oppimisaihiot ja simulaatio oppimisessa/tomi jaakkola

Oppimisaihiot ja simulaatiot opetuksessa ja oppimisessa

Tomi Jaakkola Oppimistutkimuksen keskus

9.11.2010 Heureka | Oppimisaihiot ja simulaatiot | [email protected]

Esityksen sisältö I Oppimisaihiot §  Aihion määritelmä §  Aihiotyyppejä §  Perusteita aihioiden käyttöön §  Aihiovarannot (mistä aihioita löytyy ja miten käyttää) II Simulaatio(aihio)t §  Simulaation määritelmä §  Perusteita simulaatioiden käyttöön §  Tutkimuksia simulaatioaihioiden käytöstä ja

tehokkuudesta opetuksessa ja oppimisessa III Yhteenveto Kirjallisuutta


I Oppimisaihiot


Mikä “Oppimisaihio”? §  Engl. Learning Object (LO)‏ §  Monta määritelmää:

§  Any entity - digital or non-digital - that may be used for learning, education or training (IEEE, 2002)

§  Any digital resources that can be reused to support learning (Wiley, ‏(2002

§  Web-based interactive chunks of e-learning designed to explain a stand-alone learning objective (CETL, 2005)‏

§  Tavallisimmin oppimisaihio ymmärretään digitaaliseksi, (sisällöltään tai kestoltaan) suhteellisen pienikokoiseksi materiaaliksi, jota on mahdollista jakaa Internetin välityksellä ja käyttää erilaisissa oppimis- ja opetuskonteksteissa


Erilaisia oppimisaihioita Ilomäki (2004)

§  Arviointi (assessment) §  Harjoitusohjelma (drill-and-practice) §  Kokeilu (exploration; sis. simulaatiot) §  Opas (guide) §  Sanasto (glossary) §  Tietolähde (information resource) §  Työkalu (tool)


Miksi oppimisaihioita?

1. Opetuksen monipuolistaminen ja tehostaminen §  Teknologian tarjoama mahdollisuus havainnollistaa ja

mallintaa monimutkaisia (ja vaarallisia / harvinaisia) ilmiöitä

§  Valmiina olevat sisältöaihiot eri aihepiireihin toimivat ajattelun ja keskustelun virittäjinä [esim. ”tyhjät” / tekstipohjaiset yhteisöllisen oppimisen ympäristöt (oppimisalustat) liian vaativia jokapäiväiseen käyttöön]

§  Motivointi (vaihtelevien opetusmateriaalien ja -menetelmien hyödyntäminen)



2. Joustavuus §  “Pieniä” materiaalipalasia (aihioita) on mahdollista liittää

yhteen lukemattomilla eri tavoilla ja käyttää joustavasti erilaisissa (uusissa) opetuksen ja oppimisen konteksteissa (Lego-metafora)‏

=> olennaisen sisällön esittäminen => sisällön räätälöinti yksittäisen oppijan tarpeisiin

§  Huom! On keskeistä varmistaa, että opiskelija hahmottaa

”palasista” koostuvan kokonaisuuden



3. Materiaalien uudelleenkäyttö §  Verkosta löytyy tuhansia materiaaleja (aihioita) jotka ovat

vapaasti käytettävissä opetukseen ja oppimiseen §  Valmiina olevien materiaalien hyödyntäminen opetuksessa ->

opetusresurssien vapautuminen esim. oppilaiden ohjaamiseen ja oppimisprosessin tukemiseen

§  Standardit (mm. IEEE LOM, ADL SCORM, IMS CP) varmistavat, että aihioita on mahdollista löytää (metadata), (uudelleen)käyttää erilaisissa ympäristöissä, ja siirtää alustojen välillä (technical interoperability)

§  Helppokäyttöisyys (toimivat pääsääntöisesti suoraan Internet-selaimessa)


