* Adresă corespondență către: Kamali N. Sripathi (

elevilor

CREATE pentru Institutul STEM, Universitatea de Stat din Michigan, East Lansing, MI 48824

Departamentul de biologie, Universitatea din Massachusetts Amherst, Amherst, MA 01003

Proiectul Dragonfly și Departamentul de Biologie, Universitatea Miami, Oxford, OH 45056

Departamentul de Științe Fizice, Universitatea Tech Arkansas, Russellville, AR 72801

CREATE pentru Institutul STEM, Universitatea de Stat din Michigan, East Lansing, MI 48824

Departamentul de Microbiologie și Genetică Moleculară, Universitatea de Stat din Michigan, East Lansing, MI 48824

Departamentul de Biochimie și Biologie Moleculară, Michigan State University, East Lansing, MI 48824

Abstract

INTRODUCERE

Educația biologică se află într-o transformare în întreaga gamă de educație K-16. Consiliul Național de Cercetare (NRC, 2012) a subliniat necesitatea ca studenții să devină consumatori critici ai informațiilor științifice care le pătrund în viață, indiferent dacă urmează o carieră STEM (știință, tehnologie, inginerie și matematică). NRC a dezvoltat astfel linii directoare pentru o educație eficientă STEM K-12 (NRC, 2012), cu scopul de a ajuta studenții să devină gânditori științifici critici. Asociația Americană pentru Avansarea Științei (AAAS, 2011) a lansat o cerere similară special pentru educația universitară în biologie, denumită în continuare Viziune și schimbare, citând natura din ce în ce mai interdisciplinară a cercetării în toate domeniile biologice și necesitatea de a încorpora practicile științifice în programele de biologie. Ambele rapoarte definesc „idei de bază disciplinare” (NRC, 2012) sau „concepte de bază” (AAAS, 2011) pe care elevii ar trebui să le poată înțelege și să le aplice în situații noi pentru a fi consumatori științifici pricepuți. Ca atare, aceste idei de bază nu sunt doar esențiale pentru așteptările de învățare pentru a fi consumatori științifici, ci pot fi prezente și ca așteptări ale societăților de practicieni pentru dezvoltarea următoarei generații de profesioniști în zona respectivă a fiecărei societăți (Yoho și colab., 2018).

Cu toate acestea, elevii au dificultăți semnificative în înțelegerea acestor căi biologice, probabil din cauza naturii extrem de interconectate a acestor procese. Exemplele de confuzie ale elevilor includ dificultăți între procesele scalare, trasarea materiei pe scări și faze și lipsa de atenție asupra atomilor atunci când se compară reactanții și produsele. Multe studii au raportat separat tendințele studenților de a confunda respirația celulară și fiziologică (Bell, 1985; Anderson și colab., 1990; Conducător auto și colab., 1994). În plus, Hartley și colegii (2011) au descoperit că studenții s-au luptat să raționeze cu privire la procesele biologice la scări. Autorii au observat că studenții s-au concentrat pe explicarea fenomenelor la un nivel macroscopic, mai degrabă decât pe descrierea proceselor moleculare de bază. Hartley și colegii săi au teorizat în continuare că acest lucru se poate datora faptului că studenții sunt mai confortabili raționând la nivel macroscopic sau pentru că elevii nu știu că fenomenele la scară mai mare pot fi explicate prin procese la scări mai mici (Hartley și colab., 2011). Mohan și colegii săi (2009) au identificat, de asemenea, „raționamentul despre sisteme și procese la scări multiple” (p. 678) ca o caracteristică cheie a explicațiilor științifice cu care se luptă studenții.

Cu toate acestea, confuzia elevilor în acest domeniu nu este surprinzătoare, având în vedere natura complicată a învățării. Domeniile psihologiei cognitive și ale teoriei învățării au o lungă istorie de caracterizare a complexității modului în care oamenii învață. Paradigma constructivistă (Cooper, 1993; Ertmer și Newby, 1993), de exemplu, subliniază faptul că elevii învață concepte noi construind relații semnificative în mintea lor. Munca în domeniul schimbării conceptuale explorează modul în care învățarea se realizează atunci când cunoștințele anterioare ale cursanților sunt „în conflict cu” faptele care trebuie dobândite (Chi, 2008, p. 61). Ambele exemple ilustrează faptul că învățarea este un proces complex, mult dincolo de simplificarea ideilor corecte versus incorecte. În loc să se concentreze asupra ideilor corecte sau incorecte ale elevilor, educatorii ar trebui să se concentreze asupra modului în care acele idei interacționează în mintea cursanților și a ceea ce spun aceste interacțiuni despre înțelegerile elevilor despre un subiect dat. În contextul pierderii în greutate umană și a altor procese de transformare a carbonului, s-a lucrat mult la ideile corecte și incorecte pe care le au elevii, dar puține lucrări au cercetat modul în care ideile elevilor sunt conectate în mintea lor.

Studiul actual abordează lacunele din cunoștințe cu privire la modul în care ideile despre mecanismele de slăbire sunt conectate în mintea elevilor pentru a ajuta instructorii să înțeleagă mai bine confuzia elevilor cu privire la procesele biologice complexe. Lucrarea prezentată aici se bazează pe literatura extinsă despre ideile studenților despre procesele celulare. Testăm gândirea elevilor pe această temă folosind un prompt de răspuns construit adaptat de la Wilson și colab. (2006) (denumit în continuare „element de pierdere în greutate”) pentru a investiga următoarea întrebare de cercetare: Ce mecanisme moleculare și tipuri de materii invocă elevii pentru a explica procesul de pierdere în greutate?

Rezultatele noastre arată că studenții au mai multe idei despre pierderea în greutate. Aceste idei pot fi de natură științifică sau mai informală, iar ideile contrastante coexistă adesea în răspunsurile elevilor și, prin extensie, în mintea lor. Această eterogenitate este crucială pentru ca instructorii să aibă în vedere atunci când predă procesele de transformare a materiei și poate fi un motiv cheie pentru care elevii au probleme în înțelegerea acestor procese.

METODE

Colectare de date

Am folosit următorul prompt de răspuns construit pentru a investiga gândirea elevului cu privire la pierderea în greutate (elementul de pierdere în greutate): „Prietenul tău a slăbit 15 kilograme la dietă. Unde s-a dus masa? ” Această solicitare a fost inițial dezvoltată ca parte a unui set de întrebări cu alegeri multiple utilizate pentru a evalua abilitățile elevilor de a urmări materia de-a lungul proceselor biologice complexe în contexte familiare (Wilson și colab., 2006; Parker și colab., 2012). Am administrat articolul la trei mari universități publice de cercetare situate în Coasta de Vest și de Est a Statelor Unite, toate clasificate în definițiile Carnegie ca „superioare” sau „mai mari” pentru activitatea de cercetare universitară doctorală (Clasificarea Carnegie a instituțiilor de învățământ superior), 2017). Am colectat un total de 2445 de răspunsuri ale studenților de la studenți la cursurile introductive de biologie pentru specializările în științele vieții, deoarece aceste cursuri acoperă adesea transformările de energie și materie în respirația celulară. Solicitarea a fost administrată online pe software-ul de gestionare a cursurilor fiecărei instituții, ca parte a unei sarcini pentru temele cărora li s-a atribuit o cantitate mică de puncte de credit sau bonus (de obicei

TABEL 1. Rubrica de notare analitică finalizată pentru analiza răspunsurilor la articolul de pierdere în greutate

a Un asterisc (*) indică o pereche de categorii care se exclud reciproc. Un pumnal (†) indică o a doua pereche de categorii care se exclud reciproc.