Scaffolding inquiry in science education by means of computer supported collaborative learning : pupils' and teacher students' experiences

(1)

Publications of the University of Eastern Finland Dissertations in Education, Humanities, and Theology No 62

Jari Kukkonen

Scaffolding Inquiry in Science Education by Means of Computer Supported Collaborative Learning:

Pupils’ and Teacher Students’

Experiences

(2)

(3)

JARI KUKKONEN

Scaffolding inquiry in science education by means

of computer supported collaborative learning:

pupils’ and teacher students’

experiences

Esitetään Itä-Suomen yliopiston filosofisen tiedekunnan suostumuksella

julkisesti tarkastettavaksi Joensuussa Educa-rakennuksen salissa E100 perjantaina 20. helmikuuta klo 12.

(4)

Kopio Niini Oy Helsinki, 2015

Sarjan toimittaja: Ritva Kantelinen Myynti: Itä-Suomen yliopiston kirjasto

ISBN: 978-952-61-1678-5 (print.) ISSNL: 1798-5625 (print.)

ISSN: 1798-5625 (print.) ISBN: 978-952-61-1679-2 (PDF)

ISSNL: 1798-5625(PDF) ISSN: 1798-5633 (PDF)

(5)

Kopio Niini Oy Helsinki, 2015

Sarjan toimittaja: Ritva Kantelinen Myynti: Itä-Suomen yliopiston kirjasto

ISBN: 978-952-61-1678-5 (print.) ISSNL: 1798-5625 (print.)

ISSN: 1798-5625 (print.) ISBN: 978-952-61-1679-2 (PDF)

ISSNL: 1798-5625(PDF) ISSN: 1798-5633 (PDF)

Kukkonen, Jari

Scaffolding inquiry in science education by means of computer supported collaborative learning: pupils’ and teacher students’ experiences

Joensuu, University of Eastern Finland, 2015.

Publications of the University of Eastern Finland. Dissertations in Education, Humanities, and Theology; 62

ISBN: 978-952-61-1678-5 (print.) ISSNL: 1798-5625 (print.) ISSN: 1798-5625 (print.) ISBN: 978-952-61-1679-2 (PDF) ISSNL: 1798-5625(PDF) ISSN: 1798-5633 (PDF)

ABSTRACT: SCAFFOLDING INQUIRY IN SCIENCE EDUCATION BY MEANS OF COMPUTER SUPPORTED COLLABORATIVE LEARNING:

PUPILS’ AND TEACHER STUDENTS’ EXPERIENCES

This dissertation investigates firstly computer supported collaborative scaffolded science inquiry learning from the perspectives of primary school pupils as learners and teacher students conceptions of scaffolded science inquiry teaching and learning. Research evidence has accumulated showing that inquiry learning is beneficial for the development of the scientific understanding of complex topics e.g. circulation systems in biology, and that inquiry learning with simulation helps understanding of topics like the greenhouse effect. In both cases the learning gains shown by research seem to be related to substantial scaffolding of the inquiry learning process. The scaffolding of science inquiry should be incorporated in the design of learning environments with suitable technology, curricula strategies, and the conscious efforts of teachers to support the learning. Moreover, one of the important aims of science instruction is in the acquisition of scientific thinking and communicating which can be achieved through the use of accurate scientific models and scientific (cultural) tools e.g. symbols, numeracy, representations of the discipline, and certain forms of technology.

The first two studies (Studies I and II) discuss computer supported collaborative inquiry learning in the context of advances in fifth grade pupils understanding of a complex and multifaceted phenomena, the greenhouse effect. The design experiment addresses the effects of sequential scaffolds for simulation-based collaborative inquiry learning and the role of knowledge artefacts in the learning process. The theoretical investigation of the simulation based inquiry shows that simulations are effective means of instruction when they are integrated with other forms of instruction, when there are well designed support structures for learners interacting with the simulation, and when learner reflection which challenges previous conceptions is encouraged. The importance of integration with other forms of instruction is tied with the fact that learners need to have enough background information to be able to productively interact with the simulation. The problem of learning about the greenhouse effect has been studied extensively and research that

(6)

learning needs to take into account complex matters like the carbon cycle (CO2), water cycle (vapour), structure of the atmosphere (e.g. confusion with the ozone layer, greenhouse gases) and energy balance (interactions of sun and heat radiation). Following the principles of design research, an instructional intervention, that is a sequence of lessons and scaffolding of the lessons during the studying process, was designed with practitioners, a teacher student and his supervisor. In Study I, it was found through the qualitative analysis of pre- and post-intervention annotated drawings that pupils demonstrated significant enrichments in their piecemeal evolving conceptions about the atmosphere and the greenhouse effect. Furthermore the delayed interview data discussed in Study II showed some permanency in the conceptions and hinted that the conceptions related to the intervention had connected with other studies e.g. mentions about photosynthesis.

Studies III and IV discuss pre-service teachers’ readiness for enacting computer supported collaborative inquiry learning. Study III focuses on the conceptions the pre- service teacher have about inquiry learning and how the conceptions are reflected in the context of a winter ecology inquiry scaffolded with cross linked small group blogs. The conceptions about the inquiry teaching and learning at the beginning were somewhat vague, referring loosely to some observations and interesting questions to be answered.