Linkkejä “vapaisiin” aihiovarantoihin

§  EDU.fi (Opetushallitus)‏

§  LRE (European Schoolnet)‏

§  Linkkivinkki (TOP-keskus)

§  PhET (Interactive Science Simulations) §  MERLOT (Multimedia Educ. Resource for Learning and Online Teaching)

§  GEM (Gateway to Educational Materials)‏

§  BBC Learning (British Broadcasting Company)‏

§  MIT Open Course Ware (Massachusetts Institute of Technology)‏

§  ELERA (eLearning Research and Assessment Network)

§  YouTube EDU §  iTunes U (Podcasts and videos | iTunes oltava asennettuna)‏

§  Google search

suomenkielisiä


1. Materiaalin tuottaminen ja (alkuperäinen) käyttö

Oppimisaihiot, varannot ja oppimisalustat

Alusta x

Oppimisaihio-varanto

PhET


EDU.fi

3. Materiaalin haku

4a. Itsenäinen informaali

verkko-opiskelu 4b. Osallistuminen valmisteltuun opetukseen


Varanto x

2. Materiaalin julkaisu

WorkMates

4. Materiaalin (uudelleen)käyttö Moodle


1

2

3

4

5

6

7


II Simulaatio(aihio)t


Mikä simulaatio(aihio)?

§  Tietokoneohjelma, joka mallintaa (usein hieman yksinkertaistetusti) jonkun (todellisen tai kuvitteellisen) järjestelmän, ilmiön tai tilanteen tavoitellen realistisuutta

§  Oppijalla mahdollisuus tutkia, testata ja rakentaa §  Reagoi oppijan toimintaan reaaliaikaisesti ja

autenttisesti Toiminnallinen simulaatio: Päätavoitteena taitojen oppiminen

Käsitteellinen simulaatio: Päätavoitteena tietojen oppiminen


Miksi (interaktiivisia) simulaatioaihioita? §  Mahdollisuus havainnollistaa ja mallintaa monimutkaisia ilmiöitä eri

abstraktiotasoilla §  Ilmiön ymmärtämisen kannalta keskeisten ominaisuuksien korostaminen

§  Tutkiva oppiminen (inquiry learning) §  Oppimisen sitominen oppilaan kokemusmaailmaan

Traditional instruction is often abstract and unrelated to children’s knowledge base (Triona & Klahr, 2003)

§  Opiskelija aktiiviseksi oman ymmärryksen rakentajaksi (tekemällä / kokeilemalla oppiminen)

In inquiry learning environment, a domain is not directly offered to learners; instead, learners are required to induce the properties of the domain from their own experiments in the domain (de Jong, 2006)

§  Käsitteellisen muutoksen tukeminen §  Parempi tietoisuus omista ajatteluvirheistä ja puutteista -> ristiriita

omien odotusten / käsitysten ja simulaatiolta saadun palautteen välillä §  Simulaatiot näyttävät tuottavan vähintään yhtä hyviä oppimistuloksia

kuin perinteiset materiaalit / menetelmät


Zacharia, Z.C., & Constantinou, C.P. (2008). Comparing the Influence of Physical and Virtual Manipulatives in the Context of the Physics by Inquiry Curriculum: The Case of Undergraduate Students’ Conceptual Understanding of Heat and Temperature. American Journal of physics, 76(4&5), 425-430.

§  68 yliopisto-opiskelijaa Kyprokselta §  Aiheena lämpö ja lämpötila §  2 työskentely-ympäristöä

§  Perinteinen laboratorio (oikeat välineet) §  Tietokonesimulaatio (ThermoLab)

§  Tulokset: §  Käsitteellinen ymmärrys kehittyi merkitsevästi molemmissa

ympäristöissä §  Ympäristöt yhtä tehokkaita


Klahr, D., Triona, L. M., & Williams, C. (2007) Hands On What? The Relative Effectiveness of Physical vs. Virtual Materials in an Engineering Design Project by Middle School Children. Journal of Research in Science Teaching, 44, 183-203.

