Научное образование - Science education

Естественнонаучное образование - это преподавание и изучение науки для лиц, не являющихся учеными, таких как школьники, студенты колледжей или взрослые из числа широких масс. Область естественнонаучного образования включает работу в области содержания науки, научного процесса ( научный метод ), некоторых социальных наук и некоторой педагогической педагогики . Стандарты естественнонаучного образования предусматривают ожидания для развития понимания учащимися на протяжении всего курса обучения в K-12 и за его пределами. Традиционные предметы , включенные в стандарты являются физические , жизнь , земля , пространство , и гуманитарные науки .

Историческое прошлое

Космический календарь представляет собой метод визуализации хронологии Вселенной , шелушение ее текущий возраст 13,8 млрд лет до одного года , с тем чтобы помочь его интуитивно в педагогических целях.

Первым , кому приписали работу учителем естествознания в британской государственной школе, был Уильям Шарп , который оставил работу в школе регби в 1850 году после включения естественных наук в учебную программу. Говорят, что компания Sharp создала модель преподавания естественных наук в британской государственной школьной системе.

Британская академия для содействия развитию науки (БААС) опубликовала отчет , в 1867 году , призывающий к учению «чистой науки» и подготовки «научной привычки ума.» Движение прогрессивного образования поддерживало идеологию умственного воспитания через науки. BAAS отдельно выделил предпрофессиональную подготовку в сфере среднего естественнонаучного образования. Таким образом можно было подготовить будущих членов BAAS.

Первоначальное развитие преподавания естественных наук тормозилось нехваткой квалифицированных учителей. Одним из ключевых событий было основание в 1870 году первого Лондонского школьного совета , на котором обсуждалась школьная программа; другим было открытие курсов для обеспечения страны подготовленными учителями естественных наук. В обоих случаях влияние Томаса Генри Хаксли . Джон Тиндалл также оказал влияние на преподавание физических наук.

В Соединенных Штатах естественнонаучное образование представляло собой набор предметов до его стандартизации в 1890-х годах. Учебная программа по естествознанию возникла постепенно после продолжительных дебатов между двумя идеологиями, гражданской наукой и предпрофессиональной подготовкой. В результате конференции тридцати ведущих преподавателей средних школ и колледжей во Флориде Национальная ассоциация образования в 1892 году учредила Комитет десяти, который имел право организовывать будущие собрания 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: Latin ; 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 из колледжей, обычных и средних школ. Отчеты комитетов были представлены Комитету десяти, который собирался в течение четырех дней в Нью-Йорке для создания всеобъемлющего отчета. В 1894 году NEA опубликовало результаты работы этих комитетов конференции.

Согласно Комитету десяти, цель старшей школы состояла в том, чтобы подготовить всех учеников к успешной жизни, способствуя их благополучию и благу общества. Другой целью было подготовить некоторых студентов к успешной учебе в колледже.

Этот комитет поддержал подход к гражданской науке, направленный на умственную тренировку, и отказался от результатов научных исследований при поступлении в колледж. BAAS поддержала их более долгую модель в Великобритании. Учебная программа США была охарактеризована следующим образом:

Элементарная наука должна сосредоточиться на простых явлениях природы (изучение природы) посредством экспериментов, проводимых «в полевых условиях».
Вторичные науки должны быть сосредоточены на лабораторных работах и подготовленных комитетом списках конкретных экспериментов.
Обучение фактам и принципам
Подготовка к колледжу

Формат совместной психологической подготовки и предпрофессиональной подготовки неизменно доминировал в учебной программе с момента ее создания до настоящего времени. Однако движение за включение гуманистического подхода, такого как включение искусства (STEAM) , науки, технологий, образования в области общества и окружающей среды, набирает обороты и реализуется более широко в конце 20-го века. В отчетах Американской академии развития науки (AAAS), включая проект 2061, и Национального комитета по стандартам и оценке естественнонаучного образования подробно изложены цели естественнонаучного образования, которые увязывают науку в классе с практическими приложениями и социальными последствиями.

