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Recently, I have discovered Iramuteq (R Interface for multidimensional analysis of texts and questionnaires) developed by the Laboratoire d’Études et de Recherches Appliquées en Sciences Sociales at Toulouse University, France. This free text mining software can provide basic text analyzes such word frequencies (word clouds), or more complex ones such descending hierarchical classification, post-hoc correspondence analysis and similarity analysis. Iramuteq is relatively simple to use. It is an interface based on in R and Python languages. The software offers complete English and French dictionary. Other languages are also available, but in beta version only. For example, in German, plural words and adjectives are not considered, thus the lemmatization (to find word roots; infinitive verbs, singular nouns, adjectives in singular masculine) is not done.

Origin of Species by Darwin: Analysis of the First Chapter

“À la bonne franquette”, I’m describing a simple example of how Iramuteq can be used. The first chapter of the Origin of Species by Darwin will be my text corpus for the analysis (available here). Before to start an analysis, you should review the text to avoid spelling mistakes or errors to be taken into account as different words (mainly true for open-question surveys). In addition, all acronyms and abbreviations must be consistent. Then, you can download the text corpus in Iramuteq. I avoid describing all technical information about the segmentation of a corpus or how algorithms work. I could not better explain than information available on the website or from the help available on the Iramuteq forum. Moreover, the helpdesk available per forum usually answers your questions quite quickly.

Let’s start easy!

First, you have to download your text corpus and select the language of it. After, I usually start with a similarity analysis that allows to identify co-occurrences of words. Indeed, it reveals the clustering of words based on how often they were associated and it gives you a pretty co-occurrence tree (Figure 1). In our example, we can observe that “breed” is the most frequent word in the first chapter of Origin of Species and it is often associated with “domestic”, “animal”, or “pigeons” (Figure 1). In Figure 2, you can see the parameters that I have selected. Here, I have restricted the analysis on words having a frequency in the text higher than 10 times. Of course, more the text to analyze is elaborated, more the interpretation of this type of graph is complex. The vertices’ size is proportional to the words frequency. It is also possible to simply create a cloud word, illustrated the word frequency (Figure 3).

Figure 1: Word similarity tree

Figure 2: Parameters to generate the similarity tree

Figure 3: Word cloud

A little bit more complex…

Another cool analysis done by Iramuteq is the words clustering (a friendly name for Descending hierarchical classification or the Reinert method) (Figure 4). This classification is based on a correlation chi-squared test. A dendrogram is generated showing repartition of classes and their association. For each class, we obtain the most associated words. For our analyzed chapter, we observe 5 classes of words. Two subclasses (Classes 2 and 3; Classes 1, 4 and 5) are revealed. Note that a word can be found in different classes.

Figure 4: Word clustering

With Iramuteq, a correspondence analysis can be easily done (Figure 5). Briefly, the CA is often used to represent and model categorical/categorized data as “clouds” of points in a multidimensional Euclidean space. It is really useful to illustrate associations between variables. The variables are expressed as vectors and correlations as angles between vectors from the origin of the graph. An indication of a strong correlation between variables is represented by a small angle between vectors. In Figure 5, we can see the 5 classes of words in distinguishing colours. For example, “seeds”, “plants”, “cultivate”, “flowers” and “variety” (in pink) are closely associated. To the upper side of the graph, “pigeon”, “wild”, “birds”, “domestic” and “descend” (in red) are associated. The word clustering and the CA are often used to analyze discourses of different people or group of people (here is an example).

Figure 5: Correspondance analysis graph

Have fun!

Iramuteq is really a cool software for text mining. On the website, you can find tutorial in English describing steps to learn how using it and how to analyze results. It is quite simple. However, the analysis of the results can sometimes be complex, especially with long texts. Have fun to try it! À découvrir!

Your students are able to complete the activities you give them and they perform quite well on formal assessments. Thus, we can presume that your students have an authentic understanding. But are you really sure about this? Almost twenty years ago, Eric Mazur, physicist and educator at Harvard University, and his colleagues tested the students’ understanding of the Newton’s Law by asking them some questions of the Force Concept Inventory (Hestenes et al. 1992).

“One of the questions, for example, requires students to compare the forces that a heavy truck and a light car exert on one another when they collide. I expected that the students would have no trouble tackling such questions, but much to my surprise, hardly a minute after the test began, one student asked, “How should I answer these questions? According to what you taught me or according to the way I usually think about these things?” To my dismay, students had great difficulty with the conceptual questions. That was when it began to dawn on me that something was amiss.”(Mazur 2009)

This investigation demonstrated how students really (poorly…) represent such basic concepts taught. Consequently, Mazur and his colleague were highly motivated to induce important changes in teaching physics at Harvard University by promoting the peer instruction and the questioning teaching approach (Mazur 2009; Crouch & Mazur 2001).

The tool revealing students’ misconceptions

Concept inventories, or concept tests, are really interesting pedagogic tools to reveal students’ thinking on diverse common subjects taught at school. In general, there are multiple-choice or two-tier questions (mix of true-false and multiple-choice questions). The main distinction of such questionnaires is in the distractors, the wrong answers. Indeed, the distractors are corresponding to the most popular wrong thinking, or misconceptions, of students. The development of concept inventories takes time, but at the end, you get a questionnaire revealing the authentic understanding of students. In other words, you can find out how they represent themselves or conceptualize the knowledge you tend to teach them. In parallel, concept inventories can be useful for evaluating educational needs of students before initiating any reform of a curriculum. For example, at ETH Zürich, the weak results of students on the Biological Concepts Instrument (BCI) have initiated some changes in teaching methods and on concepts taught in introductory biology courses (see our papers here and here for more details).

The construction

Thus, the common development of a concept inventory is usually done like that. The first step is to interview students or to distribute open-ended questionnaires and asked them to explain their understanding of varied phenomena. Then, after compiling the most popular misconceptions, you can create new questions and used the misconceptions as distractors. Consequently, when students are selecting such distractors, it gives you a quick idea that the students do not really understand the concept taught. However, we have to keep in mind that, by selecting the correct answer, you should not assume that students really understand. Indeed, it might be possible that the distractors are just not corresponding to their thinking. They have selected the best answer only by a process of elimination.

Some “plug and play” questionnaires

As I have explained before, developing concept inventories takes time, so here is a list of some interesting questionnaires available in biology and biochemistry. For some of them, you need to contact directly with authors to have access to the questionnaire

1. Biological Concepts Instrument. (Klymkowsky, Underwood & Garvin-Doxas, 2010)
2. Biological Experimental Design Concept Inventory. (Deane, Nomme, Jeffery, Pollock & Birol, 2014)
3. Central Dogma Concept Inventory. (Newman, Snyder, Fisk & Wright, 2016)
4. Chemical Concepts Inventory. (Barbera, 2013)
5. Conceptual Inventory of Natural Selection. (Anderson, Fisher & Norman, 2002)
6. Diffusion and Osmosis Diagnostic Test. (Odom & Barrow, 1995)
7. Dominance Concept Inventory. (Abraham et al., 2014)
8. Dynamics Concept Inventory. (Gray et al., 2005)
9. Enzyme-Substrate Interactions Concept Inventory. (Bretz & Linenberger, 2012)
10. Evolutionary Developmental Biology Concept Inventory. (Perez et al., 2013)
11. Genetic Drift Inventory. (Price, et al., 2014)
12. Genetics Literacy Assessment Instrument. (Bowling et al., 2008)
13. Heat and Energy Concept Inventory. (Prince et al., 2012)
14. Homeostasis Concept Inventory. (McFarland et al., 2017)
15. Host-Pathogen Interactions Concept Inventory. (Marbach-Ad et al., 2009)
16. Introductory Molecular and Cell Assessment. (Shi et al., 2010)
17. Lac Operon Concept Inventory. (Stefanski & Gardner, 2016)
18. Meiosis Concept Inventory. (Kalas, O’Neill, Pollock & Birol, 2013)
19. Molecular Biology Capstone Assessment. (Couch et al., 2015)
20. Natural Selection Open Response Instrument. (Nehm & Schonfeld, 2008)
21. Photosynthesis: Diagnostic Question Clusters. (Parker et al., 2012)
22. Osmosis and Diffusion Conceptual Assessment. (Fisher, Williams & Lineback, 2011)
23. RaProEvo. (Fiedler, Tröbst & Harms, 2017)
24. Thermal and Transport Science Concept Inventory. (Streveler et al., 2011)
25. Thermochemistry Concept Inventory. (Wren & Barbera, 2013)

If you know some questionnaires in biology or related topics which are not in this list, don’t hesitate to communicate with me. I will be happy to update my list!

