Understanding biological concepts at university – Investigating learning in medical and teacher education

Abstract

The aim of this dissertation was to contribute to domain-specific science learning at the university based on the research traditions of conceptual change and science learning and teaching. Previous research has shown that students have prior conceptions about scientific phenomena that often conflict with the scientific explanation and that may thus hinder or even prevent the learning of complex concepts and processes in the educational/school context. However, previous research has mainly focused on studying the conceptions of younger students. This thesis focused on the university level, and the aim was to explore teacher education students’ conceptions of photosynthesis and medical students’ conceptions of the central cardiovascular system. Teacher and medical education students were chosen for examination because in both study programs, learning certain biological phenomena is essential. Additionally, text-based learning plays a significant role in both study programs. In this study, the development of students’ conceptions related to photosynthesis and the central cardiovascular system were studied. In addition, the roles of different texts in learning and medical diagnosing processes were investigated. The approach was both longitudinal and cross-sectional, extending the view from the group level to the single case level, including the recording of eye movements. The results showed that university students have several alarming misconceptions relating to particular scientific topics. Moreover, among medical students, the level of biomedical understanding seemed to be related to the level of clinical reasoning. However, a high-level text that specifically pointed out typical misconceptions, known as a refutational text, seemed to support learning more effectively than did a traditional text. In addition, the eye movements of medical students and internal medicine residents while reading a patient case revealed that a so-called illness script pattern seemed to be distinguishable, which highlights the importance of teaching diagnosis processes by modelling the processes of experts. To conclude, the need to develop science teaching and learning, which suggests both educational and domain-specific understanding, is evident at the university level. New teaching and learning practices, together with innovative materials, are proposed based on the results of this dissertation.

Biologian käsitteiden oppimisen haasteet yliopistossa luokanopettajan ja lääkärin ammattiin valmistavissa koulutusohjelmissa

Väitöstutkimus kohdistuu vaativien biologian sisältöjen ymmärtämiseen yliopistotasolla. Näkökulmana ovat erityisesti käsitteellisen muutoksen sekä tiedeoppimisen ja opetuksen tutkimustraditiot. Aikaisemmat tutkimukset ovat kiistatta osoittaneet, että oppilailla on runsaasti aikaisempiin kokemuksiinsa perustuvia ennakkokäsityksiä opiskeltavista luonnontieteiden sisällöistä, ja usein nämä käsitykset ovat ristiriidassa tieteellisen selityksen kanssa saattaen hankaloittaa tai jopa estää tieteellisen mallin oppimista. Aikaisempi tutkimus on kuitenkin voimakkaasti keskittynyt peruskouluikäisten oppilaiden käsitysten tutkimiseen. Tässä tutkimuksessa selvitettiin luokanopettajaopiskelijoiden käsityksiä fotosynteesin ja lääketieteen opiskelijoiden käsityksiä verenkiertoelimistön sisältöalueista. Kyseiset koulutusohjelmat valittiin tukittaviksi, sillä molemmissa tiettyjen biologian sisältöjen ymmärtäminen sekä erilaisten tekstien hyödyntäminen ovat olennaisia taitoja. Tutkimuksessa selvitettiin ensinnäkin tutkittavien käsityksiä ja käsitysten muuttumista kyseisiin sisältöihin liittyen. Lisäksi tarkasteltiin erilaisten tekstien roolia oppimisen tukena ja potilasdiagnosointien tekemisessä. Tutkimuksessa hyödynnettiin kolmivuotista pitkittäistutkimusta sekä poikkileikkausasetelmia syventäen näkökulmaa ryhmätasolta aina yksittäisen oppijan prosessoinnin tarkasteluun silmänliikkeiden avulla. Tutkimuksen tulokset osoittivat, että yliopisto-opiskelijoilla on huolestuttavan runsaasti virhekäsityksiä kyseisistä biologian keskeisistä sisältöalueista. Lääketieteen kontekstissa biomedikaalinen ymmärrys oli yhteydessä kliinisen päättelyn tasoon. Tulokset kuitenkin myös osoittivat, että korkeatasoinen niin kutsuttu törmäyttävä teksti, joka tukee virhekäsitysten muokkaamista kohti tieteellistä ymmärrystä, voi edistää oppimista tehokkaammin kuin perinteinen, selittävä teksti. Tulokset edelleen paljastivat, että sekä lääketieteen erikoistuvien lääkäreiden että parhaiten menestyvien lääketieteen opiskelijoiden lukuprosesseissa aikaisempien potilastapausten aktivointi oli erotettavissa silmänliikkeissä. Tämä mahdollistaa asiantuntijoiden silmänliikkeiden käytön diagnosointiprosessin mallittamisessa. Näin ollen tämän väitöstutkimuksen osatutkimusten tulosten pohjalta nousee tarve kehittää biologian oppimista ja opetusta yliopistotasolla, mikä edellyttää sekä kasvatustieteen että ainespesifien sisältöjen tutkimusperusteista ymmärtämistä. Tulosten avulla ehdotetaankin uusia opetuksen ja oppimisen käytäntöjä sekä ideoita uusien innovatiivisten oppimateriaalien kehittämiseksi.