Dạy học dựa trên mô hình trong giáo dục khoa học: Lý thuyết và thực hành

• Tác giả: John K. Gilbert
• Chuyên ngành: Giáo dục khoa học
• Đề tài: Dạy học dựa trên mô hình trong giáo dục khoa học
• Loại tài liệu: Sách
• Năm xuất bản: 2016

Tóm tắt

I. Tổng quan về dạy học dựa trên mô hình trong giáo dục khoa học

Dạy học dựa trên mô hình (modelling-based teaching) là phương pháp giáo dục khoa học lấy quá trình xây dựng và sử dụng mô hình làm trung tâm hoạt động dạy học. Theo Gilbert và Justi (2016), mô hình được hiểu là công cụ nhận thức (epistemic artefact) phục vụ nhiều thực hành khoa học như đơn giản hóa, giải thích, trừu tượng hóa, lập luận và dự đoán. Phương pháp này giúp học sinh không chỉ tiếp thu kiến thức khoa học sẵn có mà còn hiểu cách kiến thức đó được tạo ra và phát triển. Quá trình mô hình hóa được xem là chu trình phức tạp, phi tuyến tính, trong đó người học liên tục tạo ra, kiểm tra, đánh giá và sửa đổi mô hình. Tiếp cận này phù hợp với mục tiêu giáo dục khoa học hiện đại, nơi trọng tâm chuyển từ truyền thụ kiến thức thụ động sang phát triển năng lực khoa học chủ động. Giáo dục dựa trên mô hình hỗ trợ phát triển tư duy phản biện, kỹ năng lập luận và khả năng giải quyết vấn đề cho người học ở mọi cấp độ giáo dục, từ bậc tiểu học cho đến đại học.

1.1. Khái niệm mô hình và mô hình hóa trong khoa học

Mô hình trong giáo dục khoa học là biểu diễn của một thực thể (vật thể, sự kiện, quá trình hoặc ý tưởng) được tạo ra cho mục đích cụ thể. Theo quan niệm hiện tại của Gilbert và Justi, mô hình là công cụ nhận thức có vai trò đa dạng trong thực hành khoa học. Mô hình hóa là quá trình xây dựng kiến thức mang tính chu kỳ và phi tuyến tính. Người học cùng nhà khoa học đều sử dụng mô hình để đơn giản hóa hiện tượng phức tạp, rút ra các khái niệm trừu tượng và đưa ra dự đoán. Quá trình này bao gồm nhiều giai đoạn: xác định đối tượng, xây dựng biểu diễn, kiểm tra tính phù hợp và điều chỉnh mô hình liên tục.

1.2. Vai trò của modelling trong giáo dục khoa học hiện đại

Modelling đóng vai trò then chốt trong việc đạt được mục tiêu giáo dục khoa học hiện đại. Derek Hodson (2009) xác định rằng các chủ đề, khái niệm và kỹ năng cốt lõi cần được tích hợp trong chương trình giảng dạy nhằm phát triển năng lực khoa học. Phương pháp dạy học dựa trên mô hình cung cấp con đường tái xây dựng các mô hình khoa học đã được thiết lập. Mỗi mô hình trong số các mô hình được công nhận cung cấp cách tiếp cận toàn diện, giúp giảm tải nội dung chương trình đồng thời tăng cường hiểu biết sâu sắc. Học sinh phát triển năng lực tư duy khoa học thông qua quá trình chủ động tham gia xây dựng và đánh giá mô hình.

II. Phân tích thách thức trong dạy học dựa trên mô hình

Việc triển khai dạy học dựa trên mô hình trong thực tế đối mặt nhiều thách thức đáng kể. Nhiều giáo viên chưa được đào tạo đầy đủ về lý thuyết mô hình hóa và cách thức tổ chức hoạt động mô hình hóa trong lớp học. Chương trình giảng dạy truyền thống thường nhấn mạnh việc ghi nhớ kiến thức sẵn có hơn là quá trình xây dựng kiến thức. Điều này tạo ra mâu thuẫn giữa mục tiêu giáo dục khoa học hiện đại và cách thức tổ chức dạy học truyền thống. Việc đánh giá kết quả học tập dựa trên mô hình đòi hỏi công cụ và tiêu chí đánh giá mới, khác biệt so với cách đánh giá truyền thống. Học sinh thường gặp khó khăn trong việc hiểu bản chất của mô hình, nhầm lẫn mô hình với thực tại và không nhận thức được tính tạm thời của mô hình khoa học. Những trở ngại này cần được giải quyết đồng bộ để phương pháp dạy học dựa trên mô hình phát huy hiệu quả trong thực tiễn giáo dục.