§  56 yläkoulun oppilasta §  Aiheena kinetiikka

§  “Rakenna vieteriauto, joka kulkee mahdollisimman pitkän matkan”

§  4 työskentely-ympäristöä §  Perinteinen laboratorio (”oikeat” autot), rajallinen määrä kokeiluja §  Tietokonesimulaatio (virtuaaliset autot), rajallinen määrä kokeiluja §  Perinteinen laboratorio, rajallinen aika kokeiluihin §  Tietokonesimulaatio, rajallinen aika kokeiluihin

§  Tulokset §  Oppimistulokset tasavertaisia kaikissa ympäristöissä

§  Rakennetun auton kulkema matka §  Mm. ymmärrys, mitkä tekijät vaikuttavat auton kulkemaan matkaan

§  Auton rakentaminen ja testaaminen virtuaalisesti yli 3x nopeampaa


Finkelstein et al., (2005). When learning about the real world is better done virtually: a study of substituting computer simulations for laboratory equipment. Physical Review Special Topics - Physics Education Research, 1, 010103.

§  363 yliopisto-opiskelijaa USA:sta §  Aiheena virtapiirit §  3 työskentely-ympäristöä

§  Perinteinen laboratorio (oikeat välineet) §  Tietokonesimulaatio

§  Havainnollistaa virran kulun

§  Oppikirja §  Tulokset:

§  Simulaation avulla työskennelleet oppilaat menestyivät paremmin virtapiirien toiminnan ymmärtämistä mittaavassa lopputestissä kuin oikeilla virtapiireillä (laboratorio) harjoitelleet oppilaat. He olivat myös taitavampia rakentamaan oikeita virtapiirejä ja perustelemaan sen toimintaa

§  Molemmat em. ryhmät menestyivät lopputestissä paremmin kuin oppikirjan avulla työskennelleet oppilaat


Pois perinteinen–virtuaalinen-vastakkainasettelusta

§  Tutkimuskirjallisuudessa on perinteisesti kiistelty ja kilpailtu perinteisten ja virtuaalisten (aihiot) oppimateriaalien käytön paremmuudesta

§  Uusimmat tulokset viittaavat kuitenkin siihen, että perinteisten ja virtuaalisten materiaalien yhteiskäyttö edistää käsitteellisen ymmärryksen syntymistä tehokkaammin kuin kumpikaan materiaali yksinään (mm. Jaakkola & Nurmi, 2008; Jaakkola et al., in press; Zacharia, 2007; Zacharia et al, 2008.)


Zacharia, Z.C., Olympiou, G., & Papaevripidou, M. (2008). Effects of Experimenting with Physical and Virtual Manipulatives on Students’ Conceptual Understanding in Heat and Temperature. Journal of Research in Science Teaching, 45(9), 1021-1035.

§  68 yliopisto-opiskelijaa Kyprokselta §  Aiheena lämpö ja lämpötila §  2 työskentely-ympäristöä

§  Perinteinen laboratorio (oikeat välineet) §  Laboratorio–simulaatio–yhdistelmä

§  Ns. Sequential combination §  Työskentely alkuun oikeilla välineillä (50%) §  Vaihto puolivälissä simulaatioon (50%)


ympäristöissä §  Yhdistelmäympäristössä työskennelleiden oppimistulokset merkitsevästi

korkeampia kuin laboratorioryhmällä


Zacharia, Z.C. (2007). Comparing and combining real and virtual experimentation: An effort to enhance students’ conceptual understanding of electric circuits. Journal of Computer Assisted Learning, 23 (2), 120–132.

