Khám phá Mô hình 5E: Phương pháp Dạy học Khoa học và STEM Hiệu quả

Giáo dục STEM (Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học) ngày càng trở nên quen thuộc trên thế giới, đặc biệt ở các quốc gia có nền giáo dục tiên tiến. Tại Việt Nam, phương pháp tiếp cận này cũng đang dần phổ biến hơn trong những năm gần đây. Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang thay đổi nhanh chóng thế giới việc làm, trang bị cho trẻ những kỹ năng và kiến thức tích hợp theo định hướng STEM là vô cùng cần thiết để các em không bị tụt hậu trong tương lai. Một trong những phương pháp dạy học hiệu quả được áp dụng rộng rãi trong giáo dục STEM là Mô Hình 5e. Mô hình này không chỉ giúp học sinh tiếp thu kiến thức một cách chủ động mà còn phát triển khả năng giải quyết vấn đề dựa trên nền tảng thực tế. Để hiểu rõ hơn về phương pháp giáo dục hiện đại này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu chi tiết về mô hình 5E trong bài viết này.

Mô hình 5E trong Giáo dục STEM là gì?

STEM là từ viết tắt kết hợp của bốn lĩnh vực chính: Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kỹ thuật), và Mathematics (Toán học). Giáo dục STEM hướng tới việc tích hợp kiến thức từ các lĩnh vực này để trang bị cho người học bộ kỹ năng và kiến thức tổng hợp, sẵn sàng đón đầu xu hướng phát triển trong kỷ nguyên 4.0.

Thoạt nghe, có thể nhiều người nghĩ STEM chỉ nhằm mục đích đào tạo ra các “giáo sư” hay “chuyên gia”. Điều này không sai, nhưng chưa đủ. Mục đích cốt lõi của giáo dục STEM là “thực tế hóa” những kiến thức lý thuyết khô khan, giúp học sinh áp dụng kiến thức để giải quyết các vấn đề thực tiễn, thay vì chỉ học thuộc lòng. Giáo dục tích hợp STEM là một phương pháp tiếp cận liên môn, nhấn mạnh việc thực hành và ứng dụng lý thuyết, từ đó nâng cao năng lực giải quyết vấn đề cho trẻ. Học sinh sẽ được trực tiếp trải nghiệm thông qua các bài tập, tình huống, vấn đề thực tế đòi hỏi kỹ năng tìm tòi, chọn lọc và thực thi để vượt qua thử thách, giúp khắc sâu kiến thức thông qua hành động. Để trang bị tốt nhất cho tương lai, việc định hướng và phát triển năng lực toàn diện là cần thiết, ví dụ như việc sớm hình dung [nên kinh doanh gì] trong các lĩnh vực mới nổi.

Nguồn gốc và sự phát triển của Mô hình 5E

Mô hình dạy học 5E được Tiến sĩ Rodger W. Bybee cùng các cộng sự tại Tổ chức Nghiên cứu Khung Chương trình Dạy Sinh học (BSCS) ở Mỹ đề xuất vào khoảng năm 1987. Ban đầu, mô hình này được phát triển nhằm cải tiến việc giảng dạy các môn sinh học ở bậc tiểu học.

Tiến sĩ Rodger W. Bybee, cha đẻ mô hình 5E

Mô hình 5E ra đời dựa trên nền tảng lý thuyết kiến tạo (constructivism) về học tập. Theo lý thuyết này, người học xây dựng kiến thức mới dựa trên kiến thức hoặc kinh nghiệm sẵn có. Thông qua quá trình trải nghiệm, hiểu và phản ánh các hoạt động đã thực hiện (vừa mang tính cá nhân, vừa mang tính xã hội), người học có thể kết nối kiến thức mới với những khái niệm đã biết. Mô hình 5E cũng kế thừa và phát triển từ các mô hình giáo dục tiền nhiệm của Herbart, Dewey, Myron Atkin và Robert Karplus.

