Cooperative Learning in Undergraduate STEM Education: Applications and Outcomes

Abstract

Tiltak for å styrke opplevde psykososiale faktorer slik som tilhørighet, generiske ferdigheter og vitenskapelig selvtillit samt tiltak for å redusere ensomhet hos studenter anses som viktig av flere grunner. I møtet med de pågående og komplekse globale utfordringene setter verden sin lit til internasjonalt samarbeid og forventer at forskningsmiljøene bidrar med de nødvendige kunnskaper, ferdigheter og løsninger. Kunnskap som utvikles innen realfag blir vurdert som særskilt viktig, men både studentene og lærerne innen realfag strever med å forberede seg på oppgaven. Gjennom lang tid har realfagsfagmiljøene hatt utfordringer med rekruttering, gjennomføring og læringsutbytte - og selv om psykososiale faktorer kan spille en viktig rolle i å løse disse utfordringene, har det blitt forsket lite på slike faktorer i høyere realfagsutdanning. En metode som fremmer samarbeid og som antas å ha en positiv innvirkning på psykososiale faktorer i utdanning, er samarbeidslæring. Samarbeidslæring er en svært strukturert form for gruppearbeid mellom studenter. I denne avhandlingen undersøker jeg hvordan samarbeidslæring kan anvendes i bachelorutdanninger innen realfag og hvordan samarbeidslæring er relatert til psykososiale faktorer slik som studenters opplevde tilhørighet, generiske ferdigheter, vitenskapelige selvtillit, og ensomhet, både internasjonalt og i Norge. Formålet med avhandlingen er å evaluere og videreutvikle evidensgrunnlaget for samarbeidslæring innen bachelorutdanninger i realfag når det gjelder: a) å møte eksisterende utfordringer med rekruttering, gjennomføring og læringsutbytte, b) belyse undervisningspraksis, c) fylle nåværende kunnskapshull og d) gi retning til fremtidig forskning.

Avhandlingen er artikkelbasert og består av tre vitenskapelige artikler og en kappe. Artikkel I er en omfattende systematisk litteraturgjennomgang som identifiserer 24 empiriske studier som tar for seg bruken og resultatene av samarbeidslæring i internasjonale bachelorutdanninger innen realfag. Den systematiske fem-trinns tilnærmingen som vi anvender i artikkel I viser at det finnes svært få slike studier, at slike studier sjeldent utføres utenfor USA og i andre disipliner enn kjemi. Videre ser vi at de elementene fra samarbeidslæring som anvendes hyppigst i de inkluderte 24 studiene er heterogen gruppedannelse, bruk av roller, og ulike samarbeidslæringsstrukturer. Avslutningsvis viser artikkel I at det overveiende flertall av de inkluderte studiene har knyttet samarbeidslæring opp mot økt læringsutbytte og/eller akademiske prestasjoner. Til sammenligning er studentenes holdninger, generiske ferdigheter og psykisk helse i liten grad undersøkt. Artikkel II er en kvantitativ tverrsnittsundersøkelse som tar for seg sammenhengen mellom samarbeidslæring, opplevd tilhørighet og generiske ferdigheter blant norske bachelorstudenter i realfag. Ved hjelp av korrelasjonsanalyser og standard regresjonsanalyser fant vi ut at (i) samarbeidslæring var sterkt positivt korrelert med både tilhørighet og opplevde generiske ferdigheter, (ii) tilhørighet og opplevde generiske ferdigheter var også positivt og sterkt korrelerte, og at (iii) prinsippet «støttende interaksjon» i samarbeidslæring bidro mest til sammenhengen med både tilhørighet og opplevde generiske ferdigheter. Alle tre funn ble i artikkel II drøftet ut fra teorien om sosial gjensidig avhengighet. Artikkel III rapporterer funn fra en studie som ble til under koronapandemien. På tross av en rekke utfordringer for både studenter, lærere og utdanningsforskning, ga pandemien oss en unik mulighet til å utvikle og undersøke digitale samarbeidslæringsmetoder. Derav er artikkel III et kvasi-eksperiment som tester effekten av digital samarbeidslæring sammenlignet med digitale forelesninger på en rekke psykososiale utfall hos et utvalg av norske bachelorstudenter i biologi. Studien ble designet som en såkalt pretest-posttest studie uten kontrollgruppe, men med bruk av dobbel pretest og posttest. Etter fem uker med digital samarbeidslæring sammenlignet med fem uker med digitale forelesninger økte studentenes opplevde følelse av tilhørighet, vitenskapelige selvtillit og generiske ferdigheter mens ensomhet avtok. I lys av teori og tidligere forskning argumenterer vi i artikkel III for at funnene kan indikere at effekten av samarbeidslæring kan være minst like betydningsfull i digitale som i fysiske arenaer – og at psykososiale faktorer kan være særskilt sårbare i digitale arenaer og dermed også avhengige av hvilken undervisnings- og læringsstrategi vi som lærere velger.

