Enhancing Learning in Engineering Mathematics Education: Utilising Educational Technology and Promoting Active Learning

Abstract

This study contributes to the discussion of development of engineering mathematics education from two different perspectives: to explore the possibilities to enhance engineering mathematics teaching and learning with the help of educational technology, and to promote active learning of students. From these two perspectives, it has been explored, for example, how engineering students experience the usage of selected educational technology and does utilisation of educational technology affect students’ activity or learning. The investigations have concentrated on developing a feasible framework for mathematics teaching and learning in Bachelor’s level engineering education. From the theoretical perspective, this dissertation discusses instruments to promote students’ active learning as a part of the framework.<br/><br/>The research has been conducted between 2011-2017 with four empirical studies at Tampere University of Applied Sciences. The adopted research approach is design-based research that has included several iterative cycles for developing the framework for mathematics teaching and learning. This process has included twentyfive university of applied sciences level engineering mathematics course implementations. Short educational video lectures and computer-aided assessment were the main educational technologies that were implemented during the research process.<br/><br/>As an outcome of the research, the guidelines for utilising selected educational technology and activating students in similar educational setting are given. These guidelines provide knowledge for developing instructional design and learning resources especially at UAS-level engineering mathematics context. The findings indicated that engineering students experience short educational video lectures and computer-aided assessment as meaningful and feasible for mathematics learning.<br/><br/>Students used short educational videos for different learning purposes and pointed out such benefits as repeatability and having more time in peace to learn and understand the current task at hand. When non-compulsory automatically assessed online exercises were provided, high completion rate were detected among study groups.<br/><br/>Utilising short educational videos and computer-aided assessment provides instant feedback to students about their learning process. The findings indicated that such resources have a potential to motivate, activate and promote self-regulated learning. However, the most of the students were studying nearby the deadlines. Hence, proper and distinct assignment deadlines guide students’ learning activity and are more likely to activate them.<br/><br/>Overall, the focus of this dissertation has been on the utilisation of potential of digitalisation and the promotion of active learning. At the center of the prevailing digitalisation hype, these both goals play a central role in higher education. Thus, the dissertation discusses topics covered in many higher education institutions nationally and internationally.

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on tuoda näkökulmia insinöörikoulutuksen matematiikan opetuksen kehittämiseen. Tutkimusprosessin aikana on tarkasteltu erityisesti kahta toisiinsa liittyvää näkökulmaa: mahdollisuuksia kehittää insinöörimatematiikan opettamista ja oppimista opetusteknologian avulla ja edistää opiskelijoiden aktiivista oppimista. Näihin näkökulmiin liittyen tutkimus tarkastelee esimerkiksi, miten insinööriopiskelijat kokevat opetusteknologian käytön, ja vaikuttaako se opiskelijoiden aktiivisuuteen tai oppimiseen. Tutkimuksen käytännön opetustyöhön liittyvänä tuloksena syntyy toteutuskelpoinen toimintamalli AMKtasoisen insinöörimatematiikan opetuksen järjestämiseksi. Työn teoreettinen kontribuutio koskee aktiivista oppimista tukevien elementtien sisällyttämistä toimintamalliin.<br/><br/>Tutkimus on toteutettu vuosina 2011-2017 Tampereen ammattikorkeakoulussa neljänä empiirisenä tutkimuksena. Lähestymistapana on käytetty design-tutkimusta, joka on pitänyt sisällään useita iteratiivisia syklejä toimivan toimintamallin löytämiseksi. Tutkimusprosessiin on sisältynyt 25 AMK-tasoista insinöörimatematiikan opintojaksototeutusta. Opetusteknologiat, joita tutkimuksessa pääosin hyödynnettiin, olivat lyhyet pedagogisesti käyttökelpoisiksi suunnitellut opetusvideot ja tietokoneavusteinen arviointi.<br/><br/>Neljän osatutkimuksen tulosten perusteella tutkimus on tuottanut ohjeita opetusteknologian hyödyntämisestä, opetuksen järjestämisestä ja opiskelijoiden aktivoimisesta samankaltaisessa matematiikan oppimisen kontekstissa. Tutkimuksen tulokset indikoivat, että opiskelijat kokivat lyhyet opetusvideot ja tietokoneavusteisen arvioinnin käyttökelpoisina ja mielekkäinä menetelminä. Opiskelijat käyttivät lyhyitä opetusvideoita erilaisissa oppimistilanteissa. Hyödyiksi koettiin mm. videoiden toistettavuus ja se, että omaan tahtiin videoita katsomalla oli enemmän aikaa ymmärtää ja oppia opetettuja asioita. Opiskelijat suorittivat myös ei-pakollisia automaattisesti arvioituja matematiikan verkkotehtäviä huomattavasti aktiivisemmin kuin mitä odotettiin.<br/><br/>Lyhyet opetusvideot ja automaattisesti arvioitavat matematiikan tehtävät tarjoavat opiskelijalle välitöntä palautetta oppimisprosessista. Tulokset indikoivatkin, että työssä hyödynnetyn opetusteknologian käyttäminen voi motivoida, aktivoida ja edistää oppimisen itsesäätelyä. Tutkimustulosten valossa kuitenkin oppimistehtävien palautusten määräajat ohjaavat opiskelijan aktiivisuutta, sillä opiskelijat opiskelevat lähellä tehtävien palautusten määräaikoja.<br/><br/>Kaiken kaikkiaan tämän väitöskirjan fokus on ollut hyödyntää digitalisaation tarjoamaa potentiaalia mutta myös edistää aktiivista oppimista. Keskellä vallallaan olevaa digitalisaation hypeä, molemmilla näistä on keskeinen rooli korkeakoulutuksessa. Tämän vuoksi tämä väitöskirja pureutuu aihepiireihin, jotka ovat esillä monissa korkeakouluissa niin kansallisesti kuin kansainvälisestikin.