Identifying Misconceptions and Conceptual Change of Undergraduate Biology Students During Their First Academic Year
| Title: | Identifying Misconceptions and Conceptual Change of Undergraduate Biology Students During Their First Academic Year |
| Author(s): | Kiviluoma, Tomi |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences |
| Degree program: | Master's Programme in Neuroscience |
| Specialisation: | Teacher in Biology |
| Language: | English |
| Acceptance year: | 2021 |
| Abstract: |
Education research has for decades acknowledged that prior knowledge is a strong predictor of academic success. This idea is largely based on constructivist theory of learning which postulates that all learning occurs by actively building on existing knowledge. When this prior knowledge conflicts with the normative scientific understanding, students are dealing with incompatible knowledge structures, or misconceptions. Misconceptions need to be revised and sometimes even replaced through a learning process called conceptual change. Research shows that the level of prior knowledge can determine students’ academic success and performance. Undergraduate biology students enrol to university with diverse levels of prior knowledge and concepts regarding topics such as photosynthesis, cellular respiration, primary production in ecosystems, and Darwinian evolution. These topics present challenges for learning because of their complexity. At the same time, a robust understanding of them is essential. These topics are at the heart of mitigating and resolving the climate crisis and other global natural threats.
This study explored the level of prior knowledge and the nature of misconceptions held by undergraduate biology students at the beginning of their academic degree in fall of 2019, and further sought to describe how their conceptual understanding developed during the first academic year. Students (N = 41) completed a questionnaire consisting of eight open-ended questions that were designed to assess declarative knowledge of facts and meaning, and procedural integration and application of knowledge. This pre-test measurement was conducted in September 2019. In the post-test measurement, the same questionnaire was repeated a year later. The data were analysed with a mixed methods approach where the answers were quantitatively scored as well as qualitatively analysed for misconceptions. The qualitative content analysis of the answers relied both on existing literature and on the content of the answers themselves.
Results showed that the students’ prior knowledge was relatively poor in the beginning of their studies. Most students performed well in tasks measuring knowledge of facts and meaning but struggled in tasks measuring integration and application of knowledge. During the first academic year, the students’ understanding generally improved as demonstrated by the improvement in mean scores of the tasks. Misconceptions were robust and pervasive. The most pervasive misconceptions reflected difficulties in understanding emergent properties and processes. Misconceptions related to the process of Darwinian evolution became more prominent in the post-test. Persistent misconceptions became integrated with the new conceptual frameworks that the students acquired during the first academic year. If students held no misconceptions in the post-test, they performed significantly better in both tests than those with misconceptions.
During this first academic year learning seemed to be mainly additive as conceptual change turned out to be rare. The need for more encompassing biology teaching at least in the University of Helsinki became evident. Introductory courses should acknowledge the large degree of variation in students’ prior knowledge and assess the most common and serious misconceptions even over course theme disciplines to ensure more equal learning outcomes.
Moderni oppimistutkimus koki mullistuksen 1950-luvulta lähtien, kun konstruktivistinen oppimisteoria muotoutui. Teorian taustalla vaikuttaa ajatus oppimisesta aktiivisena prosessina, jossa oppija sisällyttää uusia käsitteitä ja ilmiöitä olemassa olevien tietorakenteidensa päälle. Jos tämä aiempi tieto on ristiriidassa tieteellisen ymmärryksen kanssa, opiskelijat kohtaavat yhteensopimattomia tietorakenteita. Ristiriidassa olevia ennakkokäsityksiä kutsutaan usein virhekäsityksiksi. Virhekäsityksiä on eri laatuisia riippuen ristiriidan syvyydestä ja ymmärryksen tasosta. Onnistuneessa oppimisessa virhekäsitys saadaan korjattua. Tätä oppimistapahtumaa kuvaa käsitteellinen muutos. Tutkimusten mukaan ennakkotiedon taso voi ennustaa opiskelijan opiskelumenestystä. Opiskelijoiden omaamat tietorakenteet voivat joko edistää tai vaikeuttaa oppimista. Yliopisto-opiskelijoiden tietämyksen ja ymmärryksen tasossa esiintyy suuria vaihteluita. Esimerkiksi biologian perustutkinto-opiskelijat saapuvat yliopistoon omaten hyvinkin eritasoista ennakkotietoa keskeisistä aiheista, kuten fotosynteesistä, soluhengityksestä, ekosysteemien alkutuotannosta ja evoluutioteoriasta. Nämä aiheet aiheuttavat haasteita oppimiselle niiden monimutkaisuuden vuoksi. Samalla niiden ymmärtäminen on olennaista, sillä juuri ne ovat keskiössä ilmastokriisin ja muiden maailmanlaajuisten luonnonuhkien hillitsemisessä ja ratkaisemisessa.