2.1. Khó khăn trong hiểu biết bản chất mô hình của học sinh

Học sinh thường xuyên đối mặt với nhiều khó khăn liên quan đến bản chất mô hình. Nhiều em nhầm lẫn mô hình với đối tượng thực tế, không hiểu rằng mô hình chỉ là biểu diễn mang tính gần đúng. Một số học sinh xem mô hình khoa học là chân lý tuyệt đối, không nhận thức được tính có thể sửa đổi và thay thế. Sự thiếu hiểu biết này cản trở quá trình học tập khoa học hiệu quả. Học sinh cũng thường không phân biệt được giữa các loại mô hình khác nhau: mô hình vật lý, mô hình biểu tượng và mô hình tư duy. Điều này đòi hỏi giáo viên phải hướng dẫn học sinh hiểu rõ bản chất và giới hạn của mô hình.

2.2. Rào cản từ chương trình giảng dạy và đánh giá truyền thống

Chương trình giảng dạy khoa học truyền thống thường được thiết kế theo hướng truyền thụ kiến thức, tập trung vào kết quả thay vì quá trình học tập. Điều này tạo ra rào cản lớn cho việc tích hợp phương pháp dạy học dựa trên mô hình vào thực tế. Hệ thống đánh giá hiện hành chủ yếu kiểm tra khả năng ghi nhớ và áp dụng công thức, không đo lường được năng lực mô hình hóa của học sinh. Giáo viên đối mặt áp lực hoàn thành chương trình theo tiến độ, khiến việc tổ chức các hoạt động mô hình hóa tốn thời gian bị hạn chế. Cần có sự thay đổi đồng bộ từ thiết kế chương trình đến cách thức đánh giá.

III. Giải pháp và phương pháp dạy học dựa trên mô hình hiệu quả

Để triển khai hiệu quả dạy học dựa trên mô hình, nhiều giải pháp và phương pháp đã được nghiên cứu và đề xuất. Mô hình hóa (Model of Modelling) do Gilbert và Justi phát triển cung cấp framework toàn diện cho quá trình dạy học. Chu trình mô hình hóa bao gồm các giai đoạn: xác định đối tượng cần mô hình hóa, xây dựng mô hình ban đầu, kiểm tra mô hình thông qua thực nghiệm hoặc lập luận, đánh giá tính phù hợp và sửa đổi mô hình. Phương pháp này yêu cầu giáo viên đóng vai trò người hướng dẫn và tạo điều kiện cho học sinh chủ động tham gia vào quá trình xây dựng kiến thức. Các chiến lược cụ thể bao gồm sử dụng tình huống thực tế, tổ chức thảo luận nhóm, áp dụng công nghệ mô phỏng và thiết kế thí nghiệm. Việc tích hợp đa dạng loại mô hình vật lý, biểu tượng và toán học giúp học sinh phát triển hiểu biết toàn diện về hiện tượng khoa học tự nhiên.

3.1. Chu trình mô hình hóa và các bước thực hiện trong lớp học

Chu trình mô hình hóa theo mô hình của Gilbert và Justi bao gồm nhiều bước liên kết chặt chẽ. Bước đầu tiên là xác định đối tượng cần mô hình hóa và mục đích của việc mô hình hóa. Tiếp theo, học sinh xây dựng mô hình ban đầu dựa trên kiến thức và kinh nghiệm sẵn có. Mô hình sau đó được kiểm tra thông qua thực nghiệm, quan sát hoặc lập luận logic. Dựa trên kết quả kiểm tra, học sinh đánh giá tính phù hợp và tiến hành sửa đổi mô hình. Chu trình này lặp lại nhiều lần cho đến khi mô hình đạt được sự phù hợp mong muốn. Quá trình lặp lại giúp học sinh hiểu rằng kiến thức khoa học luôn có thể được cải thiện và hoàn thiện.

