In this licentiate thesis, I present detailed case studies of students as they make use of simulated digital learning environments to engage with physics phenomena. In doing so, I reveal the moment-to-moment minutiae of physics students’ open-ended inquiry in the presence of two digital tools, namely the sandbox software Algodoo and the PhET simulation My Solar System (both running on an interactive whiteboard). As this is a topic which has yet to receive significant attention in the physics education research community, I employ an interpretivist, case-oriented methodology to illustrate, build, and refine several theoretical perspectives. Notably, I combine the notion of semi-formalisms with the notion of Newtonian modeling, I illustrate how Algodoo can be seen to function as a Papertian microworld, I meaningfully combine the theoretical perspectives of social semiotics and embodied cognition into a single analytic lens, and I reveal the need for a more nuanced taxonomy of students’ embodiment during physics learning activities. Each of the case studies presented in this thesis makes use of conversation analysis in a fine-grained examination of video-recorded, small-group student interactions. Of particular importance to this process is my attention to students’ non-verbal communication via gestures, gaze, body position, haptic-touch, and interactions with the environment. In this way, I bring into focus the multimodally-rich, often informal interactions of students as they deal with physics content. I make visible the ways in which the students (1) make the conceptual connection between the physical world and the formal/mathematical domain of disciplinary physics, (2) make informal and creative use of mathematical representations, and (3) incorporate their bodies to mechanistically reason about physical phenomena. Across each of the cases presented in this thesis, I show how, while using open-ended software on an interactive whiteboard, students can communicate and reason about physics phenomena in unexpectedly fruitful ways.

Studien syftar till att öka kunskapen om lärares digitala relationskompetens samt bidra till utveckling av praktik och teori inom relationell pedagogik i digitala lärmiljöer. I studien analyserades kvalitativa enkätsvar från 123 lärare och lärarstudenter i Sverige och Finland  angående hur de uppfattade att de kunde stödja relationer mellan lärare och elev i distansundervisning. Resultaten analyserades först fram induktivt i en reflexiv tematisk process. Därefter användes de som underlag i ett andra abduktivt analyssteg tillsammans med metoden perspektivskifte. Syftet var att undersöka i vilken utsträckning två relationella teorier som utgår från fysisk lärmiljö kan tillämpas för att förstå relationell lärarpraktik i digitala lärmiljöer. De teoretiska koncept som analyserades var Aspelins (2018) respektive Juul och Jensens (2003) modeller för lärares relationskompetens. Resultaten tematiserades i kategorierna kommunikation, närvaro och bemötande och visade att lärarens  kommunikativa kompetens är primär för relationsbygge i digitala lärmiljöer. Kompetensen omfattar förmågor som att lyhört hantera synlighet och bemötande, bemästra det digitala språket samt  skapa en känsla av närvaro, gemenskap och trygghet. Kommunikativ kompetens påverkar även inkludering och integritet. Mer forskning behövs för att förstå synlig och osynlig närvaro i digitala lärmiljöer ur både lärarens och elevens perspektiv.  Det framgick av resultaten att distanslärare lånar relationella bemötandehandlingar från fysiska lärmiljöer. Digital relationskompetens framträder därför inte som ett eget kompetensområde. Mer kunskap behövs om affordanser för relationsskapande i digitala lärmiljöer. Även undersökningar som visar vad som verkligen begränsar digitala lärmiljöer behövs, för att undvika att praktiken fastnar i allmänna antaganden som hindrar nyskapande och tillvaratagande av digitala lärmiljöers möjligheter. Analysen visade att de två teoretiska modellerna fungerade som övergripande, och delvis normerande stöd, för att förstå distanslärares relationella praktik. En vidareutveckling av teoretiskt stöd anpassat för relationskompetens i digitala lärmiljöer samt en kartläggning av kognitiva och emotionella behov hos olika kategorier av distanselever, kan underlätta för framtida forskning och utveckling av relationell praktik i digitala lärmiljöer.  Studiens övergripande upptäckt var att lärarna beskriver vad, snarare än hur, de gör för att stödja relationer mellan lärare och elev i distansundervisning. Slutsatsen är att det saknas en yrkesvokabulär för att uttrycka de relationella färdigheter som lärare använder i digitala lärmiljöer. Därför rekommenderas att en begreppsapparat utvecklas som sätter ord på lärares digitala relationskompetens. / The purpose of the study was to increase knowledge about teachers' digital relational competence and contribute to the development of practice and theory within relational pedagogy in digital learning environments. In the study, qualitative survey responses from 123 teachers and student teachers in Sweden and Finland were analysed regarding how they perceived that they could support teacher-student relations in distance education. The results were first analysed inductively in a reflexive thematic process. The results were then used in a second abductive analysis together with the perspective shift method. The aim was to investigate to what extent two relational theories based on physical learning environments can be applied to understand relational teacher practice in digital learning environments. The theoretical concepts used in the analysis were Aspelin's (2018) and Juul and Jensen's (2003) models for teachers' relational competence. The results were thematised into three categories: communication, presence and response, and showed that the teacher's communicative competence is primary for relationship building in digital learning environments. The competence includes abilities such as sensitively managing visibility and reception, mastering the digital language and creating a sense of presence, belonging  and security. Communicative competence also affects inclusion and integrity. More research is needed to understand visible and invisible presence in digital learning environments from both the teacher's and the student's perspective. The results showed that distance teachers borrow relational behaviour acts from physical learning environments. Digital relational competence therefore does not appear as a competence area on its own. More knowledge is needed about affordances for relationship building in digital learning environments. Research showing what really limits digital learning environments is also needed, to avoid practice being hampered by assumptions that hinder innovation and opportunities in digital learning environments. The analysis showed that the two theoretical models worked as overall, and partially normative, support for understanding distance teachers' relational practice. A further development of theoretical support adapted to relational competence in digital learning environments, as well as a mapping of cognitive and emotional needs of different categories of distance learners, can facilitate future research and development of relational practice in digital learning environments. Finally, the study's overall finding was that the teachers describe what, rather than how, they act to support teacher-student relations in distance learning. The conclusion is that a professional vocabulary to express teachers’ digital relational know-how seems to be missing. Therefore, it is recommended that such a conceptual vocabulary is developed in order to put words into teachers' digital relational competence.

The purpose of this three-article dissertation was to expand knowledge and theory regarding digital tool use in biology laboratory courses, such as microbiology, which requires specific laboratory skill development through the perception of instructors and students. Article 1 establishes the broad digital literacy and fluency problem in education by providing definitions and the context behind digital literacy fluency and its impact on acquisition of knowledge in digital learning environments. The study provided a picture of the lack of knowledge about the use of digital tools in education and practical problems around appropriate implementation, infrastructure, and preparedness. Article 2 presents results of a literature research study about the foundational, pandemic-induced, and current digital tool use in biology and microbiology lab courses. Recommendations for improvement in digital tool implementation, pedagogical approach, and appropriate selection to meet learning outcomes were provided. Article 3 describes a 3-layered study to build a new instrument to understand minority-student perceptions of identity and digital literacy and technology barriers on student success in STEM courses. The study identified challenges and benefits of digital tool use in virtual microbiology lab courses, unique challenges of underrepresented populations, and the need to develop an instrument to capture the context of this unique population.

Digitala läromedel blir ett vanligare inslag i skolgången då ny teknologi erbjuder tidigare okända pedagogiska möjligheter. Denna uppsats undersöker hur elever som använder ett digitalt läromedel i form av en virtuell lärmiljö för matematiklärande upplever denna lärmiljö. Dessutom undersöks elevernas prestation i lärmiljöns matematiska uppgifter. Skillnader mellan elever i olika årskurser samt elever som är matematiskt låg- eller högpresterande studeras. Matematisk prestation beskrivs utifrån Goods (1981) passivitetsmodell som innebär att lågpresterande elever är mindre risktagande i klassrumsmiljön. Elevernas upplevelse av digitala läromedel studerades i en virtuell lärmiljö bestående av två moduler, en spelmodul och en modul för skriven dialog. Upplevelsen av lärmiljön undersöktes genom att studera hur intressant eleverna tyckte att spelet var, huruvida eleverna tyckte att agenten gjorde att de brydde sig mer när de spelade, samt om de gillade den skrivna dialogen. Tidigare insamlad data från elever i årskurs 6-8 som använt den virtuella lärmiljön undersöktes med kvasiexperimentell metod och analyserades med ANOVA. Analysen påvisade en skillnad mellan låg- och högpresterande elever i hur mycket de tycker att en pedagogisk virtuell agent engagerar dem i en virtuell lärmiljö. Matematiskt högpresterande elever anser att agenten gör dem mer engagerade än vad matematiskt lågpresterande elever anser. Detta kan tyda på att lågpresterande elevers passivitet utöver traditionell klassrumspedagogik också påverkar elevernas upplevelse av digitala läromedel. I vidareutvecklingen av den virtuella lärmiljön och skapandet av andra virtuella lärmiljöer är det viktigt att se till att elever både lär sig och engageras av lärmiljön. Utvecklare bör också ta hänsyn till de skillnader som finns mellan låg- och högpresterande elevers upplevelse av lärmiljön. Detta kan exempelvis ske genom att den virtuella lärmiljön görs anpassningsbar för att passa elever oberoende av prestationsnivå. Detta är en viktig målsättning för att se förbättra lågpresterande elevers möjligheter i skolan, något som virtuella lärmiljöer och digitala läromedel i allmänhet kan utgöra ett kraftfullt medium för.