A Historical Approach to Children s Physics Education : Modelling of DC-circuit Phenomena in a Small Group

This three-phase design research describes the modelling processes for DC-circuit phenomena. The first phase presents an analysis of the development of the DC-circuit historical models in the context of constructing Volta s pile at the turn of the 18th century. The second phase involves the designing of a teaching experiment for comprehensive school third graders. Among other considerations, the design work utilises the results of the first phase and research literature of pupils mental models for DC-circuit phenomena. The third phase of the research was concerned with the realisation of the planned teaching experiment. The aim of this phase was to study the development of the external representations of DC-circuit phenomena in a small group of third graders. The aim of the study has been to search for new ways to guide pupils to learn DC-circuit phenomena while emphasing understanding at the qualitative level. Thus, electricity, which has been perceived as a difficult and abstract subject, could be learnt more comprehensively. Especially, the research of younger pupils learning of electricity concepts has not been of great interest at the international level, although DC-circuit phenomena are also taught in the lower classes of comprehensive schools. The results of this study are important, because there has tended to be more teaching of natural sciences in the lower classes of comprehensive schools, and attempts are being made to develop this trend in Finland. In the theoretical part of the research an Experimental-centred representation approach, which emphasises the role of experimentalism in the development of pupil s representations, is created. According to this approach learning at the qualitative level consists of empirical operations like experimenting, observations, perception, and prequantification of nature phenomena, and modelling operations like explaining and reasoning. Besides planning teaching, the new approach can be used as an analysis tool in describing both historical modelling and the development of pupils representations. In the first phase of the study, the research question was: How did the historical models of DC-circuit phenomena develop in Volta s time? The analysis uncovered three qualitative historical models associated with the historical concept formation process. The models include conceptions of the electric circuit as a scene in the DC-circuit phenomena, the comparative electric-current phenomenon as a cause of different observable effect phenomena, and the strength of the battery as a cause of the electric-current phenomenon. These models describe the concept formation process and its phases in Volta s time. The models are portrayed in the analysis using fragments of the models, where observation-based fragments and theoretical fragements are distinguished from each other. The results emphasise the significance of the qualitative concept formation and the meaning of language in the historical modelling of DC-circuit phenomena. For this reason these viewpoints are stressed in planning the teaching experiment in the second phase of the research. In addition, the design process utilised the experimentation behind the historical models of DC-circuit phenomena In the third phase of the study the research question is as follows: How will the small group s external representations of DC-circuit phenomena develop during the teaching experiment? The main question is divided into the following two sub questions: What kind of talk exists in the small group s learning? What kinds of external representations for DC-circuit phenomena exist in the small group discourse during the teaching experiment? The analysis revealed that the teaching experiment of the small group succeeded in its aim to activate talk in the small group. The designed connection cards proved especially successful in activating talk. The connection cards are cards that represent the components of the electric circuit. In the teaching experiment the pupils constructed different connections with the connection cards and discussed, what kinds of DC-circuit phenomena would take place in the corresponding real connections. The talk of the small group was analysed by comparing two situations, firstly, when the small group discussed using connections made with the connection cards and secondly with the same connections using real components. According to the results the talk of the small group included more higher-order thinking when using the connection cards than with similar real components. In order to answer the second sub question concerning the small group s external representations that appeared in the talk during the teaching experiment; student talk was visualised by the fragment maps which incorporate the electric circuit, the electric current and the source voltage. The fragment maps represent the gradual development of the external representations of DC-circuit phenomena in the small group during the teaching experiment. The results of the study challenge the results of previous research into the abstractness and difficulty of electricity concepts. According to this research, the external representations of DC-circuit phenomena clearly developed in the small group of third