umu.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Analysing Task Design and Students’ Responses to Context-Based Problems Through Different Analytical Frameworks
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Science and Mathematics Education. (UmSER)ORCID iD: 0000-0002-7688-651X
IPN Leibniz Institute for Science and Mathematics Education, University of Kiel, Germany.
IPN Leibniz Institute for Science and Mathematics Education, University of Kiel, Germany.
2015 (English)In: Research in Science & Technological Education, ISSN 0263-5143, E-ISSN 1470-1138, Vol. 33, no 2, 143-161 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Background: Context-based learning approaches are used to enhance students’ interest in, and knowledge about, science. According to different empirical stud- ies, students’ interest is improved by applying these more non-conventional approaches, while effects on learning outcomes are less coherent. Hence, further insights are needed into the structure of context-based problems in comparison to traditional problems, and into students’ problem-solving strategies. Therefore, a suitable framework is necessary, both for the analysis of tasks and strategies. Purpose: The aim of this paper is to explore traditional and context-based tasks as well as students’ responses to exemplary tasks to identify a suitable frame- work for future design and analyses of context-based problems. The paper dis- cusses different established frameworks and applies the Higher-Order Cognitive Skills/Lower-Order Cognitive Skills (HOCS/LOCS) taxonomy and the Model of Hierarchical Complexity in Chemistry (MHC-C) to analyse traditional tasks and students’ responses. Sample: Upper secondary students (n=236) at the Natural Science Programme, i.e. possible future scientists, are investigated to explore learning outcomes when they solve chemistry tasks, both more conventional as well as context-based chemistry problems. Design and methods: A typical chemistry examination test has been analysed, first the test items in themselves (n=36), and thereafter 236 students’ responses to one representative context-based problem. Content analysis using HOCS/ LOCS and MHC-C frameworks has been applied to analyse both quantitative and qualitative data, allowing us to describe different problem-solving strategies. Results: The empirical results show that both frameworks are suitable to identify students’ strategies, mainly focusing on recall of memorized facts when solving chemistry test items. Almost all test items were also assessing lower order think- ing. The combination of frameworks with the chemistry syllabus has been found successful to analyse both the test items as well as students’ responses in a sys- tematic way. The framework can therefore be applied in the design of new tasks, the analysis and assessment of students’ responses, and as a tool for teachers to scaffold students in their problem-solving process. Conclusions: This paper gives implications for practice and for future research to both develop new context-based problems in a structured way, as well as pro- viding analytical tools for investigating students’ higher order thinking in their responses to these tasks.

Place, publisher, year, edition, pages
2015. Vol. 33, no 2, 143-161 p.
Keyword [en]
context-based chemistry, problem solving, task design, analytical frameworks, upper secondary students
National Category
Didactics
Research subject
didactics of chemistry
Identifiers
URN: urn:nbn:se:umu:diva-79529DOI: 10.1080/02635143.2014.989495ISI: 000354532600002OAI: oai:DiVA.org:umu-79529DiVA: diva2:763714
Note

Published online: 06 Jan 2015

Available from: 2014-11-17 Created: 2013-08-21 Last updated: 2017-12-05Bibliographically approved
In thesis
1. Chemistry: content, context and choices: towards students' higher order problem solving in upper secondary school
Open this publication in new window or tab >>Chemistry: content, context and choices: towards students' higher order problem solving in upper secondary school
2015 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Alternative title[sv]
Kemi: kunskaper, kontext och val : en väg mot mer avancerad problemlösningsförmåga bland gymnasieelever
Abstract [en]

Chemistry is often claimed to be difficult, irrelevant, and uninteresting to school students. Even students who enjoy doing science often have problems seeing themselves as being scientists. This thesis explores and challenges the negative perception of chemistry by investigating upper secondary students’ views on the subject. Based on students’ ideas for improving chemistry education to make the subject more interesting and meaningful, new learning approaches rooted in context-based learning (CBL) are presented. CBL approaches are applied in several countries to enhance interest, de-emphasise rote learning, and improve students’ higher order thinking.