References

Crouch, C.H. & Mazur, E., 2001. Peer Instruction: Ten years of experience and results. American Journal of Physics, 69(9), pp.970–977.

Hestenes, D., Wells, M. & Swackhamer, G., 1992. Force Concept Inventory. The Physics Teacher, 30(March), pp.144–158.

Mazur, E., 2009. Education. Farewell, lecture? Science, 323(5910), pp.50–51.

L’utilisation ou non des organes = évolution?

Certaines idées reçues observées chez les étudiants sont parfois en lien avec certains concepts de la théorie de l’évolution suggérée par Jean-Batiste de Lamarck (1744-1829) (Ha & Nehm 2013; Shtulman 2006; Kampourakis & Zogza 2007b). Brièvement, sa principale théorie consistait à reconnaître que l’utilisation ou la non-utilisation d’un organe en réponse directe à des conditions environnementales déterminait sa persistance chez un individu et sa transmission, ou non, d’une génération à une autre. Autrement dit, la théorie de la transmission des caractères acquis.  Lamarck ne reconnaissait pas le rôle du hasard dans les processus biologiques, ni l’extinction des espèces. Plutôt, il croyait à la complexification des organismes par des mécanismes mécaniques (de Lamarck 1809). Encore aujourd’hui, ce type de raisonnement de l’utilisation/non-utilisation d’un organe est observé parmi des étudiants de niveau pré-universitaire et dans les premières années d’études universitaires (Klymkowsky et al. 2010; Champagne Queloz et al. 2016; Champagne Queloz et al. 2017; Nehm & Ha 2010). En contrepartie, cette représentation ne devrait pas être étiquetée « modèle Lamarck », comme on peut encore trouver dans certains manuels de biologie. En effet, bien des scientifiques de cette époque, dont Charles Darwin, partageaient cette idée (Ha & Nehm 2013). On nomme cette théorie « le transformisme ». Cette théorie suggère qu’en réponse à certains facteurs environnementaux, les organismes vont transformer un organe en fonction de son utilisation. Ainsi, les nouvelles propriétés de cet organe seront transférées à la génération suivante (Shtulman 2006; Kampourakis & Zogza 2007b).

Kampourakis et Zogza (Kampourakis & Zogza 2007a) ont montré que d’autres conceptions alternatives étaient aussi faussement associées à la théorie de Lamarck. Premièrement, Lamarck ne croyait pas en cette explication téléologique qui suggère que les organismes évoluent en suivant un plan défini prédéterminé par une force quelconque et qui conduit vers un certain idéal. Deuxièmement, on associe à tort à sa théorie le « bon vouloir » ou la « volonté » d’évoluer, alors que Lamarck lui-même rejetait ces idées.  En fait, ces conceptions alternatives seraient nées d’une erreur de traduction des textes Lamarck (du français à l’anglais). Le mot « besoin » utilisé dans les textes de Lamarck, a été traduit par want (vouloir) au lieu de need to (avoir des besoins) (Mayr 1982; Kampourakis & Zogza 2007b). Les textes de Lamarck ont été lus par de notables évolutionnismes anglo-saxons de l’époque et ultérieurs. Ils ont, sans le vouloir, perpétué cette idée fausse de volonté.  Troisièmement, pour Lamarck, ce n’est pas l’environnement qui induit directement les changements génétiques. C’est plutôt l’utilisation des organes en fonction de conditions environnementales données, c’est-à-dire une action mécanique. Cette conception de l’évolution par Lamarck est maintenant reconnue comme étant erronée. Toutefois, elle reste encore une idée reçue fréquente qui freine l’apprentissage des processus évolutifs.

On dit donc parfois à tort que les étudiants ont une idée « lamarckienne » des processus évolutifs (Bishop & Anderson 1990; Demastes et al. 1995). Kampourakis et Zogza (Kampourakis & Zogza 2007b) ont demandé à des étudiants âgés de 15 ans d’expliquer comment les girafes allongeaient leur cou ou d’expliquer comment certains organismes dans un environnement donné peuvent changer de couleur. La majorité de ceux-ci ont expliqué que des besoins environnementaux poussaient les girafes à s’étirer le cou ou les animaux à changer de couleurs. Ces animaux induisant donc des changements génétiques permettant l’adaptation à des situations de stress. Sinon, il y a extinction de l’espèce. Au contraire, Lamarck ne croyait pas à l’extinction des espèces, mais suggérait plutôt qu’ils se transformaient pour survivre en adaptant des organes pour des besoins particuliers.

Lamarck et les girafes

En passant, cette représentation des girafes qui doivent allonger leur cou pour atteindre les feuilles les plus hautes dans les arbres est souvent associée à Lamarck. Toutefois, il est très intéressant d’apprendre par Kampourakis et Zogza (Kampourakis & Zogza 2007b), que Lamarck n’a pas vraiment étudié les girafes. D’ailleurs, lui-même n’a jamais eu l’occasion de les observer dans leur milieu naturel dans la savane. Dans son livre Philosophie Zoologique (de Lamarck 1809), il fait une seule courte remarque à propos de cet animal (citée ici). Il ne propose donc pas de connaissances factuelles pour expliquer le mécanisme de l’allongement du cou, sauf à part que c’est par l’utilisation de celui-ci par son étirement. Parallèlement, il ne suggère pas que la volonté de l’animal est responsable de l’élongation du cou. Des observations plus détaillées des girafes auraient plutôt été faites par Etienne Geoffroy Saint-Hilaire (1772-1844), un naturaliste français. En 1827, celui-ci avait été engagé par le roi Charles X pour s’occuper d’une girafe offerte par le gouverneur de l’Égypte, Méhémet-Ali (lire ici l’histoire de la girafe Zarafa!). Saint-Hilaire partageait des idées qui s’apparentaient au transformisme de Lamarck. Enfin, l’idée que les girafes allongent leur cou pour atteindre les feuilles les plus hautes avait déjà été suggérée en 1805 par Giuseppe Gautieri (1769-1833) (pour plus de détail à ce sujet, lire ici).

Controverse : et si Lamarck avait eu raison?

On ne peut passer sous silence le fait que certains chercheurs, suite à de récentes découvertes en biologie moléculaire et en génétique (par exemple, la technologie CRISPR), ravivent le modèle évolutif suggéré par Lamarck, souvent qualifiée de modèle quasi-Lamarckien (Koonin & Wolf 2009; Wang & Wood 2011; Burr et al. 2001). Sans vouloir entrer dans les détails de cette controverse (lire plutôt l’article en français de Casane et Laurenti (Casane & Laurenti 2016), les phénomènes génétiques suivant une tendance lamarckienne restent encore très marginaux et ont très peu d’influence dans les processus évolutifs. L’action du hasard tant au niveau de l’apparition des mutations, de la fixation ou de la perte des gènes, de l’embryogénèse et de la formation de nouveaux gènes, ainsi que la sélection naturelle sont grandement plus importantes dans l’évolution des organismes vivants.

Sobriquet ou non?

La classification et la nomination des concepts sur des bases historiques et épistémologique doit être faite avec parcimonie. Il faut éviter les dichotomies faciles entre les différents courants de pensée (le mauvais/le bon modèle). Certaines conceptions alternatives d’étudiants sont souvent classifiées sous un nom générique (dans le cas ci-présent, dites lamarckiennes, « la mauvaise »). En fait, elles partagent très peu de points communs avec le modèle originel. Ceci peut faire ombrage à certains scientifiques qui ont tout de même contribué de manière significative au développement de la pensée scientifique d’un concept. Comme suggéré par Kampourakis et Zogza (Kampourakis & Zogza 2007b), il faudrait aborder les conceptions alternatives des étudiants sans faire de classification fondée sur des références historiques. Le sens de certains concepts évolue avec le temps. Il peut alors être interprétés différemment et s’éloigner ainsi de l’idée originale proposée. Les implications pour l’enseignement peuvent être importantes, car on utilise souvent des références historiques pour renforcer l’importance d’un concept enseigné. De manière générale, bien des étudiants pensent que l’évolution des organismes se fait pour combler des besoins, vers l’atteinte d’un idéal. Ce raisonnement nuit à la compréhension authentique de l’évolution. Ce qui compte avant tout dans l’enseignement, c’est de savoir repérer, fissurer et franchir (Astolfi & Peterfalvi 1993) les conceptions alternatives pour mieux faire place aux savoirs scientifiques approuvés, et ce, peu importe le sobriquet attribué.

Références

Astolfi, J.P. & Peterfalvi, B., 1993. Obstacles et construction de situations didactiques en sciences expérimentales. ASTER, 16, pp.103–141.

