Abstract The aim of this study was to examine and develop statistics education by implementing computer supported collaborative learning (CSCL). This study has been influenced by design-based research, and it focuses on describing the statistical learning of upper secondary school students (N=138) in a CSCL environment, both quantitative and qualitative methods have been utilised. The present study is filling a gaping void in classroom study and disseminates new knowledge with a novel approach in combining CSCL, mathematics education at secondary level and statistical literacy. First, the students’ starting level in statistical literacy was assessed in the pre-test in which students’ perceptions and knowledge of statistics was evaluated. The results showed that students had a severe lack of understanding of basic statistical concepts. Second, CSCL supports students in collaborating asynchronously in different small-groups by using technology. Results suggest that studying in a group fostered their learning and the electronic and interactive material clarified learned topics which was designed by integrating the principles of cognitive theory of multimedia learning. Third, the shift from traditional didactic instruction towards student-centred CSCL learning was challenging for students. According to the results, students had only a few earlier experiences in learning CSCL environments. The quality of the students’ conversational acts varied considerably. It seems that learning how to collaborate productively needs practice. According to the results, the articulation and quality of mathematical discussion increased as students’ acquaintance with their teammates improved. Students’ collaboration in small groups was examined by using video analyses and content analyses. Contact summary sheet -instrument used in analyses facilitated observation of the magnitude and quality in student’s inter-subjective phenomena in collaborative learning. Fourth, students in the treatment group had better learning outcomes than students in the control group. The results suggest a statistically significant difference between treatment and control groups only in the delayed post-test and the effect size indicates a medium effect. The interactive material and CSCL seemed to foster and facilitate the development of statistical literacy. Nevertheless, students were critical of studying in the CSCL environment. / Tiivistelmä Tutkimuksen tarkoituksena oli tutkia ja kehittää tilastojen opetusta hyödyntäen tietokoneavusteista yhteisöllistä oppimista (CSCL). Tutkimus on saanut vaikutteita design-perustaisesta tutkimuksesta ja se keskittyy kuvaamaan lukio-opiskelijoiden (N=138) tilastojen oppimista CSCL-ympäristössä ja tutkimuksessa on hyödynnetty kvantitatiivisia ja kvalitatiivisia menetelmiä. Tämä tutkimus lisää tietämystä luokkahuonetutkimuksesta ja yhdistää CSCL:n ja tilastollisen lukutaidon opetuksen toisella asteella. Ensimmäiseksi oppilaiden tilastollisen lukutaidon lähtötaso mitattiin alkutestissä, missä arvioitiin heidän ennakkokäsityksiä ja tietoa tilastoista. Tutkimustulokset osoittivat, että oppilailla oli suuria vaikeuksia ymmärtää tilastollisia peruskäsitteitä. Toiseksi CSCL-teknologia tukee asynkronisesti pienryhmätyöskentelyä. Tulosten mukaan opiskelu ryhmissä tuki opiskelijoiden oppimista ja sähköinen ja interaktiivinen oppimateriaali selkiytti opeteltavia asioita, joka oli suunniteltu kognitiivisen multimedia oppimisteorian periaatteiden mukaisesti. Kolmanneksi opiskelijat kokivat haasteellisuutta siirryttäessä perinteisestä opettajajohtoisesta opetusmenetelmästä oppijakeskeiseen CSCL-oppimismenetelmään. Tulosten mukaan opiskelijoilla on ollut vain vähän aikaisempia kokemuksia oppimisesta CSCL-ympäristöissä. Opiskelijoiden funktionaalisten roolien laadut vaihtelivat huomattavasti. Näyttää ilmeiseltä, että produktiivisen yhteistoiminnallisuuden oppimiseen tarvitaan harjoittelua. Tutkimustulosten mukaan artikulaatio ja laatu matemaattisissa keskusteluissa lisääntyivät oppimistilanteissa, kun opiskelijoiden ryhmätyöskentelytaidot kehittyivät. Opiskelijoiden pienryhmätyöskentelyä tutkittiin video- ja sisällönanalyysin avulla. Analysoinnissa käytetty contact summary sheet -instrumentti auttoi havainnoimaan opiskelijoiden intersubjektiivista yhteistoiminnallisen oppimisen laatua ja määrää. Neljänneksi opetuskokeiluun osallistuneilla oli parempia oppimistuloksia verrattaessa kontrolliryhmän oppilaisiin. Tutkimustulosten mukaan tilastollisesti merkittävä ero oli havaittavissa opetuskokeilu- ja kontrolliryhmän välillä ainoastaan viivästetyssä lopputestissä ja vaikutuksen suuruus on keskivoimakasta. Interaktiivinen opetusmateriaali ja CSCL näyttäisivät edistävän tilastollisen lukutaidon kehittymistä. Tästä huolimatta, opiskelijat suhtautuivat kriittisesti opiskeluun CSCL-ympäristössä.

