Научное образование — это преподавание и изучение естественных наук школьникам, студентам колледжей или взрослым среди широкой публики. Область научного образования включает работу в области научного содержания, научного процесса (научного метода ), некоторых социальных наук и некоторой педагогической педагогики . Стандарты научного образования предусматривают развитие понимания у учащихся на протяжении всего курса обучения K-12 и далее. Традиционными предметами, включенными в стандарты, являются физика , науки о жизни , земле , космосе и гуманитарные науки .
Первым человеком, которому приписывают работу учителем естественных наук в британской государственной школе, был Уильям Шарп , который оставил работу в школе регби в 1850 году после того, как естественные науки были включены в учебную программу. Говорят, что Шарп создал модель преподавания естественных наук в британской системе государственных школ . [1]
Британская академия развития науки (BAAS) опубликовала в 1867 году отчет [2] , призывающий к преподаванию «чистой науки» и развитию «научного образа мышления». Прогрессивное образовательное движение поддерживало идеологию умственного воспитания посредством науки. BAAS уделяет особое внимание отдельной предпрофессиональной подготовке в рамках среднего естественнонаучного образования. Таким образом можно было бы подготовить будущих членов BAAS.
Первоначальное развитие преподавания естественных наук замедлялось из-за нехватки квалифицированных учителей. Одним из ключевых событий стало основание в 1870 году первого Лондонского школьного совета , который обсуждал школьную программу; другим было начало курсов по снабжению страны подготовленными преподавателями естественных наук. В обоих случаях влияние Томаса Генри Хаксли . Джон Тиндалл также оказал влияние на преподавание физических наук. [3]
В Соединенных Штатах естественнонаучное образование представляло собой разброс предметов до его стандартизации в 1890-х годах. [4] Разработка учебной программы по естественным наукам возникла постепенно после продолжительных дебатов между двумя идеологиями: гражданской наукой и предпрофессиональной подготовкой. В результате конференции тридцати ведущих преподавателей средней школы и колледжей во Флориде в 1892 году Национальная ассоциация образования учредила Комитет десяти, который имел полномочия организовывать будущие встречи и назначать предметные комитеты по основным предметам, преподаваемым в средних школах. Комитет состоял из десяти преподавателей и возглавлялся Чарльзом Элиотом из Гарвардского университета. Комитет десяти назначил девять комитетов конференций: латинский ; греческий ; Английский ; Другие современные языки ; Математика ; История ; Гражданское правительство и политическая экономия ; физика, астрономия и химия; естественная история; и география. Каждый комитет состоял из десяти ведущих специалистов колледжей, педагогических и средних школ. Отчеты комитетов были представлены Комитету десяти, который собирался в течение четырех дней в Нью-Йорке , чтобы составить всеобъемлющий отчет. [5] В 1894 году АЯЭ опубликовало результаты работы этих комитетов конференции. [5]
По мнению Комитета десяти, цель средней школы заключалась в том, чтобы подготовить всех учащихся к преуспеванию в жизни, способствуя их благополучию и благу общества. Другая цель заключалась в том, чтобы подготовить некоторых студентов к успеху в колледже. [6]
Этот комитет поддержал подход гражданской науки, ориентированный на умственную подготовку, и исключил результаты научных исследований из рассмотрения при поступлении в колледж. [7] BAAS поддержала свою давнюю модель в Великобритании. [8] Принятая в США учебная программа характеризовалась следующим образом: [5]
Формат совместной умственной подготовки и предпрофессиональной подготовки неизменно доминировал в учебной программе с момента ее создания и до сих пор. Однако движение за внедрение гуманистического подхода, такого как включение искусства (STEAM) , науки, технологий, общества и экологического образования, растет и реализуется более широко в конце 20 века. В отчетах Американской академии развития науки (AAAS), включая проект 2061, а также Национального комитета по стандартам и оценке естественнонаучного образования, подробно описаны цели научного образования, которые связывают научные исследования в классе с практическим применением и социальными последствиями.
