TPACK in Teacher Education: Exploring Pre-service Teachers’ Knowledge to Integrate Technology in Mathematics

Abstract

The notion of digital competence has gained significant attention both in school curricula and international research for more than a decade (Ferrari, 2012; Krumsvik, 2011; Marín-Suelves et al., 2020). The current Norwegian national curriculum emphasizes digital skills as a part of the competence in the subjects and necessary tools for learning and understanding them (Ministry of Education and Research, 2019), mirroring global trends towards more technologically rich learning environments. Ensuring that the digital tools are integrated effectively and pedagogically into teaching and learning is essential to meet these curricular demands. However, research demonstrates that Norwegian preservice teachers (PSTs) do not acquire sufficient knowledge to integrate technology effectively into their own teaching and learning through initial teacher education (ITE) programs (Gudmundsdottir & Hatlevik, 2018; Instefjord & Munthe, 2016). The purpose of this study is to assess and interpret Norwegian PSTs’ knowledge of integrating technology in mathematics by exploring what technological pedagogical and content knowledge (TPACK) PSTs gain through ITE programs. This study has the following overarching research question: What are the principal characteristics of TPACK among Norwegian mathematics PSTs, and how are these characteristics influenced by the possibilities, challenges, and contributory factors they encounter while integrating technology into mathematics? The main research question is operationalized into five sub-questions, addressed through four sub-studies in a mixed methods study. Each sub-study is reported in an article. This thesis is article-based and consists of a synopsis and four articles. The synopsis introduces the background and purpose of the study (Chapter 1), situates the study in the existing research in the field through a literature review (Chapter 2), discusses the theoretical perspectives (Chapter 3), as well as philosophical foundations and methodological approaches (Chapter 4), presents the main findings (Chapter 5), and discusses the findings from the four sub-studies in light of research on technology integration in mathematics education in the Norwegian context (Chapter 6). Finally, the four articles represent each of the four sub-studies. The literature review highlights a gap in specific knowledge regarding how PSTs develop and implement TPACK. Technology becomes increasingly more important in education, and PSTs must be able to effectively integrate digital tools with pedagogical strategies and content knowledge. This review sets the stage for the study’s focus on the contextual nuances of Norway’s educational landscape and the specific challenges and opportunities this presents for PSTs. This study adopts an integrative approach, positioning the sociocultural perspective as the overarching theoretical lens. From this perspective, five other theories—TPACK, self-efficacy, transfer of training, situated cognition, and the instrumental approach—are integrated to provide a comprehensive analysis of Norwegian PSTs’ knowledge of integrating technology in mathematics. The study is grounded in a pragmatic research paradigm and utilizes a multiphase sequential mixed methods design that unfolds in three phases. Phase one involves designing and validating a TPACK survey that aligns with the Norwegian educational context, addressed through sub-study 1. It answers the following research question: What challenges arise when adapting and further developing an existing TPACK survey for mathematics PSTs to the Norwegian context? The mixed methods approach adopted in this sub-study primarily uses quantitative methods supported by qualitative methods. Data includes curriculum documents, TPACK survey literature, online TPACK survey and experts’ reviews. The analysis involves descriptive and inferential statistics, along with qualitative interpretation. The sub-study resulted in the development of a 6-factor survey with 30 validated items. The findings revealed that PSTs had trouble in interpreting overlapping TPACK domains. Phase two comprises two sub-studies. Sub-study 2 focuses on the factors that influence PSTs’ technology integration in mathematics. The following question is approached in the sub-study: What factors contribute to PSTs’ implementation of technology in problem