42 research outputs found

    Modelling conceptual change as foraging for explanations on an epistemic landscape

    Get PDF
    Peer reviewe

    One Instructional Sequence Fits all? : A Conceptual Analysis of the Applicability of Concreteness Fading in Mathematics, Physics, Chemistry, and Biology Education

    Get PDF
    To help students acquire mathematics and science knowledge and competencies, educators typically use multiple external representations (MERs). There has been considerable interest in examining ways to present, sequence, and combine MERs. One prominent approach is the concreteness fading sequence, which posits that instruction should start with concrete representations and progress stepwise to representations that are more idealized. Various researchers have suggested that concreteness fading is a broadly applicable instructional approach. In this theoretical paper, we conceptually analyze examples of concreteness fading in the domains of mathematics, physics, chemistry, and biology and discuss its generalizability. We frame the analysis by defining and describing MERs and their use in educational settings. Then, we draw from theories of analogical and relational reasoning to scrutinize the possible cognitive processes related to learning with MERs. Our analysis suggests that concreteness fading may not be as generalizable as has been suggested. Two main reasons for this are discussed: (1) the types of representations and the relations between them differ across different domains, and (2) the instructional goals between domains and subsequent roles of the representations vary.Peer reviewe

    Käsitteet ja käsitteellinen muutos tasavirtapiirien kontekstissa

    Get PDF
    Fysiikan opetuksessa käsitteiden oppiminen on keskeistä, mutta niiden oppimiseen liittyy monia ongelmia. Oppilaiden olemassa olevat käsitteet voivat erota merkittävällä tavalla tieteellisistä, oppimisen kohteena olevista käsitteistä, mikä muodostaa haasteen oppimisen kannalta. Oppimisprosessissa oppilaat ankkuroivat uuden opetettavan asian omaan, jo olemassa olevaan tietorakenteeseensa. Tämä tietorakenne on fysiikan kannalta usein jäsentymätön ja virheellinen, mikä johtaa usein niin sanottuihin virhekäsityksiin. Näiden käsitysten muuttumiseen viitataan usein termilllä käsitteellinen muutos. Käsitteellisen muutoksen luonteesta ei kuitenkaan ole yksimielisyyttä. Jotkin tutkijat ovat esittäneet , että käsitysten taustalla on järjestynyt teoriankaltainen tietorakenne tai yhtenäinen selitysperusta. Toiset taas ovat sitä mieltä, että käsitysten taustalla on ennemminkin löyhä ja jokseenkin irrallisista paloista koostuva järjestelmä. Näillä näkemyseroilla voi olla suoria vaikutuksia siihen miten opetus järjestetään. Tässä työssä esitetään uusi teoreettinen viitekehys käsitteellisen muutoksen kuvaamiseksi, joka hyödyntää psykologian ja kognitiotieteen käsiteteorioita. Käsitteiden nähdään siten koostuvan prototyyppipiirteistä sekä teoreettisemmista piirteistä. Käsitteitä kuvataan näistä piirteistä koostuvana monimutkaisena systeeminä, joten niitä havainnollistetaan graafin avulla. Systeeminen esittäminen on hedelmällinen lähtökohta, sillä se mahdollistaa eri teorioiden esiin nostamien piirteiden esittämisen samaa viitekehystä käyttämällä. Esitettävää viitekehystä ja graafeja sovellettiin empiiriseen aineistoon, joka koostuu opiskelijahaastatteluista. Haastatteluissa Helsingin yliopiston fysiikan opiskelijoiden (N=31) tuli tehdä perusteltuja ennusteita yksinkertaisten virtapiirien toiminnasta. Litteroiduista haastatteluista poimittin opiskelijoiden virta-, jännite- ja resistanssikäsitteisiin liittämiä teoreettisia- ja prototyyppipiirteitä ja opiskelijoiden selitysmallit koostettiin käyttäen näitä elementtejä. Opiskelijat esittivät eri tasoisia selityksiä intuitiivista aina teoreettisiin, normatiivisiin selityksiin asti. Opiskelijahaastatteluista poimittiin viisi opiskelijaa, joiden selitysmalleja havainnollistettiin graafien avulla. Valittujen viiden opiskelijan selitysmallit edustivat tyypillisimpiä haastatteluissa esiintulleita selitysmalleja ja lisäksi heidän selityksissään tuli esille monipuolisesti käsitteellisen muutoksen kannalta mielenkiintoisimpia piirteitä. Graafit ovat kompakti ja havainnollinen tapa esittää opiskelijoiden selitysmalleja ja tarjoavat kvalitatiivista, sanallista kuvailua kvantitatiivisemman ja informatiivisemman esitystavan. Graafit mahdollistavat monien eritasoisten käsiterakenteiden kuvaamisen, joten ne tuovat esiin käsitteiden oppimiseen liittyvän monimuotoisuuden ja ottavat huomioon yksilön käsitteet tieteellisten käsitteiden oppimisessa. Graafeista näkee helposti kuinka prototyyppipiirteet kytkeytyvät osaksi käsitteitä ja kuinka teoreettinen tieto muuttaa prototyyppien kuvailemia ontologisia attribuutioita. Lisäksi voidaan nähdä kuinka käsitteiden kytkeytyminen osaksi selitysmalleja tapahtuu ja kuinka nämä tietorakenteet kehittyvät kohti koherentimpaa tietoa havaintojen seurauksena. Näin ollen kehitetty viitekehys ja graafit tarjoavat mielenkiintoisen välineen oppimisprosessin tarkempaan analysointiin, joka edesauttaa opetuksen järjestämistä käsitteiden oppimista parhaiten tukevalla tavalla

    Conceptual Patterns of Changes in University Students’ Explanations During DC-Circuit Tasks

    Get PDF
    Peer reviewe

    Concepts and Concept Learning in Physics : The systemic view

    Get PDF
    Research in science education has long been concerned with a problem that students acquire conceptions which are unsatisfactory from the scientific point of view. These conceptions are also often robust and slow to change. The learning process whereby the students’ conceptions undergo a change is often viewed from the point of view of conceptual change. In this thesis, this traditional problem of conceptual change is approached as a problem of concept learning, where concepts are complex structures and parts of a conceptual system. The approach is thus termed here the systemic view. It is influenced by recent cognitive science research on relational concepts, which are concepts characterized by their relational structure and/or the relations they bear to other concepts. Because scientific models can also be conceptualized as relational structures, relational structures are central from the viewpoint of scientific knowledge. The systemic view thus bridges the cognitive aspects of learning (students’ initial knowledge) and the target knowledge, thereby illuminating the learning process that leads from initial conceptions to advanced scientific knowledge. The articles presented in this thesis consist of two empirical studies (I and II), in which students’ conceptions about DC circuits are examined from the systemic view perspective. These studies develop and apply the directed graph model, which is a graphical representation of the different conceptual elements. It allows examining students’ conceptions and their change in detail. Such graphs also act as templates for computational modelling of the learning process reported in two other articles (IV and V). The computational models allow examining structural aspects of concepts and their context-dependent dynamics. Article III examines the role of models and modelling in concept learning and suggests how seeing models as relational categories clarifies the cognitive aspects related to model-based learning. The results of the thesis show that in learning advanced scientific knowledge, students’ ability to modify and revise relational knowledge is vital to the learning and acquisition of correct conceptions. A result of practical significance is the strong context and task dependence of these processes of modifications and revisions.Eräs luonnontieteiden opetuksen ja oppimisen keskeisimpiä ongelmia on, että oppijoiden käsitykset eroavat merkittävällä tavalla tieteellisistä tiedosta ja niiden muuttaminen on vaikeaa ja hidasta. Oppijoiden käsitysten muuttumista tarkastellaan usein käsitteellisen muutoksen näkökulmasta. Tässä työssä käsitteellistä muutosta tarkastellaan käsitteiden oppimisena, jossa käsitteet ymmärretään monimutkaisina rakenteina, jotka ovat laajemman käsitejärjestelmän osia. Tätä lähestymistapaa kutsutaan tässä systeemiseksi näkökulmaksi. Systeeminen näkökulma perustuu yhtäältä viimeaikaiseen niin kutsuttuihin relationaalisiin käsitteisiin keskittyneeseen kognitiotieteen tutkimukseen. Relationaaliset käsitteet ovat