Reneé S. Schwartz

What Scientists Say: Scientists’ views of nature of science and relation to science context

The purpose of this study is to examine practicing scientists’ views of nature of science (NOS) and explore possible relationships between these views and science context. Science educators emphasize teaching NOS through inquiry‐based learning experiences throughout science disciplines. Yet aspects of NOS that are agreed upon as relevant to science education have been described in discipline‐independent ways. Given the situated nature of learning, we sought to examine how scientists understand recommended aspects of NOS and whether these views vary depending on the science discipline or investigative context of authentic practice. Participants were 24 scientists, representing four broad science disciplines (chemistry, life science, physics, earth/space science) and a variety of approaches (experimental, descriptive, theoretical). Data included questionnaires and interviews. Through intra‐group and cross‐group comparisons, we examine associations between NOS views, scientific disciplines, and methods of scientific inquiry. Results indicate NOS views are not necessarily related to science context. There appears to be as much variation within groups as across groups. Differences in views seem to be embedded within individual contexts and experiences rather than broader science disciplines. Results support the applicability of advocated NOS aspects across science contexts, and do not support a need to teach different natures of science in the K–12 science arena. We discuss the implications for NOS pedagogy in a variety of contexts.

Pre‐service teachers’ understanding and teaching of nature of science: An intervention study