3.2. Chiến lược áp dụng mô hình đa dạng trong giảng dạy khoa học

Việc áp dụng mô hình đa dạng trong lớp học đòi hỏi nhiều chiến lược sáng tạo từ phía giáo viên. Sử dụng mô hình vật lý ba chiều, mô hình biểu tượng qua sơ đồ hình vẽ và mô hình toán học để minh họa cùng một hiện tượng giúp học sinh tiếp cận đa chiều. Công nghệ mô phỏng máy tính hỗ trợ hiệu quả trong việc trình bày các quá trình không quan sát trực tiếp được. Tổ chức thảo luận nhóm giúp học sinh so sánh và đánh giá các mô hình khác nhau. Tình huống thực tế từ đời sống hàng ngày tạo bối cảnh có ý nghĩa cho hoạt động mô hình hóa. Thiết kế thí nghiệm cho phép học sinh kiểm chứng dự đoán từ mô hình, phát triển kỹ năng tư duy khoa học.

IV. Kết luận và ứng dụng của dạy học dựa trên mô hình khoa học

Dạy học dựa trên mô hình thể hiện tiềm năng to lớn trong việc cải thiện chất lượng giáo dục khoa học từ cấp tiểu học đến đại học. Phương pháp này không chỉ giúp học sinh nắm vững kiến thức khoa học mà còn phát triển các năng lực thiết yếu như tư duy phản biện, kỹ năng giải quyết vấn đề và khả năng hợp tác nhóm. Ứng dụng của mô hình hóa trải rộng trên nhiều lĩnh vực: từ vật lý, hóa học, sinh học đến khoa học trái đất và môi trường. Giáo dục dựa trên mô hình đóng góp trực tiếp vào mục tiêu phát triển năng lực khoa học cho công dân, giúp người học hiểu và tham gia vào các vấn đề khoa học công nghệ trong xã hội hiện đại. Hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp công nghệ mới, xây dựng chương trình đào tạo giáo viên chuyên sâu và phát triển công cụ đánh giá năng lực mô hình hóa phù hợp với từng cấp học cụ thể.

4.1. Ứng dụng dạy học dựa trên mô hình từ tiểu học đến đại học

Dạy học dựa trên mô hình có thể áp dụng linh hoạt từ cấp tiểu học đến đại học, với mức độ phức tạp tăng dần phù hợp từng cấp học. Ở cấp tiểu học, học sinh tiếp cận mô hình đơn giản thông qua hình vẽ và vật thể cụ thể. Cấp trung học cơ sở, học sinh xây dựng mô hình phức tạp hơn, sử dụng biểu tượng và sơ đồ. Cấp trung học phổ thông đòi hỏi mô hình toán học và công nghệ mô phỏng hiện đại. Ở bậc đại học, sinh viên tham gia vào quá trình mô hình hóa chuyên sâu, xây dựng và kiểm tra các mô hình khoa học tiên tiến. Sự tiến triển này đảm bảo phát triển năng lực mô hình hóa liên tục và có hệ thống cho người học.

