Pour obtenir leur diplôme avec une majeure en sciences, les étudiants doivent suivre entre 40 et 60 heures-crédits de cours de sciences. Cela signifie passer environ 2 500 heures en classe tout au long de leur carrière de premier cycle.
Cependant, la recherche a montré que malgré tous ces efforts, la plupart des cours de sciences des collèges ne donnent aux étudiants qu’une compréhension fragmentée des concepts scientifiques fondamentaux. La méthode d’enseignement renforce la mémorisation de faits isolés, passant d’un chapitre de manuel à l’autre sans nécessairement établir de liens entre eux, au lieu d’apprendre à utiliser l’information et à relier ces faits de manière significative.
La capacité d’établir ces liens est également importante au-delà de la salle de classe, car c’est la base de la culture scientifique : la capacité d’utiliser les connaissances scientifiques pour évaluer avec précision les informations et prendre des décisions fondées sur des preuves.
En tant que chercheur en enseignement de la chimie, je travaille depuis 2019 avec ma collègue Sonia Underwood pour en savoir plus sur la façon dont les étudiants en chimie intègrent et appliquent leurs connaissances à d’autres disciplines scientifiques.
Dans notre étude la plus récente, nous avons étudié dans quelle mesure les étudiants pouvaient utiliser leurs connaissances en chimie pour expliquer les phénomènes biologiques du monde réel. Nous l’avons fait en leur faisant faire des activités conçues pour établir ces liens interdisciplinaires.
Nous avons constaté que même si la plupart des étudiants n’avaient pas eu des opportunités similaires qui les prépareraient à établir ces liens, des activités comme celles-ci peuvent aider, si elles sont intégrées au programme.
Apprentissage en trois dimensions
Un grand nombre de recherches montrent que l’enseignement des sciences traditionnel, à la fois pour les majeures et les non-majors en sciences, ne fait pas un bon travail pour enseigner aux étudiants en sciences comment appliquer leurs connaissances scientifiques et expliquer des choses qu’ils n’ont peut-être pas apprises directement.
Dans cette optique, nous avons développé une série d’activités interdisciplinaires guidées par un cadre appelé « apprentissage en trois dimensions ».
En bref, l’apprentissage tridimensionnel, connu sous le nom de 3DL, souligne que l’enseignement, l’apprentissage et l’évaluation des étudiants doivent impliquer l’utilisation d’idées fondamentales dans une discipline. Il devrait également impliquer des outils et des règles qui aident les étudiants à établir des liens au sein et entre les disciplines. Enfin, il doit engager les élèves dans l’utilisation de leurs connaissances. Le cadre a été développé sur la base de la façon dont les gens apprennent comme un moyen d’aider tous les élèves à acquérir une compréhension approfondie de la science.
Nous l’avons fait en collaboration avec Rebecca L. Matz, une experte en science, technologie, ingénierie et enseignement des mathématiques. Ensuite, nous avons emmené ces activités en classe.
Tisser des liens scientifiques
Pour commencer, nous avons interviewé 28 étudiants de première année du collégial se spécialisant en sciences ou en génie. Tous étaient inscrits à la fois aux cours d’introduction à la chimie et à la biologie. Nous leur avons demandé d’identifier les liens entre le contenu de ces cours et ce qu’ils croyaient être les messages à retenir de chaque cours.
Les étudiants ont répondu avec de longues listes de sujets, de concepts et de compétences qu’ils avaient appris en classe. Certains, mais pas tous, ont identifié correctement les idées fondamentales de chaque science. Ils ont compris que leurs connaissances en chimie étaient essentielles à leur compréhension de la biologie, mais pas que l’inverse pouvait également être vrai.
Par exemple, les étudiants ont expliqué à quel point les connaissances acquises dans leur cours de chimie sur les interactions, c’est-à-dire les forces attractives et répulsives, étaient importantes pour comprendre comment et pourquoi les espèces chimiques qui composent l’ADN se rejoignent.
Pour leur cours de biologie, en revanche, l’idée centrale dont les étudiants parlaient le plus était la relation structure-fonction – comment la forme des espèces chimiques et biologiques détermine leur travail.
Ensuite, un ensemble d’activités interdisciplinaires a été conçu pour guider les étudiants dans l’utilisation des idées et des connaissances fondamentales de la chimie pour aider à expliquer les phénomènes biologiques du monde réel.
Les élèves ont passé en revue une idée de base en chimie et ont utilisé ces connaissances pour expliquer un scénario de chimie familier. Ensuite, ils l’ont appliqué pour expliquer un scénario biologique.
Une activité a exploré les impacts de l’acidification des océans sur les coquillages. Ici, les étudiants ont été invités à utiliser des idées de chimie de base pour expliquer comment les niveaux croissants de dioxyde de carbone dans l’eau de mer affectent les animaux marins constructeurs de coquilles tels que les coraux, les palourdes et les huîtres.
D’autres activités ont demandé aux étudiants d’appliquer leurs connaissances en chimie pour expliquer l’osmose – comment l’eau entre et sort des cellules du corps humain – ou comment la température peut modifier la stabilité de l’ADN humain.
Dans l’ensemble, les étudiants se sentaient confiants dans leurs connaissances en chimie et pouvaient facilement expliquer les scénarios de chimie. Ils ont eu plus de mal à appliquer les mêmes connaissances en chimie pour expliquer les scénarios biologiques.
Dans l’activité sur l’acidification des océans, la majorité des étudiants ont pu prédire avec précision comment une augmentation du dioxyde de carbone affecte les niveaux acides de l’océan. Cependant, ils n’ont pas toujours été en mesure d’expliquer comment ces changements affectent la vie marine en entravant la formation de coquillages.
Ces résultats soulignent qu’il reste un grand écart entre ce que les élèves apprennent dans leurs cours de sciences et leur niveau de préparation pour appliquer ces informations. Ce problème persiste malgré le fait qu’en 2012, la National Science Foundation a publié un ensemble de directives d’apprentissage en trois dimensions pour aider les éducateurs à rendre l’enseignement des sciences plus efficace.
Cependant, les étudiants de notre étude ont également rapporté que ces activités les avaient aidés à voir des liens entre les deux disciplines qu’ils n’auraient pas perçus autrement.
Nous sommes donc également repartis avec la preuve que nos étudiants en chimie, au moins, aimeraient avoir la capacité d’acquérir une compréhension plus approfondie de la science et de la façon de l’appliquer.
Zahilyn D. Roche Allred, chercheuse postdoctorale, Département de chimie et de biochimie, Florida International University
Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article d’origine.