Thinking Outside the Box: Enhancing Science Teaching by Combining (Instead of Contrasting) Laboratory and Simulation Activities

The focus of the present work was on 10- to 12-year-old elementary school students’ conceptual learning outcomes in science in two specific inquiry-learning environments, laboratory and simulation. The main aim was to examine if it would be more beneficial to combine than contrast simulation and laboratory activities in science teaching. It was argued that the status quo where laboratories and simulations are seen as alternative or competing methods in science teaching is hardly an optimal solution to promote students’ learning and understanding in various science domains. It was hypothesized that it would make more sense and be more productive to combine laboratories and simulations. Several explanations and examples were provided to back up the hypothesis. In order to test whether learning with the combination of laboratory and simulation activities can result in better conceptual understanding in science than learning with laboratory or simulation activities alone, two experiments were conducted in the domain of electricity. In these experiments students constructed and studied electrical circuits in three different learning environments: laboratory (real circuits), simulation (virtual circuits), and simulation-laboratory combination (real and virtual circuits were used simultaneously). In order to measure and compare how these environments affected students’ conceptual understanding of circuits, a subject knowledge assessment questionnaire was administered before and after the experimentation. The results of the experiments were presented in four empirical studies. Three of the studies focused on learning outcomes between the conditions and one on learning processes. Study I analyzed learning outcomes from experiment I. The aim of the study was to investigate if it would be more beneficial to combine simulation and laboratory activities than to use them separately in teaching the concepts of simple electricity. Matched-trios were created based on the pre-test results of 66 elementary school students and divided randomly into a laboratory (real circuits), simulation (virtual circuits) and simulation-laboratory combination (real and virtual circuits simultaneously) conditions. In each condition students had 90 minutes to construct and study various circuits. The results showed that studying electrical circuits in the simulation–laboratory combination environment improved students’ conceptual understanding more than studying circuits in simulation and laboratory environments alone. Although there were no statistical differences between simulation and laboratory environments, the learning effect was more pronounced in the simulation condition where the students made clear progress during the intervention, whereas in the laboratory condition students’ conceptual understanding remained at an elementary level after the intervention. Study II analyzed learning outcomes from experiment II. The aim of the study was to investigate if and how learning outcomes in simulation and simulation-laboratory combination environments are mediated by implicit (only procedural guidance) and explicit (more structure and guidance for the discovery process) instruction in the context of simple DC circuits. Matched-quartets were created based on the pre-test results of 50 elementary school students and divided randomly into a simulation implicit (SI), simulation explicit (SE), combination implicit (CI) and combination explicit (CE) conditions. The results showed that when the students were working with the simulation alone, they were able to gain significantly greater amount of subject knowledge when they received metacognitive support (explicit instruction; SE) for the discovery process than when they received only procedural guidance (implicit instruction: SI). However, this additional scaffolding was not enough to reach the level of the students in the combination environment (CI and CE). A surprising finding in Study II was that instructional support had a different effect in the combination environment than in the simulation environment. In the combination environment explicit instruction (CE) did not seem to elicit much additional gain for students’ understanding of electric circuits compared to implicit instruction (CI). Instead, explicit instruction slowed down the inquiry process substantially in the combination environment. Study III analyzed from video data learning processes of those 50 students that participated in experiment II (cf. Study II above). The focus was on three specific learning processes: cognitive conflicts, self-explanations, and analogical encodings. The aim of the study was to find out possible explanations for the success of the combination condition in Experiments I and II. The video data provided clear evidence about the benefits of studying with the real and virtual circuits simultaneously (the combination conditions). Mostly the representations complemented each other, that is, one representation helped students to interpret and understand the outcomes they received from the other representation. However, there were also instances in which analogical encoding took place, that is, situations in which the slightly discrepant results between the representations ‘forced’ students to focus on those features that could be generalised across the two representations. No statistical differences were found in the amount of experienced cognitive conflicts and self-explanations between simulation and combination conditions, though in self-explanations there was a nascent trend in favour of the combination. There was also a clear tendency suggesting that explicit guidance increased the amount of self-explanations. Overall, the amount of cognitive conflicts and self-explanations was very low. The aim of the Study IV was twofold: the main aim was to provide an aggregated overview of the learning outcomes of experiments I and II; the secondary aim was to explore the relationship between the learning environments and students’ prior domain knowledge (low and high) in the experiments. Aggregated results of experiments I & II showed that on average, 91% of the students in the combination environment scored above the average of the laboratory environment, and 76% of them scored also above the average of the simulation environment. Seventy percent of the students in the simulation environment scored above the average of the laboratory environment. The results further showed that overall students seemed to benefit from combining simulations and laboratories regardless of their level of prior knowledge, that is, students with either low or high prior knowledge who studied circuits in the combination environment outperformed their counterparts who studied in the laboratory or simulation environment alone. The effect seemed to be slightly bigger among the students with low prior knowledge. However, more detailed inspection of the results showed that there were considerable differences between the experiments regarding how students with low and high prior knowledge benefitted from the combination: in Experiment I, especially students with low prior knowledge benefitted from the combination as compared to those students that used only the simulation, whereas in Experiment II, only students with high prior knowledge seemed to benefit from the combination relative to the simulation group. Regarding the differences between simulation and laboratory groups, the benefits of using a simulation seemed to be slightly higher among students with high prior knowledge. The results of the four empirical studies support the hypothesis concerning the benefits of using simulation along with laboratory activities to promote students’ conceptual understanding of electricity. It can be concluded that when teaching students about electricity, the students can gain better understanding when they have an opportunity to use the simulation and the real circuits in parallel than if they have only the real circuits or only a computer simulation available, even when the use of the simulation is supported with the explicit instruction. The outcomes of the empirical studies can be considered as the first unambiguous evidence on the (additional) benefits of combining laboratory and simulation activities in science education as compared to learning with laboratories and simulations alone.