graders. Furthermore, the fragment maps uncover that although the theoretical explanations of DC-circuit phenomena, which have been obtained as results of typical mental model studies, remain undeveloped, learning at the qualitative level of understanding does take place.Tutkimuksessa kuvataan tasavirtapiirin ilmiöiden mallinnusprosesseja kolmivaiheisessa kehittämistutkimuksessa. Ensimmäisessä vaiheessa analysoidaan tasavirtapiirin historiallisten mallien kehittymistä Voltan parin rakentamisen yhteydessä 1700- ja 1800-lukujen taitteessa. Toisessa vaiheessa suunnitellaan peruskoulun kolmasluokkalaisille opetuskokeilu, jonka tekemisessä hyödynnetään muun muassa ensimmäisen vaiheen tuloksia sekä tutkimustietoa oppilaiden tasavirtapiirin mentaalimalleista. Tutkimuksen kolmas vaihe on suunnitellun opetuskokeilun toteuttaminen, jossa tutkitaan tasavirtapiirin ilmiöitä koskevien ulkoisten representaatioiden kehittymistä kolmasluokkalaisten pienryhmässä. Tutkimuksen tavoitteena on ollut etsiä uusia tapoja ohjata oppilasta oppimaan tasavirtapiirin ilmiöitä kvalitatiivisen tason ymmärtämistä painottaen, jolloin vaikeaksi ja abstraktiksi koettua sähköoppia voisi oppia kokonaisvaltaisemmin. Erityisesti pienten koululaisten sähköopin oppimisen tutkiminen on jäänyt kansainvälisestikin vähemmälle huomiolle, vaikka tasavirtapiirin ilmiöitä opetetaan myös alemmilla luokilla. Tutkimuksen tulokset ovat tärkeitä, koska peruskoulun alaluokkien luonnontieteiden opetusta on Suomessa vahvistettu ja pyritään kehittämään. Tutkimuksen teoreettisessa osassa luodaan kokeellisuuden roolia oppilaan representaatioiden kehittymisessä korostava lähestymistapa, kokeellisuuskeskeinen representaatioiden kehittyminen. Lähestymistavan mukaan oppiminen kvalitatiivisella tasolla koostuu empiirisistä operaatioista kuten kokeileminen, havaitseminen, hahmottaminen ja luonnonilmiöiden esikvantifiointi sekä mallintavista operaatioista kuten selittäminen ja päättely. Opetuksen suunnittelun lisäksi uutta lähestymistapaa voidaan käyttää myös analyysivälineenä sekä historiallisen mallinnuksen että oppilaan representaatioiden kehittymisen kuvailussa. Tutkimuksen ensimmäisen vaiheen tutkimuskysymyksenä on, miten tasavirtapiirin historialliset mallit kehittyivät Voltan aikana. Analyysin perusteella historiallisessa käsitteenmuodostusprosessissa erottuu kolme kvalitatiivista historiallista mallia, jotka sisältävät käsitykset suljetusta virtapiiristä tasavirtapiirin ilmiöiden tapahtumapaikkana, komparatiivisesta sähkövirtailmiöstä erilaisten havaittavien seurausilmiöiden syynä sekä pariston sähköisestä voimakkuudesta sähkövirtailmiön syynä. Nämä mallit kuvaavat Voltan aikaista tasavirtapiirin ilmiöiden käsitteenmuodostusprosessia ja -vaihetta. Mallit esitetään analyysissa käyttäen mallikehyksiä, joissa havaintoihin perustuvat fragmentit ja teoreettiset fragmentit erottuvat toisistaan. Tulokset korostavat kvalitatiivisen käsitteenmuodostuksen tärkeyttä sekä kielen merkitystä tasavirtailmiöiden historiallisessa mallintamisessa. Tästä syystä näitä näkökulmia painotetaan tutkimuksen toisen vaiheen opetuskokeilun suunnittelemisessa. Lisäksi tasavirtapiirin ilmiöiden opetuksen suunnittelussa hyödynnetään historiallisten mallien taustalla olevaa kokeellisuutta. Tutkimuksen kolmannessa vaiheessa kysymyksenä on, kuinka pienryhmän ulkoiset representaatiot tasavirtapiirin ilmiöistä kehittyvät opetuskokeilun aikana. Kysymys jaetaan kahteen alakysymykseen: Millaista puhetta pienryhmän puheessa ilmenee? Millaisia tasavirtapiirin ilmiöitä koskevia ulkoisia representaatioita pienryhmän puheessa ilmenee opetuskokeilun aikana? Analyysissa havaitaan, että pienryhmän opetuskokeilu onnistui tavoitteessaan aktivoida pienryhmän puhetta. Erityisen onnistuneeksi osoittautui opetuskokeilun suunnitteluvaiheessa kehitettyjen kytkentäkorttien käyttö puheen aktivoijana. Kytkentäkortit ovat virtapiirin komponentteja esittäviä kortteja, joiden avulla oppilaat tekivät erilaisia virtapiirikytkentöjä ja keskustelivat, millaisia ilmiöitä oikeilla välineillä tehdyissä vastaavissa kytkennöissä tapahtuisi. Pienryhmän puhetta tutkitaan vertaamalla kahta tilannetta, joissa pienryhmä keskusteli samanlaisten ensin kytkentäkorteilla, sitten oikeilla komponenteilla tehtyjen kytkentöjen äärellä. Tuloksena oli, että kytkentäkortteja käytettäessä oppilaiden puheessa ilmeni enemmän korkeamman tason ajattelua sisältävää mallinnusta kuin vastaavassa keskustelussa oikeiden komponenttien kanssa. Vastauksena toiseen alakysymykseen analyysissa kuvataan pienryhmän puheessa opetuskokeilun aikana ilmenneitä ulkoisia representaatioita, jotka esitetään suljetun virtapiirin, sähkövirran ja lähdejännitteen fragmenttikarttojen avulla. Fragmenttikartat esittävät pienryhmän tasavirtapiirin ilmiöitä kuvaavien ulkoisten representaatioiden asteittaista kehittymistä opetus-kokeilun aikana. Tutkimuksen tulokset haastavat aiemmat tutkimukset sähköopin käsitteiden abstraktiudesta ja vaikeudesta: kolmasluokkalaisten ulkoiset representaatiot kehittyvät selkeästi oppilaan puhetta ja aktiivisuutta korostavan pienryhmäopiskelun aikana. Lisäksi fragmenttikartat paljastavat, että vaikka tyypillisten sähköopin mentaalimallitutkimusten tuloksina saadut tasavirtapiirin ilmiöitä kuvaavat teoreettiset selitykset olisivatkin kehittymättömiä, oppimista tapahtuu tasavirtapiirin ilmiöiden kvalitatiivisen tason ymmärtämisessä

