การวิจัยครั้งนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาแนวทางการพัฒนาสมรรถนะด้านวิทยาศาสตร์ของนักเรียนช่วงชั้น 3 วิธีการเก็บข้อมูลมี 2 ประเภท คือ (1) การเก็บข้อมูลเชิงปริมาณโดยใช้แบบสอบถาม ตัวอย่างประชากร คือ นักเรียน และครูผู้สอนวิทยาศาสตร์ช่วงชั้น 3จำนวน 734 และ 43 คน ตามลำดับ การวิเคราะห์ข้อมูลใช้สถิติภาคบรรยาย การทดสอบ t-test,ANOVA และ MANOVA (2) การเก็บข้อมูลเชิงคุณภาพใช้การสนทนากลุ่มกับนักเรียน 2 กลุ่มและการสัมภาษณ์กับครู 2 คน จำนวน 1 โรงเรียน วิเคราะห์ข้อมูลโดยการแจกแจงความถี่และการวิเคราะห์เนื้อหาผลการวิจัยสรุปได้ดังนี้ 1) นักเรียนที่มีทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์สูงและต่ำมีความต้องการในการเรียนแตกต่างกันอย่างมีระดับนัยสำคัญทางสถิติที่ระดับ .01 โดยนักเรียนที่มีทักษะสูงต้องการเรียนรู้ด้านพุทธิพิสัยมากที่สุด คือ ต้องการความรู้ความเข้าใจในรูปของข้อมูล ข้อเท็จจริงและความคิดรวบยอด รองลงมาคือ ด้านทักษะพิสัย ด้านการบูรณาการ จิตพิสัย และด้านทักษะกระบวนการ ตามลำดับ ส่วนนักเรียนที่มีทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ต่ำ ต้องการเรียนรู้ด้านบูรณาการมากที่สุด คือ ต้องการเรียนโดยเชื่อมโยงเนื้อหากับวิชาอื่นและใช้แหล่งการเรียนรู้ที่หลากหลาย รองลงมา คือ ด้านพุทธิพิสัย ทักษะพิสัย จิตพิสัยและด้านทักษะกระบวนการ 2) การจัดรูปแบบการเรียนการสอนที่ส่งผลต่อการพัฒนาสมรรถนะด้านวิทยาศาสตร์พบว่าค่าเฉลี่ยการจัดรูปแบบการเรียนการสอนอยู่ในระดับมากทุกด้าน ยกเว้นด้านบูรณาการที่อยู่ในระดับปานกลาง เมื่อทำการเปรียบเทียบการจัดรูปแบบการเรียนการสอนของครูพบว่ามีความแตกต่างกันอย่างมีระดับนัยสำคัญทางสถิติที่ .01 โดยการจัดรูปแบบการเรียนการสอนของครูวิทยาศาสตร์ในด้านพุทธิพิสัยกับจิตพิสัย พุทธิพิสัยกับทักษะพิสัย และพุทธิพิสัยกับการบูรณาการ มีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญทางสถิติที่ .05 ส่วนในด้านพุทธิพิสัยกับทักษะกระบวนการ และด้านพุทธิพิสัยกับการบูรณาการพบว่ามีการจัดรูปแบบการเรียนการสอนไม่แตกต่างกัน 3) เมื่อเปรียบเทียบผลที่ได้จากข้อ 1 และ 2 พบว่า ความต้องการเรียนวิทยาศาสตร์ของนักเรียนกลุ่มสูงและกลุ่มต่ำกับการจัดรูปแบบการเรียนการสอนของครูวิทยาศาสตร์มีความแตกต่างกันทุกด้าน เมื่อเปรียบเทียบค่าเฉลี่ย นักเรียนมีความต้องการในการเรียนรู้ในด้านพุทธิพิสัย ทักษะพิสัย และการบูรณาการมากกว่าการจัดการเรียนการสอนของครูส่วนในด้านจิตพิสัย และทักษะกระบวนการ นักเรียนมีความต้องการน้อยกว่าการจัดการเรียนการสอนของครู 4) แนวทางการพัฒนาสมรรถนะด้านวิทยาศาสตร์ของนักเรียน พบว่า ด้านการสอนครูควรจัดรูปแบบการเรียนการสอนในด้านพุทธิพิสัย จิตพิสัย ทักษะพิสัย ทักษะกระบวนการและการบูรณาการในอัตราส่วนที่เท่ากัน จัดรูปแบบการเรียนการสอนให้สอดคล้องกับความต้องการของนักเรียน มีวิธีการสอนที่ง่าย หลากหลายเหมาะสมกับสภาพของผู้เรียนด้วยสื่อการสอนที่ทันสมัย จัดกิจกรรมการทดลองและสภาพการเรียนการสอนให้น่าสนใจ ด้านความสัมพันธ์ระหว่างครูและนักเรียน ครูควรเป็นกัลยาณมิตร รับฟังความคิดเห็น มีความรู้รอบตัว และแสวงหาความรู้อยู่เสมอ