ЗНАЕМ ЛИ МЫ, ЧТО ПРОИСХОДИТ В СОЗНАНИИ УЧЕНИКА? ПОНИМАНИЕ НЕПРАВИЛЬНЫХ ОТВЕТОВ О ТРОПИЗМАХ РАСТЕНИЙ И СВЯЗИ МЕЖДУ ПРЕДСТАВЛЕНИЯМИ УЧЕНИКОВ И МЕТАПОЗНАНИЕМ В СОЗНАНИИ УЧИТЕЛЯ И УЧЕНИКА

Знаем ли мы, что происходит в сознании ученика? Понимание неправильных ответов о тропизмах растений и связи между представлениями учеников и метапознанием в сознании учителя и ученика

Среди студентов-биологов были выявлены проблемы с пониманием концепций и механизмов, связанных с движениями растений. Альтернативные концепции понимания этих явлений мало изучены. Диагноз ставился на основе выборочного опроса студентов вузов и их преподавателей, который носил количественно и качественно исследовательский характер (с помощью анкеты). Исследование проводилось в два этапа, до и после лекций и лаборатории по движениям растений. Перед началом академической подготовки мы диагностировали восемь альтернативных концепций. После занятий большинство не было проверено, кроме того, было диагностировано 12 новых зачатий. Кроме того, мы сообщаем, что учителя не осведомлены о возможных недопониманиях учащихся. Они не воспринимают проблемы студентов с переключением между уровнями представлений, ни их альтернативные концепции. Наблюдается случай «проклятия знаний» и рекомендуется академическая подготовка учителей. Кроме того, потребность в метапознании как решающем элементе лабораторной деятельности, по-видимому, подтверждается представленными нами результатами. Такое метапознание относится как к ученикам, так и к учителям, что приводит к выводу, что учителя должны знать образ мышления учеников и развитие знаний в собственном сознании.

Ключевые слова: альтернативные концепции ; проклятие знаний ; метапознание ; результаты обучения ; слепота растений ; движение растений

1. Введение

Согласно теории конструктивизма, обучение - это активный процесс, в котором учащиеся накапливают свои знания индивидуально, комбинируя опыт, информацию из окружающей среды, социальные взаимодействия, понимание, возникающее через язык и т. Д. Кроме того, для учителей сложно то, что иногда индивидуальные идеи могут меняться. кажутся бессвязными. Например, один ребенок может использовать разные концепции для объяснения одного и того же процесса, даже если аргументы, которые они используют, кажутся противоречащими друг другу. Другая трудность заключается в том, что альтернативные концепции учащихся могут сохраняться даже после того, как им был преподан научный факт или процесс [ 1 ]. Распространенная интерпретация конструктивистского взгляда на обучение состоит в том, что учащиеся должны быть умственно активными во время обучения [ 2]. В то время как познание включает в себя три основных типа навыков обучения: когнитивные стратегии, стратегии решения проблем и навыки критического мышления, метапознание включает два основных подкомпонента: знание познания и регулирование познания [ 3 ]. Эта умственная деятельность включает в себя такие действия, как то, что мы знаем о нашем познании, наши декларативные знания, процедурные знания и знания о том, почему и когда использовать определенную стратегию обучения и мышления. Он также включает процессы планирования, мониторинга и оценки [ 4]. Их можно объединить в один большой термин, называемый метапознанием. При обсуждении метапознания можно найти разные определения: «Метапознание, вероятно, лучше всего концептуализировать как набор взаимосвязанных конструкций, относящихся к познанию о познании» [ 5 ] или «Метакогнитивный обучающийся - это тот, кто понимает задачи мониторинга, интеграции и расширения. , собственное обучение »[ 6 ].

Все это приводит к выводу, что для полного понимания предмета учащемуся необходимо использовать свои метакогнитивные навыки. Им необходимо быть когнитивно активными и использовать многие типы знаний, которые присутствуют в их уме. Один из подходов может заключаться в успешном концептуальном изменении учебного процесса. Концептуальные изменения широко понимаются как обучение, которое меняет некоторые существующие концепции [ 7 ]. Ученики поступают в школу с различными представлениями о мире природы. Изучение биологии начинается в сообществе с момента рождения, и на концепции влияют люди, окружающие ребенка, а также другие факторы, такие как средства массовой информации [ 8]. Многие из этих повседневных представлений полностью противоречат научным открытиям, и в этой статье они будут обозначены как альтернативные концепции. Говоря об альтернативных концепциях в преподавании биологии, мы имеем в виду концепции, которые имеют своеобразную интерпретацию в артикуляции учащихся, не являющуюся научной точной [ 9 , 10 , 11 ]. Как резюмировал Треагуст, концепции студентов, которые отличаются от общепринятых в научном сообществе, были названы «заблуждениями», «предубеждениями», «альтернативными рамками» или «детской наукой», и по этой причине мы рассматриваем эти выражения как синонимы [ 12 ].

Биология - это отрасль науки, которая работает на широком диапазоне уровней организации материи, от молекул до биосферы. Изучение всех из них включает создание как мысленных, так и дидактических представлений (или внутренних и внешних представлений). Во время обучения процесс упрощения и переключения между представлениями происходит с помощью моделей, изображений и символов, чтобы помочь учащимся понять содержание. Создание моделей и представлений важно для производства знаний. Джонстон предложил, и это до сих пор поддерживается, что в науке и естественнонаучном образовании существуют три основных уровня репрезентаций [ 13 , 14 , 15]. Это макроскопический уровень, субмикроскопический уровень и символический уровень. Макроскопический уровень встречается непосредственно во время наблюдений в лаборатории и повседневной жизни, например, при наблюдении за растениями и животными и т. Д. Субмикроскопический уровень встречается во время представления предполагаемой природы химических и биохимических объектов (молекул, макромолекул, клетки и органы) и отношения между ними. Эти представления выражаются в конкретных, визуальных или вербальных формах. Символический уровень - это представление идентичностей сущностей (молекул), таких как ДНК. Переключение между этими уровнями репрезентации является сложной задачей для студентов, и здесь следует подчеркнуть, что полное понимание многих явлений включает в себя способность устанавливать связи и плавно перемещаться между ними.

1.1. Почему мы должны беспокоиться об альтернативных концепциях в контексте преподавания / обучения?

Процессы преподавания и обучения неразрывно связаны с процессом создания ресурсов знаний по предмету, часто называемых личными знаниями. Само по себе знание - это концепция, которая еще не получила четкого определения, и хотя все мы чувствуем и имеем собственное понимание того, что это такое, у каждого свое описание этого ментального феномена. Философы науки также выделяют разные типы знаний. Среди них есть концептуальные знания (например, в форме концепции, идеи или представления) в мозгу, которые можно описать с помощью модели, основанной на синхронной активности нейронных групп, называемых сборками нервных клеток (NCA). Согласно этой модели слова (понятия, символы) имеют свою форму и значение. Форма символов на уровне мозга представлена ​​локальными сетями нейронных микросхем.16 ]. По этой причине письменный или устный язык играет важную роль в образовании, среди прочего, который является посредником между тем, что называется научными знаниями и личными знаниями детей, обеспечивает систему мышления и разговоров о науке и является методом общения. и обмен идеями [ 17 ]. В образовательном процессе язык следует воспринимать как систему знаков и символов, используемых для объяснения и интерпретации явлений, связанных с категоризацией, маркировкой, концептуализацией и значением [ 18 ]. Все эти элементы вносят вклад в концептуальное знание и, таким образом, участвуют в совместном создании личного знания. Такое понимание личных знаний является результатом обучения и личных усилий.