Critical digital literacies at school level: A systematic review

The rapid and ongoing technological developments and the changes in societal practices require us to update our understanding and skills relating to digital technology use continuously. Various frameworks have been created in recent years to explore the different aspects of digital literacies or digital competencies and a range of newer concepts and dimensions have emerged in the literature aiming to capture the complexity of digital engagement. The main aim of this systematic literature review (SLR) was to map out which elements or issues of critical digital literacies (CDL) relevant for school education currently feature in the academic literature and international policy documents. The secondary aim was to use the findings of the SLR to inform the creation of a research-based framework for school education. The review process followed a systematic protocol for answering specific research questions. Research articles were sought in two electronic databases—EBSCO (Academic Search Complete) and Web of Science—and policy documents were sought on the Internet using Google search. A total of 139 research articles and policy-related documents were used for the analysis. The main dimensions based on the analysis were the following (in the order of most hits): E-safety, Participation and presence, Digital literacy, Media literacy, Digital citizenship, Technology literacy, Information literacy, Data literacy, Digital game literacy, Online learning, Digital creativity and innovation, and Digital well-being. The emphasis in the research articles was on negative issues, although publications also outlined several positive issues about digitality. The emphases of the research articles and policy-related documents differed somewhat. The findings of this SLR have implications for researchers, policy makers and educators interested in the changing nature of critical digital literacies and the dimensions and subdimensions relevant for school education. Context and implications Rationale for the study: This systematic literature review (SLR) identifies the key elements and issues of critical digital literacies (CDL) relevant to school education, as documented in academic literature and international policy documents. In addition, it utilises the findings of the SLR to develop a research-based framework for CLD in school education. Why the new findings matter: Our findings contribute to capturing the different aspects of CDL in the context of compulsory education and offer original insights with regard to supporting the development of teachers and students' critical digital literacies in the future. Implications for researchers, practitioners and policy makers: This SLR has implications for research as it has highlighted the need to continuously update theoretical models and frameworks relating to CDL. Although certain accepted core dimensions can provide a stable foundation for representing emerging phenomena, it is essential to maintain flexibility to address the technological advancements. An implication for policy making is the recognition of the need for continuous professional development and pedagogical support for teachers and students. The value for educational practitioners is that it elucidates the emerging notions of CDL, and it enables educational institutions to enhance their practices and initiatives related to CDL

