Διδακτική των φυσικών επιστημών

Η διδακτική των φυσικών επιστημών αποτελεί τον επιστημονικό κλάδο που έχει ως σκοπό τη μελέτη και βελτίωση της διδασκαλίας των φυσικών επιστημών (φυσική, χημεία, βιολογία, γεωλογία). Κάτι τέτοιο θεωρείται πως γίνεται εφικτό μέσα από τη μελέτη υπαρχόντων διδακτικών τεχνικών, αλλά και τη διερεύνηση και δοκιμαστική εφαρμογή νέων. Για προφανείς μάλλον λόγους, ο επιστημονικός αυτός κλάδος συχνά διαχωρίζεται σε διδακτική της φυσικής, διδακτική της χημείας, διδακτική της βιολογίας και διδακτική της γεωλογίας.

Σχέση της διδακτικής των φυσικών επιστημών με άλλες επιστήμες

Η διδακτική των φυσικών επιστημών αποτελεί κομμάτι της παιδαγωγικής επιστήμης, καθώς κάθε διδακτική πρόταση για τη διδασκαλία των φυσικών επιστημών βασίζεται σε μία συγκεκριμένη παιδαγωγική θεωρία (βλ. ιστορική αναδρομή παρακάτω). Προφανής είναι μάλλον και η σχέση της διδακτικής των φυσικών επιστημών με τις ίδιες τις φυσικές επιστήμες (φυσική, χημεία, βιολογία, γεωλογία). Ταυτόχρονα όμως η διδακτική των φυσικών επιστημών σχετίζεται με ποικίλα, αρκετά διαφορετικά μεταξύ τους, πεδία της επιστημονικής γνώσης.
Για παράδειγμα, η διδακτική των φυσικών επιστημών επηρεάζεται αρκετά από τις εξελίξεις της επιστήμης της ψυχολογίας. Πιο συγκεκριμένα, ιδιαίτερη επίδραση έχουν τα συμπεράσματα της γνωστικής ψυχολογίας, του κλάδου δηλαδή της ψυχολογίας που εστιάζει στους μηχανισμούς που λαμβάνουν χώρα στο νου κάθε ανθρώπου κατά τη διαδικασία της μάθησης. Ταυτόχρονα, ιδιαίτερη σημασία για τη διδακτική των φυσικών επιστημών έχουν τα πορίσματα της κοινωνικής ψυχολογίας, καθώς στις περισσότερες περιπτώσεις η διδασκαλία των φυσικών επιστημών λαμβάνει χώρα στα πλαίσια κάποιας ομάδας (σχολείο, πανεπιστήμιο κτλ.)
Ένας από τους στόχους της διδασκαλίας των φυσικών επιστημών, είναι και η κατανόηση, από τη πλευρά των μαθητών, του τί ακριβώς είναι αυτό που ονομάζεται ‘επιστημονική γνώση’ και πώς αυτή έχει εξελιχθεί στο χρόνο. Με αυτή την έννοια, η διδακτική των φυσικών επιστημών συσχετίζεται άμεσα με τους κλάδους της ιστορίας και φιλοσοφίας των φυσικών επιστημών.
Η ραγδαία αύξηση της τεχνολογίας στο δεύτερο μισό του 20ου αιώνα είχε σαφή επίδραση στις συνθήκες διδασκαλίας των φυσικών επιστημών. Σύντομα έγινε αντιληπτό ότι η ένταξη και χρήση νέων τεχνολογιών στη διδασκαλία των φυσικών επιστημών βοηθά στην αποτελεσματικότητά της. Με άλλα λόγια, η τεχνολογία συνιστά ένα πολύτιμο εργαλείο για τη βελτίωση της διδακτικής πράξης. Χαρακτηριστικά παραδείγματα τεχνολογικών επιτευγμάτων που έχουν βοηθήσει τη διδασκαλία των φυσικών επιστημών αποτελούν η τηλεόραση, ο ηλεκτρονικός υπολογιστής, το Internet, οι προσομοιώσεις κ.α.