Samlet sett identifiserer og fyller avhandlingen en rekke kunnskapsfull innen samarbeidslæring slik som (a) kontekster som det ikke tidligere er forsket på, dvs. bachelorutdanninger innen realfag i Norge og digitale undervisnings- og læringsarenaer, (b) å finne frem til spesifikke samarbeidslæringsmetoder som er egnet for disse kontekstene, (c) å undersøke andre faktorer enn akademiske prestasjoner, (d) å identifisere «støttende interaksjon» som det viktigste av samarbeidslæringsprinsippene for utvalgte faktorer og (e) å sette samarbeidslæring inn i et teoretisk rammeverk i form av teorien om sosial gjensidig avhengighet. Funnene i de tre delstudiene indikerer at flere samarbeidslæringsmetoder er godt egnet i internasjonale og norske bachelorutdanninger innen realfag og at disse kan føre til en rekke positive psykososiale gevinster i både fysiske og digitale undervisnings- og læringsmiljø. Videre viser kappen hvordan de tre delstudiene belyser hverandre og hvordan den overordnede tilnærmingen i avhandlingen henger sammen før funn, implikasjoner og begrensninger avslutningsvis diskuteres.

Initiatives to strengthen psychosocial outcomes by, for example increasing students’ perceived sense of belonging, generic skills, and science confidence, and reducing loneliness are important for several reasons. To successfully address current and complex global challenges, international cooperation is critical, and the world is trusting the scientific communities to step up to provide important knowledge, skills, and solutions. Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) knowledge is particularly important, but STEM students and teachers struggle to prepare for the task, facing long-time recruitment, retention, and learning outcome challenges. Psychosocial factors may play a vital role in overcoming these three challenges but seem to have been overlooked and under-researched in STEM higher education. A teaching and learning method hypothesized to promote cooperation and improve a range of psychosocial outcomes is a highly structured form of group work known as cooperative learning (CL). Thus, in this thesis I examine how CL is applied in undergraduate STEM education and how it is related to psychosocial outcomes, i.e., perceived sense of belonging, generic skills, science confidence, and loneliness, among the students. The purpose is to assess and further develop the evidence base of CL in undergraduate STEM education to: a) address existing STEM recruitment, retention, and learning outcome challenges, b) inform teaching practices, c) fill current knowledge gaps in the field, and d) guide future research.

The dissertation is article-based and consists of three papers and a synopsis. Paper I is a scoping review of 24 empirical studies on the applications and outcomes of CL in international mathematics and science education. Using a systematic five step approach, our results show that there are few such studies, and these are rarely conducted outside the US or in disciplines other than chemistry. The most frequently implemented CL elements in the included studies are heterogeneous group formation, the use of roles, and different CL structures. The most prevalent student outcome of implemented CL elements in the reviewed studies is enhanced academic success, followed by student attitudes, generic skills, and psychological health. Paper II is a cross-sectional survey study examining the relationship between Norwegian undergraduate STEM students’ perceived levels of CL, sense of belonging, and generic skills. By means of correlation analyses and standard multiple regression analyses, we found that CL was positively associated with the development of both sense of belonging and generic skills, that sense of belonging and generic skills are positively interrelated, and that “promotive interaction” was the CL principle contributing most to the association with both sense of belonging and generic skills. The findings were discussed using social interdependence theory. Paper III reports on findings from a study conceived during the COVID-19 pandemic. Although posing challenges for students, teachers, and educational research, the pandemic also offered a unique opportunity to develop and examine digital teaching and learning methods. Thus, Paper III is a quasi-experiment testing the effect of digital CL compared to digital lectures on a range of psychosocial outcomes in a sample of Norwegian undergraduate biology students. The study was a one-group pretest-posttest design with a double pretest and follow-up. Our results showed that the students’ self-reported psychosocial outcomes, i.e., sense of belonging, science confidence, and generic skills increased, and their loneliness decreased, after five weeks of digital CL compared to five weeks of digital lectures. In light of theory and previous research, we argue that these findings indicate that the effect of CL may be at least as substantial in digital settings as in face-to-face settings - and that psychosocial outcomes may be particularly vulnerable in digital settings and thus dependent on the digital teaching and learning strategy chosen.

As a whole, the thesis identifies and fills several knowledge gaps within the field of CL, ranging from (a) settings not previously researched, i.e., Norwegian undergraduate STEM education and digital teaching and learning settings, (b) identifying specific CL methods suited for these settings, (c) examining student outcomes other than academic success, (d) determining “promotive interaction” as the most important CL principle in some of the key student outcomes, and (e) providing a theoretical framework, i.e., social interdependence theory. The findings of the three papers indicate that in undergraduate STEM education, CL methods can be successfully implemented and lead to a range of positive psychosocial outcomes in both physical and digital teaching and learning settings. Further, the synopsis showcases how the three papers are connected, describes the alignment within the approach, and discusses the implications and limitations of the main findings.