המחלקה להוראת המדעים עוסקת במחקר ופיתוח בתחומים הבאים: בהוראת מתמטיקה, פיזיקה, כימיה, מדעי המחשב, מדעי כדור הארץ, מדעי החיים ומדע וטכנולוגיה לחטיבת הביניים. בתחומים אלה מתבצעים מחקר ופיתוח שיעדיהם: (1) לימוד תהליכי הלמידה וההוראה במתמטיקה ובמדעים והתחקות אחר התפתחותם של תהליכים אלה, (2) פיתוח והפעלה של חומרי למידה והוראה איכותיים ועדכניים המשלבים טכנולוגיות חדישות, (3) הכשרה מקצועית למורים ברחבי הארץ.
עבודת המחלקה מושתתת על תפישת עולם הרואה בפיתוח תכניות לימודים, פיתוח מקצועי של מורים, הפעלה, מחקר והערכה רצף של פעילויות ארוכות טווח הקשורות זו בזו. המחקר מתמקד בהיבטים הקוגניטיביים, החברתיים, התרבותיים והרגשיים של תהליכי הלמידה, ההוראה וההתמקצעות בהוראת המדעים ובמתמטיקה. כל זאת אגב הפעלה של מגוון שיטות מחקר: איכותניות, כמותיות ומשולבות.
במחלקה פועלים שני מרכזי מורים ארציים: מרכז ארצי למורי הפיזיקה ומרכז ארצי למורי מדע וטכנולוגיה בחטיבת ביניים. מרכזים אילה עושים שימוש במודלים אפקטיביים ומתמחים בפיתוח מנהיגות בקרב מורים ובהתפתחות מקצועית מתמשכת של מורי המדעים. בשנים האחרונות המחלקה מעורבת בפרויקטים של האיחוד האירופי שמטרתם הרחבה והגברה של הוראת המדעים בחינוך הפורמלי והבלתי-פורמלי.