Struttura della conoscenza scientifica

Una prima efficace descrizione della struttura della conoscenza è stata data da Bruner (1966) secondo cui gli studenti dovevano essere capaci di rappresentare i fenomeni a tre distinti livelli: l'enattivo, l'iconico e il simbolico. L'enattivo si riferisce ai fenomeni che possono essere osservati, riguarda la dimensione dell'esperienza percepita attraverso i cinque sensi. Il livello iconico si riferisce alle rappresentazioni interne, ai modelli, mentre il livello simbolico si riferisce alle rappresentazioni astratte: linguaggio, simboli, definizioni, formule utilizzate per descrivere i fenomeni. Per una comprensione effettiva dei fenomeni è necessario saperli rappresentare a tutti e tre i livelli. Nel 1991 Johnstone ha proposto un modello analogo per la conoscenza scientifica chiamato "I tre livelli concettuali della comprensione scientifica". I tre livelli identificati da Johnstone sono il livello macroscopico, il livello sub-microscopico e il livello simbolico. Al livello macroscopico lo studente fa esperienza del fenomeno attraverso dimostrazioni e esperienze di laboratorio, il livello sub-microscopico studia i fenomeni che avvengono al livello di molecole e atomi [Gabel (1999) nell'ambito della didattica della chimica ha proposto di rinominare questo livello chiamandolo livello particellare], il livello simbolico si riferisce alle formule scientifiche, alle equazioni, alle definizioni. Recentemente Hitt & Townsend (2004) hanno proposto di rinominare il livello sub-microscopico in livello del modellamento dato che tutte le rappresentazioni a livello molecolare e atomico fanno ricorso a modelli per rappresentare i fenomeni, inoltre questa terminologia permette di estendere questa rappresentazione a discipline diverse dalla fisica e dalla chimica, la biologia ad esempio utilizza modelli per descrivere i processi e le strutture a livello subcellulare, e a diversi livelli di scala ad esempio permette di includere i modelli atmosferici utilizzati in meteorologia.
Consideriamo ad esempio il concetto di reazione chimica: può essere comunicato a livello macroscopico sottolineando come le sostanze possono avere o non avere la tendenza a dare una data reazione, può essere comunicato a livello di modello evidenziando come gli atomi che costituiscono le molecole si riarrangiano durante una reazione e può essere comunicato a livello simbolico attraverso la equazione chimica che descrive la reazione bilanciata. Dal momento che la rappresentazione a livello di modello e la rappresentazione simbolica hanno una natura astratta è più probabile che per queste rappresentazioni si formino delle misconcezioni.
Hitt, A., and J.S. Townsend. 2007. Getting to the core issues of science teaching: A model-based approach to science instruction. Science Educator 16(2): 20–26

Project based learning (apprendimento basato su progetti) e Problem based learning (apprendimento basato su problemi)

Entrambi questi metodi didattici sono focalizzati nell'insegnare coinvolgendo gli studenti in una attività di ricerca. Presentano dei tratti in comune e degli aspetti specifici.

Sono entrambi caratterizzati dai seguenti aspetti:

1) L'apprendimento è guidato dalla risoluzione di problemi a soluzione aperta ovvero problemi in cui non esiste una unica risposta corretta.
2) I problemi/casi e i progetti sono contestualizzati in situazioni specifiche (reali o simulate).
3) Gli studenti sono autonomi nel lavoro, investigatori e risolutori di problemi in piccoli gruppi
4) L'insegnante adotta il ruolo di facilitatore dell'apprendimento, formulando domande pertinenti, strutturando compiti significativi, guidando il processo di apprendimento e promuovendo un ambiente di scoperta che porta a migliorare la struttura delle conoscenze e le abilità sociali.

Piuttosto che avere l'insegnante che comunica fatti e poi verifica la memorizzazione degli stessi, i metodi PBL insegnano a applicare la conoscenza in nuove situazioni.
I fautori di questi metodi ritengono che:

1) Sviluppano il pensiero critico e le abilità creative
2) Migliorano l'abilità di problem-solving
3) Aumentano la motivazione
4) Aiutano gli studenti ad apprendere e a trasferire la conoscenza in nuove situazioni
5) Possono essere utilizzati come organizzatori per progettare l'intero curricolo.

Tra le critiche formulate a questi metodi la principale è che gli studenti, lavorando autonomamente alla ricerca di una soluzione, non capiscono quali aspetti teorici sia realmente importante imparare, soprattutto in aree in cui non hanno esperienze pregresse, quindi diventa fondamentale verificare le preconoscenze degli allievi. Un'altra critica è che consumano molto tempo riducendo significativamente il programma che può essere svolto.

Relativamente agli aspetti specifici dei due metodi il project based learning è caratterizzato da:

• essere multidisciplinare
• fare ricorso a un fenomeno da investigare o casi/problemi reali
• portare alla realizzazione di un prodotto o di una prestazione

Il problem based learning è caratterizzato da:

• essere spesso monodisciplinare
• fare ricorso a problemi reali oppure a simulazioni costruite intorno a casi o scenari immaginati
• richiedere meno tempo rispetto al project based learning
• portare spesso alla semplice proposta di una soluzione al problema, comunicata in forma scritta o orale.

Per entrambi i metodi i riferimenti teorici possono essere fatti risalire al lavoro di John Dewey il quale riteneva che la didattica deve fare appello agli istinti naturali degli studenti di investigare e di creare (Delisle 1997). Il problem based learning in particolare è stato inventato nel 1960 alla medical school della McMaster University in Canada.