Mielekkään kemian non-formaalin oppimisympäristön kehittämistutkimus yhteistyössä työelämän kanssa

Abstract

Out-of-school learning environments are a part of chemistry education and they follow the Finnish National Core Curriculum. Non-formal learning is also a current topic of research internationally. By using out-of-school learning environments such as the ChemistryLab Gadolin in teaching, it is possible to encourage adolescents towards learning about chemistry. These learning environments offer contents, activities and resources, which might not be available in schools. With the help of context-based and relevant contents in chemistry as well as with inquiry-based work instructions and methods it is possible to support meaningful chemical education. By developing teaching in cooperation with specialists in the industry, we are able to add relevance to chemistry education. The aim of design-based research was to develop a meaningful non-formal learning environment in chemistry that would support the execution of study visit. The research was divided into three parts: (1) problem analyses, (2) the design process and (3) the design product. There were four main research questions in this research: (i) What kinds of needs are there in chemistry education regarding context-based contents and relevance? (problem analyses), (ii) Which factors and actions support active study visit in non-formal learning environments in chemistry? (problem analyses), (iii) How to develop the non-formal learning environment in chemistry communally with specialists in the industry? (design process), and (iv) What kind of is a relevant non-formal learning environment in chemistry with its contents and methods for study visit? (design product). The design-based research consisted of two theoretical problem analyses, where one was connected to meaningful learning of chemistry and the other to learning environments in chemistry and study visits. In total there were four empirical problem analyses. These were carried out as case studies. The first one was about looking at the context-based worksheets (N=160) in upper secondary school chemistry books. The second problem analysis focused on chemistry teachers (N=13) and students (N=33) experiences in exploiting skills in chemistry in everyday life, as to say their experiences in relevance and contexts. In the third one, teachers (N=161) and students (N=300) aims for study visits in the ChemistryLab Gadolin were studied. In the fourth empirical problem analysis, chemistry teachers (N=87) activities before and after the study visit and and ways of assessment were researched. Data was collected with the help of interviews, survey forms and literary outputs. Research data was analyzed with deductive and inductive content analysis. Reliability of research was increased by data -, method -, theory - and researcher triangulation. The results of the problem analyses were taken into consideration in the layout of the aims of the design process. The aim of the design process was to develop the didactic viewpoint of a non-formal learning environment in chemistry that would support meaningful study visit. The design process included the following two parts: (i) the development of laboratory work sheets and (ii) the development of activities that support the study visit. The development of laboratory work sheets was carried out collaboratively in the ChemistryLab Gadolin with industry specialists (N=9) and with students studying to be chemistry teachers (N=10). There were characteristics connected to collaboration and novice operations in the collaborative design process concerning work instructions. During the development process, specialist and instructor s support was observed as important. A suitable instrument of evaluation for non-formal learning environments in chemistry was developed on the basis of teachers (N=161) and students (N=300) case study. A model, for developing activities that support study visit, was created from teachers (N=87) operational models during study visit. The research provided four kinds of research information: (i) information on relevant contents that support chemical education, hands-on laboratory working methods and learning environments, (ii) on the collaborative design process, (iii) on context-based learning and relevance, which can be promoted in cooperation with specialists in the industry, and (iv) on meaningful execution of non-formal study visits in chemistry and on the evaluation of the aims of a visit. According to the empirical problem analysis (the so called needs analysis) in this research, context-based and relevant contents in upper secondary school inquiry should be developed in a more versatile way. A third of laboratory work sheets in upper secondary