Abstract This study focuses on motivation and emotions in collaborative learning. The aim is to investigate the kinds of socio-emotional challenges learners experience during learning processes, and to examine how motivation and emotions are regulated during challenging situations, in order to develop appropriate methods of identifying socially shared regulation of emotions from situated, real life data. The study includes the development and implementation of an instrument that collects data regarding learners’ situation-specific interpretations of their socio-emotional experiences, as well as analyses of the data derived from two different data collections. The first empirical data set is composed of elementary school students’ interviews and video-observations. The second data set includes higher education students’ self-reports, video-observations, and interviews. The analyses combine different data sources and qualitative and descriptive quantitative methods in order to create a comprehensive understanding of the regulation of motivation and emotions in collaborative learning situations. A lack of instruments that gather data of learners’ situation-specific, real-life experiences has been evident in motivation and self-regulated learning research, where static, general self-report measures have been dominant. In this study, the results from the first empirical data collection are implemented in the development of an AIRE (Adaptive Instrument for Regulation of Emotions) instrument. The AIRE collects situation-specific data dealing with learners. experienced socio-emotional challenges and their regulation within a group. The second empirical data collection of this study employs the AIRE instrument as a method. In social learning situations, learners’ can experience a variety of emotions that influence learning. The results of this study show that students can regulate their emotions in order to maintain a goal-oriented learning process. Furthermore, the results indicate that group members can regulate emotions and motivation together within the group. This socially shared regulation is distinct from self-regulation as well as from co-regulation, where development of self-regulation is supported by others, or where group members regulate their own learning processes in parallel with each other. / Tiivistelmä Tämä tutkimus tarkastelee motivaation ja emootion ilmentymistä yhteisöllisessä oppimisessa. Tavoitteena on selvittää, millaisia sosio-emotionaalisia haasteita oppijat kohtaavat oppimisprosessin aikana ja miten motivaatiota ja emotionaalisia tuntemuksia säädellään näissä tilanteissa. Lisäksi tavoitteena on löytää ja kehittää tilannekohtaisia analysointimenetelmiä erityisesti sosiaalisesti jaetun emootion säätelyn tutkimiseksi. Tutkimus koostuu oppijoiden tilannesidonnaisia sosio-emotionaalisia tulkintoja keräävän instrumentin kehittelystä sekä kahdesta empiirisestä tutkimusaineistosta. Ensimmäinen tutkimusaineisto koostuu peruskoulun oppilaiden haastatteluista ja videoidusta työskentelystä. Toinen tutkimusaineisto sisältää korkeakouluopiskelijoiden kyselyaineistoa, videoitua työskentelyä ja haastatteluita. Kokonaisvaltaisen ymmärryksen luomiseksi aineiston analyysissä yhdistetään näitä erityyppisiä aineistoja ja kuvailevaa kvantitatiivista analyysiä käytetään tukemaan kvalitatiivisia tulkintoja. Itsesäädellyn oppimisen tutkimuksessa on ollut nähtävillä tarve löytää metodisia ratkaisuja, joiden avulla voidaan kerätä aineistoa yksilöiden vaihtelevista kokemuksista todellisissa oppimistilanteissa. Aikaisemmin pääpaino on ollut staattisissa, yksilöiden yleisiä käsityksiä mittaavien aineistojen analyysissä. Tässä tutkimuksessa ensimmäisen tutkimusaineiston tuloksia hyödynnetään AIRE (Adaptive Instrument for Regulation of Emotions) -instrumentin kehittelyssä. AIRE kerää tilannekohtaista tietoa sosio-emotionaalisten haasteiden kokemuksista ja näihin liittyvästä ryhmässä tapahtuvasta emootioiden säätelystä. AIRE:a käytetään toisen tutkimusaineiston yhtenä keruuvälineenä. Sosiaalisten oppimistilanteiden aikana oppijoissa herää erilaisia tuntemuksia, jotka vaikuttavat oppimistilanteeseen. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että oppijat voivat säädellä emotionaalisia tuntemuksia ylläpitääkseen tavoitesuuntautunutta opiskelua. Tulosten perusteella voidaan todeta, että yhteisöllisen oppimisen tilanteissa ryhmän jäsenet voivat yhdessä kontrolloida motivationaalisia ja sosio-emotionaalisia haasteita. Tämä sosiaalisesti jaettu emootioiden säätely (socially shared regulation) eroaa itsesäätelystä sekä yhdessä säätelemisestä (co-regulation), jossa tuetaan yksilön kehittymistä itsesäätöiseksi oppijaksi tai jossa ryhmän jäsenet säätelevät kukin rinnakkain omaa toimintaansa.