Существует связь между интуитивным биологическим мышлением и заблуждениями [ 19 , 20 , 21 , 22 ]. Коли и Таннер предложили идею реконструкции интуитивного мышления и его категоризацию в соответствии с категориями когнитивных конструктов Пиаже, используемых детьми в их процессах создания знаний [ 22 , 23]. Исследователи в области образования отметили, что дети и подростки думают и рассуждают иначе, чем взрослые. Они используют эти механизмы для построения своих собственных концепций различных научных проблем: анимизма (растения и животные чувствуют себя так же, как мы), искусственных связей (антропоцентрическое мышление, вещи происходят из-за людей, например, солнце светит, чтобы мы могли все видеть), трансдукция мышление (в нашем процессе мышления мы соединяем две детали вместе, но не посредством дедукции), телеологическое мышление (все происходит с определенной целью, например, растения производят кислород, чтобы люди и животные могли дышать) и эссенциалистское мышление (существует существенное, ненаблюдаемое особенность, сущность или свойство, которое вызывает сходство в некоторых конкретных группах, например, все растения одинаковы).

Заблуждения (наивные или альтернативные концепции) нельзя изобразить или охарактеризовать как недостаток знаний или пробелы в знаниях; они являются естественным методом создания знаний в уме ребенка. Полученные ими личные знания могут существенно повлиять на преподавание и обучение. Это знание может быть очень устойчивым к изменениям - процесс обучения должен концентрироваться на процессе правильного понимания механизмов и явлений. Например, многие ученики считают, что увеличение веса растений происходит от воды и почвы, но лишь немногие способны установить связь между фотосинтезом и питанием растений [ 24 ]. Студенты (как и все люди) используют свои личные знания для понимания научных проблем.

Существуют разные источники таких ненаучных (интуитивных) представлений в сознании студентов, которые не связаны с их образом мышления. Один из источников альтернативных концепций - ошибки в обучении. Некоторые из наиболее распространенных ошибок в обучении, ведущих к альтернативным концепциям, включают: чрезмерное упрощение, неточные обобщения, использование устаревших данных, неправильную интерпретацию явлений и эксперименты, неправильно выбранные для объяснения явлений [ 25]. Например, преувеличенное упрощение на ранних этапах обучения размывает соответствующий образ ситуации и фиксирует в памяти плохо детализированную схему решения данной проблемы или плохое понимание конкретной проблемы, что в случае более позднего обучения препятствует критическому мышлению и решению проблем. Примером может служить представление глюкозы (C 6 H 12 O 6 ) как единственного продукта фотосинтеза, когда свободная глюкоза из этой реакции превращается в сахарозу или крахмал с формулой (C 6 H 10 O 5 ) n, а значение n дано в тысячах. Другой пример - использование одиночных стрелок для изображения биохимии этого процесса, что неверно предполагает, что это одностадийный процесс [ 25 ]. Херши также видел причины ошибочного понимания процессов, происходящих в растениях, среди прочего, в маргинальном подходе к ботанике во время вводных курсов по биологии, оставляя ученикам веру в то, что биология - это исключительно наука о животных [ 26 ]. . Эта тенденция, по-видимому, сохраняется и в учебниках, где на уровне начальной школы встречается почти в три раза больше зоологических терминов, чем ботанических [ 27 , 28 ]. По данным Вандерзее и Шусслера [ 29], авторы теории, известной как слепота растений, интерес к растениям намного ниже интереса к животным или людям [ 30 , 31]. Более того, альтернативные концепции, созданные в сознании учащихся, также часто возникают из их личного опыта. Удивительным примером, который появился в анкете, подготовленной для этого исследования, стал ответ студента, который указал, что впервые познакомился с концепцией движения растений в телевизионной рекламе средства для чистки стекла. Теккая справедливо отметил, что, если альтернативные концепции не будут быстро диагностированы и устранены, они окажут неблагоприятное влияние на понимание материала на более поздних этапах обучения, поскольку учитель обычно планирует обучение в соответствии с основной учебной программой, предполагая, что ученики уже ранее освоили вопросы [ 9]. Кроме того, альтернативные концепции в рамках данного процесса затрудняют понимание, а механика, на которой основан процесс, усложняется, поэтому начинается спираль нарастающих трудностей в понимании биологических процессов.

1.2. Понимание движения растений - мотивация для исследования

Проблемы с пониманием концепций и механизмов, связанных с движением растений, выявлялись среди студентов-биологов факультета Университета Адама Мицкевича в Познани, Польша, в течение нескольких лет. Исследования альтернативных концепций в понимании этих конкретных явлений все еще мало освещаются в анализах, доступных в литературе, поэтому мы приступили к этому исследованию. Движение, реакция на раздражители и рост - некоторые из основных характеристик живых организмов, включая растения и животных. Однако студенты склонны приписывать эти характеристики только животным и воспринимать растения как менее живые организмы [ 32]. Таким образом, учителя должны быть в состоянии расширить знания учащихся о растениях как о животных. В то же время исследования тропизма растений и представлений студентов о тропизме растений очень ограничены. Например, Лин описал шесть неправильных представлений о тропизме растений среди старшеклассников [ 33 ].

Тропизмы растений играют фундаментальную роль в формировании формы роста растений, включая развитие растений, положение управляющих органов, рост от прорастания семян до расположения цветов для опылителей и распространение семян. Изучение тропических реакций растений не ново; Дарвин изучал их в середине 1800-х годов [ 34 ]. Хотя его работа теперь признана важным вкладом в биологию растений, она была решительно отвергнута его коллегами, как это обсуждали Уиппо и Хангартер [ 35 ]. Несмотря на то, что движение за растения очаровывало школьников, оно стало предметом книг для широкой публики [ 36 , 37] и причудливо фигурирует в телевизионных рекламных роликах (Windex), суть явления и механизмы, контролирующие движения растений, вряд ли понятны многим студентам.

Это исследование было разработано, чтобы показать, может ли курс физиологии растений второго года обучения на уровне бакалавра наук, где эксперимент использовался в качестве образовательного вмешательства, проверить альтернативные концепции студентов в рамках предмета движения растений. Эти занятия проводились в форме лабораторных занятий с поведенческими предположениями в основе дизайна. В этих классах ученики проводят эксперименты в соответствии с очень конкретными инструкциями. Студенты не формулируют исследовательские вопросы или гипотезы. Студенты только отвечают на вопросы и формулируют выводы. Эта ситуация аналогична описанной в литературе как «управляемое открытие» [ 38 , 39]. Проблемы, связанные с этой стратегией, хорошо описаны в литературе, но все еще рассматриваются академическими учителями как эффективные. В целом понимание лабораторной деятельности кажется особенно важным в нынешнюю эпоху, когда исследования играли центральную роль в преподавании и обучении естествознания [ 40 ]. Проблема кажется более сложной и включает в себя такие элементы, как контекст наших знаний о когнитивной архитектуре человека, различия между экспертом и новичком, когнитивную нагрузку и многие другие [ 41 ]. С одной стороны, учителя не осведомлены о проблемах, с которыми сталкиваются ученики при изучении конкретной темы, на что указывает Миллар, который показал, что метакогнитивные навыки (понимаемые как способность отражать) преподавателя кажутся проблематичными [ 42]. Такие метакогнитивные навыки и рефлексия должны быть отправной точкой в ​​возникающих знаниях педагогического содержания. Учителям необходимо метапознание, чтобы адаптировать свое обучение к конкретной ситуации. С другой стороны, эксперименты и лабораторные работы воспринимаются как эффективные в учебном процессе. В Польше это традиционная форма проведения курсов физиологии растений. От академических учителей в Польше обычно не требовалось педагогической подготовки к преподаванию. Курсы и занятия, которые посещают существующие преподаватели, являются добровольными. Принимая это во внимание, мы не можем описывать педагогическое содержание знаний среди этой группы людей; Вместо этого мы могли бы описать их способности к отражению и метапознанию как общие навыки, которыми обладает каждый человек. Авторы данной публикации не могли повлиять на метод проведения или планирование занятий. По этой причине нижеследующее исследование может послужить отправной точкой для подчеркивания роли размышлений об эффективности при проведении этих занятий в нынешней форме. Это также может быть точкой развития знаний педагогического содержания на следующем этапе.

