6. Kokeellisuus ja tiedekäytännöt
Kokeellisuuden teoriaa
Käytännön töiden (kokeellisen työskentelyn) merkitystä on tutkittu kohtuullisen paljon 90-luvulta lähtien.
Kerrin tutkimus vuodelta 1963, joka käsitteli käytännön töiden tavoitteita, määrittelee tavoitteet käytännön töille seuraavasti:
– opitaan luonnontieteellistä ajattelua,
– opitaan tiedon käsittelyn taitoja,
– harjaannutaan ratkaisemaan ongelmia,
– opitaan ymmärtämään teoriaa,
– opitaan todentamaan käsitteet ja lait, jotka on opetettu,
– opitaan, että kokeellisuus on osa tutkimusprosessia, jossa luodaan uutta tietoa,
– herää kiinnostus luonnontieteisiin ja asenteet tulevat positiiviseksi,
– tehdään fysiikan, kemian ja biologian ilmiöistä todellisia,
– opitaan tekemään tarkkoja havaintoja ja huolellisia muistiinpanoja.
Millar (2004) puolestaan omassa artikkelissaan asettaa kokeellisen työskentelyn tavoitteiksi:
– työllä muutama selkeä tavoite,
– työ suuntaa oppilaiden huomion asioihin, jotka ovat olennaisia tietorakenteen kehittymisen tai kumoamisen kannalta,
– työ aktivoi jo olemassa olevat tietorakenteet,
– mahdollistaa oppilaiden toiminnan ja puheen seuraamisen,
– työn tulosten tarkastelu johtaa luokitteluun, yhteyksien, riippuvuuksien ja/tai verrannollisuuksien esittämiseen,
– työskentelyn jälkeen oppilaat ohjautuvat pohtimaan, käyttämään tuloksia pohdinnassa ja perustelemaan asioita tuloksiin nojautuen,
– työskentely ja tulokset synnyttää sosiaalista vuorovaikutusta.
Yksi tutkimuksista (Abrahams & Millar 2008) haluaa päästä yleisistä pohdinnoista, jonka mukaan arvioidaan kokeellisen työskentelyn vaikuttavuutta yleensä, konkreettiseen arviointiin yksittäisten kokeellisten töiden ja tehtävien kohdalta Millarin (1999) kehittämän prosessikuvauksen pohjalta. Millarin (2004) tavoitelista tukee jo tätä lähestymistapaa. Abrahams ja Millar (2008) pohtivat vaikuttavuutta kahdella tasolla oppilaiden tekemisen ja oppilaiden oppimisen tasoilla. Tätä kautta pohdinta konkretisoituu yksittäisten kokeellisten töiden kohdalle.
Tyytymättömyys kokeellisten töiden vaikuttavuuteen on johtanut lukuisiin vaihtoehtoisiin työmuotoihin. Näiden vaikuttavuutta ei ole paljoa tutkittu. Tässä yhteydessä esille nousevat simulaatiot ja muut tietokoneperusteiset materiaalit sekä ryhmäkeskustelut.
Lähtökohtana kontekstuaalisiin lähestymistapoihin nousee vahvasti STS-painotus, STS tulee sanoista Science - Technology – Society. Molempien liittyy halu liittää luonnontieteiden opiskelu jokapäiväiseen elämään. Kontekstuaaliseen lähestymistapa tarjoaa vaihtoehdon sille, että luonnontieteiden opiskelu vaikuttaa olevan irrallista ja kiinnostus jatko-opinnoissa tieteisiin erityisesti fysiikkaan on laskenut.
STS:ään liittyen Bennett viittaa vuonna 1994 julkaistuun kirjaan, jossa oli professori Aikenheadin artikkeli ja johdatus STS-hankkeeseen: What is STS Science Teaching?
Bennett pitää valitettavana, että tätä lähestymistapaa on tutkittu liian vähän, materiaalien kehitystyön perustaminen tutkimukseen tai sitten kontekstuaalisten materiaalien käytön vaikutuksia tutkivaan tutkimukseen.
Kerrin tutkimus vuodelta 1963, joka käsitteli käytännön töiden tavoitteita, määrittelee tavoitteet käytännön töille seuraavasti:
– opitaan luonnontieteellistä ajattelua,
– opitaan tiedon käsittelyn taitoja,
– harjaannutaan ratkaisemaan ongelmia,
– opitaan ymmärtämään teoriaa,
– opitaan todentamaan käsitteet ja lait, jotka on opetettu,
– opitaan, että kokeellisuus on osa tutkimusprosessia, jossa luodaan uutta tietoa,
– herää kiinnostus luonnontieteisiin ja asenteet tulevat positiiviseksi,
– tehdään fysiikan, kemian ja biologian ilmiöistä todellisia,
– opitaan tekemään tarkkoja havaintoja ja huolellisia muistiinpanoja.