solving in mathematics? Similarly, sub-study 3 focuses on the aspects of TPACK and the possibilities and challenges of technology integration emphasized by PSTs. This sub-study answers the following two questions: What aspects of TPACK do PSTs emphasize when reflecting on their problem-solving experiences in mathematics? and What possibilities and challenges do PSTs emphasize when reflecting on their experiences with using technology to solve mathematical problems? The mixed methods approach adopted for this phase primarily uses qualitative methods supported by quantitative methods. PSTs’ logbooks are analyzed quantitatively using descriptive statistics and qualitatively through thematic analysis in sub-study 2. Similarly, in sub-study 3, the data from logbooks and focus group interviews (FGIs) are analyzed quantitatively using coding frequency counts derived from logbook texts and FGI transcripts and qualitatively through content analysis. These sub-studies reveal the significant impact of personal, developmental, and institutional factors on technology use, and they identify gaps in ITE programs that hinder effective integration of technology into mathematics. Utilizing the validated TPACK survey from sub-study 1, phase three assesses variations in TPACK across different stages of teacher training, between study types and between PSTs’ genders. It answers the following question: How does TPACK vary with training stages, study type and gender among Norwegian mathematics PSTs? This mixed-methods study analyzes quantitative data through non-parametric tests and qualitative data through thematic analysis. The findings reveal significant gaps in technological knowledge domains despite modest improvements in pedagogical knowledge and content knowledge from the initial to final stages of ITE. Similarly, lower-secondary level PSTs outperformed primary level PSTs with significant differences in pedagogical knowledge, content knowledge, and technological content knowledge, while other knowledge domains showed comparable levels across both study types. Gender differences were also observed. Male PSTs rated their knowledge in technological domains higher than females, but these differences were not significant. There were no significant differences in other knowledge domains, except from pedagogical knowledge, which was rated higher by female PSTs. The study recommends developing ITE curricula to include more intensive technology integration training and support. It also calls for revisions to ensure that ITE programs are adequately equipped to develop PSTs’ competencies in line with the contemporary developments in technology. Furthermore, educational institutions are encouraged to foster ongoing professional development and collaboration among teacher educators to refine their technology integration skills.

Sammendrag på norsk «Digital kompetanse» har fått betydelig oppmerksomhet både i nasjonale læreplaner og internasjonale forskningsarbeid i over et tiår (Ferrari, 2012; Krumsvik, 2011; Marín-Suelves et al., 2020). Den gjeldende norske læreplanen (Kunnskapsløftet 2020) vektlegger digitale ferdigheter som en del av kompetanse i fagene og nødvendige verktøy for å lære og forstå dem (Ministry of Education and Research, 2019), og den speiler globale trender mot mer teknologi-rike læringsmiljøer. Det er avgjørende å sikre at digitale verktøy brukes effektivt og pedagogisk i undervisning og læring for å imøtekomme disse læreplankravene. Forskning viser imidlertid at norske lærerstudenter ikke tilegner seg tilstrekkelig kunnskap til å bruke digitale verktøy effektivt i egen undervisning og læring gjennom lærerutdanningen (Gudmundsdottir & Hatlevik, 2018; Instefjord & Munthe, 2016). Formålet med denne studien er å vurdere og tolke norske lærerstudenters kunnskap om bruk av digitale verktøy i matematikk ved å utforske hvilken teknologisk, pedagogisk og faglig kunnskap (TPACK) lærerstudentene utvikler gjennom lærerutdanningen. Denne studien har følgende overordnede problemstilling: Hva er de viktigste egenskapene ved TPACK blant norske matematikklærerstudenter, og hvordan påvirkes disse egenskapene av mulighetene, utfordringene og bidragsyterne de møter når de bruker digitale verktøy i matematikk? Den overordnede problemstillingen er operasjonalisert gjennom fem delspørsmål, studert gjennom fire delstudier i en flermetodisk studie. Hver delstudie rapporteres i en artikkel. Denne avhandlingen er artikkelbasert og