Во-первых, мы выявили и определили распространенность неправильных представлений студентов о движении растений. Затем мы исследовали, подвергались ли и в какой степени эти заблуждения концептуальным изменениям в ходе обсуждения движений растений во время курса физиологии растений. Мы предположили, что традиционный курс с его активными методами обучения, но не обязательно активным обучением, не бросит вызов альтернативным представлениям студентов, даже когда они изучают новые концепции.

Примечательно, что исследованиям, посвященным представлениям студентов о движении растений, не уделялось должного внимания. До сих пор, как упоминалось выше, Лин описал некоторые концепции развития растений, включая тропизм растений [ 33 ]. Миллар изучал восприятие учителями экспериментов с тропизмом [ 42 ]. Это были единственные тематические исследования, которые нам удалось найти. Больше внимания уделяется тропизму тканей и бактерий, чем тропизму растений.

2. Материалы и методы

Выявление представлений студентов о тропизме растений было основано на количественно-качественных исследованиях, подготовленных на основе двух анкет: исследовательских инструментов 1 и 2. Кроме того, чтобы получить более широкое представление о проблеме, в первую исследовательскую группу вошли преподаватели вузов. , и вторые студенты бакалавриата.

Для 1-й учебной группы (учителя) исследования проводились с участием группы из 17 человек, 6 мужчин и 11 женщин, включая как профессоров, так и их ассистентов, ведущих лекции и лаборатории физиологии растений. Анкету заполнили сотрудники, которые преподавали один и тот же курс на биологическом факультете Университета Адама Мицкевича в Познани. Среди преподавателей были как женщины, так и мужчины с разным стажем преподавания, от 1 до 25 лет, и на разных должностях (докторанты, ассистенты профессоров, старшие преподаватели и сами профессора).

Инструментом исследования 1 была анкета. Учителей попросили предоставить информацию, среди прочего, в какой форме их ученики были знакомы с явлениями фототропизма и гравитропизма, какие наиболее частые ошибки допускали ученики при обсуждении этих процессов и каковы причины проблем учеников. в понимании концепции тропизма. Анкета представлена в Приложении А .

Для 2-й учебной группы (студенты) участниками были 104 студента s-курса бакалавриата, которые прошли курс физиологии растений на биологическом факультете Университета Адама Мицкевича в Познани в 2013/2014 и 2015/2016 годах. Группа была сопоставима по возрасту, но неравномерна по полу. В группе было 7 мужчин и 97 женщин. Неравенство группы было вызвано тем, что в исследовании использовалась вся группа, проходившая курс физиологии растений. Курс физиологии растений включал 30 часов лекций, 10 часов семинаров и 60 часов практических занятий. Концепции движения растений обсуждались непосредственно во время лекции и 13,5 часов практических упражнений, посвященных росту растений (три занятия по 4,5 часа каждое). На каждом практическом занятии студенты проводили пять экспериментов с тропизмами растений. Для каждого эксперимента студенты были обязаны написать отчет, содержащий свои результаты и выводы. Выводы обсуждались с преподавателем и при необходимости корректировались.

Инструментом исследования 2 был еще один специально разработанный вопросник ( Приложение B ). Достоверность содержания анкеты была установлена ​​двумя опытными учеными-биологами. Пилотную версию анкеты заполнили 21 студент-биолог из Университета Адама Мицкевича, и первоначальная версия анкеты была пересмотрена. Например, некоторые открытые вопросы были уточнены путем замены их на полуоткрытые или закрытые. Метрики анкеты запрашивали пол участников, возраст и уровень предыдущего зачисления в биологию. Вопросы анкеты были выбраны таким образом, чтобы можно было проверить правильность определения как биологических процессов, так и способность использовать заученное определение. В анкете также спрашивалось, знакомы ли студенты с семестром, когда и как.движения растений . Более того, вопросы касались общих знаний о движениях растений, включая типы движений, определения тропизма и степень, в которой фототропизм, фотонастия и фототаксис являются синонимичными понятиями. Остальные вопросы касались подробных знаний в области фототропизма и гравитропизма, включая: механизм движения и физиологическое значение движения. Критерии для оценки правильности ответов на вопросник и сам вопросник , представлены в Приложении B .

Мы сформулировали две гипотезы:

Гипотеза  1. 

После курса физиологии растений студенты получат некоторые научные знания, чтобы они могли объяснить явления, связанные с тропизмом растений, и, кроме того, они не будут использовать предыдущие заблуждения или здравый смысл;

Гипотеза  2. 

Учителя могут прогнозировать достижения учащихся в изучении тропизма растений и указывать проблемы, а также возможные решения для решения проблем учащихся в понимании тропизма растений.

Анализ результатов

Для инструмента исследования 1 ответы учителей были суммированы и проанализированы количественно и качественно. На следующем этапе их сравнивали с результатами анкетирования студентов.

Для инструмента исследования 2 метод анализа был основан на Кресвелле [ 43 ]. Чтобы извлечь концепции студентов, ответы были проанализированы в контент-анализе, затем качественные данные были закодированы в количественные данные [ 44 ]. Для обеспечения межэкспертной надежности два учителя академической биологии участвовали в процессе создания системы кодирования и независимо проанализировали анкеты. При расчете авторы использовали совместную вероятность согласия. Первоначальная степень согласия по кодированию составляла 93%, и любые разногласия разрешались путем обсуждения. Авторы разработали категории на основе ответов студентов (индуктивный подход).

Для оценки статистической значимости изменений результатов анкетирования студентов до и после курса физиологии растений применялся t- критерий Стьюдента с использованием общедоступных формул для зависимых групп. Чтобы проверить, существует ли связь между способностью студентов определять концепции движения растений и их использованием в адекватных ситуациях, а также проверить, совмещают ли студенты различные концепции друг с другом, был использован анализ теста хи-квадрат.

Статистические расчеты проводились с использованием общедоступного калькулятора ( http://www.socscistatistics.com ).

3. Результаты

3.1. Анкета для учителей

Анкету заполняли преподаватели, проводящие лекции и руководящие лабораториями физиологии растений ( Таблица 1 ).

Таблица 1. Ответы учителей, выраженные в процентах от ответов учителей в их анкете, о понимании неправильных ответов учеников о тропизме растений (n = 17 оценивающих учителей).

