Visualizing the abyss of time : Students’ interpretation of visualized deep evolutionary time

The immense time scales involved in Deep evolutionary time (DET) is a threshold concept in biology and interpreting temporal aspects of DET is demanding. DET is communicated through various visualizations that include static two-dimensional representations, low interactivity animations, as well as high interactivity interfaces. Given the importance of DET as fundamental scientific knowledge of potential societal application, there is a need for educational research on students’ interpretation of visually communicated DET. This thesis explores students’ interpretation of different forms of visualized DET along a continuum of interactivity. The research aim is four-fold, and probes how students interpret DET visualizations in terms of temporal aspects, communicated evolutionary concepts, degree of visualization interactivity, and generated affective responses. The work comprises four studies, which as a collective, adopt exploratory and multi-method designs. A total of 505 students participated. Data were collected from questionnaires, task-based questions, and semi-structured interviews. Data analysis was qualitative and quantitative, and incorporated deductive and inductive approaches. In analysing students' interpretation of static two-dimensional DET visualizations, an instrument for measuring knowledge about the visual representation of deep evolutionary time (DET-Vis) was developed. Emergence of a unidimensional construct during validation represents knowledge about the visual communication of DET. Inspection of item performance suggests that interpreting visualized DET requires both procedural and declarative knowledge. Analysis of students’ interpretation of a low interactivity DET animation, communicating hominin evolution revealed five temporal aspects influencing interpretation: events at specific times, relative order, concurrent events, time intervals, and time interval durations. A further shift across the continuum involved analysing students’ interpretation of a high-interactivity DET visualization of a three-dimensional phylogenetic tree. Finger-based zooming was associated with movement within the tree itself, or as movement in time, respectively, and related to identified misinterpretations. Further analysis showed that interpreting DeepTree evoked the epistemic affective responses of awe, curiosity, surprise, and confusion. Affective responses were expressed in relation to five evolutionary conceptual themes, namely biological relationships, evolutionary time, biological diversity, common descent, and biological structure or terminology. The thesis findings have implications for teaching, visualization design and future research. Exposing students to various DET visualizations across the continuum could support DET teaching. Visual communication of temporal aspects should be carefully considered in DET visualization design. Future work on relationships between affect, highly interactive visualizations, and evolution concepts will provide further insight for leveraging learning and teaching of DET.De väldiga tidsskalor som omfattas av djup evolutionär tid (DET) betraktas som ett tröskelbegrepp inom biologi, och undervisning om DET har visat sig vara utmanande. DET kommuniceras vanligen genom olika typer av visualiseringar, från statiska två-dimensionella representationer, via animationer med viss interaktionsmöjlighet, till användargränssnitt med hög interaktivitet. Givet den stora betydelsen av DET, inte bara inom biologi, är forskning om visuell kommunikation av DET viktig. Den här avhandling undersöker hur studenter tolkar olika typer av visualiserad DET längs ett kontinuum från icke-interaktiva statiska bilder till visualiseringar som erbjuder hög grad av interaktivitet. I avhandlingen undersöks hur studenter och elever tolkar visualiseringar av DET med avseende på olika tidsmässiga aspekter, kommunicerade evolutionära begrepp, grad av interaktivitet hos visualiseringen och i vad mån visualiseringen ger upphov till känslomässiga reaktioner. Avhandlingen består av fyra delstudier som tillsammans baseras på ett flertal olika metoder. Totalt deltog 505 elever, och studenter. Data insamlades i enkätform, uppgiftsbaserade frågor och semi-strukturerade intervjuer. Dataanalyserna var både av kvalitativ och kvantitativ karaktär. Vid analysen av studenters tolkningar av statiska två-dimensionella visualiseringar av DET utvecklades ett instrument för att mäta kunskap om visuellt kommunicerad DET. Resultatet av valideringen indikerade en underliggande en-dimensionell dimension som representerar kunskap om visuellt kommunicerad DET. På skalan av ökande interaktivitet analyserades en visualisering med begränsade möjligheter till interaktion, i form av en animation rörande homininers evolution. I studien undersöktes hur fem olika aspekter av tid tolkades beroende på hur tidsförloppet gestaltades: specifika tidpunkter, ordning, samtidighet, varaktigheten samt jämförelse av tidsintervall. Ytterligare ett steg längre på skalan av interaktivitet analyserades elevers tolkningar av en visualisering av DET i form av ett interaktivt tredimensionellt släktträd. Interaktivitet i form av zoomning i trädet via hand och fingerrörelser uppfattades på två sätt, dels som en rörelse i trädet, dels som en rörelse i tiden. I studien framkom också felaktiga tolkningar. Analysen visade dessutom att det trädet gav upphov till så kallade epistemiska känslomässiga reaktioner, framförallt förundran, förvåning, överraskning och förvirring. Dessa reaktioner uttrycktes i relation till fem evolutionära begrepp; biologiskt släktskap, evolutionär tid, biologisk mångfald, gemensamt ursprung samt biologisk struktur och terminologi. Resultaten av avhandling har implikationer för undervisning, design av visualiseringar och framtida forskning. Genom att i undervisning erbjuda elever och studenter visualisering med varierande interaktionsmöjligheter kan kommunikation om DET stärkas. Vid utnyttjande av visualiseringar bör den visuella kommunikationen av olika tidsaspekter av DET övervägas noggrant. Framtida forskning om sambanden mellan känslomässiga reaktioner, visualiseringar med höga interaktionsmöjligheter och evolutionära begrepp kan bidra till ytterligare insikter för att stärka undervisning om DET