består av en kappe og fire artikler. Kappen introduserer bakgrunnen og formålet med studien (kapittel 1), plasserer studien innenfor den eksisterende forskningen på feltet gjennom en litteraturgjennomgang (kapittel 2), diskuterer teoretiske perspektiver (kapittel 3), samt filosofisk grunnlag og metodologiske tilnærminger (kapittel 4), presenterer hovedfunnene (kapittel 5) og diskuterer funnene fra de fire delstudiene i lys av forskning relatert til bruk av digitale verktøy i matematikk i norsk kontekst (kapittel 6). Til slutt presenterer de fire artiklene hver av de fire delstudiene. Litteraturgjennomgangen fremhever en mangel på spesifikk kunnskap om hvordan lærerstudenter utvikler og bruker TPACK. Digitale verktøy får stadig større betydning i utdanningen, og lærerstudenter må være i stand til å effektivt integrere digitale verktøy med pedagogiske strategier og fagkunnskap. Denne gjennomgangen legger grunnlaget for studiens fokus på de kontekstuelle nyansene i Norges utdanningslandskap og de spesifikke utfordringene og mulighetene dette gir lærerstudenter. Denne studien bruker en integrerende tilnærming, og posisjonerer det sosiokulturelle perspektivet som den overordnede teoretiske linsen. Ut fra dette perspektivet er fem andre teorier – TPACK, self-efficacy, overføring av trening, situert kognisjon, og instrumental approach – integrert for å gi en omfattende analyse av norske lærerstudenters kunnskap om bruk av digitale verktøy i matematikk. Studien er forankret i et pragmatisk forskningsparadigme og bruker et flerfaset sekvensielt flermetodisk design med tre faser. Fase én innebærer å designe og validere en TPACK-undersøkelse som er i tråd med den norske konteksten, studert gjennom delstudie 1. Den besvarer følgende forskningsspørsmål: Hvilke utfordringer oppstår ved tilpasning og videreutvikling av en eksisterende TPACK-undersøkelse for matematikklærerstudenter til den norske konteksten? Den flermetodiske tilnærmingen i denne delstudien bruker primært kvantitative metoder støttet av kvalitative metoder. Data består av læreplandokumenter, TPACK-undersøkelseslitteratur, nettbasert TPACK-undersøkelse og tilbakemeldinger fra fagfolk på feltet. Analysen består av beskrivende og inferensiell statistikk, sammen med kvalitativ tolkning. Delstudien resulterte i utviklingen av en 6-faktor-undersøkelse med 30 validerte item. Resultatene viste at lærerstudenter hadde problemer med å tolke overlappende TPACK-domener. Fase to omfatter to delstudier. Delstudie 2 fokuserer på faktorene som påvirker lærerstudenters bruk av digitale verktøy i matematikk. Følgende spørsmål blir besvart gjennom delstudien: Hvilke faktorer bidrar til lærerstudenters bruk av digitale verktøy i problemløsning i matematikk? Til sammenligning setter delstudie 3 søkelys på aspektene ved TPACK og mulighetene og utfordringene ved bruk av digitale verktøy som blir vektlagt av lærerstudenter. Denne delstudien besvarer på følgende to spørsmål: Hvilke aspekter ved TPACK legger lærerstudenter vekt på når de reflekterer over sine erfaringer med problemløsning i matematikk? og Hvilke muligheter og utfordringer legger lærerstudenter vekt på når de reflekterer over sine erfaringer med å bruke digitale verktøy for å løse matematiske problemer? Det flermetodiske designet i denne fasen bruker først og fremst kvalitative metoder støttet av kvantitative metoder. Lærerstudenters loggbøker analyseres kvantitativt ved hjelp av beskrivende statistikk og kvalitativt gjennom tematisk analyse i delstudie 2. Til sammenligning analyseres data fra loggbøker og fokusgruppeintervjuer (FGI) kvantitativt ved bruk av kodefrekvenstellinger utledet fra loggboktekster og FGI-transkripsjoner og kvalitativt gjennom innholdsanalyse i delstudie 3. Disse delstudiene synliggjør den betydelige innvirkningen av personlige, utviklingsmessige og institusjonelle faktorer på bruk av digitale verktøy, og de identifiserer svakheter i lærerutdanningen som hindrer effektiv bruk av digitale verktøy i matematikk. Ved å bruke den validerte TPACK-undersøkelsen fra delstudie 1, undersøker fase tre variasjoner i TPACK-domenene på tvers av ulike stadier av lærerutdanningen, mellom studietyper og mellom lærerstudenters kjønn. Den besvarer følgende spørsmål: Hvordan varierer TPACK med opplæringsfase, studietype og kjønn blant norske matematikklærerstudenter? Denne flermetodiske studien analyserer kvantitative data gjennom ikke-parametriske tester og kvalitative data gjennom tematisk analyse. