Diversity and science teacher education : supporting practices for better student achievement

Abstract

Classrooms are becoming more diverse and the number of low achieving students is continuously increasing. About 20% of European 15-year-old-children are not at the required educational levels. There are many reasons for students’ low achievement such as negative attitudes, immigrant or low socio-economic backgrounds, learning difficulties etc. Furthermore, students find that science and especially chemistry is boring, uninteresting, irrelevant and difficult. Nevertheless, low achievement can have critical consequences for the entire society, if students are unable to participate in it as equal citizens, make rational and sustainable decisions or be sufficiently qualified for working life demands. Accordingly, more research is needed, how low achieving students could be supported in diverse classrooms.

Science teachers tend have more negative beliefs towards student diversity and teaching practices in diverse classrooms compared to subject teachers. That is crucial, because teachers' beliefs and practices can affect students' achievement. The aim of this thesis is to understand, how science, and especially chemistry teachers could be better supported and prepared for diversity and better student achievement during their entire careers. The main research question is: What is the relationship between student achievement and teachers' beliefs about diversity and science teaching practices for diverse students? In order to answer to the main research question, three subquestions are asked. Firstly, low achieving students' thoughts about chemistry and chemistry teaching practices compared to other students is analyzed. The second question clarifies, how does the STSE-based school-industry collaboration affect to pre-service science teachers' beliefs about their future practices. The third question is about pre- and in-service teachers' beliefs about teaching chemistry in diverse classrooms.

This thesis consists of three interconnected studies and one descriptive report (I-IV). Study I describe what is the connection between students' low achievement and most preferred teaching practices compared to other students. Since there was a clear evidence of the fact, that all students in spite of their achievement levels preferred industry visits, it was chosen to be a main topic in study II. In that study, the connection between pre-service teachers' beliefs and STSE-based teaching practices were examined in a context of school-company collaboration and visits. Since pre-service teachers' beliefs were significantly improved after the STSE-based course, the following descriptive report III concentrated on science teacher education and how it could be developed in order to prepare future chemistry teachers for diversity. Furthermore, the last study IV is about the in-service chemistry teachers' beliefs about their work in diverse classrooms.

The mixed methods approach which includes survey and case-study is used in order to answer the research questions. Data for the survey was collected from 2949 secondary school students with the help of the Finnish National Board of Education (study I). Secondly, the effects of STSE-based teaching practices were carried out in Finland and Slovenia with 42 pre-service chemistry and science teachers (study II). The presented teaching model for teaching diverse students (report III) was based on German and Finnish chemistry teacher education programs. Furthermore, the beliefs of eight in-service science teachers were examined by case-study (study IV).

There is not much national or international research about the topic of this thesis. This thesis presents prominent insights and ideas, how especially low achieving students could be supported by developing science and chemistry teacher education. Accordingly, following suggestions are made: (i) Practices for teaching diverse students have an influence on students' achievement. Therefore, it is beneficial to take students' thoughts into account when activities are planned and implemented. It is worth noticing, that students prefer similar practices in spite of their achievement levels: company visits, using digital implementations and working in groups. (ii) STSE-based teaching practices such as company visits are preferred by diverse students and they also have a positive effect on teachers' beliefs. For that reason, teachers should have regular opportunities to practice those skills in authentic environments. STSE-based teaching material can be also beneficial for diverse students. (iii) In-service teachers do have basic knowledge about diversity, and they use a considerable amount of effort in order to take their students' needs into account. However, they need more support and resources. In conclusion, pre-and in-service teachers' concerns, needs and beliefs should be taken into account, when support for them is planned during their entire career. Teacher support for diversity and better student achievement need both national and international collaboration among teacher educators, pre- and in-service teachers, special education teachers, students, parents and other community members. This has a significant effect on student achievement and the entire society in turn.

Alisuoriutuvien oppilaiden määrä on huolestuttavasti kasvanut luonnontieteissä ja erityisesti kemiassa, joka koetaan monen mielestä tylsäksi, epäkiinnostavaksi ja turhaksi. Negatiivisten asenteiden lisäksi myös erilaiset oppimisvaikeudet sekä oppilaiden kulttuuriset, sosioekonomiset tai akateemiset taustatekijät voivat vaikuttaa koulumenestykseen. On arvioitu, että koulutustaso on riittämätön jopa 20 %:lla 15 -vuotiaalla eurooppalaisella lapsella. Puutteellisilla tiedoilla ja taidoilla voi olla vakavia yhteiskunnallisia vaikutuksia, mikäli oppilas ei kykene aikuisenakaan tekemään oman elämänsä kannalta järkeviä ja kestäviä ratkaisuja, vastaamaan työelämän vaatimuksiin tai toimimaan yhteiskunnan tasavertaisena jäsenenä. Tämän takia on tärkeää tutkia, miten alisuoriutujien tarpeisiin voitaisiin paremmin vastata opetuksen keinoin.