Tässä tutkimuksessa selvitettiin Helsingin yliopiston biologian perustutkinto-opiskelijoiden ennakkotietämyksen tasoa sekä virhekäsitysten luonnetta kandidaatin tutkinnon alussa syksyllä 2019 ja pyrittiin edelleen kuvaamaan käsitteellistä muutosta ensimmäisen lukuvuoden aikana. Opiskelijat (N = 41) suorittivat kyselyn, joka koostui kahdeksasta avoimesta kysymyksestä, joiden tarkoituksena oli arvioida tosiasioiden ja merkityksen tietämystä sekä syvempää tiedon yhdistämistä ja soveltamista. Esimittaus suoritettiin syyskuussa 2019. Jälkimittauksessa sama kysely toistettiin vuotta myöhemmin. Aineistoa analysoitiin menetelmällä, jossa vastaukset sekä pisteytettiin määrällisesti että analysoitiin laadullisesti virhekäsitysten tunnistamiseksi. Vastausten teorialähtöinen sisällönanalyysi nojasi sekä olemassa olevaan kirjallisuuteen että itse vastausten sisältöön.
Tulokset osoittivat, että opiskelijoiden ennakkotieto oli suhteellisen heikkoa yliopisto-opintojen alussa. Useimmat opiskelijat suoriutuivat hyvin tosiasioiden ja merkityksen osaamista mittaavissa tehtävissä, mutta kamppailivat tiedon yhdistämistä ja soveltamista mittaavissa tehtävissä. Ensimmäisen lukuvuoden aikana opiskelijoiden tiedon taso ja ymmärrys paranivat, kuten tehtävien pisteiden keskiarvon paraneminen osoitti. Virhekäsitykset olivat kestäviä. Yleisimmät virhekäsitykset heijastivat vaikeuksia ymmärtää monimutkaisia prosesseja. Evoluutioon ja sen mekanismeihin liittyvät virhekäsitykset jopa lisääntyivät jälkimittauksessa. Jos opiskelijoilla ei ollut jälkitestissä virhekäsityksiä, he suoriutuivat molemmissa mittauksissa huomattavasti paremmin kuin virhekäsityksiä omaavat opiskelijat.
Ensimmäisen lukuvuoden aikana opiskelijat oppivat uusia käsitteitä ja yksityiskohtia, mutta käsitteellinen muutos osoittautui harvinaiseksi. Tarve kattavampaan biologian opetukseen ainakin Helsingin yliopistossa tuli ilmi. Johdantokursseilla olisi tunnistettava opiskelijoiden ennakkotiedon suuri vaihtelu sekä arvioitava yleisimpiä ja vakavia virhekäsityksiä myös kurssiaiheiden rajojen yli tasa-arvoisempien oppimistulosten varmistamiseksi.
|
| Keyword(s): | prior knowledge conceptual change science education photosynthesis respiration evolution ennakkokäsitykset käsitteellinen muutos oppimistutkimus konstruktivismi fotosynteesi evoluutio ennakkokäsitykset käsitteellinen muutos oppimistutkimus konstruktivismi fotosynteesi evoluutio prior knowledge conceptual change science education photosynthesis respiration evolution |
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| Kiviluoma_Tomi_tutkielma_2021.pdf | 535.1Kb |