Bishop, B.A. & Anderson, C.W., 1990. Student conceptions of natural selection and its role in evolution. 27(5), pp.415–427.

Burr, T., Hyman, J.M. & Myers, G., 2001. The origin of acquired immune deficiency syndrome: Darwinian or Lamarckian? Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 356(1410), pp.877–887.

Casane, D. & Laurenti, P., 2016. Le cas CRISPR, mutations « ready-made» et évolution lamarckienne d’un système immunitaire adaptatif. médecine/sciences, 32(6), pp.640–645.

Champagne Queloz, A. et al., 2016. Debunking Key and Lock Biology: Exploring the prevalence and persistence of students’ misconceptions on the nature and flexibility of molecular interactions. Matters Select, pp.1–7.

Champagne Queloz, A. et al., 2017. Diagnostic of students’ misconceptions using the Biological Concepts Instrument (BCI): A method for conducting an educational needs assessment M. Hermes-Lima, ed. PLoS ONE, 12(5), pp.e0176906–18.

de Lamarck, J.B., 1809. Philosophie zoologique,

Demastes, S.S., Good, R.G. & Peebles, P., 1995. Students’ conceptual ecologies and the process of conceptual change in evolution. Science Education.

Ha, M. & Nehm, R.H., 2013. Darwin’s Difficulties and Students’ Struggles with Trait Loss: Cognitive-Historical Parallelisms in Evolutionary Explanation. Science & Education, 23(5), pp.1051–1074.

Kampourakis, K. & Zogza, V., 2007a. Students’ intuitive explanations of the causes of homologies and adaptations. Science & Education, 17(1), pp.27–47.

Kampourakis, K. & Zogza, V., 2007b. Students’ Preconceptions About Evolution: How Accurate is the Characterization as “Lamarckian” when Considering the History of Evolutionary Thought? Science & Education, 16, pp.393–422.

Klymkowsky, M.W., Underwood, S.M. & Garvin-Doxas, K., 2010. Biological Concepts Instrument (BCI): A diagnostic tool for revealing student thinking. arXiv.org.

Koonin, E.V. & Wolf, Y.I., 2009. Is evolution Darwinian or/and Lamarckian? Biology Direct, 4(1), pp.42–14.

Mayr, E., 1982. The Growth of Biological Thought: Diversity, Evolution, and Inheritance. Havard  University Press. 974 p.

Nehm, R.H. & Ha, M., 2010. Item feature effects in evolution assessment. 48(3), pp.237–256.

Shtulman, A., 2006. Qualitative differences between naïve and scientific theories of evolution. Cognitive Psychology, 52(2), pp.170–194.

Wang, X. & Wood, T.K., 2011. IS5 inserts upstream of the master motility operon flhDC in a quasi-Lamarckian way. The ISME Journal, 5(9), pp.1517–1525.

The Duplo Vitruvian Man. Background figure presented by Prof Galili (not that one, but the original!). The anatomy of Science education = subject matter, pedagogy and didactics, cognitive sciences, philosophy and history. Who knows? Whom to ask?

Last Monday, I have been to an interesting presentation (see previous post here) titled: “The need of refinement of the features of the Nature of Science sometimes stated to be the “consensus view” in science education discourse” by Igal Galili, professor at the Hebrew University of Jerusalem. Prof Galili has background in physics and has a very strong interest in physics education (see here his remarkable contribution in divers scientific journals). The structure of knowledge into a discipline and perceptions of students on knowledge that educators tend to teach them are central themes of his research. In addition, he suggests an alternative model of the nature of science (NOS) features often taught to future science teachers. The presentation was interesting because it reflected quite well the development of knowledge: (re)-elaboration, refutation and re-elaboration of a model. You will see why by reading the following post…

Who knows? Whom to ask?

In general, NOS refers to the study of knowledge, i.e. the epistemology of science. Philosophers and historians of science, scientists and scientist educators are contributing to analyzing scientific conceptualization models or paradigms (Kuhn 1962) and attempt to determine the origin, the value and scope of knowledge (Lederman et al. 2013). The underlying questions of NOS are who knows and whom to ask (here is an interesting chapter about Prof Joseph Schwab (1939-1986) and his contribution in the emergence of contemporary NOS debates). The nature of science (NOS) is always more promoted in teaching biology. Indeed, it is well reported that many students do not realize how scientific knowledge (or data) are elaborated and are they can be “fixed” over time (Sadler et al. 2007; Burgin & Sadler 2015; Lederman et al. 2013). The teaching of NOS can improve scientific literacy, i.e. “an individual’s ability to make informed decisions about scientifically-based personal and societal issues” (Campanile et al. 2013, p. 206). In addition, the consideration of the NOS helps to understand the fallibility of science and consequently, driving the scientific research process continuously through new discoveries or innovations. We can easily understand how important learning NOS can be for students who expect working in scientific or technology research (and also for all students).

NOS characteristics

The NOS underlying 7 characteristic guidelines (Lederman et al. 2013) (read here for a complete description of each characteristic):

• There is a distinction between observation and inference.
• There is a distinction between scientific laws and theories
• “Even though scientific knowledge is, at least partially, based on and/or derived from observations of the natural world (i.e., empirical), it nevertheless involves human imagination and creativity”.
• “Scientific knowledge is subjective or theory-laden”.
• “Science as a human enterprise is practiced in the context of a larger culture and its practitioners (scientists) are the product of that culture”.
• “It follows from the previous discussions that scientific knowledge is never absolute or certain”.
• “Individuals often conflate NOS with science processes (which is more consistent with scientific inquiry)”. There is not a single scientific method.

Features of Science

At first sight, the Ledermann 7-NOS features make sense for many people in education, including me, who often observed students’ weak scientific literacy. Such features are accessible (philosophical or historical backgrounds are not required to understand them) and can catalyze very interesting discussions between educators and students in science courses. However, as everything, there is a “but” to address the 7-NOS features with students. Here comes the main theme of Prof Galili’ presentation, who explained some limits of this model. The main concern is the overgeneralization of the features. For example, the distinction between laws and theories is quite debatable. A theory can be everything! It includes laws, models, principles, rules, definitions, experiments and epistemology aspects. This dichotomised thinking is not relevant in teaching science. Another example is about the subjectivity of science. Being subjective means for the majority of people that knowledge are influenced by someone’s personal feeling rather the facts. Or that knowledge exists only in someone’s mind. Biology or physics teachers can be unsafe to introduce the subjectivity of science to students. Being potentially destabilized in their learning, students may question the knowledge they have learned and asking why they have to learn it (which I’m considering this questionning totally relevant). As Prof Galili suggested, being objective does not presume being universally correct. “Knowledge is objective in certain conditions (the facts) over which arbitrary will have no control”. Here are its suggestions to specify the 7-NOS features in an educational context (see also Matthews 2012, available here):

• Theory-empirical symbiosis.
• Theories and laws in a based cultural structure
• Enculturation
• Objective product (theory) subjective inquiry (form)
• Socially independent essence
• Hypothesis, tentativeness, certainty
• Scientific method, rules and procedure not anything goes

I will not detail all Prof Galili 7-NOS revisited features. Rather, I simply recommend to read this chapter: “Changing the Focus: From Nature of Science to Features of Science” by Michael R. Matthews in Advances in Nature of Science Research (M.S. Khine, ed.), available here. As Prof. Galili, Matthews considers the 7-NOS list incomplete and superficial. He suggests additional features covering realities of science studies and to change of focus from NOS to FOS, for Features of Science. Prof Galili argues “for addressing the features of science in the span of variation objective-subjective, tentative-certain, and so on depending on the context” (as cited in the presentation abstract, below).

Conclusions (tentative of…)

The idea of this post is not to decide who suggest the best model for teaching the construction of scientific knowledge. Both demonstrate the necessity to explore NOS with students to induce the development of scientific literacy. Interestingly, this debate reflects quite well the development of knowledge: (re)-elaboration, refutation and re-elaboration of a scientific model. All knowledge are subject to negotiations and consensus (Kuhn 1962).  To conclude, I quote Prof Galili’s argument: “that comparing and contrasting the contributions of scientists addressing similar or the same subject could not only enrich the picture of scientific enterprise, but also possess a special appealing power promoting genuine understanding of the concept considered” […] Considering this difference is educationally valuable, illustrating the meaning of what students presently learn in the content knowledge […], as well as the nature of science and scientific knowledge” (Galili 2015, in the abstract). I could not conclude better!

References

Burgin, S.R. & Sadler, T.D., 2015. Learning nature of science concepts through a research apprenticeship program: A comparative study of three approaches. Journal of Research in Science Teaching, pp.n/a–n/a.

