5E教学模型内涵及混合式创新设计

高校教学创新100人 2023-12-16

The following article is from 逍遥思维 Author 苏永康

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导读

5E教学模型（BSCS 5E Model）是由美国生物学课程研究会（Biological Sciences Curriculum Study，简称BSCS）Roger Bybee教授及其团队最初为科学（课程）设计的，是美国科学课堂的主流教学模型。5E本身是个灵活的模型，可以跨学科使用。

五个“E”具体为：参与（Engagement）探究（Exploration）解释（Explanation）迁移（Elaboration）评价（Evaluation）。

作者丨苏永康上海交通大学“好大学在线”运行主管

来源丨逍遥思维

5E教学模型的基本内涵

5E教学模型包含5个阶段，如下图所示。大家可以比较下图中的左右二个模型图，有些人经常使用左图，但实际上我更倾向于右图，评价（评估）应该包括形成性评估，贯穿于整个模型。

每个阶段的内涵如下图所示：

5E教学模型的历史渊源

德国哲学家赫尔巴特（Johann Friedrich Herbart）的教育理念对十九世纪末至二十世纪初的美国教育界有重要影响。赫尔巴特认为教学的基石为：兴趣、概念理解。赫尔巴特教学模型的首要原则是有效的教学要能吸引学生对内容的兴趣，教学应该包括学生之间以及学生与教师之间的社交互动。赫尔巴特模型的第二个原则在于将感官知觉与归纳、原理或概念形成联系起来，每个新概念都必须与学生当前掌握的概念相关。学生的先验知识和已掌握概念应该被视为教学的一部分。

杜威在“How We Think”（1910）一书中针对完整思维过程提出思维五步法，在“Democracy and Education”（1916）一书中进一步描述了经验与思维的关系，他提倡“做中学”，同时指出仅仅动手活动还不够，有效的教学模型必须为学生提供机会来形成及检验假设，从而参与反思性思维过程。在随后的著作“Experiences and Education”（1938）中，杜威证明了经验是多个学习维度的基础。他认为好的教育体验包括二个特征：连续性，互动性。连续性原则就是教学过程的每个环节都必须考虑（学生的）未来。互动性原则就是教学材料必须满足学生的能力水平和需求，从而能实现学生之间的互动交流。实际上，教学应该以学生的已有经验为基础。

结合前述提到的杜威三部著作，我们可以总结一个杜威教学模型。

上个世纪六十年代早期，J. Myron Atkin和Robert Karplus提出一种结构化教学流程--学习循环。学习循环分三个阶段：探索、创造、发现。这个模型是科学课程改进研究项目（Science Curriculum Improvement Study，SCIS）的核心成果，该项目负责人为Robert Karplus 和 Herbert Thier。学习循环的三个阶段类似于皮亚杰提出的同化、顺应、平衡的过程。

上个世纪八十年代中期，BSCS在IBM的资助下开展一项“小学新科学与健康课程规范”的设计研究，5E教学模型就是这个研究的创新成果之一。Rodger Bybee及其团队直接借鉴了SCIS学习循环，基于其三个阶段并增加了二个阶段从而得到5E教学模型。

5E教学模型的时代意义

时代高速发展，我们面对的是高度不确定的未来。ChatGPT横空出世，让我们看到了技术对学习的重新定义，教师需要从知识灌输中走出来，更加注重培养学生的核心素养，如培养学生如何思考、如何推理、如何叙事等。

教育数字化转型背景下，混合式学习成为常态，每门课程需要有其“终身点”，帮助学生能应对不确定的未来。

通过使用5E教学模型，教师将有可能“教”得更好。教师构建学习共同体，学生积极投入参与、探索、迁移等阶段的学习活动，进入深度学习，有助于培养适应能力、有效沟通、团队合作、复杂问题解决、系统思考、创新思维等二十一世纪技能。

5E教学模型背后的理论支撑

5E教学模型已经被证明是一个有效的教学模型，能提升教学效果。这个模型的背后有一系列理论支撑。

1. 建构主义学习理论。人们从经验中建构知识和意义。通过理解和反思活动，学生将新知识与以前的概念联系起来。

2. 概念转变模型。一个人原有的概念发生转变需四个条件：1）对已有概念的不满；2）新概念的可理解性；3）新概念的合理性；4）新概念的有效性。概念转变（动态）模型如下图所示。

3. 参与阶段。情境可以激发外在动机，认知冲突可以激发内在动机。先验知识很重要，但先验知识是否能激活很关键。从长期记忆中激活先验知识并进入工作记忆，可以促进新材料的整合，新的学习才可能发生。教师在参与阶段必须为学生提供明确的机会来激活先验知识并引导正确的方向。

4. 探索阶段。学生深度参与探究活动。记忆是思考的结果，编码过程中更深层次的处理会产生更持久、更深刻的记忆痕迹。通过构建学习共同体，学生之间的合作和辩论能促进认知发展。根据认知负荷理论，针对探究式学习活动教师需基于最近发展区搭建教学支架（结构化任务、排序、问题、提示等），尤其是对复杂问题进行分解以避免认知过载。探究阶段给了学生足够的时间和机会来处理相关信息。

5. 解释阶段。学生学习到一定程度之后，及时地总结和解释将强化知识建构。教师的精讲也能促进学生的高效学习。在这个阶段，教师可考虑采取主动学习策略，如同伴教学、Jigsaw拼图法、TPS等。

