Opetusmenetelmän vaikutus meioosin käsitteen oppimiseen

Johdanto

Meioosi on yksi biologian vaikeimmiksi koetuista mutta samalla keskeisimmistä käsitteistä, ja sen oppiminen on edellytyksenä useiden biologisten ilmiöiden ja muiden bio­logian käsitteiden syvälliselle ymmärtämiselle, tieteenalalle tyypillisen ajattelutavan omak­sumiselle sekä alan asiantuntijuuteen kypsymiselle. Biologian opiskelijat kokevat genetiikan usein varsin vaikeaksi biologian osa-alueeksi (esim. Kindfield, 1991; Quinn, Pegg & Panizzon, 2009). Biologialle tunnusomaista on käsitteiden runsaus ja monimutkaisuus (Taylor, 2006). Kaikkiin biologian osa-alueisiin liittyy paljon käsitteitä, ja genetiikassa niitä on erityisen runsaasti. Koska opiskelussa tulee jatkuvasti eteen uusia käsitteitä ja uudet käsitteet edellyttävät yleensä aiemmin opetettujen käsittei­den hallitsemista, opiskelijan edellytykset omaksua uusia käsitteitä ovat varsin huonot, ellei aikaisempiakaan käsitteitä ole opittu riittävän syvällisesti.

Ongelma biologian käsitteiden omaksumisessa on tuttu jo kouluopetuksesta. Graf ja Berck (1998) ovat tutkineet biologian käsitteiden oppimiseen ja opettamiseen liittyviä ongelmia saksalaisissa kouluissa. Heidän mukaansa opetettavien käsitteiden määrä on täysin koh­tuuton käytettävissä olevaan oppituntien määrään suhteutettuna. Biologian oppitunnilla tulee eteen uusia käsitteitä enemmän kuin vieraan kielen oppitunnilla uusia sanoja. Graf ja Berck myöntävät asiakokonaisuuteen liittyvien käsitteiden opiskelun olevan välttämätöntä asian ymmärtämiseksi, mutta ehdottavat opiskeltavien käsitteiden määrän rajaamista ja yhdenmukaistamista – eri oppikirjoissa opiskeltavien käsitteiden määrä vaihtelee jopa mo­ninkertaisesti ja samasta käsitteestä voidaan käyttää useita eri nimityksiä. Esimerkkinä he esittävät opettajan 11. luokka-asteella (16-vuotiaille) jakaman yksisivuisen meioosia kos­kevan monisteen, jossa esiintyy peräti 41 biologian käsitettä. Heidän mukaansa suurin osa näistä käsitteistä voitaisiin jättää mainitsematta, jolloin tärkeimpien käsitteiden omak­suminen helpottuisi.

Suomen lukioissa noudatettavan opetussuunnitelman biologiaa koskevien yleisten tavoit­teiden perusteella opiskelijan pitäisi biologian kurssit suoritettuaan hallita biologian keskei­set käsitteet (Opetushallitus, 2003). Arvioinnin perusteena puolestaan on muun muassa opiskelijan kyky hallita ja käyttää biologian keskeisiä käsitteitä. Meioosin käsite tulee suomalaisen opiskelijan eteen ensimmäistä kertaa lukion toisen pakollisen biologian kurssin ”Solu ja perinnöllisyys” yhteydessä. Voimassa olevassa opetussuunnitelmassa periytymisen pe­rusteet määritetään yhdeksi keskeisistä sisällöistä ja sukusolujen synty meioosissa maini­taan tässä kokonaisuudessa erityisesti oppimisen kohteena (Opetushallitus, 2003).

Vaikka lukion opetussuunnitelman tavoitteet ovat kunnianhimoisia ja yliopiston biologian koulutusohjelmiin on vaikea päästä opiskelemaan, käytännön kokemus on osoittanut, että biologian perusopintoja suorittavat opiskelijat hallitsevat biologian keskeisiä käsitteitä huonosti (Kindfield, 1991). Meioosi on yksi näistä käsitteistä (Quinn ym., 2009). Opiskelijoilla ei ole aina itsellään ko­vin realistista kuvaa siitä, miten he hallitsevat opinnoissa esiin tulleita käsitteitä. Teorian ja käytännön yhdistäminen on opiskelijoille usein hyvin vaikeaa. Opiskelijat saattavat osata toistaa lähes sanasta sanaan oppikirjan kappaleen ja uskoa hallitsevansa asian, mutta kun samaa asiaa pitäisi soveltaa laboratoriossa harjoitustöissä, puutteet ymmärryksessä pal­jastuvat. Vaikeudet teoreettisen tiedon soveltamisessa käytäntöön liittyvät usein siihen, että asiayhteyteen liittyviä käsitteitä ei ole sisäistetty riitävän hyvin. Myös kansainvälisissä tutkimuksissa on havaittu, että biologian ensimmäisen vuoden yliopisto-opiskelijoilla on huomattavia puutteita biologian keskeisten käsitteiden, kuten meioosin, hallitsemisessa (esim. Kindfield, 1991; Quinn ym., 2009; Taylor, 2006).

Valkiaoja (2008) selvitti vertailevassa oppikirjatutkimuksessaan meioosin ja siihen liittyvien käsitteiden oppimista lukion toisella pakollisella biologian kurssilla. Tutkielmassa ilmeni, että oppikirjalla on suuri merkitys käsitteiden oppimisessa. Vaikka käsitteiden oppimisessa ei kokonaisuutena tarkastellen ollut eroa eri oppikirjasarjoja käytettäessä, eri oppikirjat tukivat yksittäisten meioosin alakäsitteiden oppimista eri tavoin.