level textbooks included relevant, context-based contents, where home economics was emphasized. Teachers and students were observed to emphasize topics in home economics on the individual level in a case study concerning everyday chemistry. According to research, chemistry teachers activities and methods concerning study visit are focused more on the time after the field trip. Before the visit, in the preparatory part, theory and working methods are revised, laboratory work sheets are given and rules and instructions concerning the visit are discussed together. In the part after the visit, more versatile methods, including revising, were used such as blog entries and exercises having to do with visual arts. Assessment was based on summative assessment, attitudes and skills. In a non-formal learning environment, formative evaluation that supports learning was used only a little. According to research, when planning a study visit in a non-formal learning environment it is important to take the following eight factors into consideration (the so called instrument of evaluation for a non-formal learning environment): (i) participation, (ii) relevance, (iii) material environment, (iv) using ICT, (v) inquiry, (vi) supporting teachers work, (vii) differentiation and (viii) clarity of instructions. In addition, it is important for a teacher to take into consideration the before and after activities with different methods and evaluation in a study visit. As design products, there were also nine new and relevant context-based laboratory work sheets, which especially supported Industry, technology and production category. Three work sheets were chosen to be developed further. The final products were observed to support the level of individual relevance as well as the societal and vocational levels. The relevance levels of the further developed work sheets were studied to the visiting groups of teachers (N=25) and students (N=88) in the ChemistryLab Gadolin. The results of the design-based research can be applied in developing meaningful context-based hands-on working in natural science education. Cooperation with the industry brings added value to increasing the relevance of teaching. Meaningful and outcome-based study visits to non-formal learning environments can be developed by exploiting research information. The non-formal learning environment evaluation instrument developed in this qualitative research can be applied when designing learning environments.Koulujen ulkopuoliset oppimisympäristöt ovat osa kemian opetusta kansallisten opetussuunnitelman perusteiden mukaisesti. Non-formaali oppiminen on myös ajankohtainen tutkimusaihe kansainvälisesti. Käyttämällä opetuksessa koulun ulkopuolisia oppimisympäristöjä, kuten Kemianluokka Gadolinia, nuoria voidaan innostaa kemian opiskeluun. Ne tarjoavat sisältöjä, toimintoja ja resursseja, joita ei koulussa välttämättä ole käytössä. Kontekstilähtöisten ja merkityksellisten kemian sisältöjen sekä kokeellisten työohjeiden ja työtapojen avulla voidaan tukea mielekästä kemian opetusta. Kehittämällä opetusta yhteistyössä työelämän asiantuntijoiden kanssa voidaan lisätä merkityksellisyyttä kemian opetukseen. Kehittämistutkimuksen (engl. design-based research) tavoitteena oli tutkimuspohjaisesti kehittää mielekästä kemian non-formaalia oppimisympäristöä toiminnallisten opintokäyntien toteuttamisen tueksi. Tutkimus jakautui kolmeen osa-alueeseen: (1) ongelma-analyyseihin, (2) kehittämisprosessiin ja (3) kehittämistuotokseen. Tutkimuksessa päätutkimuskysymyksiä oli neljä: (i) minkälaisia tarpeita on kemian opetuksessa sen kontekstilähtöisyyden ja merkityksellisyyden suhteen? (ongelma-analyysit), (ii) mitkä tekijät ja toiminnot tukevat toiminnallista opintokäyntiä kemian non-formaaliin oppimisympäristöön? (ongelma-analyysit), (iii) miten kemian non-formaalia oppimisympäristöä voidaan kehittää yhteisöllisesti työelämän asiantuntijoiden kanssa? (kehittämisprosessi), ja (iv) minkälainen on mielekäs kemian non-formaali oppimisympäristö sisältöineen ja toiminnallisen opintokäynnin työtapoineen? (kehittämistuotos). Kehittämistutkimukseen sisältyi kaksi teoreettista ongelma-analyysiä, joista toinen liittyi kemian mielekkääseen oppimiseen ja toinen kemian oppimisympäristöihin sekä toiminnalliseen opintokäyntiin. Empiirisiä ongelma-analyysejä oli yhteensä neljä. Ne toteutettiin tapaustutkimuksina. Ensimmäisessä tutkittiin lukion kemian oppikirjojen kokeellisten töiden (N=160) kontekstilähtöisyyttä. Toisessa ongelma-analyysissä tutkittiin kemian opettajien (N=13) ja opiskelijoiden (N=33) kokemuksia kemian taitojen hyödyntämisestä omassa arjessa, eli merkityksellisyyden ja kontekstuaalisuuden kokemuksia. Kolmannessa kartoitettiin opettajien (N=161) ja opiskelijoiden (N=300) tavoitteita toiminnalliselle opintokäynnille Kemianluokka Gadoliniin. Neljännessä empiirisessä ongelma-analyysissä tutkittiin kemian opettajien (N=87) etu- ja jälkikäteistoimintoja ja työtapoja sekä arviointitapoja opintokäynnin yhteydessä. Aineistoa kerättiin haastattelemalla, kyselylomakkeella ja kirjallisista tuotoksista. Tutkimusaineistoa analysoitiin teoria- ja aineistolähtöisellä sisällönanalyyseillä. Tutkimuksen luotettavuutta parannettiin aineisto-, menetelmä-,  teoria- ja tutkijatriangulaatiolla. Ongelma-analyysien tulokset huomioitiin kehittämisprosessin tavoitteiden asettelussa. Kehittämisprosessi, jonka päätavoitteena oli kehittää kemian non-formaalin oppimisympäristön didaktista näkökulmaa mielekkääksi toiminnallisten opintokäyntien toteuttamisen tueksi, sisälsi kaksi osaa: (i) kokeellisten työohjeiden kehittämisen ja (ii) toiminnallisia opintokäyntejä tukevien toimintojen ja työtapojen kehittämisen. Työohjeiden kehittäminen toteutettiin yhteisöllisesti Kemianluokka Gadolinissa yritysasiantuntijoiden (N=9) ja kemian opettajaksi opiskelevien (N=10) kanssa. Työohjeiden yhteisölliseen kehittämisprosessiin liittyi yhteistyöhön ja noviisitoimijuuteen liittyviä piirteitä. Kehittämisprosessissa asiantuntijahenkilön ja ohjaajan tuki havaittiin tärkeäksi. Kemian non-formaalille oppimisympäristölle sopiva arviointityökalu kehitettiin opettajien (N=161) ja oppilaiden (N=300) tapaustutkimuksen pohjalta. Toiminnallisten opintokäyntiä tukevien toimintojen kehittämiseen malli syntyi opettajien (N=87) toimintamalleista opintokäynnin yhteydessä. Tutkimuksessa saatiin neljänlaista tutkimustietoa: (i) mielekkäistä kemian opiskelua tukevista sisällöistä, kokeellisista työskentelymenetelmistä ja oppimisympäristöistä, (ii) yhteisöllisestä kehittämisprosessista, (iii) kontekstilähtöisyydestä ja merkityksellisyydestä, jota voidaan edistää yhteistyössä työelämän asiantuntijoiden kanssa, sekä (iv) kemian non-formaalien  toiminnallisten opintokäyntien mielekkäästä toteuttamisesta ja vierailujen  tavoitteiden arvioimisesta. Tutkimuksen empiirisen ongelma-analyysin (nk. tarveanalyysin) mukaan lukion kokeellisuuden kontekstilähtöisiä ja merkityksellisiä sisältöjä tulisi kehittää monipuolisemmaksi. Kolmannes lukion oppikirjojen kokeellisista työohjeista sisälsi mielekästä kontekstilähtöistä sisältöä, jossa pääpainona oli kotitalous. Kotitalouden aihealueeseen painottuminen henkilökohtaisella tasolla havaittiin myös kemian opettajilla ja opiskelijoilla arkipäivän kemiaan liittyvässä tapaustutkimuksessa. Tutkimuksen mukaan kemian opettajien toiminnallisiin opintokäynteihin liittyvät toiminnot ja työtavat painottuivat kouluopetuksessa enemmän vierailun jälkeiseen aikaan. Ennen vierailua valmistavassa osassa kerrattiin teoriaa ja kokeellisuutta, jaettiin työohjeet ja keskusteltiin vierailuun liittyvistä käytännön asioista. Vierailun jälkeisessä osassa käytettiin monipuolisempia työtapoja kertaamisen lisäksi, kuten blogikirjoituksia ja kuvataidetehtäviä. Arviointi painottui summatiiviseen arviointiin, asenteisiin ja taitoihin. Non-formaalissa oppimisympäristössä oppimista tukevaa formatiivista arviointia käytettiin vähän. Tutkimuksen mukaan non-formaaliin oppimisympäristöön tehtävän toiminnallisen opintokäynnin suunnittelussa on tärkeä ottaa huomioon seuraavat kahdeksan asiaa (nk. non-formaalin oppimisympäristön arviointityökalu): (i) osallistuneisuus, (ii) merkityksellisyys, (iii) materiaaliympäristö, (iv) tietotekniikan käyttö,  (v) tutkiminen, (vi) opettajan työn tukeminen, (vii) eriyttäminen  ja (viii)  ohjeiden selkeys. Lisäksi opettajan on tärkeää huomioida tavoitteellisessa toiminnallisessa opintokäynnissä etu- ja jälkikäteistoiminnot työtapoineen sekä arviointi. Kehittämistuotoksena syntyi myös yhdeksän mielekästä uutta kontekstilähtöistä kokeellista työohjetta, jotka tukivat erityisesti Teollisuus, tekniikka ja tuotanto -kontekstuaalisuuden aihealuetta. Näistä kolme työohjetta valittiin jatkokehitettäviksi, joiden lopullisen tuotoksen havaittiin tukevan henkilökohtaisen merkityksellisyyden tason lisäksi yhteiskunnallista ja ammatillista tasoa. Jatkokehitettyjen työohjeiden merkityksellisyyden tasoja arvioitiin Kemianluokka Gadolinissa vierailevilla opettajaryhmillä (N=25 opettajaa) ja oppilasryhmillä (N=88 oppilasta). Kehittämistutkimuksen tuloksia voidaan soveltaa mielekkään kontekstilähtöisen kokeellisuuden kehittämiseen luonnontieteiden opetuksessa. Yhteistyö työelämän kanssa tuo lisäarvoa opetuksen merkityksellisyyden lisäämiseen. Mielekkäitä toiminnallisia opintokäyntejä non-formaaleihin oppimisympäristöihin ja siihen liittyvää tavoitteellisuutta voidaan kehittää tutkimustietoa hyödyntäen. Tässä kvalitatiivisessa tutkimuksessa kehitettyä kemian non-formaalin oppimisympäristön arviointityökalua voidaan soveltaa oppimisympäristöjen suunnitteluun