Сферы естественнонаучного образования

Наука - универсальный предмет, охватывающий отрасль знания, изучающую структуру и поведение физического и природного мира посредством наблюдений и экспериментов. Научное образование чаще всего делится на следующие три области: биология , химия и физика .

Физическое образование

Демонстрирует свободное тело

Физическое образование характеризуется изучением науки, которая имеет дело с материей и энергией, а также их взаимодействием.

Программа Physics First , одобренная Американской ассоциацией учителей физики , представляет собой учебный план, по которому учащиеся 9-х классов проходят вводный курс физики. Цель состоит в том, чтобы обогатить понимание учащимися физики и дать возможность преподавать более подробные сведения на последующих классах биологии и химии в средней школе. Он также направлен на увеличение числа учеников, которые продолжают изучать физику в 12-м классе или AP Physics, которые, как правило, являются факультативными курсами в американских средних школах. ^[22]

Физическое образование в средних школах в Соединенных Штатах пострадало последние двадцать лет, потому что во многих штатах сейчас требуется только три науки, которые могут быть удовлетворены науками о Земле / физикой, химией и биологией. Тот факт, что многие студенты не изучают физику в старших классах, затрудняет прохождение ими научных курсов в колледже.

На уровне университета / колледжа использование соответствующих технологических проектов для пробуждения интереса нефизических специалистов к изучению физики оказалось успешным. ^[23] Это потенциальная возможность наладить связь между физикой и общественной пользой.

Химическое образование

Химическое образование характеризуется изучением науки, которая изучает состав, структуру и свойства веществ, а также превращения, которым они подвергаются.

Дети смешивают различные химические вещества в пробирках в рамках программы естественнонаучного образования.

Химия - это изучение химических веществ и элементов, их эффектов и свойств. Студенты-химики изучают периодическую таблицу. Раздел естественнонаучного образования, известный как «химию необходимо преподавать в соответствующем контексте, чтобы способствовать полному пониманию текущих проблем устойчивости». Как утверждается в этом источнике, химия является очень важным предметом в школе, поскольку учит студентов понимать проблемы, существующие в мире. Поскольку детей интересует окружающий их мир, учителя химии могут заинтересовать их, в свою очередь, обучая учеников. Предмет химии является предметом, основанным на практических методах, что означает, что большая часть времени в классе тратится на работу или выполнение экспериментов.

Биологическое образование

Биологическое образование характеризуется изучением структуры, функций, наследственности и эволюции всех живых организмов. Сама биология - это изучение живых организмов в различных областях, включая морфологию, физиологию, анатомию, поведение, происхождение и распространение.

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.

Педагогика

В то время как общественный имидж научного образования может быть просто заучиванием фактов наизусть , естественнонаучное образование в новейшей истории также обычно концентрируется на преподавании научных концепций и устранении заблуждений, которые могут иметь учащиеся в отношении научных концепций или другого содержания. Томас Кун , чья книга 1962 года «Структура научных революций» оказала большое влияние на постпозитивистскую философию науки, утверждал, что традиционный метод преподавания естественных наук имеет тенденцию к формированию жесткого мышления .

С 1980-х годов на естественнонаучное образование сильно повлияло конструктивистское мышление. Конструктивизм в естественнонаучном образовании опирается на обширную программу исследований мышления и обучения студентов в области естественных наук, в частности изучения того, как учителя могут способствовать концептуальным изменениям в сторону канонического научного мышления. Конструктивизм подчеркивает активную роль учащегося и важность текущих знаний и понимания в опосредовании обучения, а также важность обучения, которое обеспечивает оптимальный уровень руководства для учащихся.

