En kort historie om amerikansk videnskabsuddannelse - fører til modellering af instruktioner

Forfatterens note: Denne artikel stammer fra kapitel 2 i min afhandling. Se venligst nathantbelcher.com for den fulde afhandling.

Før midten af ​​1800-tallet eksisterede videnskab og videnskabsuddannelse i USA på en ustruktureret måde. Publikums interesse for videnskab steg imidlertid i slutningen af ​​det 19. århundrede (Bybee, 2010), delvis på grund af videnskabelige fremskridt og teknologiske fremskridt forbundet med den industrielle revolution. Derudover steg deltagelsen i gymnasiet drastisk mellem 1890 og 1900, med tilmeldingen mere end fordoblet i løbet af dette årti. I 1892 dannede National Education Association Committee of Ten on Secondary School Studies (Forår, 2014). Den endelige rapport fra Ti-Udvalget etablerede en generel ramme for drøftelse af målene for sekundær uddannelse, herunder information om naturvidenskabelig uddannelse. Alle studerende - hvad enten de havde til hensigt at gå på college eller gå ind i arbejdsstyrken - forventedes at deltage i naturfagskurser, og omfanget af videnskabskurserne blev udvidet til at omfatte laboratoriearbejde. For at specificere, hvilken type videnskabelige eksperimenter der forventedes fra sekundære studerende, bad Charles Eliot (præsident for Harvard og formand for udvalget af ti) fysikafdelingen i Harvard om at udvikle et indgangskrav, der understregede laboratoriet som en del af gymnasiefysikskurser ( Bybee, 2010). I 1889 blev disse laboratorier samlet til en liste og offentliggjort som Harvard University beskrivende liste over grundlæggende fysiske eksperimenter. Denne liste blev sammen med oplysninger fra andre universiteter det første sæt af nationale standarder for videnskab (Bybee, 2010; Richardson, 1957).

Era of Scientific Management

Tiden mellem 1900 og slutningen af ​​2. verdenskrig kan betragtes som en tid med videnskabelig ledelse i det amerikanske skolesystem. I et system med fokus på videnskabelig ledelse var succes afhængig af implementeringen af ​​standardisering. Distrikts- og skoleadministratorer var optaget af at standardisere alle aspekter af skolens oplevelse, herunder ansættelsesprocedurer, evalueringer af lærere og studerende og pensum, undervisning og vurdering (Forår, 2014). I løbet af denne søgen efter standardisering blev administratorer besat af omkostningseffektivitet; ved at tage en signal fra erhvervslivet, begyndte administratorer at nærme sig ethvert program med omkostnings-fordel-analyse. Gennem implementering af standardisering blev videnskab - sammen med mange andre discipliner - et sæt fakta, der skal huskes snarere end erfaringer, der skulle forstås (Bybee, 2010). Denne sterilisering eliminerede videnskabsprocessen og producerede studerende, der ikke var klar over den grundlæggende betydning af ”fakta”. John Dewey, bredt kendt for sine progressive ideer om uddannelse, diskuterede rollen som videnskabelig proces i en tale på et møde for American Association for the Advancement of Science. Dewey (1910) argumenterede for, at videnskab “er blevet lært for meget som en ophobning af færdiglavet materiale, som studerende skal gøres bekendt med, ikke nok som en tænkningsmetode, en holdning til sindet, efter et mønster, hvor mentale vaner skal transformeres ”(s. 122). Længere i diskussionen siger Dewey, "helt sikkert, hvis der er nogen viden, der er mest værd, er det viden om måderne, hvorpå noget er berettiget til at blive kaldt viden i stedet for at være blot mening eller gæt arbejde eller dogme" (Dewey, 1910 , s. 125). Denne følelse af at hjælpe studerende med at forstå de måder, hvorpå alt kan tages som ”viden”, var i modstrid med standardisering, fordi det krævede eksperimentering og brug af den videnskabelige proces. Laboratoriearbejde er ofte rodet - intellektuelt og materielt - hvorimod standardisering stræber efter perfekt forudsigelige resultater. I en ironisk vri blev Dewey's ideer om den videnskabelige proces som en metode til undersøgelse af et emne taget af dem, der søger standardisering og ændret til en stiv struktur kaldet den videnskabelige metode. ”Snart blev den videnskabelige metode inkluderet i lærebøger og blev således en del af den viden, som studerende måtte huske” (Bybee, 2010, s. 71). Selv i dag - mere end 100 år efter Dewey's ideer - begynder nogle lærebøger med den videnskabelige metode; der begynder med denne formelle struktur som den eneste måde at udføre den videnskabelige proces giver en forkert idé.