käsitteitä, joiden merkitys perustuu niiden sisältämiin riippuvuussuhteisiin (so. relaatioihin) tai siihen, mikä niiden suhde toisiin käsitteisiin on. Toisaalta, tieteessä käsitteiden väliset riippuvuudet esiintyvät lakien ja mallien muodossa, jotka voidaan myös nähdä relaatiorakenteina. Niinpä relaatiot ovat keskeisiä paitsi kognition, myös tieteellisten käsitteiden näkökulmasta. Tämä työ yhdistää nämä kaksi näkökulmaa sekä kuvailee ja selvittämään niitä prosesseja, jotka johtavat tieteellisten käsitteiden oppimiseen. Väitöskirja koostuu viidestä artikkelista, joista kaksi ensimmäistä ovat empiirisiä tutkimuksia, joissa selvitetään yliopisto-opiskelijoiden käsityksiä tasavirtapiireihin liittyvistä käsitteistä. Käsitykset ja niiden muuttuminen esitetään graafein, jotka kuvaavat eri käsitteellisiä elementtejä ja niiden välisiä yhteyksiä. Nämä graafit toimivat myös lähtökohtana käsitteiden oppimisen laskennalliselle malleille, joita esitellään neljännessä ja viidennessä artikkelissa. Nämä laskennalliset mallit selventävät käsiterakenteen kehittymistä ja sen tilannesidonnaista dynamiikkaa. Kolmas artikkeli käsittelee tieteellisiä malleja ja niiden roolia käsitteiden oppimisessa. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että relaatiot sekä oppijoiden kyky omaksua ja muokata niitä ovat keskeisiä tieteellisten käsitteiden oppimisessa. Myös tieteellisten mallien tarkastelu relationaalisina rakenteina valottaa mallien ja niihin liittyvien käsitteiden oppimiseen liittyviä kognitiivisia prosesseja. Laskennalliset mallit puolestaan implikoivat, että käsitteiden oppiminen on vahvasti konteksti- ja tehtäväsidonnaista

    'Forced to think'‚ÄĒan analysis of how students benefit from online warm-up exercises with feedback

    Get PDF
    Active learning yields better learning outcomes than traditional, lecture-based teaching. Common approaches in large lecture courses are activating elements during the lectures and warm-up activities using online learning environments. However, implementing warm-up exercises, on which students work on by themselves makes formative feedback increasingly important. We have studied students’ views on warm-up online exercises, focusing on the role of automated feedback. We compared two types of feedback: feedback which guided the student towards the correct answer and feedback that guided the student towards the correct reading materials. We have also examined the correlation between students’ views on the exercises and learning outcomes, as measured by exercise and exam points. The exercises were administered with a Moodle-based system focusing on teaching and assessment using a computer-based algebra kernel. The study was conducted during the first introductory mechanics course in physics at the University of Helsinki. We concluded that the preferred type of feedback was dependent on the student, i.e. different students prefer different kinds of feedback. Importantly, the students who completed the exercises alone reported benefiting more from them, which shows that the warm-up exercises successfully extended support for students outside of classroom hours.Peer reviewe

    Concept Mapping in Magnetism and Electrostatics: Core Concepts and Development over Time