Students’ views on upper secondary school chemistry classes in combination with their problem- solving strategies and application of chemistry content knowledge when solving context-based chemistry tasks were investigated using a mixed methods approach. Questionnaire responses, written solutions to chemistry problems, classroom observations, and think-aloud interviews with upper secondary students at the Natural Science Programme and with experts working on context- based chemistry tasks were analysed to obtain a general overview and explore specific issues in detail.

Several students were identified who had positive feelings about chemistry, found it interesting, and chose to continue with it beyond the compulsory level, mainly with the aim of future university studies or simply because they enjoyed it. Their suggestions for improving school chemistry by connecting it to everyday life prompted an exploration of CBL approaches. Studies on the cognitive learning outcomes arising from the students’ work on context-based tasks revealed that school chemistry heavily emphasises the recall of memorised facts. However, there is evidence of higher order thinking when students’ problem-solving processes are scaffolded using hints based on the Model of Hierarchical Complexity in Chemistry (MHC-C). In addition, the contextualisation of problems is identified as something that supports learning rather than distracting students.

To conclude, the students in this thesis are interested in chemistry and enjoy chemistry education, and their motives for choosing to study chemistry at the post-compulsory level are related to their aspirations; students’ identity formation is important for their choices. Because students are accustomed to recalling facts and solving chemistry problems that have “one single correct answer”, they find more open problems that demand higher order thinking (e.g. knowledge transfer) unfamiliar and complex, suggesting that such processes should be practiced more often in school chemistry. 

Abstract [sk]