Все преподаватели заявили, что все их студенты ознакомились с определениями и механизмами фототропизма и геотропизма во время их курса (Q1, Приложение A ). Почти половина респондентов заявили, что студенты познакомились с феноменом движения растений в ходе независимого эксперимента (Q2 и Q4, Приложение A, полуоткрытый вопрос). Иногда эксперимент, подготовленный самостоятельно, подкреплялся теоретической информацией или различными мультимедийными обучающими материалами. Хотя в 47% ответов учителей указано, что ученики проводят эксперименты самостоятельно, определение того, что является экспериментом, в данном случае нечеткое. Среди ответов на лекциях мы получили: «Было введено наблюдение за конечным состоянием процесса в эксперименте, подготовленном студентом», или «Они проводили эксперименты в лаборатории, следуя данной инструкции». Вторая категория ( таблица 1) включает ответы, которые относятся к поддержке, оказываемой учителем во время лекции в форме презентации PowerPoint или устной презентации. Пятеро из 17 учителей признались, что проводят эксперименты самостоятельно, и ученики должны были наблюдать за ним, «уделяя особое внимание заключительным этапам эксперимента». Среди ответов, отнесенных к категории «другие», мы получили ответы, относящиеся к просмотру короткометражного фильма или анализу диаграмм и научного текста. Примером растения, используемого в упражнениях на фототропизм, чаще всего указывали лекторы (более половины ответов), были проростки горчицы, овса или колеоптиля ячменя. Саженцы огурца упоминались примерно в одной трети ответов, и наименьший процент ответов указывал на использование льна. Также, продолжительность обучения варьировалась от трех часов до семи дней (в данном случае это означает, что студенты должны были посещать лабораторию каждый день, чтобы наблюдать за изменениями, происходящими в исследуемых растениях). В качестве примера растения, используемого при обучении гравитропизму, лекторы указывали бобы, лен, люпин, горох, кукурузу и кресс-салат. Период наблюдения за люпином составил 24–48 ч, для льна - 3–4 дня, для горчицы - 5 дней. Эти эксперименты были связаны с наблюдением направления роста корней под переменным углом к ​​силе тяжести. Следующие вопросы (Q3 и Q5, лекторы указывали на фасоль, лен, люпин, горох, кукурузу и кресс-салат. Период наблюдения за люпином составил 24–48 ч, для льна - 3–4 дня, для горчицы - 5 дней. Эти эксперименты были связаны с наблюдением направления роста корней под переменным углом к ​​силе тяжести. Следующие вопросы (Q3 и Q5, лекторы указывали на фасоль, лен, люпин, горох, кукурузу и кресс-салат. Период наблюдения за люпином составил 24–48 ч, для льна - 3–4 дня, для горчицы - 5 дней. Эти эксперименты были связаны с наблюдением направления роста корней под переменным углом к ​​силе тяжести. Следующие вопросы (Q3 и Q5,Приложение А ) были закрытыми, и 11 из 17 респондентов подчеркнули, что, по их мнению, большинство студентов (то есть более половины) могут правильно объяснить эти процессы после ознакомления с информацией о фототропизме и гравитропизме. Среди наиболее распространенных типов ошибок студентов в отношении тропизма к растениям (Q6, Приложение A , пункт 3 Таблица 1) учителя давали более общие или конкретные ответы. Треть учителей указали на общее непонимание механизма процессов. Другой довольно общий ответ (двое респондентов) сообщил, что студенты не связывают фототропизм и гравитропизм с ростом растений, например, «студенты не сочетают фототропизм и гравитропизм с движениями роста растений; вместо этого они воспринимают их (фототропизм и гравитропизм) как изгибающиеся органыпо направлению к стимулу или в противоположном от стимула направлении ». Представляя более развернутые ответы, шесть респондентов указали на то, что некоторые студенты игнорируют наличие дифференцированной чувствительности побега и корня к ауксинам. Некоторые из них признали, что «они не могут указать место действия ауксинов» или «они могут не понимать разную чувствительность побегов и корней для одной и той же концентрации ауксина».

На вопрос о том, что могло быть причиной вышеуказанных проблем (Q7, Приложение A ; пункт 4, Таблица 1 ; полузакрытый вопрос), учителя в основном указали на плохую предметную подготовку учеников (40% ответов) . Они ответили: «они просто не подготовлены, недостаточно усердно учатся» или «не обладают надлежащими содержательными знаниями». Треть учителей указали на трудности, связанные с длительным характером процесса и отсутствием комплексного наблюдения за ним - ученики часто могут видеть только начальное и конечное состояние процесса.

Следующий вопрос (Q8, Приложение A ; пункт 5, Таблица 1 ) был открытым и должен был определить, предложат ли учителя из исследуемой группы альтернативные, новые методы, которые могут быть полезны в обучении тропизму. Учителя предложили, чтобы обучение движениям растений сопровождалось фильмом, анимацией или экспериментом, в котором учащиеся сами могли бы снимать процесс. Другой вариант, предложенный учителями, заключался в том, чтобы вовлечь студентов в обсуждение или добавить больше учебных часов в курс физиологии растений.

3.2. Анкета для студентов

Изменения правильных ответов до и после курса физиологии растений показаны ниже ( Таблица 2 и Таблица 3 , Приложение B ).

Таблица 2. Значимость изменений процента правильных ответов, данных студентами (n = 104) до и после курса физиологии растений, согласно t- критерию Стьюдента .

Таблица 3. Концепции, выявленные в ответах студентов на анкету перед курсом физиологии растений.

Мы разработали анкету для выявления проблем, связанных с пониманием роли движений растений в биологии растений. Вопросы были основаны на ранее собранных данных, полученных в результате неформальных интервью в средней школе биологии, анкетировании преподавателей университета, наблюдениях в классе, тестах студентов и экзаменах за предыдущие годы и из предыдущих исследований [ 26 ].

Исследования проводились с использованием одного и того же инструмента дважды: до и после курса физиологии растений. Процент правильных ответов до начала обучения варьировался от 4% (Q2) до 35% (Q6). В целом после курса доля правильных ответов увеличилась. Например, на самый проблемный вопрос (Q2) 22% ответов были правильными. В общей сложности 57% респондентов правильно ответили на Q6 после уроков. В обоих случаях это увеличение было статистически значимым ( таблица 2 ). Значимость изменений процента правильных ответов до и после курса фиксировалась также для вопросов 5, 7 и 9 ( таблица 2 ). По вопросам 1, 3, 4 и 8 изменения не были статистически значимыми.

Более того, с помощью критерия хи-квадрат также были определены зависимости между способностью определять концепции в рамках физиологии движения растений и способностью использовать эти определения. Было проанализировано, могут ли студенты комбинировать различные концепции друг с другом. Анализ проводился по анкете «после». Не было обнаружено никаких зависимостей ни между знанием определения тропизмов и умением его использовать, ни между знанием механизма реакции и умелым его использованием. Например, правильное определение процесса (Q3) одним и тем же учеником не зависело от правильного ответа на вопрос об идентификации органов, которые положительно или отрицательно реагируют на фототропные / гравитропные стимулы (Q6). Знание механизма реакции (Q4) не зависело от правильного ответа на вопрос о физиологической значимости гравитропизма (Q9), а правильное описание механизма фототропизма (Q4) не влияло на правильный выбор рисунка. демонстрирующий изгиб побега в результате применения агарового блока, насыщенного ауксином (Q7). Кроме того, правильное описание респондентами механизма гравитропизма (Q5) не зависело от правильного выбора рисунка, на котором изображено изгибание корня в результате применения агарового блока, насыщенного ауксином (Q7). а правильное описание механизма фототропизма (Q4) не повлияло на правильный выбор рисунка, демонстрирующего изгиб побега в результате применения агарового блока, насыщенного ауксином (Q7). Кроме того, правильное описание респондентами механизма гравитропизма (Q5) не зависело от правильного выбора рисунка, на котором изображено изгибание корня в результате применения агарового блока, насыщенного ауксином (Q7). а правильное описание механизма фототропизма (Q4) не повлияло на правильный выбор рисунка, демонстрирующего изгиб побега в результате применения агарового блока, насыщенного ауксином (Q7). Кроме того, правильное описание респондентами механизма гравитропизма (Q5) не зависело от правильного выбора рисунка, на котором изображено изгибание корня в результате применения агарового блока, насыщенного ауксином (Q7).