Millar (2004) puolestaan omassa artikkelissaan asettaa kokeellisen työskentelyn tavoitteiksi:
– työllä muutama selkeä tavoite,
– työ suuntaa oppilaiden huomion asioihin, jotka ovat olennaisia tietorakenteen kehittymisen tai kumoamisen kannalta,
– työ aktivoi jo olemassa olevat tietorakenteet,
– mahdollistaa oppilaiden toiminnan ja puheen seuraamisen,
– työn tulosten tarkastelu johtaa luokitteluun, yhteyksien, riippuvuuksien ja/tai verrannollisuuksien esittämiseen,
– työskentelyn jälkeen oppilaat ohjautuvat pohtimaan, käyttämään tuloksia pohdinnassa ja perustelemaan asioita tuloksiin nojautuen,
– työskentely ja tulokset synnyttää sosiaalista vuorovaikutusta.
Yksi tutkimuksista (Abrahams & Millar 2008) haluaa päästä yleisistä pohdinnoista, jonka mukaan arvioidaan kokeellisen työskentelyn vaikuttavuutta yleensä, konkreettiseen arviointiin yksittäisten kokeellisten töiden ja tehtävien kohdalta Millarin (1999) kehittämän prosessikuvauksen pohjalta. Millarin (2004) tavoitelista tukee jo tätä lähestymistapaa. Abrahams ja Millar (2008) pohtivat vaikuttavuutta kahdella tasolla oppilaiden tekemisen ja oppilaiden oppimisen tasoilla. Tätä kautta pohdinta konkretisoituu yksittäisten kokeellisten töiden kohdalle.
| Vaikuttavuustaso 1 | Vaikuttavuustaso 2 |
| Opettajan tavoitteet Mitä odotetaan oppijoiden oppivan |
Mitä oppijoiden todella pitää tehdä |
| Mitä oppijat todella oppivat | Mitä oppijat todella tekevät |
Kokeellisten töiden vaihtoehdot
Tyytymättömyys kokeellisten töiden vaikuttavuuteen on johtanut lukuisiin vaihtoehtoisiin työmuotoihin. Näiden vaikuttavuutta ei ole paljoa tutkittu. Tässä yhteydessä esille nousevat simulaatiot ja muut tietokoneperusteiset materiaalit sekä ryhmäkeskustelut.
Lähtökohtana kontekstuaalisiin lähestymistapoihin nousee vahvasti STS-painotus, STS tulee sanoista Science - Technology – Society. Molempien liittyy halu liittää luonnontieteiden opiskelu jokapäiväiseen elämään. Kontekstuaaliseen lähestymistapa tarjoaa vaihtoehdon sille, että luonnontieteiden opiskelu vaikuttaa olevan irrallista ja kiinnostus jatko-opinnoissa tieteisiin erityisesti fysiikkaan on laskenut.
STS:ään liittyen Bennett viittaa vuonna 1994 julkaistuun kirjaan, jossa oli professori Aikenheadin artikkeli ja johdatus STS-hankkeeseen: What is STS Science Teaching?
Bennett pitää valitettavana, että tätä lähestymistapaa on tutkittu liian vähän, materiaalien kehitystyön perustaminen tutkimukseen tai sitten kontekstuaalisten materiaalien käytön vaikutuksia tutkivaan tutkimukseen.
Kokeellisuus ja kontekstuaalisuus
Kontekstuaalisen lähestymistavan Bennett (ja kumppanit, 2003) määrittelevät seuraavasti:
“Context-based approaches are approaches adopted in science teaching in which contexts and applications of science are used as the starting point for the development of scientific ideas. This contrasts with more traditional approaches, which cover scientific ideas first, and conclude with a brief mention of applications.”
Kontekstuaalisen lähestymistavan on todettu lisäävän oppilaiden kiinnostusta luonnontieteen opiskeluun. Se selkeyttää tieteen ja jokapäiväisen elämän yhteyttä. Kuitenkin tutkimuksissa ei aina ole todettu eroja perinteisen ja kontekstuaalisen lähestymistavaneroavan oppimistuloksissa. Mielenkiintoisia tuloksia – tai ainakin tutkimuksellisia lähtökohtia – antaisi laajempi paneutuminen ns. Saltersin lähestymistapaan (The Salters Approach).
“Context-based approaches are approaches adopted in science teaching in which contexts and applications of science are used as the starting point for the development of scientific ideas. This contrasts with more traditional approaches, which cover scientific ideas first, and conclude with a brief mention of applications.”
