Research shows us that different factors influence the appearance and the amount of deep

207 Pages·2004·1.36 MB·English

COLLABORATIVE CONCEPT LEARNING

Collaborative learning tasks, student interaction
and the learning of physics concepts

Carla van Boxtel
Copyright 2000, C.A.M. van Boxtel, Gemert.
ISBN: 90-393-2392-5

Druk: PrintPartners Ipskamp, Enschede.
COLLABORATIVE CONCEPT LEARNING

Collaborative learning tasks, student interaction
and the learning of physics concepts

SAMENWERKEND BEGRIPPEN LEREN

Samenwerkingstaken, interactie tussen leerlingen
en het leren van natuurkundige begrippen

(met een Nederlandse samenvatting)

Proefschrift
ter verkrijging van de graad van doctor
aan de Universiteit Utrecht
op gezag van de Rector Magnificus, Prof. Dr.
H.O. Voorma. Ingevolge het besluit van het College voor Promoties
in het openbaar te verdedigen op
woensdag 3 mei 2000 des namiddags om 12.45 uur.

door
Cornelia Anna Maria van Boxtel
geboren op 16 september 1970 te Uden
Promotor: Prof. dr. G. Kanselaar, Faculteit Sociale Wetenschappen, Universiteit Utrecht
Co-promotor: dr. J.L. van der Linden, Faculteit Sociale Wetenschappen, Universiteit Utrecht
Woord vooraf