Abstract This study focuses on requirements of computer-supported collaborative learning (CSCL). The aim is to investigate the factors university students experience to promote or hinder collaborative learning. In addition the aim is to examine interactional features in successful collaborative learning situations and the effect of pedagogical scripts into the interaction. The theoretical approach is sosiocognitive, and the interactional processes are seen as a key mechanism fostering learning and knowledge construction. This thesis consisted of two empirical case studies, which were implemented in the context of international web courses. The first data consist of questionnaires, interviews, learning diaries and on-line discussions. The second data includes questionnaires and on-line discussions. The analysis combines qualitative and quantitative methods in order to create a comprehensive understanding of students’ experiences and interactional features in collaborative learning situations. There is plenty of research concerning CSCL, but the focus is seldom on students’ experiences. Also interactional processes in collaborative learning situations have been studied, but studies are often short-term studies conducted in laboratory settings. Recent research of CSCL has been concentrating on the effects of pedagogical scripts, but the results have been contradictory. This study supplements earlier studies by analysing the requirements for successful collaborative learning from the perspective of students’ experiences and interactional features during authentic and long-term web courses. The results indicated that students experienced fluent interaction, group-oriented learning task, studying skills and motivation as main factors promoting collaborative learning. Communication in foreign language and passive group members were experienced most significant hindering factors. Interaction in successful collaborative learning was most often group-related instead of task-related. Groups used a lot of effort in organizing their collaboration. Task-related discussion was commentative and questioning. However, theorybased knowledge was seldom presented. This study also indicated that learning tasks had more effect to different forms of ineraction than pedagogical scripts. The findings supports planning and implementation of collaborative learning. / Tiivistelmä Väitöstutkimus tarkastelee tietokoneavusteisen yhteisöllisen oppimisen edellytyksiä. Tavoitteena on selvittää, mitkä tekijät yliopisto-opiskelijat kokevat yhteisöllistä oppimista edistäviksi ja vaikeuttaviksi. Lisäksi tavoitteena on selvittää vuorovaikutuksen muotoja onnistuneissa yhteisöllisen oppimisen tilanteissa sekä pedagogisten skriptien vaikutusta vuorovaikutukseen. Teoreettisesti tutkimus pohjautuu sosiokognitiiviseen näkemykseen oppimisesta, jolloin korostetaan vuorovaikutuksen merkitystä tiedon rakentamiseen. Tutkimus koostuu kahdesta tapaustutkimuksesta, jotka on toteutettu kansainvälisten verkkokurssien konteksteissa. Ensimmäisen tapaustutkimuksen aineisto koostuu kyselylomakkeista, haastatteluista, päiväkirjoista ja verkko-oppimisympäristön keskusteluviesteistä. Toisen tapaustutkimuksen aineisto sisältää kyselylomake- ja verkkokeskusteluaineiston. Aineiston analyysissa on yhdistetty sekä laadullisia että määrällisiä menetelmiä. Vaikka tietokoneavusteista yhteisöllistä oppimista on tutkittu paljon, analyysin kohteena ovat harvemmin olleet oppijoiden kokemukset. Myös yhteisöllisiä vuorovaikutusprosesseja on tutkittu aiemmin, mutta tutkimukset on toteutettu usein lyhytkestoisina laboratoriotutkimuksina. Viimeaikaisissa tutkimuksissa on analysoitu pedagogisten skriptien vaikutusta vuorovaikutukseen, mutta tulokset skriptien hyödyistä ovat osin ristiriitaisia. Tämä tutkimus täydentää aikaisempia tutkimuksia analysoimalla yhteisöllisen oppimisen edellytyksiä autenttisten ja pidempikestoisten verkkokurssien aikana. Tutkimuksen tulokset osoittavat yhteisöllistä oppimista edistäviksi tekijöiksi sujuvan vuorovaikutuksen, yhteistä ponnistelua vaativan oppimistehtävän, opiskelutaidot ja motivaation. Vaikeuttavia tekijöitä puolestaan ovat viestinnän haasteet vieraalla kielellä opiskeltaessa sekä passiiviset ryhmän jäsenet. Vuorovaikutus onnistuneissa yhteisöllisen oppimisen tilanteissa oli useammin ryhmään kuin sisältöön keskittyvää. Ryhmät käyttivät paljon aikaa yhteisen työskentelyn organisointiin. Sisältöön liittyvä keskustelu oli kommentoivaa ja kysymyksiä esittävää. Teoriaperustaisen tiedon esiin tuomien oli kuitenkin harvinaista. Tulokset osoittavat myös oppimistehtävän voivan vaikuttaa pedagogisia skriptejä enemmän vuorovaikutukseen. Tämän tutkimuksen tulokset tukevat käytännössä yhteisöllisten oppimistilanteiden suunnittelua ja toteutusta.