Подход управляемого открытия

Вместе с Джоном Дьюи , Джером Брунер , и многие другие , Артур Кестлер предлагает критический анализ современного научного образования и предлагает его замену с подходом , направляемого открытие:

Чтобы получать удовольствие от искусства открытий, как и от других видов искусства, потребителя - в данном случае ученика - необходимо заставить в некоторой степени заново пережить творческий процесс. Другими словами, его следует побудить, при надлежащей помощи и руководстве, сделать некоторые фундаментальные открытия науки самостоятельно, испытать в собственном разуме некоторые из тех проблесков озарения, которые осветили его путь. . . . Традиционный метод столкновения ученика не с проблемой, а с готовым решением означает лишение его всякого волнения, [отключение] творческого импульса, [превращение] приключений человечества в пыльную груду теорем.

Доступны конкретные практические иллюстрации этого подхода.

Исследовать

Практика естественнонаучного образования все больше основывается на исследованиях преподавания и обучения естествознания. Исследования в области естественнонаучного образования опираются на широкий спектр методологий, заимствованных из многих областей науки и техники, таких как информатика, когнитивная наука, когнитивная психология и антропология. Исследования в области естественнонаучного образования направлены на определение или характеристику того, что составляет обучение в науке и как оно осуществляется.

Джон Д. Брансфорд и др. Резюмировали масштабное исследование мышления студентов, сделав три основных вывода:

Предубеждения: Предыдущие идеи о том, как все работает, чрезвычайно живучи, и преподаватель должен прямо обратиться к конкретным заблуждениям учащихся, если учащийся хочет изменить свое заблуждение в пользу другого объяснения. Поэтому важно, чтобы преподаватели знали, как узнать о предубеждениях учащихся, и сделали это регулярной частью своего планирования.
Организация знаний: Чтобы стать по-настоящему грамотными в какой-либо области науки, студенты должны: «(а) иметь глубокую основу фактических знаний, (б) понимать факты и идеи в контексте концептуальной основы, и (в) организовывать знания способами которые облегчают поиск и применение ".
Метапознание: Студентам будет полезно подумать о своем мышлении и обучении. Их нужно научить оценивать свои знания и то, чего они не знают, оценивать свои методы мышления и оценивать свои выводы. Некоторые преподаватели и другие специалисты практиковали и пропагандировали обсуждение псевдонауки как способа понять, что такое научное мышление, и решить проблемы, связанные с псевдонаукой.

Образовательные технологии совершенствуются с учетом конкретных потребностей учителей естественных наук. Одно исследование, посвященное изучению того, как мобильные телефоны используются при обучении естественным наукам после окончания средней школы, показало, что мобильные технологии могут повысить вовлеченность учащихся и их мотивацию в классе естественных наук.

Согласно библиографии ориентированных на конструктивизм исследований преподавания и изучения естественных наук в 2005 году, около 64 процентов задокументированных исследований проводились в области физики, 21 процент - в области биологии и 15 процентов - в области химии. Основная причина такого доминирования физики в исследованиях преподавания и обучения, по-видимому, заключается в том, что понимание физики связано с трудностями из-за особой природы физики. Исследование представлений студентов 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. Довольно часто идеи студентов несовместимы со взглядами физиков. Это также относится к более общим образцам мышления и рассуждения учащихся.

По стране

Австралия

Как и в Англии и Уэльсе, естественнонаучное образование в Австралии является обязательным до 11 класса, где студенты могут выбрать изучение одного или нескольких направлений, упомянутых выше. Если они не хотят больше изучать науку, они не могут выбрать ни одну из ветвей. Научный поток - это один курс до 11 класса, что означает, что студенты изучают все отрасли, давая им общее представление о том, что такое наука. Национальный совет по учебным программам Австралии (2009 г.) заявил, что «Учебная программа по естествознанию будет организована по трем взаимосвязанным направлениям: научное понимание; научные исследовательские навыки; и наука как человеческое усилие». Эти направления дают учителям и преподавателям структуру того, как они должны инструктировать своих учеников.

В 2011 году сообщалось, что серьезной проблемой, с которой столкнулось естественнонаучное образование в Австралии за последнее десятилетие, является падение интереса к науке. Меньше учащихся 10-х классов предпочитают изучать естественные науки в течение 11-го года, что является проблематичным, поскольку именно в эти годы у учащихся формируется отношение к продолжению научной карьеры. Эта проблема не уникальна для Австралии, но происходит во многих странах по всему миру.