Наука — это универсальный предмет, охватывающий отрасль знаний, изучающую структуру и поведение физического и природного мира посредством наблюдения и эксперимента. [9] Естественное образование чаще всего делится на следующие три области: биология , химия и физика . Кроме того, существует большой объем научной литературы, пропагандирующей включение преподавания природы науки , которое постепенно внедряется в национальные учебные программы. [10]
Образование в области физики характеризуется изучением наук, изучающих материю и энергию, а также их взаимодействие. [11]
Программа Physics First , одобренная Американской ассоциацией учителей физики , представляет собой учебную программу, в рамках которой учащиеся 9-х классов проходят вводный курс физики. Цель состоит в том, чтобы обогатить понимание учащимися физики и позволить более подробно преподавать их на последующих уроках биологии и химии в средней школе. Он также направлен на увеличение числа учащихся, которые продолжают изучать физику в 12-м классе или AP Physics, которые обычно являются факультативными курсами в американских средних школах. [22]
Физическое образование в средних школах США за последние двадцать лет пострадало, потому что во многих штатах теперь требуются только три науки, которые могут быть удовлетворены науками о Земле/физикой, химией и биологией. Тот факт, что многие ученики не изучают физику в старших классах, затрудняет прохождение ими научных курсов в колледже.
На уровне университета/колледжа использование соответствующих проектов, связанных с технологиями, для стимулирования интереса студентов, не связанных с физикой, к изучению физики оказалось успешным. [23] Это потенциальная возможность наладить связь между физикой и социальной пользой.
Химическое образование характеризуется изучением наук, изучающих состав, строение и свойства веществ, а также превращения, которым они подвергаются. [12]
Химия – это изучение химических веществ и элементов, их эффектов и свойств. Студенты-химики изучают таблицу Менделеева. Отрасль естественнонаучного образования, известная как «химия, должна преподаваться в соответствующем контексте, чтобы способствовать полному пониманию текущих проблем устойчивого развития». [13] Как утверждается в этом источнике, химия является очень важным предметом в школе, поскольку она учит учащихся понимать проблемы мира. Поскольку детей интересует окружающий их мир, учителя химии могут привлечь интерес, в свою очередь, обучая учеников дальше. [14] Предмет «Химия» — это очень практичный предмет, то есть большая часть учебного времени уходит на работу или выполнение экспериментов.
Биологическое образование характеризуется изучением структуры, функций, наследственности и эволюции всех живых организмов. [15] Биология сама по себе является изучением живых организмов в различных областях, включая морфологию, физиологию, анатомию, поведение, происхождение и распространение. [16]
В зависимости от страны и уровня образования существует множество подходов к преподаванию биологии. В Соединенных Штатах все большее внимание уделяется способности исследовать и анализировать вопросы, связанные с биологией, в течение длительного периода времени. [17] Действующие стандарты биологического образования основаны на решениях, принятых Комитетом десяти, который стремился стандартизировать довузовское обучение в 1892 году. [18] Комитет подчеркнул важность изучения в первую очередь естествознания (биологии), сосредоточив внимание на наблюдении через лабораторная работа.
Природа естественнонаучного образования относится к изучению того, как наука является человеческой инициативой, как она взаимодействует с обществом, чем занимаются ученые, как научные знания создаются и обмениваются, как они развиваются и как используются. В нем подчеркивается эмпирический характер и различные методы, используемые в науке. Заявлено, что цели образования в области естественных наук заключаются в том, чтобы помочь студентам оценить научные и псевдонаучные утверждения, мотивировать их к изучению науки и лучше подготовить их к карьере в науке или в области, которая взаимодействует с наукой. [19]
В то время как общественный имидж естественнонаучного образования может представлять собой простое заучивание фактов наизусть , научное образование в новейшей истории также обычно концентрируется на преподавании научных концепций и устранении неправильных представлений , которые могут возникнуть у учащихся относительно научных концепций или другого содержания. Томас Кун , чья книга «Структура научных революций» 1962 года сильно повлияла на постпозитивистскую философию науки, утверждал, что традиционный метод преподавания естественных наук имеет тенденцию порождать жесткое мышление . [20] [21]
С 1980-х годов научное образование находится под сильным влиянием конструктивистского мышления. [22] [23] [24] Конструктивизм в естественнонаучном образовании был основан на обширной исследовательской программе студенческого мышления и обучения в области естественных наук, и, в частности, на изучении того, как учителя могут способствовать концептуальным изменениям в сторону канонического научного мышления. Конструктивизм подчеркивает активную роль учащегося, а также значение текущих знаний и понимания в процессе обучения, а также важность преподавания, обеспечивающего оптимальный уровень руководства для учащихся. [25]
Согласно журналу Policy Forum in Science 2004 года , «научное преподавание включает в себя стратегии активного обучения, позволяющие вовлечь учащихся в процесс науки, и методы обучения, которые систематически тестировались и доказали свою эффективность для разных учащихся». [26]
В томе «Научное преподавание» 2007 года [27] перечислены три основных принципа научного преподавания:
- Активное обучение : Процесс, в котором учащиеся активно участвуют в обучении. Оно может включать в себя обучение на основе запросов, обучение в сотрудничестве или обучение, ориентированное на учащихся.