The reflections during and after the inquiry activity could be categorized mostly as considerations about what design, material, and methods were used and could be used in teaching the winter ecology inquiry. Also the purposeful use of Blogs was reflected from a curricula point of view. However, there was less reflection on ways to enact (how) the instructional, pedagogical and curricula issues were and should be implemented in practice. Study III raised the question: to what extent do teacher students come to realize, during their studying in a designed (course) setting, the benefits of scaffolding offered by technology, peers and the teacher?

Study IV investigated pre-service teachers’ experiences of the scaffolded use of a Wiki in structuring a dissection inquiry of the adaptation to life in water. The Wiki was designed to scaffold the use of digital imaging to support problematizing (noticing the features and functions of organs beyond the surface level) during the sense making process and enabling pre-service teachers to make model comparisons between their own models and expert models. Quantitative data on the benefits experienced were collected through responses to questions posted through an online questionnaire. Structure equation modelling was carried out in investigating the relationships between scaffolding and the experienced benefits of using technology. As an indicator of intentional and active participation the technology was seen to encourage knowledge acquisition and support deeper thinking on the topic. Digital imaging had the strongest positive relationship to the experienced benefits of the technology, but there was no direct relationship with the use of the Wiki. However, scaffolding by structuring the activity with the Wiki had meditational, indirect, effects through visualizations and peer support to intentional and active participation and thus the scaffolds were working during the inquiry synergistically. In the context of teacher education this may mean that teacher students

(7)

learning needs to take into account complex matters like the carbon cycle (CO2), water cycle (vapour), structure of the atmosphere (e.g. confusion with the ozone layer, greenhouse gases) and energy balance (interactions of sun and heat radiation). Following the principles of design research, an instructional intervention, that is a sequence of lessons and scaffolding of the lessons during the studying process, was designed with practitioners, a teacher student and his supervisor. In Study I, it was found through the qualitative analysis of pre- and post-intervention annotated drawings that pupils demonstrated significant enrichments in their piecemeal evolving conceptions about the atmosphere and the greenhouse effect. Furthermore the delayed interview data discussed in Study II showed some permanency in the conceptions and hinted that the conceptions related to the intervention had connected with other studies e.g. mentions about photosynthesis.

Studies III and IV discuss pre-service teachers’ readiness for enacting computer supported collaborative inquiry learning. Study III focuses on the conceptions the pre- service teacher have about inquiry learning and how the conceptions are reflected in the context of a winter ecology inquiry scaffolded with cross linked small group blogs. The conceptions about the inquiry teaching and learning at the beginning were somewhat vague, referring loosely to some observations and interesting questions to be answered.

The reflections during and after the inquiry activity could be categorized mostly as considerations about what design, material, and methods were used and could be used in teaching the winter ecology inquiry. Also the purposeful use of Blogs was reflected from a curricula point of view. However, there was less reflection on ways to enact (how) the instructional, pedagogical and curricula issues were and should be implemented in practice. Study III raised the question: to what extent do teacher students come to realize, during their studying in a designed (course) setting, the benefits of scaffolding offered by technology, peers and the teacher?

Study IV investigated pre-service teachers’ experiences of the scaffolded use of a Wiki in structuring a dissection inquiry of the adaptation to life in water. The Wiki was designed to scaffold the use of digital imaging to support problematizing (noticing the features and functions of organs beyond the surface level) during the sense making process and enabling pre-service teachers to make model comparisons between their own models and expert models. Quantitative data on the benefits experienced were collected through responses to questions posted through an online questionnaire. Structure equation modelling was carried out in investigating the relationships between scaffolding and the experienced benefits of using technology. As an indicator of intentional and active participation the technology was seen to encourage knowledge acquisition and support deeper thinking on the topic. Digital imaging had the strongest positive relationship to the experienced benefits of the technology, but there was no direct relationship with the use of the Wiki. However, scaffolding by structuring the activity with the Wiki had meditational, indirect, effects through visualizations and peer support to intentional and active participation and thus the scaffolds were working during the inquiry synergistically. In the context of teacher education this may mean that teacher students

recognize the benefits of using technology only from a significant experience (the visualization in this study) and thus may under value the role of the technology itself.

The deeper structure and benefits of the intended scaffolding with the technology in the design of the inquiry learning environment, the Wiki in the Study IV, may go unnoticed.

These two sets of studies (pupils: Studies I and II; teacher students: Studies III and IV) share in their designs the collaborative learning settings using computer-based artefacts, and the design focus on scaffolding the complex learning settings. For the science inquiry perspective, the settings included modelling and the learning was facilitated by comparisons of models. This dissertation also emphasizes the importance of teacher training by recognizing the difficulty that teacher students have in reflecting and fully understanding the demands of inquiry teaching. Most likely, in-service teacher training will be needed to address this matter.

(8)

Kukkonen, Jari

Luonnontieteiden yhteisöllisen tutkivan oppimisen tukeminen tietokonetuetun yhteisöllisen oppimisen keinoin: oppilaiden ja opettajaksi opiskelevien kokemuksia

