Kehittämistutkimus: Tieto- ja viestintätekniikkaa kemian opetukseen

The main aim of the present study was to develop information and communication technology (ICT) based chemistry education. The goals for the study were to support meaningful chemistry learning, research-based teaching and diffusion of ICT innovations. These goals were used as guidelines that form the theoretical framework for this study. This Doctoral Dissertation is based on eight-stage research project that included three design researches. These three design researches were scrutinized as separate case studies in which the different cases were formed according to different design teams: i) one researcher was in charge of the design and teachers were involved in the research process, ii) a research group was in charge of the design and students were involved in the research process, and iii) the design was done by student teams, the research was done collaboratively, and the design process was coordinated by a researcher. The research projects were conducted using mixed method approach, which enabled a comprehensive view on education design. In addition, the three central areas of design research: problem analysis, design solution and design process were included in the research, which was guided by the main research questions formed according to these central areas: 1) design solution: what kind of elements are included in ICT-based learning environments that support meaningful chemistry learning and diffusion of innovation, 2) problem analysis: what kind of new possibilities the designed learning environments offer for the support of meaningful chemistry learning, and 3) design process: what kind of opportunities and challenges does collaboration bring to the design of ICT-based learning environments? The main research questions were answered according to the analysis of the survey and observation data, six designed learning environments and ten design narratives from the three case studies. Altogether 139 chemistry teachers and teacher students were involved in the design processes. The data was mainly analysed by methods of qualitative content analysis. The first main result from the study give new information on the meaningful chemistry learning and the elements of ICT-based learning environment that support the diffusion of innovation, which can help in the development of future ICT-education design. When the designed learning environment was examined in the context of chemistry education, it was evident that an ICT-based chemistry learning environment supporting the meaningful learning of chemistry motivates the students and makes the teacher s work easier. In addition, it should enable the simultaneous fulfilment of several pedagogical goals and activate higher-level cognitive processes. The learning environment supporting the diffusion of ICT innovation is suitable for Finnish school environment, based on open source code, and easy to use with quality chemistry content. According to the second main result, new information was acquired about the possibilities of ICT-based learning environments in supporting meaningful chemistry learning. This will help in setting the goals for future ICT education. After the analysis of design solutions and their evaluations, it can be said that ICT enables the recognition of all elements that define learning environments (i.e. didactic, physical, technological and social elements). The research particularly demonstrates the significance of ICT in supporting students motivation and higher-level cognitive processes as well as versatile visualization resources for chemistry that ICT makes possible. In addition, research-based teaching method supports well the diffusion of studied innovation on individual level. The third main result brought out new information on the significance of collaboration in design research, which guides the design of ICT education development. According to the analysis of design narratives, it can be said that collaboration is important in the execution of scientifically reliable design research. It enables comprehensive requirement analysis and multifaceted development, which improves the reliability and validity of the research. At the same time, it sets reliability challenges by complicating documenting and coordination, for example. In addition, a new method for design research was developed. Its aim is to support the execution of complicated collaborative design projects. To increase the reliability and validity of the research, a model theory was used. It enables time-pound documenting and visualization of design decisions that clarify the process. This improves the reliability of the research. The validity of the research is improved by requirement definition through models. This way learning environments that meet the design goals can be constructed. The designed method can be used in education development from comprehensive to higher level. It can be used to recognize the needs of different interest groups and individuals with regard to processes, technology and substance knowledge as well as interfaces and relations between them. The developed method has also commercial potential. It is used to design learning environments for national and international market.

Tutkimuksen päätavoitteena oli kehittää kemian opetusta tukevaa tieto- ja viestintätekniikkakoulutusta (TVT-koulutus). Keskeisiä tutkimusta ohjaavia tavoitteita olivat kemian mielekkään oppimisen, tutkimusperustaisen opetuksen ja TVT-opetusinnovaatioiden diffuusion tukeminen, jotka muodostivat tutkimuksen teoreettisen viitekehyksen. Väitöskirja rakentuu kahdeksanvaiheisesta tutkimusprojektista, joka koostuu kolmesta kehittämistutkimuksesta. Tutkimuksen kolmea kehittämistutkimusta tarkasteltiin erillisinä tapaustutkimuksina, joiden tapaukset muodostettiin erilaisten kehittäjäryhmien perusteella: i) yksi tutkija toimi vastuukehittäjänä, ja opettajat sisällytettiin tutkimusprosessiin, ii) tutkijaryhmä vastasi kehittämisestä, ja opiskelijat sisällytettiin tutkimusprosessiin ja iii) opiskelijaryhmät toimivat kehittäjinä, tutkimus toteutettiin yhteisöllisesti ja tutkija koordinoi kehittämisprosessin. Tutkimuksissa yhdistyvät laadulliset ja määrälliset tutkimusmetodit, joiden avulla koulutuksen kehittämistä pyrittiin tarkastelemaan kokonaisvaltaisesti. Tarkasteluun sisällytettiin kaikki kehittämistutkimuksen kolme ydinosa-aluetta: ongelma-analyysi, kehittämistuotos ja kehittämisprosessi. Tutkimusta ohjasivat ydinosa-alueiden mukaan muodostetut päätutkimuskysymykset: 1) kehittämistuotos: millaisia ominaisuuksia on mielekästä kemian oppimista ja innovaation diffuusiota tukevalla tieto- ja viestintätekniikkaan pohjautuvalla oppimisympäristöllä?, 2) ongelma-analyysi: millaisia uusia mahdollisuuksia kehitetyt oppimisympäristöt tuovat mielekkään kemianoppimisen tukemiselle? ja 3) kehittämisprosessi: millaisia mahdollisuuksia ja haasteita yhteisöllisyys asettaa tieto- ja viestintätekniikkaan pohjautuvien oppimisympäristöjen kehittämiselle? Päätutkimuskysymyksiin saatiin vastauksia analysoimalla kolmen tapaustutkimuksen kysely- ja havainnointiaineistot, kuusi kehitettyä oppimisympäristöä ja kymmenen oppimisympäristön kehittämiskuvaukset. Tutkimuksen kehittämisprosesseihin osallistui yhteensä 139 kemian aineenopettajaa ja opiskelijaa. Aineistot analysoitiin pääosin laadullisen sisällönanalyysin metodein. Tutkimuksen ensimmäisenä päätuloksena saatiin uutta tietoa mielekästä kemian oppimista ja innovaation diffuusiota tukevan TVT-oppimisympäristön ominaisuuksista, mikä tulevaisuudessa auttaa TVT-koulutusten kehittämiskohteiden suunnittelussa. Kun kehitettyjä oppimisympäristöjä tutkittiin kemian opetuksen kontekstissa, todettiin, että mielekästä kemian oppimista tukeva kemian TVT-oppimisympäristö on opettajan työtä helpottava ja oppilaita motivoiva turvallinen oppimisympäristö. Lisäksi sen tulisi mahdollistaa samanaikaisesti usean pedagogisen tavoitteen toteutuminen ja korkeamman tason kognitiivisten prosessien aktivoiminen. TVT-innovaation diffuusiota tukeva oppimisympäristö taas on suomalaiseen koulukulttuuriin soveltuva, avoimeen lähdekoodiin pohjautuva, kemian sisällöiltään laadukas ja teknisesti helppokäyttöinen oppimisympäristö. Toisena päätuloksena saatiin lisää tietoa TVT-pohjaisten oppimisympäristöjen mahdollisuuksista kemian mielekkään oppimisen tukemisessa. Tämä auttaa tulevaisuudessa järjestettävien TVT-koulutusten tavoitteiden määrittelyä. Kehittämistuotoksien ja niiden arviointien analysoimisen pohjalta todettiin, että TVT mahdollistaa kaikkien oppimisympäristöjä määrittelevien osatekijöiden (didaktiset, fyysiset, tekniset ja sosiaaliset) huomioon ottamisen. Tutkimuksessa korostuivat erityisesti TVT:n merkitys opiskelijoiden motivaation ja korkeamman tason kognitiivisten prosessien tukemisessa sekä TVT:n mahdollistamat monipuoliset kemian visualisointiresurssit. Lisäksi todettiin, että TVT:aa opetettaessa tutkimusperustainen opetustapa tukee hyvin koulutettavan innovaation diffuusiota yksilötasolla. Kolmantena päätuloksena tutkimus toi esille uutta tietoa yhteisöllisyyden merkityksestä kehittämistutkimuksessa, mikä tulevaisuudessa ohjaa TVT-koulutusten kehittämisprosessien suunnittelua. Kehittämiskuvausten analysoimisen pohjalta todettiin, että yhteisöllisyys on tieteellisesti luotettavan kehittämistutkimuksen toteuttamisessa tärkeää. Se mahdollistaa kokonaisvaltaisen tarveanalyysin ja monitahoisen kehittämisen, mikä parantaa tutkimuksen luotettavuutta ja pätevyyttä. Samalla se asettaa luotettavuushaasteita, joista esimerkki on dokumentoinnin ja koordinoinnin monimutkaistuminen. Lisäksi tutkimuksessa kehitettiin uudentyyppinen kehittämistutkimuksen toteuttamismenetelmä, jonka tarkoituksena on tukea monimutkaisten yhteisöllisten kehittämisprojektien suorittamista. Tutkimuksen luotettavuuden ja pätevyyden vahvistamiseksi siinä hyödynnetään malliteoriaa. Malliteoria mahdollistaa kehittämisen aikasidonnaisen dokumentoinnin ja kehittämispäätösten visualisoinnin, jolloin koko prosessi selkenee. Tämä parantaa tutkimuksen luotettavuutta. Tutkimuksen pätevyyttä vahvistetaan siten, että tarpeet selvitetään mallien avulla. Näin pystytään rakentamaan oppimisympäristöjä, jotka tarkasti vastaavat kehittämistavoitteita. Kehitetty menetelmä soveltuu opetuksen kehittämiseen perusopetuksesta korkeakouluihin. Sen avulla pystytään ottamaan huomioon erilaisten sidosryhmien, ihmisten, prosessien, teknologian ja substanssitiedon tarpeita ja niiden välisiä rajapintoja ja relaatioita. Kehitetyllä menetelmällä on myös kaupallisia mahdollisuuksia. Sitä hyödynnetään tutkimusperustaisten oppimisympäristöjen kehittämisessä kansallisilla ja kansainvälisillä markkinoilla.