Naturwissenschaftliche Bildung

Naturwissenschaftliche Bildung umfasst das Lehren und Lernen von Naturwissenschaften an Schüler, Studierende und Erwachsene in der breiten Öffentlichkeit. Das Feld der naturwissenschaftlichen Bildung beinhaltet die Arbeit an naturwissenschaftlichen Inhalten, dem wissenschaftlichen Prozess (der wissenschaftlichen Methode ), einigen Sozialwissenschaften und Teilen der Didaktik .

Die Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht legen die Erwartungen an die Entwicklung des Verständnisses von Schülerinnen und Schülern während ihrer gesamten Schulzeit (K-12) und darüber hinaus fest. Zu den traditionellen Fächern, die in den Standards enthalten sind, gehören Physik , Biologie , Geowissenschaften , Weltraumwissenschaften und Humanwissenschaften .

Als erster Mensch gilt William Sharp als angestellter Naturwissenschaftslehrer an einer britischen Privatschule . Er verließ die Rugby School im Jahr 1850, nachdem er Naturwissenschaften in den Lehrplan aufgenommen hatte. Sharp soll ein Modell für den naturwissenschaftlichen Unterricht im gesamten britischen Privatschulsystem geschaffen haben . ^{[ 1 ]}

Die British Association for the Advancement of Science (BAAS) veröffentlichte 1867 einen Bericht ^{[ 2 ]} , in dem sie die Vermittlung von „reiner Wissenschaft“ und die Schulung einer „wissenschaftlichen Denkweise“ forderte. Die Reformpädagogikbewegung unterstützte die Ideologie der geistigen Schulung durch die Naturwissenschaften. Die BAAS betonte die Notwendigkeit einer separaten, berufsvorbereitenden Ausbildung im naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufe. Dadurch sollten zukünftige BAAS-Mitglieder vorbereitet werden.

Die anfängliche Entwicklung des naturwissenschaftlichen Unterrichts wurde durch den Mangel an qualifizierten Lehrkräften gebremst. Eine wichtige Entwicklung war die Gründung des ersten Londoner Schulrats im Jahr 1870, der den Lehrplan erörterte; eine weitere war die Einrichtung von Kursen zur Ausbildung von Naturwissenschaftslehrern. In beiden Fällen war der Einfluss von Thomas Henry Huxley maßgeblich . Auch John Tyndall hatte großen Einfluss auf den Physikunterricht. ^{[ 3 ]}

In den Vereinigten Staaten war der naturwissenschaftliche Unterricht vor seiner Standardisierung in den 1890er Jahren ein Flickenteppich an Fächern. ^{[ 4 ]} Die Entwicklung eines naturwissenschaftlichen Lehrplans vollzog sich allmählich nach einer längeren Debatte zwischen zwei Ideologien: der Bürgerwissenschaft und der vorberuflichen Ausbildung. Als Ergebnis einer Konferenz von dreißig führenden Pädagogen aus Sekundar- und Hochschulen in Florida setzte die National Education Association 1892 ein Zehnerkomitee ein. Dieses Komitee war befugt, künftige Treffen zu organisieren und Fachkomitees für die wichtigsten Fächer der Sekundarstufe zu ernennen. Das Komitee bestand aus zehn Pädagogen und wurde von Charles Eliot von der Harvard University geleitet. Das Zehnerkomitee berief neun Konferenzkomitees ein: Latein ; Griechisch ; Englisch ; Andere moderne Fremdsprachen ; Mathematik ; Geschichte ; Staatsbürgerkunde und Politische Ökonomie ; Physik, Astronomie und Chemie; Naturgeschichte; und Geographie. Jedes Komitee setzte sich aus zehn führenden Spezialisten von Hochschulen, Lehrerseminaren und Sekundarschulen zusammen. Die Berichte der Komitees wurden dem Zehnerkomitee vorgelegt, das sich vier Tage lang in New York City traf , um einen umfassenden Bericht zu erstellen. ^{[ 5 ]} Im Jahr 1894 veröffentlichte die NEA die Ergebnisse der Arbeit dieser Konferenzkomitees. ^{[ 5 ]}

Laut dem Zehnerkomitee bestand das Ziel der High School darin, alle Schüler auf ein erfolgreiches Leben vorzubereiten und so zu ihrem Wohlbefinden und dem Wohl der Gesellschaft beizutragen. Ein weiteres Ziel war es, einige Schüler auf ein erfolgreiches Studium vorzubereiten. ^{[ 6 ]}

Dieses Komitee unterstützte den Citizen-Science-Ansatz mit Schwerpunkt auf mentalem Training und schloss Leistungen in naturwissenschaftlichen Studien von der Hochschulzulassung aus. ^{[ 7 ]} Die BAAS befürwortete ihr in Großbritannien etabliertes Modell. ^{[ 8 ]} Die USA führten einen Lehrplan ein, der wie folgt charakterisiert wurde: ^{[ 5 ]}

• Der naturwissenschaftliche Unterricht in der Elementarstufe sollte sich auf einfache Naturphänomene (Naturkunde) konzentrieren, und zwar mittels Experimenten, die „im Freien“ durchgeführt werden.
• Der naturwissenschaftliche Unterricht in der Sekundarstufe sollte sich auf Laborarbeit und die vom Komitee erstellten Listen spezifischer Experimente konzentrieren.
• Vermittlung von Fakten und Prinzipien
• Hochschulvorbereitung

Das Format des gemeinsamen mentalen Trainings und der berufsvorbereitenden Ausbildung prägte den Lehrplan von Anfang an bis heute. Die Bewegung hin zu einem humanistischen Ansatz, wie der Einbeziehung der Künste (STEAM) , der naturwissenschaftlichen, technischen, gesellschaftlichen und umweltbezogenen Bildung, gewinnt jedoch an Bedeutung und wird im späten 20. Jahrhundert zunehmend umgesetzt. Berichte der American Academy for the Advancement of Science (AAAS), darunter das Projekt 2061, und des National Committee on Science Education Standards and Assessment beschreiben detailliert Ziele für den naturwissenschaftlichen Unterricht, die den Unterricht mit praktischen Anwendungen und gesellschaftlichen Auswirkungen verknüpfen.