В контент-анализе анкеты первый вопрос (Q1, Приложение B ) был открытым и довольно сложным. Ученики должны были перечислить и кратко описать типы движений растений, которые им известны. Хотя мы получили только 6% (до теста) и 7% (после теста) полностью правильных ответов (Q1, Таблица 2 ), наблюдаемое увеличение было статистически незначимым. Однако мы должны признать, что более 80% оставшихся ответов не были сочтены неправильными, а только неполными, поскольку они содержали единственную правильную информацию, например, замечая разделение движений из-за причины движения и почти пропуская разделение из-за его механизм.

В вопросе 2 (Q2, Приложение B ), проверяя, смогли ли студенты различать фототропизм, фотонастию и фототакси, 41% респондентов на предварительном тесте и 25% на пост-тесте заявили, что эти концепции означают то же самое или могут не указывают на конкретную разницу. Более 50% (как до, так и после тестирования) ответили только на правильную часть, указав хотя бы одну особенность, которая отличается от концепции. Статистически значимое увеличение количества правильных, почти полных ответов наблюдалось между пре-тестом и послетестом (4% и 26%, соответственно; Q2, Таблица 2 ), однако ответ не был полным. Часто говорили, что фототропизм - это движение, но без роста растения. Другой пример неправильного ответа - утверждение, что «фотонастия встречается только у низших организмов».

В третьем вопросе (Q3, Приложение B) студенты должны были ответить своими словами, что такое тропизм. На дотестовые ответы, которые вообще не связывали тропизмы с движением роста, приходилось 30%, и 59% респондентов отметили, что это была реакция на внешний стимул. Среди этих 59% 11% установили связь между реакцией на раздражитель и ростом растений. Также 7% студентов сообщили, что эта реакция зависит от направления стимула, а 4% отметили, что это может быть адаптация растения к динамическим изменениям в окружающей среде. На пост-тесте ни один ответ не был полностью правильным, и 16% респондентов дали удовлетворительно хороший ответ, содержащий информацию о том, что это ответ на стимул, в зависимости от его направления. Кроме того, 5% ответов были совершенно неправильными, а 79% содержали только информацию о том, что это была «реакция на стимул». На этот раз на пост-тесте никто не упомянул, что это адаптация растения к динамическим изменениям окружающей среды. Общий процент правильных ответов до и после тестирования составил 11% и 16% соответственно (Q3,Таблица 2 ). Однако наблюдаемая разница была статистически незначимой. В вопросе 4 (Q4, Приложение B) студентов попросили описать стадии реакции побега на направленное воздействие света. На предварительном тесте почти половина респондентов дала совершенно неправильный ответ, не указав места восприятия стимула или не заметив наличия рецептора синего света и / или места ауксина в этом процессе. Из ответов 50% упомянули хотя бы один из вышеперечисленных или ограничили реакцию только листом, минуя побег, 6% дали относительно правильный ответ, но не получили ключевой информации, такой как разрыхление структуры микрофибрилл из-за накопления ауксинов. . Поэтому ни один ответ не был признан полностью правильным. На пост-тесте 80% ответов были неточными, содержали некоторую часть правильной информации, а 14% респондентов дали почти всю необходимую информацию, с учетом роли ионов кальция и ауксинов. Каждый 10-й респондент дал неверный ответ, запутав место восприятия и не включив в процесс гормоны. Увеличение процента правильных ответов на этот вопрос между пре-тестом и пост-тестом составило 8%, с 6% на предварительном тесте до 14% на пост-тесте. Однако наблюдаемое изменение было статистически незначимым (Q4, г.Таблица 2 ).

В вопросе 5 (Q5, Приложение B ) учащихся попросили описать стадии реакции корня на гравитацию. Мы наблюдали статистически значимое увеличение процента правильных ответов между предварительным и послетестовым (6% и 22% соответственно; Q5, Таблица 2 ). На пост-тесте более 60% респондентов предоставили остаточную информацию по вопросу, а 16% ответов были полностью неправильными, не содержав никакой информации о роли амилопластов, ионов кальция или ауксинов в этом процессе. Только 3% ответов были полными, и каждый пятый респондент предоставил правильную информацию с небольшими ошибками, но 22% всех предоставленных ответов были правильными (включая места восприятия, роль ионов кальция, амилопластов, ауксинов и т. Д.). Правильный ответ дается вПриложение B , и разница в количестве правильных ответов до и после курса на этот вопрос была статистически значимой ( Таблица 2 ).

Вопрос 6 (Q6, Приложение B ) был множественным. Студенты должны были отметить органы, которые реагируют на фототропный раздражитель: лист, побег и корень, и те, которые реагируют на гравитропный раздражитель: побег и корень. Эти пять пунктов были правильно отмечены в 35% ответов на предварительном тесте и в 57% ответов на заключительном тесте, что указывает на значительную разницу в двух точках измерения (Q6, Таблица 2). На предварительном тесте большинство студентов, 65%, указали, что только побег или лист реагируют на свет, а корни - на силу тяжести, что было верно лишь отчасти. В общей сложности 26% ответов можно было считать неполными, но правильными, когда некоторые корни были забыты, будучи классифицированными как показывающие реакцию на световой раздражитель. Только 9% респондентов дали исчерпывающий ответ. На пост-тесте 14% ответов были оценены как хорошие и полные, а 43% ответов содержали почти правильную информацию, так как реакция корня на фототропный раздражитель не учитывалась. Такое же количество респондентов дали частично хороший ответ, ограничив реакцию на данные процессы корнем в случае гравитропизма и импульсом в случае фототропизма. Ни один ответ не был полностью неправильным.

Вопрос 7 (Q7, Приложение B ) содержал описание эксперимента, но для того, чтобы правильно ответить на этот вопрос, учащиеся должны были понять его содержание. На предварительном тесте 15% ответов были правильными (Q7, Таблица 2) 67% ответов были неправильными, а 18% студентов не пытались ответить. Чаще всего выбирались рисунки I и II, и попытка их оправдать рисовала ситуацию, противоположную тому, что происходило на самом деле. Около 18% выбрали по крайней мере правильный номер рисунка, но не обосновали свой выбор, 11% выбрали правильный рисунок и указали на участие ауксинов в процессе, но не заметили их различного влияния на рост импульса и корня или их определение было неверным, и 4% ответов были полными. На пост-тесте почти половина ошибалась из-за неправильного выбора цифр (I и II), оправдывая его неточность по отношению к действительности. Кроме того, 16% респондентов дали частично правильный ответ, выбрав правильную цифру (III), но не обосновав свой выбор; 21% ответов были правильными, но указывали только на роль ауксинов в этом явлении; и 14% полных и правильных ответов также содержали информацию о различном влиянии ауксина на импульс и корень. Однако в целом правильными были признаны 35% ответов, а наблюдаемое улучшение было статистически значимым (Q7,Таблица 2 ).

В вопросе 8 (Q8, Приложение B ) ученики должны были объяснить различия во внешнем виде между деревьями, растущими в лесу или в поле. На предварительном тесте влияние фототропизма на привычки растений на лугу и в лесу было правильно описано 5% респондентов, указав на положительный фототропизм импульса и различий в окружающей среде, а 11% указали на различия в окружающей среде и хорошо их обосновали. , но проигнорировал фототропизм как причину появления этого типа растений. Однако оба типа этих ответов (всего 16%) были сочтены правильными (Q8, Таблица 2).). В общей сложности 67% ответов указали, что растения конкурируют друг с другом за доступ к свету, но не имеют отношения к тропикам, а 17% были неправильными ответами, среди прочего, утверждая, что свет тормозит развитие всего растения, что Вот почему растения на лугу ниже. На пост-тесте правильное описание влияния фототропизма на привычку растения в лесу и на лугу дали 10% респондентов, указав экологические различия вместе с обоснованием. Еще 14% дали правильный и полный ответ, что также свидетельствует о положительном фототропизме импульса. Всего правильными были признаны 24% ответов; однако наблюдаемая разница в доле правильных ответов между тестами до и после теста оставалась статистически незначимой (Q8, Таблица 2). Более половины студентов указали на соревнование растений за свет, но в отрыве от контекста трофеев. Каждый пятый респондент ответил неправильно.

В вопросе 9 (Q9, Приложение B) студентов попросили описать физиологическое значение гравитропизма. На предварительном тесте половина ответов была неправильной, и студенты утверждали, что цель гравитропизма состоит в том, чтобы в первую очередь удерживать растение в земле. Кроме того, 54% ответов, которые были правильными лишь частично, содержали информацию о том, что растение получило доступ к воде и минеральным солям из-за гравитропизма. 3% правильных, но неполных ответов указали на роль гравитропизма в направлении роста надземных частей растения (побега) вверх и подземных (корней) вниз. Только 2% ответов, которые были полными, также объясняли роль гравитропизма в прорастании растений. Всего 5% ответов до теста были признаны правильными. На пост-тесте каждый четвертый респондент дал неверный ответ, снова указывая на то, что общая выгода для растения, реагирующего на гравитацию, заключается в том, чтобы держать его в земле. Более половины студентов отметили улучшенный доступ к воде и минеральным солям, только 21% добавили, что это важно для направления роста надземных частей растения (побега) вверх и подземных (корней) вниз, и указали, что это важное явление для прорастающего растения. Разница между правильными ответами студентов до и после курса физиологии растений была статистически значимой (Q9, и указал, что это важное явление для прорастающих растений. Разница между правильными ответами студентов до и после курса физиологии растений была статистически значимой (Q9, и указал, что это важное явление для прорастающих растений. Разница между правильными ответами студентов до и после курса физиологии растений была статистически значимой (Q9,Таблица 2 ).

3.3. Альтернативные концепции

На основе анализа анкеты, проведенной перед курсом физиологии растений, было выявлено восемь основных альтернативных концепций. Мы разделили их на четыре группы: (1) разделение движений растений, (2) определение движения тропизма растений, (3) механизм тропизмов растений и (4) физиологическое значение тропизмов растений. Процентная доля каждого колебалась от 15,5% до 65%. Альтернативное представление о том, что фототропизм - это только реакция (+) побега на световой раздражитель, а гравитропизм - это реакция (+) корня на воздействие силы тяжести, придерживалось 65% респондентов. 47% студентов сказали, что гравитропизм внедряет растение в почву, а 41% что фототаксис, фотонастия и фототропизм являются синонимами. а анализ анкеты вызвал сомнения в том, понимают ли студенты, что означает слово «синоним». Более 30% респондентов написали, что ауксин одинаково влияет на тропические реакции побега и корня или что он тормозит удлинение побега и ускоряет удлинение корня. До 30% респондентов связали фототропную реакцию только с реакцией на солнечный свет (Таблица 3 ).

3.4. Концепции, выявленные после курса физиологии растений

По итогам курса было выявлено 18 альтернативных концепций. Их, как и прежде, разделили на четыре группы. Также была сформирована дополнительная категория «другое» для альтернативных концепций, не подходящих ранее созданным. Целых 6 из 18 альтернативных концепций также были диагностированы на первом этапе исследования. Этих представлений было меньше, но они все же составили значительный процент ответов (25–43%) ( таблица 3 ).

Представления о том, что фототропная реакция - это реакция только на солнечный свет, а фотонастия касается только низших организмов, не повторялись. После второго этапа исследования альтернативные концепции, которые были выявлены, в основном были отнесены к категории относящихся к механизму движения. Среди них два наиболее представленных: 12% студентов написали, что доминирование верхушки побега лежит в основе фототропизма, тогда как 10% студентов написали, что место восприятия фототропного стимула - это междоузлия. Другие ошибки, выявленные в этой категории, были представлены незначительно. Высокий процент новых ошибок включал разделение движений растений только на фототропизм и гравитропизм. Эта ошибка возникла у 30% опрошенных студентов. Более того, 25% респондентов определили тропизм очень упрощенно,

4. Обсуждение

4.1. Анализ ответов студентов

Проблемы с пониманием учащимися терминов и механизмов, связанных с перемещением растений, отмечаются нами уже несколько лет. Они были признаны, среди прочего, на основе интерпретации экспериментов, проведенных студентами, или ответов, данных во время экзаменов. Анализ анкет исследования показывает, что студенты неправильно формировали свои личные знания о движениях растений на более ранних этапах своего обучения. Кроме того, эти знания не связаны с другими аспектами физиологии растений, такими как рост растений, регуляция гормонов и адаптация растений к изменениям в условиях окружающей среды. Большинство студентов не смогли перечислить типы движения растений (только 7% из них перечислили их правильно после цикла обучения; Q1, Таблица 2) или для описания стадий реакции растений на раздражитель (Q4, Q5, Таблица 2). Что касается диагностированных заблуждений, большинство из них было вызвано чрезмерным упрощением, отсутствием достаточных знаний о содержании или антропоморфным взглядом на тропизм. Такие концепции, как: «движения растений делятся на фототропизм и гравитропизм», или «тропизм - это движение растения» или «фототропизм - это положительная реакция побега на световой раздражитель», являются примерами чрезмерного упрощения того, как ученики думают об этих процессах. . Такие концепции, как «фототропизм - это движение хлоропластов» или «ауксин синтезирует клетку» или «ауксин стимулирует деление клеток», указывают на пробелы в личных знаниях студентов. Такие концепции, как: «гравитропизм - это положительная реакция корня в землю, вызванная поиском воды», или «фототропизм - это положительная реакция стрельбы на свет из-за захвата большего количества источника энергии» указывает на то, что взгляд студентов на тропизм антропоморфен. Об аналогичном наблюдении и той же альтернативной концепции (связь с антропоморфным взглядом на тропизм) сообщил Лин [33 ]. Чрезмерные упрощения также указываются в литературе как возможный источник альтернативных концепций [ 45 , 46 ]. Принимая во внимание, что чрезмерное упрощение и недостаток достаточных знаний вполне понятны и являются общим источником альтернативных концепций, результаты, кажется, укрепляют мнение о том, что растения не имеют непосредственного значения для студентов [ 47 , 48 ]. Мы переживаем то, что Вандерзее и Шусслер назвали «растительной слепотой» [ 29]. Мы можем найти слепоту растений как возможное объяснение частично из-за антропоморфного (и даже анимистического) взгляда, обнаруженного среди студентов, но также из-за обнаруженных трудностей в восприятии растений как организмов, которые могут двигаться и реагировать на стимулы, но иначе, чем животные. При объяснении тропизма растений учащиеся использовали термины, типичные для животных, приводя в качестве примеров такие термины, как «изгиб», «поворот» или «поиск», и связывая их такими словами, как «хочу» и «воля». если предположить, что растения похожи на животных, но немного отличаются. То, что мы также могли наблюдать на занятиях со студентами, когда их спрашивали об общих понятиях, таких как движение или реакция на раздражители, они дают ответы с примерами из животного мира даже в курсе физиологии растений.

Наша гипотеза 1 гласит, что после курса физиологии растений студенты получат некоторые научные знания, такие, что при объяснении явлений, касающихся тропизма растений, они не будут использовать предыдущие заблуждения или здравый смысл. В целом студенты получили некоторые знания о тропизме растений. В целом, по пяти из девяти пунктов результаты показали значительную разницу между до- и послетестовым ( таблица 2).). Вопрос в том, являются ли количество правильных ответов и количество студентов, сохранивших знания, удовлетворительными? Однако в то же время мы сообщаем, что количество альтернативных концепций было выше после курса, и они были вызваны одними и теми же основными явлениями: чрезмерным упрощением и антропоморфным взглядом на растения и тропизм. Эта ситуация, кажется, не поддерживает и не опровергает нашу гипотезу и ясно указывает на то, что процесс построения научных знаний о тропизмах растений нуждается в дальнейших исследованиях.