Poster presentation as a report of a self-designed laboratory experiment : a case study

Julkaisumaa: 203 CZ CZE Tšekki

Effect of fertilization on soil phosphorus in a long-term field experiment in southern Finland

Selostus: Maan fosforitilan muutos pitkäaikaisessa kenttäkokeessa hietamaalla

Infective Endocarditis in a Finnish Teaching Hospital. 25 Years of Experience of Adult Patients

Infektiivinen endokardiitti yliopistollisessa keskussairaalassa vuosina 1980-2004 hoidetuilla aikuispotilailla Tausta: Infektiivinen endokardiitti on edelleen vakava sairaus. Huolimatta siitä, että taudin diagnostiikka ja hoito ovat kehittyneet, siihen liittyy edelleen merkittävää sairastuvuutta ja kuolleisuutta. Endokardiitin taudinkuvassa on viime vuosina tapahtunut muutoksia monissa maissa. Tavoitteet: Tutkia endokardiitin kliinista kuvaa ja ennustetta suomalaisessa yliopistosairaalassa vuosina 1980-2004 endokardiitin vuoksi hoidetuilla aikuispotilailla. Aineisto: Osatyössä I endokardiitin todennäköisyyttä analysoitiin 222:lla vuosina 1980-1995 endokardiittiepäilyn vuoksi hoidetulla potilaalla käyttäen apuna sekä Duken että von Reyn diagnostisia kriteereitä. Osatyössä II tutkittiin endokardiittiin liittyviä neurologisia komplikaatioita 218 varmassa tai mahdollisessa endokardiittiepisodissa. Osatyössä III tutkittiin seerumin C-reaktiivisen proteiinin (CRP) käyttökelpoisuutta hoitovasteen arvioinnissa 134:ssä varmaksi luokitellussa endokardiittiepisodissa. Osatyössä IV tutkittiin yleisbakteeri-PCRmenetelmän käyttökelpoisuutta etiologisessa diagnostiikassa 56:lla endokardiittiepäilyn vuoksi leikatulla potilaalla. Osatöissä V ja VI analysoitiin kaikki vuosina 1980-2004 hoidetut 303 endokardiittipotilasta lyhytaikais- ja 1-vuotisennusteen suhteen sekä tutkittiin endokardiitin taudinkuvassa tapahtuneita muutoksia sairaalassamme. Tulokset: Duken kriteerit osoittautuivat von Reyn kriteereitä herkemmiksi endokardiitin diagnostiikassa: 243 tutkitusta episodista 114 luokiteltiin varmoiksi endokardiiteiksi Duken kriteereillä, kun vastaavasti ainoastaan 64 luoteltiin varmoiksi von Reyn kriteereillä (p<0.001). Lisäksi peräti 115 episodissa endokardiitin diagnoosi hylättiin von Reyn kriteereillä, kun diagnoosi hylättiin Duken kriteereillä ainoastaan 37 episodissa (p<0.001). Neurologinen komplikaatio ilmeni ennen mikrobilääkehoidon aloittamista 76 %:ssa episodeja ollen ensimmäinen oire 47 %:ssa. Kuolema oli merkitsevästi yhteydessä neurologisiin komplikaatioihin. Hoitovastetta seurattaessa seerumin CRP:n lasku oli merkitsevästi nopeampaa komplikaatioitta toipuvilla potilailla kuin niillä, joille kehittyi komplikaatioita tai jotka menehtyivät tautiinsa. PCR-tutkimus poistetusta läpästä antoi ainoana menetelmänä etiologisen diagnoosin neljässä tapauksessa (2 stafylokokkilajia, 1 Streptococcus bovis,1 Bartonella quintana), joissa