COVID-19 Accelerating Academic Teachers' Digital Competence in Distance Teaching

This study examines, using a cross-sectional approach, the digital competence of academic teachers at a time when teaching shifted to digital distance learning at the start of the COVID-19 pandemic. Teachers from different academic fields at a large multidisciplinary Finnish university (N = 265) responded to a questionnaire about the purposes for which they use digital tools in teaching, how they evaluated their competence at distance teaching during the lockdown of March-May 2020 and their beliefs about distance teaching. The respondents used digital tools in teaching mostly for delivering information. According to their evaluations, their competence in distance teaching increased during the early stages of COVID-19 pandemic in 2020, but their beliefs about distance teaching did not relate to the feelings of competence. Respondents with no experience in distance teaching before the lockdown evaluated their competence as having increased more than did respondents with previous experience. The implications of the findings for understanding competence development are then discussed.Peer reviewe

Active and spontaneous learning in a small group – a case of learning DC-circuit phenomena in the 3rd grade

In this study, the learning of DC-circuit phenomena in a small group in the 3rd grade (9-year-olds) of a comprehensive school is scrutinised. The focus of the study is on the progressive nature of learning sciences, and especially on its active and spontaneous components. Learning in a small group is examined from the standpoint of pupil’s talk. The article explores the small group’s learning process for the basic components of DC-circuits, especially bulbs. This process is treated from the standpoint of developing the conception of “the brightness of the bulbs”. In this study it is shown that even in the case of abstract subject matter, a small group can be a fruitful learning environment, where active and spontaneous learning can take place

Integroiva käsityön suunnittelu ja keksimispedagogiikka opettajankoulutuksessa: opiskelijat suunnittelevat älytekstiilejä

The paper discusses how a teaching approach, interdisciplinary design and invention pedagogy, affected primary school student teachers' learning outcomes through the craft design process in pre-service teacher education. This study applies developmental work research (Engestrom in J Educ Work 14(1):133-156, 2001; Engestrom in Yhteiskehittely ja vaihdon vyohykkeet tutkijoiden ja elinkeinoelaman valilla 2013; Galison in Image & logic: a material culture of microphysics. The University of Chicago Press, Chicago, 1997; Gorman in Trading zones, interactional expertise and interdisciplinary collaboration 2005) that aims to develop educators' work involved here. To support a craft-designing process and making innovative artefacts, two disciplinesnatural science (physics) and dramaas examples of interdisciplinarity were invited to contribute to the craft process. The craft course on smart textiles' was carried out in the spring of 2014 and 2015 at the University of Helsinki in pre-service primary teacher education. The aim of the crafts course was to get student teachers familiar with different dimensions of crafts (textile, design and technology), inquiry-based designing and an interdisciplinary teaching approach to be used in a primary school context. The craft task included working in small groups and designing smart textiles. Student teachers documented their designing and implementation processes through photos and videos using applications such as iMovie or Movie maker. In addition, participants wrote comprehensions of their projects in learning diaries. The data consist of student teachers' learning diaries (N=17) and prototypes (N=17), which are analysed by qualitative content analysis. As results, first, the paper presents some innovative artefacts that student teachers created. Second, it describes the learning that emerged in pedagogical thinking of student teachers related to the interdisciplinary designing process, including (1) four interdisciplinary contexts, (2) new pedagogic thinking and (3) change of attitude towards integrative teaching.Peer reviewe

Becoming animated when teaching physics, crafts and drama together : a multidisciplinary course for student-teachers

This article examines a physics course for pre-service primary teachers in which physics, crafts and drama were taught together by connecting the standpoints of crafts and drama. The study was carried out by three university educators from these disciplines during an advanced optional course for student-teachers at the University of Helsinki in Finland. This article discusses the impact of the multidisciplinary teaching approach on the participants' learning outcomes. First, the article explains the multidisciplinary teaching model, an educational energy game that the student-teachers designed as part of the course. Second, it describes the learning that emerged from the student-teachers' learning process, including (1) learning skills, (2) new pedagogic thinking and (3) a change of attitude towards integrative teaching. Finally, the analysis shows the strength of sociocultural animation, which is traced through a path of becoming animated.Peer reviewe