Kemi är ett skolämne som generellt anses vara både svårt, irrelevant och ointressant för ungdomar. Trots att det ändå finns ungdomar som uppskattar naturvetenskap i allmänhet och kemi i synnerhet, har de ofta problem att se sig själva som naturvetare eller kemister. Denna avhandling undersöker och ifrågasätter den negativa bilden av kemiämnet genom att till en början studera gymnasieelevers syn på kemi. Med utgångspunkt från naturvetarelevers förslag för att förbättra kemiundervisningen och göra ämnet mer intressant och meningsfullt, anknyter avhandlingen därefter till kontextbaserad kemi. Kontextbaserade kurser används i flera länder för att öka elevernas intresse, minska fokuseringen på utantillkunskaper och utveckla elevernas mer avancerade tänkande; med andra ord med målet att uppnå ett meningsfullt lärande. Vid kontextbaserade angreppssätt utgår man från ett sammanhang (kontexten), ofta något personligt eller samhälleligt, som ska vara relevant och intressant. Från dessa kontexter koncentreras därefter undervisningen på de ämneskunskaper man behöver ha för att förstå sammanhanget (s.k. need-to-know). Syftet med avhandlingen är att undersöka naturvetarelevers syn på gymnasiekemin, både deras intresse för ämnet och deras skäl att välja det naturvetenskapliga programmet på gymnasiet, samt elevernas problemlösningsförmåga och användande av ämneskunskaper när de löser kontextbaserade kemiuppgifter. Skälet att studera naturvetarelever på gymnasiet är att dessa elever uppfattas som möjliga framtida naturvetare eftersom de själva har valt naturvetenskaplig inriktning efter den obligatoriska grundskolan. Med hjälp av olika metoder (enkäter, klassrums- observationer, skriftliga lösningar till kemiuppgifter och intervjuer med både elever och experter som löser kemiuppgifter) har analyser genomförts för att dels får en allmän överblick, dels för att utforska specifika delar i detalj både gällande kognitiva och affektiva aspekter av lärande. Resultaten visar att flertalet elever har en positiv inställning till kemi, många tycker att ämnet är intressant och har valt att fortsätta läsa kemi efter den obligatoriska grundskolan främst med målet att studera vidare på universitetsnivå, men också eftersom de specifikt uppskattar kemi. Gymnasieeleverna lyfter fram lärarna som viktiga och lärarstyrda kemilektioner anses positivt, speciellt om lärarna är strukturerade i sin undervisning. Ett vanligt skäl till att välja naturvetenskapsprogrammet är också att man aktivt väljer utbildning med utgångspunkt från vilken skola man vill gå på, något som i denna avhandling tolkas som ett identitetsskapande. Elevernas förslag för att förbättra skolkemin genom att anknyta kemin till vardagen låg till grund för avhandlingens fortsatta inriktning mot kontextbaserade angreppssätt. Analyser av elevernas kognitiva resultat när de löser kontextbaserade kemiuppgifter visar att dagens skolkemi tydligt fokuserar på att memorera faktakunskaper. Eleverna är vana att använda utantillkunskaper när de löser kemiuppgifter eftersom uppgifterna, enligt eleverna, efterfrågar ”det rätta svaret”. Däremot visar studierna också att ett mer avancerat tänkande kan uppnås när elevernas problemlösning stöds av hjälp och ledtrådar som baseras på ett specifikt ramverk, MHC-C (Model of Hierarchical Complexity in Chemistry). När det gäller ämneskunskaperna som krävs för att lösa de kontextbaserade kemiuppgifterna är vissa kemibegrepp viktiga tröskelbegrepp (sk. threshold concepts). Med hjälp av medvetenhet om tröskelbegrepp, som exempelvis polaritet och elektronegativitet för löslighetsuppgifter inom den organiska kemin, kan en större helhetsförståelse för övergripande begrepp (crosscutting disciplinary concepts) som förhållandet mellan kemiska ämnens struktur och egenskaper förhoppningsvis uppnås. När det gäller affektiva resultat anser eleverna att kontexterna i uppgifterna både var intressanta och relevanta, främst när en personlig anknytning var tydlig. Dessutom visade sig kontexterna i uppgifterna vara positiva för lärandet, inte en distraktionsfaktor. Sammanfattningsvis konstateras att svenska elever på naturvetenskaps- programmet är intresserade av kemi och uppskattar kemiundervisningen, speciellt om kemin knyts till vardagen och att lärarna har en tydlig struktur i sin undervisning. Elevernas skäl att välja fortsatta kemistudier efter den obligatoriska grundskolan kan knytas till deras utbildningssträvan men också att elevers identitetsskapande är viktigt för deras gymnasieval. Med hjälp av kontextbaserade angreppssätt kan kemiundervisningen göras mer intressant och relevant samtidigt som elevernas problemlösningsförmåga kan utvecklas. När eleverna möter mer öppna frågor som kräver förklaringar och resonemang är de ovana vid detta och uppfattar uppgifterna komplicerade, samtidigt som de uppskattar denna typ av uppgifter eftersom de uppfattas relevanta och intressanta. Slutsatsen blir att elevernas förmåga till problemlösning av öppna frågor som både kräver faktakunskaper men också förklaringar och resonemang måste tränas oftare inom ramen för skolans kemi för att utveckla elevernas meningsfulla lärande.

Place, publisher, year, edition, pages
Umeå: Umeå universitet, 2015. 99 p.
Keyword
chemistry education, upper secondary students, meaningful learning, higher order thinking, problem solving, context-based learning, interest, educational choice, identity
National Category
Didactics
Research subject
didactics of chemistry
Identifiers
urn:nbn:se:umu:diva-95956 (URN)978-91-7601-157-7 (ISBN)
Public defence
2015-02-06, N360, Naturvetarhuset, Umeå, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2015-01-16 Created: 2014-11-10 Last updated: 2015-01-14Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full text

Authority records BETA

Broman, Karolina

Search in DiVA

By author/editor
Broman, Karolina
By organisation
Department of Science and Mathematics Education
In the same journal
Research in Science & Technological Education
Didactics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 623 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf