För att ta examen med en naturvetenskaplig majoritet måste studenterna slutföra mellan 40 och 60 kredittimmar av naturvetenskapliga kurser. Det innebär att spendera cirka 2 500 timmar i klassrummet under sin grundutbildning.
Forskning visar dock att trots alla dessa ansträngningar, misslyckas de flesta högskolevetenskapliga kurser studenter endast en fragmenterad förståelse av grundläggande vetenskapliga begrepp. Undervisningsmetoden förstärker att komma ihåg isolerade fakta att flytta från ett kapitel i läroboken till nästa utan att nödvändigtvis göra kopplingar mellan dem, istället lära sig hur man använder informationen och kopplar samman dessa fakta på ett meningsfullt sätt.
Förmågan att skapa dessa kopplingar är viktig även utanför klassrummet eftersom det är kärnan i vetenskaplig läskunnighet: förmågan att använda vetenskaplig kunskap för att korrekt utvärdera information och fatta beslut baserat på bevis.
Liksom kemiutbildningsforskare har jag arbetat sedan 2019 med min kollega Sonya Underwood för att lära mig mer om hur kemistudenter integrerar och tillämpar sina kunskaper i andra naturvetenskapliga discipliner.
I vår senaste studie undersökte vi i vilken utsträckning elever kan använda sina kunskaper om kemi för att förklara biologiska fenomen i den verkliga världen. Vi gjorde detta genom att låta dem göra aktiviteter utformade för att skapa dessa tvärvetenskapliga kopplingar.
Vi fann att även om de flesta av eleverna inte fick liknande möjligheter att förbereda dem för att skapa dessa kopplingar, så skulle aktiviteter som dessa kunna hjälpa – om de inkluderades i läroplanen.
Tredimensionellt lärande
En stor mängd forskning visar att traditionell naturvetenskaplig utbildning, både för naturvetenskapliga huvudämnen och icke-major, inte gör ett bra jobb med att lära naturvetenskapliga studenter hur de ska tillämpa sina vetenskapliga kunskaper och förklara saker som de kanske inte har lärt sig om direkt.
Reklam
Med detta i åtanke har vi utvecklat en serie tvärvetenskapliga aktiviteter som styrs av ett ramverk som kallas “tredimensionellt lärande.”
Kort sagt, tredimensionellt lärande, känd som 3DL, betonar att undervisning, lärande och bedömning av elever måste involvera användningen av grundläggande idéer inom en given disciplin. Den bör också innehålla verktyg och regler som hjälper elever att skapa kontakter inom och mellan discipliner. Slutligen bör det engagera eleverna att använda sina kunskaper. Ramverket är utvecklat utifrån hur människor lär sig som ett sätt att hjälpa alla elever att få en djup förståelse för naturvetenskap.
Vi gjorde detta i samarbete med Rebecca L. Matz, expert inom naturvetenskap, teknik, ingenjörsvetenskap och matematikundervisning. Vi tog sedan dessa aktiviteter in i klassrummet.
Att göra vetenskapliga kopplingar
Till att börja med intervjuade vi 28 förstaårs vetenskaps- eller ingenjörsstudenter. Alla var inskrivna i både inledande kemi- och biologikurser. Vi bad dem identifiera kopplingarna mellan innehållet i dessa kurser och vad de trodde att det var att ta hem meddelanden från varje kurs.
Eleverna svarade med omfattande listor över ämnen, begrepp och färdigheter som de lärt sig i klassen. Vissa, men inte alla, identifierade korrekt huvudidéerna för varje vetenskap. De förstod att deras kunskaper om kemi var avgörande för deras förståelse av biologi, men inte att det omvända kan vara sant.
Eleverna pratade till exempel om hur kunskapen de fick i sin kemikurs om interaktioner – det vill säga attraktionskrafter och frånstötande krafter – var viktig för att förstå hur och varför de kemiska arterna som DNA består av går samman.
För sin biologikurs, å andra sidan, var den huvudsakliga idén som eleverna pratade mest om struktur-funktionsrelationen – hur formen på kemiska och biologiska arter avgör hur de fungerar.
Reklam
En uppsättning tvärvetenskapliga aktiviteter utformades sedan för att vägleda eleverna i att använda de grundläggande idéerna och kunskaperna om kemi för att förklara biologiska fenomen i verkligheten.
Eleverna gick igenom en grundläggande kemiidé och använde denna kunskap för att förklara ett välbekant kemiscenario. De använde det sedan för att förklara ett biologiskt scenario.
En undersökt aktivitet effekterna av havsförsurning på snäckskal. Här ombads eleverna använda grundläggande kemiidéer för att förklara hur stigande halter av koldioxid i havsvatten påverkar skalbyggande marina djur som koraller, musslor och ostron.
Andra aktiviteter krävde att eleverna tillämpade kunskaper om kemi för att förklara osmos – hur vatten transporteras in och ut ur celler i människokroppen – eller hur temperatur kan förändra stabiliteten hos mänskligt DNA.
Överlag kände eleverna säkra på sina kunskaper om kemi och kunde enkelt förklara kemiscenarier. De hade svårare att tillämpa samma kemikunskaper för att förklara biologiska scenarier.
I havsförsurningsaktiviteten kunde majoriteten av eleverna exakt förutsäga hur en ökning av koldioxid skulle påverka havssyranivåerna. Men de har inte alltid kunnat förklara hur dessa förändringar påverkar det marina livet genom att hämma skalbildning.
Dessa resultat visar att det finns ett stort gap mellan vad eleverna lär sig i sina naturvetenskapliga kurser och hur väl de är förberedda att tillämpa den informationen. Detta problem kvarstår trots att National Science Foundation 2012 utfärdade en uppsättning riktlinjer för 3D-inlärning för att hjälpa lärare att göra naturvetenskaplig utbildning mer effektiv.
Men eleverna i vår studie rapporterade också att dessa aktiviteter hjälpte dem att se samband mellan de två disciplinerna som de annars kanske inte hade uppfattat.
Så vi kom också med bevis för att våra kemistudenter åtminstone skulle vilja ha förmågan att få en djupare förståelse för naturvetenskap och hur man tillämpar den.
Zahilyn D. Roche Allred postdoktor, Institutionen för kemi och biokemi, Florida International University
Den här artikeln återpublicerades av The conversation under en Creative Commons-licens. Läs den ursprungliga artikeln.