Gedurende vijf jaar heb ik met veel plezier gewerkt aan het opzetten, uitvoeren en op schrift stellen van
mijn onderzoek. De promotie, die lange tijd erg ver weg leek, is nu de afronding van deze periode.
Ik ben veel mensen dank verschuldigd. In de eerste plaats mijn begeleider Jos van der Linden. Jos, je
bent niet alleen een fantastisch begeleider en een inspirerend docent, maar vooral een fijn mens. Bedankt
voor de interessante en productieve gesprekken. Jij wijdde me in in de wereld van het onderzoek, maakte
me enthousiast voor samenwerkend leren en stimuleerde me om ook naar buiten te treden met resultaten
en ideeën. Ik zie uit naar de voortzetting van onze samenwerking.
Gellof Kanselaar, mijn promotor, wil ik bedanken voor het vertrouwen dat hij in mij en de voortgang van het
onderzoek stelde. Je waardevolle adviezen met betrekking tot de opzet van de experimentele studies, de
ontwikkeling van instrumenten, en bij het schrijven van het proefschrift hebben veel bijgedragen aan het
uiteindelijke resultaat.
Verschillende docenten leverden een bijdrage aan het slagen van mijn onderzoek. Richard Thuis
(Commanderij College, Gemert), Frans Eerkens (Amsterdams Lyceum), Peter van Wijlick (De
Meergronden, Almere), Emil Blomberg (Bertrand Russell College, Krommenie) en Hai Verstappen (Over-
Betuwe College, Bemmel), bedankt voor jullie medewerking! Ik ben met name veel dank verschuldigd aan
de HAVO 4 – leerlingen van deze scholen. Zij zagen mij slechts enkele uren, terwijl ik vele uren zoet ben
geweest met hun discussies. Ik heb veel geleerd en ook vaak genoten van deze gesprekken.
Lenneke Ainsworth, Josje Heinen, Eelko Maatman, Cindy van de Ven en Mireille Obbema wil ik bedanken
voor hun hulp als proefleider op de scholen. Jurjen van de Groep en Lenneke Ainsworth hebben mij
daarnaast veel werk uit handen genomen bij het coderen van de vele protocollen. Bedankt daarvoor.
Mijn collega’s op de capaciteitsgroep Onderwijskunde wil ik bedanken voor hun interesse in mij en in de
voortgang van het onderzoek, en voor hun expertise waar ik een beroep op kon doen. Een aantal van hen
wil ik in het bijzonder noemen. Gijsbert Erkens, bedankt voor het feit dat ik kon voortbouwen op het
codeersysteem dat jij ontwikkelde en voor je waardevolle commentaar bij mijn hoofdstukken. Ronny
Wierstra wil ik bedanken voor zijn ondersteuning bij de statistische analyses in het onderzoek. Tot slot,
mijn collega-AiO’s Arja Veerman, Eline Lankhuijzen, Mariëlle Klerks, Joris Veenhoven en, alweer enige tijd
geleden, Marjan Glaudé en Paul Olierook. Het kunnen delen van pieken en dalen in ons onderzoek (maar
ook van alle andere zaken die een mens zoal bezig houdt) en het halen van een frisse neus in de
lunchpauzes maakten het werken op de Uithof een stuk aangenamer.
I also want to thank some colleagues abroad. I want to thank Peter Renshaw, Kristiina Kumpulainen en
Angela O’ Donnell for their constructive comments on the chapters of my thesis. Carolyn Sterner, thank
you for your editing work! Thanks to you, this thesis became much more readable.
Tenslotte zorgden Roland, mijn ouders, mijn zussen en zwager Rianne, Trudy, Yolie en Patrick, mijn
schoonouders en mijn vrienden voor het ‘thuis’ dat in feite de belangrijkste basis is voor het slagen van dit
onderzoek.
Carla van Boxtel Gemert, maart 2000
CONTENTS
1 GENERAL INTRODUCTION 8
2 THEORETICAL FRAMEWORK 10
2.1 Concept Learning within the Domain of Physics 10
2.1.1 Problematic aspects of learning physics concepts 10
2.1.2 Conclusion 12
2.2 What does it mean to Learn Concepts? 13
2.2.1 Constructivist perspective 13
2.2.2 Situational and socio-cultural perspectives 15
2.2.3 Concept learning as defined in this thesis 17
2.3 The Potential of Peer Interaction 19
2.3.1 Peer interaction stimulates elaboration 19
2.3.2 Peer interaction implies the co-construction of meanings 21
2.3.3 Conclusion 22
2.4 The Role of the Collaborative Learning Task 23
2.4.1 Collaborative learning tasks 23
2.4.2 Task characteristics 24
2.4.3 Conclusion 26
3 THE STUDIES IN THIS THESIS 28
3.1 Research Questions 28
3.2 Method 30
3.2.1 Subjects and collaborative learning tasks 30
3.2.2 Design 31
3.2.3 Analyses of student interaction 32
3.2.4 The three experimental studies 33
4 THE FIRST STUDY 34
4.1 Collaborative Learning Tasks for Concept Learning 34
4.1.1 Concept Mapping 34
4.1.2 Explaining a concrete phenomenon 35
4.1.3 Individual preparation 36
4.1.4 Conclusion 37
4.2 Research Questions and Hypotheses 37
4.3 Method 39
4.3.1 Experimental tasks 40
4.3.2 Subjects and design 40
4.3.3 Setting and procedure 41
4.3.4 Measurement of concept learning 42
4.3.5 Scoring of the tests 43
4.3.6 Measurement of attitude towards physics 44
4.3.7 Measurement of student evaluations 44
4.3.8 Coding of verbal interaction 44
4.4 Results 48
4.4.1 Features of the student interaction 48
4.4.2 Effects of task characteristics on student interaction 59
4.4.3 Improvement of conceptual understanding 62
4.4.4 Student characteristics and student participation 63
4.4.5 Features of the student interaction and individual learning outcomes 64
4.4.6 Student evaluations 65
4.5 Summary and Discussion 67
4.5.1 Features of the student interaction 68
4.5.2 Effects of task characteristics on the student interaction 69
4.5.3 Improvement of conceptual understanding 70
4.5.4 Student participation and student characteristics 70
4.5.5 Relationships between individual outcomes and features of the student interaction 71
4.5.6 Questions that arise from the study 72
5 THE SECOND STUDY 73
5.1 Improving the Quality of Student Interaction 73
5.1.1 Textbooks: extra tools for collaborative elaboration? 74
5.1.2 Provoking different types of elaborative talk 75
5.2 Research Questions and Hypotheses 77
5.3 Method 80
5.3.1 Experimental tasks 80
5.3.2 The textbooks 80
5.3.3 Subjects and design 81
5.3.4 Setting and procedure 81
5.3.5 Measurement of concept learning 82
5.3.6 Scoring of the group products 83
5.3.7 Measurement of attitude towards physics 84
5.3.8 Measurement of student evaluations 84
5.3.9 Coding of verbal interaction and the use of the textbook 84
5.4 Results 86
5.4.1 The use of textbooks during collaborative learning 86
5.4.2 Two examples of the use of textbooks 90
5.4.3 Differences among the condition with and the condition without textbooks 94
5.4.4 The two phases of the task: Concept Map and the Elaboration of the Concept Map 98
5.4.5 Examples of student interaction during the Elaboration of the Concept Map 99
5.4.6 Features of student interaction related to student characteristics and outcomes 104
5.5 Summary and Discussion 106
5.5.1 The use of textbooks 106
5.5.2 The two parts of the task: Concept Mapping and the Elaboration of the Concept Map 109
5.5.3 Features of student interaction related to student characteristics and outcomes 111
6 THE THIRD STUDY 113
6.1 Methods to script the use of the textbook 113
6.2 Research Questions and Hypotheses 115
6.3 Method 116
6.3.1 Subjects and design 116
6.3.2 Experimental tasks 117
6.3.3 Setting and procedure 118
6.3.4 Measurement of concept learning 118
6.3.5 Measurement of attitude towards physics 119
6.3.6 Coding of verbal interaction and the use of the textbook 119
6.4 Results 120
6.4.1 The scripted use of the textbook 120
6.4.2 Textbook use and features of student talk 126
6.4.3 Differences between the construction of the Concept Map and the Elaboration phase 127
6.4.4 Features of student interaction related to student characteristics and outcomes 128
6.5 Summary and Discussion 130
6.5.1 The use of the textbook during collaborative learning 130
6.5.2 The construction of the Concept Map and the Elaboration of the Concept Map 133
6.5.3 Features of student interaction related to student characteristics and outcomes 134
7 GENERAL CONCLUSIONS AND DISCUSSION 135
7.1 Introduction 135
7.2 Results of the three empirical studies 135
7.2.1 How do features of the collaborative learning task affect student interaction? 135
7.2.2 What kind of student interaction contributes to the learning of physics concepts? 140
7.2.3 An instrument to analyze the quality of the student interaction 142
7.2.4 Conclusions 144
7.3 Recommendations for Future Research 144
7.4 Recommendations for Educational Practice 148
SUMMARY 151
SAMENVATTING 157
REFERENCES 164
APPENDIX 173