4.2. Hướng phát triển tương lai của dạy học dựa trên mô hình

Tương lai của dạy học dựa trên mô hình gắn liền với sự phát triển công nghệ và đổi mới giáo dục. Công nghệ thực tế ảo, trí tuệ nhân tạo và phần mềm mô phỏng mở ra khả năng mới cho hoạt động mô hình hóa trong lớp học hiện đại. Chương trình đào tạo giáo viên cần tích hợp nội dung về lý thuyết mô hình hóa và phương pháp sư phạm liên quan. Nghiên cứu tiếp tục tập trung vào phát triển khung đánh giá năng lực mô hình hóa đáng tin cậy và phù hợp. Giáo dục dựa trên mô hình được kỳ vọng trở thành phương pháp chủ đạo trong giáo dục khoa học, đáp ứng yêu cầu đào tạo công dân có năng lực khoa học trong thế kỷ hai mươi mốt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Models and Modeling in Science Education John K. Gilbert Rosária Justi Modelling-based Teaching in Science Education Models and Modeling in Science Education Volume 9 Series Editor Professor Emeritus John K. Gilbert The University of Reading Editorial Board Professor Mei-Hung Chiu Graduate Institute of Science Education, National Taiwan Normal University, Taiwan Dr. Gail Chittleborough Faculty of Education, Deakin University, Australia Professor Barbara Crawford Department of Mathematics and Science Education, The University of Georgia, USA Assoc. Billie Eilam Department of Learning, Instruction, and Teacher Education, University of Haifa, Israel Professor David Treagust Science and Mathematics Education Centre, Curtin University, Western Australia Professor Jan Van Driel ICLON-Graduate School of Teaching, Leiden University, The Netherlands Dr. Rosária Justi Institute of Science, Federal University of Minas Gerais, Brazil Dr. Ji Shen Faculty of Science, University of Florida, USA More information about this series at: http://www.com/series/6931 John K. Gilbert • Rosária Justi Modelling-based Teaching in Science Education John K. Gilbert Rosária Justi The University of Reading Universidade Federal de Minas Gerais Berkshire, UK Belo Horizonte, Brazil ISSN 1871-2983 ISSN 2213-2260 (electronic) Models and Modeling in Science Education ISBN 978-3-319-29038-6 ISBN 978-3-319-29039-3 (eBook) DOI 10.1007/978-3-319-29039-3 Library of Congress Control Number: 2016939958 © Springer International Publishing Switzerland 2016 This work is subject to copyright. All rights are reserved by the Publisher, whether the whole or part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission or information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed. The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc. in this publication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use. The publisher, the authors and the editors are safe to assume that the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication. Neither the publisher nor the authors or the editors give a warranty, express or implied, with respect to the material contained herein or for any errors or omissions that may have been made. Printed on acid-free paper This Springer imprint is published by Springer Nature The registered company is Springer International Publishing AG Switzerland Foreword From my collegiate experiences with and reading Gilbert’s and Justi’s respective research publications, I cannot imagine any two science education colleagues who are more suited to and qualified for writing a book entitled Modelling-Based Teaching in Science Education. Gilbert and Justi have a vast experience over more than two decades, collectively and independently, working with secondary science teachers in schools to implement a range of new teaching approaches and alternative curricula designed to improve students’ learning outcomes. Their research with classroom teachers that includes the use of models, analogies, visualisation, and variations of assessment has been published in journals and in edited books. While all these research findings are accessible, it is a great advantage to science educators that ideas and findings from their research activities have been brought together within the extant literature under one cover. This text is well structured and maintains a clear focus on the nature of models, modelling, and modelling-based teaching, thereby illustrating consistently that models are not only the basis of much scientific practice but also can – and should – play similar roles in teaching and learning school science. In this text, Gilbert and Justi provide considerable evidence that modelling play a central role in teaching and learning science but they also, rightfully, recognise the limitations of such teaching and explain what teachers can do to address these limitations. This is a scholarly text and one that is eminently readable for university academ- ics and also teachers. References are sourced from a wide informing literature not only from science education but also the history and philosophy of science and psychology. In this way, the authors situate their work in the past and current litera- ture that is well synthesised such that there is a logical connectedness from the start to the end of each chapter and also from the start to the end of the book. I have conducted classroom research with doctoral students and fellow col- leagues on models, primarily used in chemistry teaching and analogies and meta- phors used in science teaching, and examined the importance of different representations and modes of representations that incorporate visualisation in teach- ing and learning science. Consequently, many of these chapters are of personal interest to me. Notwithstanding my personal interests, what Gilbert and Justi have v vi Foreword managed to do really well is to frame their own work in the extant literature; iden- tify key issues that ensure success, or otherwise, of a particular teaching approach with the aspects of modelling and modelling-based teaching; and provide sugges- tions and recommendations for effective teaching and learning. The last point espe- cially is why I believe that Modelling-Based Teaching in Science Education would also be a valuable resource for teachers interested in this style of enriched teaching with models. Furthermore, what additional research work is needed to enhance classroom practice of modelling-based teaching has also been presented. Curtin University David F. Treagust Bentley, WA, Australia Preface The word ‘model’ in English is used in a wide