Kouluympäristön arviointimenetelmiä: artikkeli toimintaterapeuteille

Kouluympäristö erilaisine ympäristöulottuvuuksineen ja -tekijöineen on laajasti oppilaan osallistumiseen ja suoriutumiseen koulussa vaikuttava tekijä. Kouluympäristön arvioinnilla voidaan havaita ympäristöstä ne tekijät, jotka tukevat, haittaavat tai estävät tehokasta osallistumista ja suoriutumista erilaisissa koulutoiminnoissa. Toimintaterapeutin ammatilliset taidot mahdollistavat monipuolisesti erilaisten ympäristötekijöiden arvioinnin ja arviointi voi tarkoituksenmukaisilla menetelmillä olla pelkkää fyysisen ympäristön havainnointia laajempaa ja tarkempaa arviointia. Arvioinnin myötä toimintaterapeutti osaa tunnistaa esimerkiksi fyysisen, sosiaalisen ja kulttuurisen ympäristön tarkoituksenmukaiset mukauttamisen tarpeet mahdollistaakseen osallistumisen ja suoriutumisen koulutoiminnoissa. Tämän toiminnallisen opinnäytetyön tarkoituksena oli lisätä tietoisuutta toimintaterapeuttien hyödyntämistä kouluympäristön arviointimenetelmistä sekä tuoda esiin kouluympäristön merkitystä ja vaikutusta oppilaiden osallistumiseen ja suoriutumiseen. Projektin välittömänä tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa asiantuntija-artikkeli, joka pohjautui projektin aikana kerättyyn aineistoon. Kehitystavoitteina oli saada lasten kanssa työskentelevät toimintaterapeutit ja toimintaterapeuttiopiskelijat kiinnostumaan sekä perehtymään artikkelissa käsiteltäviin kouluympäristön arviointimenetelmiin. Tulevaisuuden näkökulmasta menetelmätietoisuuden lisääntyessä arviointimenetelmien käyttö toimintaterapeuttien arviointityössä mahdollistuu, jonka myötä oppilaiden sekä kouluyhteisön osallistuminen ja suoriutuminen kouluympäristöissä voi mahdollistua ja edistyä. Artikkeliin valittiin neljästätoista tiedonkeruussa esiin nousseesta arviointimenetelmästä neljä tarkempaan tarkasteluun. Valitut menetelmät olivat School Setting Interview (SSI), Classroom Environment Questionnaire (CEQ), The Classroom Sensory Environment Assessment (CSEA) sekä Participation and Environment Measure for Children and Youth (PEM-CY). Artikkelissa esiteltävät menetelmät valittiin artikkeliin niiden menetelmällisen monipuolisuuden, sekä erilaisten ympäristöulottuvuuksien ja -tekijöiden huomioinnin vuoksi. Artikkelille asetettiin laatukriteereiksi näyttöön perustuvuus, selkeys ja ymmärrettävyys. Laatukriteerien toteutumista arvioitiin palautekyselyllä. Palautekyselystä saadun palautteen perusteella kaikki näistä laatukriteereistä toteutui ja saavutettiin. Palautteen mukaan artikkelissa menetelmiä käsiteltiin luotettavasti erilaisiin lähteisiin perustuen, riittävän laajasti, ymmärrettävästi ja selkeästi. Artikkelissa oleva taulukko koettiin erityisen havainnollistavaksi esitystavaksi tukemaan aiheen ymmärrettävyyttä

Teachers’ practices to support student work in digital storytelling : A study on Finnish and Chinese school teachers’ experiences

Peer reviewe

Pre-and in-service teachers’ teamwork behaviour in integrated teacher training

Peer reviewe

Pre- and In-Service Teachers’ Teamwork Behaviour in Integrated Teacher Training

Teamwork and collaboration skills are regarded as essential proficiencies in the current worlds of work, study and everyday life. A relevant question is whether and how pre-service teachers have opportunities to begin acquiring professional collaboration skills during their studies. In the current study, Finnish pre- and in-service teachers participating in a joint training programme were engaged in reflection tasks to evaluate their teamwork behaviour during a challenging pedagogical design task in mixed teams. The aim of this study was to examine how pre- and in-service teachers perceived their teamwork practices while performing authentic training activities together. The participants reflected on their own and their teams’ behaviour in two ways: using a digital reflection survey tool repeatedly during the process and writing a reflection text. In the surveys, the participants scored both team behaviour and their own behaviour in the team relatively highly, but their own behaviour was evaluated as somewhat better than the overall team behaviour. In the reflective writing assignments, team behaviour was addressed more often than one’s own behaviour. Experiences were mostly positive, but the participants also reported varying challenges. Based on the results, it can be suggested that to better guarantee the development of pre- and in-service teachers’ collaboration skills, systematic guidance with adequate tools, is the requisite.peerReviewe