Quinn kollegoineen (2009) tutki ensimmäisen vuoden biologian opiskelijoiden ymmärrystä mei­oosista käyttäen ”structure of the observed learning outcome” (SOLO) -mallia (esim. Biggs, 1996; Biggs & Tang, 2007), jossa oppimistulokset luokitellaan viiteen hierarkkiseen, struktuuril­taan yhä kompleksisempaan tasoon. Jokainen taso toimii perustana, jolle oppi­misen ete­nemi­nen ja siirtyminen seuraavalle tasolle perustuvat. Tasot sopivat myös hyvin kuvaamaan tie­teenalakohtaisen ajattelun kompleksisuuden kehittymistä ja noviisin (opis­kelijan) ajatte­lu­tavan kehittymistä asiantuntijan ajattelutavaksi. Quinn kollegoineen (2009) totesi ensimmäisen vuoden opiskelijoiden ymmärryksen meioosista olevan usein varsin struktu­roimatonta (en­simmäinen, ”prestructural” taso) tai yltävän korkeintaan toiselle tasolle (”unistructural”), jolla opiskelija kykenee tunnistamaan asioita oikeissa yhteyksissään, ni­meämään, tunnis­tamaan ja niin edelleen. Suomalaisten biologian opiskeli­joiden varsin struk­turoimaton tietämys meioosista muistuttaa hyvin paljon Quinnin kollegoineen (2009) kuvaamaa yh­dysvaltalaisten yliopisto-opiskelijoiden tiedon tasoa.

Meyer ja Land (esim. 2006) ovat hiljattain esitelleet teorian kynnyskäsitteistä kuvaamaan käsitteitä, jotka toimivat kuin portaaleina uudenlaiselle ajattelutavalle ja ymmärrykselle ja joiden hallitseminen on välttämätöntä, jotta oppija voi edetä oppimisessaan. Kynnyskäsit­teen ymmärtäminen edustaa transformoitunutta ymmärtämisen tai tulkinnan tasoa ja as­tumista maailmaan, josta ei ole enää paluuta takaisin. Kyseessä on kynnys, ikään kuin portti, josta on astuttava läpi. Kynnyskäsitteiden omaksuminen voi jopa valmentaa siihen, miten tietyllä tieteenalalla ajatellaan, ja yhä useamman kynnys­käsitteen hallitsemisen voidaan ajatella liittyvän opiskelijan kasvuun noviisista asiantunti­jaksi.

Meioosi on yksi genetiikan ja koko biologian keskeisimmistä käsitteistä. Quinn kollegoineen (2009) toteaa meioosin yhdistävän biologian tärkeitä osa-alueita, kuten soluteoriaa, evoluutiota ja genetiikkaa. Meioosi mahdollistaa eliöiden suvullisen lisääntymisen, on pohjana ominai­suuksien periytymisen geneettisille lainalaisuuksille ja edellytyksenä geneettiselle mo­nimuotoisuudelle, joka puolestaan toimii luonnonvalinnan ja evoluution raakamateriaalina. Meioosi on kuitenkin myös yksi kaikkein vaikeimmiksi koetuista käsitteistä biologiassa (esim. Kindfield, 1991; Quinn ym., 2009). Sitä voinee näin pitää yhtenä biologian kynnyskäsitteistä (Taylor, 2006).

Tässä tutkimuksessa pyritään selvittämään, auttaako totutusta opetustavasta poikkeava opetusmenetelmä tavoiteltujen oppimistulosten saavuttamista. Yhtenä on­gelmana opetuksessa on rajoitettu aika – yksi neljän tunnin työ­kerta – joka on vaikuttanut opetuksen toteutukseen. Opetukseen käytettävään aikaan ei kuitenkaan ole näkyvissä lisäresursseja, joten tutkimusasetelman avulla pyrittiin löytämään tapa, jolla parantaa oppimistuloksia käytettävissä olevassa ajassa. Tutkimuksessa selvitettiin myös opiskelijoiden näkemyksiä totutusta poikkeavan opetuksen mahdollisista eduista.

Tutkimuksen keskeisimpänä elementtinä oli tehtävä, jonka tarkoituksena oli sekä aktivoida opiskelijoiden aikaisempaa tietoa (konstruktivisti­nen strategia, ks. esim. Tynjälä, 1999) että kiinnittää opiskelijoiden huomio välittömän palautteen antamisen kautta niihin seikkoihin, jotka vaativat eniten panostusta opiskelussa, toisin sanoen motivoida opis­keluun ja kehittää metakognitiivisia taitoja. Tehtävä suunniteltiin niin, että siinä pyrittiin ”törmäyttämään” opiskelijoiden käsitykset (esim. Mikkilä-Erdmann, 2001; Mikkilä-Erdmann, Iiskala & Murtonen, 2005) eli saattamaan opiskelijat huomaamaan tiedossaan olevia aukkoja tai virheitä. Näin opiskelijoiden metakognitiivinen tietoisuus (esim. Vermunt, 1996) omasta osaamisesta lisääntyy ja mahdollisuudet oppimiseen paranevat. Lisäksi alussa tehty aktivoiva tehtävä antoi opettajalle tietoa opiskelijoiden osaamisesta.