Китай

Качество образования в Китае страдает, потому что в типичном классе обучается от 50 до 70 студентов. Китай с более чем 200 миллионами студентов имеет самую большую систему образования в мире. Однако только 20% студентов завершают строгую десятилетнюю программу формального образования.

Как и во многих других странах, учебная программа по естествознанию включает последовательные курсы физики, химии и биологии. Естественнонаучному образованию уделяется первоочередное внимание, и в его основе лежат учебники, составленные комитетами ученых и учителей. В научном образовании в Китае большое внимание уделяется запоминанию и гораздо меньше внимания уделяется решению проблем, применению принципов к новым ситуациям, интерпретациям и предсказаниям.

Объединенное Королевство

В английских и валлийских школах наука является обязательным предметом национальной учебной программы. Все ученики от 5 до 16 лет должны изучать естественные науки. Обычно он преподается как единый предмет до шестого класса, а затем разделяется на предметные уровни A ( физика , химия и биология ). Тем не менее, с тех пор правительство выразило желание, чтобы ученикам, которые достигли хороших результатов в возрасте 14 лет, была предоставлена возможность изучать три отдельные науки с сентября 2008 года. В Шотландии предметы разделяются на химию, физику и биологию в возрасте 13–15 для национальных 4/5 по этим предметам, а также существует комбинированная стандартная квалификация по естествознанию, которую студенты могут сдавать, если их школа предлагает это.

В сентябре 2006 года в школах Великобритании была представлена новая научная программа, известная как «Наука 21 века», как вариант GCSE , призванная «дать всем учащимся от 14 до 16 лет полезный и вдохновляющий опыт в науке». Проведенное в ноябре 2013 г. исследование науки в школах, проведенное Офстедом, показало, что практическое преподавание естественных наук не считается достаточно важным. В большинстве английских школ учащиеся имеют возможность изучать отдельную научную программу как часть их GCSE, в результате чего они сдают 6 работ в конце 11 класса; это обычно заполняет один из их вариантов «блоков» и требует больше уроков естествознания, чем те, кто предпочитает не участвовать в отдельных науках или не приглашен. Другие студенты, которые предпочитают не проходить обязательный дополнительный курс естественных наук, в результате чего они сдают 4 работы, в результате чего получают 2 экзамена GCSE, в отличие от 3 экзаменов GCSE, сдаваемых по отдельности.

Соединенные Штаты

Химическая лаборатория университета в США.

Во многих штатах США преподаватели K-12 должны придерживаться жестких стандартов или рамок того, какой контент преподавать в каких возрастных группах. Это часто приводит к тому, что учителя спешат «освоить» материал, не «обучая» его по-настоящему. Кроме того, часто упускается из виду научный процесс , включая такие элементы, как научный метод и критическое мышление . Такой акцент может дать учащимся, которые сдают стандартные тесты, не развивая навыков решения сложных задач. Хотя на уровне колледжей американское естественнонаучное образование, как правило, менее регулируется, на самом деле оно более строгое, когда учителя и профессора помещают больше материалов в один и тот же период времени.

В 1996 году Национальная академия наук в США Национальной Академии подготовила Национальные Стандарты Образования Науки , которая доступна в Интернете бесплатно в различных формах для. Его фокус на науке , основанной на запросах , основанной на теории конструктивизма, а не на прямом указании фактов и методов, остается спорным. Некоторые исследования показывают, что он более эффективен в качестве модели для преподавания естественных наук.

«Стандарты призывают к большему, чем« наука как процесс », в рамках которой учащиеся приобретают такие навыки, как наблюдение, умозаключение и экспериментирование. Исследование занимает центральное место в изучении естественных наук. В ходе исследования учащиеся описывают объекты и события, задают вопросы, строят объяснения. , проверяют эти объяснения на соответствие текущим научным знаниям и сообщают 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."