Lịch sử phát triển của mô hình dạy học 5E qua các thời kỳ

Mục tiêu ban đầu của nhóm nghiên cứu là xây dựng một mô hình dạy học hiệu quả, giúp việc học các môn khoa học thực nghiệm trở nên dễ dàng hơn và có tính khả thi cao cho giáo viên, những người thường gặp khó khăn trong việc tạo ra các bài học liền mạch và gắn kết. Mô hình 5E được thiết kế để thể hiện đặc điểm của quá trình học khoa học, tạo sự gắn kết giữa các hoạt động và đặc biệt là dễ nhớ.

Sau thử nghiệm thành công trong chương trình sinh học, mô hình 5E tiếp tục ảnh hưởng sâu rộng đến nhiều bộ môn khoa học khác, bao gồm toán, công nghệ và kỹ thuật. Các báo cáo đều cho thấy hiệu quả tích cực của mô hình này đối với học sinh trong quá trình học các môn STEM. Phương pháp 5E mang đến cơ hội để học sinh chủ động xây dựng kiến thức và diễn đạt suy nghĩ của mình trong suốt quá trình học tập. Tóm lại, lịch sử của 5E cho thấy nó là sự kết hợp giữa lý thuyết giáo dục lâu đời và nghiên cứu thực nghiệm, nhằm tạo không gian và cơ hội để người học tự xây dựng các khái niệm vững chắc và ứng dụng một cách có trình tự.

Khám phá 5 giai đoạn cốt lõi của Mô hình 5E

Mô hình dạy học 5E bao gồm một chu trình gồm 5 giai đoạn, mỗi giai đoạn bắt đầu bằng một chữ “E”:

Gắn kết (Engagement)

Đây là giai đoạn khởi đầu chu trình học tập. Giáo viên bắt đầu bằng việc tìm hiểu kiến thức nền tảng của học sinh về chủ đề sắp học và xác định những điểm còn trống. Mục tiêu quan trọng là tạo sự tò mò và hứng thú, kích thích học sinh đặt câu hỏi mở hoặc chia sẻ những gì các em đã biết. Thông qua các hoạt động đa dạng, giáo viên thu hút sự chú ý, tạo không khí lớp học sôi nổi. Giai đoạn này giúp học sinh kết nối bài học mới với những trải nghiệm và quan sát thực tế các em đã có. Các khái niệm mới cũng được giới thiệu sơ bộ trong bước này để chuẩn bị cho những hoạt động tiếp theo. Giai đoạn này có thể tạo ấn tượng mạnh mẽ, giống như một [màu thạch hồng] rực rỡ thu hút sự chú ý ban đầu.

Khảo sát (Exploration)

Trong giai đoạn này, học sinh được trao quyền chủ động khám phá các khái niệm mới thông qua các hoạt động trải nghiệm cụ thể. Giáo viên đóng vai trò cung cấp các vật liệu, học cụ và hướng dẫn cơ bản để học sinh tự mình tìm hiểu. Học sinh trực tiếp thao tác, quan sát, làm thí nghiệm, thiết kế hoặc thu thập dữ liệu. Đây là lúc các em thực sự “nhúng tay” vào vấn đề, giống như việc chuẩn bị [đồ trang điểm] cẩn thận cho một buổi biểu diễn.

Giải thích (Explanation)

Sau khi đã có những trải nghiệm từ giai đoạn Khảo sát, giáo viên hướng dẫn học sinh tổng hợp và hệ thống hóa kiến thức mới. Học sinh được khuyến khích trình bày, miêu tả, phân tích những gì các em đã quan sát hoặc thu thập được. Giáo viên lúc này sẽ giới thiệu các thuật ngữ, khái niệm, công thức chính thức và giúp học sinh kết nối chúng với những trải nghiệm thực tế vừa qua. Để đạt hiệu quả cao, giáo viên nên để học sinh tự chia sẻ và giải thích theo cách hiểu của mình trước khi đưa ra thông tin chi tiết hơn.