Campanile, M.F., Lederman, N.G. & Kampourakis, K., 2013. Mendelian Genetics as a Platform for Teaching About Nature of Science and Scientific Inquiry: The Value of Textbooks. Science & Education, 24(1-2), pp.205–225.

Galili, I., 2015. From Comparison Between Scientists to Gaining Cultural Scientific Knowledge. Science & Education, 25(1), pp.115–145.

Kuhn, T.S., 1962. The Structure of Scientific Revolutions, 4th Edition, 2012, University of Chicago Press.

Lederman, N.G., S, L.J. & Antink, A., 2013. Nature of Science and Scientific Inquiry as Contexts for the Learning of Science and Achievement of Scientific Literacy. International Journal of Education in Mathematics, Science and Technology, 1(3), pp.138–147.

Sadler, T.D., Chambers, F.W. & Zeidler, D.L., 2007. Student conceptualizations of the nature of science in response to a socioscientific issue. International Journal of Science Education, 26(4), pp.387–409.

Nombre de fois où j’ai voulu sauter des étapes lors de ma carrière estudiantine, mais les cours préalables m’ont bien vite coupé mon élan ! Pour le mieux ou pas ? Ils sont souvent une source de frustration pour bien des étudiants. Les raisons sont diverses : l’obligation ne plait pas, trop généraux, pas de lien direct avec une profession, trop basiques, manque de cohésion entre les cours, etc.

La « découverte » scientifique…

Tout récemment, Brian K. Sato et son équipe (Sato et al. 2017) se sont intéressés à cette question des cours préalables dans un cursus scientifique (l’article original en anglais est disponible ici). Ils ont évalué les bénéfices des prérequis pour un cours théorique de microbiologie et de son pendant pratique, la période de laboratoire. Un questionnaire de « familiarité » des concepts a été développé pour mesurer l’état de connaissances des étudiants. Plus précisément, cette échelle de familiarité consiste à mesurer l’habilité de l’étudiant à répondre à une question théorique à partir de ses connaissances acquises lors d’un cours prérequis. De manière générale, ils ont constaté que les étudiants qui participaient au cours théorique de microbiologie ne performaient pas mieux que ceux qui ne le suivaient pas. De là, on peut donc remettre en question le bien-fondé des cours prérequis !

Préalable en fonction de quoi ?

La réussite d’un cours préalable obligatoire est une façon de s’assurer que l’étudiant/e a acquis/e un certain niveau de connaissances de base.  On peut comparer cela à la construction d’une fondation de savoirs (idéalement solide !) permettant d’accueillir des connaissances de plus en plus complexes. J’ai exploré le « comment » on définit les préalables, mais j’ai trouvé bien peu de littérature sur le sujet. De manière générale, les instructeurs semblent souvent déterminer les prérequis en fonction de leur expérience personnelle en enseignement, mais aussi en fonction leur propre expérience en tant qu’étudiants (Rovick et al. 1999).

Qui vient en premier ? La théorie ou la pratique ?

Revenons à Sato et ses collègues et à leur grille de « familiarité ». Simplement, des questions peuvent être « très familières », « familières » ou « non-familières » en fonction des connaissances acquises préalablement. Ainsi, en mesurant l’habilité des étudiants à répondre à certaines questions de connaissances, ils ont pu évaluer si le cours théorique de microbiologie était nécessaire pour réussir le cours de laboratoire. De manière générale, les étudiants qui avaient fait le cours théorique de microbiologie avaient significativement les mêmes résultats sur les examens théoriques et de laboratoire que les étudiants n’avaient pas complété ce cours théorique normalement prérequis pour le laboratoire. Ils ont aussi rencontré les étudiants pour connaître leurs perceptions de ces prérequis. Pour 89.3% des étudiants, les prérequis sont nécessaires pour acquérir des connaissances de base. Pour, respectivement, 35.7%, 25.0% et 21.4%, les connaissances préalables agissent comme un « filet de sécurité », déterminent leurs succès futurs et contribuent à l’intérêt de la discipline enseignée. Toutefois, pour 51.7% des étudiants rencontrés, le cours théorique représente aussi un casse-tête administratif, surtout au niveau de l’établissement de l’horaire des cours. Beaucoup considèrent ce cours comme une perte de temps et d’argent (37.9%) ou mal intégré dans le cursus (31.0%). Il est intéressant de constater que seulement 17% pensent que le cours théorique de microbiologie est inutile. Pour Sato et ses collègues, les résultats obtenus ont permis de créer une ligne directrice pour amorcer certains changements dans les cours de microbiologie.  Toutefois, ils ne suggèrent aucune avenue pour résoudre l’énigme de ce qui doit venir en premier ; la théorie ou le laboratoire ?!

Ce que l’on doit retenir

L’idée de ce type d’investigation n’est pas de démontrer que les prérequis ne sont pas nécessaires. En effet, multiples études montrent l’importance de ceux-ci et présentent des résultats qui contrastent avec l’étude menée par Sato et ses collègues (Soria & Mumpower 2012; Choudhury & Robinson 2007; McCoy 2004; Donovan & Wheland 2009). Il faut plutôt retenir l’importance de remettre en question certaines façons de faire, qui sont souvent solidement ancrées depuis de nombreuses années. L’acquisition de connaissances fondamentales est essentielle pour la construction d’un réseau de plus en plus complexe. Les cours prérequis sont une forme de standardisation du système éducatif assurant un niveau d’instruction minimum nécessaire à la réussite de l’étudiant (en théorie !). Toutefois, il serait important de réévaluer son efficacité car un tel système évolue aussi en fonction de contextes socio-économiques et technologiques donnés. Selon moi, des résultats présentés comme ceux de Sato et ses collèges démontrent uniquement la nécessité de remodeler un curriculum de façon à ce que les cours offerts deviennent totalement réciproques, c’est-à-dire en symbiose. Les prérequis sont donc un bien-fondé, si ceux-ci sont raisonnés !

Références

Choudhury, A. & Robinson, D., 2007. Effect of prerequisite on introductory statistics performance. Journal of Economics and Economics Education Research, 8(3), pp.19–32.

Donovan, W.J. & Wheland, E.R., 2009. Comparisons of Success and Retention in a General Chemistry Course Before and After the Adoption of a Mathematics Prerequisite. School Science and Mathematics, 109(7), pp.371–382.

McCoy, E.D.P.S.K., 2004. The Function of Course Prerequisites in Biology. American Institute of Biological Sciences.

Rovick, A.A. et al., 1999. How accurate are our assumptions about our students’ background knowledge? Advances in Physiology Education, 21(1), pp.S93–S101.

Sato, B.K. et al., 2017. What’s in a Prerequisite? A Mixed-Methods Approach to Identifying the Impact of a Prerequisite Course. D. Barnard, ed. CBE-Life Sciences Education, 16(1), pp.ar16–20.

Soria, K.M. & Mumpower, L., 2012. Critical building blocks: Mandatory prerequisite registration systems and student success. NACADA Journal, 32(1), pp.30–42.

“Energy is required to perform a work.”

In an university introductory biology course, I have investigated undergraduates’ thinking about the concept of energy. The question was simply: “Define energy”. This question was simple in construction in order to avoid influencing students’ answers (Schurmeier et al. 2010). In addition, I was curious to find out the discipline influence in the student’s reasoning. The most popular explanation was “energy is required to perform a work”, mainly inspired by knowledge learned in physical courses. In biological contexts, such reasoning doesn’t really help to understand the energy requirement in biological processes. For example, understanding molecular binding of medicaments or antibodies requires the recognition of energetic properties of molecules and understanding some thermodynamics principles (more details here). “Perform work” is quite meaningless in such microscopic scale. Cooper and Klymkowsky (Cooper & Klymkowsky 2013) consider that the focus on macroscopic events in physics courses (the most classic example is an object rolling down a hill) harms to develop an interdisciplinary understanding of this concept, mainly in biology introductory courses. This problem is referred as multimodalities in representing the concept of energy (Tang et al. 2011). Indeed, differences in discourse between disciplines make the concept energy confused for many students (Hartley et al. 2012).

Energy?

How can we define clearly energy that may help students to improve their biological understanding? Let’s check on Wikipedia.

“In physics, energy is the property that must be transferred to an object in order to perform work on – or to heat – the object, and can be converted in different forms, but not created or destroyed. […]. Common energy forms include the kinetic energy of a moving object, the potential energy stored by an object’s position in a force field (gravitational, electric or magnetic), the elastic energy stored by stretching solid objects, the chemical energy released when a fuel burns, the radiant energy carried by light, and the thermal energy due to an object’s temperature”. (Wikipedia)

“In biology, energy is an attribute of all biological systems from the biosphere to the smallest living organism”. (Wikipedia)

Hartley and al. (2012) have investigated energy definitions in popular chemistry, physics and biology textbooks (Figure 1).

Figure 1: Textbook definitions and index-term usage of energy and matter (from Hartley et al. 2012)

We can notice that the idea of capacity to do work, the form of energy (potential, kinetic, heat, thermal energy), conservation of energy are common terms among chemistry, physics and biology textbooks. However, we mainly retain that energy is an abstract concept, not observable and impossible to measure directly. To cite Richard Feynman (1963), “It is important to realize that in physics today, we have no knowledge of what energy is“. In 2017, the definition is not really more elaborated. Energy is still a hard concept to teach and to learn. If we cannot easily define it, maybe we can analyze the potential origin of the confusion.

Interdisciplinary Confusion

As we can see, energy is a core concept in education of sciences. Energy underlies all processes in physics, chemistry and biology. The main problem in biology courses is that many students do not consider energy as the main driver of molecular interactions. It includes movements, binding and detachments of molecules in cells. Such interactions directly influence, for example, expression of genes and consequently, the determination of morphological traits. Students often restrict their reasoning by having a macroscopic view of physical principles. For examples, a ball rolling down a hill (kinetic vs potential energy) or the energy requires to maintain muscles in action. In addition, many research demonstrated that students have many misconceptions on the concept of energy (entropy, potential/kinetic energy) (Neumann et al. 2012; Haglund et al. 2015; Geller et al. 2014). It might be possible that such misconceptions are transferred into biological contexts. Megan Nagel and Beth Lindsey (Nagel & Lindsey 2015) have shown that students who leaving an introductory general chemistry course do not recognize how distance between molecules are determinate by the energy of a system. We know that many students struggle to understand how molecules “find each other” or get apart again (Klymkowsky et al. 2010; Champagne Queloz et al. 2016).

In parallel, the misconceptions “energy is stored in chemical bonds” and “energy is released when bonds break” is well popular among the learners. It indicates that students often consider chemical bonds as a physical entity.

“This notion of a chemical bond as matter thus appeared to be linked to the everyday notion that building any structure requires energy input, and its converse, destruction, releases energy, to form the basis for the prevalent alternative conception that bond making requires input of energy and bond breaking releases energy”. (Boo 1998) p. 574

In biology contexts, there is this false idea that breaking chemical bonds of food by digestion (in other words, a catabolism reaction) releases energy. The focus should be on the chemical reactions. Precisely, the reaction between oxygen and the food through the cellular respiration transforms the potential energy into chemical (ATP) and thermal (heat) energy. This thermal energy is essential to govern all biological processes.

The thermodynamics factor, the thermal energy, is the “force” pushing the molecules in diverse directions, engendering collisions and then, causing random movements of its. Hartley et al. (2012) reported that in the majority of biology textbooks, the focus is on movement, i.e. the transfer through ecosystems and transformations of energy. In their investigation, they found that only few textbooks were referring to the conservation of energy or law of thermodynamics to describe biological processes.

There is another problem. In chemistry and physics courses, energetic models are most of the time presented in equilibrium closed-systems, or in controlled-environmental systems. In contrast, biological systems are open, i.e. there are exchanges between organisms and the exterior environment. The exchanges consist of continuous building up and breaking down of molecules (Bertalanffy 1950). Here you can find fancy explanations about this principle.  Again, such energetic exchanges take origin in thermodynamics processes.

Some solutions?

The concept of energy is difficult to teach because there is not explicite consensus among scientific disciplines. Hartley and al. (2012) paper gives some insights helping to be aware of the interdisciplinary confuse meaning of energy. According them, simply to increase the awareness of the differences in how biologist, chemists and physicists define energy might help to better teach it. It also improve understanding of students.

Moreover, students need help to make spontaneous connections between knowledge taught in physics, chemistry and biology classes (Nagel & Lindsey 2015; Tang et al. 2011). Megan Nagel and Beth Lindsey (Nagel & Lindsey 2015) showed that only few of them have the abilities to transfer their knowledge through different disciplines.

Figure 2: Some students can think that energy is a physical entity, such a liquid or a solid.

The last point is about the terminology used to describe energy. Everyday language can conduct through a wrong understanding of this concept. For example, we often read, “chemical reactions produce/create energy”. The energy is transferred or transformed, but it is never produce or create. This wrong idea is again the first law of thermodynamics, the conservation of energy. Another example is the use of the word “substance” to define energy. Some students can think that energy is a physical entity, such a liquid or a solid. Moreover, some consumable products, such energetic drinks or energetic bars increase the prevalence of this “substance” thinking. Such everyday expression should be used carefully when the concept of energy is taught.

Conclusions

As you can see, teaching and learning energy takes a lot of energy! Only awareness of such difficulties can make it easier, I think. The general idea of that post was that, to inform about some issues and unfortunately, not to give a precise definition of this interdisciplinary concept. I have the humility to recognize that it’s definitely over my scientific competencies!

References

Bertalanffy, von, L., 1950. The theory of open systems in physics and biology. Science, 111(2872), pp.23–29.

Boo, H.K., 1998. Students’ understandings of chemical bonds and the energetics of chemical reactions. Journal of Research in Science Teaching, 35(5), pp.569–581.

Champagne Queloz, A. et al., 2016. Debunking Key and Lock Biology: Exploring the prevalence and persistence of students’ misconceptions on the nature and flexibility of molecular interactions. Matters Select, pp.1–7.

Cooper, M.M. & Klymkowsky, M.W., 2013. The Trouble with Chemical Energy: Why Understanding Bond Energies Requires an Interdisciplinary Systems Approach. CBE-Life Science Education, 12(2), pp.306–312.

Geller, B.D. et al., 2014. Entropy and spontaneity in an introductory physics course for life science students. American Journal of Physics, 82(5).

Haglund, J., Andersson, S. & Elmgren, M., 2015. Chemical engineering students’ ideas of entropy. Chemistry Education Research and Practice, 16(3), pp.537–551.

Hartley, L.M. et al., 2012. Energy and Matter: Differences in Discourse in Physical and Biological Sciences Can Be Confusing for Introductory Biology Students. BioScience, 62(5), pp.488–496.

Klymkowsky, M.W., Underwood, S.M. & Garvin-Doxas, K., 2010. Biological Concepts Instrument (BCI): A diagnostic tool for revealing student thinking. arXiv.org.

Nagel, M.L. & Lindsey, B.A., 2015. Student use of energy concepts from physics in chemistry courses. Chemistry Education Research and Practice, 16(1), pp.67–81.

Neumann, K. et al., 2012. Towards a learning progression of energy. Journal of Research in Science Teaching, 50(2), pp.162–188.

Schurmeier, K.D. et al., 2010. Using Item Response Theory To Assess Changes in Student Performance Based on Changes in Question Wording. Journal of Chemical Education, 87(11), pp.1268–1272.

Tang, K.S., Tan, S.C. & Yeo, J., 2011. Students’ Multimodal Construction of the Work–Energy Concept. International Journal of Science Education, 33(13), pp.1775–1804.

Enseigner la biologie

Concrètement, qu’est-ce que signifie l’enseignement de la biologie? La biologie est un domaine très vaste.  Elle inclut l’étude des phénomènes moléculaires jusqu’à l’étude des systèmes écologiques complexes, tout en passant par le monde microscopique. Le contenu d’enseignement peut devenir rapidement très complexe et quasi illimité. Pour se donner une idée des concepts enseignés dans les cours d’introduction à la biologie au niveau post-secondaire ou universitaire, il suffit de se référer aux manuels les plus populaires tels que le “Campbell – Biology” ou son équivalent germanique, le “Natura“. D’ailleurs, la rédaction des contenus d’enseignement est souvent grandement inspirée des tables des matières de ces manuels. Ceux-ci présentent une histoire linéaire et logique allant souvent du niveau moléculaire au niveau macroscopique (exemple, l’écologie et la biologie développementale).

Je compare cette approche à l’enseignement programmé linéaire, une théorie behavioriste suggérée par Burrhus Frederic Skinner dans les années 50. Elle consiste à découper le contenu à enseigner en segments fins, des associés à des activités d’apprentissage et à des évaluations régulières. Les étudiants doivent obligatoirement parcourir l’ensemble des éléments d’apprentissage pour atteindre les critères de réussite d’un cours (lire ici une note de synthèse, écrite par Pierre Oléron, sur l’enseignement programmé linéaire ou à embranchements). En décomposant le contenu à enseigner en fins segments, on tend à éviter le plus possible les erreurs.