Die Wissenschaft ist ein universelles Fachgebiet, das den Wissenszweig umfasst, der die Struktur und das Verhalten der physikalischen und natürlichen Welt durch Beobachtung und Experiment untersucht. ^{[ 9 ]} Der naturwissenschaftliche Unterricht wird üblicherweise in die drei Bereiche Biologie , Chemie und Physik unterteilt . Darüber hinaus gibt es eine umfangreiche wissenschaftliche Literatur, die sich für die Einbeziehung der Lehre vom Wesen der Wissenschaft ausspricht , welche nach und nach in die nationalen Lehrpläne aufgenommen wird. ^{[ 10 ]}

Der Physikunterricht ist durch das Studium der Wissenschaft gekennzeichnet, die sich mit Materie und Energie sowie deren Wechselwirkungen befasst. ^{[ 11 ]}

Physics First , ein von der American Association of Physics Teachers (AAPT) empfohlenes Programm , ist ein Lehrplan, in dem Schüler der 9. Klasse einen Einführungskurs in Physik belegen. Ziel ist es, das physikalische Verständnis der Schüler zu vertiefen und eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Grundlagen in den nachfolgenden Biologie- und Chemiekursen der Oberstufe zu ermöglichen. Außerdem soll die Zahl der Schüler erhöht werden, die anschließend Physik in der 12. Klasse oder AP-Physik belegen, die in amerikanischen High Schools in der Regel Wahlfächer sind. ^[22]

Der Physikunterricht an US-amerikanischen High Schools hat in den letzten zwanzig Jahren gelitten, da viele Bundesstaaten mittlerweile nur noch drei Naturwissenschaften vorschreiben, die durch Erdkunde/Physik, Chemie und Biologie abgedeckt werden können. Dass viele Schüler in der High School keinen Physikunterricht haben, erschwert ihnen den Zugang zu naturwissenschaftlichen Kursen an der Universität.

At the university/college level, using appropriate technology-related projects to spark non-physics majors' interest in learning physics has been shown to be successful.^[23] This is a potential opportunity to forge the connection between physics and social benefit.

Chemistry education is characterized by the study of science that deals with the composition, structure, and properties of substances and the transformations that they undergo.^[12]

Chemistry is the study of chemicals and the elements and their effects and attributes. Students in chemistry learn the periodic table. The branch of science education known as "chemistry must be taught in a relevant context in order to promote full understanding of current sustainability issues."^[13] As this source states chemistry is a very important subject in school as it teaches students to understand issues in the world. As children are interested by the world around them chemistry teachers can attract interest in turn educating the students further.^[14] The subject of chemistry is a very practical based subject meaning most of class time is spent working or completing experiments.

Biology education is characterized by the study of structure, function, heredity, and evolution of all living organisms.^[15] Biology itself is the study of living organisms, through different fields including morphology, physiology, anatomy, behavior, origin, and distribution.^[16]

Depending on the country and education level, there are many approaches to teaching biology. In the United States, there is a growing emphasis on the ability to investigate and analyze biology related questions over an extended period of time.^[17] Current biological education standards are based on decisions made by the Committee of Ten, who aimed to standardize pre-college learning in 1892.^[18] The Committee emphasized the importance of learning natural history (biology) first, focusing on observation through laboratory work.

Die naturwissenschaftliche Bildung befasst sich damit, wie Wissenschaft eine menschliche Initiative ist, wie sie mit der Gesellschaft interagiert, was Wissenschaftler tun, wie wissenschaftliches Wissen entsteht und ausgetauscht wird, wie es sich weiterentwickelt und wie es angewendet wird. Sie betont den empirischen Charakter und die verschiedenen Methoden der Wissenschaft. Ziel der naturwissenschaftlichen Bildung ist es, Schülerinnen und Schüler zu befähigen, wissenschaftliche und pseudowissenschaftliche Aussagen zu bewerten, sie für das Studium der Naturwissenschaften zu begeistern und sie besser auf eine Karriere in der Wissenschaft oder in einem wissenschaftsnahen Bereich vorzubereiten. ^{[ 19 ]}

Während das öffentliche Bild von naturwissenschaftlichem Unterricht oft das bloße Auswendiglernen von Fakten beinhaltet , konzentriert sich der naturwissenschaftliche Unterricht in der jüngeren Geschichte generell auch auf die Vermittlung naturwissenschaftlicher Konzepte und die Behebung von Fehlvorstellungen , die Lernende in Bezug auf naturwissenschaftliche Konzepte oder andere Inhalte haben könnten. Thomas Kuhn , dessen 1962 erschienenes Buch „ Die Struktur wissenschaftlicher Revolutionen“ die postpositivistische Wissenschaftsphilosophie maßgeblich beeinflusste , argumentierte, dass die traditionelle Lehrmethode in den Naturwissenschaften tendenziell ein starres Denken hervorbringt . ^{[ 20 ] [ 21 ]}

