Reflections on a half‐century of thinking in science education and research: Implications from a twelve‐year longitudinal study of children's learning¹

An earlier version of this paper was presented in Urbino, Italy and Milan, Italy in September, 2002.

Abstract

In the past three decades, there have been enormous advances in our understanding of the nature of knowledge and the processes by which humans construct new knowledge. There is now general agreement that knowledge is a human creation, where new ideas are constructed by creative people on the basis of their existing concepts and theories and of a search for new patterns or regularities in events or objects they observe. The constructed nature of knowledge means also that knowledge in every domain continues to evolve over time. We see concepts as the fundamental building blocks of knowledge, and we define concepts as perceived regularities or patterns in events or objects, or records of events or objects, designated by a label, usually a word.

There have been even greater advances in our understanding of human learning in the past three decades. These advances have focused on the importance of learners’ prior knowledge for the acquisition of new knowledge and on the need to sequence instruction to build upon the learners’ existing concepts and propositions. It is also recognized that each learner must construct her/his own concepts and propositions and that this process can be most productive when the learner consciously seeks to integrate new concepts and propositions into her/his cognitive structure, a process that requires meaningful learning, in contrast to the rote learning or memorization so common in school learning. Since 1963, our work has been based on the cognitive psychology of David Ausubel, including the design of the audio‐tutorial lessons used in a 12‐year longitudinal study of children's science concept learning and the development of a tool we call a concept map to represent knowledge organized into cognitive structures. It has been possible to show explicitly the progressive growth in children's understanding of science concepts and propositions over time, and in some cases, the lack of such growth. Concept maps have subsequently been used to help students learn how to learn, to capture and archive expert knowledge, and to facilitate creative production. We have also shown that the learning capabilities of young children have been grossly underestimated, especially for “abstract” concepts about the nature of matter and energy (see, e.g., the recommendations for national science standards; National Research Council, 1996). In the past decade, there has been the incredible development of the Internet to share information on virtually any topic. Moreover, enormously increased computer power, transmission band width, and other technological advances now make it possible to provide to any learner almost anywhere in the world all of the information needed to gain mastery of any subject. We are currently seeking ways to exploit these potentials, especially with the use of new concept‐mapping software, to help teachers and students ‘scaffold’ their learning, using expert concept maps and the collaborative possibilities of the new technologies.

Sommaire exécutif

Au cours des trois dernières décennies, il y a eu des progrès prodigieux dans ce que nous savons de la nature de la connaissance et des processus par lesquels les êtres humains construisent le savoir. Tous les chercheurs sont en général d'accord pour dire que la connaissance est une création humaine dans le cadre de laquelle de nouvelles idées sont construites par des êtres créatifs qui se fondent d'une part sur des notions et des théories connues et d'autre part sur la recherche de nouveaux modèles ou de nouvelles récurrences dans les événements et les objets observés. Le caractère construit de la connaissance signifie également que dans tous les domaines le savoir continue d'évoluer dans le temps. Nous voyons les concepts comme les composantes fondamentales de la connaissance, et nous les définissons comme les récurrences et les modèles perçus dans les événements ou les objets, ou encore dans les traces des événements ou des objets, désignés par un référent, normalement un mot.

Cependant, au cours de la même période, nous avons fait des progrès encore plus remarquables pour ce qui est de nos connaissances sur l'apprentissage humain. Les recherches ont été centrées sur l'importance des savoirs préalables des apprenants dans l'acquisition de nouvelles connaissances, et sur la nécessité d'offrir une formation séquentielle qui permette de construire le savoir sur la base des notions et propositions déjà acquises. Nous reconnaissons également que chaque apprenant doit construire ses propres concepts et propositions, et que ce processus est le plus productif lorsque l'apprenant cherche consciemment à intégrer de nouveaux concepts et de nouvelles propositions dans sa structure cognitive, ce qui requiert un apprentissage significatif assez différent de l'apprentissage machinal fondé sur la mémorisation qui caractérise souvent la formation scolaire. Depuis 1963, nos travaux tirent parti de la psychologie cognitive de David Ausubel. Nous avons réalisé des leçons sur support audio que nous avons utilisées dans le cadre d'une étude longitudinale d'une durée de douze ans sur l'apprentissage des concepts scientifiques chez les enfants, et nous avons mis au point un outil permettant de représenter le savoir sous forme de structures cognitives que nous appelons cartographie conceptuelle. Il nous a été possible de montrer de façon explicite la progression dans le temps de la compréhension des concepts et des propositions scientifiques chez les enfants, ou encore, dans certains cas, l'absence de progression. La cartographie conceptuelle a ensuite été utilisée pour aider les élèves à ≪ apprendre à apprendre ≫, pour saisir et archiver le savoir spécialisé et pour faciliter la production créative.

Dans les dix dernières années, l'incroyable essor du réseau Internet a permis d'échanger des informations sur à peu près tous les sujets. De plus, des ordinateurs toujours plus puissants, la transmission de données sur bandes larges et de nombreuses autres avancées technologiques font en sorte qu'il est maintenant possible de fournir à n'importe quel apprenant de presque n'importe quelle région du monde toutes les informations nécessaires à maîtriser n'importe quel sujet Nous sommes en ce moment à la recherche de nouvelles façons d'exploiter ces ressources, en particulier grâce à l'utilisation de nouveaux logiciels de cartographie conceptuelle, afin d'aider les enseignants et les élèves à ≪échafauder≫ l'apprentissage en se servant d'une cartographie conceptuelle experte et en exploitant les possibilités de ‘ collaboration qu'offrent les nouvelles technologies.

Notes

An earlier version of this paper was presented in Urbino, Italy and Milan, Italy in September, 2002.