Mahasiswa harus menyelesaikan antara empat puluh dan enam puluh jam kredit mata kuliah sains sebelum lulus dengan jurusan sains. Ini berarti mereka harus menghabiskan sekitar 2.500 jam belajar di kelas selama studi mereka.
Studi telah menunjukkan bahwa, terlepas dari semua upaya yang dilakukan, sebagian besar mata kuliah sains di perguruan tinggi hanya memberikan pemahaman yang terfragmentasi tentang konsep ilmiah fundamental. Metode pengajaran ini meningkatkan hafalan fakta-fakta yang terpisah. Melanjutkan dari satu bab ke bab berikutnya tanpa perlu membuat hubungan di antara mereka, siswa diajarkan untuk menggunakan dan menghubungkan data.
Kemampuan ini juga penting di luar kelas karena merupakan dasar literasi sains: kemampuan untuk menggunakan pengetahuan ilmiah untuk mengevaluasi data dan membuat keputusan.
Dalam penelitian terbaru kami, kami melihat seberapa baik siswa dapat menggunakan pengetahuan kimia mereka untuk menjelaskan fenomena biologi nyata. Kami melakukan ini dengan meminta mereka berpartisipasi dalam aktivitas yang menciptakan hubungan lintas disiplin.
Kami menemukan bahwa aktivitas seperti ini dapat bermanfaat jika dimasukkan ke dalam kurikulum, meskipun sebagian besar siswa tidak diberi kesempatan untuk mempersiapkan diri untuk hubungan.
Pembelajaran tiga dimensi
Sejumlah besar penelitian menunjukkan bahwa pendidikan sains tradisional tidak berhasil mengajarkan mahasiswa sains, baik di jurusan sains maupun non-sains, cara menerapkan pengetahuan ilmiah mereka. Selain itu, pendidikan ini tidak menjelaskan materi yang mungkin belum mereka pelajari secara langsung.
Dengan mempertimbangkan hal ini, kami membuat sejumlah aktivitas yang mencakup berbagai disiplin ilmu dan didorong oleh kerangka kerja yang dikenal sebagai “pembelajaran tiga dimensi”.
Singkatnya, pembelajaran tiga dimensi, atau 3DL, menekankan bahwa konsep-konsep fundamental dalam suatu disiplin ilmu harus digunakan dalam pengajaran, pembelajaran, dan penilaian siswa. Pembelajaran tiga dimensi juga harus memasukkan aturan dan perangkat yang membantu siswa membuat hubungan dalam dan antardisiplin ilmu. Terakhir, pembelajaran tiga dimensi harus melibatkan siswa memanfaatkan apa yang mereka ketahui.
Membuat hubungan ilmiah
Untuk memulai, kami mewawancarai 28 mahasiswa tahun pertama yang bersekolah di bidang sains atau teknik. Mata kuliah pengantar kimia dan biologi membahas semua itu. Kami meminta mereka untuk menjelaskan bagaimana materi mata kuliah ini berhubungan dengan pesan yang mereka pikir dapat diambil dari setiap mata kuliah.
Para siswa menanggapi dengan menyebutkan daftar topik, ide, dan keterampilan yang diajarkan di kelas. Beberapa, tetapi tidak semua, dengan benar mengidentifikasi konsep dasar dari setiap sains. Mereka menyadari bahwa pemahaman mereka tentang biologi bergantung pada pengetahuan kimia mereka, tetapi ini tidak berarti bahwa hal sebaliknya juga berlaku.
Misalnya, siswa membahas bagaimana pengetahuan mereka tentang interaksi kimia, seperti gaya tarik dan tolak, sangat penting untuk memahami bagaimana dan mengapa spesies kimia yang membentuk DNA bersatu.
Sebaliknya, dalam mata kuliah biologi, konsep utama yang paling banyak dibahas siswa adalah hubungan struktur-fungsi dan bagaimana bentuk spesies kimia dan biologis mempengaruhi pekerjaan mereka.
Selain itu, kegiatan lintas disiplin dimaksudkan untuk membantu siswa memahami fenomena biologis yang terjadi di dunia nyata dengan menggunakan konsep dan pengetahuan inti kimia.
Siswa meninjau konsep kimia inti dan menggunakannya untuk menjelaskan skenario kimia yang sudah dikenal. Mereka kemudian menggunakan pengetahuan ini untuk menjelaskan skenario biologis.
Satu kegiatan berfokus pada dampak pengasaman laut pada kerang laut. Para siswa diminta untuk menggunakan konsep kimia dasar untuk menjelaskan bagaimana hewan laut pembentuk cangkang seperti karang, remis, dan tiram dipengaruhi oleh peningkatan kadar karbon dioksida di air laut.
Dalam kegiatan lain, siswa diminta untuk menjelaskan osmosis, cara air masuk dan keluar dari sel-sel tubuh manusia, atau bagaimana suhu dapat mengubah stabilitas DNA manusia.
Secara keseluruhan, siswa merasa yakin dengan pengetahuan kimia mereka dan dapat menjelaskan skenario kimia dengan mudah. Namun, mereka kesulitan menerapkan pengetahuan yang sama ke skenario biologis.
Mayoritas siswa yang terlibat dalam aktivitas pengasaman laut mampu memprediksi secara akurat bagaimana peningkatan karbon dioksida memengaruhi tingkat keasaman laut. Namun, mereka kadang-kadang tidak mampu menjelaskan bagaimana perubahan ini memengaruhi kehidupan laut dengan menghambat pembentukan cangkang.
Hasil ini menunjukkan bahwa masih ada perbedaan besar antara apa yang dipelajari siswa dalam mata kuliah sains dan seberapa siap mereka untuk menerapkan pengetahuan tersebut. Hal ini masih terjadi meskipun National Science Foundation mengeluarkan pedoman pembelajaran tiga dimensi pada tahun 2012 dalam upaya mereka untuk meningkatkan pendidikan sains.
Meskipun demikian, siswa dalam penelitian kami mengatakan bahwa kegiatan ini membantu mereka melihat hubungan antara kedua disiplin ilmu yang sebelumnya mereka tidak menyadari.
Kami juga menemukan bahwa siswa kimia kami ingin mempelajari lebih banyak tentang sains dan aplikasinya.