Seit den 1980er Jahren ist der naturwissenschaftliche Unterricht stark vom Konstruktivismus geprägt. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} Der Konstruktivismus im naturwissenschaftlichen Unterricht basiert auf einem umfangreichen Forschungsprogramm zum Denken und Lernen von Schülerinnen und Schülern in den Naturwissenschaften, insbesondere zur Frage, wie Lehrkräfte den konzeptuellen Wandel hin zu kanonischem wissenschaftlichem Denken fördern können. Der Konstruktivismus betont die aktive Rolle der Lernenden, die Bedeutung des vorhandenen Wissens und Verständnisses für den Lernprozess sowie die Wichtigkeit eines Unterrichts, der die Lernenden optimal unterstützt. ^{[ 25 ]}

Laut einem Policy Forum in der Zeitschrift Science aus dem Jahr 2004 umfasst wissenschaftliches Lehren „aktive Lernstrategien, um die Schüler aktiv in den wissenschaftlichen Prozess einzubinden, sowie Lehrmethoden, die systematisch getestet wurden und nachweislich unterschiedliche Schülergruppen erreichen.“ ^{[ 26 ]}

Der 2007 erschienene Band Scientific Teaching ^{[ 27 ]} listet drei Hauptgrundsätze des wissenschaftlichen Unterrichts auf:

• Aktives Lernen : Ein Prozess, bei dem Schüler aktiv in den Lernprozess eingebunden sind. Dazu gehören beispielsweise forschendes Lernen, kooperatives Lernen oder schülerzentriertes Lernen.
• Bewertung : Instrumente zur Messung des Fortschritts und der Erreichung der Lernziele.
• Diversität : Die Bandbreite an Unterschieden, die jeden Studierenden, jede Studierendengruppe und jede Lehrerfahrung einzigartig machen. Diversität umfasst alles im Klassenzimmer: die Studierenden, die Lehrenden, die Inhalte, die Lehrmethoden und den Kontext.

Diese Elemente sollten pädagogischen Entscheidungen im Unterricht zugrunde liegen. Die Lernumgebung „ SCALE-UP “ ist ein Beispiel für die Anwendung des wissenschaftlichen Lehransatzes. In der Praxis nutzt der wissenschaftliche Unterricht ein „rückwärtsgerichtetes Design“. Die Lehrkraft legt zunächst fest, was die Studierenden wissen und können sollen (Lernziele), bestimmt dann, woran man das Erreichen dieser Lernziele erkennen kann, und entwickelt anschließend entsprechende Prüfungen. Abschließend plant die Lehrkraft die Lernaktivitäten, die das Lernen der Studierenden durch wissenschaftliches Entdecken fördern sollen. ^{[ 28 ]}

Im modernen naturwissenschaftlichen Unterricht spielen verschiedene pädagogische Ansätze eine wichtige Rolle. Jeder dieser Ansätze basiert auf einem anderen philosophischen Hintergrund und beinhaltet unterschiedliche Unterrichtsstrategien. Dazu gehört die lehrerzentrierte Pädagogik, ein traditioneller behavioristischer Ansatz, bei dem die Lehrkraft die Hauptwissensquelle darstellt und den Lernprozess steuert. Heutzutage werden jedoch häufig konstruktivistischere Ansätze bevorzugt, die stärker auf die Lernenden ausgerichtet sind. Beim reinen entdeckenden Lernen arbeiten die Lernenden autonom, während die Lehrkraft nur eine minimale Rolle spielt. Noch beliebter ist jedoch der lerngeleitete Ansatz, bei dem die Lehrkraft das Lernen begleitet und unterstützt. Spezifische praktische Beispiele für diesen Ansatz sind verfügbar. ^{[ 29 ] [ 30 ]} Eine weitere Form ist das forschende Lernen, bei dem die Lernenden die Rolle der Forscher übernehmen und die Lehrkraft häufig erste Forschungsfragen vorgibt. ^{[ 31 ]} Im praktischen und erfahrungsorientierten naturwissenschaftlichen Unterricht liegt der Schwerpunkt auf praktischen Experimenten, bei denen die Lernenden selbstständig experimentieren. Je nach Kontext und Unterrichtsinhalt wird oft eine Kombination der genannten Methoden eingesetzt.

Die Praxis des naturwissenschaftlichen Unterrichts wird zunehmend durch Forschungsergebnisse zum Lehren und Lernen in den Naturwissenschaften beeinflusst. Diese Forschung stützt sich auf ein breites Spektrum an Methoden , die aus verschiedenen Bereichen der Natur- und Ingenieurwissenschaften wie Informatik, Kognitionswissenschaft, Kognitionspsychologie und Anthropologie entlehnt sind. Ziel der naturwissenschaftlichen Unterrichtsforschung ist es, zu definieren und zu charakterisieren, was Lernen in den Naturwissenschaften ausmacht und wie es zustande kommt.

John D. Bransford et al. fassten umfangreiche Forschungsergebnisse zum studentischen Denken in drei zentralen Punkten zusammen:

Vorurteile

Vorgefasste Meinungen darüber, wie Dinge funktionieren, sind erstaunlich hartnäckig, und Lehrkräfte müssen die spezifischen Fehlvorstellungen eines Schülers explizit ansprechen, damit dieser seine Fehlvorstellung zugunsten einer anderen Erklärung korrigieren kann. Daher ist es unerlässlich, dass Lehrkräfte lernen, die Vorannahmen ihrer Schüler zu erkennen und dies regelmäßig in ihre Unterrichtsplanung einzubeziehen.