variety of ways (OUP, 2008). A number of allied meanings are only found in everyday life: • A garment made by a well-known designer. For example, a dress designed by Versace; • A person who wears clothes to display them. For example, Kate Moss; • A person who is a source of inspiration for a photographer or artist. For example, Joanna Hifferman and the painter Gustave Corbett; • A person worthy of imitation. This is person who has achieved long-lasting heroic stature in a society. For example, Sir Edmund Hilary in New Zealand; • An object worthy of imitation. This is an object that attracts emulators. For example, a vacuum cleaner designed by Sir James Dyson; • An object that is smaller than the original. For example, the model of the Great Pyramid in Cairo Museum; • A prototype of an object to be made in more durable material. For example, a clay model of a car made prior to its actual manufacture. Other meanings are found both in everyday life and in science: • A typical form or pattern. One example in each of the two contexts is: the basic layout of a passenger airliner; the array of glassware used in a chemical reaction; • One object in a series of allied objects. One example in each of the two contexts is: a Mark 5 Volkswagen Gulf car, following on from Mark 1, 2, 3, 4; the electron cloud model of the atom, following on from the Thompson, the Rutherford, and the Bohr, models. Yet other, overlapping, meanings have a particular status in science and technology: • Objects that represent the original in a different scale aiming at supporting expla- nations and predictions about it. For example, a model of the HIV virus; vii viii Preface • A scientific description of something that is complex. For example, the Watson- Crick-Franklin model of DNA. This wide range of meanings is very confusing to most people, particularly when they are learning or employing scientific ideas. In this book we are concerned with the wide range of scientific meanings contained in the latter two categories. The great breadth and diversity of role of a model in science are captured in a typical (yet tautological!) definition of it as being a representation of things that are of interest to science. The formation and testing of models does play particular roles in science because they are concerned with the production of various types of expla- nation of the nature of the world-as-experienced. Thus ambition is far too demand- ing unless natural, complex, phenomena are simplified in some way. So this is done through the production and use of models. The particular importance of models and modelling in science is recognised, extensively if not always clearly, in the literature of the history and philosophy of science (for instance, in Hodson, 2009; Matthews, 2014). Models can be placed into several types of category. Thus, although a model is always present in mental form in the mind of its inventor or subsequent user, it can take on one or more physical forms when placed in the public domain. These forms can be represented in a variety of media, for example, in the form of a gesture (e. of the relative position of objects), in a material form (e. a ball-and-stick represen- tation of a crystal structure), in a visual form (e. as a diagram of a metabolic path- way), in a verbal form (e. an analogy for the structure of an atom based on that of the solar system), in a symbolic form (e. as a chemical equation), and in a virtual form (e. as a computer simulation). The range of entities that can be represented is wide: objects (e. of a virus), systems (e. of a blood circulation system), pro- cesses (e. of the liberation of energy from foodstuffs), events (e. of the attack of a white blood cell on a virus), ideas (e. of a vector of a force), and arrays of data about any of these entities. For the purposes of this book, we define modelling as the dynamic process of producing, using, modifying, and abandoning the models in science. In the light of the wide range of meaning that the word ‘model’ has acquired, summarised above, it does seem that modelling is a core process in all human thinking and, as such, a vitally important focus for education. In general, education has three broad aims. First, it is concerned with the trans- mission of socially valued knowledge across the generations such that the knowl- edge acquired by earlier generations is not lost. Second, it seeks to pass on the thinking skills that have produced that knowledge. Third, it supports the production of new knowledge through the use of these skills. The thinking skills involved in the conduct of science in particular are manifested in the processes that lead to scientific knowledge. Models and modelling, therefore, must play important roles in science education if the latter is to be ‘authentic’, that is to reflect how science has been and should be conducted (Gilbert, 2004). The importance of models and modelling in the nature of thinking and in the his- tory and philosophy of science has long been a matter of contention (for instance, Preface ix by Giere, 1988). However, its saliency in discussions about science education has only gradually risen in the few decades or so. This process has several roots. The first was in the study of the meanings that students had for single words commonly used in science: the so-called misconceptions or alternative conceptions movement (Gilbert & Watts, 1983). This initially focused on the meanings held by students of individual words (for example, force, heat, light, energy). It gradually expanded to the study of how these meanings interacted, leading to understanding of complex phenomena by their integration into models, for example, of everyday movement, of the cooling of liquids, of the production of shades of colour, and of energy con- servation (Gilbert & Boulter, 2000). The second root was the gradually emerging emphasis in curricula of the study of the nature and processes of scientific enquiry (Abd-El-Khalick, 2012). This perhaps occurred to some extent because of the need to provide a basis for the unification between the separate sciences – mainly phys- ics, chemistry, biology, earth science – when these are amalgamated into ‘general’ or ‘integrated’ science courses in compulsory-age schooling. Models, being central to the history and philosophy of all the sciences, were seen as able to do this.