Kontekstuaalisen lähestymistavan on todettu lisäävän oppilaiden kiinnostusta luonnontieteen opiskeluun. Se selkeyttää tieteen ja jokapäiväisen elämän yhteyttä. Kuitenkin tutkimuksissa ei aina ole todettu eroja perinteisen ja kontekstuaalisen lähestymistavaneroavan oppimistuloksissa. Mielenkiintoisia tuloksia – tai ainakin tutkimuksellisia lähtökohtia – antaisi laajempi paneutuminen ns. Saltersin lähestymistapaan (The Salters Approach).
Lisää tutkimuksia kokeellisuuden merkityksestä
On the role of the laboratory
- Elliott, M.; Stewart, K.; Lagowski, J. The role of the laboratory in chemistry instruction. J. Chem. Educ. 2008, 85, 145.
- Holmes, N.; Olsen, J.; Thomas, J. L.; Wieman, C. E. Value added or misattributed? A multi-institution study on the educational benefit of labs for reinforcing physics content. Physical Review Physics Education Research 2017, 13, 010129.
- Kirschner, P.; Meester, M. The laboratory in higher science education: Problems, premises and objectives. Higher education 1988, 17, 81-98.
- Reid, N.; Shah, I. The role of laboratory work in university chemistry. Chem. Educ. Res. Pract. 2007, 8, 172-185.
On assessments:
- Dicks, A. P.; Lautens, M.; Koroluk, K. J.; Skonieczny, S. Undergraduate Oral Examinations in a University Organic Chemistry Curriculum. J. Chem. Educ. 2012, 89, 1506-1510.
On perceptions of laboratories:
- Bretz, S. L.; Fay, M.; Bruck, L. B.; Towns, M. H. What Faculty Interviews Reveal about Meaningful Learning in the Undergraduate Chemistry Laboratory. J. Chem. Educ. 2013, 90, 281-288.
- Bruck, A. D.; Towns, M. Development, implementation, and analysis of a national survey of faculty goals for undergraduate chemistry laboratory. J. Chem. Educ. 2013, 90, 685-693.
- Bruck, L. B.; Towns, M.; Bretz, S. L. Faculty perspectives of undergraduate chemistry laboratory: Goals and obstacles to success. J. Chem. Educ. 2010, 87, 1416-1424.
- DeKorver, B. K.; Towns, M. H. Upper level undergraduate chemistry students' goals for their laboratory coursework. Journal of Research in Science Teaching 2016, 53, 1198-1215.
- DeKorver, B. K.; Towns, M. H. General Chemistry Students' Goals for Chemistry Laboratory Coursework. J. Chem. Educ. 2015, 92, 2031-2037.
- Galloway, K. R.; Lowery Bretz, S. Video episodes and action cameras in the undergraduate chemistry laboratory: eliciting student perceptions of meaningful learning. Chemistry Education Research and Practice 2016, 17, 139.
- Herrington, D.; Nakhleh, M. What defines effective chemistry laboratory instruction? Teaching assistant and student perspectives. J. Chem. Educ. 2003, 80, 1197-1205.
On measuring what goes on in a laboratory:
- Buck, L. B.; Bretz, S. L.; Towns, M. H. Characterizing the level of inquiry in the undergraduate laboratory. Journal of College Science Teaching 2008, 38, 52-58.
- Domin, D. A review of laboratory instruction styles. J. Chem. Educ. 1999, 76, 543-547.
- Fay, M. E.; Grove, N. P.; Towns, M. H.; Bretz, S. L. A rubric to characterize inquiry in the undergraduate chemistry laboratory. Chem. Educ. Res. Pract. 2007, 8, 212-219.
- Galloway, K. R.; Bretz, S. L. Development of an Assessment Tool To Measure Students' Meaningful Learning in the Undergraduate Chemistry Laboratory. J. Chem. Educ. 2015, 92, 1149-1158.
- Holmes, N.; Wieman, C. E. Examining and contrasting the cognitive activities engaged in undergraduate research experiences and lab courses. Physical Review Physics Education Research 2016, 12, 020103
- Wieman, C. Comparative Cognitive Task Analyses of Experimental Science and Instructional Laboratory Courses. Phys. Teach. 2015, 53, 349-351.
Other
- Southam, D. C.; Shand, B.; Buntine, M. A.; Kable, S. H.; Read, J. R.; Morris, J. C. The timing of an experiment in the laboratory program is crucial for the student laboratory experience: acylation of ferrocene as a case study. Chem. Educ. Res. Pract. 2013, 14, 476-484.
- Uttl, B.; White, C. A.; Wong Gonzalez, D. Meta-analysis of faculty's teaching effectiveness: Student evaluation of teaching ratings and student learning are not related - ScienceDirect Studies in Educational Evaluation 2017, 54, 22.