Utforskende arbeidsmåter i naturfag i grunnskolelærerutdanningen

Abstract

Utforskende arbeidsmåter (UA) har fått økt oppmerksomhet i skolens naturfag (Kunnskapsdepartementet, 2019), og derfor bør naturfaglærerutdanningen gi lærerstudenter erfaringer med og innsikt i hvordan UA kan tas i bruk med egne elever. Målet med avhandlingen er å undersøke hvordan UA blir brukt innen naturfag i grunnskolelærerutdanningen og å videreutvikle bruken av denne undervisningstilnærmingen. Avhandlingen søker å besvare problemstillingen: Hvordan kan man forberede grunnskolelærerstudenter på å bruke UA til å støtte elevers læring i naturfag? Avhandlingens teoretiske rammeverk er basert på den dobbeltdidaktiske dimensjonen (Ellebæk et al., 2022; Nielsen, 2023) og begrepet kunnskapsområder (knowledge domains). Rammeverket om kunnskapsområdene omfatter det epistemiske, det konseptuelle, det sosiale og det prosedurale kunnskapsområdet (Duschl, 2008; Furtak et al., 2012), samt det pedagogiske (Crawford & Capps, 2018) og det affektive (Jones & Leagon, 2014), ettersom fokuset her i avhandlingen er koblet til lærerutdanningen. Avhandlingen består av fire artikler. Artikkel 1 er en systematisk litteraturgjennomgang, der 142 studier ble undersøkt om hvordan UA i naturfag i grunnskolelærerutdanningen blir brukt, og hvilke resultater man oppnår gjennom slik arbeidsmåte. Resultatene viser at UA implementeres både gjennom utforskende læring (inquiry-based learning) og utforskende undervisning (inquiry-based teaching). Få studier belyste overgangen mellom disse. I tillegg ble UA benyttet hovedsakelig innenfor det konseptuelle, det prosedurale, det pedagogiske og det affektive kunnskapsområdet; det var færre studier som fokuserte på det epistemiske og det sosiale området. Resultatet fremhever fordeler og utfordringer ved å inkludere UA i naturfag i grunnskolelærerutdanningen. Det blir diskutert fruktbare måter å implementere UA på i naturfag i grunnskolelærerutdanningen, og det blir foreslått områder for fremtidig forskning. I artikkel 2 ble det undersøkt hvordan norske grunnskolelærerutdannere reflekterte over UA i naturfag i grunnskolelærerutdanningen. Gjennom syv fokusgruppeintervjuer kom det fram at UA brukes på forskjellige måter og i forskjellig omfang. Lærerutdannere prioriterte å gi lærerstudenter en teoretisk innføring av UA og å modellere UA gjennom enkeltstående eksempler. UA der studenter var i lærerrollen, og refleksjon over UA, ble mindre prioritert. Basert på funnene blir det gitt anbefalinger om hvordan UA kan implementeres i naturfag i grunnskolelærerutdanningen. I artikkel 3 ble det identifisert hvilke kjennetegn på UA i naturfag lærerstudenter vektla i refleksjonsnotater ved begynnelsen og slutten av et naturfagemne i lærerutdanningen. Studentenes beskrivelser ble kategorisert i Lærerens rolle, Elevenes rolle og Målet med UA. I Lærerens rolle ble læreren først beskrevet som en tilrettelegger for praktiske aktiviteter, og ved endt emne beskrevet mer som en veileder i utforskende aktiviteter. I Elevens rolle ble elevene først beskrevet som aktive deltagere der de tar i bruk en «prøve-og-feile»-metode, mens ved endt emne var elever fremdeles aktive, men nå i en forskerrolle. I Målet med UA beskrev lærerstudentene først at UA dreide seg om tilegnelse av fagkunnskap, mens ved endt emne beskrev de at UA handlet om naturvitenskapelige praksiser og tenkemåter. Beskrivelsene blir drøftet opp mot sentrale ideer for UA og det epistemiske, det konseptuelle, det sosiale og det prosedurale kunnskapsområdet. I artikkel 4 ble det utviklet et undervisningsopplegg som ga lærerstudenter erfaringer med didaktiske modeller og støttestrukturer i utforskende undervisning. Undervisningsopplegget baserer seg på Argument-Driven Inquiry (ADI), og studentene skulle undersøke et ukjent innhold i en bøtte og lage og bearbeide naturvitenskapelige argumenter om bøttas innhold. Studien undersøkte også hvordan undervisningsopplegget la til rette for studentenes naturvitenskapelige argumentasjon. Analysen av studentenes argumentasjon viser at gruppene var ulike når det gjaldt om de argumenterte for innholdet i bøtta som helhet eller som bestanddeler – og dette påvirket diskusjonene deres. En helhetlig tilnærming til bøttas innhold økte lærerstudentenes mulighet for systemtenkning og læring på et høyere nivå. På bakgrunn av analysen blir det presentert et revidert undervisningsopplegg med støttestrukturer. Avhandlingen bidrar til forskningsfeltet og naturfaglærerutdanningen, både gjennom en omfangsrik litteraturgjennomgang i artikkel 1 på bruk av UA i lærerutdanninger og gjennom utvikling, på grunnlag av litteraturgjennomgangen, av et todimensjonalt rammeverk. Rammeverket har teoretiske og metodologiske bidrag som åpner for nye perspektiver i analysen. Avhandlingen gir også empiriske bidrag i artikkel 2 og 3, som belyser hvordan UA i naturfag blir implementert og oppfattet i norsk grunnskolelærerutdanning, samt gjennom utvikling av undervisningsopplegget i artikkel 4. Avhandlingen kan inngå i et kunnskapsgrunnlag for videre forskning på hvordan grunnskolelærerstudenter kan bli bedre på å bruke UA til støtte for elevers læring. Resultatene kan også ha innflytelse på videreutvikling av etter- og videreutdanningskurs for naturfaglærere. Selv om de empiriske studiene er fra en norsk kontekst, bidrar avhandlingen til den generelle kunnskapen i det internasjonale forskningsmiljøet om hvordan UA implementeres i lærerutdanninger i ulike land, og de kan dermed påvirke internasjonal praksis for forberedelse av grunnskolelærerstudenter på å bruke UA i naturfag.