Face au mur de la complexité de la biologie

Toutefois, cette linéarité ne correspond pas nécessaire à une accentuation du niveau de complexité des concepts enseignés, comme on le fait pour l’enseignement d’un sport ou d’un instrument de musique. En effet, les premiers chapitres de la plupart des manuels de biologie abordent les concepts de l’énergie, des processus thermodynamiques et biochimiques, qui dirigent les processus biologiques. Ces concepts requièrent des connaissances de base en physique ou en chimie. Malheureusement, ces connaissances sont souvent mal maitrisées (Boo 1998; Teichert & Stacy 2002; Wren & Barbera 2013; Haglund et al. 2015; Lancor 2012), ou tout simplement pas encore apprises. De plus, les étudiants ne font pas spontanément un transfert de connaissances d’une discipline à une autre (Nagel & Lindsey 2015). Megan Nagel et Beth Lindsey (2015) ont démontré qu’il était nécessaire de “forcer” les étudiants à transférer leurs connaissances. Parallèlement, les enseignants doivent être en mesure de reconnaître les besoins interdisciplinaires des étudiants pour amorcer de tels transferts. Les étudiants se confortent souvent à cloitrer les connaissances les unes des autres, et sont supportés par un enseignement en silo (Loertscher et al. 2014; Nagel & Lindsey 2015), qui réfère à enseigner sans explicitement lier les connaissances entre elles. Les conséquences dans l’apprentissage de la biologie sont, premièrement, que certains étudiants décrochent dès les premiers cours face à ce mur de complexité, car cela ne correspond tout simplement pas à leurs attentes. Deuxièmement, d’autres se mettent en “mode automatique”, en mémorisant par coeur ce qui doit être appris pour réussir les examens. Au final, ces étudiants ne démontrent pas une compréhension authentique des concepts enseignés et échouent souvent à communiquer de telles connaissances en dehors d’un contexte d’évaluation (Champagne Queloz 2016).

Enseigner la biologie autrement

Alors, comment enseigner la biologie autrement? L’enseignement linéaire en biologie, consistant à décrire le plus petit (ex. moléculaire) vers le plus grand (ex. écologie) en passant par le microscopique, est favorisé dans la majorité des cours de biologie à tous niveaux d’éducation. Les avantages sont les suivants: 1) c’est une suite à première vue logique, 2) simplifie la rédaction et l’édition des manuels scolaires, 3) simplifie l’enseignement et l’apprentissage, qui se résume à “suivre la ligne droite” pour éviter de s’égarer, et 4) permet l’enseignement d’un grand nombre de faits.

Toutefois, l’enseignement de la biologie pourrait, selon moi (et d’autres, lire Klymkowsky et al. 2016), se faire autrement. Au lieu d’un enseignement linéaire, je vois plutôt un enseignement englobant (j’imagine le tout en forme de boucles). La complexité peut augmenter en fonction du niveau d’éducation ou du temps d’enseignement disponible. L’idée générale est de toujours revenir à son point de départ pour repartir vers d’autres niveaux d’explications ou vers de nouveaux concepts. Ma réflexion s’inspire de la théorie de Norman Crowder, (enfin, selon mon interprétation). Contrairement à la théorie d’apprentissage linéaire suggéré par Skinner, Crowder suggère des programmes d’apprentissage à embranchements présentant des segments plus détaillés et plus longs. Les étudiants sont sensibilisés au fait que plus d’une réponse est possible (lire ici la note de synthèse, écrite par Pierre Oléron, sur l’enseignement programmé linéaire de Skinner ou à embranchements de Crowder).

Les manuels scolaires présentant le contenu respectant une perspective crowdienne sont appelés “livres brouillés”, qui est traduit de l’anglais “scrambled books” (Oléron 1964). Le manuel BioFundamentals – coreBIO (disponible ici gratuitement), écrit par Mike Klymkowsky et Melanie Cooper, a été rédigé pour intégrer cette perspective englobante et interdisciplinaire de l’enseignement de la biologie. Je crois qu’il se rapproche de près à ce qu’on appelle un “livre brouillé” (et non “brouillon”!!). Dans ce livre, on montre que les processus biologiques sont influencés par une multitude de phénomènes interdépendants des uns aux autres. Trop souvent, les étudiants ne réalisent pas l’existence de tous ces liens.

Selon Herrmann-Abell et collaborateurs (Herrmann-Abell et al. 2016), il est essentiel d’expliquer que les mêmes principes chimiques ou physiques sont impliqués dans divers phénomènes biologiques. Cette équipe de recherche a développé un curriculum de 6 semaines, le “Toward High School Biology“. Ce programme a été pensé pour aider les étudiants à mieux comprendre l’influence du réarrangement des atomes et du principe de conservation de l’énergie dans les processus biologiques. Le design du programme est basé sur quatre principes: 1- présenter un ensemble cohérent d’idées scientifiques et les connections qui existent entre elles, 2- tenir compte des connaissances antérieures et des idées reçues des étudiants, 3- présenter des expériences ou des phénomènes proches de la réalité de tous les jours, et 4- examiner l’interprétation et les explications des étudiants. Cette étude, malgré certaines limites citées par les auteurs, démontre que les étudiants impliqués dans cette approche avaient moins d’idées reçues que les étudiants qui suivaient un enseignement traditionnel.

Les difficultés

Il y a beaucoup de résistance face à cette approche d’enseignement plutôt libérale. Effectivement, pour l’enseignant, il faut un grand investissement de temps et une détermination convaincante de la nécessité de cette approche. Discuter avec les étudiants prend du temps et conséquemment, il peut y avoir moins de temps pour enseigner certains faits scientifiques. De plus, certains groupes d’étudiants sont plus réceptifs que d’autres à cette approche.

Enfin, la conclusion…

L’enseignement englobant prépare mieux les apprenants à la complexité des processus biologiques, chimiques ou physiques. Elle les amène à développer un raisonnement scientifique authentique et éclairé, qui se rapproche de celle de l’expert. En effet, un expert possède certes bien des savoirs, mais sait surtout reconnaître les limites de ses connaissances. Ceci le pousse alors à chercher et à comprendre les mécanismes étudiés (parfois en s’égarant, ou même en reculant!). Le chemin scientifique n’est pas linéaire; il est plutôt composé de boucles de longueurs variées et de diverses directions. Ainsi va la science et donc, son apprentissage.

Références

Boo, H.K., 1998. Students’ understandings of chemical bonds and the energetics of chemical reactions. Journal of Research in Science Teaching, 35(5), pp.569–581.

Champagne Queloz, A., 2016. Biological Thinking: Insights into the Misconceptions in Biology maintained by Gymnasium students and Undergraduates. Zurich.

Haglund, J., Andersson, S. & Elmgren, M., 2015. Chemical engineering students’ ideas of entropy. Chemistry Education Research and Practice, 16(3), pp.537–551.

Herrmann-Abell, C.F., Koppal, M. & Roseman, J.E., 2016. Toward High School Biology: Helping Middle School Students Understand Chemical Reactions and Conservation of Mass in Nonliving and Living Systems. CBE-Life Sciences Education, 15(4), pp.ar74–ar74.

Klymkowsky, M.W. et al., 2016. The Design and Transformation of Biofundamentals: A Nonsurvey Introductory Evolutionary and Molecular Biology Course. CBE-Life Sciences Education, 15(4), pp.ar70–ar70.

Lancor, R., 2012. Using Metaphor Theory to Examine Conceptions of Energy in Biology, Chemistry, and Physics. Science & Education, 23(6), pp.1245–1267.

Loertscher, J. et al., 2014. Identification of Threshold Concepts for Biochemistry. CBE-Life Sciences Education, 13(3), pp.516–528.

Nagel, M.L. & Lindsey, B.A., 2015. Student use of energy concepts from physics in chemistry courses. Chemistry Education Research and Practice, 16(1), pp.67–81.

Oléron, P., 1964. Introduction à l’enseignement programmé. Enfance, 17(1), pp.1-38.

Teichert, M.A. & Stacy, A.M., 2002. Promoting understanding of chemical bonding and spontaneity through student explanation and integration of ideas. Journal of Research in Science Teaching, 39(6), pp.464–496.

Recently, the Department of Biology at ETH Zürich, in Switzerland, has introduced new forms of teaching such flipped classroom. It aims to encourage students to become more involved in their learning (see the article here).

“Deblocking” teaching in well-established universities!