TIIVISTELMÄ: LUONNONTIETEIDEN YHTEISÖLLISEN TUTKIVAN OPPIMISEN TUKEMINEN TIETOKONETUETUN YHTEISÖLLISEN

OPPIMISEN KEINOIN: OPPILAIDEN JA OPETTAJAKSI OPISKELEVIEN KOKEMUKSIA

Tässä väitöskirjassa tutkitaan tieto-ja viestintäteknologiaa käyttävässä oppimisympäristössä tapahtuvaa tuettua (scaffolded) luonnontieteen yhteisöllistä tutkivaa oppimista. Tutkimuksessa käsitellään ensimmäiseksi viidesluokkalaisten oppilaiden kokemuksia tuetusta luonnontieteiden tutkivasta oppimisesta simulaation avulla ja toiseksi luokanopettajaksi opiskelevien käsityksiä ja kokemuksia tutkivasta oppimisesta ja opettamisesta. Edeltävä tutkimustieto osoittaa, että tuettu tutkiva oppiminen auttaa oppilaita hankkimaan luonnontieteellistä ymmärrystä suhteellisen monimutkaisista ilmiöistä, kuten verenkiertojärjestelmä ja kasvihuoneilmiö. Sekä simulaatioiden avulla että muutoin tapahtuvan luonnontieteellisen tutkivan opiskelun, oppimisen ja opettamisen tuloksellisuus on kytköksissä tutkivan oppimisen prosessin suhteellisen runsaaseen tukemiseen (scaffolding). Edelleen tutkivan oppimisen prosessin tukemisen tulee onnistuakseen olla sidoksissa sopivan teknologisen oppimisympäristön suunnitteluun, opetussuunnitelmallisiin ratkaisuihin; sekä erityisesti opettajan tietoiseen pyrkimykseen ja ponnisteluun oppimisen tukemisessa. Luonnontieteiden oppimisen yhtenä tärkeänä päämääränä on luonnontieteellisen ajattelutavan ja kommunikoinnin oppiminen. Näiden päämäärien saavuttamiseksi edellytetään luonnontieteellisten mallien ja välineiden; esimerkiksi symbolien, laskentamenettelyjen, tieteenalan esitystapojen, sekä tiettyjen teknologioiden hallintaa.

Väitöskirjatutkimuksen ensimmäinen osa, tutkimukset yksi (I) ja kaksi (II), tarkastelevat miten viidesluokkalaisten oppilaiden ymmärrys kasvihuoneilmiöstä muuttuu opiskeltaessa tietokonetuetusti simulaation avulla, yhteisöllisen ja tutkivan oppimisen mallin mukaan. Tämän design –tutkimuksen tehtävänä on tarkastella jatkumona seuraavien tukimuotojen sekä tieto-artefaktien roolia oppimisprosessin edistämisessä. Aiempien tutkimustulosten perusteella simulaatioiden avulla tutkiva oppiminen on tehokasta silloin, kun simulointi integroituu muuhun opetukseen; oppija saa riittävästi tukea simulaation kanssa tapahtuvaan vuorovaikutukseen sekä

(9)

Kukkonen, Jari

Luonnontieteiden yhteisöllisen tutkivan oppimisen tukeminen tietokonetuetun yhteisöllisen oppimisen keinoin: oppilaiden ja opettajaksi opiskelevien kokemuksia

TIIVISTELMÄ: LUONNONTIETEIDEN YHTEISÖLLISEN TUTKIVAN OPPIMISEN TUKEMINEN TIETOKONETUETUN YHTEISÖLLISEN

OPPIMISEN KEINOIN: OPPILAIDEN JA OPETTAJAKSI OPISKELEVIEN KOKEMUKSIA

Tässä väitöskirjassa tutkitaan tieto-ja viestintäteknologiaa käyttävässä oppimisympäristössä tapahtuvaa tuettua (scaffolded) luonnontieteen yhteisöllistä tutkivaa oppimista. Tutkimuksessa käsitellään ensimmäiseksi viidesluokkalaisten oppilaiden kokemuksia tuetusta luonnontieteiden tutkivasta oppimisesta simulaation avulla ja toiseksi luokanopettajaksi opiskelevien käsityksiä ja kokemuksia tutkivasta oppimisesta ja opettamisesta. Edeltävä tutkimustieto osoittaa, että tuettu tutkiva oppiminen auttaa oppilaita hankkimaan luonnontieteellistä ymmärrystä suhteellisen monimutkaisista ilmiöistä, kuten verenkiertojärjestelmä ja kasvihuoneilmiö. Sekä simulaatioiden avulla että muutoin tapahtuvan luonnontieteellisen tutkivan opiskelun, oppimisen ja opettamisen tuloksellisuus on kytköksissä tutkivan oppimisen prosessin suhteellisen runsaaseen tukemiseen (scaffolding). Edelleen tutkivan oppimisen prosessin tukemisen tulee onnistuakseen olla sidoksissa sopivan teknologisen oppimisympäristön suunnitteluun, opetussuunnitelmallisiin ratkaisuihin; sekä erityisesti opettajan tietoiseen pyrkimykseen ja ponnisteluun oppimisen tukemisessa. Luonnontieteiden oppimisen yhtenä tärkeänä päämääränä on luonnontieteellisen ajattelutavan ja kommunikoinnin oppiminen. Näiden päämäärien saavuttamiseksi edellytetään luonnontieteellisten mallien ja välineiden; esimerkiksi symbolien, laskentamenettelyjen, tieteenalan esitystapojen, sekä tiettyjen teknologioiden hallintaa.