Áp dụng (Elaboration)

Giai đoạn này tập trung vào việc tạo cơ hội cho học sinh thực hành và vận dụng kiến thức, kỹ năng đã học được từ giai đoạn Giải thích vào các tình huống và hoàn cảnh đa dạng khác nhau. Điều này giúp củng cố và làm sâu sắc hơn sự hiểu biết của học sinh. Giáo viên có thể yêu cầu học sinh trình bày chi tiết hơn, tiến hành khảo sát bổ sung hoặc giải quyết các vấn đề phức tạp hơn. Việc áp dụng kiến thức đòi hỏi tư duy logic và sử dụng công cụ, tương tự như khi cần [tải c++] để lập trình một giải pháp kỹ thuật. Giai đoạn này cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giúp học sinh củng cố kiến thức trước khi chuyển sang bước Đánh giá.

Đánh giá (Evaluation)

Mô hình 5E cho phép kết hợp cả đánh giá chính thức (qua bài kiểm tra) và phi chính thức (qua quan sát, câu hỏi nhanh). Giáo viên quan sát sự tương tác và tiến bộ của học sinh trong các hoạt động nhóm hoặc cá nhân. Học sinh có thể tiếp cận vấn đề theo những cách khác nhau dựa trên những gì đã học. Các hình thức đánh giá hữu ích khác bao gồm tự đánh giá, bài tập viết, bài tập trắc nghiệm hoặc đánh giá sản phẩm. Giáo viên sử dụng các kỹ thuật đánh giá đa dạng để nhận biết quá trình nhận thức, năng lực của từng học sinh, từ đó đưa ra điều chỉnh và hỗ trợ kịp thời, giúp các em đạt được mục tiêu học tập.

Sơ đồ mô tả 5 giai đoạn trong mô hình dạy học 5E

Hiệu quả vượt trội của Mô hình 5E

Tại Mỹ, mô hình 5E rất phổ biến trong cả chương trình dạy học chính khóa và ngoại khóa (Informal Learning, như After School Program, Summer Camps, Science Club…). Đối với giáo dục STEM, 5E là một công cụ hữu hiệu giúp cả người học và người dạy cảm thấy quá trình tiếp thu bài học có hệ thống, liền mạch và khuyến khích sự phát triển theo tâm lý tự khám phá, kiến tạo kiến thức.

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra hiệu quả tích cực của phương pháp 5E. Học sinh dễ ghi nhớ kiến thức hơn khi được học theo mô hình này. Đối với giáo viên, 5E giúp việc chuẩn bị bài giảng đơn giản, có hệ thống và tạo ra nhiều hoạt động trải nghiệm đa dạng. Quy trình này giảm thời lượng giảng lý thuyết đơn thuần, thay vào đó tập trung vào thực hành và khám phá, thúc đẩy triết lý lấy học sinh làm trung tâm (student-centered). Vai trò của giáo viên là tạo ra môi trường học tập trải nghiệm, dẫn dắt học sinh từng bước khám phá kiến thức mới dựa trên những gì đã biết.

Mô hình giáo dục STEM và các giai đoạn của 5E

Nghiên cứu cũng cho thấy mô hình 5E tạo ra “sự hiểu biết khoa học tốt hơn đáng kể so với cách hướng dẫn truyền thống” và giúp tăng kết quả học tập, duy trì tính kết nối giữa các bài học. Hiệp hội các giáo viên dạy khoa học tại Mỹ (NSTA) khuyến khích áp dụng 5E trong các bài học và chương trình phổ thông. Một ưu điểm nữa là 5E giúp học sinh dễ dàng liên hệ bài học mới với kiến thức đã học trước đó thông qua các bước Gắn kết và Mở rộng (trong các mô hình nâng cao). Điều này đặc biệt hữu ích trong các khóa học STEM ngoại khóa thường dạy theo chủ đề riêng lẻ, ít liên tục. Bằng cách đặt câu hỏi gợi mở, giáo viên có thể giúp học sinh nhìn thấy mối liên hệ giữa các chủ đề tưởng chừng không liên quan, tạo nên một chương trình dạy học có tính hệ thống và liền mạch. Mô hình này giúp học sinh hình dung rõ hơn, tạo ra [hình nền máy tính] kiến thức toàn diện trong tâm trí.