Traditional educational practices 

It is often difficult to initiate educational reforms in prestigious or top-ranked universities (this idea of top-ranked universities is quite debatable… Article 1. Article 2. Article 3). It requires commitment and some humility to recognize the limits of a system and the need to change it. Usually, traditional educational practices are strongly anchored into well-establish universities. Traditional teaching refers to a lecturer who is the main actor involved into the transfer of knowledge. In this context, students have a passive role by absorbing knowledge. Common assessments are usually constructed to measure abilities of students to memorize large amount of knowledge and to distinguish/describe “the right” and the “false” statements. The principal exchange between the lecturer and the students is normally during informal oral questions sessions during or at the end of the lecture. Most of the time, only few students are willing to share their questioning or comments. In addition, the room to discuss in class is often restricted, dominated by the time requires to teach the content.

At ETH Zürich, some professors were unsatisfied with such traditional approach. They have realized that, even if students are learning something, they don’t demonstrate any ability to discuss or to develop critical thinking. Such competencies are fundamental to develop a better scientific literacy. In addition, many students interpret wrongly what we tend to teach them by demonstrating important misconceptions (read here our article about this subject). Those misconceptions are often immutable when not addressed and not revealed by common assessments.

Flipped Classroom

A flipped classroom consists for students to get acquainted with the subject of the lecture before to come in class through self-study using interactive learning exercises with texts and videos available via a learning platform. Then, students are coming in class and the lecturer introduces briefly the subject. After this short introduction, students are working in small teams to do some learning activities and discuss between them, with the lecturer and the teaching assistants. Developing such educational approach takes considerably a lot of time to prepare and update the material and a workforce to assist students in large-enrolled groups during discussion sessions.

A survey done at the end of every semester reveals that ETHZ students are highly happy with this approach. In addition, according to the lecturers, the teaching assistant and the students, the discussions immediately reveal some weak understanding, offering the possibility of the lecturer to readjust his teaching quickly. Consequently, students develop a better conceptual understanding.

Center for Active Learning (CAL)

The Department of Biology has founded the Center for Active Learning (CAL). The team is offering counselling and development services for the department’s lecturers. They collaborate with the department of Educational Development and Technology at ETH Zürich to improve the learning platform.

Educational Tasks of Universities

Prestigious or top-ranked universities should remain at the forefront of the key improvements in education, not only in research activities. The main role of universities is the formation of future professionals or researchers having knowledge, of course, but also demonstrating conceptual understanding and critical thinking. Traditional education doesn’t accord to measure such competencies. Obviously, this suggests that authorities must therefore show a certain open mind for changes. Challenging a well-establish system demands engagements, the conviction that changes are needed, but, principally, some humbleness to recognize that we can do better.

Evitons l’enseignement de masse!

À première vue, cette question peut paraître anodine. Comme enseignant, notre première idée sera peut-être d’aller regarder dans les manuels scolaires qui correspondent au sujet et au niveau d’étude enseignés. En effet, on trouve souvent l’inspiration dans les manuels scolaires populaires pour aider à structurer notre enseignement. Il y a un certain sentiment de sécurité à suivre une trace pédagogique linéaire bien définie. De plus, un examen minutieux des objectifs d’apprentissage fixés par le département, par l’institution ou encore par l’état doit aussi être fait pour s’assurer que l’apprentissage des étudiants correspond aux attentes des autorités éducatives. Mais la question reste, comment le contenu d’apprentissage est-il défini? En fonction de quels besoins? Est-ce les politiques éducatives qui dirigent la rédaction de ceux-ci dans le but de répondre à des besoins de sociétés? Ou, à l’inverse, est-ce les autorités politiques et/ou économiques qui structurent les curricula? Comment les éditeurs de manuels scolaires influencent l’élaboration des objectifs d’apprentissage?

Le contenu: le parent pauvre des réformes

Roger-François Gauthier, auteur du livre “Les contenus de l’enseignement secondaire dans le monde : état des lieux et choix stratégiques” publié par l’UNESCO en 2006, souligne le fait que le contenu est le parent pauvre des réformes éducatives. On s’attarde volontiers à la révision des approches pédagogiques ou des moyens technologiques, mais on ne se préoccupe guère du contenu. Pourquoi le contenu mérite un tel désintérêt? Il y a souvent des enjeux politiques, économiques, sociaux ou scientifiques qui alourdissent et ralentissent le changement des contenus enseignés. Il y a des savoirs qui nous semblent évidents à enseigner. Par exemple, il ne nous viendrait pas à l’idée de remettre en question l’apprentissage de la lecture, de l’écriture et à compter au niveau de l’élémentaire. Toutefois, au niveau secondaire, postsecondaire et universitaire, cette définition se complexifie quelque peu. FR Gauthier présente comme exemples la question de l’initiation aux sciences ou aux langues secondes. Quel est le meilleur moment et quel niveau de complexité devons-nous atteindre avec les apprenants? Que signifie l’expression “connaissances de base” en biologie ou tout autre sujet?

Enseigner des faits ou des concepts?

Figure 1: Taxonomie de Bloom. Source: Par Blooms_rose.svg: K. Aainsqatsiderivative work: PatrickHetu — Ce fichier est dérivé de  Blooms rose.svg:, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=25219597

Depuis quelque temps, il y a un débat dans l’enseignement de la biologie qui tend à distinguer les connaissances factuelles et conceptuelles (Wood 2008) et à définir les connaissances de base à enseigner (Bauerle et al. 2011). Carl Wieman (sa bibliographie est disponible ici), qui s’implique ardemment dans la promotion de l’enseignement des sciences, définit le terme concept (ou connaissance conceptuelle) comme étant une idée qui peut être appliquée dans divers contextes pour expliquer et prédire un aboutissement (Wood 2008). Toutefois, la limite entre les faits et les concepts est souvent difficilement définissable. De cette dichotomie des connaissances, on s’étend vers la taxonomie des connaissances proposée par Bloom (Crowe et al. 2008). Cette taxonomie consiste à classifier les connaissances en fonction du niveau d’acquisition (Figure 1, extraite de Wikipédia). Selon ce classement (voir la description sur l’encyclopédie Wikipédia), l’idéal serait d’enseigner des savoirs qui amènent l’apprenant à développer des capacités d’analyse, de développement et de critique.

Le contenu est évolutif et faillible

Les institutions scolaires n’agissent pas seules. Leurs actions sont dépendantes des contextes sociaux, politiques, technologiques ou scientifiques donnés. Par exemple, on considère de plus en plus important d’intégrer les plus récents développements en sciences de la vie tels que la technologie CRISPR-Cas9 ou la médecine personnalisée par l’intermédiaire du séquençage génomique. Toutefois, des pressions sociales ou politiques dans certains milieux font que l’on retarde l’intégration de ces savoirs nouveaux dans les curricula, car ils ne correspondent tout simplement pas aux idéologies du moment. Encore aujourd’hui, l’enseignement de l’évolution est parfois contesté malgré l’accumulation de faits scientifiques démontrant son influence majeure sur les développements biologiques (article 1, article 2, article 3) (ici un article intéressant sur les sondages mesurant l’acceptation et la croyance des processus évolutifs). De plus, il y a toujours des questions de limite de temps pour enseigner toutes ces connaissances, de la capacité des apprenants à tout retenir et de la pertinence d’enseigner le plus de connaissances possible. Il y a nécessairement des savoirs qui devront sauter pour faire place aux nouvelles connaissances. Comment et qui désigne qu’une connaissance soit désuète ou non? En fonction de quel besoin? Parallèlement, il faut éviter d’instaurer cette tendance au “zapping” dans l’enseignement. En effet, les connaissances à enseigner doivent être les plus durables possible, mais tout en respectant le principe fondamental de la nature de la science, qu’elle est évolutive et faillible. Je reviens souvent à cette idée de besoin, dont l’évaluation et l’analyse sont souvent mises aux oubliettes, car elle demande du temps et un important niveau d’engagement pour diagnostiquer des problèmes authentiques. Elle est toutefois importante pour la définition d’un contenu d’enseignement.

Comme une histoire

Le contenu d’un cours ou d’un curriculum devrait s’écouler comme la lecture d’un bon polar, c’est-à-dire que tous les morceaux de l’histoire sont subtilement connectés les uns aux autres et à la fin de la lecture, on se dit, “eh bien, je ne m’attendais pas ça”. La tendance dans l’enseignement des sciences est de présenter et d’évaluer des connaissances de manières plutôt isolées, séparées par des chapitres qui font office de contenants hermétiques. Par exemple, le thème de l’évolution est souvent présenté dans un chapitre particulier, faisant peu référence à son influence sur les molécules ou sur les principes de thermodynamiques qui régissent les systèmes vivants, thèmes souvent abordés dans les premiers chapitres des manuels scolaires. Toutefois, dans l’apprentissage de la biologie, l’étudiant devrait comprendre que tous les processus biologiques ont été structurés par des mouvements évolutifs (“Nothing in biology makes sense except in the light of evolution“) (Dobzhansky 1973). Le “eh bien, je ne m’attendais pas à ça” devrait donc correspondre au développement d’une vision de l’ensemble des connaissances, rassemblant tous les morceaux entre eux.