Abstract This dissertation investigates high school students’ individual and interpersonal physiology of electrodermal activity (EDA) during collaborative learning in naturalistic settings. EDA is an index of sympathetic arousal, which is concomitant with cognitive and affective processes. Two data collections were organized with students working collaboratively in triads. The first one took place during the performance of a science task, and the second during two runs of a six-week advanced physics course. The data collected included EDA (measured unobtrusively using Empatica® E3 and E4 wristbands), performance measures (pre- and post-tests, task solutions, and course exam), and questionnaires on cognitive, affective, and collaborative aspects of learning. The work was reported in three articles. The results indicate that, on average, students spent more than half (60%) of the class at a low arousal level, possibly signaling relaxation, disengagement, or boredom. Most of the time (≈60–95% of the lesson), triad members were at a different arousal level, which might indicate that students took turns (alternating task-doers) in executing the task or applied some division of labor rather than truly collaborating. In terms of achievement, sympathetic arousal during the exam was a predictor of the exam grades, and pairwise directional agreement of EDA was positively and highly correlated to the dual learning gain. Arousal contagion could have occurred in up to 41% of the high arousal intervals found. The possible arousal contagion cases took place mostly on a 1:1 basis (71.3%), indicating that interactions in a collaborative learning triad seem to occur mainly between two members rather than among the three. The findings provide an ecologically-valid picture of the students’ EDA responses in the classroom, both individually and collaboratively, benefiting from the connection of arousal to cognitive and affective processes to increase the saliency of otherwise elusive phenomena. Methodologically, the study contributes to the exploration and exploitation of psychophysiological approaches for collaborative learning research. On a practical level, it provides physiological indices that could be incorporated into learning analytics dashboards to support students’ awareness and reflection, and teachers’ pedagogical practices. / Tiivistelmä Tässä väitöstutkimuksessa tarkastellaan elektrodermaalista aktiivisuutta (EDA) ja tästä johdettua sympaattista vireystilaa ja fysiologisia indeksejä, samanaikaisesti yksilöiden ja yksilöiden välisten kognitiivisten ja affektiivisten prosessien kanssa. Tutkimusaineisto kerättiin yhteisöllisen oppimisen tilanteista, joissa oppilaat työskentelivät kolmen hengen ryhmissä. Ensimmäinen osa aineistosta kerättiin oppilaiden suorittaessa luonnontieteiden alan tehtävää ja toinen kahden fysiikan syventävän kurssin aikana. Aineistoon sisältyi EDA (Empatica® E3- ja E4-rannekkeista), oppimisen mittaukset (alku- ja lopputestit, tehtävien ratkaisut ja kurssikokeet) sekä kyselylomakkeet oppimisen kognitiivisista, affektiivisista ja yhteisöllisen työskentelyn näkökulmista. Tutkimus on raportoitu kolmessa artikkelissa. Tulokset osoittavat, että opiskelijoiden sympaattisen hermoston vireystila oli keskimäärin yli puolet (60 %) luokkatyöskentelystä alhainen, mikä viittaa mahdolliseen rentoutumiseen, osallistumisen puutteeseen tai tylsistymiseen. Ryhmänjäsenet olivat suurimman osan ajasta (≈60-95 %) eri vireystilan tasoilla, mikä voi tarkoittaa, että he suorittivat tehtävää vuorotellen (tehtävän suorittajaa vaihdellen) tai jonkinlaista työnjakoa käyttäen, yhteisöllisen työskentelyn sijaan. Sympaattinen vireystila kurssikokeessa ennusti kokeen arvosanoja. Lisäksi oppilasparien EDA:n samansuuntaisuus korreloi vahvasti oppimistulosten kanssa. Yksilöiden välillä tapahtuvaa sympaattisen vireystilan ”tarttumista” on voinut esiintyä jopa 41 prosentissa todetuista korkean vireystilan intervalleista. Mahdolliset ”tarttumiset” ilmenivät enimmäkseen (71,3%) 1:1 suhteessa, mikä viittaa siihen, että vuorovaikutus yhteisöllisessä oppimisessa näyttäisi tapahtuvan pääasiassa kahden yksilön välillä kaikkien kolmen sijaan. Tulokset tarjoavat ekologisesti validin kuvan opiskelijoiden EDA-reaktioista luokkahuoneessa sekä yksilöllisesti että yhteisöllisesti tarkasteltuna, selventäen samalla kuvaa sympaattisen vireystilan yhteydestä kognitiivisiin ja affektiivisiin prosesseihin. Menetelmällisesti tutkimus kartoittaa psykofysiologisen lähestymistavan mahdollisuuksia yhteisöllisen oppimisen tutkimuksessa. Se esittelee fysiologisia indeksejä, jotka voitaisiin visualisoida oppimisen analytiikan sovelluksissa opiskelijoiden tietoisuuden ja reflektion sekä opettajien pedagogisten käytäntöjen tukemiseksi.

Abstract The aim of this study was to explore metacognition, specifically socially shared metacognition within computer-supported collaborative problem solving. Another aim of this study was to find methodological solutions for uncovering how metacognition becomes visible and shared in group problem solving in a text-based and asynchronous learning environment. During this dissertation study, two empirical experiments were performed. Participants in the first experiment were secondary school students (N=16) who worked with the Knowledge Forum (KF) learning environment. In the second experiment, triads of pre-service teachers’ (N=18) problem solving was supported by the Workmates (WM) learning environment. The data of this study consist of discussion forum data, self-report questionnaires, and individual’s feeling of difficulty graphs. In the data analysis, quantitative