Питання методики навчання природничих предметів досліджувалися із часу заснування Інституту: спочатку у секції масової політехнічної школи, яку очолював Д.М. Скуратівський, а з 1936-го року – у відділі методики природознавства.
Групу фізиків у Харкові очолював професор Р.Д. Пономарьов. Під його керівництвом працювали М. Жидкоблінов, А.П. Карлова, Д. Оріхів. У київській філії інституту проблеми методики фізики досліджували О.К. Бабенко, професори Г.Г. Де-Метц та Л.І. Леущенко, І.С. Кухтенко, М.Й. Розенберг, О.С. Слєсаревський.
У період до 1941 р. співробітники Інституту розробили навчальні програми з фізики для семирічної школи, методику вивчення основних тем курсу фізики політехнічної школи, методику й техніку шкільного фізичного експерименту, вимоги до підручника фізики. Було організовано I-й Всеукраїнський з’їзд викладачів фізики (1934 р., м. Харків).
Після відновлення в 1943 р. роботи Інституту сектор методики фізики очолив Р.Д. Пономарьов. У 1944 р. було створено відділи методики природознавства та хімії й методики математики та фізики. Відділ методики математики та фізики очолив професор О. Астряб. Сектором методики фізики цього відділу упродовж 1947-1949 рр. керував О.К. Бабенко, а з 1949 року по 1958 р. М.Й. Розенберг. У 1960 р. були виокремлені самостійні сектори та відділи – методики біології, методики фізики, методики хімії. У різні роки їх очолювали: Ф.Л.Лесик, І.К.Шульга, Е.В.Шухова, Л.Г.Козетова (біологія); О.І.Астахов, Г.М.Ніколаєва, А.Ю.Хрупало, Е.Б.Бочковський, Н.М.Буринська (хімія). Співробітники цих секторів розробили низку методичних посібників з підвищення ефективності викладання біології, фізики і хімії, методів перевірки знань учнів, з методики навчального експерименту, підручник хімії для 7-8 класів (О.І.Астахов, С.Я.Раскін, О.М.Русько, 1960).
1979-го року сектори було об’єднано в лабораторію хімічної і біологічної освіти (очолила Н.М.Буринська, з 1994-го року – Л.П.Величко).
У 1961 році відділ методики фізики очолив М.Й. Розенберг. З 1973-го до 1981-го року відділом методики фізики завідував О.І. Бугайов. 1981-го року було створено відділ методики математики та фізики, який очолив професор О.Ф. Тесленко. У 1984 році відділ реорганізовано в лабораторію навчання математики та фізики, яку очолив О.І. Бугайова. З 1994-го завідувачем лабораторії працював М.І. Бурда, а 1997-го до 2005-го року – О.І. Бугайов, у 2005-2009 рр. лабораторією завідував М.В. Головко. Із 2009 р. до 2014 року – О.І. Глобін.
У секторі методики фізики й астрономії у різний час працювали відомий вчений-методист професор І.Є.Шиманський, відомі методисти-фізики, професори Г.Г.Де-Метц, О.С.Слєсаревський, А.А.Шишловський, О.К.Бабенко, Л.І. Леущенко, Р.Д.Пономарьов, М.Й.Розенберг, О.І.Бугайов, С.У. Гончаренко, О.І.Ляшенко. Завдяки цим ученим сформувалися українські школи методистів фізики та астрономії, відомі своїми працями далеко за межами України.
Упродовж 70-х років XX ст. науковці сектору методики фізики та астрономії О.І. Бугайов, СУ. Гончаренко, Д.Я. Костюкевич, 0.І. Ляшенко, Г.В. Самсонова, З.В. Сичевська розробили теоретичні засади методики навчання фізики в загальноосвітній школі, здійснили експериментальну перевірку змісту навчання, активно досліджували перспективну проблему програмованого навчання, що набула особливої актуальності з появою сучасних засобів навчання.
У вісімдесятих роках науковці підрозділу комплексно досліджували тенденції розвитку процесу навчання фізики у середній загальноосвітній школі (О.І. Бугайов), структуру та зміст уроків фізики у середній школі, методи, прийоми, організаційні форми та засоби навчання (О.І.Бугайов), типи і види уроків (Л.А.Закота, О.І.Ляшенко).
Упродовж 90-х років в підрозділі були здійснені важливі дослідження з проблем світоглядного виховання учнів (С.У.Гончаренко), єдності теоретичного і емпіричного у навчанні фізики (О.І.Ляшенко), інтеграції базового курсу фізики з астрономією (О.І.Бугайов, М.Т.Мартинюк), розроблено проєкти стандартів шкільної освіти, де вперше було чітко сформульовано завдання, визначено зміст і структуру базового курсу фізики, закладено основи неперервності фізичної освіти (О.І.Бугайов). У ці ж роки в підрозділі вперше в Україні було розпочато фундаментальні дослідження з проблеми диференціації навчання фізики та його навчально-методичного забезпечення. Було розроблено різнорівневі навчальні програми для різних типів шкіл і класів (О.І. Бугайов, Д.Я. Костюкевич, Л.А.Закота), створено пробні шкільні підручники (О.І.Бугайов), підготовлено рекомендації щодо запровадження в процес навчання рівневої та профільної диференціації.
У 2001–2011 рр. наукова діяльність співробітників підрозділу була спрямована на теоретичне обґрунтування, розроблення та експериментальну перевірку ефективності структури і змісту, методів, організаційних форм і засобів диференційованого навчання фізики в основній школі та навчання фізики й астрономії на профільному рівні в старших класах загальноосвітніх навчальних закладів, а також розроблення відповідного навчально-методичного забезпечення. Зокрема, науковці підрозділу брали активну участь у розробленні стандартів шкільної освіти, навчальних програм; методики навчання фізики, астрономії; створенні підручників, навчальних і методичних посібників, засобів комп’ютерного супроводу курсів фізики, астрономії, а також методики використання цих засобів у процесі навчання тощо.