Το παραδοσιακό ρεύμα

Ενώ η διδασκαλία των φυσικών επιστημών ξεκινά να εντάσσεται στα συστήματα υποχρεωτικής εκπαίδευσης αρκετών χωρών του πλανήτη ήδη από το 19ο αιώνα, η ανάδειξη της διδακτικής τους σε ξεχωριστό πεδίο έρευνας πραγματοποιείται αρκετά αργότερα, στα μέσα περίπου του 20ου αιώνα. Επομένως, για την περίοδο 1900-1950 μάλλον θα πρέπει να αναφερόμαστε σε ρεύματα της διδασκαλίας των φυσικών επιστημών, παρά της διδακτικής τους.
Σε αυτή την πρώτη φάση λοιπόν, η ένταξη των φυσικών επιστημών στο εκπαιδευτικό σύστημα διαφοροποιείται αρκετά από χώρα σε χώρα. Παρ’ όλα αυτά, υπάρχει ένα κοινό μοτίβο πίσω από αυτές τις διαφοροποιήσεις, βασιζόμενο κυρίως στην κυρίαρχη θεωρία μάθησης της εποχής, τον συμπεριφορισμό. Σύμφωνα με αυτήν, επιδιώκεται η εφαρμογή κατάλληλων διδακτικών μεθόδων (ερέθισμα), η οποία μπορεί να οδηγήσει στα επιθυμητά μαθησιακά αποτελέσματα (αντίδραση).
Βασικό χαρακτηριστικό είναι το ότι η γνώση των φυσικών επιστημών αντιμετωπίζεται ως "πακέτο" το οποίο είναι δυνατό να μεταφερθεί από το διδάσκοντα στους μαθητές, των οποίων οι συλλογισμοί βρίσκονται σε μία αρχική κατάσταση της ανθρώπινης συνείδησης (tabula rasa, δηλάδη λευκό χαρτί). Ο διδάσκων δηλαδή θεωρείται κάτοχος ενός συνόλου γνώσεων και δεξιοτήτων, τις οποίες επιχειρεί να μεταφέρει στους μαθητές. Με αυτή την έννοια, το μοντέλο αυτό αναφέρεται και ως μοντέλο μεταφοράς της γνώσης. Η διδασκαλία των φυσικών επιστημών βασίζεται, εκτός ελαχίστων εξαιρέσεων, στο βιβλίο του μαθητή και τις διαλέξεις που πραγματοποιεί ο διδάσκοντας, και όχι τόσο σε εργαστηριακές πρακτικές. Τέλος, κριτήριο επιτυχίας αποτελεί η ποσότητα πληροφοριών που έχουν συγκρατήσει οι μαθητές μέχρι το πέρας της διδασκαλίας.
Στη βιβλιογραφία της διδακτικής των φυσικών επιστημών το ρεύμα αυτό συχνά χαρακτηρίζεται ως παραδοσιακό. Θετικές πτυχές του παραδοσιακού ρεύματος περιλαμβάνουν την επιτυχία του στη μάθηση εννοιών ή γεγονότων από το χώρο των φυσικών επιστημών.

Το ανακαλυπτικό ρεύμα

Το συμβάν που θα αλλάξει τα δεδομένα της διδασκαλίας των φυσικών επιστημών έρχεται το 1957. Στις 4 Οκτωβρίου εκείνης της χρονιάς, η Σοβιετική Ένωση θέτει με επιτυχία σε τροχιά γύρω από τη Γη το δορυφόρο Sputnik Ι. Πρόκειται για μια επιστημονική πρωτιά σε παγκόσμιο επίπεδο και ταυτόχρονα μία πολύ δυνατή απόδειξη των επιστημονικών και τεχνολογικών δυνατοτήτων της Σοβιετικής Ένωσης. 
Σε ένα άλλο επίπεδο, το οικονομικό, οι ολοένα και μεγαλύτερες εφαρμογές της τεχνολογίας στην παραγωγή, που σε λίγο καιρό θα φέρουν την λεγόμενη Επιστημονική και Τεχνολογική Επανάσταση, δημιουργούν την ανάγκη για την παραγωγή από το εκπαιδευτικό σύστημα σχετικά καταρτισμένων τεχνιτών και επιστημόνων. Έτσι με σημείο εκκίνησης τη δεκαετία του 1960, η αμερικάνικη κυβέρνηση βοηθά με μία πρωτόγνωρη για τα χρονικά οικονομική υποστήριξη και την εξασφάλιση υποδομών και εκπαιδευτικού εξοπλισμού τη διδασκαλία των φυσικών επιστημών. 
Ακόμα, την περίοδο εκείνη αρχίζει και αναγνωρίζεται ο κεντρικός ρόλος που μπορεί να παίξει η διδασκαλία των φυσικών επιστημών από παιδαγωγικής άποψης. Με τις ευκαιρίες για συνολική θεώρηση του κόσμου, για κριτική σκέψη αλλά και ανακάλυψη και αυτενέργεια που προσφέρει, θεωρείται ότι μπορεί να είναι πολύ αποδοτικότερη για τη μόρφωση και την πνευματική ανάπτυξη των μαθητών από μια εκπαιδευτική διαδικασία επικεντρωμένη στα φιλολογικά/γλωσσικά μαθήματα.
Το αποτέλεσμα αυτών των παραγόντων ήταν να προωθηθούν ριζικές αλλαγές στον τρόπο που μέχρι τότε διδάσκονταν οι φυσικές επιστήμες, σηματοδοτώντας ταυτόχρονα τη γέννηση της διδακτικής των φυσικών επιστημών.
Ο βασικός πλέον στόχος της διδασκαλίας των φυσικών επιστημών σχετίζεται άμεσα με τις παραπάνω πολιτικές εξελίξεις: Αυτό που κυρίως επιδιώκεται είναι η ‘παραγωγή’ νέων και ικανών επαγγελματιών επιστημόνων. Πλέον, η διδασκαλία των φυσικών επιστημών, όπως προτείνεται από τα αναλυτικά προγράμματα της εποχής, αποδίδει ιδιαίτερη έμφαση στο μαθηματικό φορμαλισμό, βασίζεται σε μεγάλο βαθμό σε εργαστηριακές δραστηριότητες, ενώ είναι βασισμένη σε μια φιλοσοφία επίλυσης προβλημάτων σχεδιασμένη να ενθαρρύνει τους μαθητές να συμπεριφέρονται σαν επιστήμονες. Στη βιβλιογραφία της διδακτικής των φυσικών επιστημών το ρεύμα αυτό συχνά χαρακτηρίζεται ως ανακαλυπτικό.
Το ανακαλυπτικό πρότυπο βασίζεται σε θεωρίες της γνωστικής ψυχολογίας που αποδίδουν κεντρικό ρόλο στις δυνατότητες της ενεργητικής μάθησης. Σύμφωνα με την κεντρική τους υπόθεση, οι μαθητές είναι δυνατό να οδηγηθούν μόνοι τους στη γνώση των φυσικών επιστημών, να την «ανακαλύψουν», αν τους δοθούν τα κατάλληλα μέσα και τους υποβληθούν οι κατάλληλες καθοδηγητικές ερωτήσεις. Ο μαθητής αποτελεί πλέον το επίκεντρο της διδακτικής διαδικασίας, ενώ αποδίδεται μεγάλη σημασία στην αλληλεπιδραστική του σχέση με τα διδακτικά υλικά.