Väitöskirjatutkimuksen ensimmäinen osa, tutkimukset yksi (I) ja kaksi (II), tarkastelevat miten viidesluokkalaisten oppilaiden ymmärrys kasvihuoneilmiöstä muuttuu opiskeltaessa tietokonetuetusti simulaation avulla, yhteisöllisen ja tutkivan oppimisen mallin mukaan. Tämän design –tutkimuksen tehtävänä on tarkastella jatkumona seuraavien tukimuotojen sekä tieto-artefaktien roolia oppimisprosessin edistämisessä. Aiempien tutkimustulosten perusteella simulaatioiden avulla tutkiva oppiminen on tehokasta silloin, kun simulointi integroituu muuhun opetukseen; oppija saa riittävästi tukea simulaation kanssa tapahtuvaan vuorovaikutukseen sekä

simulointitehtävät haastavat reflektoimaan omia ennakkokäsityksiään kognitiivisten ristiriitojen muodostumiseksi. Erityisen tärkeäksi simuloinnin avulla tutkimisessa muuhun opetukseen integroinnin tekee se, että oppilaalla on oltava riittävästi ennakkotietoa tutkittavana olevista käsitteistä, joiden vaikutusta simulaation avulla tutkitaan. Vasta tällöin oppija pystyy tuotteliaaseen päämäärätietoiseen vuorovaikutukseen simulaation avulla. Kasvihuoneilmiön ymmärtämistä koskeva aiempi tutkimus osoittaa, että ilmiön ymmärtäminen vaatii toisiinsa vuorovaikuttavien tekijöiden tuntemusta. Tekijöitä ovat mm. hiilenkierto, vedenkierto, ilmakehän rakenne ja kasvihuonekaasut sekä auringosta tulevan säteilyn vuorovaikutus maapallon energiatasapainoon. Design ¬–tutkimuksen periaatteiden mukaisesti aluksi suunniteltiin edeltävän tutkimuksen pohjalta opetuskokeilu (design –experiment). Opetuskokeilun lähtökohtana oli rakentaa opetuksellinen jatkumo, joka tarjoaisi tukea kasvihuoneilmiön tutkimiseen simulaation avulla. Ensimmäiseksi oppilaat tutkivat tuetusti keskeisiä ilmiöitä, kuten ilmakehän rakennetta ja lopuksi simulaation avulla systemaattisesti kasvihuoneilmiötä. Ensimmäisessä tutkimuksessa esitetään, kuinka viidesluokkalaisten oppilaiden käsitykset kasvihuoneilmiöstä muuttuivat opetuskokeilun vaikutuksesta.

Käsitysten muutosta tutkittiin oppilaiden tekemien selittein varustettujen piirrosten avulla. Oppilaiden piirustuksista, jotka oli tehty ennen ja jälkeen kokeilun, voitiin todeta merkittävää tieteellisten mallien mukaisten käsitteiden lisääntymistä ilmakehän rakenteesta ja kasvihuoneilmiöstä. Lisäksi tutkimuksessa II tehdyn viivästetyn haastattelun tulosten perusteella voidaan todeta, että käsityksissä kasvihuoneilmiöstä on pysyvyyttä sekä joitain sidoksia myöhemmin opetuksessa käsiteltyihin ilmiöihin, kuten yhteyttämiseen.

Tutkimuksissa kolme (III) ja neljä (IV) tarkasteltiin opettajaksi opiskelevien valmiuksia suunnitella ja toteuttaa tietokoneavusteista yhteisöllistä luonnontieteiden tutkivaa oppimista. Väitöskirjan osatutkimuksen kolme kohteena oli selvittää opettajaksi opiskelevien käsityksiä tutkivasta oppimisesta sekä selvittää, miten he reflektoivat omaa käsitystään tutkivasta oppimisesta opetuskokeilun yhteydessä. Opiskelijat tekivät itsenäistä talviluonnon ekologiaan liittyvää tutkimusta. Lisäksi tutkittiin, kuinka käsitykset tutkivan oppimisen luonteesta muuttuvat. Opiskelijoiden omaa talviluonnon tutkimista tuettiin rss-syötteiden avulla toisiinsa kytkettyjen blogien avulla, siten että eri ryhmät pystyivät seuraamaan samanaikaisesti oman pienryhmänsä sekä muiden ryhmien tutkimuksen suunnittelua ja etenemistä. Tutkimuksen (III) alkuvaiheessa opettajaksi opiskelevat kuvasivat tutkivaa oppimista epämääräisesti; mielenkiintoisen kysymyksen selvittämisenä sekä havaintojen tekemisenä. Opiskelijoiden reflektiota selvitettiin opiskelun jälkeen analysoimalla heidän blogikirjoituksensa ja havaittiin, että opiskelijat pohtivat mitä materiaaleja, menetelmiä sekä opetuksen järjestelyjä tarvitaan.

Lisäksi he pohtivat blogin käyttöä opetussuunnitelmallisesta näkökulmasta sisällön opettamisen ja tieto- ja viestintäteknologian yhdistämisen mahdollisuutena. Sen sijaan pedagoginen pohdinta siitä, miten koetun kaltainen tutkiva oppiminen voisi edistää luonnontieteellisen ymmärryksen kehittymistä, oli vähäisempää. Kolmas tutkimus nosti esiin entistä selvemmin tutkimuksellisen ongelman; missä määrin opettajaksi opiskelevat osaavat erottaa opiskelun tueksi suunnitellun teknologian käytön, vertaistuen sekä opettajan antaman tuen merkitystä opiskelun ja oppimisen edistämisessä.

(10)

Väitöskirjan neljäs tutkimus käsitteli opettajaksi opiskelevien kokemuksia Wikin avulla jäsennettyä tietokonetuettua tutkimusta kalojen sopeutumisesta vesielämään.