Wissensorganisation

Um in einem naturwissenschaftlichen Bereich wirklich kompetent zu werden, müssen Schülerinnen und Schüler „(a) über ein solides Fundament an Faktenwissen verfügen, (b) Fakten und Ideen im Kontext eines konzeptionellen Rahmens verstehen und (c) Wissen so organisieren, dass es leicht abgerufen und angewendet werden kann.“ ^{[ 32 ]}

Metakognition

Studierende profitieren davon, ihr eigenes Denken und Lernen zu reflektieren. Ihnen müssen Methoden beigebracht werden, ihr Wissen und ihre Wissenslücken, ihre Denkweisen und ihre Schlussfolgerungen zu bewerten. Einige Pädagogen und andere haben die Auseinandersetzung mit Pseudowissenschaften praktiziert und befürwortet , um wissenschaftliches Denken zu verstehen und die durch Pseudowissenschaften aufgeworfenen Probleme anzugehen. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

Bildungstechnologien werden weiterentwickelt, um den spezifischen Bedürfnissen von Naturwissenschaftslehrern gerecht zu werden. Eine Studie, die den Einsatz von Mobiltelefonen im naturwissenschaftlichen Unterricht an Hochschulen untersuchte, zeigte, dass mobile Technologien das Engagement und die Motivation der Studierenden im naturwissenschaftlichen Unterricht steigern können. ^{[ 35 ]}

Laut einer Bibliografie konstruktivistisch orientierter Forschung zum Lehren und Lernen von Naturwissenschaften aus dem Jahr 2005 wurden etwa 64 Prozent der dokumentierten Studien im Bereich Physik, 21 Prozent im Bereich Biologie und 15 Prozent im Bereich Chemie durchgeführt. ^{[ 36 ]} Der Hauptgrund für diese Dominanz der Physik in der Lehr- und Lernforschung scheint darin zu liegen, dass das Verständnis der Physik aufgrund ihrer spezifischen Natur Schwierigkeiten bereitet. ^{[ 37 ]} Untersuchungen zu den Vorstellungen von Schülerinnen und Schülern haben gezeigt, dass die meisten ihrer vor dem Unterricht vorhandenen (alltäglichen) Vorstellungen im Physikunterricht im starken Widerspruch zu den zu vermittelnden physikalischen Konzepten und Prinzipien stehen – vom Kindergarten bis zur Hochschule. Häufig sind die Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler mit physikalischen Sichtweisen unvereinbar. ^{[ 38 ]} Dies gilt auch für die allgemeineren Denk- und Argumentationsmuster der Schülerinnen und Schüler. ^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}

Wie in England und Wales ist der naturwissenschaftliche Unterricht in Australien bis zur 11. Klasse verpflichtend. Anschließend können die Schülerinnen und Schüler einen oder mehrere der oben genannten Zweige wählen. Wer sich nicht weiter für Naturwissenschaften interessiert, kann auch keinen Zweig belegen. Bis zur 11. Klasse ist der naturwissenschaftliche Zweig ein einheitlicher Kurs, sodass die Schülerinnen und Schüler alle Zweige kennenlernen und sich ein umfassendes Bild der Naturwissenschaften machen. Der australische Nationale Lehrplanrat (National Curriculum Board of Australia , 2009) erklärte: „Der naturwissenschaftliche Lehrplan gliedert sich in drei miteinander verbundene Bereiche: naturwissenschaftliches Verständnis, naturwissenschaftliche Forschungskompetenzen und Naturwissenschaft als menschliche Tätigkeit.“ ^{[ 42 ]} Diese Bereiche geben Lehrkräften und Pädagogen den Rahmen für ihren Unterricht vor.

Im Jahr 2011 wurde berichtet, dass ein gravierendes Problem im australischen naturwissenschaftlichen Unterricht der letzten zehn Jahre das schwindende Interesse an Naturwissenschaften ist. Immer weniger Schüler der 10. Klasse entscheiden sich für den naturwissenschaftlichen Zweig in der 11. Klasse, was problematisch ist, da in diesen Jahren die Einstellung zu einer späteren naturwissenschaftlichen Karriere geprägt wird. ^{[ 43 ]} Dieses Problem ist nicht auf Australien beschränkt, sondern tritt weltweit auf.

Die Bildungsqualität in China leidet darunter, dass eine typische Klasse 50 bis 70 Schüler umfasst. Mit über 200 Millionen Schülern verfügt China über das größte Bildungssystem der Welt. Allerdings schließen nur 20 % der Schüler das anspruchsvolle zehnjährige formale Schulprogramm ab. ^{[ 44 ]}

Wie in vielen anderen Ländern umfasst der naturwissenschaftliche Lehrplan aufeinander aufbauende Kurse in Physik, Chemie und Biologie. Der naturwissenschaftlichen Bildung wird hohe Priorität eingeräumt und sie basiert auf Lehrbüchern, die von Wissenschaftler- und Lehrergremien erstellt werden. Der naturwissenschaftliche Unterricht in China legt großen Wert auf Auswendiglernen und schenkt Problemlösung, der Anwendung von Prinzipien auf neue Situationen, Interpretationen und Vorhersagen deutlich weniger Aufmerksamkeit. ^{[ 44 ]}

In England und Wales ist Naturwissenschaft ein Pflichtfach im nationalen Lehrplan. Alle Schülerinnen und Schüler von 5 bis 16 Jahren müssen Naturwissenschaften belegen. Bis zur Oberstufe wird Naturwissenschaft in der Regel als einheitliches Fach unterrichtet, danach wird sie in die drei fachspezifischen A-Levels ( Physik , Chemie und Biologie ) aufgeteilt. Die Regierung hat jedoch den Wunsch geäußert, dass Schülerinnen und Schüler, die im Alter von 14 Jahren gute Leistungen erbringen, ab September 2008 die Möglichkeit erhalten sollen, die drei Naturwissenschaften separat zu studieren. ^{[ 45 ]} In Schottland werden die Fächer Chemie, Physik und Biologie im Alter von 13 bis 15 Jahren für die National 4/5- Prüfungen aufgeteilt. Es gibt außerdem eine kombinierte naturwissenschaftliche Standardqualifikation, die Schülerinnen und Schüler ablegen können, sofern ihre Schule diese anbietet.

Im September 2006 wurde in britischen Schulen ein neues naturwissenschaftliches Lehrprogramm namens „21st Century Science“ als Wahlfach für den GCSE- Abschluss eingeführt . Ziel war es, „allen 14- bis 16-Jährigen eine wertvolle und inspirierende Erfahrung mit Naturwissenschaften zu ermöglichen“ ^{[ 46 ]} . Eine Ofsted-Umfrage zum naturwissenschaftlichen Unterricht an Schulen im November 2013 ^{[ 47 ]} ergab jedoch, dass der praktische naturwissenschaftliche Unterricht als nicht ausreichend wichtig erachtet wurde ^{[ 48 ]} . An den meisten englischen Schulen haben Schüler die Möglichkeit, im Rahmen ihrer GCSE-Prüfungen ein separates naturwissenschaftliches Programm zu belegen. Dies führt dazu, dass sie am Ende der 11. Klasse sechs Prüfungen ablegen. Dieser Kurs belegt in der Regel einen ihrer Wahlpflichtblöcke und erfordert mehr naturwissenschaftlichen Unterricht als für Schüler, die sich gegen die Teilnahme an diesem separaten Programm entscheiden oder nicht dazu eingeladen werden. Andere Schüler, die den obligatorischen Zusatzkurs nicht belegen, legen vier Prüfungen ab und erhalten somit zwei GCSE-Abschlüsse, im Gegensatz zu den drei GCSE-Abschlüssen, die durch die separate Belegung des naturwissenschaftlichen Programms erworben werden.

In vielen US-Bundesstaaten müssen sich Lehrkräfte der Klassenstufen K-12 an strenge Vorgaben halten, welche Inhalte welchen Altersgruppen vermittelt werden sollen. Dies führt häufig dazu, dass Lehrkräfte den Stoff nur oberflächlich behandeln, ohne ihn wirklich zu vermitteln. Zudem wird der wissenschaftliche Prozess , einschließlich Elementen wie der wissenschaftlichen Methode und kritischem Denken , oft vernachlässigt. Diese Fokussierung kann dazu führen, dass Schüler standardisierte Tests bestehen, ohne komplexe Problemlösungskompetenzen entwickelt zu haben. ^{[ 49 ]} Obwohl die naturwissenschaftliche Ausbildung an amerikanischen Hochschulen tendenziell weniger reglementiert ist, ist sie tatsächlich anspruchsvoller, da Dozenten und Professoren in derselben Zeit mehr Inhalte vermitteln. ^{[ 50 ]}

1996 veröffentlichte die US-amerikanische National Academy of Sciences (eine der Nationalen Akademien der Wissenschaften) die „National Science Education Standards“ , die online in verschiedenen Formaten kostenlos verfügbar sind. Ihr Fokus auf forschendes Lernen im naturwissenschaftlichen Unterricht , basierend auf dem Konstruktivismus anstatt auf der direkten Vermittlung von Fakten und Methoden, ist weiterhin umstritten. ^{[ 50 ]} Einige Studien deuten darauf hin, dass dieses Modell für den naturwissenschaftlichen Unterricht effektiver ist.

Die Standards fordern mehr als nur „Wissenschaft als Prozess“, bei dem Schülerinnen und Schüler Fähigkeiten wie Beobachten, Schlussfolgern und Experimentieren erlernen. Forschendes Lernen ist zentral für den naturwissenschaftlichen Unterricht. Dabei beschreiben sie Objekte und Ereignisse, stellen Fragen, entwickeln Erklärungen, überprüfen diese anhand des aktuellen wissenschaftlichen Kenntnisstands und kommunizieren ihre Ideen an andere. Sie identifizieren ihre Annahmen, wenden kritisches und logisches Denken an und ziehen alternative Erklärungen in Betracht. Auf diese Weise entwickeln sie aktiv ihr Verständnis von Naturwissenschaften, indem sie wissenschaftliches Wissen mit Denk- und Argumentationsfähigkeiten verknüpfen. ^{[ 51 ]}

Die Besorgnis um die naturwissenschaftliche Bildung und die naturwissenschaftlichen Standards rührt oft von der Sorge her, dass amerikanische Schüler und sogar Lehrer ^{[ 52 ]} in internationalen Rankings hinter ihren Altersgenossen zurückbleiben . ^{[ 53 ]} Ein bemerkenswertes Beispiel war die Welle von Bildungsreformen, die nach dem Start des sowjetischen Satelliten Sputnik im Jahr 1957 umgesetzt wurden. ^{[ 54 ]} Die erste und bedeutendste dieser Reformen wurde vom Physical Science Study Committee am MIT geleitet . In den letzten Jahren haben Wirtschaftsführer wie Microsoft-Chef Bill Gates eine stärkere Betonung der naturwissenschaftlichen Bildung gefordert und erklärt, die USA riskierten, ihren wirtschaftlichen Vorsprung zu verlieren. ^{[ 55 ]} Zu diesem Zweck hat sich die Organisation „Tapping America’s Potential“ zum Ziel gesetzt, mehr Studierende zu einem Abschluss in Naturwissenschaften, Technologie, Ingenieurwesen und Mathematik zu bewegen. ^{[ 56 ]} Meinungsumfragen zeigen jedoch, dass die meisten US-Eltern der naturwissenschaftlichen Bildung gegenüber gleichgültig sind und ihre Besorgnis in den letzten Jahren sogar abgenommen hat. ^{[ 57 ]}

Darüber hinaus deckten Forscher in der jüngsten nationalen Lehrplanstudie von ACT eine mögliche Diskrepanz zwischen naturwissenschaftlichen Lehrkräften auf. „Sowohl Lehrkräfte an Mittel- und Oberstufen als auch Dozenten an Hochschulen bewerten prozessorientiertes Lernen und forschendes Lernen als wichtiger als fortgeschrittene naturwissenschaftliche Inhalte; Oberstufenlehrer hingegen bewerten sie genau umgekehrt.“ Möglicherweise ist eine intensivere Kommunikation zwischen Lehrkräften verschiedener Jahrgangsstufen notwendig, um gemeinsame Lernziele für die Schülerinnen und Schüler zu gewährleisten. ^{[ 58 ]}

Laut einem Bericht der Nationalen Akademie der Wissenschaften nehmen Wissenschaft, Technologie und Bildung eine zentrale Rolle in der modernen Welt ein. Dennoch gibt es in den Vereinigten Staaten nicht genügend Fachkräfte für die MINT-Berufe (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik). Im Jahr 2012 entwickelte das Komitee der Nationalen Akademie der Wissenschaften für einen konzeptionellen Rahmen für neue Bildungsstandards im naturwissenschaftlichen Unterricht der Klassenstufen K-12 einen Leitfaden zur Standardisierung des naturwissenschaftlichen Unterrichts in den Klassenstufen K-12. Ziel war es, den naturwissenschaftlichen Unterricht systematisch über die gesamte Schulzeit hinweg zu organisieren. Die Publikation mit dem Titel „ A Framework for K-12 Science Education: Practices, Crosscutting Concepts, and Core Ideas“ (Ein Rahmen für den naturwissenschaftlichen Unterricht in der Klasse K-12: Praktiken, übergreifende Konzepte und Kernideen) wirbt für die Standardisierung des naturwissenschaftlichen Unterrichts in den USA. Sie betont, dass sich Lehrkräfte auf eine begrenzte Anzahl disziplinärer Kernideen und übergreifender Konzepte konzentrieren sollten. Der Unterricht sollte so gestaltet sein, dass Schülerinnen und Schüler ihr Wissen und ihre Fähigkeiten über mehrere Jahre hinweg kontinuierlich erweitern und anpassen können. Zudem sollte die Integration dieses Wissens und dieser Fähigkeiten in die Praktiken gefördert werden, die für wissenschaftliches Forschen und ingenieurwissenschaftliches Entwerfen erforderlich sind. ^{[ 59 ]}

Der Bericht besagt, dass Amerikaner im 21. Jahrhundert naturwissenschaftliche Bildung benötigen, um sich mit Fragen auseinanderzusetzen, die ihre persönlichen und gemeinschaftlichen Prioritäten betreffen, und diese systematisch zu untersuchen, um wissenschaftlich zu argumentieren und naturwissenschaftliches Wissen anwenden zu können. Das Komitee, das diesen neuen Rahmen entworfen hat, sieht darin eine Notwendigkeit der Bildungsgerechtigkeit für die vielfältige Schülerschaft. Mehr Schülerinnen und Schüler unterschiedlicher Herkunft für MINT-Fächer zu gewinnen , ist aus Sicht des Komitees eine Frage der sozialen Gerechtigkeit. ^{[ 60 ]}

Im Jahr 2013 wurden neue Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht veröffentlicht, die die 1996 veröffentlichten nationalen Standards aktualisieren. Die von 26 Bundesstaaten und nationalen Organisationen von Wissenschaftlern und Naturwissenschaftslehrern entwickelten Richtlinien, die unter dem Namen „ Next Generation Science Standards “ bekannt sind, sollen „weit verbreitete naturwissenschaftliche Unwissenheit bekämpfen, den Unterricht in den Bundesstaaten vereinheitlichen und die Zahl der Highschool-Absolventen erhöhen, die sich für ein naturwissenschaftliches oder technisches Studium entscheiden…“. Sie enthalten unter anderem Richtlinien für den Unterricht zu Themen wie Klimawandel und Evolution. Ein Schwerpunkt liegt auf der Vermittlung des wissenschaftlichen Prozesses, damit die Schüler die Methoden der Wissenschaft besser verstehen und wissenschaftliche Erkenntnisse kritisch bewerten können. Zu den Organisationen, die an der Entwicklung der Standards mitgewirkt haben, gehören die National Science Teachers Association , die American Association for the Advancement of Science , der National Research Council und Achieve, eine gemeinnützige Organisation, die auch an der Entwicklung von Mathematik- und Englischstandards beteiligt war. ^{[ 61 ] [ 62 ]}

Der naturwissenschaftliche Unterricht in den Vereinigten Staaten wird durch die Next Generation Science Standards (NGSS) vorgegeben, die im April 2013 veröffentlicht wurden. Ziel der NGSS ist die Etablierung eines standardisierten naturwissenschaftlichen Lehrplans von der Vorschule bis zur 12. Klasse. Diese Standards wurden in der Hoffnung eingeführt, das bisherige naturwissenschaftliche Unterrichtssystem zu reformieren und durch verbesserte Lehrpläne und Lehrerfortbildungen höhere Schülerleistungen zu fördern. Die Next Generation Science Standards bestehen aus drei Komponenten: fachlichen Kernideen, naturwissenschaftlichen und ingenieurwissenschaftlichen Praktiken sowie übergreifenden Konzepten. Diese werden als die drei Dimensionen der Next Generation Science Standards bezeichnet. Innerhalb dieser Standards wird Wert auf die Angleichung an die Common Core State Standards für die Klassenstufen K-12 gelegt. ^{[ 63 ]} Die Dimension „Naturwissenschaftliche und ingenieurwissenschaftliche Praktiken“ konzentriert sich auf das Erlernen der wissenschaftlichen Methode durch die Schüler. Dies bedeutet, dass diese Dimension die praktische Anwendung von Naturwissenschaften in den Mittelpunkt stellt und den Schülern die Möglichkeit gibt, wissenschaftliche Prozesse zu beobachten, Hypothesen aufzustellen und Ergebnisse zu beobachten. Diese Dimension hebt die empirischen Methoden der Naturwissenschaften hervor. Die Dimension „Übergangskonzepte“ betont das Verständnis zentraler Themen innerhalb der Naturwissenschaften. Die „übergreifenden Konzepte“ sind Themen, die in vielen verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen durchgängig relevant sind, wie beispielsweise der Fluss von Energie und Materie, Ursache und Wirkung, Systeme und Systempraktiken, Muster, das Verhältnis von Struktur und Funktion sowie Stabilität und Wandel. Die Darstellung dieser Schlüsselthemen dient dem generalisierten Lernen; ihre Wirksamkeit beruht darauf, dass diese Konzepte in allen wissenschaftlichen Disziplinen von Bedeutung sind. Ziel ist es, dass Studierende durch das Erlernen dieser Konzepte ein umfassendes Verständnis der Naturwissenschaften entwickeln. Die Dimension „disziplinäre Kernideen“ beschreibt eine Reihe von Schlüsselideen für jedes wissenschaftliche Fachgebiet. So verfügt beispielsweise die Physik über bestimmte, im Rahmenwerk festgelegte Kernideen. ^{[ 64 ]}

Die Common Core -Bildungsstandards betonen Lese-, Schreib- und Kommunikationsfähigkeiten. Ziel dieser Standards für Englisch und Mathematik war es, messbare Lernziele für Schülerinnen und Schüler zu formulieren, die mit den Standards anderer Länder übereinstimmen, um Schülerinnen und Schüler in den Vereinigten Staaten auf den Erfolg im globalen Wettbewerb vorzubereiten. Sie sollen anspruchsvolle akademische Standards setzen und Schülerinnen und Schüler auf ein Hochschulstudium vorbereiten. Darüber hinaus ist festgelegt, dass Schülerinnen und Schüler mit Behinderungen im Rahmen der Common Core-Standards durch einen individuellen Förderplan (IEP) angemessen unterstützt werden müssen. Gemäß diesen Standards ist das Verständnis wissenschaftlicher Texte zu einer wichtigen Kompetenz geworden, die Schülerinnen und Schüler mithilfe von Lehrbüchern erlernen. ^{[ 64 ]}

Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass Schülerinnen und Schüler Naturwissenschaften effektiver durch handlungsorientiertes, aktivitätsbasiertes und forschendes Lernen erlernen als durch das Lernen aus Lehrbüchern. Insbesondere Schülerinnen und Schüler mit Lernschwierigkeiten erzielen in Tests bessere Ergebnisse, nachdem sie Naturwissenschaften durch Aktivitäten statt durch lehrbuchbasiertes Lernen erlernt haben. Daher wird argumentiert, dass Naturwissenschaften besser durch Erfahrungslernen vermittelt werden. Darüber hinaus wurde berichtet, dass Schülerinnen und Schüler, insbesondere solche mit Lernschwierigkeiten, aktivitätsbasiertes Lernen bevorzugen und es als effektiver empfinden. Solche Erkenntnisse können dazu beitragen, die Art und Weise des naturwissenschaftlichen Unterrichts zu verbessern und ihn für Schülerinnen und Schüler aller Leistungsstufen optimal zu gestalten. ^{[ 65 ]} Das Labor ist ein grundlegendes Beispiel für handlungsorientiertes, aktivitätsbasiertes Lernen. Im Labor verwenden Schülerinnen und Schüler Materialien, um wissenschaftliche Konzepte und Phänomene zu beobachten. Die Laborarbeit im naturwissenschaftlichen Unterricht kann verschiedene Phasen umfassen: Planung und Konzeption, Durchführung sowie Analyse und Interpretation. Viele Pädagogen sind überzeugt, dass Laborarbeit das wissenschaftliche Denken, die Problemlösungsfähigkeiten und die kognitive Entwicklung ihrer Schülerinnen und Schüler fördert. Seit 1960 berücksichtigen die didaktischen Strategien im naturwissenschaftlichen Unterricht Jean Piagets Entwicklungsmodell und begannen daher, konkrete Materialien und Laborsituationen einzuführen, die die aktive Teilnahme der Schüler am Lernprozess erforderten. ^{[ 66 ]}

Neben der Bedeutung des Labors für das Lernen und Lehren von Naturwissenschaften hat die Bedeutung des Lernens mit computergestützten Werkzeugen zugenommen. Der Einsatz solcher Werkzeuge, der infolge des technologischen Fortschritts in den MINT- Fächern (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik) weit verbreitet ist, unterstützt nachweislich das naturwissenschaftliche Lernen. Das Erlernen computergestützter Naturwissenschaften im Unterricht wird zu einer Grundlage für das Verständnis moderner naturwissenschaftlicher Konzepte. Tatsächlich verweisen die Next Generation Science Standards explizit auf den Einsatz computergestützter Werkzeuge und Simulationen. Durch die Nutzung computergestützter Werkzeuge wenden die Schülerinnen und Schüler das sogenannte Computational Thinking an, einen kognitiven Prozess, bei dem die Interaktion mit Computern eine zentrale Rolle spielt. Da Computational Thinking in den Naturwissenschaften immer relevanter wird, ist es für Lehrkräfte zunehmend wichtig, diesem Aspekt des Lernens Rechnung zu tragen. ^{[ 67 ]}

Eine weitere Strategie, die sowohl praktische Aktivitäten als auch computergestützte Werkzeuge einbeziehen kann, ist die Schaffung authentischer naturwissenschaftlicher Lernerfahrungen. Es wurden verschiedene Perspektiven authentischer naturwissenschaftlicher Bildung vorgeschlagen, darunter: die kanonische Perspektive – die naturwissenschaftliche Bildung so nah wie möglich an der realen naturwissenschaftlichen Praxis zu gestalten; die jugendzentrierte Perspektive – die Lösung von Problemen, die für junge Schülerinnen und Schüler von Interesse sind; und die kontextbezogene Perspektive – eine Kombination aus der kanonischen und der jugendzentrierten Perspektive. ^{[ 68 ]} Obwohl Aktivitäten mit praktischem Forschen und computergestützten Werkzeugen authentisch sein können, wird argumentiert, dass die in Schulen üblicherweise verwendeten Forschungsaufgaben nicht authentisch genug sind, sondern oft auf einfachen, schematischen Experimenten beruhen. ^{[ 69 ]} Authentische naturwissenschaftliche Lernerfahrungen können auf verschiedene Weise umgesetzt werden. Beispiele hierfür sind: praktisches Forschen, vorzugsweise mit einer offenen Untersuchung; Schüler-Lehrer-Wissenschaftler-Partnerschaften (STSP) oder Citizen-Science- Projekte; designbasiertes Lernen (DBL) ; die Nutzung webbasierter Umgebungen, die auch von Wissenschaftlern verwendet werden (z. B. mit bioinformatischen Werkzeugen wie Gen- oder Proteindatenbanken, Alignment-Tools usw.). Das Lernen mit adaptierter Primärliteratur (APL) macht Studierende auch mit der Art und Weise vertraut, wie die wissenschaftliche Gemeinschaft Wissen kommuniziert. ^{[ 70 ]} Diese und weitere Beispiele lassen sich auf verschiedene naturwissenschaftliche Bereiche im Schulunterricht (sowie in der Hochschulbildung) anwenden und entsprechen den Forderungen nach der Integration wissenschaftlicher Praktiken in die naturwissenschaftlichen Lehrpläne. ^{[ 62 ] [ 59 ]}

Informelle naturwissenschaftliche Bildung umfasst das Lehren und Lernen von Naturwissenschaften außerhalb des formalen Schulcurriculums, beispielsweise in Museen, den Medien und in gemeinnützigen Programmen. Die National Science Teachers Association (NSTA) hat eine Stellungnahme ^{[ 71 ]} zur informellen naturwissenschaftlichen Bildung verfasst, um naturwissenschaftliches Lernen in verschiedenen Kontexten und über die gesamte Lebensspanne hinweg zu definieren und zu fördern. Die Forschung im Bereich der informellen naturwissenschaftlichen Bildung wird in den Vereinigten Staaten von der National Science Foundation (NSF) finanziert. ^{[ 72 ]} Das Center for Advancement of Informal Science Education (CAISE) ^{[ 73 ]} stellt Ressourcen für die Akteure der informellen naturwissenschaftlichen Bildung bereit.

Beispiele für informelle naturwissenschaftliche Bildung sind Science Center, Wissenschaftsmuseen und neue digitale Lernumgebungen ( z. B. der Global Challenge Award ), von denen viele Mitglieder der Association of Science and Technology Centers (ASTC) sind. ^{[ 74 ]} Das Franklin Institute in Philadelphia und das Museum of Science (Boston) sind die ältesten Museen dieser Art in den Vereinigten Staaten. Zu den Medien gehören Fernsehsendungen wie NOVA , Newton's Apple , „ Bill Nye the Science Guy “, „ Beakman's World “, The Magic School Bus und Dragonfly TV . Frühe Beispiele für naturwissenschaftliche Bildung im amerikanischen Fernsehen waren Sendungen von Daniel Q. Posin , darunter „Dr. Posin's Universe“, „The Universe Around Us“, „On the Shoulders of Giants“ und „Out of This World“. Beispiele für gemeindebasierte Programme sind die 4-H- Jugendprogramme, Hands On Science Outreach , NASA- und Nachmittagsprogramme ^{[ 75 ]} sowie Girls at the Center. Die häusliche Bildung wird durch Bildungsprodukte wie den ehemaligen (1940–1989) Abonnementdienst „Things of Science“ gefördert. ^{[ 76 ]}

In 2010, the National Academies released Surrounded by Science: Learning Science in Informal Environments,^[77] based on the National Research Council study, Learning Science in Informal Environments: People, Places, and Pursuits.^[78]Surrounded by Science is a resource book that shows how current research on learning science across informal science settings can guide the thinking, the work, and the discussions among informal science practitioners. This book makes valuable research accessible to those working in informal science: educators, museum professionals, university faculty, youth leaders, media specialists, publishers, broadcast journalists, and many others.

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• Science education in England
• Science, Technology, Society and Environment Education
• Scientific literacy
• Science outreach
• Scientific modelling
• Science education on YouTube

• „Ist Wissenschaft nur etwas für Reiche?“ Nature . 537 (7621): 466–470 . 2016. Bibcode : 2016Natur.537..466. doi : 10.1038 /537466a . PMID  27652548. S2CID  205090336 .
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• Joyce, Alexa; Dumitru, Petra (2007). „Öffentlich-private Partnerschaften für die Mathematik-, Naturwissenschafts- und Technikbildung: die Beispiele Xperimania & Futurenergia“ (PDF) . Konferenzbeitrag „Discovery Days“ . European Schoolnet . Archiviert vom Original (PDF) am 22. März 2012.
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• Der Verband für naturwissenschaftliche Lehrerausbildung
• Eurasia Journal of Mathematics, Science & Technology Education
• Das Europäische Lernlabor für die Lebenswissenschaften (ELLS)
• CBE Life Science Education-Interview mit Jo Handlesman (2009)
• Science Education Forum von Miller et al. (2008)