kaikissa mikrobilääkehoito oli ollut käytössä ennen näytteiden ottamista. Koko aineistossa kahden läpän infektio tai neurologisten komplikaatioiden, perifeeristen embolioiden tai sydämen vajaatoiminnan kehittyminen ennustivat sekä sairaalakuolleisuutta että 1-vuotiskuolleisuutta, kun taas ≥65 vuoden ikä ja sydämen ultraäänitutkimuksessa todettu vegetaatio tai Duken luokittelun mukainen pääkriteeri ennustivat kuolemaa vuoden sisällä. Korkea CRP-taso sairaalaan tullessa ennusti sekä sairaalakuolleisuutta että 1-vuotiskuolleisuutta. Huumeiden käyttäjien endokardiitit lisääntyivät tutkimusaikana merkitsevästi (p<0.001). Päätelmät: Tässä työssä vahvistetaan Duken kriteerien käyttökelpoisuus endokardiitin diagnostiikassa. Lisäksi vahvistui käsitys, että nopea diagnoosi ja mikrobilääkehoidon aloittaminen ovat parhaat keinot ehkäistä neurologisia komplikaatioita ja parantaa endokardiittipotilaiden ennustetta. CRP:n normalisoituminen on endokardiittipotilailla hyvän ennusteen merkki. Suoraan läppäkudoksesta tehty PCR-tutkimus on hyödyllinen, kun taudin aiheuttaja on kasvuominaisuuksiltaan vaativa tai potilas on saanut mikrobilääkehoitoa ennen viljelynäytteiden ottamista. Muutamat aiemmissa tutkimuksissa todetut huonon ennusteen merkit ennustavat huonoa ennustetta myös tämän tutkimuksen potilailla. Uutena löydöksenä ilmeni, että korkea CRP-arvo sairaalaan tullessa merkitsee sekä huonoa lyhyt- että pitkäaikaisennustetta. Huumeiden käyttäjien endokardiittien ilmaantuminen on tärkein epidemiologinen muutos 25 vuoden tutkimusaikana.

Forest owners' acceptance of incentive based policy instruments in forest biodiversity conservation : a choice experiment based approach

Abstract

Product Development Management. Experiment for New Type of Project Management.

Tuotekehityksestä ja sen johtamisesta on tullut erittäin tärkeä osa tietoliikenneteollisuutta. Jatkuva teknologinen kehitys ja lyhentyneet tuotteiden elinkaaret ovat saaneet yritykset panostamaan tuotekehitysprosesseihin ja johtamiseen. Erityisesti nopeatempoiset ja lyhytkestoiset projektit onkin koettu ongelmallisiksi. Diplomityön tavoitteena oli tutkia teoriassa uusien tuotteiden tuotekehitystä, tuotekehitysprosesseja sekä projektijohtamista. Käytännön osuudessa oli tavoitteena kehittää kokeellinen tuotekehitysmalli nopeatempoisten ja lyhytkestoisten tuotekehitysprojektien tarpeisiin muuttuvissa ja epävarmoissa olosuhteissa. Tavoitteena oli myös käyttää ja analysoida kehitettyä kokeellista tuotekehitysmallia lyhytkestoisen tuotekehitysprojektin yhteydessä. Työn tuloksena saatiin ohjelmistotuote vaadituilla ominaisuuksilla vaaditussa ajassa ja todettiin projektissa käytetyn kokeellisen tuotekehitysmallin osoittautuneen toimivaksi. Jatkotutkimuksia tarvitaan selvittämään mallin sopivuutta ja sen kehityskohteita erilaisten tuotekehitysprojektien kohdalla.