Tutkimuksessa Wikiä käytettiin tukemaan preparointi-tutkimista ja mallintamista digitaalisen kuvankäsittelyn avulla. Wikin käyttö suunniteltiin problematisoimaan havaintojen tekoa ja suuntaamaan opiskelijoiden tutkimista syvällisempään analyysiin kalan elinten toimintojen ymmärtämisessä sekä ohjaamaan heitä vertaamaan omia mallejaan asiantuntijan malleihin. Tutkimusaineisto kerättiin online –kyselyn avulla;

tarkoituksena oli selvittää, miten opettajaksi opiskelevat kokivat hyötyvänsä teknologian käytöstä tutkimuksen tekemisessä. Aineisto analysoitiin kvantitatiivisesti.

Rakenneyhtälö –mallinnuksen avulla pyrittiin selvittämään tutkimuksen tekemisen tukijärjestelyiden hyödyllisyyttä sekä tukijärjestelyiden välistä yhteyttä oman aktiivisen, tavoitteellisen ja tarkoituksenmukaisen opiskelun kokemiseen. Analyysi osoitti, että opettajaksi opiskelevat kokivat hyödyllisimmäksi tukijärjestelyksi digitaalisen kuvan avulla mallintamisen. Vaikka Wiki oli suunniteltu tärkeimmäksi tukimuodoksi, sen koettiin ensisijaisesti tukeneen digitaalista mallintamista sekä yhteisöllistä työskentelyä pienryhmissä. Wiki osoittautui olevan vain välillisesti yhteydessä oman aktiivisen, tavoitteellisen ja tarkoituksenmukaisen opiskelun kokemiseen. Opettajankoulutuksen kannalta tulos valitettavasti näyttäisi osoittavan, että opettajaksi opiskelevat eivät välttämättä tiedosta niitä tukimuotoja, joilla heidän oppimistaan tuetaan. Vain ne tuet havaitaan, jotka ovat välittömimmin koettavissa; esimerkiksi tässä tutkimuksessa mallintaminen digitaalisen kuvan avulla.

Yhteisenä piirteenä kaikissa neljässä osatutkimuksessa oli selvittää tapoja yhteisöllisen tutkivan oppisen tukemiseksi tietokoneperustaisten artefaktien avulla monimutkaisten ilmiöiden opetuksessa. Luonnontieteiden opetuksen näkökulmasta tässä tutkimuksessa korostuvat opiskelijoiden omien ja luonnontieteellisten mallien vertailun merkitys sekä opettajan tietämyksen merkitys tutkivan oppimisen tukena. Väitöskirjan tulosten perusteella on syytä kiinnittää huomiota opettajankoulutuksessa tarjottavien tutkivan oppimisen kokemusten monipuolisuuteen ja riittävyyteen. Myöskin on erityisesti huolehdittava siitä, että tuen muodot tulevat eksplisiittisesti reflektoinnin kohteeksi. Kun huomioidaan opettajankoulutuksen sisältöjen monipuolisuus, on varsin todennäköistä, ettei opettajankoulutuksen aikana luonnontieteiden tutkiva oppiminen tule riittävästi käsitellyksi. Etenkin tästä syystä kentällä työskentelevät opettajat tarvitsevat kyseisen aiheen täydennyskoulutusta.

(11)

Väitöskirjan neljäs tutkimus käsitteli opettajaksi opiskelevien kokemuksia Wikin avulla jäsennettyä tietokonetuettua tutkimusta kalojen sopeutumisesta vesielämään.

Tutkimuksessa Wikiä käytettiin tukemaan preparointi-tutkimista ja mallintamista digitaalisen kuvankäsittelyn avulla. Wikin käyttö suunniteltiin problematisoimaan havaintojen tekoa ja suuntaamaan opiskelijoiden tutkimista syvällisempään analyysiin kalan elinten toimintojen ymmärtämisessä sekä ohjaamaan heitä vertaamaan omia mallejaan asiantuntijan malleihin. Tutkimusaineisto kerättiin online –kyselyn avulla;

tarkoituksena oli selvittää, miten opettajaksi opiskelevat kokivat hyötyvänsä teknologian käytöstä tutkimuksen tekemisessä. Aineisto analysoitiin kvantitatiivisesti.

Rakenneyhtälö –mallinnuksen avulla pyrittiin selvittämään tutkimuksen tekemisen tukijärjestelyiden hyödyllisyyttä sekä tukijärjestelyiden välistä yhteyttä oman aktiivisen, tavoitteellisen ja tarkoituksenmukaisen opiskelun kokemiseen. Analyysi osoitti, että opettajaksi opiskelevat kokivat hyödyllisimmäksi tukijärjestelyksi digitaalisen kuvan avulla mallintamisen. Vaikka Wiki oli suunniteltu tärkeimmäksi tukimuodoksi, sen koettiin ensisijaisesti tukeneen digitaalista mallintamista sekä yhteisöllistä työskentelyä pienryhmissä. Wiki osoittautui olevan vain välillisesti yhteydessä oman aktiivisen, tavoitteellisen ja tarkoituksenmukaisen opiskelun kokemiseen. Opettajankoulutuksen kannalta tulos valitettavasti näyttäisi osoittavan, että opettajaksi opiskelevat eivät välttämättä tiedosta niitä tukimuotoja, joilla heidän oppimistaan tuetaan. Vain ne tuet havaitaan, jotka ovat välittömimmin koettavissa; esimerkiksi tässä tutkimuksessa mallintaminen digitaalisen kuvan avulla.