Обеспокоенность по поводу естественнонаучного образования и научных стандартов часто вызывается опасениями, что американские студенты и даже учителя отстают от своих сверстников в международных рейтингах . Одним из ярких примеров является волна реформ в сфере образования, проведенных после того, как Советский Союз запустил свой спутник Спутник в 1957 году. Первой и самой заметной из этих реформ руководил Комитет по физическим наукам Массачусетского технологического института . В последние годы лидеры бизнеса, такие как председатель Microsoft Билл Гейтс , призвали уделять больше внимания научному образованию, заявляя, что Соединенные Штаты рискуют потерять свое экономическое преимущество. С этой целью Tapping America's Potential - это организация, цель которой - привлечь больше студентов, получивших дипломы в области естественных наук, технологий, инженерии и математики. Опросы общественного мнения, однако, показывают, что большинство родителей в США довольны научным образованием и что уровень их озабоченности фактически снизился в последние годы.

Кроме того, в недавнем обзоре национальной учебной программы, проведенном ACT, исследователи обнаружили возможный разрыв между преподавателями естественных наук. «И учителя средних и младших классов средней школы, и преподаватели высших учебных заведений оценивают (d) навыки процесса / исследования как более важные, чем темы углубленного изучения естественных наук; учителя старших классов оценивают их в прямо противоположном порядке». Возможно, для достижения общих целей для учащихся необходимо больше общения между преподавателями разных классов.

Рамки естественнонаучного образования на 2012 год

Согласно отчету Национальной академии наук, области науки, техники и образования занимают первостепенное место в современном мире, но в Соединенных Штатах не хватает рабочих, которые занимаются наукой, технологиями, инженерией и математикой ( STEM) профессии. В 2012 году Комитет Национальной академии наук по концептуальным основам для новых стандартов естественнонаучного образования для школьников до 12 лет разработал руководящие принципы для стандартизации естественнонаучного образования до 12 лет с целью систематической организации естественнонаучного образования в до 12 лет. Публикация под названием A Framework for K-12 Science Education: Practices, Crosscutting Concepts, and Core Ideas , продвигает стандартизацию естественнонаучного образования в K-12 в Соединенных Штатах. Он подчеркивает, что преподаватели естественных наук должны сосредоточиться на «ограниченном количестве основных дисциплинарных идей и сквозных концепций, быть спроектированными таким образом, чтобы учащиеся постоянно наращивали и пересматривали свои знания и способности в течение нескольких лет, а также поддерживали интеграцию таких знаний и способностей с необходимыми практиками. заниматься научными исследованиями и инженерным проектированием ».

В отчете говорится, что в 21 веке американцам необходимо научное образование, чтобы заниматься и «систематически исследовать вопросы, связанные с их личными и общественными приоритетами», а также чтобы научиться рассуждать и знать, как применять научные знания. Комитет, который разработал эту новую структуру, видит в этом императив равноправия в образовании разнообразных школьников. По мнению комитета, привлечение более разнообразных студентов к STEM-образованию - это вопрос социальной справедливости.

Стандарты науки следующего поколения 2013 г.

В 2013 году были выпущены новые стандарты естественнонаучного образования, обновляющие национальные стандарты, выпущенные в 1996 году. Разработанные правительствами 26 штатов и национальными организациями ученых и преподавателей естественных наук, руководящие принципы, названные научными стандартами нового поколения , предназначены для "борьбы с широко распространенными научными стандартами. невежества, стандартизации преподавания среди штатов и увеличения числа выпускников средних школ, которые выбирают научные и технические специальности в колледже ... »Включены руководящие принципы для обучения студентов таким темам, как изменение климата и эволюция. Акцент делается на обучении научному процессу, чтобы студенты лучше понимали методы науки и могли критически оценивать научные данные. Организации, которые внесли свой вклад в разработку стандартов, включают Национальную ассоциацию преподавателей естественных наук , Американскую ассоциацию развития науки , Национальный исследовательский совет и Achieve, некоммерческую организацию, которая также участвовала в разработке стандартов по математике и английскому языку.

