Proses pembelajaran diarahkan pada pengembangan ketiga ranah, yaitu kognitif, psikomotorik dan sikap. Ketiganya harus dibangun secara utuh/holistik, artinya pengembangan ranah yang satu tidak bisa dipisahkan dengan ranah lainnya. Dengan demikian proses pembelajaran secara utuh melahirkan kualitas pribadi yang mencerminkan keutuhan penguasaan sikap, pengetahuan, dan keterampilan.

Ketiga ranah kompetensi tersebut memiliki lintasan perolehan (proses psikologis) yang berbeda. Sikap diperoleh melalui aktivitas“ menerima, menjalankan, menghargai, menghayati, dan mengamalkan”. Pengetahuan diperoleh melalui aktivitas“ mengingat, memahami, menerapkan, menganalisis, mengevaluasi, mencipta.

Keterampilan diperoleh melalui aktivitas“ mengamati, menanya, mencoba, menalar, menyaji, dan mencipta”.Karaktersitik kompetensi beserta perbedaan lintasan perolehan turut serta mempengaruhi karakteristik standar proses.

Untuk memperkuat pendekatan ilmiah (scientific), perlu diterapkan pembelajaran berbasis penyingkapan/penelitian (discovery/inquiry learning). Untuk mendorong kemampuan peserta didik untuk menghasilkan karya kontekstual, baik individual maupun kelompok maka sangat disarankan menggunakan pendekatan pembelajaran yang menghasilkan karya berbasis pemecahan masalah(project based learning).

Disamping ketiga model pembelajaran tersebut untuk menerapkan pembelajaran saintifik dapat juga dilakukan dengan pembelajaran berorientasi Nature Of Science (NOS).

Pendidikan sains seharusnya meningkatkan perkembangan pada domain keterampilan dan kemampuan inkuiri siswa, kemampuan siswa mengaplikasikan apa yang telah mereka pelajari pada konteks yang baru, pemahaman konten dan konseptual siswa serta pemahaman siswa akan nature of science (NOS).

Biologi sebagai bagian dari pendidikan sains, dalam pembelajaran juga seharusnya mampu memfasilitasi siswa belajar biologi mencakup keenam dimensi sains di atas. Tanpa menguasai konsep biologi, niscaya mustahil bagi siswa menguasai dimensi yang lain. Siswa tidak cukup hanya membaca dan menghapal konsep biologi dari buku-buku di dalam kelas.

Dalam sains, proses investigasi membutuhkan aktivitas mind on dan hand on, inkuiri lab dan eksperimen untuk membantu siswa lebih menguasai konsep sains dan memahami akan gejala alam. Konsep serta keterampilan proses sains tidaklah bermakna jika siswa tidak mampu mengaplikasikan pengetahuan mereka dalam menyelesaikan masalah pada konteks yang baru dalam kehidupan nyata, peran penting dimensi aplikasi.

Sebuah aspek penting dari NOS berhubungan dengan bagaimana para ilmuwan berpikir dan bekerja dalam komunitas ilmiah. Membantu siswa untuk memahami NOS dapat meningkatkan pemahaman siswa yang lebih mendalam tentang apa yang dimaksud “do” sains.

Bagaimana pengetahuan ilmiah dikembangkan dan peran ilmuwan dalam proses pengembangan tersebut merupakan dua aspek yang sangat penting untuk diketahui siswa. Meningkatkan kesadaran siswa dan mengembangkan pemahaman dalam aspek tersebut harus dimasukkan dalam pembelajaran sains.

Sains itu sendiri dinamis, seperti yang disaksikan oleh sejarah, banyak ide datang dan akhirnya diganti atau dibuang. Banyak pendidik sains menyarankan bahwa instruksi dalam kelas sains harus mencerminkan sifat tentatif dari pengetahuan ilmiah.