Yhteisenä piirteenä kaikissa neljässä osatutkimuksessa oli selvittää tapoja yhteisöllisen tutkivan oppisen tukemiseksi tietokoneperustaisten artefaktien avulla monimutkaisten ilmiöiden opetuksessa. Luonnontieteiden opetuksen näkökulmasta tässä tutkimuksessa korostuvat opiskelijoiden omien ja luonnontieteellisten mallien vertailun merkitys sekä opettajan tietämyksen merkitys tutkivan oppimisen tukena. Väitöskirjan tulosten perusteella on syytä kiinnittää huomiota opettajankoulutuksessa tarjottavien tutkivan oppimisen kokemusten monipuolisuuteen ja riittävyyteen. Myöskin on erityisesti huolehdittava siitä, että tuen muodot tulevat eksplisiittisesti reflektoinnin kohteeksi. Kun huomioidaan opettajankoulutuksen sisältöjen monipuolisuus, on varsin todennäköistä, ettei opettajankoulutuksen aikana luonnontieteiden tutkiva oppiminen tule riittävästi käsitellyksi. Etenkin tästä syystä kentällä työskentelevät opettajat tarvitsevat kyseisen aiheen täydennyskoulutusta.

Acknowledgements

The work towards this dissertation started from an EU-funded project VccSSe (Virtual Community Collaborating Space for Science Education). From the early phase of the project Professor Tuula Keinonen, Lecturer Sirpa Kärkkäinen and Senior Researcher Teemu Valtonen actively collaborated with me. Very soon this collaboration started to focus on intensive research in scaffolding of science inquiry learning (thanks to Tuula) and furthermore application of the approach within teacher education. In the first study the classroom experimentation would not have happened without help from Teacher Päivi Vesala (during VccSSe project there were many other teachers, whom I owe similar gratitude from insights of the practicalities in simulation based inquiry in school). From the beginning of this research the continuous support from my supervisors Tuula Keinonen and Sirpa Kärkkäinen have been invaluable.

Lecturer Anu Hartikainen-Ahia and the TOTY-group have been part of the knowledge building community during the application of the inquiry approach within teacher education. In the later stages of this research, Professor Patrick Dillon joined the core group and became one of my supervisors. While the persons mentioned are those who have been the active co-authors for the articles in this dissertation there are several other people from the Philosophical Faculty and especially the School of Applied Educational Science and Teacher Education who have supported the advancement of this work. I would like to express my gratitude to external reviewers of the thesis Professor Shu-Nu Chang Rundgren, and Professor Heli Ruokamo for their efforts, comments, and advice for further develop of my dissertation. Also there are many anonymous reviewers of the articles, whose contribution has greatly helped to develop the dissertation.

Of course, during such a long period of time there are a lot of people who have been supporting my working (e.g. “east-wing team”, friends, relatives and family) who I wish to thank here also.

Joensuu, December 2014 Jari Kukkonen

(12)

List of empirical studies

Study I

Kukkonen, J. E., Kärkkäinen, S., Dillon, P., & Keinonen, T. (2014). The effects of scaffolded simulation-based inquiry learning on fifth-graders' representations of the greenhouse effect. International Journal of Science Education, 36(3), 406-424.

http://dx.doi.org/10.1080/09500693.2013.782452 Study II

Kukkonen, J. E., Kärkkäinen, S., & Keinonen, T. (2013). Fifth Graders' Views of Atmosphere. The International Journal of Science, Mathematics and Technology Learning.19(3), 113-129.

Study III

Kukkonen, J., Kärkkäinen, S., Valtonen, T. & Keinonen, T. (2011). Blogging to Support Inquiry-based Learning and Reflection in Teacher Students Science Education. Problems of education in the 21st century, 31(31), 73-84.

Study IV

Kukkonen, J., Dillon, P., Kärkkäinen, S., Hartikainen-Ahia, A. & Keinonen, T. (2014). Pre- service teachers’ experiences of scaffolded learning in science through a computer supported collaborative inquiry. Education and Information Technologies. Online first 22.4.2014 http://dx.doi.org/10.1007/s10639-014-9326-8

The author of this dissertation was the corresponding author for these four studies. The author had significant responsibility in planning, designing, analysis as well as reporting the results for these four studies.

(13)

List of empirical studies

Study I

Kukkonen, J. E., Kärkkäinen, S., Dillon, P., & Keinonen, T. (2014). The effects of scaffolded simulation-based inquiry learning on fifth-graders' representations of the greenhouse effect. International Journal of Science Education, 36(3), 406-424.

http://dx.doi.org/10.1080/09500693.2013.782452 Study II

Kukkonen, J. E., Kärkkäinen, S., & Keinonen, T. (2013). Fifth Graders' Views of Atmosphere. The International Journal of Science, Mathematics and Technology Learning.19(3), 113-129.

Study III

Kukkonen, J., Kärkkäinen, S., Valtonen, T. & Keinonen, T. (2011). Blogging to Support Inquiry-based Learning and Reflection in Teacher Students Science Education. Problems of education in the 21st century, 31(31), 73-84.

Study IV

Kukkonen, J., Dillon, P., Kärkkäinen, S., Hartikainen-Ahia, A. & Keinonen, T. (2014). Pre- service teachers’ experiences of scaffolded learning in science through a computer supported collaborative inquiry. Education and Information Technologies. Online first 22.4.2014 http://dx.doi.org/10.1007/s10639-014-9326-8

The author of this dissertation was the corresponding author for these four studies. The author had significant responsibility in planning, designing, analysis as well as reporting the results for these four studies.

