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随着西方工业革命的发展，19世纪既是科学时代，也是呼唤科学教育的新时代。很多国家不仅通过立法把《科学》列入课程表，而且关于应该教什么和怎样教意见纷呈，有些教育家主张由科学家分别教各门科学，一些教育家则要综合各门科学于一种统一的学习研究，还有一些课程设计者希望把科学和文学统一起来，达尔文进化论的影响又导致一些教师提出文明进化与儿童心理发展并行的课程建设指导。这一系列大爆炸，催生了很多经典的教学理念和方法。比如，当代科学教学中广泛运用的发现法早在19世纪后期就被斯宾塞明确提出过，“从做中学”则是杜威科学教学理论的核心。
国际上对科学教育的认识是逐步发展的渐变过程，但从教育改革的活动特点看，大致可以将国际小学科学教学的发展分为实物导向、自然研究导向、实用导向和探究导向四个阶段。
19世纪，有教育家主张应该围绕“能量通过物质做功的定律”形成一门统一的科学课程，建议教育应该在使儿童懂得科学的普通定律上下功夫。于是，实物教学法盛行，这是最早为了促使科学教育系统化而提出的学习原理。该理念源自瑞士教育家裴斯泰洛齐的教学法理论，他想改变直接以语言灌输为目的的问答式教学，倡导观察、实验和推理，力求课程跟儿童的自然成长相协调，认为儿童应该研究真实的事物以便充分运用感觉印象。
基于实物教学理念，最完整的小学科学课程大纲是EG.豪在1879年为依利诺伊州平原师范学校写的，并在试用和试验十四年后，以著作《系统的科学教育》为标题公布。该大纲是一个综合性、整体性的科学活动体系，从一年级延伸至九年级，规定了教学内容的范围，要求课文客观叙述事物，并以此估计了学习所需的时间，注明了环环相扣的教学步骤，指明的必需教具都是容易找到或者能为教师易于自制的普通物品。在EG.豪看来，智力的成熟决定于教材内容的系统性和一种需要儿童去动脑筋的教学方法。于是，他强调“儿童中心”活动的重要性，并且发展了许多直接把儿童包含进来的教学方法，强调感官知觉和丰富多彩的案例增进科学理解的重要性。他甚至认为“没有任何深奥问题的中心意思是不能够教给很小的儿童的”
，特别是在教学步子迈得足够小的情况下。但是，由于科学教育初兴，科学在学校中很少被广泛地教授，而且教师们的科学知识实在有限或者不懂得科学的意义，科学走进小学教育中来的尝试都未能取得普遍接受的结果，使得主张充分重视儿童实际经验的实物教学在课堂实践上几乎是空口说白话，EG.豪的理论对小学科学课堂教学实际产生的影响十分受限。
这一理念在20世纪初被迫切求知科学的中国导入国内，善于学习的国人很快将西方实物教育理念及实用价值追求与东方经世致用理念相融合。洋务运动期间，地主阶级改革派人士成功将“致用”贯彻落实于教育之上，科学技术教育开始在“实学”招牌的庇护下成长。冯桂芬在《采西学议》中，感叹“算学、重学、视学、光学、化学等，皆得格物至理，舆地书备列百国山川厄塞风土物产，多中人所不及”
，呼吁国人重视科学教育。新政之后，“尚实”成为科技教育的官方名牌，直接影响小学科学教育的价值取向。1904年颁布的《奏定学堂章程》将小学科学教育的目标限定于日用生计之用和各项实业之用。其中，初小格致科的“要义”在于“使知动物植物矿物等类之大略形象质性，并格物与人关系，以备有益日用生计之用”；高小格致科的“要义”在于“在使知动物植物矿物等类之形象质性，并使知物之关系，及物与人之关系，可适于日用生计及各项实业之用”，均直接倾向应用，而科学的其他内涵如科学精神及科学方法却尚未涉及。相关课本与之紧密对应，极为推崇实物教学法。例如商务印书馆《格致课本》序中更指出：“此书中所载之动植物皆宜实物以示儿童，更宜于课余率令里野外游行以观察自然界之直真相，方可得确实之知识且饶理科之兴味。”