Результати проведених досліджень реалізовано в таких розробках наукових співробітників: 10 навчальних програмах; 28 підручниках для загальноосвітніх навчальних закладів; 28 навчальних посібниках; 29 методичних посібниках.
У підрозділах біологічної і хімічної освіти у 70-80-х рр. досліджували питання подальшого вдосконалення шкільного курсу біології (Е.В.Шухова, О.М.Астаніна, С.М.Виговський, Л.П.Лаврух, Г.Й.Чудовська), розробляли методичні основи вивчення будови речовини (Е.Б.Бочковський), реалізації політехнічного принципу навчання хімії (Н.М.Буринська), методика вивчення теорії будови органічних сполук (Л.П.Величко), елементи матеріалознавства в курсі хімії (Л.А.Липова), методика самостійної роботи учнів (І.І.Базелюк). Н.М.Буринська підготувала підручник з методики викладання хімії для студентів природничих факультетів педагогічних інститутів (1987 р.).
У цей час набули розвитку наукові школи з методики навчання фізики (О.І.Бугайов) і хімії (Н.М.Буринська). Учні цих відомих учених поповнили ряди науковців не лише Інституту педагогіки, а й закладів вищої освіти на теренах України.
У 90-х роках особливого значення набули дослідження, пов’язані з диференціацією навчання, розробленням змісту хімічної і біологічної освіти. У лабораторії було розроблено концепцію безперервної хімічної освіти в Україні, науково обґрунтовано зміст і структуру курсів хімії і біології (8-11-ті класи) для масової загальноосвітньої школи, спеціалізованих класів хімічних і біологічних профілів, складено відповідні навчальні програми.
Середина 90-х років позначена початком розроблення державного освітнього стандарту з хімії та біології та його навчально-методичного забезпечення. За результатами досліджень цього періоду видано колективну монографію «Методика викладання шкільного курсу хімії» / Н.М.Буринська, Л.П,Величко, Л.А.Липова, Н.І.Лукашова, Н.Н.Чайченко,1991/; навчальний посібник для учнів 8-11 класів усіх типів шкіл «Практичні роботи з хімії» / І.І.Базелюк, Н.М.Буринська, Л.П.Величко, Л.А.Липова, 1994/; лабораторний практикум для шкіл з поглибленим вивченням біології / Е.В.Шухова, 1992/.
На цей час припадає видання перших вітчизняних підручників хімії для 8-11 кл. (Н.М.Буринська, Л.П.Величко) та біології людини (Н.Ю.Матяш, у співавторстві). Підручники пройшли державну апробацію й були впроваджені у навчальний процес.
Навчально-методичний комплект з хімії для 8-11-х класів (підручники, посібник для практичних робіт, дидактичні матеріали, збірники тестових завдань, довідник) відзначено першою премією АПН України за 1999р.
На початку 2000-х років у лабораторії розроблено проєкти концепцій шкільної хімічної та біологічної освіти, критерії оцінювання навчальних досягнень учнів з хімії, біології, природознавства, посібники для вчителів з методики навчання хімії у 8-10 кл. (Н.М.Буринська, Л.П.Величко) та біології тварин (Е.В.Шухова), із державної підсумкової атестації з біології (Н.Ю.Матяш, у співавторстві). Досліджувалися науково-методичні засади добору й реалізації змісту біологічної і хімічної освіти в загальноосвітній школі. Видано підручники «Органічна хімія-10-11» для поглибленого вивчення предмета (Л.П.Величко; перша премя АПН України за 2004 р), «Природознавство-5» (Т.В.Коршевнюк, у співавторстві). Теоретично обґрунтовано систему тестових завдань з хімії (Н.В.Титаренко), з’ясовано педагогічні вимоги до учнівського експерименту з елементами ужиткової хімії (Г.А.Лашевська).
У 2007-2009 р.р., співробітники лабораторії стали переможцями загальнодержавних конкурсів підручників (Н.М.Буринська, Л.П.Величко, Т.В.Коршневнюк, Г.А.Лашевська, Н.Ю.Матяш). Науковці обох лабораторій брали участь у міжнародних дослідженнях з оцінювання якості природничо-математичної освіти, науково-методичному забезпеченні незалежного зовнішнього тестування з біології і хімії. У лабораторіях активно розробляли посібники з біології, фізики, хімії на електронних носіях. З 1984 р. науковці брали участь у виданні щорічних республіканських науково-методичних збірників «Методика викладання біології, хімії, географії» та «Методика викладання фізики».
У 1995 р. Міністерством освіти і науки України та Академією педагогічних наук України було засновано науково-методичний журнал “Біологія і хімія в школі” (нині “Біологія і хімія в рідній школі”), головним редактором якого стала Л.П.Величко, а членами редколегії Н.М.Буринська, Г.А.Лашевська, Н.Ю. Матяш.
У 2015 році за новою структурою Інституту лабораторії було об’єднано і створено відділ біологічної, хімічної та фізичної освіти (завідувач відділу – Л.П.Величко).
Сучасний етап роботи відділу позначився модернізацією освітнього процесу у світлі НУШ, упровадженням компетентнісного підходу в освіті, розробленням комптентнісно орієнтованої методики навчання астрономії, біології, фізики, хімії в основній і старшій школі, стандарту освіти, навчальних програм і підручників нового покоління.
Співробітники відділу проводять масштабну експериментальну роботу, виступають з лекціями, проводять семінари для вчителів, беруть участь у численних наукових конференціях як в Україні, так і за її межами.
