提高科学素养意味着改变科学教育

要以科学专业毕业，大学生必须完成 40 到 60 学分的科学课程。这意味着在整个本科生涯中要在课堂上花费大约 2,500 小时。然而，研究表明，尽管付出了所有努力，但大多数大学科学课程只给学生对基本科学概念 的零碎理解。这种教学方法加强了对孤立事实的记忆，从教科书的一章到下一章，不一定要在它们之间建立联系，而不是学习如何使用信息并将这些事实有意义地联系起来。

建立这些联系的能力在课堂之外也很重要，因为它是科学素养的基础：使用科学知识准确评估信息并根据证据做出决策的能力。

作为一名化学教育研究员，我从 2019 年开始与我的同事Sonia Underwood一起工作，以了解更多关于化学学生如何整合并将他们的知识应用于其他科学学科的信息。

在我们最近的研究中，我们调查了大学生如何利用他们的化学知识来解释现实世界的生物现象。我们通过让他们进行旨在建立这些跨学科联系的活动来做到这一点。

我们发现，即使大多数学生没有获得类似的机会来帮助他们建立这些联系，但如果将它们作为课程的一部分，像这样的活动会有所帮助。

三维学习

大量研究表明，无论是科学专业还是非专业，传统的科学教育都不能很好地教会科学学生如何应用他们的科学知识并解释他们可能没有直接学到的东西。

考虑到这一点，我们开发了一系列以“三维学习”框架为指导的跨学科活动。

简而言之，三维学习，即3DL，强调大学生的教学、学习和评估应该涉及学科内基本思想的运用。它还应该包括支持学生在学科内和学科之间建立联系的工具和规则。最后，它应该让学生参与到他们所学知识的使用中。该框架是在人们如何学习的基础上开发的，以帮助所有学生深入了解科学。

我们与科学、技术、工程和数学教育专家Rebecca L. Matz合作完成了这项工作。然后我们把这些活动带到了教室。

建立科学联系

首先，我们采访了 28名科学或工程专业的大一新生。所有人都参加了入门化学和生物学课程。我们要求他们确定这些课程的内容与他们认为是每门课程的带回家信息之间的联系。

学生们回答了他们在课堂上学到的广泛的主题、概念和技能列表。一些，但不是全部，正确地识别了每门科学的核心思想。他们明白他们的化学知识对于他们理解生物学至关重要，但并不认为反过来也可能是正确的。

例如，学生们谈到了他们在化学课程中获得的有关相互作用(即吸引力和排斥力)的知识对于理解构成 DNA的化学物种如何以及为何聚集在一起非常重要。

另一方面，对于他们的生物学课程，学生们谈论最多的核心思想是结构-功能关系——化学和生物物种的形状如何决定他们的工作。

接下来，设计了一套跨学科的活动，引导学生运用化学核心思想和知识来帮助解释现实世界的生物现象。

学生们回顾了一个核心化学思想，并使用该知识来解释一个熟悉的化学场景。接下来，他们将其应用于解释生物学场景。

一项活动探讨了海洋酸化对贝壳的影响。在这里，学生们被要求使用基本的化学概念来解释海水中二氧化碳含量的增加如何影响造壳的海洋动物，如珊瑚、蛤蜊和牡蛎。

其他活动要求学生应用化学知识来解释渗透作用——水如何进出人体细胞——或者温度如何改变人类 DNA 的稳定性。

总体而言，学生们对自己的化学知识充满信心，并且可以轻松地解释化学情景。他们很难应用相同的化学知识来解释生物学场景。

在海洋酸化活动中，大多数学生能够准确预测二氧化碳的增加如何影响海洋的酸度。然而，他们并不总是能够通过阻碍贝壳的形成来解释这些变化如何影响海洋生物。

这些发现突出表明，学生在科学课程中学到的知识与他们应用这些信息的准备程度之间仍然存在很大差距。尽管在 2012 年，国家科学基金会推出了一套三维学习指南，以帮助教育工作者使科学教育更加有效，但这个问题仍然存在。

然而，我们研究中的学生也报告说，这些活动帮助他们看到了两个学科之间的联系，否则他们不会察觉到。

因此，我们还提供了证据，表明我们的化学学生至少希望有能力更深入地了解科学，以及如何应用它。

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