12 июля 2022 года.
Чтобы получить высшее образование по естественно-научной специальности, студенты колледжа должны пройти от 40 до 60 кредитных часов по естественно-научным предметам. Это означает, что они проведут около 2 500 часов в классе на протяжении всей своей карьеры студента.
Однако исследования показали, что, несмотря на все эти усилия, большинство курсов по естественным наукам в колледже дают студентам лишь фрагментарное понимание фундаментальных научных концепций. Методика преподавания способствует запоминанию отдельных фактов, переходу от одной главы учебника к другой без обязательного установления связей между ними, вместо того чтобы учить использовать информацию и связывать факты по смыслу.
Умение устанавливать такие связи важно и за пределами класса, потому что это основа научной грамотности: способности использовать научные знания для точной оценки информации и принятия решений на основе фактов.
Как исследователь в области химического образования, я с 2019 года вместе со своей коллегой Соней Андервуд работаю над тем, 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 биологических явлений в реальном мире. Для этого мы попросили их выполнить задания, направленные на установление междисциплинарных связей.
Мы обнаружили, что, несмотря на то, что большинство студентов не имели подобных возможностей, которые подготовили бы их к установлению таких связей, подобные занятия могут помочь, если они станут частью учебной программы.
Трехмерное обучение
Большое количество исследований показывает, что традиционное естественно-научное образование, как для тех, кто изучает естественные науки, так и для тех, кто не изучает, не очень хорошо помогает научить студентов применять свои научные знания и объяснять вещи, о которых они, возможно, не узнали напрямую.
Исходя из этого, мы разработали серию междисциплинарных мероприятий, руководствуясь концепцией, получившей название «трехмерное обучение».
В двух словах, трехмерное обучение, известное как 3DL, подчеркивает, что преподавание, обучение и оценка студентов колледжа должны включать в себя использование фундаментальных идей в рамках дисциплины. Оно также должно включать в себя инструменты и правила, которые помогают студентам устанавливать связи внутри и между дисциплинами. И наконец, оно должно вовлекать студентов в использование своих знаний. Концепция была разработана на основе того, как люди учатся, чтобы помочь всем учащимся глубоко понять науку.
Мы сделали это в сотрудничестве с Ребеккой Л. Матц, экспертом в области естественно-научного, технологического, инженерного и математического образования. Затем мы перенесли эти занятия в классную комнату.
Установление научных связей
Для начала мы опросили 28 студентов первого курса колледжа, специализирующихся на естественных или инженерных науках. Все они посещали вводные курсы по химии и биологии. Мы попросили их определить связь между содержанием этих курсов и тем, что, по их мнению, можно вынести из каждого курса.
В ответ ученики представили обширные списки тем, концепций и навыков, которые они изучали на уроках. Некоторые, но не все, правильно определили основные идеи каждой науки. Они понимали, что их знания по химии необходимы для понимания биологии, но не понимали, что может быть и наоборот.
Например, студенты говорили о том, что знания, полученные ими в курсе химии о взаимодействиях, то есть о притягивающих и отталкивающих силах, важны для понимания того, как и почему химические виды, составляющие ДНК, соединяются друг с другом.
В курсе биологии, напротив, основной идеей, о которой студенты говорили больше всего, была связь между структурой и функцией — как форма химических и биологических видов определяет их работу.
Далее был разработан ряд междисциплинарных заданий, чтобы помочь студентам использовать основные идеи и знания химии для объяснения биологических явлений в реальном мире.
Учащиеся рассмотрели основные идеи химии и использовали эти знания для объяснения знакомого химического сценария. Затем они применили эти знания для объяснения биологического сценария.
В одном из заданий изучалось влияние закисления океана на морские раковины. Студентам было предложено использовать базовые химические понятия, чтобы объяснить, как повышение уровня углекислого газа в морской воде влияет на морских животных, строящих раковины, таких как кораллы, моллюски и устрицы.
В других заданиях студентам предлагалось применить знания по химии для объяснения осмоса — того, как вода переходит в клетки человеческого тела и обратно, — или того, как температура может изменить стабильность человеческой ДНК.
В целом, студенты чувствовали себя уверенно в своих знаниях по химии и могли легко объяснить химические сценарии. Им было сложнее применить те же знания по химии для объяснения биологических сценариев.
В задании по закислению океана большинство учащихся смогли точно предсказать, как увеличение количества углекислого газа влияет на уровень кислотности в океане. Однако они не всегда могли объяснить, как эти изменения влияют на морских обитателей, препятствуя образованию раковин.
Эти результаты свидетельствуют о том, что между тем, что студенты изучают в рамках естественно-научных курсов, и тем, насколько хорошо они подготовлены к применению этой информации, существует большой разрыв. Эта проблема сохраняется, несмотря на то, что в 2012 году Национальный научный фонд выпустил набор руководств по трехмерному обучению, призванных помочь педагогам сделать естественно-научное образование более эффективным.
Однако студенты, участвовавшие в нашем исследовании, также отметили, что эти занятия помогли им увидеть связи между двумя дисциплинами, которые они не заметили бы в противном случае.
Таким образом, мы получили доказательства того, что наши студенты-химики, по крайней мере, хотели бы иметь возможность глубже понять науку и то, как ее применять.
Автор: Захилин Д. Рош Оллред, постдокторский научный сотрудник факультета химии и биохимии Международного университета Флориды.
