Die Verbesserung der naturwissenschaftlichen Grundbildung bedeutet eine Veränderung der naturwissenschaftlichen Bildung

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Um mit einem naturwissenschaftlichen Hauptfach abzuschließen, müssen College-Studenten zwischen 40 und 60 Kreditstunden an naturwissenschaftlichen Kursen absolvieren. Das bedeutet, dass sie während ihrer gesamten Bachelor-Karriere rund 2.500 Stunden im Klassenzimmer verbringen.

Die Forschung hat jedoch gezeigt, dass trotz all dieser Bemühungen die meisten naturwissenschaftlichen College-Kurse Studenten geben nur ein bruchstückhaftes Verständnis von grundlegenden naturwissenschaftlichen Konzepten. Die Lehrmethode verstärkt Auswendiglernen einzelner Tatsachenvon einem Lehrbuchkapitel zum nächsten fortschreiten, ohne unbedingt Verbindungen zwischen ihnen herzustellen, anstatt lernen, wie man die Informationen verwendet und verbinden Sie diese Fakten sinnvoll.

Die Fähigkeit, diese Verbindungen herzustellen, ist auch über den Unterricht hinaus wichtig, denn sie ist die Grundlage von naturwissenschaftliche Grundbildung: die Fähigkeit, wissenschaftliche Erkenntnisse zu nutzen, um Informationen genau zu bewerten und Entscheidungen auf der Grundlage von Beweisen zu treffen.

Wie ein Chemiedidaktikerich arbeite seit 2019 mit meiner Kollegin zusammen Sonja Underwood um mehr darüber zu erfahren, wie Chemiestudenten ihr Wissen in andere wissenschaftliche Disziplinen integrieren und anwenden.

In unserer jüngsten Studie haben wir untersucht, wie gut College-Studenten ihr Chemiewissen nutzen können, um reale biologische Phänomene zu erklären. Wir taten dies, indem wir sie Aktivitäten durchführen ließen, die darauf ausgerichtet waren diese interdisziplinären Verbindungen herzustellen.

Wir haben festgestellt, dass Aktivitäten wie diese hilfreich sein können, obwohl die meisten Schüler keine ähnlichen Gelegenheiten erhalten haben, die sie darauf vorbereiten würden, diese Verbindungen herzustellen, wenn sie Teil des Lehrplans sind.

Dreidimensionales Lernen

Eine große Anzahl von Forschungsergebnissen zeigt, dass die traditionelle naturwissenschaftliche Bildung sowohl für naturwissenschaftliche Hauptfächer als auch für Nicht-Hauptfächer leistet keinen guten Job im Wissenschaftsunterricht Studenten wie sie ihr wissenschaftliches Wissen anwenden und Dinge erklären, die sie vielleicht nicht direkt erfahren haben.

Vor diesem Hintergrund haben wir eine Reihe von fachübergreifenden Aktivitäten entwickelt, die von einem Rahmen namens „Dreidimensionales Lernen.“

Kurz gesagt, dreidimensionales Lernen, bekannt als 3DL, betont, dass das Lehren, Lernen und Bewerten von College-Studenten die Verwendung grundlegender Ideen innerhalb einer Disziplin beinhalten sollte. Es sollte auch einbeziehen Werkzeuge und Regeln die die Studierenden dabei unterstützen, Verbindungen innerhalb und zwischen den Disziplinen herzustellen. Schließlich sollte es die Schüler dazu anregen, ihr Wissen zu nutzen. Das Framework wurde auf Basis von entwickelt wie Menschen lernen um allen Schülern zu helfen, ein tiefes Verständnis der Wissenschaft zu erlangen.

Wir haben dies in Zusammenarbeit mit gemacht Rebecca L. Matz, ein Experte für Wissenschaft, Technologie, Ingenieurwesen und Mathematikunterricht. Dann brachten wir diese Aktivitäten in den Klassenraum.