    Get PDF
    Conceptual change theories assume that knowledge structures grow during the learning process but also get reorganized. Yet, this reorganization process itself is hard to examine. By using concept maps, we examined the changes in students’ knowledge structures and linked it to conceptual change theory. In a longitudinal study, thirty high-achieving students (M = 14.41 years) drew concept maps at three timepoints across a teaching unit on magnetism and electrostatics. In total, 87 concept maps were analyzed using betweenness and PageRank centrality as well as a clustering algorithm. We also compared the students’ concept maps to four expert maps on the topic. Besides a growth of the knowledge network, the results indicated a reorganization, with first a fragmentation during the unit, followed by an integration of knowledge at the end of the unit. Thus, our analysis revealed that the process of conceptual change on this topic was non-linear. Moreover, the terms used in the concept maps varied in their centrality, with more abstract terms being more central and thus more important for the structure of the map. We also suggest ideas for the usage of concept maps in class

    Changes in University Students' Explanation Models of DC Circuits

    Get PDF
    One well-known learning obstacle is that students rarely use the concepts in the way that scientists use them. Rather, students mix up closely related concepts and are inclined towards matter-based conceptualisations. Furthermore, some researchers have argued that certain difficulties are rooted in the student's limited repertoire of causal schemes. These two aspects are conveniently represented in the recent proposal of the systemic view of concept learning. We applied this framework in our analyses of university students' explanations of DC circuits and their use of concepts such as voltage, current and resistance. Our data consist of transcribed group interviews, which we analysed with content analysis. The results of our analysis are represented with directed graphs. Our results show that students had a rather refined ontological knowledge of the concepts. However, students relied on rather simple explanation models, but few students were able to modify their explanations during the interview. Based on the analysis, we identified three processes of change: model switch, model refinement and model elaboration. This emphasises the importance of relevant relational knowledge at a later stage of learning. This demonstrates how concept individuation and learning of relational structures occurs (and in which order) and sets forth interesting research questions for future research.Peer reviewe

    Tiedeopetuksen muuttuvat tavoitteet: sisältötiedosta luonnontieteelliseen lukutaitoon

    Get PDF
    Luonnontieteiden kouluopetuksen tavoitteita on jo pitkään laajennettu tieteellisen sisältötiedon ulkopuolelle. Perinteisen sisältötietopainotuksen sijaan on alettu korostaa luonnontieteellistä lukutaitoa (engl. scientific literacy), jonka tavoitteena on antaa oppilaille valmiuksia osallistua tieteeseen ja teknologiaan liittyvään keskusteluun ja päätöksentekoon henkilökohtaisissa, yhteiskunnallisissa ja globaaleissa kysymyksissä. Suomen tuoreen opetussuunnitelmauudistuksen painotukset ja ilmiöpohjaisuus ovat osa tätä maailmanlaajuista kehitystä. Tässä artikkelissa esitämme, että luonnontieteellisen lukutaidon opettamiseen ja ilmiöoppimiseen liittyy ratkaisemattomia jännitteitä. Vaikka nykyisissä tavoitteissa korostuu opetuksen relevanssi oppijan ja yhteiskunnan kannalta, sisältötieto määritellään edelleen pitkälti oppiainelähtöisen autenttisuuden näkökulmasta. Me argumentoimme, että opetusmenetelmien ja kontekstien lisäksi myös sisältötieto on uudelleenmääriteltävä muuttuneiden tavoitteiden mukaiseksi. The goals of science education expand beyond traditional scientific content knowledge. Scientific literacy has become an important goal, offering students knowledge and skills to engage in public discussion and decision making in personal, societal and global issues related to science and technology. The recent changes in Finnish Core Curricula towards phenomenon-based learning represent these global trends in science education. In this paper, we argue that there are unresolved tensions in the the pursuit for scientific literacy and phenomenon-based learning. While the current aims of science education emphasize relevance for the student and the society, content knowledge is still defined on the basis of disciplinary authenticity. We argue that in addition to the teaching methods and contexts also content knowledge needs to be redefined to reflect the changing goals of science education
    corecore