Biggsin (1996; Biggs & Tang, 2007) SOLO-takso­nomian mukaisesti opiskelijoiden meioosia koskevan tiedon tason pitäisi kurs­sin jälkeen yltää suhteelliselle eli toisiksi ylimmälle tasolle, jossa opiskelija ymmärtää asi­oiden välisiä yhteyksiä ja suhteita ja kykenee näkemään, miten osat muodostavat koko­naisuuksia. Kun opiskeltavana aiheena on meioosi, opiskelijan pitäisi ymmärtää, miten meioosin vaiheet ja kromosomien käyttäytyminen liittyvät toisiinsa jatkuvana tapahtuma­sarjana ja miten mei­oosin seurauksena ilmenevät geneettiset ilmiöt saavat selityksensä meioosin tapahtumien kautta.

Tutkimuskysymykset

Tämän tutkimuksen tutkimuskysymykset ovat:

1. Oppivatko koeryhmän opiskelijat meioosin käsitteen paremmin kuin kontrolliryhmän opiskelijat?
2. Oppivatko opiskelijat meioosin käsitteen kurssilla? Vertaillaan koeryhmän opiskeli­jan vastauksia tehtävään meioosia käsittelevän harjoitustyökerran alussa ja viimeisellä harjoitustyökerralla.
3. Vaikuttaako opiskelijan tausta oppimistulokseen? Vertaillaan biologian koulutusohjel­man opiskelijoiden osaamista muiden koulutusohjelmien eli sivuaineiden opiskelijoiden osaamiseen.
4. Millä tavoin opiskelijat kokivat aktivoivan tehtävän auttavan oppimista?

Tutkimuksen toteutus

Aineisto ja menetelmät

Turun yliopistossa meioosi on yksi opiskeltavista aihealueista biologian koulutusohjelman perusopintojen kurssilla nimeltä ”Eliöiden toiminnan ja perinnöllisyyden harjoitukset”. Meioosi käydään teoreettisesti läpi myös genetiikan perusteiden luennoilla, joille opiskelijat osallis­tuvat samanaikaisesti harjoituskurssin kanssa. Harjoituskurssilla opetus on perinteisesti toteutettu si­ten, että demonstraation aikana opettaja kertaa meioosin tapahtumat ja meioosiin liittyvät käsitteet kertomalla ja piirtämällä meioosin vaiheista kaavakuvat taululle, ja opiskelijat yrittävät näin evästettyinä tunnistaa meioosin vaiheita valmiista preparaateista. Löydetty­ään vaiheen he piirtävät siitä luonnoksen työmonisteeseensa. Opettaja tarkistaa monis­teen piirrokset työkerran lopussa ja palauttaa opiskelijan mikroskoopille, jos tulos ei ole tyydyttävä. Oppimistulos tarkastetaan tällä tavoin välittömästi, ja opiskelija saa siitä suoraa palautetta heti työskennellessään. Oppimista on arvioitu myös tentissä aiheeseen liittyvällä kysymyksellä. Opettajan kokemusten mukaan oppimistulos ei yleensä yllä lähellekään asetet­tuja tavoitteita.

Tutkimus toteutettiin kahtena perättäisenä lukuvuonna eliöi­den toimintaan ja perinnöllisyyteen liittyvällä opintojaksolla. Tämä opintojakso on pakollinen kaikille Turun yliopiston biologian koulutusohjelman ensimmäisen vuoden opis­kelijoille ja niille muiden koulutusohjelmien opettajalinjan opiske­lijoille, joille biologia on toinen opetettava aine. Kursseille voidaan ottaa myös muita sivu­aineopiskelijoita, mikäli tilaa on. Kutsumme tässä tutkimuksessa kaikkia muita opiskelijoita paitsi biologian pääaineopiskelijoita sivuaineiden opiskelijoiksi. Tutkimukseen osallistui ensimmäisenä tutkimusvuonna yhteensä 39 opiskelijaa ja toisena 43 opiskelijaa. Vuosiryhmiä vertailtiin keskenään eikä tilastollisia eroavaisuuksia löytynyt, joten aineistot yhdistettiin varsinaista tutkimusanalyysiä varten. Kahta vuosiryhmää siis tarkastellaan yhtenä aineistona tässä tutkimuksessa.

Biologit jaettiin kahteen ryhmään kumpanakin vuonna aakkosjärjes­tyksen perusteella, ja sivuaineopiskelijat ilmoittautuivat näihin kahteen ryhmään sen mukaan, miten ryhmän työskentelyajat sopivat heidän muiden opintojensa aikatauluun. Ryhmät valittiin koe- ja kontrolli­ryhmäksi arpomalla. Tutkimusasetelma on esi­tetty kuviossa 1. Koekäsittely tapahtui jakamalla koeryhmän opiskelijoille työkerran alussa aktivo­iva tehtävä:

Piirrä kaavamaisesti (a) mitoosin metafaasi, (b) meioosin I jaon metafaasi ja (c) meioosin II jaon metafaasi eliöltä, jonka 2n = 6 ja kaikki kromosomit metasentrisiä. Merkitse kuviin seuraavat käsitteet: haploidi kromosomiluku, diploidi kromosomiluku, bivalentti, vähennysjako (reduktiojako), tasausjako (ekvaatiojako).

