3: Xác định trứng chín và trứng sống bằng cách nào?

- Thí nghiệm: quay 2 quả trứng. Trứng chín quay, trứng sống thì không.

- Giải thích: quả trứng chín là một vật thể thống nhất, có quán tính quay.

Khi chúng ta xoay quả trứng chín, nó bắt đầu quay theo một hướng. Đối với quả trứng sống, nó sẽ ngừng quay ngay lập tức. Nguyên nhân là trứng sống có phần ruột lỏng, tách biệt với phần vỏ bên ngoài. Trong quá trình quay, phần ruột của nó, bị chậm so với phần vỏ và trì hoãn chuyển động của cả quả trứng.

Câu 4: Cách xác định trứng mới và trứng cũ?

- Thí nghiệm: chuẩn bị cốc nước hoặc bình nước để thả trứng vào.

- Giải thích: Nếu trứng nhanh chóng chìm xuống và nằm dưới đáy cốc theo chiều ngang thì có nghĩa là trứng vẫn còn tươi.

Nếu trứng từ từ chìm xuống và nằm theo phương thẳng đứng hoặc nằm chéo thì quả trứng đó không tươi.

Nếu trứng không chìm xuống đáy, thay vào đó nổi lơ lửng ở giữa cốc hoặc nổi hẳn lên bề mặt nước thì đó là dấu hiệu cho thấy trứng đã hỏng.

Trứng nổi là do khí sinh ra từ các chất hữu cơ trong quá trình phân hủy nằm bên trong quả trứng. Mức độ trứng nổi càng nói lên độ phân hủy và biến chất càng không nên ăn.

Câu 5: (sau khi quan sát thí nghiệm) Cho biết tên các chất có trong dung dịch A và dung dịch B. Biết dung dịch A chứa một chất chỉ thị màu và dung dịch B là một bazơ quan trọng có tên thường gọi là Xút ăn da.

- Thí nghiệm: dung dịch phenolphtalein + dung dịch natri hiđroxit

Câu 6: (sau khi quan sát thí nghiệm) Tương tự như giấy pH, nước bắp cải tím cũng có thể dùng làm chất chỉ thị màu, giúp chúng ta xác định môi trường dung dịch. Hãy cho biết các dung dịch ở cốc 1, 2, 3, 4 có tính axit hay bazơ?

- Thí nghiệm: Cốc 1, 2 dung dịch axit clohiđric nồng độ từ thấp đến cao.

Cốc 3, 4 dung dịch natri hiđroxit nồng độ từ thấp đến cao.

Lần lượt cho cùng lượng nước bắp cải tím vào từng cốc.

- Đáp án: nước bắp cải tím: hóa đỏ - môi trường axit/ hóa xanh - môi trường bazơ,

Câu 7: Đáp án: 3

Câu 8: Đáp án: 2

Ý NGHĨA:

Rèn luyện phong cách học tập sáng tạo. Đặt người học vào vai trò của một nhà phát minh. Người học sẽ phải hiểu thực chất của các kiến thức được trang bị: phải biết cách mở rộng kiến thức; phải biết cách sửa chữa, chế biến lại chúng cho phù hợp với tình huống có vấn đề mà người học đang phải giải quyết.

KẾT QUẢ:

Giúp hình thành và phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh. Trước một tình huống có vấn đề thực tiễn, học sinh phải tìm tòi, nghiên cứu những kiến thức thuộc các môn học có liên quan đến vấn đề (qua sách giáo khoa, học liệu, thiết bị thí nghiệm, thiết bị công nghệ) và sử dụng chúng để giải quyết vấn đề đặt ra. Các kiến thức và kỹ năng này phải được tích hợp, lồng ghép và bổ trợ cho nhau giúp học sinh không chỉ hiểu biết về nguyên lý mà còn có thể thực hành và tạo ra được những sản phẩm trong cuộc sống hằng ngày.

TÍNH SÁNG TẠO

Các hình thức tổ chức vừa linh hoạt, vừa gần gũi, hoàn toàn không bị giới hạn trong khuôn khổ của nội dung giảng dạy theo khung chương trình phổ thông hay các bài kiểm tra đánh giá định kỳ. Khắc phục được khó khăn lớn nhất khi thực hiện giáo dục STEM là không đồng bộ với hoạt động giáo dục hiện hành. Thông qua các hình thức tổ chức này, giáo viên có thể kiểm tra đánh giá đầy đủ năng lực vận dụng sáng tạo và thực tiễn của học sinh.

HIỆU QUẢ

Giải pháp có thể áp dụng rộng rãi cho các khối lớp ở bậc trung học cơ sở. Học sinh hình thành được kỹ năng tự học hỏi, tìm tòi, sáng tạo, nghiên cứu khoa học, ...