Nature of science for chemistry education : Design of chemistry teacher education course

Nature of science (NOS) describes what science is, how it works, how scientists operate, and the interaction between science and society. As a crucial element of scientific literacy, knowledge about NOS is widely recognized as one of the key aims of chemistry education. To enhance students understanding of NOS, teachers need adequate understanding of NOS as well as sufficient pedagogical content knowledge related to NOS for translating their understanding of NOS into classroom practice. This thesis reports an educational design research project on the design and development of a pre-service chemistry teacher education course on NOS instruction. Educational design research is the systematic study of the design and development of educational interventions for addressing complex educational problems. It advances the knowledge about the characteristics of designed interventions and the processes of design and development. The thesis consists of four interconnected studies and documents two iterative design research cycles of problem analysis, design, implementation, and evaluation. The first two studies describe how NOS is presented in the national frame curricula and upper secondary school chemistry textbooks. These studies provide a quantitative method for analysis of representations of NOS in chemistry textbooks and curricula, as well as describe the components of domain-specific NOS for chemistry education. The other two studies document the design, development, and evaluation of the goals and instructional practices used on the course. Four design solutions were produced: (i) description of central dimensions of domain-specific NOS for chemistry education, (ii) research group visits to prevent the diluting of relevance to science content and research, (iii) a teaching cycle for explicit and structured opportunities for reflection and discussion, and (iv) collaborative design assignments for translating NOS understanding into classroom practice. The evaluations of the practicality and effectiveness of the design solutions are based on the reflective essays and interviews of the pre-service teachers, which were collected during the course, as well as on the four in-depth interviews of selected participants, collected a year after they had graduated as qualified teachers. The results suggest that one critical factor influencing pre-service chemistry teachers commitment to teach NOS was the possibility to implement NOS instruction during the course. Thus, the use of collaborative peer teaching and integrating student teaching on NOS instruction courses is suggested as a strategy to support the development of the attitudes, beliefs, and skills necessary for teaching NOS. And even though the outside forces of school culture (e.g. school community, curriculum, textbooks) tend to constrain rather than support novice teachers efforts to implement new practices, the results also demonstrate that a pre-service teacher education course can be successful in producing innovators or early adopters of NOS instruction. Thus it might be one of the first steps in the challenging task of injecting NOS instruction into the chemistry curriculum for enhancing students understanding of NOS and strengthening their scientific literacy.Pelkkä tieteen sisältöjen eli tieteellisen tutkimuksen tuottamien mallien ja teorioiden viestiminen ei anna totuudenmukaista kuvaa kemiasta tai mistään muustakaan tieteestä. Oleellinen osa tieteellistä yleissivistystä on myös ymmärtää, millaista tietoa tieteellinen tieto on ja miten sitä tuotetaan. Näihin kysymyksiin vastauksia tuottavat tieteentutkimuksen eri alat kuten tieteenfilosofia, -historia ja -sosiologia. Tieteentutkimuksen merkitystä kouluopetukselle on pohdittu jo vuosikymmeniä. Opetuksen tutkimuksessa aihealuetta on viimeisten vuosikymmenten ajan kuvattu käsitteellä luonnontieteen luonne (engl. nature of science). Luonnontieteen