About the author / Over de auteur 205
General Introduction
1 General Introduction

The objective of the research that is reported in this thesis is to study the complex interplay between
features of collaborative learning tasks, the quality of student interaction and the learning of physics
concepts. The central questions concern how features of collaborative learning tasks affect the quality of
student interaction and the types of student interaction that contribute to the learning of physics concepts.
More specifically, the thesis deals with the interaction between students from higher classes of secondary
education working together face-to-face in dyads on a collaborative learning task that aims at improving
their understanding of electricity concepts. The learning of concepts, the potential contribution of student
interaction to learning, and the role of task characteristics are themes that are considered to be important
in both educational research and in educational practice.

The learning of concepts is one of the most essential learning activities inside, as well as outside of school.
Concepts can be considered cultural products that are used to think, communicate and act. An important
aim of instruction in schools is that the students get acquainted with the concepts that are used within
specific domains, and that they improve their ability to use these concepts in their mutually agreed upon
‘scientific’ meaning. However, previous research showed that most students experience difficulties
learning to use physics concepts in their scientific meaning (Chi, Slotta & de Leeuw, 1994; Vosniadou,
1994; Perkins & Unger, 1994; Caravita & Halldén, 1994; Chinn & Brewer, 1993; Eylon & Linn, 1988;
Driver, Guesne & Tiberghien, 1985). Several authors suggest that the use of concepts in spoken
communication (talking about and ‘with’ concepts) contributes to the learning of these concepts (Duit &
Treagust, 1998; Lijnse, 1994; Palincsar, Anderson & David, 1993; Lemke, 1990; Van Oers, 1987). From
this point of view collaborative learning has a high potential to contribute to the learning of concepts, since
it can provide students with the opportunity to talk about the concepts and to use them to describe and
explain phenomena.

In both educational practice and educational research, there is an increasing interest in collaborative
learning. In educational practice, the interest in collaborative learning coincides with the shift to more
student-centered learning environments in which the students can take more responsibility for their
learning. In the Netherlands the heightened interest in group work is reflected in the publication of a
growing amount of literature on this topic (Van der Linden & Roelofs, 2000; Haenen & Haitink, 1998; Hoek,
1998; Kanselaar, van der Linden & Erkens, 1997; Ebbens, Ettekoven & van Rooijen, 1997; Ros, 1994;
Vedder, 1985). In educational research, the interest in how and under which conditions student interaction
facilitates learning resulted in a large body of literature (Cowie, van der Aalsvoort & Mercer, in press; Van
der Linden, Erkens, Schmidt & Renshaw, in press; Dillenbourg, 1999; O’Donnell & King, 1999; Rogoff,
1998; Webb & Sullivan Palincsar, 1996; Cohen, 1994; Hertz-Lazarowitz & Miller, 1992). Next to the
composition of the group, the group size, the reward structure and the preparation for group work, the task
is often discussed as one of the main factors that affects the quality of the student interaction and
consequently the learning outcomes (Webb & Sullivan Palincsar, 1996). There have been many studies of
8