Luonnontieteen opettajilla on negatiivisemmat käsitykset erilaisista oppijoista ja heidän opettamisestaan kuin muilla aineenopettajilla. Tämä on huolestuttavaa, koska opetuksella on keskeinen vaikutus oppilaan koulumenestykseen. Väitöskirjan tavoitteena on selvittää, miten luonnontieteen ja erityisesti kemian opetusta voitaisiin kehittää erilaisten oppijoiden tarpeita vastaavaksi. Päätutkimuskysymyksenä on, miten opettajien käsitykset erilaisista oppijoista heijastuvat heidän opetukseensa ja sitä kautta oppilaiden koulumenestykseen. Ensimmäinen alatutkimuskysymys tarkastelee opetusmenetelmien ja oppilaiden koulumenestyksen välistä yhteyttä. Toinen alatutkimuskysymys liittyy opettajaopiskelijoiden käsitysten ja opetusmenetelmien väliseen yhteyteen, kun menetelmät liittyvät STSE (tiede, teknologia, yhteiskunta ja ympäristö) -aiheisiin, esimerkkinä yritysvierailut. Kolmannessa alatutkimuskysymyksessä selvitetään, millaisia käsityksiä opettajaopiskelijoilla ja kokeneemmilla opettajilla on erilaisista oppijoista ja heidän opettamisestaan.

Tässä väitöskirjassa esitellään kolme toisiinsa liittyvää tutkimusta sekä yksi kuvaileva raportti (I-IV). Tutkimuksessa I on selvitetty erilaisten opetusmenetelmien ja oppilaiden koulumenestyksen välistä yhteyttä. Koska tutkimuksessa havaittiin, että kaiken tasoiset oppilaat pitävät eniten yritysvierailuista ja haluaisivat niitä lisää, vierailut otettiin tutkimuksen II pääaiheeksi. Tutkimuksessa selvitettiin, miten luonnontieteen opettajaopiskelijoiden käsitykset STSE -aiheista ja erityisesti yritysvierailuista muuttuivat aiheeseen liittyvän kurssin aikana. Koska opettajaopiskelijoiden käsitykset muuttuivat merkittävästi positiivisemmiksi kurssin jälkeen, raportissa III kartoitettiin keinoja opettajankoulutuksen kehittämiseksi. Viimeisessä tutkimuksessa IV on tarkasteltu kemian opettajien kokemuksiaan työstä, erilaisista oppijoista sekä heidän opettamisestaan. Raportti ja tutkimus (III ja IV) tuovat yhdessä tärkeää lisätietoa, minkälaista tukea opettajankoulutus voisi tarjota luonnontieteen ja erityisesti kemian opettajille heidän uransa kaikissa vaiheissa.

Tutkimusmenetelmänä käytetään monimenetelmää, johon survey -menetelmä ja tapaustutkimus sisältyvät. Opetushallituksen teettämään survey -tutkimukseen osallistui 2949 yläkoululaista (tutkimus I). Seuraavassa tapaustutkimuksessa (II) kartoitettiin STSE -opetuksen vaikutuksia 42 opettajaopiskelijoiden käsityksiin tutkittiin Suomessa ja Sloveniassa (esimerkkinä yritysvierailut). Oppilaiden erilaisuuden huomioivaa kemian opettajankoulutusta ja opettajaopiskelijoiden kokemuksia on esitelty raportissa III. Tapaustutkimuksessa IV on selvitetty kahdeksan kokeneemman opettajan käsityksiä erilaisista oppijoista ja heidän opettamisestaan.

Tässä väitöskirjassa esitetään seuraavanlaisia ideoita ja ehdotuksia, miten luonnontieteen ja erityisesti kemian opettajia ja opettajaopiskelijoita voitaisiin tukea erilaisuuden ymmärtämisessä ja erityisesti alisuoriutujien opettamisessa: (i) Oppilaiden negatiivisilla asenteilla kemiaa kohtaan ja huonolla koulumenestyksellä on yhteys toisiinsa. Suosituimmat oppiaineet ovat kuitenkin samoja riippumatta siitä, miten hyvin tai huonosti oppilas menestyy. Eniten pidetään vierailuista, digitaalisista sovelluksista ja ryhmätyöskentelystä. Opettaja voi vaikuttaa positiivisesti sekä asenteisiin että koulussa pärjäämiseen tarjoamalla aktiviteetteja, joita oppilaat pitävät kiinnostavina ja tärkeinä. (ii) STSE -aiheinen opetus parantaa opettajien osaamista ja kykyä toimia erilaisten oppijoiden kanssa. Opettaja tarvitsee kuitenkin mahdollisuuksia ja tukea uusien, STSE -aiheisten aiheiden toteuttamiseen. Esimerkiksi oppilaiden suosimat vierailut ja koulu-yritysyhteistyö voivat parantaa paitsi opettajien myös erilaisten oppijoiden kiinnostusta ja menestystä. (iii) Kokeneemmilla luonnontieteen opettajilla on hyvät perustiedot erilaisista oppijoista, ja heidän tukemisekseen käytetään paljon voimavaroja. Opettajat kokevat silti riittämättömyyttä ja kaipaisivat enemmän resursseja ja tukea. Jatkuvaa, koko uran kestävää tukea tarvitaan, jotta opettaja voisi vastata alati muuttuvan yhteiskunnan ja luokkahuoneiden haasteisiin. Yhteistyöverkostoon tulisi kuulua niin opettajankouluttajia, opettajia kollegoineen kuin heidän oppilaitaankin sekä kouluyhteisön ulkopuolella toimivia tahoja. Erilaisuuden ymmärtämisessä ja tukemisessa ei sovi myöskään unohtaa kansainvälisen yhteistyön merkitystä.