Viện nghiên cứu sức khỏe quốc gia Hoa Kỳ (NIH) cũng đánh giá cao tiềm năng và hiệu quả đã được chứng minh của mô hình 5E trong dạy học cho học sinh phổ thông. Trong giáo dục STEM tích hợp, sự liên kết giữa các hoạt động là rất cần thiết để đạt mục tiêu giáo dục hiệu quả. Do đó, 5E mang lại cho giáo viên cái nhìn hệ thống, toàn diện khi triển khai nội dung đa dạng. Nó giúp giáo viên tìm được trọng tâm bài học và dẫn dắt học sinh theo các bước một cách có hệ thống. Mô hình này hỗ trợ phát triển các kỹ năng tư duy bậc cao như giải quyết vấn đề, ra quyết định và tư duy phản biện, đồng thời giúp người học xây dựng kiến thức thông qua thực hành khoa học, giống như quá trình nghiên cứu thực tế. Việc áp dụng 5E cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai các bộ tiêu chuẩn giáo dục mới, giúp người học có thời gian suy ngẫm và kết nối kiến thức, từ đó phát triển kỹ năng tư duy liên thông.

Những lưu ý quan trọng khi áp dụng Mô hình 5E

Mặc dù mang lại nhiều hiệu quả tích cực, việc áp dụng và triển khai mô hình 5E cũng đòi hỏi sự cân nhắc và những lưu ý cụ thể. Theo Tiến sĩ Robert Bybee, cha đẻ của mô hình, để sử dụng tối ưu hiệu quả 5E, các chủ đề bài học (hoặc một chu trình 5E) nên được thiết kế trong một đơn vị từ 2-3 tuần, trong đó mỗi giai đoạn có thể là một hoặc vài buổi học. Một chu trình 5E trong khoảng thời gian này tạo điều kiện cho học sinh có đủ thời gian thực hiện các bước như khám phá, áp dụng chi tiết và mở rộng (trong các mô hình nâng cao). Ngược lại, nếu áp dụng 5E chỉ cho một bài học đơn lẻ (trong một buổi học) sẽ hạn chế hoạt động khám phá và gây áp lực cho giáo viên. Tương tự, nếu áp dụng cho cả một chương trình học dài (ví dụ 15 tuần) có thể làm giảm hứng thú và sự tập trung của học sinh ở các bước.

Các nhà giáo dục cũng khuyên rằng không nên bỏ qua bất kỳ giai đoạn nào hoặc thay đổi trật tự của chu trình 5E. Nghiên cứu cho thấy việc bỏ qua hoặc xáo trộn thứ tự các giai đoạn đều ảnh hưởng tiêu cực đến nhận thức và năng lực của người học. Một xu hướng sai lầm thường gặp là giáo viên bỏ qua bước Gắn kết và đi thẳng vào bước Giải thích, khiến bài học trở nên rời rạc, thiếu liên hệ với kiến thức nền tảng của học sinh.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu khuyến cáo giáo viên cần linh hoạt trong bước Đánh giá, kết hợp cả đánh giá quá trình (formative assessment) và đánh giá tổng kết (summative assessment). Đánh giá không nhất thiết chỉ thực hiện ở cuối chu trình mà có thể song song với các bước khác, cung cấp phản hồi kịp thời giúp học sinh sửa sai và hoàn thiện.

Mô hình 5E được cho là hiệu quả nhất khi học sinh tiếp cận các khái niệm mới lần đầu tiên, tạo cơ hội cho một chu kỳ học tập trọn vẹn. Việc sử dụng 5E làm cơ sở cho một bài học đơn lẻ có thể làm giảm hiệu quả từng giai đoạn do rút ngắn thời gian và cơ hội thử thách quá trình học. Ngược lại, nếu dành quá nhiều thời gian cho mỗi giai đoạn, mô hình cũng sẽ kém hiệu quả và học sinh có thể quên những gì đã học trước đó.