§  90 yliopisto-opiskelijaa Kyprokselta §  Aiheena virtapiirit §  2 työskentely-ympäristöä

§  Perinteinen laboratorio (oikeat välineet) §  Laboratorio-simulaatio-yhdistelmä

§  Työskentely alkuun oikeilla välineillä (2/3) §  Loppupuolella vaihto simulaatioon (1/3)


ympäristöissä §  Kuten edellisessä tutkimuksessa, yhdistelmäympäristössä

työskennelleiden oppimistulokset merkitsevästi korkeampia kuin laboratorioryhmällä


Jaakkola, T. & Nurmi, S. (2008). Fostering Elementary School Students' Understanding of Simple Electricity by Combining Simulation and Laboratory Activities. Journal of Computer Assisted Learning, 24(4), 271-283.

§  64 suomalaista alakoulun oppilasta §  Aiheena virtapiirit §  3 ympäristöä

§  Laboratorio §  Simulaatio §  Simulaatio-laboratorio-yhdistelmä

§  Ns. parallel combination §  Jokainen virtapiiri ensin simulaatiolla (100%) §  Heti perään oikeilla välineillä (100%) §  Taustana mm. analogical encoding –periaate (Gentner et al., 2003)

§  Tulokset §  Oppimistulokset yhdistelmäympäristössä paremmat kuin laboratorio- ja

simulaatioympäristössä §  Laboratorio- ja simulaatioympäristön välillä ei tilastollista eroa oppimistuloksissa


Yhteenveto

§  Oppimisaihiot tarjoavat joustavuutta ja monipuolisuutta opetukseen ja oppimiseen

§  Aihioiden avulla mahdollista havainnollistaa monimutkaisia ilmiöitä ja tietyissä tilanteissa myös tehostaa (nopeuttaa) opetusta

§  Aihioita ja perinteisiä menetelmiä ei tulisi nähdä kilpailevina menetelminä vaan toisiaan täydentävinä opetuksen ja oppimisen elementteinä


§  Oppimisaihiot eivät ole lähtökohtaisesti hyviä tai huonoja -> erilaiset aihiot tarjoavat erilaisia mahdollisuuksia opetukseen ja oppimiseen

§  Pedagogisilla ratkaisuilla keskeinen vaikutus oppimisaihioiden avulla tapahtuvaan oppimiseen -> Oppimisprosessin tukeminen §  Esim. de Jong ja van Joolingen (1998; de Jong, 2006; Mayer,

2004) havaitsivat laajassa tutkimuskatsauksessaan, että aihiotyöskentelyn ympärille rakennetuilla tukitoimilla keskeinen vaikutus oppimistuloksiin -> Strukturoidumpi ympäristö tukee oppilaiden oivaltamista ja työskentelyä pääsääntöisesti paremmin kuin vähän strukturoitu.

Yhteenveto


Tulevaisuuden haasteita

§  Aihioiden käytön lisääminen opetuksessa §  Oikean tasapainon löytäminen aihioiden ja

“perinteisten” materiaalien opetuskäytölle §  Hyvien opetuskäytänteiden ja materiaalien

jakaminen


Kirjallisuutta §  Sähköä opetukseen! Digitaaliset oppimateriaalit osana oppimisympäristöä. L. Ilomäki

(toim.). Vammala: Opetushallitus. (ilmaisena verkossa) §  Uusittu painos tulossa

§  Handbook of Research on Learning Design and Learning Objects: Issues, Applications and Technologies. L. Lockyer, S. Bennett, S. Agostinho & B. Harper (toim.). Information Science Reference.

§  Oppimisen teoria ja teknologian opetuskäyttö. S. Järvelä, P. Häkkinen & E. Lehtinen (toim.). WSOY.

§  de Jong, T. (2006). Computer simulations: Technological advances in inquiry

learning. Science, 312, 532-533. §  Jaakkola, T. & Nurmi, S., Veermans, K. (in press). A Comparison of Students’

Conceptual Understanding of Electric Circuits in Simulation Only and Simulation-Laboratory Contexts. Journal of Research in Science Teaching.

§  Wieman, C. E., Adams, W. K , & Perkins, K. K. (2008). PhET: Simulations that enhance learning. Science, 322 (5902), 682 – 683.