Чтобы получить высшее образование по специальности «естественные науки», студенты колледжа должны выполнить от 40 до 60 кредитных часов курсовой работы по естественным наукам. Это означает, что они проводят около 2500 часов в классе на протяжении всей своей студенческой карьеры.
Однако исследования показали, что, несмотря на все эти усилия, большинство курсов естественных наук в колледжах дают студентам лишь фрагментарное понимание фундаментальных научных концепций. Метод обучения усиливает запоминание отдельных фактов, переходя от одной главы учебника к другой, не обязательно связывая их между собой, вместо того, чтобы учиться использовать информацию и осмысленно связывать эти факты.
Способность устанавливать эти связи важна и за пределами классной комнаты, потому что это основа научной грамотности: способность использовать научные знания для точной оценки информации и принятия решений на основе фактов.
Как исследователь в области химического образования, с 2019 года я работаю с моей коллегой Соней Андервуд, чтобы узнать больше о том, как студенты-химики интегрируют и применяют свои знания в других научных дисциплинах.
В нашем последнем исследовании мы изучали, насколько хорошо студенты колледжа могут использовать свои знания по химии для объяснения реальных биологических явлений. Мы сделали это, заставив их выполнять задания, предназначенные для установления междисциплинарных связей.
Мы обнаружили, что даже несмотря на то, что большинству учащихся не были предоставлены аналогичные возможности, которые подготовили бы их к установлению таких связей, такие занятия могут помочь, если они включены в учебную программу.
Трехмерное обучение
Большой объем исследований показывает, что традиционное научное образование, как для специальностей, так и для неспециалистов, не помогает научить студентов-естественников тому, как применять свои научные знания и объяснять вещи, о которых они, возможно, не узнали напрямую.
Имея это в виду, мы разработали серию междисциплинарных мероприятий, руководствуясь структурой, называемой «трехмерное обучение».
Короче говоря, трехмерное обучение, известное как 3DL, подчеркивает, что преподавание, обучение и оценка студентов должны включать использование фундаментальных идей в рамках дисциплины. Он также должен включать инструменты и правила, которые помогают учащимся устанавливать связи внутри и между дисциплинами. Наконец, он должен вовлекать студентов в использование своих знаний. Структура была разработана на основе того, как люди учатся, чтобы помочь всем учащимся получить глубокое понимание науки.
Мы сделали это в сотрудничестве с Ребеккой Л. Матц, экспертом в области естественных наук, технологий, инженерии и математического образования. Затем мы перенесли эти занятия в класс.
Установление научных связей
Для начала мы опросили 28 студентов-первокурсников колледжей, специализирующихся в области естественных или технических наук. Все были зачислены как на вводные курсы химии, так и на курсы биологии. Мы попросили их определить связи между содержанием этих курсов и тем, что они считают выводами из каждого курса.
Студенты ответили обширными списками тем, понятий и навыков, которые они изучили в классе. Некоторые, но не все, правильно определили основные идеи каждой науки. Они понимали, что их знание химии необходимо для понимания биологии, но не то, что верно и обратное.
Например, студенты говорили о том, как их знания, полученные на курсе химии о взаимодействиях, то есть о силах притяжения и отталкивания, были важны для понимания того, как и почему химические соединения, составляющие ДНК, объединяются.
С другой стороны, в своем курсе биологии основной идеей, о которой больше всего говорили студенты, была взаимосвязь структура-функция — то, как форма химических и биологических видов определяет их работу.
Затем был разработан ряд междисциплинарных заданий, которые помогут учащимся использовать основные химические идеи и знания для объяснения реальных биологических явлений.
Студенты рассмотрели основную идею химии и использовали эти знания, чтобы объяснить знакомый сценарий химии. Затем они применили его для объяснения биологического сценария.
В рамках одного мероприятия изучалось воздействие закисления океана на морских раковин. Здесь студентов попросили использовать основные идеи химии, чтобы объяснить, как повышение уровня углекислого газа в морской воде влияет на формирование раковин морских животных, таких как кораллы, моллюски и устрицы.
В других заданиях учащимся предлагалось применить знания химии для объяснения осмоса — того, как вода перемещается в клетки человеческого тела и из них — или как температура может изменить стабильность ДНК человека.
В целом учащиеся были уверены в своих знаниях по химии и могли легко объяснить сценарии по химии. Им было труднее применить те же химические знания для объяснения биологических сценариев.
Что касается подкисления океана, то большинство студентов смогли точно предсказать, как увеличение содержания углекислого газа влияет на уровень кислотности океана. Однако им не всегда удавалось объяснить, как эти изменения влияют на морскую жизнь, препятствуя образованию раковин.
Эти результаты подчеркивают, что остается большой разрыв между тем, что студенты изучают на своих курсах естественных наук, и тем, насколько хорошо они подготовлены для применения этой информации. Эта проблема остается, несмотря на то, что в 2012 году Национальный научный фонд выпустил набор рекомендаций по трехмерному обучению, чтобы помочь преподавателям сделать научное образование более эффективным.
Тем не менее, студенты в нашем исследовании также сообщили, что эти занятия помогли им увидеть связи между двумя дисциплинами, которые они иначе не заметили бы.
Таким образом, мы также получили доказательства того, что наши студенты-химики, по крайней мере, хотели бы иметь возможность получить более глубокое понимание науки и того, как ее применять.
Захилин Д. Рош Оллред, научный сотрудник, кафедра химии и биохимии, Международный университет Флориды
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочитайте оригинальную статью.