教育部审定的《理科实物教授》一书的前言中，编译者表达了对观察法的肯定，“科学之知识，皆由寻常观察而来，儿童脑筋敏锐，因势而利导之，则感发自易。是书由英国《实物教授丛书》译出，以简明之语提格致之要，循序渐进，由浅入深，诚为善本。即凡已读英文本者，更取此书，互相印证，进步尤易。”
“自然研究”作为一个有组织的科学教学原理和方法引入小学是19世纪末20世纪初的事情。它强调通过第一手的观察而不是书本来研究与儿童日常生活发生直接关系的自然事物，以形成儿童对于自然界事物的广博认识和兴趣，并进行简单的科学方法训练，养成良好的观察与思考习惯。
“自然研究”课程内容设计的出发点是自然史和神学。它包含着一种自然神学观念，即通过考察大自然——造物主的复杂设计，传授一种“自然神圣”的理念。从今天的角度来考察，它虽然没有覆盖科学教育的全部内涵，尤其是没有体现科学探究的本质内涵，但在当时仍具有一定的积极意义。比如，它同样强调观察和亲近自然，对于启发孩子们的想象力、对事实的领悟及表述能力，特别是对自然的敬畏等。所以，“自然研究”运动一开始就遭到批评。反对者们认为，它不仅无法实现小学科学教育发展儿童推理、解决问题等基本技能，反而在审美和情绪方面提出了难以达到的要求。
但是，“自然研究”教学法并非没有可取之处。它倡导在科学学习活动中配合读、写、唱、画、游戏和简易采集等项目进行协作教学，对教师颇有吸引力，从而演变为大众教育运动，甚至一度影响到我国近代科学教育的发展，从清末直至民国，实物观察法和实验法均是国内科学教学十分强调的教学法。
清末时期，《癸卯学制》规定：“凡教理化者，在本诸实验，得真确之知识，使适于日用生计及实业之用。”其中，小学校“教授理科务须实地观察，或示以标本模型图画等，并施简易实验。”
观察、实验都成为理科教学的基本方法。科学教学重视观察实验，在当时随着日本等国外教科书的引进而随之传播。到了民国，如1923年由东南大学附属小学编写，经商务印书馆出版的《新法自然研究》就是一套在自然研究教育试验中诞生，极具创新性和代表性的小学科学教科书。该套教科书不仅选材十分注重实用性，还按“自然界的生活”“自然界的现象”“自然界的利用”三大板块来组织教材内容，把八类素材有机地组合在其中：自然界的生活（春夏季、秋季、冬季）；自然界的现象（气候、天象、季节）；自然界的利用（衣、食、住、行、器具机械）。这种单元编排理念打破了小学科学教科书按学科板块（动物、植物、物理、化学等）安排内容的传统，从学生心理发展的角度进行内容重组，成功克服了1923年《小学自然（包括自然园艺）课程纲要》大纲内容之间缺乏相关性和组织性的缺点，给1929年《小学自然课程暂行标准》中的“自然现象、生活需要、卫生智能”三个板块奠定了基础，十分适合儿童的学习心理。
随着科学技术对社会冲击的加深和杜威实用主义哲学的兴起，儿童的需要和兴趣变成了20世纪30年代小学科学课程形成的主要根据，基本选材方针是以民众生活实际和社会需求为导向的。这种实用导向的科学教学以理性思维和问题解决为目标。杜威认为聪明的公民总体必然是由思维训练有素的个人构成的，他批判传统的科学教育只注重科学知识的传授，而忽略了学生的思维过程以及对科学方法的掌握，从而导致很多死记硬背的现象。于是，他主张“做中学”，把学习过程当作一个科学研究的过程，从而让学生亲历科学。他根据自己对思维心理学的研究，设计了一套教学程序，即“提出问题——构成假设——指导实验——验证假设——自行发现知识”，认为科学教育之所以能够起到重要的作用，是因为它的方法（科学家研究自然界的方法）和训练思维的方法基本上是相同的。