Wissenschaftliche Verbindungen herstellen

Zu Beginn befragten wir 28 College-Studenten im ersten Jahr, die Naturwissenschaften oder Ingenieurwissenschaften studierten. Alle waren sowohl in Einführungskursen in Chemie als auch in Biologie eingeschrieben. Wir baten sie, Verbindungen zwischen den Inhalten dieser Kurse und dem, was sie für das hielten, zu identifizieren Nachrichten zum Mitnehmen aus jedem Kurs.

Die Studenten antworteten mit umfangreichen Listen von Themen, Konzepten und Fähigkeiten, die sie im Unterricht gelernt hatten. Einige, aber nicht alle, identifizierten die Kernideen jeder Wissenschaft richtig. Sie verstanden, dass ihre Chemiekenntnisse für ihr Verständnis der Biologie wesentlich waren, aber nicht, dass auch das Gegenteil der Fall sein könnte.

Zum Beispiel sprachen die Studenten darüber, wie wichtig ihr im Chemiekurs erworbenes Wissen über Wechselwirkungen – also Anziehungs- und Abstoßungskräfte – war, um zu verstehen, wie und warum die chemischen Spezies, aus denen die DNA besteht, zusammenkommen.

Für ihren Biologiekurs hingegen war die Kernidee, von der die Studenten am meisten sprachen, die Struktur-Funktions-Beziehung – wie die Form der chemischen und biologischen Spezies ihre Arbeit bestimmt.

Als nächstes wurde eine Reihe von fächerübergreifenden Aktivitäten entwickelt, um die Schüler bei der Verwendung von Kernideen und -wissen der Chemie anzuleiten, um biologische Phänomene aus der realen Welt zu erklären.

Die Schüler überprüften eine grundlegende Chemieidee und nutzten dieses Wissen, um ein vertrautes Chemieszenario zu erklären. Als nächstes wendeten sie es an, um ein biologisches Szenario zu erklären.

Eine Aktivität untersucht die Auswirkungen der Ozeanversauerung auf Muscheln. Hier wurden die Schüler gebeten, anhand grundlegender Ideen aus der Chemie zu erklären, wie sich der zunehmende Kohlendioxidgehalt im Meerwasser auf panzerbildende Meerestiere wie Korallen, Muscheln und Austern auswirkt.

Andere Aktivitäten forderten die Schüler auf, ihr Chemiewissen anzuwenden, um Osmose zu erklären – wie Wasser Transfers in und aus Zellen im menschlichen Körper – bzw wie Temperatur die Stabilität menschlicher DNA verändern kann.

Insgesamt fühlten sich die Schüler in ihren Chemiekenntnissen sicher und konnten die Chemieszenarien leicht erklären. Sie hatten es schwerer, dasselbe chemische Wissen anzuwenden, um die biologischen Szenarien zu erklären.

Bei der Aktivität zur Ozeanversauerung konnte die Mehrheit der Schüler genau vorhersagen, wie sich ein Anstieg des Kohlendioxids auf den Säuregehalt des Ozeans auswirkt. Sie konnten jedoch nicht immer erklären, wie sich diese Veränderungen auf das Leben im Meer auswirken, indem sie die Bildung von Muscheln behindern.

Diese Ergebnisse machen deutlich, dass eine große Lücke zwischen dem, was die Schüler in ihren naturwissenschaftlichen Kursen lernen, und der Frage, wie gut sie darauf vorbereitet sind, diese Informationen anzuwenden, besteht. Dieses Problem bleibt trotz der Tatsache, dass die National Science Foundation 2012 eine Reihe von dreidimensionalen Lernrichtlinien herausgegeben hat, um Pädagogen zu helfen naturwissenschaftlichen Unterricht effektiver machen.

Die Studenten in unserer Studie berichteten jedoch auch, dass diese Aktivitäten ihnen geholfen haben, Verbindungen zwischen den beiden Disziplinen zu erkennen, die sie sonst nicht wahrgenommen hätten.

Wir haben also auch Beweise dafür erhalten, dass zumindest unsere Chemiestudenten die Möglichkeit haben möchten, ein tieferes Verständnis der Naturwissenschaften und ihrer Anwendung zu erlangen.
Die Unterhaltung

Zahilyn D. Roche AllredPostdoktorand, Institut für Chemie und Biochemie, Florida Internationale Universität

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