Неформальное научное образование

Молодые женщины участвуют в конференции в Аргоннской национальной лаборатории .

Молодые студенты впервые используют микроскоп, исследуя бактерии в «День открытий», организованный Большим братом Маусом , проектом по обучению грамоте и образованию в Лаосе.

Неформальное естественнонаучное образование - это преподавание и изучение естественных наук, которое происходит вне рамок формальной школьной программы в таких местах, как музеи, средства массовой информации и общественные программы. Национальная Ассоциация Учителей Науки создала положение заявление неофициального научного образования , чтобы определить и стимулировать науку обучение во многих контекстах и на протяжении всей жизни. Исследования в области неформального научного образования финансируются в США Национальным научным фондом. Центр содействия развития неформального образования науки (CAISE) предоставляет ресурсы для неформального образования науки сообщества.

Примеры неформального научного образования включают научные центры, научные музеи и новые цифровые учебные среды ( например, Global Challenge Award ), многие из которых являются членами Ассоциации центров науки и технологий (ASTC). Exploratorium в Сане - Франциско и Институт Франклина в Филадельфии является старейшими этим типом музея в Соединенных Штатах. Средства массовой информации включают телевизионные программы, такие как NOVA , Newton's Apple , « Билл Най , ученый », « Мир Бикмана », «Волшебный школьный автобус» и Dragonfly TV . Ранние примеры научного образования на американском телевидении включали программы Дэниела К. Посина , такие как «Вселенная доктора Позина», «Вселенная вокруг нас», «На плечах гигантов» и «Из этого мира». Примерами программ на уровне сообществ являются программы 4-H по развитию молодежи, Практическая работа с наукой , НАСА, программы после школы и «Девочки в центре». Домашнее обучение поощряется с помощью образовательных продуктов, таких как бывшая (1940–1989) служба подписки « Вещи науки» .

В 2010 году Национальные академии выпустили «В окружении науки: изучение науки в неформальной среде» , основанное на исследовании Национального исследовательского совета « Изучение науки в неформальной среде: люди, места и цели» . «Окруженный наукой» - это справочник, в котором показано, как текущие исследования по изучению науки в неформальной научной среде 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 СМИ, издателей, журналистов вещания и многих других.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

Наука только для богатых? . «Во всем мире бедность и социальное положение остаются огромными препятствиями на пути к научной карьере». Nature , 537, стр. 466–470, (22 сентября 2016 г.), DOI: 10.1038 / 537466a
Уокер. MD 2015. Обучение науке на основе запросов, обучение науке через запросы.
Эйкенхед, GS (1994). "Чему учит ССН?" . В Solomon, J .; Эйкенхед, GS (ред.). СТС образование: международный взгляд на реформы . Нью-Йорк: издательство Teachers College Press. С. 74–59 . ISBN 978-0807733653.
Dumitru, P .; Джойс, А. (2007). «Государственно-частное партнерство в области математики, естественных наук и технологий» (PDF) . Материалы конференции "Дни открытий" .
«Национальные и европейские инициативы по продвижению научного образования в Европе» (PDF) . Европейская школьная сеть. 2007 г.
Шамос, Моррис Герберт (1995). Миф о научной грамотности . Издательство Университета Рутгерса . ISBN 978-0-8135-2196-1.
Берубе, Клер Т. (2008). Незавершенные поиски: бедственное положение прогрессивного научного образования в эпоху стандартов . Шарлотта NC: информационный век. ISBN 978-1-59311-928-7.
Фальк, Джон Х. (2001). Естественнонаучное образование: как мы изучаем науку вне школы . Нью-Йорк: Педагогический колледж. ISBN 978-0-8077-4064-4.
Sheppard, K .; Роббинс Д.М. (2007). «Биология средней школы сегодня: что на самом деле сказал комитет десяти» . CBE: Образование в области естественных наук . 6 (3): 198–202. DOI : 10.1187 / cbe.07-03-0013 . PMC 1964524 . PMID 17785402 .

Languages

In other projects