and qualitative research methods, along with individual and group level analyses, were combined to provide a deeper understanding of the phenomena being studied. A qualitative content analysis of the computer notes at the cognitive, metacognitive and social level were first analysed at the individual level, which made visible individual thinking and characterized the nature of the online discussions. In the interpretation phase, the categorizations were interpreted as group level processes in order to examine the contextual development of collaborative problem solving. To accomplish this, a process-oriented graph of group problem solving was developed. Further, to understand how socially shared metacognition in group problem solving can be related to individual metacognition, especially metacognitive experiences, group members’ individual feelings of difficulty were combined with the results of the discussion forum data. The results of this study show that the process of socially shared metacognition is a differentiator in the success of a group’s mathematical problem solving. Socially shared metacognition requires that group members participate in joint problem solving intentionally and reciprocally, acknowledge each other’s thinking and develop their ideas further. In other words, the process of socially shared metacognition has intention to steering the discussion rather than exchanging ideas about possible ways to solve the tasks. Further, the results of this study suggest that if the process of socially shared metacognition emerges, then the most of students will be able to reduce their feelings of difficulty. The results of this study suggest that socially shared metacognition is a complex and extra-ordinary group-level phenomenon. Socially shared metacognition could become more visible if participants focus on analysing the task and verifying the process as well as the outcome of the problem solving instead of exploring and implementing various unelaborated solution efforts. While socially shared metacognition fosters success in group problem solving, it also helps individual’s thinking grow as a part of the group. / Tiivistelmä Tässä tutkimuksessa selvitetään metakognition, erityisesti sosiaalisesti jaetun metakognition, ilmenemistä tietokoneavusteisessa yhteisöllisessä matematiikan ongelmanratkaisussa. Tutkimuksen tavoitteena on myös kehittää aineiston analysointimenetelmiä metakognition ja erityisesti sosiaalisesti jaetun metakognition tutkimiseksi. Tutkimus koostuu kahdesta empiirisestä osatutkimuksesta. Ensimmäisessä tutkimuksessa koehenkilöinä olivat erään perusasteen yläkoulun seitsemännen luokan suomalaiset oppilaat. Toisessa tutkimuksessa koehenkilöinä toimivat ensimmäisen vuosikurssin suomalaiset luokanopettajaopiskelijat. Molemmissa tutkimuksissa yhteisöllisen ongelmanratkaisuprosessin tukena käytettiin tekstipohjaiseen, eriaikaiseen vuorovaikutukseen perustuvia oppimisympäristöjä: Knowledge Forumia ja Työporukkaa (engl. WorkMates, WM). Tutkimusaineisto koostuu verkkokeskustelukommenteista, kyselylomakkeista sekä ongelmanratkaisutehtävän jälkeen piirretyistä graafeista, jotka ilmentävät tehtävän aikana koettua vaikeuden tunnetta. Ongelmanratkaisuprosessia kuvaavassa analyysissa yhdistetään sekä kvalitatiivisia että kvantitatiivisia menetelmiä sosiaalisesti jaetun metakognition tutkimiseksi. Verkkokeskusteluaineistoa analysoidaan yksilötasolla kvalitatiivisen sisällönanalyysin periaatteiden mukaisesti. Osallistujien tallentamat verkkokeskustelukommentit on luokiteltu kognitiivisiksi, metakognitiivisiksi tai sosiaalisiksi viesteiksi. Viestien sisällön tulkinta perustuu ainoastaan kirjoitettuun tekstiin eikä osallistujien ajatteluun viestien taustalla. Verkkokeskusteluaineistoa tulkitaan ryhmätasolla erilaisten visualisointimenetelmien, kuten sosiaalisen verkostoanalyysin ja ryhmän ongelmanratkaisua kuvaavan graafin, avulla. Sosiaalisesti jaetun metakognition yhteyttä yksilön metakognitioon, erityisesti tehtävään liittyvään vaikeuden tunteeseen, tutkitaan ryhmän ongelmanratkaisua kuvaavien graafien, verkkokeskustelukommenttien ja ongelmanratkaisutehtävän jälkeen piirrettyjen tehtävän aikana koettua vaikeutta kuvaavien graafien avulla. Sosiaalisesti jaettua metakognitiota ei ilmene yleisesti ryhmän ongelmanratkaisussa. Tähän vaikuttaa muun muassa se, ettei ryhmissä kiinnitetä huomiota tehtävänantoon ja saadun ratkaisun oikeellisuuteen, vaan pääpaino ongelmanratkaisussa on ratkaisumenetelmien etsimisessä ja esitettyjen ehdotusten toteuttamisessa. Tämän tutkimuksen tulokset kuitenkin osoittavat, että sosiaalisesti jaettu metakognitio on ilmiönä monitahoinen. Tulosten perusteella sosiaalisesti jaettu metakognitio on myös tärkeä tekijä ryhmän ongelmanratkaisussa. Onnistuneessa ongelmanratkaisussa ryhmän jäsenet sitoutuvat yhteiseen prosessiin ja toimivat vastavuoroisesti perustellen esittämänsä ajatukset sekä huomioiden ratkaisun kannalta tärkeät kysymykset ja ratkaisuehdotukset. Tällöin on mahdollista, että sosiaalisesti jaettu metakognitio vähentää useimpien ryhmän jäsenten kokemaa vaikeuden tunnetta. Sosiaalisesti jaetulla metakognitiolla näyttää olevan tärkeä tehtävä paitsi ryhmän myös yksilön ajattelussa.

Abstract This study explores the socio-cognitive and socio-emotional activities of teacher education students in collaborative learning, how the students interpret their activities and how the activities influence collaborative learning. The study consists of two empirical studies, which are reported in four articles. The first study focuses on knowledge co-construction in face-to-face interactions enhanced with cognitive tools and pictorial knowledge representations. The second study explores groups’ monitoring activities in collaborative interaction, along with challenges and socio-emotional conflicts in collaborative learning. The data collection methods include video observations, video-stimulated recall interviews and pre- and post-knowledge tests. The results indicate that collaborative learning is a cognitively and emotionally challenging learning process. The way in which group members share and develop their ideas depends on how actively they monitor their own and each other’s evolving understanding. However, monitoring cognitive activities as a group is only one part of effective and enjoyable learning. Troubled interaction can create a socio-emotionally unbalanced group climate, and can endanger effective collaborative learning unless group members are capable of regulating their emotional experiences and expression of their emotions. Therefore, in addition to effective knowledge co-construction, effective collaborative learning requires that group members proactively monitor their own and each other’s shared learning activities at both cognitive and emotional levels. The findings of this study contribute to the understanding of how individuals learn together as a group. Methodologically, this study provides several process-oriented analysis schemas for analysing socio-cognitive and socio-emotional activities within collaborative learning. Practically, this study offers teachers and educational professionals ideas for the design of collaborative learning environments. / Tiivistelmä Väitöstutkimus tarkastelee opettajaksi opiskelevien yhteisöllistä oppimista sosiokognitiivisena ja sosioemotionaalisena vuorovaikutusprosessina. Tutkimuskohteina ovat yhteisöllinen tiedonrakentelu, yhteisöllisen oppimisen haasteet ja ryhmän toiminta sosioemotionaalisessa konfliktitilanteessa. Yhteenvedossa tarkastellaan sitä, mitä yhteisöllisen oppimisen aikana tapahtuu, miten opiskelijat tulkitsevat prosessinaikaisia toimintoja ja miten ne vaikuttavat oppimistilanteeseen. Tutkimus koostuu kahdesta osatutkimuksesta, joiden tulokset on raportoitu neljässä artikkelissa. Väitöstyö on luonteeltaan design-tutkimus, jossa ilmiötä tarkastellaan aidoissa, etukäteen pedagogisesti suunnitelluissa ja tieto- ja viestintäteknologiaa hyödyntävissä oppimistilanteissa. Tutkimusaineisto koostuu videoiduista ryhmätilanteista, opiskelijoiden haastatteluista sekä oppimistesteistä, joilla mitattiin opiskelijoiden sisällöllistä ymmärrystä. Lisäksi sosioemotionaalisen vuorovaikutuksen analyysia syvennettiin menetelmällä, jossa opiskelijoiden haastattelua stimuloitiin videon avulla. Tutkimustulokset osoittavat, että tiedonrakentelun yhteinen säätely edesauttaa yhteisöllistä oppimista. Tehokas ja mielekäs yhteisöllinen oppiminen edellyttää, että ryhmän jäsenet monitoroivat, kuinka ymmärrys tehtävästä ja sisällöstä kehittyy, kuinka mielenkiinto säilyy ja kuinka ryhmä etenee. Kognitiivisten prosessien ohella opiskelijoiden tulee tarkkailla oppimistaan sosioemotionaalisesta näkökulmasta. Ryhmien on tärkeä arvioida ja säädellä työskentelyään siten, että sosioemotionaalinen ilmapiiri säilyy yhteisölliselle oppimiselle suotuisana. Väitöstutkimuksen tulokset lisäävät teoreettista ymmärrystä yhteisöllisen oppimisen mahdollisuuksista ja haasteista. Tutkimus myös edistää prosessiorientoituneiden tutkimusmenetelmien kehittämistä. Lisäksi tulosten perusteella voidaan kehittää korkeakouluopetusta ja erityisesti opettajankoulutusta. Tutkimukseen suunnitellut oppimisympäristöt tarjoavat konkreettisia ideoita, joilla voidaan tukea yksilöllisiä ja sosiaalisesti jaettuja oppimisprosesseja.

Abstract The use of mobile devices, including mobile phones and tablets, is a growing trend in education. The practice has been widely technology driven and often justified simply by the importance of using new technology in a classroom and by claiming such devices to be important in reaching something referred to, although not that well defined, as 21st century skills. This thesis is one answer to the challenge represented by this development. It brings together theoretical ideas of scaffolding learning with collaborative scripts and the use of mobile devices as cognitive tools in a real life educational settings. This thesis has constructivist grounds and aims at exploring how to support collaborative learning when students have ill-structured problems and their activities are supported with mobile technologies. The study consists of three case studies, which together form an example of how important it is to design, develop and deliver lightweight digital tools and activities for learners to construct knowledge. Overall, the results of three case studies in this thesis confirms that it is a dubious assumption that learners will automatically take appropriate and measured advantage of the affordances of mobile devices and other emergent technologies involved in cognitive activities: rather, these cognitive tools require deliberate attention and effort from learners to make use of the affordances of the tools. Furthermore, results from the case studies reveal that personal factors such as students’ prior knowledge and their metacognitive and collaborative skills, as well as contextual cues such as cultural compatibility and instructional methods, influence student engagement. / Tiivistelmä Mobiililaitteiden, kuten puhelinten ja tabletien, opetuskäyttö lisääntyy hyvää vauhtia. Aihepiiri on ollut teknologiavetoinen, opetuskäyttöä on perusteltu lähinnä tarkemmin määrittelemättömillä 2000-luvun kansalaistaidoilla (21th century skills) ja uuden teknologian hyödyntämisen tärkeydellä. Tämä väitöskirja on teoreettisesti ja metodologisesti perusteltu vastine tähän keskusteluun. Tutkimus yhdistää pedagogista vaiheistamista ja kognitiivisia työkaluja käsittelevän teoreettisen viitekehyksen kolmeen todellisissa oppimistilanteissa tehtyyn kokeiluun. Työ koostuu kolmesta tapaustutkimuksesta, jotka yhdessä muodostavat esimerkin kuinka mobiililaitteiden avulla tuettua opiskelua voidaan suunnitella ja toteuttaa erilaisissa konteksteissa. Ensimmäisessä tapaustutkimuksessa tutkittiin maantieteellisesti hajautuneen opetusta suunnittelevan yhteisön vuorovaikutusta. Toisessa tapaustutkimuksessa selvitettiin kuinka tukea luontopolkutyöskentelyä mobiilisovellusten avulla. Kolmannessa tapaustutkimuksessa tutkittiin yliopisto-opiskelijoiden opintojen tukemista mobiilin sosiaalisen median sovelluksia hyödyntäen. Kolme tapaustutkimusta osoittavat että oppilaiden ei voida olettaa automaattisesti osaavan hyödyntää uusinta teknologiaa ja pedagogisia menetelmiä opiskelunsa tukena. Päinvastoin, käyttäminen vaatii opiskelijoilta paljon päämäärätietoista ponnistelua. Henkilökohtaiset tekijät, kuten aiemmat kokemukset, opiskelutaidot, mutta myös tilannesidonnaiset tekijät kuten opetusmenetelmät vaikuttavat opiskelijoiden kykyyn hyödyntää uutta teknologiaa opiskelussa.

Abstract The study investigated how individuals evaluate others' knowledge when they work as a distributed team. Theoretically, the study was based on contemporary theory on collaborative learning and combined with the theories which explain how individuals evaluate others' perspectives in social learning situations. Interpersonal evaluation of knowledge was conceptualized as one mediating process which is needed between social and individual knowledge planes. This study builds on a design-based research approach. Three research experiments were conducted. In the study, a pedagogical model and a visualization tool were developed based on the findings gathered from the first and the second empirical research experiments. It was also investigated how the working model and the visualization tool supported interpersonal evaluation of knowledge. In practice, the model and the tool were tested in the experiments with distributed teams. The results of the experiments are reported in four research articles (Articles I–IV). Based on the analysis of the three research experiments, it can be concluded that when the distributed team members evaluate the other team members' thinking, they use several cognitive reasoning strategies. The findings indicate that the evaluation strategies, such as perspective-taking, comparing, attribution and categorization fulfill each other when the team members try to take the perspectives and shared knowledge of others into account. The results showed also that with the working model or the visualization tool it was possible to support only some strategies of interpersonal evaluation of knowledge at one time. The findings highlight the fact that interpersonal evaluation of knowledge is a multidimensional process. The dimensions which affect the evaluation of others' knowledge are externalized knowledge presented in communication, and an individual's knowledge about, for instance, others' expertise, which may not be externalized in communication. In future studies different levels of analysis are needed to understand how interpersonal evaluation of knowledge is related to the interactions between team members and with technological resources in practice. / Tiivistelmä Tässä tutkimuksessa tarkastellaan hajautetun tiimin jäsenten pyrkimyksiä arvioida toistensa tietoa. Yhä useammin sekä suomalaisten että globaalien organisaatioiden toiminta perustuu ongelmien ratkaisemiseen ja uuden tiedon kehittämiseen tiimeissä. Yleensä monimutkaisten ongelmien ratkominen edellyttää tiimiläisten tapaamisia ja keskusteluja, mutta se ei ole aina mahdollista esimerkiksi pitkien välimatkojen vuoksi. Tällöin tiimiläiset kommunikoivat pääosin teknologian välityksellä, mikä osaltaan tekee tiimiläisten keskinäisestä ymmärtämisestä ja siten myös ongelmien ratkaisusta haastavaa. Teoreettisesti tutkimus nojautuu kollaboratiivisen yhteisöllisen oppimisen teoriaan ja sosiokognitiiviseen oppimisnäkemykseen, joissa toisten tietojen arviointi ja pyrkimys vastavuoroiseen ymmärtämiseen nähdään oppimiselle tärkeinä prosesseina. Tutkimuksessa sovelletaan myös sosiaalispsykologian tutkimuksissa käytettyjä teorioita attribuutiosta ja kategorioinnista. Tutkimus koostuu kolmesta osatutkimuksesta, ja se seuraa Design Based Research -tutkimusotetta. Ensimmäisen ja toisen osatutkimuksien tulosten perusteella kehitettiin yhteisölliseen hajautettuun tiimityöhön työskentelymalli ja visualisointityökalu, jota hajautetun tiimin jäsenet käyttivät tietorepresentaatioiden ja jaetun tiedon arvioimisen tukena kolmannessa osatutkimuksessa. Yleisesti visualisointityökalun ja työskentelymallin avulla pyrittiin tukemaan hajautettujen tiimien jäsenten vastavuoroista ymmärrystä. Toisten tietojen arvioimiseen käytettyjä strategioita tarkasteltiin useiden laadullisten tutkimusmenetelmien avulla. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että ymmärtääkseen toistensa näkökulmia hajautettujen tiimien jäsenet käyttävät kognitiivisina strategioina perspektiivinottoa, vertailua, attribuutiointia ja kategorisointia. Perspektiivinotossa pyrkimyksenä on ymmärtää toisen tiimin jäsenen näkökulma jaetun tehtävän sisällön kannalta. Vertailu perustuu omien ja toisten tiimiläisten tietorakenteiden erojen ja yhteneväisyyksien etsintään. Lisäksi tuloksista nousee esille erityisesti tarve ymmärtää, mikä tieto on jo jaettua tiimin jäsenten kesken. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että yhteisöllisen ongelmanratkaisun tutkiminen hajautetussa tiimityössä vaatii yksilön kognitiivisten toimintojen analysointia osana sosiaalista tilannetta.

Abstract This study focused on enriching collaborative learning through pedagogically scripted multiplayer games. Collaborative learning was examined in the synchronous discussions of small group problem-solving activities in face-to-face and virtual game settings. The theoretical approach is socio-cognitive and builds on the contextual and situated nature of learning. Interaction between group members in social situations is a key mechanism fostering students’ collaborative learning. In the field of Computer-Supported Collaborative Learning the underlying aim is to stimulate and structure socially shared construction of knowledge and development of shared understanding among the collaborators. This thesis consisted of three empirical studies. The first study focused on analysing the macro-level elements of teacher education students’ face-to-face discussions in a context of an international web-based course. The focus of the second and third empirical studies was on how distributed collaboration can be enriched by scripting multiplayer game environments. The game environments were developed and tailored as part of the empirical studies. The main aim was to analyse small-group micro-level interactions and activities taking place during the game. Moreover, the particulars of a 3D voice-enhanced multiplayer game context for small-group shared collaborative activities were investigated. The focus of the last empirical study was on aspects of collaborative game activity and shared problem solving described from the perspective of individual players. The results indicated that the synchronous small-group discussions, on the macro-level, consisted of explaining, sharing knowledge, providing critiques, reflection, and joint engagement. The micro-level elements of the players’ discussions during the game were questions, content statements, social statements, suggestions, instructions or orders, encouragements, and responses. Both macro and micro level elements varied in random order during the discussion, forming a base for small-group discussion and joint problem-solving efforts. Not all problem-solving situations in the game data were shared, indicating that if shared collaborative activity was pursued, the scripting of the game tasks must require equal participation and teamwork during the game. The 3D game environment created a strong shared context for the distributed groups by engaging the players and reinforcing individual participation through the avatar activity. The findings of this thesis contribute to the future development of serious games and highlight the potential of multiplayer games as tools for supporting the social aspects of distributed teamwork. / Tiivistelmä Väitöstutkimus tarkastelee yhteisöllisen oppimisen rikastamista pedagogisesti vaiheistettujen virtuaalipeliympäristöjen avulla. Tutkimuksessa on analysoitu pienryhmien sosiaalista vuorovaikutusta luokkahuonekeskusteluissa ja puhevälitteisissä peliympäristöissä. Teoreettisesti tutkimus pohjautuu sosiokognitiiviseen käsitykseen oppimisesta, jonka mukaan sosiaaliset tilanteet voivat käynnistää yksilöissä oppimisen kannalta keskeisiä mekanismeja, kuten esimerkiksi selittämistä ja tiedon jakamista. Yhteisöllisen oppimisen ytimeksi katsotaan jaetun ymmärryksen rakentaminen sosiaalisessa vuorovaikutuksessa, mitä tietokoneavusteisen yhteisöllisen oppimisen tutkimuslinjassa pyritään tukemaan vaiheistamalla oppimisympäristöjä. Tutkimus koostuu kolmesta eri osatutkimuksesta, joista ensimmäisessä analysoitiin korkeakouluopiskelijoiden pienryhmäkeskustelua luokkahuonetilanteessa. Lähitapaamiset toimivat kurssilla hajautetun kansainvälisen verkkotyöskentelyn tukena. Toisessa osatutkimuksessa tarkasteltiin, voiko hajautettua yhteisöllistä oppimista rikastaa puhevälitteisen monenpelaajan peliympäristön avulla. Pelin tehtävät suunniteltiin ja vaiheistettiin yhteisöllistä toimintaa vaativiksi sekä jaetun ymmärryksen rakentamista tukeviksi. Analyysi keskittyi korkeakouluopiskelijoiden pelinaikaisen keskustelun ja ongelmanratkaisutilanteiden tarkasteluun. Kolmannen osatutkimuksen tavoitteena oli tutkia, mitä osatekijöitä työelämäkontekstista tulleet osallistujat joutuivat hallitsemaan puhevälitteisessä monenpelaajan pelissä. Tutkimusten video- ja haastatteluaineistot analysoitiin laadullisen sisällönanalyysin menetelmin. Tutkimustulokset osoittivat, että pienryhmän vuorovaikutus koostuu makrotasolla mm. selittämisestä, tiedon jakamisesta ja reflektoinnista. Mikrotasolla mm. kysymykset, toteamukset, auttaminen ja ehdottaminen vaihtelivat puheenvuoroittain ja muodostivat yhteisen toiminnan pohjan pienryhmän pelaamisessa. Kaikki ongelmanratkaisutilanteet pelin aikana eivät kuitenkaan olleet jaettuja. Tulokset osoittavat, että kun tavoitellaan aidosti yhteisöllisiä tilanteita, pelin tehtävät täytyy vaiheistaa niin, että ne vaativat kaikkien osallistumista ja pitävät ryhmää virtuaalisesti yhdessä. Tässä tutkimuksessa käytetyt peliympäristöt muodostivat hajautetuille ryhmille vahvan jaetun tilan ja virtuaalisten ihmishahmojen eli avatarien kautta osallistuminen vahvisti yksilöiden toimijuutta pienryhmän osana. Tuloksia voidaan hyödyntää hajautetun tiimityön kontekstissa sekä käyttää tukena tulevaisuuden virtuaalisten tiimipelien suunnittelussa.