Etablering af National Science Foundation

Globale begivenheder efter 2. verdenskrig påvirkede direkte amerikanske skoler (Spring, 2014); den kolde krig mellem De Forenede Stater og Sovjetunionen fik mange til at stille spørgsmålstegn ved det eksisterende K-12-skoleplan. ”I begyndelsen af ​​1950'erne kom især skoleplanerne under intens kontrol og blev en vigtig ideologisk slagmark, som partnergrupper kolliderede, da nationens overlevelse syntes at hænge i balance” (Rudolph, 2002, s. 10). For at øge mængden og kvaliteten af ​​videnskabs- og teknologearbejdere i De Forenede Stater begyndte den føderale regering langsomt at yde finansiering til K-12-uddannelse. En ansøgning om finansiering til videnskab var National Science Foundation (NSF); grundlagt i 1950, var dens primære mission at initiere, støtte og fremme grundlæggende videnskabelig forskning og uddannelse (Mazuzan, 1994). Fire afdelinger blev oprettet i NSF: ”Medicinsk forskning; matematiske, fysiske og ingeniørvidenskabelige videnskaber; biologiske videnskaber; og videnskabeligt personale og uddannelse ”(Mazuzan, 1994, s. 6). Alan Waterman, chefforsker ved Office of Naval Research og tidligere fysikprofessor ved Yale, blev den første direktør for NSF; hans udnævnelse skabte en pålidelig forbindelse mellem den videnskabelige elite og regeringsmidler fra NSF.

Waterman og andre ledere positionerede hurtigt organisationen som den fremtrædende organisation for videnskab - og videnskabsuddannelse - i USA. Ledere af NSF fokuserede deres bestræbelser på at forbedre K-12 videnskabsuddannelse ved at finansiere sommerinstitutter til lærere og opdatere læseplaner. Da NSF deltog i K-12-uddannelse, blev faglige organisationer inden for videnskabsundervisning udelukket; denne udelukkelse "demonstrerer den overordnede indflydelse af både national sikkerhed og den videnskabelige elite i omdefineringen af ​​skolens læseplan i 1950'erne" (Rudolph, 2002, s. 58). Ledere ved NSF var frustrerede over tilgange til videnskabsuddannelse taget af naturvidenskabelige undervisere og faglige organisationer inden for videnskabsundervisning; for at styre udviklingen af ​​læseplaner og instruktioner, der blev finansieret af NSF, ønskede lederne en førsteklasses videnskabsmand. En videnskabsmand ville henvende sig til læseplaner og undervisningsinitiativer med de samme teknikker, der med succes blev brugt til at gennemføre krigstidsforsknings- og udviklingsprojekter, hvilket førte til fuld implementering af læseplanen og undervisningen.

Lovgivere i Kongressen øgede moderat føderal finansiering til alle divisioner i NSF i begyndelsen og midten af ​​1950'erne, men lovgivernes holdninger ændrede sig dramatisk, da Sovjetunionen lancerede Sputnik I i 1957. Som svar vedtog Kongressen National Defense Education Act (NDEA) ) i 1958; Afsnit III af NDEA “bevilgede $ 70 millioner til hvert af de næste fire regnskabsår, der skulle bruges til udstyr og materialer og til udvidelse og forbedring af overvågningstjenester inden for videnskab, matematik og moderne fremmedsprog” (Spring, 2014, s. 370). Finansiering til uddannelse kunne have været tildelt andre agenturer; i stedet gik ressourcerne til NSF's Divisionsudvalg for Videnskabeligt Personale og Uddannelse. For at lede pensumreformsindsatsen kunne ledere af NSF have samarbejdet med faglige videnskabsuddannelsesorganisationer; ledere af NSF ønskede imidlertid ”nogen meget ligesom sig selv, der delte interesserne for den hårdvidenskabelige elite, der dominerede NSF-hierarkiet” (Rudolph, 2002, s. 83). Jerrold Zacharias - fysiker ved MIT og medlem af det amerikanske kontor for forsvarsmobiliseringens videnskabsrådgivende udvalg - passer perfekt til beskrivelsen af ​​en ideel kandidat. Med finansiering fra NSF oprettede Zacharias en gruppe, der begyndte processen med at forbedre pensum og undervisning i naturvidenskabelig uddannelse; hvorimod gruppens ideer om uddannelse var radikale på det tidspunkt, er ideerne blevet integreret fuldt ud i alle moderne naturvidenskabelige uddannelsespedagoger.

Studienævn for fysisk videnskab

Studienævnet for fysisk videnskab (PSSC) blev dannet i efteråret 1956 af Zacharias, der hurtigt tilføjede andre medlemmer af den videnskabelige elite: Massachusetts Institute of Technology (MIT) præsident James Killian, Polaroid-grundlægger Edwin Land, præsident for uddannelsestestningstjeneste Henry Chauncey og andre fremtrædende fysikere fra eliteinstitutionerne for videregående uddannelser (Rudolph, 2006). Zacharias - og andre medlemmer af PSSC - havde tidligere erfaring med store videnskabelige forsknings- og udviklingsprojekter; disse projekter var vellykkede, fordi forskere brugte en bredt, analytisk tilgang til at løse komplekse problemer (Rudolph, 2002). PSSC nærmede sig læseplanudvikling med den samme metodologi og integrerede nye teknologier i målstyrede systemer for at skabe læseplaner og undervisningsmetoder af høj kvalitet.

Frem til og i 1950'erne blev de fleste fysiske kurser i gymnasiet leveret af lærebøger. I den mest populære videnskabelige lærebog var der ingen beskrivelser af eksperimenter eller grafer, der viser resultaterne af eksperimenter, der kunne retfærdiggøre nogen af ​​bogens mange påståelige udsagn. Derudover havde lærebogen ikke et ledsagende laboratorieprogram; for studerende på et kursus med denne lærebog blev videnskab sidestilles med ordforråd (Haber-Schaim, 2006). Zacharias havde et andet perspektiv på undervisningen i fysik; hans ideer førte til et unikt kursus. Fysik blev ikke præsenteret som et organ af uforanderlige fakta, som studerende skal huske; snarere forstås fysik bedst som en levende disciplin, som studerende engagerer sig i. Selvom det ene mål med PSSC-kurset var, at studerende skulle lære fysikindhold, understregede det andet mål med PSSC-kurset processen med at resonnere ud fra empirisk bevis. ”Spørgsmålet Zacharias håbede på at få studerende til at stille sig selv hele tiden var 'hvordan ved du det?' Hvad var dit 'grundlag for tro' i enhver påstand om, hvordan verden fungerer? ” (Rudolph, 2002, s. 122). Disse spørgsmål dannede den vigtigste lektion for enhver studerende, der forlader et fysikkursus designet af PSSC: Studerende skal forstå, at viden om verden er baseret på bevis.

For at få de studerende til at forstå, at evidensen driver viden om fysik (eller ethvert andet emne), så Zacharias forestillingen om fysikforløbet ved hjælp af ethvert sæt materialer, der var nyttige til læring af de studerende; disse materialer omfattede film, dias, lærebøger, hjælpelæsning og laboratorieudstyr (Haber-Schaim, 2006). Laboratorieaktiviteterne - kombineret med andre materialer - ville "gøre det muligt for studerende at udvikle en dybere forståelse af den dialektiske march fra eksperiment til teori og tilbage igen" (Rudolph, 2002, s. 130). Mens det var revolutionerende på det tidspunkt, er ideen om at placere videnskabsprocessen på lige status som videnskabsindhold bredt accepteret og implementeret på alle niveauer af videnskabsuddannelsessamfundet. Next Generation Science Standards (NGSS Lead States, 2013) og mange statsvidenskabelige standarder - inklusive South Carolina's (South Carolina Department of Education, 2014) - indeholder udsagn om, at studerende fra børnehave til gymnasiums gymnasier skal fungere som en videnskabsmand ved hjælp af laboratoriematerialer til at bestemme bevis og konstruere argumenter ud fra beviset. En af de varige virkninger af PSSC er mainstream-implementeringen af ​​den videnskabelige proces i naturvidenskabskurser; denne arv er blevet båret af andre instruktionsmetoder.