但是，这种预设性目标的弱点十分明显。首先，它所假定的科学思维进程站不住脚。一方面，上面列出的那些步骤并非决然直线通向“发现”步骤；另一方面，它含有似乎“沿着规定系列步骤前进必将会引出问题的答案”这一简单的机械论调。但科学研究的精神实质和具体步骤在事实上显然不是这样固化的，这种教学过程的结果很容易进行错误指导。其次，这种目标只有儿童行为变化上清楚地表现出来了才有意义。但是，很多时候儿童达不到这些目标，基本原因是教学方法不适宜，有的教学方法注定达不到这些目标。再次，选材的代表性备受质疑。那些最了解科学的专家们与那些关注儿童智力发展的人会因为立场的不同产生不一致的观点。
但是，这种实用导向的科学教学理念顺应了社会发展的潮流和对儿童基本学习理念的认识，很快也被导入我国，对我国近代科学教学的发展产生了重要的影响。《奏定高等小学堂章程》对“格致科”规定：“在使知动物植物矿物等类之形象质性，并使知物与物之关系，及物与人相对之关系，可适于日用生计及各项实业之用，尤当于农业工业所关重要动植矿等物说详为解说，以精密其观物察理之念”。
1905年，清政府设立学部，学部尚书容庆于次年呈递了《奏请宣示教育宗旨折》。在这个奏折中，他主张以“忠君、尊孔、尚公、尚武、尚实”为宗旨。
其中所谓“尚实”，就是：“今欲推行普通教育，凡中小学堂所用之教科书，宣取浅近之理与切实可行之事以训谕生徒，修身、图文、算术等种，举其易知易从者勖之以实行，课之以实用；其他格致、画图、手工皆当视为重要科目，以期发达实科学派”
这种理念也相应地影响了当时我国的教科书发展。例如，无锡三等公学堂1902年出版的两卷日译本《中国理科教科书》在课本前的约旨中，言道：“理科书即说明自然科学之全体，为工商发达起见，鲸鱼鸡那，吾国不产，研究无益也，是书专务农工制造之进步，故所列教材，只载中土物产”
，将科学视为工商发达、农工制造、经济建设的一种促进手段。于是，编者根据国情和儿童生活情况，“存其日用浅显，与吾国儿童之常伴合者”，删去了“深奥之理”和日本国“鲸鱼鸡那”此等特殊物产，并以本国物产为主做了相应的增补。
20世纪50年代之前西方国家实质上没有真正意义上的科学教育课程，即使有也是以知识的传授为主的教材诵读课而已。从20世纪50年代末开始，以美国为首的西方发达国家开始对小学科学课程进行全面的思考，一致认为以知识为主题的旧面貌已经与科技对社会的推动不相符合，必须得到改革。其中，极具刺激的是1957年苏联成功发射第一颗人造地球卫星，给美国很大的震动，被视为科技领域的“珍珠港事件”，美国人不约而同地归结为科学教育的失败。为了改革这种现状，由国家科学基金会（National Science Foundation，简称NSF）等机构资助，组织了包括教育学家布鲁纳在内的数十位教育家、科学家深入影响了科学教学的改革。比如，影响较大的ESS（Elementary Science Study）课程由美国教育发展中心设计，它最大限度地体现了布鲁纳的“发现学习”理论，把学生好奇心的培养和具体科学经验的获取作为首要目标。其特色有：
（1）全套课程包含56个有趣的、可以独立进行的教学单元，每个单元包含教师教学手册，并附有教具和学习资料。各单元可以随意选择，没有教学总目标、教学范围和教学顺序。
（2）课程内容包含了生命科学和物理科学，单元主题又非常广泛和生活化。强调利用各种具体的事物，帮助儿童经历自由探究的过程。其设计理念是开放式和探究性的，不讲求结果。
（3）教学过程以儿童为中心，重视儿童在探索过程中获取科学经验以及隐藏在其中的科学概念，反对把一堆概念教给儿童。强调通过科学探究激发儿童的内在动机，增强其自信心。