1 Introduction

This dissertation started from an EU-funded project VccSSe (Virtual Community Collaborating Space for Science Education, 2007-2009) that was concerned with advancing the use of simulations in education. In the VccSSe-project we were interested in designing, studying and disseminating effective ways to use simulations in science education. My task among others in the project was to participate in the experimentation and implementation of simulation-based learning in the classroom. A greenhouse effect simulation was used in the project first with an activity with teacher students who experimented with some simulations from the University of Colorado PhET collection (http://phet.colorado.edu) and also translated some of the simulations into Finnish. Later an instructional intervention, based on the idea of simulation-based inquiry, was developed in collaboration with a teacher student, a supervising teacher and me during the advanced teaching practice of the teacher student. Even though several other teachers were contacted in order to accomplish similar activities for using simulations in teaching, only a few volunteered for the VccSSe-project’s intervention activities. In part, these experiences aroused my interest in investigating teacher students’ skills and their willingness to enact inquiry teaching and learning.

Using previous research literature to investigate effective ways to use simulations in science education, we noticed that it was essential to further study the circumstances where effective inquiry-based science teaching and learning approaches could be implemented. It soon turned out that while the definitions of inquiry itself varies, inquiry refers at least to what scientist do, how students learn and the pedagogical approach teachers employ. However, research on effective inquiry learning shares an essential feature, namely, the scaffolding of the inquiry learning. There is substantial research- based knowledge about effective simulation-based science learning; here again the scaffolding and inquiry learning turned out to be the key concepts. Therefore scaffolding the science inquiry learning was an important activity also in the VccSSe-project where the effects of scaffolded inquiry were to be examined among fifth graders. Earlier we had found also that learner-centred collaborative teaching approaches, such as inquiry-based science education, are challenging to implement with information and communication technology (ICT) even for experienced teachers (Valtonen, Wulff, & Kukkonen, 2006;

Valtonen, Kukkonen, Puruskainen, & Hatakka, 2007). The challenges of inquiry learning raised the question of studying also teacher students’ conceptions and perceived benefits of the scaffolding that accompanies inquiry learning. In the case of computer supported science inquiry learning, it is always necessary that teachers have the skills to plan and carry out the inquiry process with their pupils. Teacher education should be able to support teacher students´ development of the skills, knowledge and habits required in conducting inquiry learning processes.

For at least a decade research and development with technology enhanced learning environments including scaffolded science inquiry learning have been conducted under

(16)

the framework of design based research. While rapidly developing technology had previously lead to sequential approaches in testing new developments in “interventions”

in the classroom, the design based approach takes account of social context early in the design process. Design based research attempts to advance research, design and practice by requiring participants to collaborate in the early phase of the design of the technology enhanced learning environment in order to achieve maximal fit in the local context. The process of actual enactment in different settings is an important part of the research e.g.

in the case of science inquiry learning the different settings include the interactions between the materials, the teachers and the learners. Also this dissertation addresses the challenge to adapt rapidly changing technologies (e.g. adapting simulations and social software; blog and Wiki) to local contexts and to study the features of design and the effect of the design on learning.

While previous research clearly states that in many cases science inquiry learning would be an effective way of learning science, the actual enactment of computer supported collaborative science inquiry learning is dependent on the design in use. The computerized collaborative science inquiry learning environments are designed to be used mainly with a different language than Finnish and to fit into a different curriculum and educational system, therefore it is important to study the adaptation of the designs in Finnish educational settings.

The personal experiences gained from the VccSSe-project, showed great diversity in curriculum, educational systems, and teachers’ willingness to conduct simulation-based inquiry as well as in possibilities to use ICT in classrooms in the five participating European countries.

This dissertation contributes to the field of computer supported collaborative science inquiry learning in the context of primary school education. Firstly, the aim is to examine the scaffolding of fifth graders’ science inquiry learning process, while aiming to design a model for scaffolded simulation-based inquiry and the effects of scaffolding. Secondly, the aim is to examine primary school teacher students’ readiness to enact inquiry teaching and learning, and furthermore the effects of scaffolded inquiry to the experienced benefits of the scaffolding.

(17)

the framework of design based research. While rapidly developing technology had previously lead to sequential approaches in testing new developments in “interventions”

in the classroom, the design based approach takes account of social context early in the design process. Design based research attempts to advance research, design and practice by requiring participants to collaborate in the early phase of the design of the technology enhanced learning environment in order to achieve maximal fit in the local context. The process of actual enactment in different settings is an important part of the research e.g.

in the case of science inquiry learning the different settings include the interactions between the materials, the teachers and the learners. Also this dissertation addresses the challenge to adapt rapidly changing technologies (e.g. adapting simulations and social software; blog and Wiki) to local contexts and to study the features of design and the effect of the design on learning.

While previous research clearly states that in many cases science inquiry learning would be an effective way of learning science, the actual enactment of computer supported collaborative science inquiry learning is dependent on the design in use. The computerized collaborative science inquiry learning environments are designed to be used mainly with a different language than Finnish and to fit into a different curriculum and educational system, therefore it is important to study the adaptation of the designs in Finnish educational settings.

The personal experiences gained from the VccSSe-project, showed great diversity in curriculum, educational systems, and teachers’ willingness to conduct simulation-based inquiry as well as in possibilities to use ICT in classrooms in the five participating European countries.