Et andet vigtigt aspekt i PSSC's læreplan- og instruktionsmetoder er grundlæggende principper. Videnskab skulle præsenteres som en menneskelig bestræbelse, så de studerende kunne forstå, at enhver kan gøre videnskab (Haber-Schaim, 2006). Valget af emner var afgørende for, at studerende kunne forstå denne idé; PSSC valgte et sæt af fem essentielle ideer om videnskab:

· Fysisk videnskabs enhed.

· Iagttagelse af regelmæssigheder, der fører til formulering af love.

· Forudsigelse af fænomener fra love.

· Begrænsningerne i love.

· Modellenes betydning i udviklingen af ​​fysik. (Haber-Schaim, 2006)

Disse grundlæggende ideer bruges stadig i dag, senest inden for rammerne for K-12 Science Education: Practice, Crosscutting Concepts og Core Ideas (National Academy of Sciences, 2012). Denne ramme fastlægger tre dimensioner for videnskabsuddannelse: Videnskabelig og teknisk praksis; tværgående begreber; og disciplinære kerneideer. Disse dimensioner inkorporerer mange af fem væsentlige ideer om videnskab udviklet af PSSC og placerer videnskabsprocessen og indholdet på en lige status; information og organisering af denne ramme gentager ideerne fra Zacharias og PSSC's arbejde.

Påvirkning af Robert Karplus

I 1960'erne og 1970'erne fortsatte videnskabsuddannelsen med at udvikle sig. Robert Karplus - en teoretisk fysiker og leder af Science Curriculum Improvement Study (SCIS) ved University of California, Berkeley - var en af ​​lederne i denne æra. Karplus og kollega Herb Thier anvendte psykologisk forskning fra Jean Piagets og Jerome Bruners arbejde til at skabe et praktisk program for studerende i lønklasse K-6 (Kratochvil & Crawford, 1971). Læreplanerne til programmet blev konstrueret ud fra et sæt med tre retningslinjer:

1. De erfaringsmæssige og konceptuelle aspekter af undervisningen skal adskilles fra hinanden.

2. Læreplanopbygningen skal anvende større teorier om intellektuel udvikling og læring, selvom teorierne giver modstridende fortolkninger.

3. Læreplanen skal have indlæringscyklusser med tre faser: Udforskning, opfindelse og opdagelse. (Karplus, 1969)

Disse retningslinjer gav studerende oplevelser, der adskiller sig fra dem, de har uden for naturfagskurser; oplevelserne var unikke, usædvanlige og engagerende, hvilket gav de studerende mulighed for at opdage (Bybee, 2010).

En af de varige arv fra Karplus og andre ved SCIS er ideen om en læringscyklus (Karplus, 1969). Læringscyklussen giver rammer for tilrettelæggelse af læseplan, undervisning og vurdering; denne ramme giver kursusdesignere mulighed for at rækkefølge aktiviteter for at maksimere studerendes præstation. SCIS-indlæringscyklus bestod af tre faser: Udforskning, opfindelse og opdagelse. I udforskningsfasen får læreren mulighed for at pålægge deres ideer og forudsætninger om det emne, der skal undersøges (Karplus, 1969). Dette vil ofte føre til konflikt mellem resultaterne af eksperimentet og forudsætninger; fra denne konflikt lærer læreren information om elevernes forståelse. I opfindelsesfasen leveres konceptuel information til de studerende for at forene forskellene mellem eksperimentelle resultater og forudsætninger. Endelig giver opdagelsesfasen de studerende mulighed for at løse eventuelle dvælende forskelle ved at etablere et nyt feedbackmønster for handlinger og observationer (Karplus, 1969). Gentagelse og praksis sker på det konceptuelle niveau, hvilket fører til en dybere og mere fuldstændig forståelse af fænomenerne. Ideen om en læringscyklus er blevet indlejret i naturvidenskabelig uddannelse og har betydelig forskningsstøtte og udbredt anvendelse gennem lærebøger om videnskabsundervisning og læring.

Modelleringsinstruktion

Modelleringsinstruktion begyndte i begyndelsen af ​​1980'erne fra et partnerskab mellem Malcolm Wells, en gymnasielærer i fysik og kemi, og David Hestenes, en teoretisk fysiker og forsker i fysikuddannelse ved Arizona State University. Wells begyndte sin undervisningskarriere med et kraftfuldt løft fra PSSC og Harvard Project Physics-lærerworkshops i Sputnik-rumløbsfeberens storhedstid; disse workshops påvirkede hans syn på undervisningen positivt (Wells, Hestenes, & Swackhamer, 1995). Wells blev en "hands-on" lærer, altid ivrig efter at bygge sine egne apparater, der gav enkle demonstrationer af dyb fysik. Den gymnasium, hvor Wells underviste, var i nærheden af ​​Arizona State University (ASU); Wells deltog i mange videnskabs- og uddannelseskurser på ASU i hele sin gymnasielærerkarriere. Til sidst besluttede Wells at afslutte sin doktorgrad i fysikuddannelse ved ASU. Wells blev medlem af Hestenes-gruppen for sin forskning, så Hestenes blev Wells 'rådgiver. Wells ønskede at udføre forskning, der i høj grad ville bidrage til området fysikuddannelse; Wells og Hestenes diskuterede mulighederne i flere år. I løbet af disse diskussioner rådgav Hestenes også Ibrahim Halloun, en kandidatstuderende, der udførte arbejde med en mekanikdiagnostisk test. Denne test måler forskellen mellem videnskabeligt accepterede Newtonian-begreber og elevernes personlige overbevisning om den fysiske verden (Wells et al., 1995). Wells administrerede Mechanics Diagnostic-testen med sine studerende og forventede, at de studerende scorede meget på vurderingen. Wells var dog chokeret over, hvordan dårligt studerende havde presteret; konfronteret med de dystre scoringer fra sine studerende på Diagnostic, konkluderede Wells snart, at fejlen var i hans undervisning og gik ud på at gøre det bedre (Wells et al., 1995). Beslutningen af ​​Wells om at forbedre sin undervisningspraksis lancerede sin doktorgradsundersøgelse, hvilket i sidste ende førte til oprettelsen af ​​modelleringsinstruktion.

Wells havde allerede forladt den traditionelle metode til forelæsningsdemonstration til fordel for en studentcentreret undersøgelsesmetode baseret på den læringscyklus, der blev populariseret af Robert Karplus (Wells et al., 1995), da han administrerede Mechanics Diagnostic test. Wells dybt forstået alle aspekter af læringscyklussen fra et universitetskursus i metoder til videnskabsundervisning; imod de dårlige scoringer, bestemte Wells imidlertid, at noget essentielt manglede i læringscyklussen. Efter gennemgang af Hestenes arbejde med forslag om en teori om fysikundervisning med modellering som det centrale tema, mestrer Wells detaljerne og implementerede teorien (Wells et al., 1995). Wells skabte en version af modelleringsinstruktion, der var laboratoriebaseret og tilpasset videnskabelig undersøgelse. Det understregede brugen af ​​modeller til at beskrive og forklare fysiske fænomener snarere end at løse problemer med det formål at undervise i modelleringsevner som det væsentlige fundament for videnskabelig undersøgelse. For at opnå dette på en systematisk måde udviklede Wells Modelling Cycle (Wells et al., 1995). Ved afslutningen af ​​Wells 'doktorgradsarbejde kunne modelleringsmetoden beskrives som samarbejdsundersøgelser med modelleringsstruktur og vægt (Wells et al., 1995). Efter yderligere forfining over flere år blev modelleringscyklussen designet til at have to faser: Modeludvikling og modeludvikling (Wells et al., 1995). Som en grov sammenligning med Karplus 'arbejde omfattede modeludvikling efterforsknings- og opfindelsestadierne af indlæringscyklussen, hvorimod modeludvikling svarede til opdagelsesstadiet (Wells et al., 1995).

Efter afslutningen af ​​doktorgradsarbejdet og yderligere forfining af modelleringsinstruktion skabte Wells, Hestenes og andre sommerværksteder for lærere, der er interesseret i denne metode. Fra 1989 til 2005 blev disse workshops finansieret med tilskud fra NSF; efter 2005 blev en non-profit kendt som American Modelling Teachers Association (AMTA) dannet for at fortsætte med at tilbyde sommerværksteder og videreudvikle læseplaner og undervisningsmateriale. Ressourcer til modellering af instruktioner (AMTA, 2017b) er skabt til fysik, kemi, biologi, fysisk videnskab og mellemskolevidenskab, med fremtidig arbejde rettet mod grundskolevidenskab. Hestenes (1987, 2006, 2010, 2015, & 2016) har fortsat med at udvikle de teoretiske fundamenter inden for modelleringsinstruktion ved hjælp af information og metoder fra filosofi og kognitiv psykologi.

Referencer

American Modelling Teachers Association. (2017b). Hjem. Hentet fra http://modelinginstruction.org/

Bybee, R. (2010). Videnskabsundervisningen: perspektiver fra det 21. århundrede. Arlington, Virginia: NSTA Press.

Dewey, J. (1910). Videnskab som emne og som metode. Videnskab 31: 121–127.

Haber-Schaim, U. (2006). PSSC-fysik: Et personligt perspektiv. Hentet fra http://www.compadre.org/portal/pssc/docs/Haber-Schaim.pdf

Hestenes, D. (1987). Mod en modelleringsteori om fysikundervisning. American Journal of Physics, 55 (5), 440-454.

Hestenes, D. (2006). Noter til en modelleringsteori for videnskab, kognition og instruktion. Forløb af GIREP-konferencen i 2006.

Hestenes, D. (2010). Modelleringsteori til matematik- og naturvidenskabsuddannelse I R. Lesh, P. Galbraith, C. Haines, & A. Hurford (Eds.), Modellering af studerendes matematiske modelleringskompetencer (s. 13–41). doi: 10.1007 / 978–1–4419–0561–1

Hestenes, D. (2015). Modelleringsteori og modelleringsinstruktion til STEM-uddannelse. I S. Chandrasekhara (formand), den internationale konferencer epiSTEME 6 for at gennemgå forskning i naturvidenskab, teknologi og matematikundervisning. Symposium afholdt på mødet i epiSTEME 6, Mumbai, Indien.

Hestenes, D. (2016). Konceptuel modellering i fysik, matematik og kognitiv videnskab. SemiotiX. Hentet fra http://semioticon.com/semiotix/2015/11/conceptualmodelinginphysicsmathematicsandcognitivescience/

Karplus, R. (1969). Tre retningslinjer for grundskolevidenskab. Curriculum Theory Network, 4, 4–10. Hentet fra http://www.jstor.org/stable/1179305

Kratochvil, DW & Crawford, JJ (1971). Undersøgelse af forbedring af videnskabsplaner (Produktudviklingsrapport №4). Palo Alto, CA: Amerikanske institutter for forskning.

Mazuzan, GT (1994). National Science Foundation: En kort historie. Hentet fra https://www.nsf.gov/about/history/nsf50/nsf8816.jsp

National Academy of Sciences. (2012). En ramme for K-12 videnskabsuddannelsespraksis, tværgående begreber og centrale ideer. Washington, DC: National Academies Press.

Richardson, JS (1957). Videnskabsundervisning i gymnasier. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Inc.

Rudolph, JL (2002). Forskere i klasseværelset: Den kolde krigs genopbygning af amerikansk videnskabsuddannelse. New York, NY: Palgrave.

Rudolph, JL (2006). PSSC i historisk kontekst: videnskab, national sikkerhed og amerikansk kultur under den kolde krig. Hentet fra http://www.compadre.org/portal/pssc/docs/Rudolph.pdf

South Carolina Department of Education. (2014). South Carolina akademiske standarder og præstationsindikatorer for videnskab. Hentet fra https://ed.sc.gov/scdoe/assets/file/agency/ccr/Standards-Learning/documents/South_Carolina_Academic_Standards_and_Performance_Indicators_for_Science_2014.pdf

Spring, J. (2014). Den amerikanske skole: en global kontekst. (9. udgave). New York: McGraw-Hill.

Wells, M., Hestenes, D., & Swackhamer, G. (1995). En modelleringsmetode til gymnasiefysikundervisning. American Journal of Physics, 63 (7), 606–619.