Báo cáo của NIH chỉ ra rằng, bên cạnh những giáo viên áp dụng 5E một cách chuẩn xác, vẫn có những giáo viên triển khai không nhất quán với mô hình gốc. Sự áp dụng không nhất quán này có thể dẫn đến hiểu nhầm cho người học và hạn chế sự phát triển tư duy, kỹ năng cần thiết. Do đó, khi áp dụng 5E, giáo viên cần xây dựng hoạt động chi tiết, bám sát mục tiêu và tiêu chí của từng giai đoạn trong chu trình. Dưới đây là sự khác biệt chính giữa hoạt động của giáo viên khi áp dụng 5E nhất quán và không nhất quán, dựa trên phân tích từ các nghiên cứu:

• Gắn kết (Engagement): Giáo viên nhất quán tạo hứng thú, kích thích tò mò, đặt câu hỏi mở, làm rõ kiến thức nền của học sinh. Giáo viên không nhất quán lại giải thích khái niệm, cung cấp định nghĩa/câu trả lời, kết luận sớm hoặc giảng bài.
• Khảo sát (Exploration): Giáo viên nhất quán khuyến khích học sinh làm việc nhóm, quan sát, lắng nghe, đặt câu hỏi định hướng khi cần, dành thời gian giải quyết vấn đề, đóng vai trò tư vấn. Giáo viên không nhất quán lại cung cấp câu trả lời, giải thích cách làm, đưa ra kết luận, trực tiếp nói học sinh sai, cung cấp thông tin giải quyết vấn đề, hướng dẫn từng bước tìm lời giải.
• Giải thích (Explanation): Giáo viên nhất quán khuyến khích học sinh giải thích theo cách hiểu riêng, đưa ra lời giải thích/chứng minh, chính thức làm rõ định nghĩa/khái niệm khi cần, sử dụng kinh nghiệm học sinh làm cơ sở, đánh giá sự hiểu biết. Giáo viên không nhất quán lại chấp nhận giải thích không cần chứng minh, cố gắng phủ nhận để bắt học sinh chấp nhận, giới thiệu khái niệm không liên quan.
• Áp dụng (Elaboration): Giáo viên nhất quán mong đợi học sinh sử dụng khái niệm đã học, khuyến khích áp dụng/mở rộng trong tình huống mới, nhắc nhở tìm cách giải thích, đề cập dữ liệu/bằng chứng đã có và đặt câu hỏi gợi mở. Giáo viên không nhất quán lại cung cấp câu trả lời dứt khoát, nói thẳng học sinh sai, tiếp tục giảng bài, dạy từng bước tìm lời giải ngay, giải thích cách làm.
• Đánh giá (Evaluation): Giáo viên nhất quán quan sát học sinh áp dụng khái niệm, đánh giá kiến thức/kỹ năng, tìm kiếm bằng chứng thay đổi suy nghĩ/hành vi, cho phép học sinh tự đánh giá, đặt câu hỏi mở. Giáo viên không nhất quán lại kiểm tra từ vựng/sự kiện rời rạc, giới thiệu ý tưởng mới, tạo sự mơ hồ, đặt câu hỏi đóng, thúc đẩy thảo luận không liên quan.

So sánh sự khác biệt giữa dạy học truyền thống và áp dụng mô hình 5E nhất quán

Nhìn chung, mô hình 5E là một cách tiếp cận dạy học có hệ thống, dựa trên lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, giúp phát huy vai trò trung tâm của người học. Giáo viên đóng vai trò hướng dẫn, gợi mở và tạo cơ hội để học sinh tiếp cận khái niệm mới ở nhiều góc độ. Các bước được tiến hành tuần tự, có kế thừa. Với giáo dục STEM tích hợp, các hoạt động trải nghiệm là cơ hội để học sinh đào sâu và áp dụng kiến thức, đồng thời liên hệ với kinh nghiệm đã có. Tính hệ thống và liên tục của 5E giúp phát triển đồng thời kiến thức, kỹ năng và thái độ của người học. Với những ưu điểm và hiệu quả đã được chứng minh, mô hình này đang được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực giáo dục và quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên, việc áp dụng cần thận trọng và bám sát các tiêu chuẩn, tiêu chí của từng bước để đạt hiệu quả tốt nhất.

Tài liệu tham khảo:

[1] Trong ngữ cảnh của phương pháp giáo dục này, “elatoration” được hiểu theo nghĩa áp dụng vào hoàn cảnh cụ thể để làm rõ và chi tiết hóa các khái niệm.
[2] Bybee, R. W., Taylor, J. A., Gardner, A., Van Scotter, P., Powell, J. C., Westbrook, A., & Landes, N. (2006). The BSCS 5E instructional model: Origins and effectiveness. Colorado Springs, Co: BSCS, 5, 88-98.
[3] Atkin, J. M., & Karplus, R. (1962). Discovery or invention?. The Science Teacher, 29(5), 45-51.
[4] Tezer, M., & Cumhur, M. (2017). Mathematics through the 5E Instructional Model and Mathematical Modelling: The Geometrical Objects. Eurasia Journal of Mathematics, Science and Technology Education, 13(8).
[5] Ah-Nam, L., & Osman, K. (2017). Developing 21st Century Skills through a Constructivist-Constructionist Learning Environment. K-12 STEM Education, 3(2), 205-216.
[6] Artun, H., & Coştu, B. (2013). Effect of the 5E model on prospective teachers’ conceptual understanding of diffusion and osmosis: A mixed method approach. Journal of Science Education and Technology, 22(1), 1-10.
[7] Tural, G., Akdeniz, A. R., & Alev, N. (2010). Effect of 5E teaching model on student teachers’ understanding of weightlessness. Journal of Science Education and Technology, 19(5), 470-488.
[8] Wilder, M., & Shuttleworth, P. (2005). Cell inquiry: A 5E learning cycle lesson. Science Activities: Classroom Projects and Curriculum Ideas, 41(4), 37-43.
[9] Musheno, B. V., & Lawson, A. E. (1999). Effects of learning cycle and traditional text on comprehension of science concepts by students at differing reasoning levels. Journal of research in science teaching, 36(1), 23-37.
[10] Fazelian, P., & Soraghi, S. (2010). The effect of 5E instructional design model on learning and retention of sciences for middle class students. Procedia-Social and Behavioral Sciences, 5, 140-143.
[11] Bybee, R. W., Taylor, J. A., Gardner, A., Van Scotter, P., Powell, J. C., Westbrook, A., & Landes, N. (2006). The BSCS 5E instructional model: Origins and effectiveness. Colorado Springs, Co: BSCS, 5, 88-98.
[12] Eisenkraft, A. (2003). Expanding the 5E model. The Science Teacher, 70(6), 56.
[13] Lottero-Perdue, P., Bolotin, S., Benyameen, R., Brock, E., & Metzger, E. (2015). THE EDP-5E. Science and Children, 53(1), 60.
[14] Bybee, R. W. (2014). The BSCS 5E instructional model: Personal reflections and contemporary implications. Science and Children, 51(8), 10-13
[15] https://www.knowatom.com/blog/what-is-the-5e-instructional-model
[16] Bybee, R. W. (2014). The BSCS 5E instructional model: Personal reflections and contemporary implications. Science and Children, 51(8), 10-13.
[17] Taylor, J. A., Van Scotter, P., & Coulson, D. (2007). Bridging Research on Learning and Student Achievement: The Role of Instructional Materials. Science Educator, 16(2), 44-50.
[18] Wilson, C. D., Taylor, J. A., Kowalski, S. M., & Carlson, J. (2010). The relative effects and equity of inquiry‐based and commonplace science teaching on students’ knowledge, reasoning, and argumentation. Journal of research in science teaching, 47(3), 276-301.
[19] Bybee, R. W. (2009). The BSCS 5E instructional model and 21st century skills. Colorado Springs, CO: BSCS.
[20] Bybee, R. W., Taylor, J. A., Gardner, A., Van Scotter, P., Powell, J. C., Westbrook, A., & Landes, N. (2006). The BSCS 5E instructional model: Origins and effectiveness. Colorado Springs, Co: BSCS, 5, 88-98.