This dissertation contributes to the field of computer supported collaborative science inquiry learning in the context of primary school education. Firstly, the aim is to examine the scaffolding of fifth graders’ science inquiry learning process, while aiming to design a model for scaffolded simulation-based inquiry and the effects of scaffolding. Secondly, the aim is to examine primary school teacher students’ readiness to enact inquiry teaching and learning, and furthermore the effects of scaffolded inquiry to the experienced benefits of the scaffolding.

2 Computer supported collaborative inquiry learning

Science education has been one of the influential fields of study and application in the research area of using ICT in education. The gradual shift of focus from the study of supporting individual learners to supporting learning through participating in communities of practices has been a characteristic of the research in both fields: the development of computer supported collaborative learning in the field of ICT in education; and inquiry-based approaches in field of science education. According to Minner, Levy and Century (2010) inquiry learning refers to the way students learn, the pedagogical approach, and what the scientist do. The core activity of inquiry learning is defined by Quintana, Reiser, Davis, Krajcik, Fretz, Duncan and Soloway (2004, 341) “as the process of posing questions and investigating them with empirical data, either through direct manipulation of variables via experiments or by constructing comparisons using existing data sets”. Inquiry-based science education is a wider concept which includes inquiry learning as a core concept, but inquiry-based science education also addresses several other issues e.g. the nature of science (NOS), curricular knowledge, the teachers’ knowledge base for implementing inquiry, student learning of science process skills to name a few (Keys & Bryan, 2001; Capps & Crawford, 2013).

Research and development in the field of ICT in education has recently become oriented more towards an approach called computer supported collaborative learning (CSCL) (e.g. Koschmann, 1996; Strijbos, Kirschner, & Martens, 2004; Stahl, Koschmann, &

Suthers, 2006; Lipponen 2001; Resta & Laferrière, 2007; Valtonen, 2011; Laru, 2012).

Stahl et al. (2006) claim that CSCL is an emerging branch of learning sciences and the development of CSCL parallels paradigmatic changes in the field of learning sciences generally and the development of science inquiry learning especially. Both of these fields have moved from considering learning as almost solely an individual or personal matter to it being a more social and group related process (Koschmann, 1996; Kirschner, Martens,

& Strijbos, 2004; Stahl, 2005).

2.1 SCAFFOLDING IN SCIENCE INQUIRY LEARNING

In the field of science education a synthesis of research for the years 1984 to 2002 concludes that inquiry-based science instruction has had a positive impact on content learning (Minner et al., 2010). More specifically, the amount of active thinking and

(18)

emphasis on drawing conclusions from data were predictors of understanding science.

Moreover, the amount of inquiry, especially hands-on engagement with science phenomena and students’ taking responsibility for their own learning, were significant predictors of better learning (Minner et al., 2010). However, in the studies analysed

“students’ own responsibility” was not found to mean that inquiry learning is one form of ‘‘minimally guided instruction’’ as Kirschner, Sweller and Clark (2006) claim. Instead, most of the studies analysed had incorporated substantial scaffolding during the science inquiry learning (Minner et al., 2010). Kirschner et al. (2006) importantly points out that when novices study new content, it is extremely important to take into account the limitations of their working and long-term memory, otherwise teaching and learning can be ineffective and frustrating. Hmelo-Silver, Duncan and Chinn (2007) responded to the challenges that Kirschner et al. (2006) raised, by arguing that inquiry learning has usually been shown to be effective when it is combined with extensive scaffolding and guidance to facilitate student learning. Also Alfieri, Brooks, Aldrich and Tenenbaum (2011) based on a meta-analysis of 160 studies suggest that unassisted inquiry does not benefit learners whereas enhanced inquiry with feedback, worked examples, scaffolding and elicited explanations, does.

Minner et al.’s (2010) review emphasises several long-term research-projects dedicated to developing computerised collaborative science inquiry learning environments that take into account and combine the characteristics of effective learning environments. Quite often computerised collaborative science inquiry needs to be combined with curricula development and teacher training. Some examples of environments so developed are: WISE, Web-Based Integrated Science Environment (Varma & Linn, 2012); BGuILE, Biology Guided Inquiry Learning Environment (Reiser, Tabak, Sandoval, Smith, Steinmuller, & Leone, 2001); CoVis; Collaborative Visualization over the Internet (Pea, 2002), TinkerTools (White & Frederiksen, 1998). For at least a decade this kind of research and development with technology enhanced learning environments (e.g. concerning necessary scaffolding during science inquiry learning) has been conducted under the framework of design based research (Wang & Hannafin, 2005).

While rapidly developing technology had previously lead to sequential approaches in testing new developments in “interventions” in the classroom, the design based approach takes account of social context early in the design process. Design based research attempts to advance research, design and practice by requiring participants (e.g. teachers) to collaborate in the early phase of the design of the technology enhanced learning environment in order to achieve maximal fit in the local context. The process of actual enactment in different settings is an important part of the research e.g. in the case of science inquiry learning the different settings include the interactions between the materials, the teachers and the learners (the Design-Based Research Collective, 2003).

However, design based research also grounds the designs in earlier research and aims to develop more general advances for both theory and design simultaneously (Wang &

Hannafin, 2005; the Design-Based Research Collective, 2003).

In the case of computer supported science inquiry learning, it is always necessary that teachers have the skills to plan and carry out the inquiry process with their pupils (e.g.

Williams, Linn, Ammon, & Gearhart, 2004; Viilo, Seitamaa-Hakkarainen, & Hakkarainen,

(19)