Inquiry-based science education (IBSE) has received increased attention in science education (Kunnskapsdepartementet, 2019), and therefore, science teacher education should provide pre-service teachers (PSTs) with experiences and insights into how IBSE can be utilized with their own students. The aim of this dissertation is to investigate how IBSE is employed within science teacher education for primary and lower secondary levels (years 1-10) and to further develop the use of this approach. The dissertation seeks to answer the research question: How can PSTs in science teacher education be prepared to use IBSE to support students' learning in science? The theoretical framework of the dissertation is based on the double didactic triangle (Ellebæk et al., 2022; Nielsen, 2023) , and the concept of knowledge domains. The framework of knowledge domains encompasses the epistemic, conceptual, social, and procedural knowledge domains (Duschl, 2008; Furtak et al., 2012), as well as the pedagogical (Crawford & Capps, 2018) and affective domains (Jones & Leagon, 2014), given that the focus of the dissertation is connected to teacher education. The dissertation consists of four articles. Article 1 is a systematic literature review, examining 142 studies on the research on IBSE in PST education to investigate how and with which outcomes IBSE is used. The results indicate that the PSTs work with inquiry in the role of learner (inquiry-based learning, IBL) and in the role of teacher (inquiry-based teaching, IBT). Few studies addressed the transition between these two roles. Additionally, IBSE was primarily used within the conceptual, procedural, pedagogical, and affective knowledge domains, whereas fewer studies addressed the epistemic and social domains. The findings highlight both the benefits and challenges of incorporating IBSE in PST education. The article discusses fruitful ways of implementing IBSE in PST education and suggests areas for future research. In Article 2, the study examined how Norwegian teacher educators reflected on how IBSE is implemented in PST education. Through seven focus group interviews, it revealed that IBSE is implemented in different ways and to different extents. Teacher educators prioritized providing PSTs with a theoretical introduction to IBSE and modeling IBSE through specific examples. Less emphasis was placed on IBSE where PSTs was in the teacher role and on reflection on IBSE. Based on the findings, recommendations for how IBSE can be implemented in PST education are provided. In Article 3, the study identified which descriptions of IBSE the PSTs emphasized at the start and end of a science education course in PST education. The PSTs' perspectives were categorized within three areas: The Teacher's Role, The Students' Role, and The Objective of IBSE. In The Teacher's Role, the teacher was initially described as a facilitator of practical activities, but by the end of the course, the teacher was more frequently described as a guide in inquiry-based activities. In terms of The Students' Role, they were initially described as active participants employing a "trial and error" approach, whereas by the end of the course, students were still active but now in a researcher role. Regarding The Objective of IBSE, PSTs initially described it as the acquisition of subject knowledge, but by the end of the course, they described it as involving scientific practices and scientific thinking. The descriptions are discussed in relation to the central ideas of IBSE and the epistemic, conceptual, social, and procedural knowledge domains. In Article 4, an inquiry-based activity was developed to provide PSTs with experiences with educational models and scaffolding in IBT. The activity is based on Argument-Driven Inquiry (ADI), and the PSTs investigated an unknown content in a bucket and developed and refined scientific arguments about the bucket's contents. The study also explored how the activity facilitated PSTs' scientific argumentation. The analysis of the PSTs' arguments show that they differed in whether they argued for the bucket's contents as an entity or individual items of the bucked. This affected their discussions. A holistic approach to the facilitated PSTs' scientific argumentation bucket's contents enhanced the PSTs' opportunities for systems thinking and higher-level learning. Based on the analysis, a revised teaching activity with additional scaffolding is presented. The dissertation contributes to the research field and PST education through an extensive literature review in Article 1 on the use of IBSE in PST education and through the development of a two-dimensional framework based on this review. The framework offers theoretical and methodological contributions that provide new perspectives for analysis. Additionally, the dissertation provides empirical contributions in Articles 2 and 3, which shed light on how IBSE is implemented and perceived in Norwegian PST education. Furthermore, it includes the development of an inquiry-based activity in Article 4. The dissertation can serve as a foundation for further research on how PSTs in science teacher education for primary and lower secondary levels (years 1-10) can be better equipped to use IBSE to support student learning. The findings may also influence the development of professional development courses for science teachers. Although the empirical studies are based in a Norwegian context, the dissertation contributes to the broader knowledge within the international research community regarding the implementation of IBSE in PST education across different countries. As such, the findings have the potential to impact international practices in preparing PSTs in science teacher education for primary and lower secondary levels (years 1-10) to effectively utilize IBSE in science education.