This study is the third in a line of investigations that examines pre-service teachers’ conceptions of nature of science (NOS) and the translation of those conceptions into classroom practice. The purpose of the present study was to delineate the effectiveness of an intervention designed to facilitate pre-service teachers’ inclusion of NOS in their classroom teaching. Four factors were identified as most influential in participants’ teaching efforts: (1) knowledge of NOS, (2) knowledge of subject matter, (3) pedagogical knowledge, and (4) intentions towards teaching NOS. Intentions were the most critical factor. Participants, regardless of NOS views or science background, did not teach in accordance with their NOS views if they had not internalized the importance of teaching NOS. Those with strong intentions to address NOS explicitly were more successful. Those participants with strong intentions, well-developed NOS views, and extensive knowledge of science content were most successful in their instruction. Implications for the development of pedagogical content knowledge for NOS are discussed.Sommaire exécutifLa présente étude a visé à cerner l’efficacité d’une intervention destinée à faciliter chez de futurs enseignants et enseignantes l’intégration de savoir relatif à la nature de la science (NS) dans leurs pratiques d’enseignement. Il s’agit de la troisième étude d’une série de travaux portant sur la compréhension et l’enseignement de la NS chez de futurs maîtres. La recherche montre que la transposition des savoirs dans la pratique est indirecte et influencée par divers facteurs contextuels et personnels. L’intervention qui sous-tend la présente étude s’est déroulée lors de la cinquième année d’un programme de maîtrise en enseignement Pour favoriser l’intégration de savoir relatif à la NS, quatre modifications ont été apportées au programme de cette année en vue de tenir compte des contraintes qui limitent l’enseignement de la NS et qui ont été décrites ailleurs, soit le manque de savoirs relatifs à la NS, le manque de directives pour son enseignement, le manque d’activités pédagogiques ainsi que le manque de soutien d’un enseignant mentor. La NS a servi de fil conducteur tout au long de cette cinquième année du programme, de sorte que plusieurs travaux des étudiants et étudiantes devaient faire place aux objectifs liés à la NS, à son enseignement et à son évaluation. De plus, deux cours ont été ajoutés au cursus en vue d’enrichir les conceptions des futurs enseignants et enseignantes à l’égard de la NS. Enfin, un fascicule d’activités et de suggestions ou directives pédagogiques portant sur la NS a été fourni aux étudiants et étudiantes avant le début de leur stage d’enseignement Une cinquième modification, qui n’a touché que le cursus des participants et participantes à la présente étude, a consisté en la constitution, par les chercheurs, d’un groupe visant à soutenir les participants et participantes dans leurs efforts pour intégrer des références explicites à la NS dans leurs pratiques d’enseignementLes principes de la NS mis de l’avant dans ce programme sont ceux qui font l’objet d’un consensus chez les enseignants et enseignantes de sciences quant à leur importance et leur pertinence pour l’éducation, et ce, du préscolaire jusqu’à la fin du secondaire. Ils concordent également avec les principes énoncés dans les documents sur les réformes nationales en éducation. Ces principes stipulent que la science est (a) provisoire; b) basée sur des pratiques empiriques; c) subjective; d) un produit de l’imagination, de linférence et de la créativité; et, enfin, (e) socialement et culturellement inscrite. Les différences entre les lois et les théories scientifiques de même qu’entre les inférences et les observations ont aussi fait l’objet d’une attention particulière. Par ailleurs, comme des recherches antérieures suggèrent que l’approche la plus appropriée pour enseigner la NS est une approche explicite et réflexive, c’est une telle approche qui a été mise de l’avant dans tous les volets du programme de maîtrise en enseignement.Sur la base d’un questionnaire portant sur la NS (Abd-El-Khalick, 1998), d’une série d’entrevues, d’observations en classe ainsi que de profils biographiques, nous avons constitué, à partir d’une cohorte de 15 participants et participantes, un sous-échantillon intentionnel de sept futurs enseignants et enseignantes que nous avons suivis durant les dix semaines de leur stage d’enseignement Les futurs enseignants et enseignantes sélectionnés devaient faire montre (a) de points de vue appropriés, bien que variés, à l’égard de la NS; (b) de compétences pédagogiques moyennes et au-dessus de la moyenne; et (c) d’un intérêt manifeste pour la NS; ils devaient également bénéficier (d) du support d’un enseignant mentor favorable ou à tout le moins flexible à l’égard de l’enseignement de laNS. Des observations en classe, des plans de cours, des discussions après les séances en classe et des entrevues ont permis de documenter les tentatives des participants et participantes pour intégrer de façon explicite la NS dans leur enseignement, ainsi que leurs perceptions des facteurs facilitant ou inhibant cette intégration.Les résultats mettent en évidence le succès de tous les aspects de l’intervention relativement à l’enrichissement des points de vue des participants et participantes à l’égard de la NS et de sa valorisation en tant qu’objectif pédagogique. De plus, quatre facteurs jouant un rôle prépondérant dans les efforts pédagogiques des participants et participantes ont pu être identifiés, soit (1) le savoir relatif à la NS, (2) le savoir disciplinaire, (3) le savoir pédagogique et (4) les intentions vis-à-vis de l’enseignement de la NS, ce dernier facteur étant, à notre avis, le plus critique. En effet, quel que soit leur point de vue à l’égard de la NS ou leur formation scientifique antérieure, les participants et participantes n’enseignent pas en accord avec le point de vue qu’ils soutiennent pourtant à l’égard de la NS si ils n’ont pas, au préalable, intériorisé l’importance d’enseigner la NS. L’importance des intentions ainsi que du savoir pédagogique lié à l’enseignement de la NS est particulièrement évidente dans le cas du participant qui possédait à la fois les points de vue les plus articulés à l’égard de la NS et la formation scientifique la plus poussée. Ce participant a fait peu d’enseignement explicite de la NS, même s’il croyait en l’importance d’un tel enseignement. Cela est attribuable, selon nous, à son manque d’intentions fermes et au manque de savoir pédagogique spécifiquement lié au contenu «nature de la science». Il ne savait pas comment les deux contenus que constituent la NS et la théorie atomique pouvaient être conciliés de façon à améliorer globalement l’enseignement. De plus, il ne croyait pas que les élèves pouvaient s’approprier deux concepts abstraits en même temps.Les deux participants qui ont fait le plus d’efforts en vue de pratiquer un enseignement explicite de la NS se distinguent sur le plan de leur compréhension de la NS, sur le plan du savoir disciplinaire et sur celui de l’approche pédagogique. Le premier participant a réussi à intégrer la NS à l’intérieur de ses leçons de sciences. À son avis, cela tient à ses points de vue bien articulés sur la NS et à l’étendue considérable de son savoir disciplinaire, qui lui a permis d’étayer par de nombreux exemples la NS. En revanche, la seconde participante, qui a aussi multiplié les efforts pour enseigner explicitement la NS, s’y est pris d’une façon plus générique, en présentant la NS comme un contenu distinct et en se servant du fascicule d’activités reliées à la NS fourni dans le cadre du programme. Sa difficulté à intégrer la NS dans d’autres contextes est attribuable à sa compréhension plus limitée de la NS de même qu’à l’étendue plus restreinte de son savoir disciplinaire.Ces résultats suggèrent que les participants et participantes qui avaient l’intention ferme de traiter explicitement de la NS affichent un bon taux de réussite à cet égard. Les participants et participantes qui présentaient des intentions fermes, des points de vue bien articulés à l’égard de la NS ainsi que du savoir disciplinaire en sciences approfondi ont été les plus performants. Le savoir disciplinaire, le savoir relatif à la NS et le savoir pédagogique, ainsi que l’interaction entre ces trois domaines, constituent le «savoir pédagogique associé au contenu ‘nature de la science’». Pour la mise en œuvre de ce savoir pédagogique en situation de classe et l’obtention de résultats probants, l’intention d’enseigner la NS se révèle déterminante. D’autres recherches devront être réalisées en vue de comprendre l’interaction entre les domaines de savoir, les intention et les croyances dans le développement et l’implantation de savoirs pédagogiques associés à la NS.

