החינוך המדעי בארצות הברית מבוסס על גישת הלמידה התלת-ממדית, שבבסיסה שלושה רעיונות מרכזיים

דמיינו לעצמכם שיעור מדעים בבית ספר. המורה נכנסת לכיתת המעבדה עם עגלה עמוסה בציוד, בחומרים ובכלים. "היום נלמד על חוק שימור האנרגיה ועל מעברים בין סוגי אנרגיה שונים", היא אומרת, ואחרי כמה הסברים התלמידים מודדים את מהירות התנודה של מטוטלת בעלת משקלים שונים ומציירים גרפים המתארים את שינוי האנרגיה. בסוף השיעור המורה מסכמת את התוצאות ומציגה את העקרונות המדעיים שנחקרו בשיעור.

מטרתם המוצהרת של שיעורי המדעים בחטיבות הביניים ובתיכון היא ללמד באמצעות ניסויים את התיאוריות, החוקים והעקרונות המדעיים המקובלים על הקהילה המדעית. אלא שיש משהו לא סביר ולא נכון בגישה זו: מדע אמיתי מתנהג בצורה אחרת לגמרי!

תפקידם של המדענים הוא להסביר תופעות שקיימות בעולם שסביבנו, ותפקידם של המהנדסים לפתור בעיות. כדי להסביר את התופעות השונות המדענים שואלים שאלות, מבצעים ניסויים, מנתחים נתונים ובונים מודלים מדעיים. הם דנים במסקנותיהם עם חוקרים אחרים ומנסים לגלות עקרונות חדשים שמפריכים את מה שידוע כרגע, או לפחות מוסיפים הבנה שלא הייתה קיימת בעבר.

בארצות הברית הבינו את העניין ושם נוקטים גישה חדשה כלפי חינוך מדעי, שבו נתונים גם תחומי ההנדסה, המתמטיקה והטכנולוגיה. בשנת 2013 פורסם מסמך הסטנדרטים החדשים לחינוך מדעי מכיתות הגן ועד התיכון, שמפרט את העקרונות של הלמידה התלת-ממדית (NGSS - Next Generation Science Standards). מה שמעניין בסטנדרטים אלה הוא התפיסה שתלמידים צריכים ללמוד כיצד להסביר תופעות ולא איך להוכיח עקרונות מדעיים. התוצאה הצפויה היא שהילדים יפגינו פחות שעמום וניכור בשיעורים, ויראו סקרנות וסיפוק כלפי החומר הנלמד.

לומדים שלושה ממדים

למידה תלת-ממדית קושרת בין שלושה רכיבים: פרקטיקות מדעיות והנדסיות (Scientific and Engineering Practices), רעיונות מדעיים (Disciplinary Core Ideas) ומושגים חוֹצֵי תחומים (Crosscutting Concepts). כל אחד משלושת הממדים חשוב באותה המידה, והשילוב שלהם עוזר לתלמידים לבנות עם הזמן בסיס לחשיבה מדעית ולהבנת המדע.

הממד הראשון שעליו מבוססת גישת הלימוד החדשה הוא הפרקטיקות המדעיות, כלומר הדברים העיקריים שמדענים עושים בשביל לחקור ולהציע הסברים לתופעות שונות, והפעולות שבהן נוקטים מהנדסים כדי לתכנן ולבנות מודלים לפתרון בעיות. המסמך מפרט פרקטיקות כמו הצגת שאלות, פיתוח מודלים ושימוש בהם, תכנון חקירה וביצוע שלה ושימוש בחשיבה מתמטית חישובית.

רעיונות הליבה, הממד השני ברשימה, הם העקרונות שהתלמידים אמורים להכיר בתחומי התוכן של המדעים הפיזיקליים (ובכלל זה הפיזיקה והכימיה), מדעי הטבע, הנדסה וטכנולוגיה, ומדעי כדור הארץ והחלל. בכל אחד מהתחומים נבחרו כמה נושאים שמורים חייבים ללמד. למשל אנרגיה, חומר וגלים בפיזיקה, מבנים ותהליכים במדעי החיים, ובתחום ההנדסה והטכנולוגיה - הקשר שבין הנדסה, טכנולוגיה, מדע וסביבה.

המושגים חוצי התחומים, המרכיבים את ממד הלמידה השלישי, הם רעיונות מדעיים המשותפים לכל תחומי המחקר המדעי. כאן ישבה ועדה שבחרה שבעה מושגים חשובים, לדוגמה דפוסים שהם אירועים וצורות שהחזרה שלהם מייצרת חשיבה על יחסי גומלין ועל מה שמשפיע עליהם; יחסי סיבה ותוצאה שאפשר לחקור כדי לחזות תוצאות של מעשים שונים; והמבנה של יצור חי או של חומר כלשהו, והאופן שבו בא מבנה זה לידי ביטוי בתכונותיו ובתפקודו. 


התלמידים צריכים להסביר תופעות ולא לשנן עקרונות מדעיים | צילום: U.S. Department of Agriculture, flickr
קווים מנחים לביצוע עצמאי

עקרונות גישת הלימוד מגיעים אל אנשי מערכת החינוך בארצות הברית כשהם מלווים בהסברים על שלושת הממדים. התלמידים אמורים להבינם וליישם אותם בכל אחת משכבות הגיל מהגן ועד סיום התיכון. כדי להבין עד כמה הם אכן הפנימו את נושאי הלימוד, הסטנדרטים כוללים גם הצהרות הערכה המכונות ציפיות ביצוע (Performance Expectations).

כל אחת מציפיות הביצוע מורכבת מאחד היישומים, מאחד הרעיונות המדעיים ומאחד המושגים חוצי התחומים, והיא מתארת מה שכל תלמיד אמור לעשות בסיום תהליך הלמידה. המורים מודדים את יכולות התלמידים על פי שלושת ממדי הלמידה ומעניקים ציונים שמראים עד כמה הצליחו התלמידים להגיע לאותה ציפיית ביצוע.

זה נשמע מעט מורכב, אך למעשה העניין פשוט. כך, לדוגמה, נראית אחת מציפיות הביצוע המיועדת לחטיבת הביניים בתחום מדעי החיים:

MS-LS2-3: Develop a model to describe the cycling of matter and flow of energy among living and nonliving parts of an ecosystem

בציפיית ביצוע זו אפשר למצוא את שלושת הרכיבים של הלמידה התלת-ממדית שהם הפרקטיקה של פיתוח מודלים ושימוש בהם, רעיונות ליבה המתמקדים בגלגולי חומר ומעברי אנרגיה במערכות אקולוגיות, והמושג חוצה התחומים של מעברי אנרגיה.

עם זאת, המסמך אינו מפרט מהן אסטרטגיות ההוראה ומהם חומרי הלימוד או כלי ההערכה שעל המורים להשתמש בהם. לשם כך חוקרים ואנשי חינוך בכל רחבי ארצות הברית שוקדים על פיתוח תכניות לימוד, כלי הוראה והמלצות חינוכיות המתמקדות בפיתוח, בהכשרה וביישום של הגישה והתאמתה למערכת החינוך במדינות השונות.

מהפכה בלי זעזועים

גישת הלמידה התלת-ממדית אינה מהפכנית. היא מבוססת על מחקרים רבים שנעשו בתחום החינוך והפסיכולוגיה ועל גישות חינוכיות שנצבר מידע רב על הצלחתן, כמו הוראה בדרך החקר, למידה מבוססת פרויקטים ולמידה פעילה ממוקדת תלמיד. השימוש בה אינו אומר שאפשר לוותר על העקרונות והחוקים המדעיים, אלא שהם נעשים חלק מארגז הכלים של התלמידים – ידע בשימוש (Knowledge in use) שמאפשר לתלמידים לחקור, להסביר ולהבין תופעות שונות.

זוכרים את שיעור המדעים שהחל בעגלת הציוד ובמדידות? בבית ספר שבו אימצו את הגישה התלת-ממדית השיעור מתחיל בפעילות בתחנות שבהן התלמידים בוחנים סביבון רגיל שמאט לעומת סביבון אלקטרומגנטי שממשיך להסתובב כל עוד הסוללה פועלת, ופחית שבתוכה יש מנגנון עם גומייה ומשקולת שגורם לה לנוע קדימה ואחורה לאורך זמן. המורה מציגה שאלה רלוונטית לעולמם היומיומי של התלמידים: למה דברים מסוימים עוצרים לאחר זמן מה ודברים אחרים ממשיכים לנוע? לאחר שדנו בשאלה ושיתפו רעיונות להסבר התופעות שנבחנו, ניגשים התלמידים לביצוע הניסוי המרכזי. בסוף השיעור מתקיים עוד דיון והתלמידים משוחחים על הסברים אפשריים לתופעות שנחקרו.

כיצד התקבל המעבר לשימוש בשיטה התלת-ממדית אצל המורים והתלמידים בארצות הברית? האם גישה זו אכן תביא לשינוי תפיסתי ולקידום הישגיהם של התלמידים? והאם הלמידה התלת-ממדית מתאימה למערכת החינוך בארץ? שאלות אלה ורבות נוספות דורשות מחקרים שיובילו להמלצות ולמסקנות חדשות. וכמו במדע, ככל שנעמיק יותר את הידע ואת ההבנה שלנו, כך נוכל לשפר את החינוך המדעי ולהתאים אותו יותר לעולם המתקדם והמשתנה ללא הרף סביבנו.

הכותב הוא חוקר בפקולטה לחינוך באוניברסיטת מישיגן סטייט שמתמקד בפיתוח תכניות לימוד מבוססות פרויקטים ובהכשרת מורים על פי הסטנדרטים החדשים. לפרטים נוספים וליצירת קשר: http://create4stem.msu.edu/people/tom-bielik