- Оценка : инструменты для измерения прогресса на пути к достижению целей обучения.
- Разнообразие : широта различий, которые делают каждого учащегося уникальным, каждую группу учащихся уникальной и каждый опыт преподавания уникальным. Разнообразие включает в себя все в классе: учеников, преподавателей, содержание, методы обучения и контекст.
Эти элементы должны лежать в основе учебно-педагогических решений в классе. Среда обучения « SCALE-UP » является примером применения научного подхода к обучению. На практике научное преподавание использует подход «обратного проектирования». Преподаватель сначала решает, что учащиеся должны знать и уметь (цели обучения), затем определяет, что будет свидетельствовать о достижении учащимися целей обучения, а затем разрабатывает методы оценки для измерения этих достижений. Наконец, преподаватель планирует учебную деятельность, которая должна способствовать обучению учащихся посредством научных открытий. [28]
Вместе с Джоном Дьюи , Джеромом Брунером и многими другими Артур Кестлер [29] предлагает критику современного естественнонаучного образования и предлагает его замену подходом управляемых открытий:
Чтобы получить удовольствие от искусства открытия, как и от других искусств, потребитель — в данном случае студент — должен в некоторой степени заново пережить творческий процесс. Другими словами, его нужно побудить, при должной помощи и руководстве, сделать некоторые фундаментальные открытия науки самостоятельно, пережить в собственном уме некоторые из тех вспышек прозрения, которые осветили ее путь. . . . Традиционный метод поставить перед учеником не проблему, а готовое решение означает лишить его всякого волнения, [отключить] творческий порыв, [свести] приключения человечества к пыльной куче теорем.
Доступны конкретные практические иллюстрации этого подхода. [30] [31]
Практика научного образования все больше основывается на исследованиях в области преподавания и обучения естественным наукам. Исследования в области естественнонаучного образования опираются на широкий спектр методологий , заимствованных из многих отраслей науки и техники, таких как информатика, когнитивная наука, когнитивная психология и антропология. Исследования в области естественнонаучного образования направлены на определение или характеристику того, что представляет собой научное обучение и как оно осуществляется.
Джон Д. Брансфорд и др. резюмировали масштабные исследования студенческого мышления, сделав три ключевых вывода:
Образовательные технологии совершенствуются с учетом конкретных потребностей преподавателей естественных наук. Одно исследование, посвященное использованию мобильных телефонов в условиях преподавания естественных наук в высших учебных заведениях, показало, что мобильные технологии могут повысить вовлеченность и мотивацию учащихся на уроках естественных наук. [35]
Согласно библиографии конструктивистских исследований в области преподавания и обучения за 2005 год, около 64 процентов задокументированных исследований проводятся в области физики, 21 процент - в области биологии и 15 процентов - в области химии. [36] Основная причина такого доминирования физики в исследованиях в области преподавания и обучения, по-видимому, заключается в том, что понимание физики сопряжено с трудностями из-за ее особой природы. [37] Исследование концепций учащихся показало, что большинство предучебных (повседневных) идей, которые студенты привносят в преподавание физики, резко контрастируют с концепциями и принципами физики, которых необходимо достичь – от детского сада до высшего образования. Зачастую идеи студентов несовместимы с представлениями физики. [38] Это также справедливо и для более общих моделей мышления и рассуждения учащихся. [39] [40] [41]
Как и в Англии и Уэльсе, естественнонаучное образование в Австралии является обязательным до 11 класса, где учащиеся могут выбрать изучение одной или нескольких отраслей, упомянутых выше. Если они желают больше не изучать науку, они не могут выбрать ни одну из отраслей. Научный поток представляет собой один курс до 11 класса, что означает, что учащиеся изучают все отрасли, что дает им широкое представление о том, что такое наука. Национальный совет по учебной программе Австралии (2009 г.) заявил, что «учебная программа по естественным наукам будет построена вокруг трех взаимосвязанных направлений: научное понимание, навыки научных исследований и наука как человеческое занятие». [42] Эти направления дают учителям и преподавателям основу того, как им следует обучать своих учеников.