Suullisen tehtävänannon yhteydessä korostettiin, että tehtävään liittyvät käsitteet ovat keskeisiä meioosiin liittyviä käsitteitä. Ai­kaa tehtävän tekemiseen annettiin 7 minuuttia. Tämän jälkeen tehtäväpapereista otettiin välittömästi kopiot, jotka jaettiin takaisin opiskelijoille. Tehtävä käytiin läpi yhdessä kiinnittämällä opiskelijoiden huomio mahdollisiin virhekäsityksiin ja selittämällä tieteellisen käsityksen keskeisiä kohtia. Tämän jälkeen opettaja demonstroi tehtävän molemmille ryhmille perinteisen opetustavan mukaisesti, ja työ­kerta eteni samalla tavalla molemmissa ryhmissä.

Viimeisellä työkerralla kumpikin ryhmä sai pohdittavakseen aktivoivan tehtävän, joka oli sama kuin koeryhmälle ensimmäisellä kerralla jaettu tehtävä. Tehtävän suorittami­seksi annettiin aikaa 7 minuuttia. Tällä kerralla mukana oli myös taustoittavia kysymyk­siä sekä muutama meioosin oppimiseen liittyvä avoin kysymys. Tehtäväpaperit kerättiin pois, niistä otettiin ko­piot, jotka jaettiin opiskelijoille, ja tehtävä käytiin yhdessä läpi. Taustakysymyksiin ja avoi­miin kysymyksiin vastaamiseen sai käyttää niin paljon aikaa kuin tarvitsi. Taustakysymys­ten vastaukset kerättiin pois ennen tehtävän läpikäymistä. Opiske­lijoille kerrottiin jo ennen tehtävän tekemistä, että suoriutuminen tehtävästä ei vaikuttanut opiskelijoiden kurssista saamaan arvosanaan ja että osallistuminen tutkimukseen oli vapaaehtoista.

Kuvio 1. Meioosin opetusmenetelmien arvioinnissa käytetty tutkimusasetelma

Piirrosten analysointi

Tehtävässä piti piirtää kolme kuvaa ja merkitä viisi käsitettä kuviin oikeille paikoille. Täy­dellisessä vastauksessa yksi käsitteistä tulee merkityksi kahteen kohtaan, joten käsite­merkintöjä oli yhteensä kuusi. Pisteytyksessä kustakin piirroksesta annettiin 0–3 pistettä kokonaisina pisteinä ja kustakin oikeasta käsitemerkinnästä 1 piste. Jos käsitettä ei ollut merkitty lainkaan, pisteitä sai 0, ja väärään kohtaan merkitystä käsitteestä sai –1 pistettä. Pisteiden vähentämiseen väärästä käsitemerkinnästä päädyttiin, jotta paljastuisi ero nii­den välillä, jotka eivät tienneet tai muistaneet käsitettä, ja niiden välillä, jotka olivat muo­dosta­neet käsitteen väärin. Mikäli käsitteiden ”haploidi kromosomiluku” ja ”diploidi kromo­somilu­ku” sijasta piirroksiin oli merkitty näiden lukuarvo oikein, merkinnästä sai 0,5 pistet­tä. Kro­mosomilukujen merkitseminen käsitteiden sijaan kertoo siitä, että käsitettä ”käsite” ei ollut sisäistetty kunnolla. Piirrosten korkein yhteispistemäärä oli siis 9 pistettä ja käsite­merkin­töjen 6 pistettä, jolloin korkein yhteispistemäärä oli 15 pistettä. Piirrosten paino­arvo pis­teytyksessä oli 60 %.

Ryhmien välisiä eroja tarkasteltiin tilastollisesti keskiarvotesteillä ja tarvittaessa tulos varmistettiin epäparametrisillä testeillä.

Tutkimuksen tulokset

Harjoituskerran alussa tehdyn aktivoivan tehtävän vaikutus oppimiseen

Tutkimuksen päätavoitteena oli tarkastella, oppivatko aktivoivan tehtävän tehneet opiskelijat meioosin käsitteen paremmin kuin ne opiskelijat, jotka osallistuivat ainoastaan perinteiseen opetukseen. Taulukossa 1 on esitetty saavutettujen pistemäärien keskiarvoista yhteenveto, jossa nä­kyy sekä ryhmien kokonaistulos että tulok­set eriteltyinä sen mukaan, ovatko kyseessä biologian koulutusohjelman opiskelijat vai sivuaineiden opiskelijat. Koeryhmän opiskelijat saivat ryhmiä kokonaisuutena tarkasteltaessa erittäin merkitsevästi kontrolli­ryhmää korkeammat pisteet kertaustehtä­västä (t(df = 80) = 3.882, p < 0.001). Aktivoivan tehtävän tehneet opiskelijat oppivat siis meioosin käsitteen paremmin kuin ainoastaan perinteiseen opetukseen osallistuneet opiskelijat.

Kun verra­taan biologian pääaineopiskelijoita koe- ja kontrolliryhmän välillä, huomataan, että koeryhmän biologien saavuttama pistemäärä on korkeampi kuin kontrolliryhmän biologien (t(df = 56) = 3.718, p < 0.001). Sen sijaan sivuaineopiskelijoiden ero koe- ja kontrolliryhmän välillä ei ole tilastollisesti merkitsevä, vaikka koeryhmässä pisteet ovat korkeammat. Tämä voi johtua siitä, että sivuaineopiskelijoiden muodostamien ryhmien koot ovat melko pienet.