Το εποικοδομητικό ρεύμα

Στα τέλη της δεκαετίας του ΄70 εμφανίζεται πλήθος ερευνών που τονίζουν την ύπαρξη προϋπαρχουσών ιδεών των μαθητών σχετικά με τα φυσικά φαινόμενα που πρόκειται να διδαχθούν. Παράλληλες εξελίξεις στον τομέα της γνωστικής ψυχολογίας αναδεικνύουν την επίδραση αυτών των ιδεών στη διδασκαλία. Σε αυτά τα πλαίσια αναπτύσσεται, στις αρχές της δεκαετίας του ΄80, το εποικοδομητικό ρεύμα για τη διδασκαλία και τη μάθηση στις φυσικές επιστήμες. Βασικό του στοιχείο, το οποίο και σαφώς το διαφοροποιεί από τα προηγούμενα ρεύματα, είναι το γεγονός ότι λαμβάνει υπόψη και αξιοποιεί τις προϋπάρχουσες ιδέες των μαθητών για τα φυσικά φαινόμενα. Με άλλα λόγια, προτείνεται ο σχεδιασμός της διδακτικής πρακτικής με βάση τον τρόπο που οι ίδιοι οι μαθητές κατανοούν τις φυσικές έννοιες και ερμηνεύουν τα φαινόμενα της φύσης, πριν διδαχθούν τον επιστημονικό τρόπο ερμηνείας τους.
Ολόκληρη η δεκαετία του 1980 χαρακτηρίζεται από εκτενή μελέτη των προϋπαρχουσών ιδεών των μαθητών, τόσο ανά θεματική ενότητα των φυσικών επιστημών όσο και αναφορικά με τα γενικά τους χαρακτηριστικά ή τους παράγοντες που βοηθούν στην ανάπτυξή τους. Η επίδραση της σημασίας που αποδίδεται στις προϋπάρχουσες ιδέες των μαθητών διαφαίνεται σχεδόν σε όλα τα επίπεδα της διδακτικής διαδικασίας. Όσον αφορά το περιεχόμενο των φυσικών επιστημών προτείνεται ο διδακτικός του μετασχηματισμός, δηλαδή η μετατροπή του σε γνώση κατάλληλη να διδαχθεί στους μαθητές, στη βάση των προϋπαρχουσών ιδεών τους (αρκετά συχνά χρησιμοποιείται ο όρος σχολική επιστήμη). Με την ίδια λογική επιλέγονται και τα πειράματα / φαινόμενα με τα οποία πρόκειται να έλθουν σε επαφή οι μαθητές. Διατηρείται η άποψη περί ενεργούς συμμετοχής των μαθητών, με την έννοια ότι ενεργητικά κατασκευάζουν (οικοδομούν) τη γνώση, βασιζόμενοι στις προϋπάρχουσες ιδέες και εμπειρίες τους.
Σημαντικό επίσης χαρακτηριστικό της εποικοδομητικής προσέγγισης συνιστά η επισήμανση της μεταγνωστικής διαδικασίας. Με τον όρο μεταγνώση εννοείται η επίγνωση της μαθησιακής διαδικασίας από τον ίδιο το μαθητή, όρος που ίσως με απλούστερο τρόπο δηλώνεται μέσα από τη φράση ‘να γνωρίζουμε τί γνωρίζουμε, να γνωρίζουμε τί δε γνωρίζουμε’. Προτείνονται δηλαδή διαδικασίες που βοηθούν και ενθαρρύνουν το μαθητή να έχει γνώση της γνωστικής του πορείας κατά τη διάρκεια της διδασκαλίας. Τέτοιες διαδικασίες περιλαμβάνουν την ανάδειξη των γνώσεων του μαθητή, την εξάσκηση του στο να μιλάει για τις σκέψεις του, τη διατήρηση ενός ‘τετραδίου σκέψεων’, την αυτο-αξιολόγηση κτλ.

Το ρεύμα του επιστημονικού αλφαβητισμού

Το τέλος του 20ου αιώνα οι προτάσεις που αφορούν τη διδασκαλία των φυσικών επιστημών αλλάζουν για άλλη μια φορά. Κατά μία άποψη, οι παράγοντες που οδηγούν σε μια τέτοια αλλαγή είναι κυρίως κοινωνικοί: Ο πλανητικές συνθήκες χαρακτηρίζονται πλέον με τον όρο παγκοσμιοποίηση. Είτε υιοθετηθεί η ερμηνεία της πολιτισμικής παγκοσμιοποίησης (δηλαδή η ραγδαία τόνωση της επικοινωνίας μεταξύ διαφορετικών πολιτισμών), είτε αυτή της οικονομικής παγκοσμιοποίησης (δηλαδή η δημιουργία ενός παγκόσμιου αγοραστικού κοινού), ο ρόλος της διδασκαλίας των φυσικών επιστημών επηρεάζεται άμεσα. Ενδεικτική αυτής της στροφής στη διδακτική των φυσικών επιστημών είναι η τόνωση της σημασίας που έχει πλέον η σύγκριση διάφορων χωρών του πλανήτη με κριτήριο τα αποτελέσματα διεθνούς επιπέδου αξιολογήσεων μαθητών σε θέματα φυσικών επιστημών (χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί πρόγραμμα PISA του ΟΟΣΑ).
Από τη μία πλευρά, η γλώσσα των φυσικών επιστημών, ο επιστημονικός λόγος, αναγνωρίζεται ότι μπορεί να λειτουργήσει σαν γλώσσα επικοινωνίας μεταξύ τελείως διαφορετικών κουλτούρων και πολιτισμών: Είναι μία παγκόσμια γλώσσα. Το αποτέλεσμα είναι οι σύγχρονες προτάσεις της διδακτικής των φυσικών επιστημών να αποσκοπούν περισσότερο να αναδείξουν την σχέση των φυσικών επιστημών τόσο με την εκάστοτε τοπική κοινωνία (παράδειγμα αποτελεί η ανάπτυξη διδακτικών προσεγγίσεων για μαθητές που προέρχονται από μειονοτικούς πληθυσμούς), όσο και με τις υπόλοιπες μορφές γνώσης, όπως είναι η τέχνη ή η θρησκεία (βλ. διαθεματική προσέγγιση της γνώσης). 
Από την άλλη, η παγκοσμιοποιημένη κοινωνία είναι ταυτόχρονα μια κοινωνία καταναλωτική. Η διδακτική των φυσικών επιστημών δεν δείχνει να αποφεύγει αυτή την κοινωνική απαίτηση: Βασικός σκοπός δεν είναι τόσο η δημιουργία μελλοντικών επιστημόνων (βλ. 'ανακαλυπτικό ρεύμα'), όσο η δημιουργία μελλοντικών πολιτών, οι οποίοι είναι εξοικειωμένοι με τη χρήση της τεχνολογίας, βασικό εκφραστή της επιστημονικής δραστηριότητας στην παγκόσμια αγορά. Σε αυτά τα πλαίσια, η σημασία της τεχνολογίας στη διδασκαλία των φυσικών επιστημών παύει να περιορίζεται στο ρόλο του εργαλείου (με τη μορφή σύγχρονων μέσων διδασκαλίας) και αναδεικνύεται ως γνωστικό αντικείμενο. Η τεχνολογία αποτελεί αντικείμενο προς διδασκαλία και εντάσσεται στα Αναλυτικά Προγράμματα πολλών χωρών του πλανήτη. Χαρακτηριστικό είναι ότι το συγκεκριμένο ρεύμα συχνά αναφέρεται και ως 'επιστημονικός και τεχνολογικός αλαφαβητισμός'.