В 2011 году сообщалось, что основная проблема, с которой столкнулось естественное образование в Австралии за последнее десятилетие, - это падение интереса к науке. Меньшее количество учащихся 10-го класса предпочитают изучать естественные науки в 11-м классе, что является проблематичным, поскольку именно в эти годы у учащихся формируется отношение к продолжению научной карьеры. [43] Эта проблема не уникальна для Австралии, она наблюдается в странах по всему миру.
Качество образования в Китае страдает, поскольку в типичном классе учатся от 50 до 70 учеников. Китай имеет крупнейшую систему образования в мире, где обучается более 200 миллионов студентов. Однако только 20% учащихся завершают строгую десятилетнюю программу формального обучения. [44]
Как и во многих других странах, учебная программа по естественным наукам включает последовательные курсы по физике, химии и биологии. Научному образованию уделяется первоочередное внимание, и его основу составляют учебники, составленные комитетами ученых и преподавателей. В естественнонаучном образовании в Китае большое внимание уделяется запоминанию и гораздо меньше внимания уделяется решению проблем, применению принципов в новых ситуациях, интерпретациям и предсказаниям. [44]
В английских и валлийских школах естествознание является обязательным предметом национальной учебной программы. Все ученики в возрасте от 5 до 16 лет должны изучать естествознание. Обычно он преподается как единый предмет до шестого класса, затем разделяется на уровни A по конкретным предметам ( физика , химия и биология ). Однако с тех пор правительство выразило желание, чтобы тем ученикам, которые хорошо учатся в возрасте 14 лет, была предоставлена возможность изучать три отдельные науки с сентября 2008 года. [45] В Шотландии предметы разделены на химию, физику и биологию в возраст 13–15 лет для национальных 4/5 по этим предметам, а также существует комбинированная стандартная квалификация по естественным наукам, которую учащиеся могут сдать, при условии, что их школа предлагает это.
В сентябре 2006 года в школах Великобритании в качестве варианта GCSE была введена новая программа обучения естественным наукам, известная как «Наука 21 века» , призванная «дать всем подросткам в возрасте от 14 до 16 лет полезный и вдохновляющий научный опыт». [46] В ноябре 2013 года исследование Ofsted по естественным наукам [47] в школах показало, что практическое преподавание естественных наук не считается достаточно важным. [48] В большинстве английских школ учащиеся имеют возможность изучать отдельную программу естественных наук в рамках выпускных экзаменов GCSE, в результате чего в конце 11 класса они сдают 6 работ; обычно это заполняет один из «блоков» их вариантов и требует большего количества уроков естественных наук, чем те, кто предпочитает не заниматься отдельной наукой или не приглашен. Другие студенты, которые решают не проходить обязательный курс дополнительных естественных наук, в результате чего они сдают 4 работы, в результате чего получают 2 экзамена GCSE, а не 3 экзамена GCSE, полученные при изучении отдельных естественных наук.
Во многих штатах США преподаватели K-12 должны придерживаться жестких стандартов или рамок того, какой контент и каким возрастным группам следует преподавать. Это часто приводит к тому, что учителя спешат «осветить» материал, не «обучая» его по-настоящему. Кроме того, процесс науки, включая такие элементы, как научный метод и критическое мышление , часто упускается из виду. Этот акцент может привести к тому, что учащиеся сдадут стандартные тесты , не развив при этом сложных навыков решения проблем. [49] Хотя на уровне колледжей американское научное образование, как правило, менее регулируется, на самом деле оно более строгое: преподаватели и профессора вкладывают больше контента в тот же период времени. [50]
В 1996 году Национальная академия наук США разработала Национальные стандарты научного образования , которые доступны в Интернете бесплатно в различных формах. Его ориентация на науку, основанную на исследованиях , основанную на теории конструктивизма , а не на прямом указании фактов и методов, остается спорной. [50] Некоторые исследования показывают, что она более эффективна в качестве модели преподавания естественных наук.