20世纪五六十年代的科学教育改革，发端于美国，影响到世界上很多国家，如英国、澳大利亚甚至马来西亚等发展中国家。美国学者赫德称从1957年到1978年间的科学教育改革为一场革命，它摒弃了那种古典主义的、死背事实性知识的、讲述型的“教师和事实取向”（teacher－and－fact approach）教学，而代之以“探究取向”（inquiry approach）的教学。
美国国家科学教师协会1988年手册表示相对之前科学教学侧重于教科书，以通俗科技的众多科学主题为范围，强调演绎思考，以获取正确答案的记忆和接受型学习的模式而言，在此期间，科学教学的理论基础是“探究”和“过程”，侧重于实验室资料，以少数“纯科学”主题为切入点，强调归纳思考，以达到合理的、暂时性的答案的发现和探究学习为模式。
但是，由于教育界对布鲁纳学科结构理论过度推崇，并将其适用范围扩大到所有年龄阶段、所有能力层次的学生，导致许多新课程在教学上过度重视学生知识结构，很大程度上只是将科学教学从知识化模式转化为结构化模式而已，忽视了如何将特定年龄和能力阶段学生的科学教学实现“探究”和“过程”相联系这一核心问题。
面对课程、教材、教学与儿童学习特点认识存在的鸿沟，20世纪70年代教育哲学思潮又从布鲁纳转向了杜威，在“儿童中心主义”这一教育心理学理念的支撑下，建构主义学习理论风靡一时，将科学教学的探究过程与儿童的科学概念相联系，认为儿童在“探究”过程中构建新概念或者修正旧概念。其中，极具代表性的有杰亚夫（R.Drive）的“前经验”理论。在他看来，较之认知水平，学生的先前经验与学生科学概念的形成与转变的机制密切相关，与学生科学学习成绩的相关性更大。
从20世纪80年代至今，随着建构主义理论对“探究”和“过程”教学模式的进一步丰富，科学教育的目标从学生的概念认知发展到全民科学素养的构建，并推出了全国统一的科学课程标准，对西方近半个世纪以来在科学教育研究和实践方面的主要成就完成了归纳和升华，可谓再攀高峰。其中，随着美国国家研究理事会、美国科学促进会先后颁布《国家科学教育标准》（ NationalScience Education Standards ， NSES ）（1996年）以及《面向全体美国人的科学》（2001年）、《科学素养的基准》（2001年）等相关文献，该进程的重要标志——美国1985年倡导的“2061计划”得以实施。受其影响，英国从90年代开始大范围推行《国家科学课程（英格兰和威尔士地区）》，对5～16岁孩子的科学教育明确提出了17个方面（分10个层次）的“学习目标”（attainment targets）。1995年，法国中小学科学教育改革拉开序幕，名为“动手做”。1996年7月法国科学院首先支持这个计划，并始终向这项计划提供帮助。随后，这个项目的成果得到法国教育部的高度评价和大力推广，2000年，法国教育部下令在全国小学推行“动手做”的科学教育改革计划，并从2002年起逐步向部分初高中推广。
这一时期相关文件的主要内容如下：第一，科学教育要纠正过度知识化和过程化现象，在“知识”“方法”“过程”之外，将“价值和态度”纳入其中，奉“科学素养”为基本目标；第二，贯彻科学教学的生活化和经验化特质，不仅与儿童的实际生活经验紧密联系，还要将儿童已有的经验和认识作为教学的起点；第三，科学教育的目标放眼于培养符合时代需求，具有较高科学素养，具备终身科学学习能力的公民；第四，重视教师培训，在学生科学教育标准之外，制定教师学习标准。值得注意的是，虽然所有的观点都强调采取“科学探究”作为科学教育的基本理念和方法。但是，其最重要的贡献是打破了“探究”一元化的教学困局，强调科学素养本就是多元内容的建构和融合，与之对应的课程目标应该多元，与课程目标对应的教学方式应该多样。一个显而易见的事实是仅用诉诸理性的讲授、探究还难以形成环境意识、科学道德等与情感相联系的科学素养。