Biological Thinking: Insights into the Misconceptions in Biology maintained by Gymnasium students and Undergraduates

The progresses in technologies and knowledge in life science research make biology teaching more challenging. Indeed, introductory biology courses are dealing with a large spectrum of knowledge. An important difficulty for educational authorities is to decide which concepts will be covered during the course of instruction and which teaching approach will be suitable to improve student understanding at a higher cognitive level. The assessment of students’ understanding is often restricted to final exams where students are asked to retain a large amount of facts. While this common approach is efficient to evaluate factual understanding of students, it does not reveal whether students are able to apply their knowledge in authentic situations requiring analytical abilities. Such abilities, referred to as bioliteracy or biological conceptual understanding, is often shaded by naive ideas or misconceptions strongly anchored into students’ thinking, which are not taken into consideration in classical assessments. Those misunderstandings are induced, for example, by everyday language, analogies or metaphors used to describe biological processes. Misconceptions can only be diagnosed by interviewing students or by using questionnaires constructed on students’ authentic thinking, called concept inventories. This thesis aims to explore misconceptions held by Gymnasium students in different cantons of Switzerland and undergraduates at two Swiss universities by using the Biological Concepts Instrument (BCI). The BCI, a multiple-choice questionnaire, provides insights into students’ misconceptions on diverse topics such as genetics, evolution, structure and function of molecules, energetic properties and experimental design. Many questions in the BCI are constructed around the idea that randomness influences various biological processes. In general, the students’ performances on many BCI questions related to evolution, genetics, molecular properties and functions are improving over time in respect to their level of education. However, some persistent misunderstandings concerning the information storage function of DNA and molecular interactions are observed even in the highest participants’ education level. Most importantly, all participants regardless of their level of education underestimated randomness in many biological processes. To deepen our knowledge concerning students’ thinking, the Biological Thinking Survey (BTS) was distributed. This open-ended questionnaire allows students to explain their thinking on some complexe BCI concepts. Their estimation of randomness was also evaluated. ii Insights into the misconceptions in biology In general, students’ explanations of processes such as replication, transcription, and regulation of gene expression became more detailed and accurate over time, which their appreciation of the role of stochastic process improves only slightly. Students’ explanations about the answers to more complex BCI questions tended to be vague and failed to reveal improved understanding. Often interdisciplinary knowledge of thermodynamics and chemical properties of molecules were absent in students’ explanations, at the same time their explanations reinforced the impression that BCI distractors reflect beliefs of students who have participated to this project. This thesis is a first step towards an educational reform in teaching biology at the Gymnasium and undergraduate level in Switzerland. Taking advantage of results obtained using the Biological Concepts Instrument and the Biological Thinking Survey, we were able to diagnose the prevalence and persistence of common misconceptions held by many students. Thus, we provide evidence that such misunderstanding should be addressed in class. The information raised from that thesis should catalyse some changes in biology curricula to encourage the development of a better conceptual understanding of biology. iii Insights into the misconceptions in biology Les progrès technologiques et le développement des connaissances dans le domaine des sciences de la vie rendent l’enseignement de la biologie toujours plus complexe. En effet, les cours d’introduction à la biologie doivent gérer un large spectre de savoirs. Une difficulté importante pour les autorités éducatives est de choisir les concepts qui seront enseignés et les approches pédagogiques qui seront privilégiées pour amener les étudiants à un niveau cognitif élevé. L’évaluation de la compréhension des étudiants est souvent restreinte aux examens finaux pour lesquels les étudiants doivent retenir une grande quantité de faits. Même si cette approche permet d’évaluer efficacement l’état des connaissances factuelles des étudiants, elle ne révèle pas la capacité de raisonnement des étudiants dans des situations authentiques exigeant des habiletés analytiques. De telles habilités, souvent appelées “biolittéracie” ou “compréhension conceptuelle” de la biologie, sont souvent occultées par des idées naïves ou des idées reçues fortement ancrées, qui ne sont pas prises en considération dans les évaluations classiques. Ces incompréhensions sont souvent attribuables, par exemple, au langage de tous les jours ou aux analogies et métaphores utilisées pour schématiser ou décrire des processus biologiques. Le diagnostic des idées reçues peut être uniquement fait en interrogeant oralement les étudiants ou par l’usage de questionnaires construits sur la pensée authentique des étudiants, appelés “inventaires de concepts” (traduit de l’anglais, “concept inventories”). Cette thèse a pour objectif d’explorer les idées reçues des étudiants du Gymnase dans différents cantons suisses-allemands et d’étudiants de premier cycle universitaire. Le “Biological Concepts Instrument” (BCI) a été choisi pour diagnostiquer les idées reçues des participants. Le BCI est un questionnaire à choix-multiples qui offre la possibilité d’obtenir un aperçu des idées reçues dans des thèmes tels que la génétique, l’évolution, la structure et fonction des molécules, les propriétés énergétiques et le design expérimental. De plus, le concept du hasard influençant plusieurs processus biologiques fait partie intégrante de ce questionnaire. Dans l’ensemble, les performances des étudiants sur plusieurs questions du BCI touchant les concepts de l’évolution, la génétique, les propriétés et fonctions des molécules se sont améliorées entre le gymnase et l’université. Toutefois, certaines idées reçues persistent parmi les étudiants les plus avancés concernant la structure de l’ADN et sa fonction d’emmagasinage de l’information, ainsi que sur les interactions moléculaires. Un des faits Résumé iv Insights into the misconceptions in biology les plus marquant est que les participants ont pour la majorité sous-estimé l’influence du hasard dans les processus biologiques. Pour appronfondir certains résultats obtenus avec le BCI, un questionnaire sondant la pensée biologique des étudiants (en anglais, le “Biological Thinking Survey” (BTS)) a été distribué. Ce questionnaire composé de questions à court développement offrait la possibilité aux étudiants d’expliquer leur compréhension sur certaines questions complexes du BCI. La considération du hasard a aussi été évaluée. De manière générale, avec le temps, les descriptions étaient plus élaborées et justes pour les concepts tel que la réplication, la transcription et la régulation de l’expression génétique. Toutefois, l’appréciation du rôle du hasard s’était peu améliorée. Les explications des étudiants sur certaines questions du BCI étaient vagues et ne révélaient pas d’améliorations significatives de la compréhension. Souvent, les connaissances interdisciplinaires tel que la thermodynamique et les propriétés chimiques des molécules étaient absentes. Leurs explications renforcent donc l’impression que les idées reçues présentées dans le BCI correspondent à la pensée des étudiants qui ont participé à ce projet. Cette thèse représente une étape initiale pouvant conduire à une réforme éducative dans l’enseignement de la biologie au niveau du Gymnase et du premier cycle universitaire en Suisse. Profitant des avantages des résultats obtenus par l’évaluation des questionnaires du BCI et du BTS, nous avons pu diagnostiquer la prévalence et la persistance de certaines idées reçues qui devraient être examinées plus en profondeur en classe. Les résultats présentés dans cette thèse devraient pouvoir permettre d’initier des changements dans le curriculum en biologie afin d’encourager une meilleure compréhension conceptuelle de la biologie. v Insights into the misconceptions in biology