4.2. Знаем ли мы, что делаем? Анализ ответов учителя

Преподаватели из исследуемой группы склонны воспринимать тропизм к растениям как легкое содержание для студентов. Наша гипотеза 2 гласит, что учителя могут предсказать достижения учащихся в изучении тропизма растений и указывать проблемы, а также возможные решения для решения проблем учащихся в понимании тропизма растений. Эта гипотеза также получила поддержку лишь частично. Учителя проявляли склонность к оптимистическим суждениям. Половина из них ( таблица 1 ) заявили, что большинство студентов сможет правильно объяснить явления после занятий. Однако в анкетах после курса только 57% студентов смогли указать органы, участвующие в тропизме растений (Q6, Таблица 2), и только 35% могут объяснить различную реакцию побегов и корней на воздействие гормонов (Q7, Таблица 2 ). Стоит отметить, что на эти два вопроса был дан самый высокий процент правильных ответов. На остальные вопросы правильно ответили 26% или менее студентов ( Таблица 2 ).

Если эти ошибки не выявляются и не устраняются учителем, они могут отрицательно сказаться на понимании преподаваемого материала. Однако анкета, которую мы провели среди академических учителей, показывает, что учителя не осведомлены о проблеме. Они считают, что большинство проблем с интерпретацией, с которыми сталкиваются студенты, происходит из-за отсутствия достаточной предметной подготовки; что это неудача самих студентов. Преподаватели изучаемой группы имеют опыт проведения занятий по физиологии растений. Часто правильно указывали на причины проблем с пониманием исследуемых явлений. Например, они (косвенно) указывали на антропоморфное восприятие тропизмов, указывая на то, что студенты не сочетают фототропизм и гравитропизм с движениями роста растений.

Не было вопроса о том, чтобы прямо спросить академических учителей об их саморефлексии своей работы или методах, которые они используют для обучения, хотя некоторые вопросы были сформулированы как открытые, и их можно было рассматривать как косвенный метод опроса об их размышлениях. Мнения профессорско-преподавательского состава в значительной степени соответствовали данным, собранным с помощью инструмента исследования 2, с точки зрения роста знаний студентов после проведенных занятий, но не могут считаться релевантными для объяснения роста заблуждений. Наблюдаемые результаты вдохновили нас сформулировать новые области для поиска объяснений, связанных с преподаванием и / или методами обучения, используемыми в университете. Незнание учителями трудностей учащихся может отразиться на феномене, называемом «проклятие знаний», термин, предложенный Камерером и соавторами. [ 49]. Мы приняли его после Берча и Блума [ 50 ] и Берча и Бернштейна [ 51], и «используйте его для обозначения тенденции быть предвзятым собственным текущим состоянием знаний при попытке оценить более наивную точку зрения, независимо от того, является ли эта более наивная точка зрения собственной более ранней точкой зрения (как в предвзятости ретроспективного взгляда) или чужой. перспектива". Его можно применить к ситуации, когда учителям трудно обучать новичков, потому что они не могут поставить себя на место ученика. Кажется, что теперь ученые находятся в таком положении, что их следует поддержать семинарами по преподаванию, дидактике и педагогике. Такие семинары были бы целесообразны, чтобы помочь визуализировать важность проблемы. Кажется, что такая деятельность для ученых, участвующих в обучении, могла бы быть «семинарами по повышению осведомленности», где они могли бы познакомиться не только с некоторыми методами обучения, но и с теорией конструктивизма, новое исследование нейробиологических аспектов работы мозга во время обучения и способов обучения людей. Это ясно указывает на пробелы в обучении, когда учителя думают, что «наши ученики недостаточно усердно учатся».

Необходимость размышлений среди ученых также необходима; они должны знать о процессе развития и конструирования знаний, о типах знаний и о роли альтернативных концепций в этом процессе. Рефлексия кажется первым шагом в развитии и работе над собственными знаниями педагогического содержания. Lin et al. писал о видах метапознания, которые требуются профессии учителя [ 52]. Они описали адаптивное метапознание, которое включает в себя изменение самого себя и своего окружения в ответ на широкий спектр социальной и учебной изменчивости в классе, и подчеркнули роль обучения, основанного на важнейших событиях, в учебном процессе. Они утверждали, что необходима целеориентированная стратегия и что выяснение потенциальных целей является начальным критическим шагом в адаптивном метапознании. Затем они подчеркнули роль социальных факторов, сотрудничества и размышлений, особенно в смысле поиска общих целей между учеником и учителем. Наконец, они пришли к выводу, что «метакогнитивное обучение пытается интегрировать как конкретные когнитивные навыки (например, принятие решений для конкретных проблемных ситуаций), так и общие адаптивные и социальные способности (например, глубоко размышляя о том, какие типы информации необходимы или полезны для принятия таких решений) ». Все это должно помочь учителям развить проактивные метакогнитивные способности. В том смысле, который описан в данной статье, разрыв между проблемами студентов с изучением этой темы и восприятием учителем таких проблем поднимает вопрос о важности таких навыков среди исследуемой группы.

Другой вопрос - это то, как учителя воспринимают активное обучение. Они довольно часто предполагали, что активные методы обучения (например, студенты, проводящие эксперименты, следуя заданным инструкциям) - это то же самое, что и активное обучение, поскольку студенты физически вовлечены в процесс. В то время как в активном обучении вовлеченность студентов является отправной точкой, следующей должна быть рефлексия над собственным пониманием содержания [ 46 ]. Учителя понимают, что активное обучение ограничивается физическими упражнениями, что приводит к обманчивому активному обучению, как это, например, описал Кейн [ 53]. В то же время это является аргументом в пользу введения дополнительных педагогических семинаров для академических учителей, чтобы помочь им развить личные ресурсы знаний педагогического содержания.

4.3. В чем проблема?

Такое явление, как рост растений, является примером того, что для полного понимания и изображения это явление необходимо понимать на трех уровнях. Студент, который, как ожидается, узнает о росте растений, должен свободно переключаться между тремя уровнями репрезентации: (1) макроскопическим уровнем, (2) субмикроскопическим уровнем и (3) символическим уровнем. Трудно переключаться между этими уровнями представления, и здесь следует подчеркнуть, что полное понимание многих явлений включает в себя способность устанавливать связи и плавно перемещаться между ними. Ву и Шах доказали, что в области химического образования некоторые концептуальные ошибки студентов были «из-за трудностей в оперировании внутренними и внешними зрительно-пространственными представлениями» [ 54]. С другой стороны, Харрисон и Треагуст в ходе годичного исследования понимания студентами химии обнаружили, что «студенты, которых поощряли использовать« модели множественных частиц », демонстрировали более научное понимание частиц и их взаимодействий, чем студенты, которые концентрировались на« моделях множества частиц ». правильная »или« лучшая аналогичная модель »» [ 55 ]. Их результаты также показали, что когда аналогичные модели представляются на регулярной основе и учащимся предоставляется больше возможностей для изучения значения и использования модели, их понимание абстрактных концепций улучшается. Особенно важно, чтобы учащиеся использовали множество моделей и оперировали на многих уровнях репрезентации, поскольку понимание связей между биологическими системами на макро- и микроуровнях имеет решающее значение для достижения биологической грамотности.