Authentic Scientific Inquiry As Context For Teaching Nature Of Science: Identifying Critical Element

This statement encapsulates the most recent reforms that reclaim the importance of introducing students to the culture of science wherein they can develop conceptual understanding of traditional science subject matter, the nature of science (NOS), and scientific inquiry (American Association for the Advancement of Science [AAAS], 1993; NRC, 1996). It is the intercept of these three domains, along with an understanding of the utility of that knowledge to the individual and society that represents the conceptual foundation for a scientifically literate individual. Teaching emphasis has shifted from presenting science as a final body of knowledge to presenting science as a human endeavor that produces a solid (empirically-based and internally consistent), yet fallible, understanding of the natural world (see, for example, Duschl, 1990; Hodson, 1988). Such emphasis on the inclusion of NOS and scientific inquiry in science education extends back nearly a century (e.g. Linville, 1907) and has been described as central to generating an informed citizenry (e.g., Driver, Leach, Millar, & Scott, 1996; McComas, 1998; Schwab, 1962; Smith & Scharmann, 1999). As a pioneer in describing scientific inquiry in the classroom, Joseph Schwab (1962) drew attention to the significance of understanding the source and justification of scientific knowledge. He stated, “The knowledge won through enquiry is not knowledge merely of the facts but of the facts interpreted. And this interpretation, too, depends on the conceptual principle of the enquiry” (p. 14) [emphasis added]. Without understanding the qualities and assumptions that are inherent to the knowledge (NOS) and the processes by which the knowledge was created and accepted (scientific inquiry), the learner can do little more than construct an image of science consisting of isolated “facts” void of context that make the knowledge relevant, applicable, and meaningful (Lederman, 1998). This means that science is to be understood as an interpretive body of knowledge with foundation in

A Community College Instructor's Reflective Journey toward Developing Pedagogical Content Knowledge for Nature of Science in a Non-Majors Undergraduate Biology Course.

AbstractResearch supports an explicit-reflective approach to teaching about nature of science (NOS), but little is reported on teachers’ journeys as they attempt to integrate NOS into everyday lessons. This participatory action research paper reports the challenges and successes encountered by an in-service teacher, Sarah, implementing NOS for the first time throughout four units of a community college biology course (genetics, molecular biology, evolution, and ecology). Through the action research cycles of planning, implementing, and reflecting, Sarah identified areas of challenge and success. This paper reports emergent themes that assisted her in successfully embedding NOS within the science content. Data include weekly lesson plans and pre/post reflective journaling before and after each lesson of this lecture/lab combination class that met twice a week. This course was taught back to back semesters, and this study is based on the results of a year-long process. Developing pedagogical content knowledge (PCK) for NOS involves coming to understand the overlaps and connections between NOS, other science subject matter, pedagogical strategies, and student learning. Sarah found that through action research she was able to grow and assimilate her understanding of NOS within the biology content she was teaching. A shift in orientation toward teaching products of science to teaching science processes was a necessary shift for NOS pedagogical success. This process enabled Sarah’s development of PCK for NOS. As a practical example of putting research-based instructional recommendations into practice, this study may be very useful for other teachers who are learning to teach NOS.

Understanding Photosynthesis and Cellular Respiration: Encouraging a View of Biological Nested Systems

Connecting plant processes on multiple ecological levels has shown to be exceptionally challenging for learners. Decades of research suggest that learners are challenged in their conceptions of photosynthesis and plant cellular respiration. These processes include multiple biochemical steps, occur simultaneously within plant cells, and share common molecular components. Learners often compartmentalize functions without considering the interconnections of the processes within and across multiple system levels. Understanding connections among biological systems at macro, micro, and symbolic levels is important for biological literacy. Given that photosynthesis and cellular respiration impact multiple system levels, implications exist for those educators who traditionally emphasize only the biochemical level to address these processes. This chapter presents two individual cases and one summary case of preservice teachers who uniquely described their conceptions about photosynthesis and cellular respiration and the connections between these two processes. Pedagogical implications and strategies are discussed which include multiple representations to scaffold student thinking across biological levels.

Teaching about Scientific Models in a Science Content Course

Scientists construct and use models as part of scientific inquiry. Thus, learners should be knowledgeable about what scientific models are, how they are developed, and how they are used by scientists. This paper describes the instruction and effectiveness of teaching about the nature of scientific models in the context of an undergraduate science course for future elementary and middle school teachers. Multiple representations are used to teach biological phenomena while drawing explicit attention to the development and use of models in the scientific community and in science teaching. Results indicate participants initially considered models to be physical representations of objects to be visualized, the process scientists use to do an experiment, and a chart scientists use to record data. Posttests indicate increased recognition of models as representations of scientists’ ideas and explanations of processes. Despite explicit instruction, few came to understand the role of models in making and testing predictions.

The Nature of Scientists’ Nature of Science Views

What views of nature of science do scientists hold, and what are the implications of these views for science education? For science educators, nature of science is an important component of scientific literacy. Yet for scientists, nature of science is rarely a topic of thought or discussion. This chapter presents dialogue from interviews with two scientists as they discussed their views of nature of science from the perspective of their own research areas and experiences. A molecular biochemist and an astrophysicist offer insights into how they view specific nature of science aspects (such as tentativeness, creativity, and subjectivity) and how their views emerge from personal and contemporary science practices. The scientists portray a commitment and sophistication in what they say, while also demonstrating variety in their views. The chapter closes with implications for science education and questions for future research.