«Стандарты требуют большего, чем просто «наука как процесс», в рамках которого учащиеся осваивают такие навыки, как наблюдение, умозаключения и экспериментирование. Исследование занимает центральное место в естественнонаучном обучении. Во время исследования учащиеся описывают объекты и события, задают вопросы, строят объяснения. , проверяют эти объяснения на соответствие современным научным знаниям и передают свои идеи другим. Они выявляют свои предположения, используют критическое и логическое мышление и рассматривают альтернативные объяснения. Таким образом, учащиеся активно развивают свое понимание науки, сочетая научные знания с рассуждениями и навыки мышления." [51]
Обеспокоенность по поводу научного образования и научных стандартов часто вызвана опасениями, что американские студенты и даже преподаватели [52] отстают от своих сверстников в международных рейтингах . [53] Одним из ярких примеров была волна реформ в сфере образования, осуществленная после того, как Советский Союз запустил свой спутник «Спутник» в 1957 году . [54] Первая и наиболее известная из этих реформ была проведена Комитетом по физическим исследованиям Массачусетского технологического института . В последние годы лидеры бизнеса, такие как председатель Microsoft Билл Гейтс, призвали уделять больше внимания научному образованию, заявив, что Соединенные Штаты рискуют потерять свое экономическое преимущество. [55] С этой целью Tapping America's Potential - это организация, цель которой - привлечь больше студентов к получению дипломов в области естественных наук, технологий, инженерии и математики. [56] Однако опросы общественного мнения показывают, что большинство родителей в США довольны научным образованием и что уровень их беспокойства в последние годы фактически снизился. [57]
Более того, в ходе недавнего национального исследования учебных программ, проведенного ACT, исследователи выявили возможный разрыв между преподавателями естественных наук. «И учителя средней школы/неполных старших классов, и преподаватели естественных наук оценивают навыки процесса/исследования как более важные, чем темы углубленного научного содержания; учителя старших классов оценивают их в прямо противоположном порядке». Возможно, необходимо больше общения между преподавателями разных классов, чтобы обеспечить общие цели для учащихся. [58]
Согласно отчету Национальной академии наук, области науки, техники и образования занимают первостепенное место в современном мире, но в Соединенных Штатах недостаточно работников, занимающихся наукой, технологиями, инженерией и математикой ( STEM) профессии. В 2012 году комитет Национальной академии наук по концептуальным основам новых стандартов естественнонаучного образования K-12 разработал руководящие принципы для стандартизации естественнонаучного образования K-12 с целью систематической организации естественнонаучного образования на протяжении всех лет K-12. Публикация под названием «Рамки естественнонаучного образования K-12: практика, сквозные концепции и основные идеи » способствует стандартизации естественнонаучного образования K-12 в Соединенных Штатах. В нем подчеркивается, что преподавателям естественных наук следует сосредоточиться на «ограниченном количестве основных дисциплинарных идей и сквозных концепций, которые должны быть разработаны таким образом, чтобы учащиеся постоянно развивали и пересматривали свои знания и способности в течение нескольких лет, а также поддерживали интеграцию таких знаний и способностей с необходимой практикой. заниматься научными исследованиями и инженерным проектированием». [59]
В докладе говорится, что в XXI веке американцам необходимо научное образование, чтобы заниматься и «систематически исследовать вопросы, связанные с их личными и общественными приоритетами», а также рассуждать научно и знать, как применять научные знания. Комитет, разработавший эту новую структуру, рассматривает этот императив как вопрос равенства в образовании для различных групп школьников. По мнению комитета , привлечение более разнообразных студентов к STEM-образованию является вопросом социальной справедливости. [60]
В 2013 году были выпущены новые стандарты естественнонаучного образования, которые обновляют национальные стандарты, выпущенные в 1996 году. Разработанные правительствами 26 штатов и национальными организациями ученых и преподавателей естественных наук, руководящие принципы, получившие название « Научные стандарты следующего поколения» , предназначены для «борьбы с широко распространенными научными стандартами». невежества, стандартизировать преподавание в штатах и увеличить число выпускников средних школ, выбирающих научные и технические специальности в колледжах...». Включены рекомендации по обучению студентов таким темам, как изменение климата и эволюция. Особое внимание уделяется обучению научному процессу, чтобы студенты лучше понимали научные методы и могли критически оценивать научные данные. В число организаций, внесших свой вклад в разработку стандартов, входят Национальная ассоциация учителей естественных наук , Американская ассоциация содействия развитию науки , Национальный исследовательский совет и Achieve, некоммерческая организация, которая также участвовала в разработке стандартов по математике и английскому языку. [61] [62]