Finalement, comment élabore-t-on le contenu?

Une étape importante pour structurer le contenu d’un cours est de définir les besoins en enseignement. Il est nécessaire de repérer les savoirs qui sont souhaitables d’enseigner permettant de construire un réseau de connaissances transférables dans divers contextes. Cela peut être fait via la distribution de sondages distribués auprès de différents acteurs impliqués de près ou de loin tels que les enseignants, les autorités éducatives, les étudiants, les acteurs, le secteur industriel et professionnel, etc. Cela prend du temps, ouvre bien des débats et demande un certain niveau de conciliation et de résignation. Ensuite, bien évidemment, la fiabilité et la validité des connaissances à enseigner doivent avoir été démontrées (cela peut prendre un certain temps, lire cet article sur le délai de la transposition didactique). Évaluer les contextes sociaux et politiques est aussi recommandé pour enseigner des savoirs qui ont du sens avec la conjoncture du moment. La relevance des savoirs scientifiques a souvent été montrée importante pour stimuler la motivation d’apprendre qui conduit à une compréhension authentique (Stuckey et al. 2013; McFarlane 2013). Concrètement pour l’enseignant, cela peut commencer en répondant à ces questions: quel est l’état de connaissances actuel des apprenants (les préconceptions), quelle est la situation souhaitée et quels sont les moyens possibles pour réduire la distance entre celles-ci (Watkins & Kaufman 1996)? L’approche pré/post-test en utilisant des questionnaires à choix multiples appelés “inventaire de concepts” permet de diagnostiquer rapidement les idées reçues ou les incompréhensions. Ainsi, on peut explicitement orienter notre enseignement pour résoudre les savoirs mal compris, tout en répondant aux besoins éducationnels préalablement diagnostiqués par une évaluation et une analyse de besoins.

Une question d’humilité

“Il est donc indispensable que la démarche d’évaluation des contenus enseignée telle qu’elle est proposée ici en début de processus crée en réalité une attitude générale d’humilité consistant à remettre non pas par exception, mais de façon banale son ouvrage sur le métier.” (p. 132)

Voici une citation de RF Gauthier, qui selon moi, fait une belle conclusion à mon billet (j’ai un léger manque d’inspiration!). Le contenu d’enseignement est avant tout le sujet de notre humilité; de notre capacité à reconnaitre les limites de nos connaissances et à agir pour sortir de notre zone de confort.

Références

Bauerle, C. et al., 2011. Vision and change in biology undergraduate education: A Call to Action. C. A. Brewer & D. Smith, eds., Washington, DC: American Association for the Advencement of Science.

Crowe, A., Dirks, C. & Wenderoth, M.P., 2008. Biology in bloom: implementing Bloom’s taxonomy to enhance student learning in biology. CBE—Life Sciences Education, 7, pp.368–381.

Dobzhansky, T., 1973. Nothing in biology makes sense except in the light of evolution. American Biology Teacher, 35(3), pp.125–129.

Stuckey, M. et al., 2013. The meaning of “relevance” in science education and its implications for the science curriculum. Studies in Science Education, 49(1), pp.1–34.

Watkins, R. & Kaufman, R., 1996. An Update on Relating Needs Assessment and Needs Analysis. Performance Improvement, pp.10–14.

Wood, W.B., 2008. Teaching concepts versus facts in developmental biology. CBE-Life Science Education, 7(1), pp.10–11.

In February 2017, I’m giving a talk about my ideas on reforming biology education in Switzerland. This theme has taken origin in my doctorate thesis (available here). I have written, in an unpretentious way, that my work could be considered as a first step to reform biology curriculum. Honestly, I have probably underestimated the value of this quote, and thus, now, I have to assume it! Consequently, I’m invited to explain such ideas during the “Praktikumslehrerfortbildung”, a workshop organized every two years for Swiss teachers from different disciplines.

Reforming the content

In the first part of my talk, I will show some of the most important results of my doctorate project. For me, while the results I have collected give important insights about misconceptions in biology held by Swiss students, my contribution is only the first step in the initiation of a reform. Indeed, I consider my research project as an educational needs assessment, i.e. the identification of a problematic situation. Kaufman et al. (2002), specialists in educational curricula design, define “need” as a gap between observable and desired results. During my studies, I have diagnosed some problematic understanding of particular biology concepts by using the Biological Concepts Instrument (BCI), a multiple-choice questionnaire built on students’ thinking (click here for more information). We were interested in how students can interpret the content (the scientific knowledge) that we tend to teach them. We know that students have persistent “Carebears” thinking on how biological processes work that need to be explicitly addressed during the course of instruction.

Many students have a “Carebears” thinking on how biological processes work.

Otherwise some of those ideas can harm to construct a solid network of knowledge and to develop an authentic conceptual understanding (see this previous post). In parallel, many of undergraduates met have not demonstrated an interdisciplinary perspective of thinking, i.e. they had some difficulties to connect different disciplinary knowledge together. The project revealed some problematic understanding that should be addressed in the course of instruction, requiring some changes or adaptation to the current science curriculum at the secondary and university level. However, are the results sufficient to catalyze a national educational reform in Switzerland?

Reforming the context

Then, here come what I consider the second step. Educational reforms initiated to address some socio-scientific issues can make science education more relevant for the students (see that reference for the meaning of “relevance”, Stuckey et al. 2013). In sociology of education, briefly, some are saying that education can reform the society (for example, by promoting better health and civic engagement) (Sadler 2011). In contrast, others are saying that the society is responsible for reforming education by defining professional and economic needs (see Meyer (1977) for an interesting review about the effects of education as an institution). Despite this contradiction, I was curious to investigate some socio-scientific issues, i.e. the context, that could be improved by reforming biology curriculum in Switzerland.

Despite important progress since the last 30 years by deploying important campaign again tobacco addiction, approximately 37% of the people between 20 and 34 years old are smoking in Switzerland (here is the reference, Addiction Suisse), positioning the country on the 25th rank, out of possible 182 (the source is here). Another example is the constant increase of the numbers of cases of chlamydia, gonorrhea and syphilis in many occidental countries (WHO, 2016), including Switzerland (Statistiques, Office fédéral de la santé publique). Those public health issues could be used to develop a phenomenon-based learning approach, as Finland have initiated recently (here in an interesting article about Finnish educational reform). Many science topics such immunology, microbiology, cancer development, genetics (mutations), evolution (mutations), molecular biology (movements and structures of molecules), etc. could be taught though those socio-scientific issues as contexts in which student’s knowledge can be applied. To quote Sadler (2011, p.4): “If our goal is to help students become better able to contribute to debates and decisions about important societal issues with links to science and technology, then we need to create learning contexts such that learners actually confront some of these issues and gain experiences negotiating their inherent complexities”. By the existence of such socio-scientific issues and the low interests of its, I think that we failed in our way to teach biology (or science in general) in promoting a better science culture in earlier stages of education (indeed, usually such investigations are showing that higher level of education reduces the incidence of tobacco addiction or infectious sexual diseases).

Of course, it is hard to measure how the socio-scientific issues integrated in science curricula and reforms in education will necessarily lead to more informed citizens and better decision makers. The society will evaluate this citizenship competency (a question that could be raised: who is the society…?!). Reforming the content should be constantly done with respect to the development of scientific innovations and progress in science education. Reforming the context by catalyzing some changes in education system is also pertinent when some socio-scientific issues are observed in society. Such contexts make learning science relevant to students.

References

Champagne Queloz, A. et al., 2016. Debunking Key and Lock Biology: Exploring the prevalence and persistence of students’ misconceptions on the nature and flexibility of molecular interactions. Matters Select, pp.1–7.

Kaufman, R., Watkins, R. & Guerra, I., 2002. Getting Valid and Useful Educational Results and Payoffs: We Are What We Say, Do, and Deliver. International Journal of Educational Reform, 11(1), pp.77–92.

Meyer, J.W., 1977. The Effects of Education as an Institution. American Journal of Sociology, 83(1), pp.55–77.

Sadler, T.D., 2011. Socio-scientific Issues in the Classroom T. D. Sadler, ed., Dordrecht: Springer Science & Business Media.

Stuckey, M. et al., 2013. The meaning of “relevance” in science education and its implications for the science curriculum. Studies in Science Education, 49(1), pp.1–34.