Taulukko 1. Meioosin käsitteeen oppimista arvioivasta aktivoivasta teh­tävästä (koeryhmä) ja kertaustehtävästä (koe- ja kontrolliryhmä) saatujen pisteiden (maks. = 15 p) kes­kiarvot ja keskihajonnat

Meioosin käsitteen oppiminen kurssilla

Kysymykseen, miten hyvin meioosin käsite opittiin kurssin aikana, voi etsiä vastausta tarkastelemalla koeryhmän osaamista alkumittauksessa eli aktivoivassa tehtävässä ja loppumittauksessa eli kertaustehtävässä. Koeryh­mä kokonaisuutena suoriutui kertaustehtä­västä tilastollisesti erittäin merkitsevästi paremmin kuin akti­voivasta tehtävästä (t(df = 40) = 6.980, p < 0.001). Sama ilmiö on löydettävissä myös tarkasteltaessa opiskelijaryhmiä erikseen: biologian koulutusohjelman opiskelijat suoriutuivat loppumittauksessa tilastollisesti erittäin merkitsevästi alkumittausta paremmin (t(df = 32) = 6.854, p < 0.001) ja sivuaineopiskelijat merkitsevästi paremmin (t(df = 7) = 2.44, p < 0.05). Lisäksi pisteiden hajonta oli biologeilla pienempi kertaustehtävässä kuin aktivoivassa tehtävässä.

Yksittäisten opiskelijoiden oppiminen painottui koeryhmässä eri opiskelijoilla eri tavoin. Aktivoivasta tehtävästä saatujen pisteiden määrä vaihteli –1 ja 15 pisteen välillä. Lähes kaikki koeryhmän opiskelijat saivat kertaustehtävästä yhtä paljon (6/41) tai enemmän (31/41) pisteitä kuin alussa tehdystä akti­voivasta tehtävästä. Kaksi niistä, joiden pistemäärä oli kertaustehtävässä alhai­sempi kuin aktivoivassa tehtävässä, olivat saaneet jo aktivoivasta tehtävästä kor­keat pisteet, ja pisteet laskivat vain 0.5 (14 à 13.5) ja 1 pisteen (13 à 12) verran. Kolmas puolestaan oli saanut aktivoivasta tehtävästä 0 pistettä ja kertaustehtävästä –1 pistettä.  

Keskiarvoista voidaan todeta, että koeryhmässä kertaustehtävän keskiarvo oli 11.50, joka on melko korkea, kun korkein mahdollinen pistemäärä oli 15. Kontrolliryhmän keskiarvo oli 7.43, joka on vain puolet kokonaispistemäärästä eikä oppimistuloksena ole hyvä. Tässä tutkimuksessa ei pystytty testaamaan kontrolliryhmän meioosin käsitteen osaamista alkumittauksella, koska alkumittaus toimi aktivoivana tehtävänä ja se tehtiin siksi vain koeryhmälle. Jos kuitenkin oletetaan, että kontrolliryhmän osaaminen kurssin alussa on samaa tasoa kuin koeryhmän, näyttäisi siltä, että kontrolliryhmäläiset eivät ole kurssin kuluessa juurikaan oppineet meioosin käsitettä. Näin ollen pelkkään perinteiseen opetukseen osallistuminen ei näytä edistävän oppimista siinä määrin kuin toivotaan.

Pääaine- ja sivuaineopiskelijoiden erot oppimisessa

Opettajan tuntuma pää- ja sivuaineopiskelijoiden oppimisesta on se, että pääaineopiskelijat suoriutuvat tehtävistä pääsääntöisesti paremmin kuin sivuaineopiskelijat. Koeryhmässä biologian koulutusohjelman opiskeli­joiden ja sivuaineopiskelijoiden saavuttamien pistemäärien välinen ero ei ollut merkitsevä aktivoivassa tehtävässä, mutta kertaustehtävässä biologian koulutusohjelman opiskelijoiden saavuttama pistemäärä poikkesi tilastollisesti merkitsevästi sivuaineopiskelijoiden pistemäärästä (t(df = 39) = 2.532, p < 0.05). Myös kontrolliryhmässä biolo­gian koulutusohjelman opiskelijoiden saavuttama pistemäärä poikkesi merkitsevästi sivuaineopiskelijoiden pistemäärästä (t(df = 39) = 2.605, p < 0.05).

Kertaus­tehtävän pisteiden vaihteluväli oli sekä koeryhmässä että kontrolliryhmässä –1–15 pistettä, mutta pistemäärät painottuivat ryhmissä selkeästi eri tavoin. Koeryhmässä kertaustehtävästä kolme alhaisimmat pisteet (–1, 0 ja 3 pistettä) saanutta olivat muun kuin biologian koulutusohjelman opiskelijoita, ja täydet 15 pistettä sai peräti 14 opiskelijaa, joista yksi oli muun kuin biologian koulutusohjelman opiskelija. Koeryhmässä 15 pistettä olikin kertaustehtä­västä saatujen pisteiden moodipistemäärä. Kontrolliryhmässä kertaustehtävästä neljä alhai­simmat pisteet (–1, 0, 0 ja 0 pistettä) saanutta olivat muun kuin biologian koulutusohjelman opiskelijoita, ja kor­keimmat eli 15 pistettä sai yksi biologian koulutusohjelman opiskelija. Moodipistemäärä oli kontrolliryhmässä 13 pistettä (n = 5). Nämä tulokset tukevat opettajan havaintoa, että pääaineopiskelijat oppivat paremmin meioosin käsitteen.

Opiskelijoiden oma arvio aktivoivan tehtävän hyödystä

Koeryhmän opiskelijat arvioivat aktivoivasta tehtävästä olleen huomattavasti (n = 11) tai jon­kin verran (n = 25) hyötyä meioosin ilmiön ja käsitteiden oppimisessa (taulukko 2).  Kontrolliryhmässä 19 opiskelijaa olisi uskonut aktivoivan tehtävän auttaneen oppimista huomattavasti ja 17 jonkin verran, jos sellainen olisi tehty ennen harjoitustyön tekemistä. Preparaateista löydettyjen vaiheiden etsimistä ja piirtämistä pitivät huomattavan tai jonkin verran hyödyllisenä kaikki koeryhmän (n = 41) ja valtaosa kontrolliryhmän (n = 39) opiskelijoista. Kertaustehtävän arvioi huomattavan hyödylliseksi 11 ja jonkin verran hyödylliseksi 26 koeryhmän opiskelijaa. Vastaavat luvut kontrolliryhmässä olivat 14 ja 25.

Avoi­messa kysymyksessä ”Mikä tuki oppimista?” koe­ryhmässä piirtä­minen sai 13 mai­nintaa, tehtävien läpikäyminen 11 mainintaa, aktivointi 7 mainintaa ja kertaus 6 mai­nintaa. Kontrolliryhmässä puolestaan mainittiin piirtäminen 11 kertaa, ker­taaminen 6 kertaa ja tehtävien läpikäyminen 2 kertaa. Koeryhmän vastaukset olivat monisanaisempia kuin kontrolliryhmän vastaukset.

 Taulukko 2. Koe- ja kontrolliryhmän opiskelijoiden avointen kysymysten vastausten jakautu­minen

Pohdinta

Tutkimuksen lähtökohtana oli käytännön opetustyössä esiin noussut tarve parantaa ensimmäisen vuoden biologian opiskelijoiden oppimistulosta meioosin ja siihen liittyvien käsitteiden oppimisessa. Quinn kollegoineen (2009) toteaa meioosin olevan yksi genetii­kan ja koko biologian keskeisimmistä käsitteistä, jota hyvällä syyllä voidaan pitää oppimi­sen etenemisen kannalta välttämättömästi omaksuttavana kynnyskäsitteenä (Meyer & Land, 2006). Kurssilla opiskelijoiden kanssa käytyjen keskustelujen perusteella opiskelijoiden on vaikea ymmärtää meioosin dynaamista luonnetta. Meioosin vaiheet käsitetään erillisiksi ja tark­karajaisiksi, mikä ei ole riittävän syvällinen käsitys meioosista. Meioosin seuraukset nähdään konkreettisesti esimerkiksi risteytyskokeen jälkeläistön jakaumassa tai perinnöllisen sairauden ilmenemisenä sukupuussa. SOLO-tak­sonomian suhteellisen ymmärryksen tason saavuttanut osaisi yhdistää meioosin näihin ilmiöihin.

Tämän tutkimuksen tulosten perusteella opetusmenetelmä, johon liittyy aktivoiva tehtävä ja sen analysointi ennen harjoitustyön aloittamista, parantaa meioosin käsitteen oppimista. Koeryhmän opiskelijat saivat koko ryhmää tarkasteltaessa korkeammat pisteet kuin kontrolliryhmän opiskelijat. Kurssin aikana aktivoivan tehtävän tehnyt koeryhmä oppi selvästi. Koeryhmän pistemäärä oli erittäin merkitsevästi korkeampi loppumittauksessa kuin alkumittauksessa. Täydet pisteet saaneiden osuus oli 34 %, ja erot ryhmäläisten osaamisessa tasoittuivat, eli keskihajonta pie­neni.

Useimmat harjoitustyökurssille osallistuneet opiskelijat olivat käyneet mei­oosin läpi luentokurssilla aivan hiljattain, joten heidän olisi pitänyt hallita mei­oosi. Kuitenkin koeryhmäläiset saivat alkumittauksessa ja kontrolliryhmäläiset loppumittauksessa vain noin puolet maksimipistemäärästä. Koeryhmän hyvä oppimistulos aktivoivan tehtävän avulla osoittaa, että harjoitustyö yhdistettynä käsitteen oppimista tukevaan tehtävään on hyvä malli oppimisen edistämiseksi. Harjoituksissa ei opita ainoastaan käytännön taitoja, kuten esimerkiksi tutkimuksen kohteena olleessa työssä mikroskopointia, vaan omakohtaisten havaintojen tekeminen ja niiden yhdistäminen luennoilla ja oppikirjoista saatavaan teoreettiseen tietoon syventää ja auttaa strukturoimaan tietoa sekä tukee tieteenalaan liittyvien käsitteiden oppimista ja tieteenalalle tyypillisen ajattelu­tavan kehittymistä, toisin sanoen kasvua noviisista asiantuntijaksi. Vastaavaan johtopäätökseen päätyivät Yli-Panula, Länsikallio, Vanne, Vähäkangas, Nokkala ja Vainio (2008) selvittäes­sään kokeellisen oppimisen työtavan merkitystä lukion biologian opetuksessa. He havait­sivat pienimuotoisenkin kokeellisen työskentelytavan vaikuttavan nimenomaan asenteisiin, kriittisen ajattelun kehittymiseen ja käsitykseen tieteellisestä tutkimuksesta. 

Ryhmät näyttävät ja­kautuvan meioositehtävässä niihin, jotka saavat vähän pisteitä, sekä niihin, jotka saavat paljon pisteitä. Tämä kertoo siitä, että meioosi joko hallitaan tai sitten ei. Tulos ei ole yllättävä, sillä meioosi on käsitteenä ja tapahtumasarjana sellainen, että sitä ei oikeastaan voi hallita osittain. Tämä piirre tekee meioosin käsitteestä kynnyskäsitteen, joka opiskelijoiden tulisi oppia ymmärtämään syvällisesti. Monen muun bio­logian ilmiön ymmärtäminen jää hataraksi, ellei keskeistä meioosi-käsitettä hallita. Opiskelijoiden meioosia koskevan tiedon pitäisi kurs­sin jälkeen yltää Biggsin (1996; Biggs & Tang, 2007) SOLO-takso­nomian mukaisen viisiportaisen asteikon toisiksi ylim­mälle eli suhteelliselle tasolle, jossa opiskelija ymmärtää asi­oiden välisiä yhteyksiä ja suhteita ja kykenee näkemään, miten osat muodostavat koko­naisuuksia. Opiskelijan pitäisi ymmärtää, miten meioosin vaiheet ja kromosomien käyttäytyminen liittyvät toisiinsa jatku­vana tapahtuma­sarjana ja miten mei­oosin tapahtumat aiheuttavat havaittavissa olevat geneettiset ilmiöt. Täysien pisteiden saavuttaminen meioosiin liittyvässä tehtävässä antaisi aihetta olettaa, että tämä tavoite on saavutettu. Ymmärtääkseen meioosin käsitteen syvällisesti opiskelijan on ymmärrettävä meioosi syvällisemmin kuin vain sarjana erillisiä vaiheita. Tässä tutkimuksessa käytetty tehtävä osoittautui toimivaksi ymmärtämisen mittariksi, sillä kuviota ei ole mahdollista piirtää oikein ymmärtämättä meioosia syvällisesti.

Sivuaineopiskelijoiden oppiminen oli tutkimuksen mukaan heikompaa. Heillä lukiokurssien suorittamisesta on yleensä kulunut pidempi aika kuin biologian kou­lutusohjelman opiskelijoilla, he eivät välttämättä ole suorittaneet lukiossa kuin pakolliset biologian kurssit, eivät ehkä ole sisällyttäneet biologiaa ylioppilastutkintoonsa eivätkä ole läpäisseet biologian valintakoetta. He eivät mahdollisesti ole koskaan aikaisemmin edes yrittäneet ymmärtää meioosia. Kuitenkin juuri näistä opiskelijoista valmistuu aika­naan aineenopettajia, joiden vastuulle kuuluu muun muassa meioosin ja siihen liittyvien käsitteiden opettaminen koulussa.

Aktivoiva tehtävä näyttää suuntaavan opiskelijoiden asennoi­tumista opiske­luun positiivisemmaksi ja vastaanottavammaksi. Tämä heijastuu vastauk­sissa avoimeen kysymykseen, johon koeryhmän opiskelijat vastasivat innokkaammin ja monisanaisemmin kuin kontrolliryhmän opiskelijat. Tämän perusteella aktivoivan tehtävän käyttämistä opiskelijan metakognitiivisten taitojen kehittäjänä (esim. Vermunt, 1996) voidaan pitää onnistuneena ratkaisuna. Lisäksi kontrolliryhmässä, joka ei saanut tehdä aktivoivaa tehtävää, vielä suurempi osa opiskelijoista kuin koeryhmässä uskoi, että aktivoi­vasta tehtävästä olisi ollut huomattavasti apua asian omaksumisessa. Opiskelijat siis osoittivat kiinnostusta ja valmiutta kyseisenkaltaisten tehtävien tekemiseen.

Aktivoivan ja kertaustehtävän teettäminen palveli myös opettajaa monin tavoin. Tehtävän teettäminen ennen työn suoritusta antoi realistisen kuvan ryhmän lähtö­tasosta ja auttoi painottamaan opetusta tarkoituksenmukaisesti juuri niihin seikkoihin, joiden ennakko-osaamisessa näytti olevan eniten puutteita. Vertaamalla opiskelijoiden suoriu­tumista aktivoivasta ja kertaustehtävästä sekä tarkastelemalla taustakysymysten avulla kerättyä palautetta opettaja sai tilaisuuden arvioida paitsi opiskelijoiden oppimistulosta, myös omaa onnistumistaan opetuksessa. Opiskelijat saivat välittömän arvion osaamisestaan, kun tehtävät käytiin läpi yhdessä. He saivat pitää kopion täyttämästään tehtävämonisteesta, jolloin heillä oli mahdollisuus myöhemminkin tarkastella tehtävää ja omaa osaamistaan sekä suunnata opiskeluaan. Arviointi toimi näin aidosti osana opetusta.

Tutkimuksen mahdollisena virhelähteenä voidaan pitää sitä, että ryhmiä ei satunnaistettu tai samanlaistettu täsmäyttämällä (matching). Kontrolliryhmään valikoitui huomattavasti suu­rempi osuus sivu­aineopiskelijoista kuin koeryhmään, mikä saattaa vaikuttaa tuloksiin. Johtopäätöksiä tehtäessä on myös muistettava, että tutkimusaineisto on varsin suppea, jolloin yksittäisen opiskelijan suorituksen merkitys tuloksissa korostuu. Tämän vuoksi kä­sillä olevan tutkimuksen tutkimusaineistoa olisi laajennettava, jotta tulosten yleistettävyys ja johtopäätösten painoarvo olisi suurempi. Viiden viikon aikana toteutettu kokeilu on ajallisesti lyhyt, mutta kyseisellä kurssilla tämä käsite oletetaan opittavan tässä ajassa. Pohjana ovat tietysti aiemmat opinnot.

Uudentyyppisellä opetusmenetelmällä onnistuttiin kuitenkin saavuttamaan sille asetettuja tavoitteita. Koeryhmän opiskelijoiden pistemäärissä havaittu ero aktivoivan tehtä­vän ja kertaustehtävän välillä ja koeryhmän kontrolliryhmää parempi suoriutuminen kertaustehtävästä antavat objektiivista näyttöä aktivoivan tehtävän käytön perusteeksi. Aktivointi motivoi ja auttoi opiskelijoita kohdistamaan opiskeluaan. Uuden opetusmenetelmän käyttö tuki käsitteen oppimisen prosessia ja tämän myötä paransi oppimistulosta. Käytännön työskentelyn merkitys käsit­teiden oppimisen tukena korostui. Menettely auttoi opettajaa opetuksen suuntaamisessa ja itsearvioinnissa, ja oppimistuloksen arviointi toimi osana opetusta.

Christina Nokkala työskentelee assistenttina Turun yliopiston biologian laitoksella. Mari Murtonen toimii yliopistopedagogiikan yliopistotutkijana Turun yliopiston opettajankoulutuslaitoksella.

LÄHTEET

Biggs, J. & Tang, C. (2007). Teaching for quality learning at university. What the student does. 3. painos. Buckingham, GBR: Open University Press.

Biggs, J.B. (1996). Enhancing teaching through constructive alignment. Higher Education, 32, 1–18.

Graf, D. & Berck, K.H. (1998). Concept learning in biology – Is it satisfactory? Plethora of concepts makes excessive demands on pupils. Luettu 4.8.2010, http://www.biologie.uni-dortmund.de/de/content/personal/homepages/graf/veroeffentlichungen/GRAF,%20D.;%20BERCK,%20K.-H.%20(1998)%20Concept%20learning%20in%20Biology%20-%20Is%20it%20satisfactory.pdf

Kindfield, A.C.H. (1991). Confusing chromosome number and structure: A common student error. Journal of Biological Education, 25, 193–200.

Meyer, J.H.F. & Land, R. (2006). Threshold concepts and troublesome knowledge. Teoksessa J.H.F. Meyer & R. Land (toim.), Overcoming barriers to student under­standing. Threshold concepts and troublesome knowledge (s. 3–18). Routledge: London, New York.

Mikkilä-Erdmann, M. (2001). Improving conceptual change concerning photosynthesis through text design. Learning and Instruction, 11 (3), 241–257.

Mikkilä-Erdmann, M., Iiskala, T. & Murtonen, M. (2005). Tutkimustyöpaja menetelmäopintojen oppimisympäristönä. Teoksessa A. Virta, K. Merenluoto & P. Pöyhönen (toim.), Ainedidaktiikan ja oppimistutkimuksen haasteet opettajankoulutukselle (s. 407–416). Turun yliopiston kasvatustieteiden tiedekunnan julkaisuja B:75.

Opetushallitus (2003). Lukion opetussuunnitelman perusteet: Nuorille tarkoitetun lukio¬koulutuksen opetussuunnitelman perusteet. Helsinki: Opetushallitus.

Taylor, C. (2006). Threshold concepts in biology. Do they fit the definition? Teoksessa J.H.F. Meyer & R. Land (toim.), Overcoming barriers to student under­standing. Threshold concepts and troublesome knowledge (s. 87–99). Routledge: London, New York.

Tynjälä, P. (1999). Oppiminen tiedon rakentamisena. Konstruktivistisen oppimiskäsityksen perusteita. Kirjayhtymä: Helsinki.

Quinn, F., Pegg, J. & Panizzon, D. (2009). First-year biology students’ understandings of meiosis: An investigation using a structural theoretical framework. International Journal of Science Education, 31, 1279–1305.

Valkiaoja, E. (2008). Lukion biologian oppikirjat oppimisen välineenä. Vertaileva oppikirja­tutkimus sukusolujen synnyn oppimisesta. Turun yli­opisto. Biologian laitos. Pro gradu -tutkielma.

Vermunt, J. D. (1996). Metacognitive, cognitive and affective aspects of learning styles and strategies: A phenomenographic analysis. Higher Education, 31 (1), 25–50.

Yli-Panula, E., Länsikallio, S., Vanne, E., Vähäkangas, J., Nokkala, C. & Vainio, M. (2008). Lukion biologiaa – tutkivan kokeellisen oppimisen työtavalla. Teoksessa A. Kallioniemi (toim.), Uudistuva ja kehittyvä ainedidaktiikka. Ainedidaktinen symposiumi 8.2.2008 Helsingissä. Osa I (s. 76–89). Helsingin yliopisto.

PDF