6. 迁移阶段。学生接触多种情境可以促进更深入的理解，需注意学习情境和迁移情境的相似性、学习方式等。教师需注意课程目标底线是能迁移的思维能力。

7. 评价阶段。评价阶段也是学习阶段。事实上，应该在所有阶段都整合评估，而不仅仅是在最后才进行评估。评估包括形成性评估和总结性评估。从认知的角度来看，评价不仅对评估学习和对学生的知识获取提供反馈有用，从长期记忆中提取信息（提取练习）是强化学习的最有效方法之一，甚至比重新学习更有效。很多时候，评估即学习。

5E教学模型混合式创新设计

混合式的5E模型可能才是未来。探究是5E模型很重要的一个阶段，教师应引导形成学习共同体（探究社区），充分利用同步/异步、线上/线下的混合式学习。当然探究社区对教师的要求比较高，基于Garrison的COI模型，需考虑社交存在、认知存在、教师存在等。五个阶段都可以设计一些混合式的学习活动，参与阶段很重要的一点是使学生之间能够开始互动，激发动机，为探究奠定基础。

下图提供了一个混合式5E模型的简单案例，供参考。

随想及后记

高等教育变革不一定需要剧变来推动和实现，变化可从细微处着手，教学改革从我做起。正如我以前指出的，教师要从传统的生硬灌输中走出来，使用“教学停顿”就能对学生学习产生明显影响。关键在于，这一步是否要迈出？
5E教学模型包含五个按特定顺序排列的学习阶段，奠定 5E 模型基础的认知理论不仅存在于各单独阶段中，而且还存在于它们的排序方式中，这种排序方式能最大化地优化学习，一般不建议随意改变。当然，五个阶段不是线性叠加依次发生的，不同阶段之间的活动可能有交叉融合。如探索阶段可能包含一些迁移，评估存在于所有阶段。
完整的5E教学模型是最有效的，教师应尽量提前设计让学生尽早参与，有机会完成一个完整的学习周期。根据 Rodger W. Bybee 的建议，5E 模型最好以2-3周为一个周期来使用。如果单次课使用5E教学模型会降低各个阶段的有效性，因为时间太短，导致挑战和重组概念机会较少，不利于深度学习发生及能力提升。当然，如果每个阶段都花费太多时间，5E结构也不会那么有效，学生可能会忘记他们学到的东西。
教师如果计划首次使用5E教学模型，需首先回顾下以前的各种教学活动，哪些可以归类到5E的哪个阶段？有没有考虑活动的顺序？有没有考虑结构化的流程？我们的目标并不一定是让每一堂课都严格遵循5E模型，但至少可以利用5E模型来评估课程。教师基于5E模型来重构教学流程，优化已有活动，调整活动顺序来促进学习。如果教师精力有限，不愿意大幅度重构课程，可以考虑设计至少包含5E模型的二个阶段，采用一些主动学习策略，如教学停顿、TPS等。
有的老师经常抱怨学生不主动、不回答问题、不参与互动。实际上从5E模型的角度来看，在学生“解释”之前，有没有提供足够的时间和机会给学生“探索”？讲授的时机是否合适，讲授、问题、讨论等是否相互融合？“学习三明治”（讲授、主动学习、总结汇报）可能是一种比较有效的极简模型。
学生上课好像听懂了，但一做作业就糊涂。遇到考试也往往分数较低。这类情况一般都是“迁移”环节没做好，教师需准备相应的结构化活动来引导迁移，如简单的问题、复杂的问题等。
形成性评估很重要。每节课都要收集一些相关证据。要注意并非所有的活动或任务都需要评分。
传统的5E教学模型稍偏向于从教师教学的角度来阐述。在当今大部分人支持“以学生为中心”并注重新时代核心素养培养的时候，我们可以考虑转变视角并加以适当调整。如参与阶段，由“我告诉他们或给他们看”转变为“学生反思他们已经知道什么、对还不理解的事情提出问题并激发动机”。探索阶段，由“我演示或他们看模型”转变为“学生自己解开问题、开发模型及收集数据”。解释阶段，由“简单的问题或活动（如做了什么？）”转变为“深入挖掘已经得到的解决方案并使用证据来支撑”。迁移阶段，由“介绍新想法”转变为“深入探索概念与自我、概念与概念、概念与世界的联系”等。评价阶段，由“简单口头测试或给一个分数”转变为“批判性反思整个探究过程、假设和相关现象”。

参考文献
1. John Dewey (1910). How We Think. D. C. Heath&Co. Publishers. Boston, New York, Chicago. pp.68-78.
2. Rodger W. Bybee, Joseph A. Taylor (2006). The BSCS 5E Instructional Model: Origins and Effectiveness. A Report Prepared for the Office of Science Education, National Institutes of Health (NIH). Copyright@BSCS.
3. Hector Ruiz-Martin, Rodger W. Bybee (2022). The Cognitive Principles of Learning Underlying the 5E Model of Instruction. International Journal of STEM Education. 2022(9:21).
4. Rodger W. Bybee (2015). The BSCS 5E Instructional Model: Creating Teachable Moments. Published by National Science Teachers Association. Arlington, VA.
5. Atkin, J. M., and R. Karplus (1962). Discovery of invention? The Science T eacher 29 (5): 45.
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7. National Research Council (1999). How People Learn: Brain, Mind, Experience, and School. ed. J. D. Bransford, A. L. Brown, and R. R. Cocking. Washington. DC: National Academies Press.
8. Nadelson, L.S., Heddy, B.C, etc. (2018). Conceptual Change in Science Teaching and Learning: Introducing the Dynamic Model of Conceptual Change. International Journal of Educational Psychology, 7(2), 151-195.