Наше исследование подтверждает выводы известных теорий развития и социальных теорий о том, что знания учащихся о движении растений являются результатом определенных последовательностей упрощений, чрезмерных обобщений и использования устаревших данных [ 26 ]. Четверть студентов сказали, что физиологический эффект гравитропизма заключается в том, что растение удерживается в почве, укореняется и обеспечивает питание. Более того, мы также задаемся вопросом, понимали ли студенты, что тропизм - это реакция растения на движение роста. То, как движутся растения, может показаться настолько пугающим человеческим, что в конце 1700-х - начале 1800-х годов доктор Эразм Дарвин, дед Чарльза Дарвина, предсказал, что у растений есть несколько мозгов, которые могут взаимодействовать с мышцами, чтобы указывать растениям, как расти [ 56]. Возвращаясь к сути проблемы, студенты не замечают движения в этом явлении; они не видят роста, поэтому они не определяют тропизм как реакцию роста-движения. Действительно, наблюдение за движением растений настолько специфично, что в этом случае сдвиг происходит, как правило, в меньшем масштабе, и этот процесс характеризуется динамикой, отличной от динамики движения животных. Игнорируя то, что студенты могли пренебречь своими обязанностями и не усвоили требуемое определение, они не могут интерпретировать явление. Когда человек понимает, тогда он может объяснить: почему это так? Чем объясняются такие события? Как это работает? Как мы можем это доказать? Наши студенты не могут.

Исследование показывает, что знания учащихся фрагментированы, а конкретные понятия, такие как гормоны, реакция на раздражители и тропизм, на самом деле не связаны. У студентов были огромные проблемы с объяснением этого явления в целом, начиная с химической молекулы (ауксина) и заканчивая реакцией растений. Таким образом, мы можем заключить, что их личные знания неструктурированы, то есть в них нет сложных мыслительных конструкций. Компартментализация концепций - распространенная проблема в изучении биологии, которая возникает, когда концепции изучаются с небольшой интеграцией. Студенты могут правильно сформулировать отдельные события, но часто не понимают взаимосвязи между ними [ 9 , 57 , 58 , 59]. Рост и развитие растений объединяют сотни сложных событий (поведенческих, биохимических и молекулярных), которые приводят к чувствительности растений к изменениям окружающей среды. Конечно, у студентов есть некоторая информация, они знают некоторые термины, но они не готовы систематизировать информацию, накапливать свои знания и мыслить в терминах причины и следствия. В исследовании можно увидеть, что простое предоставление информации к уже существующим знаниям не изменяет существующие мысленные конструкции у получателей образовательного процесса - феномен, который впервые был замечен Осборном и Виттроком [ 60 ]. Когда дети приходят в школу, они не похожи на tabula rasa ; у них есть собственное предварительное знание, и, как полагают многие исследователи, учителя должны ознакомиться с ним [ 61, 62 , 63 ].

В процессе обучения нельзя избежать, игнорировать или исключить ни предыдущие знания, ни неправильные представления. И то и другое должно быть идентифицировано, сопоставлено в процессе активного преподавания / обучения и перенесено в научное знание [ 64 ]. Предыдущие знания и заблуждения - это ресурсы для построения более точного и сложного научного понимания. Следовательно, заблуждения следует рассматривать как основу будущих научных знаний. В процессе формального образования заблуждения должны эффективно устраняться посредством процесса обучения. Следовательно, эти концепции не являются неправильными идеями, которые нужно зафиксировать, а скорее обычными способами мышления учеников и студентов, которые могут быть важными отправными точками для преподавания и обучения [ 65]. В процессе вовлечения учащихся в активное обучение и обратную связь с учителями есть шанс реконструировать их концепции в научно обоснованные идеи [ 66 ].

Почему же тогда так трудно изменить наивные представления? Один из возможных ответов заключается в том, что они создаются в течение длительного периода времени или представляют собой первые знания детей, поэтому они глубоко укоренились в качестве идей до обучения. Наивные знания часто основываются на информации, передаваемой родителями, СМИ и учителями, когда они пытаются ответить на вопросы детей. Это неизбежно. Осведомленность учителей о концепциях предварительного обучения учащихся может способствовать улучшению преподавания. Мы знаем, что на очень ранней стадии развития люди развивают свои собственные предубеждения более успешно, чем обучение и обучение, когда мы интегрируем альтернативные модели посредством обсуждения и экспериментов, чтобы студенты могли убедиться, что новая научная модель более точна и эффективна. Все школьные заблуждения должны быть отражены, по сравнению с научным объяснением и экспериментальным путем показывать неточность. Учитель может опровергнуть ошибочные представления с помощью моделей, экспериментов и методов обучения / обучения, ориентированных на решение проблем [67 ]. Заблуждения - важные источники понимания процесса мышления учащихся, которые могут направлять учителя в процессе обучения. Майер и Томпсон показали, что то, чему мы учим студентов, и то, что они на самом деле изучают, могут сильно отличаться [ 2 , 68 ]. В процессе обучения преподаватели должны выявить заблуждения и начать процесс обучения, позволяя учащимся овладеть новым языком через опыт, обсуждение и критическое мышление [ 69 , 70 ].

В случае наличия фрагментированных знаний студенты не могут проверить альтернативные концепции в ходе курса, но, как показало наше исследование, они могут построить новые знания на основе старых концепций. Увеличение количества альтернативных концепций может свидетельствовать о том, что учащиеся знакомы с новой информацией и по-новому взглянули на это явление; однако этот процесс привел к формированию новых ошибочных убеждений и показывает отсутствие надежной структуры их знаний. Если мы ничего не сделаем, искаженное определение терминов, связанных с движением растений, которое находится в сознании учащихся и было сформировано вместе с созданными ими личными знаниями (это их имманентная часть), будет препятствием для определения и понимания обсуждаемые термины академически,

Как отмечает Sever et al. [ 70 ] утверждали, что обучение науке обычно основывается на концепциях, поэтому эксперименты и наблюдения должны быть важным методом, широко используемым в классах, чтобы учащиеся могли визуализировать эти концепции в своем сознании. Однако, как постулировал Майер, активное преподавание не обязательно означает активное обучение [ 2]. Наше исследование подтверждает этот тезис. Хотя проведение экспериментов считается активным способом обучения, учащихся не всегда приводят к концептуальным изменениям в отношении растений как живых организмов, которые движутся. Одним из способов решения этой проблемы было бы введение в процесс преподавания и обучения трех шагов, рекомендованных Майером, а именно: (1) правила решения проблем с некоторой свободой для учащихся, позволяющие им стать когнитивно активными в процессе осмысления; (2) обучение стратегиям сохранения и (3) обучение концепциям программирования [ 2]. Возможно, одна из проблем заключается в том, что занятия проходят в искусственной лабораторной среде. Процесс больше похож на наблюдение, чем на настоящий эксперимент. Студенты не вводят никаких гипотез или сложных познавательных действий в лабораторные упражнения; они просто следуют инструкциям протокола. Таким образом, настоятельно рекомендуется первое предложение, данное Майером, чтобы сделать это упражнение более исследовательским [ 2 ]. Sever et al. [ 70] показали в своих исследованиях, что не было значительной разницы в эффективности демонстрационного или записанного на видео формата эксперимента. Однако Sever et al. не изучали эффективность обучения, проводя эксперименты, которые могут активировать учащихся в познавательном процессе, или вводя проблемно-ориентированное обучение.

Оценка альтернативных концепций как личных теорий и элементов личных знаний у студентов-биологов имеет решающее значение для его успеха. Согласно теории схем, то, что мы понимаем, зависит от того, что мы уже знаем [ 61 ]. Учитывая, что предыдущие знания учащегося создают условия, необходимые для построения надежных знаний, диагностика альтернативных концепций является инструментом, позволяющим учителю узнать о предыдущих знаниях учащихся.