Учебная программа естественнонаучного образования в Соединенных Штатах изложена в « Научных стандартах следующего поколения» (NGSS), которые были выпущены в апреле 2013 года. Целью NGSS является создание стандартизированной учебной программы по естественным наукам для детей от детского сада до 12-го класса. Эти стандарты были установлены в надежде, что они реформируют прежнюю систему естественнонаучного образования и будут способствовать более высоким достижениям учащихся за счет улучшения учебной программы и повышения квалификации учителей. Научные стандарты следующего поколения состоят из трех компонентов, перечисленных ниже: основные дисциплинарные идеи, научные и инженерные практики, а также сквозные концепции. Они называются тремя измерениями научных стандартов следующего поколения. В рамках этих стандартов особое внимание уделяется соответствию государственным стандартам K-12 Common Core . [63] Измерение, озаглавленное «Наука и инженерная практика», фокусируется на изучении студентами научного метода. Это означает, что это измерение сосредоточено вокруг практической научной деятельности, давая студентам возможность наблюдать научные процессы, выдвигать гипотезы и наблюдать за результатами. Это измерение подчеркивает эмпирические методы науки. Измерение, озаглавленное «сквозные концепции», подчеркивает понимание ключевых тем в области науки. «Сквозные концепции» — это темы, которые постоянно актуальны во многих различных научных дисциплинах, таких как поток энергии/материи, причина/следствие, системы/системные практики, закономерности, взаимосвязь между структурой и функцией, а также стабильность/изменение. Цель изложения этих ключевых тем связана с обобщенным обучением, а это означает, что эффективность этих тем может заключаться в том факте, что эти концепции важны во всех научных дисциплинах. Цель состоит в том, чтобы, изучая их, студенты сформировали широкое понимание науки. Измерение, озаглавленное «Основные дисциплинарные идеи», описывает набор ключевых идей для каждой научной области. Например, физическая наука имеет определенный набор основных идей, заложенных в эту структуру. [64]
В стандартах общего основного образования особое внимание уделяется навыкам чтения, письма и общения. Целью этих стандартов по английскому языку и математике было создание измеримых целей для обучения учащихся, которые соответствовали бы стандартам, действующим в других странах, таким образом, чтобы учащиеся в Соединенных Штатах были готовы к успеху на глобальном уровне. Его цель — установить строгие по своей природе стандарты для преподавателей и подготовить студентов к получению высшего образования. Также указывается, что учащиеся с ограниченными возможностями должны быть надлежащим образом адаптированы в соответствии со стандартами Common Core посредством индивидуального плана обучения (IEP). В соответствии с этими стандартами понимание научных текстов стало важным навыком для учащихся, которому они могут учиться с помощью учебников. [64]
Однако данные свидетельствуют о том, что учащиеся изучают естественные науки более эффективно при практическом, активном и исследовательском обучении, а не при обучении по учебнику. Было замечено, что учащиеся, особенно те, у кого есть проблемы с обучаемостью, лучше справляются с модульными тестами после изучения естественных наук посредством деятельности, а не обучения по учебникам. Таким образом, утверждается, что наука лучше усваивается посредством экспериментальной деятельности. Кроме того, сообщается, что учащиеся, особенно те, у кого есть проблемы с обучаемостью, предпочитают и чувствуют, что они учатся более эффективно посредством обучения, основанного на деятельности. Подобная информация может помочь определить, как преподается наука и как ее можно преподавать наиболее эффективно для учащихся с любыми способностями. [65] Лаборатория является основополагающим примером практического обучения, основанного на деятельности. В лаборатории студенты используют материалы для наблюдения за научными понятиями и явлениями. Лаборатория естественнонаучного образования может включать в себя несколько различных этапов. Эти этапы включают планирование и проектирование, исполнение, анализ и интерпретацию. Многие преподаватели полагают, что лабораторная работа способствует научному мышлению учащихся, навыкам решения проблем и когнитивному развитию. С 1960 года учебные стратегии естественнонаучного образования учитывают модель развития Жана Пиаже и поэтому начали вводить конкретные материалы и лабораторные условия, которые требовали от учащихся активного участия в обучении. [66]
Помимо важности лабораторий в обучении и преподавании наук, возросла важность обучения с использованием вычислительных инструментов. Было показано , что использование вычислительных инструментов, которые стали чрезвычайно распространены в областях STEM в результате развития технологий, поддерживают научное обучение. Изучение информатики в классе становится основополагающим для изучения студентами современных научных концепций. Фактически, в научных стандартах следующего поколения конкретно упоминается использование вычислительных инструментов и моделирования. Используя вычислительные инструменты, учащиеся участвуют в вычислительном мышлении, когнитивном процессе, в котором взаимодействие с вычислительными инструментами, такими как компьютеры, является ключевым аспектом. Поскольку вычислительное мышление становится все более актуальным в науке, оно становится все более важным аспектом обучения для преподавателей естественных наук. [67]
Другая стратегия, которая может включать как практические занятия, так и использование вычислительных инструментов, заключается в создании подлинного научного опыта. Было предложено несколько точек зрения на подлинное естественнонаучное образование, в том числе: каноническая перспектива - сделать естественнонаучное образование максимально похожим на то, как наука практикуется в реальном мире; молодежоориентированность – решение проблем, которые интересны юным студентам; контекстуальный – сочетание канонической и молодежно-ориентированной точек зрения. [68] Хотя деятельность, включающая практические исследования и вычислительные инструменты, может быть аутентичной, некоторые утверждают, что исследовательские задачи, обычно используемые в школах, недостаточно аутентичны и часто основаны на простых экспериментах из «поваренной книги». [69] Подлинный опыт научного обучения может быть реализован в различных формах. Например: личное расследование, желательно с открытым расследованием; партнерство студентов, преподавателей и ученых (STSP) или гражданские научные проекты; обучение на основе дизайна (DBL) ; использование веб-сред, используемых учеными (с использованием инструментов биоинформатики, таких как базы данных генов или белков, инструменты выравнивания и т. д.); обучение с использованием адаптированной первичной литературы (APL), которая также знакомит учащихся с тем, как научное сообщество передает знания. [70] Эти и многие другие примеры могут быть применены к различным областям науки, преподаваемой в школах (а также к высшему образованию), и соответствуют призывам включить научные практики в учебные программы по естественным наукам. [62] [59]
Неформальное научное образование — это преподавание и изучение естественных наук, которое происходит за пределами формальной школьной программы в таких местах, как музеи, средства массовой информации и общественные программы. Национальная ассоциация преподавателей естественных наук разработала заявление о позиции [71] по неформальному естественнонаучному образованию, чтобы определить и поощрять естественнонаучное обучение во многих контекстах и на протяжении всей жизни. Исследования в области неформального научного образования финансируются в США Национальным научным фондом. [72] Центр развития неформального научного образования (CAISE) [73] предоставляет ресурсы для сообщества неформального научного образования.
Примеры неформального научного образования включают научные центры, научные музеи и новые среды цифрового обучения ( например, Global Challenge Award ), многие из которых являются членами Ассоциации центров науки и технологий (ASTC). [74] Институт Франклина в Филадельфии и Музей науки (Бостон) являются старейшими музеями такого типа в Соединенных Штатах. Средства массовой информации включают такие телепрограммы, как NOVA , Newton's Apple , « Билл Най, ученый парень », « Мир клювика », «Волшебный школьный автобус » и Dragonfly TV . Ранние примеры научного образования на американском телевидении включали программы Дэниела К. Позина , такие как «Вселенная доктора Позина», «Вселенная вокруг нас», «На плечах гигантов» и «Из этого мира». Примерами общественных программ являются программы развития молодежи 4-H , « Практическая работа с наукой» , НАСА и послешкольные программы [75] и «Девочки в центре». Домашнее образование поощряется с помощью образовательных продуктов, таких как бывшая (1940–1989) служба подписки Things of Science . [76]
В 2010 году Национальные академии опубликовали книгу «Окружение наукой: изучение науки в неформальной среде » [77] на основе исследования Национального исследовательского совета « Изучение науки в неформальной среде: люди, места и занятия» . [78] «Окружение наукой» — это справочник, в котором показано, как текущие исследования в области изучения науки в условиях неформальной науки могут направлять мышление, работу и дискуссии среди практиков неформальной науки. Эта книга делает ценные исследования доступными для тех, кто работает в неформальной науке: преподавателей, музейных работников, преподавателей университетов, молодежных лидеров, специалистов средств массовой информации, издателей, журналистов телерадиовещания и многих других.