luonteen ymmärryksen kehittämistä pidetään kautta maailman yhtenä tiedeopetuksen keskeisimpänä tavoitteena. Luonnontieteen luonteen opettamista käsitellään tutkimuskirjallisuudessa yleensä yhtenäisen tiedeopetuksen näkökulmasta. Jokaisella tieteenalalla on kuitenkin omat erityispiirteensä, jotka tulisi huomioida myös luonnontieteen luonteen opetuksessa. Yleisen luonnontieteen luonteen ymmärryksen lisäksi voidaankin puhua tieteenalakohtaisesta luonnontieteen luonteen ymmärryksestä. Tällaisen kemian luonteen määrittelyn kannalta keskeinen tieteentutkimuksen ala on kemian filosofia, joka pyrkii määrittelemään ja kuvaamaan kemialle ominaisia käsitteitä, malleja ja selityksiä sekä pohtimaan kemian tutkimukseen liittyviä metodologisia, eettisiä ja esteettisiä kysymyksiä. Koska kemian filosofiaa on omana tutkimusalanaan tutkittu vasta parikymmentä vuotta, sen huomioimista opetuksessa on aiemmin tutkittu varsin vähän. Tämä väitöskirjatutkimus raportoi kehittämistutkimuksen, jonka aikana suunniteltiin, toteutettiin ja kehitettiin kemian luonnetta käsitellyt opettajankoulutuskurssi Kemia tieteenä. Väitöskirja koostuu neljästä osatutkimuksesta. Kaksi ensimmäistä osatutkimusta arvioivat kemian luonteen opetuksen nykytilaa analysoimalla ja vertailemalla pohjoismaisia lukiotason valtakunnallisia opetussuunnitelmia ja oppikirjoja. Opetussuunnitelmien ja oppikirjojen analyysi perustui opetuksen tutkimuksen kuvauksiin luonnontieteen luonteen keskeisistä piirteistä sekä kemian filosofian tutkimuksen kuvauksiin kemian erityispiirteistä. Tulosten mukaan opetussuunnitelmat ja oppikirjat käsittelevät kemian luonteen aihealuetta vähän ja yksipuolisesti. Esimerkiksi tiedeyhteisön merkitys uuden kemiallisen tiedon tuottamisessa mainittiin suomalaisissa oppikirjasarjoissa vain ohimennen. Väitöskirjan toiset kaksi osatutkimusta kuvaavat Kemia tieteenä -kurssin tavoitteiden ja opetuksellisten ratkaisuiden suunnittelua, kehittämistä, toteuttamista ja arviointia. Tutkimusprojektissa tuotettiin neljä kehittämistuotosta: (i) kuvaus luonnontieteen luonteen keskeisistä piirteistä kemian opetuksen näkökulmasta, (ii) tutkimusryhmävierailut tapana yhdistää teoreettinen tieto kemian luonteesta autenttisiin esimerkkeihin kemian tutkimuksesta, (iii) kemian luonteen ymmärrystä kehittävä reflektiivinen ja yhteistoiminnallinen opetussykli sekä (iv) tapa toteuttaa suunnittelutehtäviä, jotka edistävät aihealueen huomioimista kouluopetuksessa. Opetuksellisten ratkaisuiden tehokkuuden ja käytännöllisyyden arviointiin käytettiin sekä kurssin opiskelijoiden kirjallisia vastauksia oppimistehtäviin, kurssin lopussa toteutettuja ryhmähaastatteluita että neljää vuosi opiskelijoiden valmistumisen jälkeen toteutettua teemahaastattelua. Tulosten mukaan erityisesti mahdollisuus toteuttaa kemian luonteen huomioivaa opetusta jo kurssin aikana tuki opettajien sitoutumista huomioida aihealue opetuksessaan myös valmistumisen jälkeen. Opettajien sitoutumista aihealueen opettamiseen voitaisiin kehittää edelleen esimerkiksi vertaisopetuksella tai kurssin aikana toteutetulla opetusharjoittelulla. Vaikka sekä aikaisemman että tämän tutkimuksen valossa uusien opetuksellisten lähestymistapojen omaksumisen edistäminen opettajankoulutuksessa on haastavaa, osa Kemia tieteenä -kurssin opiskelijoista innostui aiheesta ja ryhtyi opettamaan aihealueen sisältöjä. Heitä voidaan kuvata kemian luonteen opettamisen varhaisina omaksujina, jotka opettavat aihealuetta oppikirjojen sisältöjä laajemmin sekä mahdollisesti houkuttelevat muitakin kiinnostumaan aihealueesta. Aihealueen opetuksen valtakunnallisen kehittämisen kannalta on kuitenkin keskeistä, että kemian luonteen ymmärtämiseen liittyvät tavoitteet huomioidaan tulevaisuudessa paremmin sekä opetussuunnitelman perusteissa, oppikirjoissa että ylioppilaskirjoitusten tehtävissä. Tutkimuksen tuloksena syntynyttä kuvausta kemian luonteen keskeisistä piirteistä voidaan käyttää esimerkiksi määriteltäessä aihealueen tavoitteita opetussuunnitelman perusteisiin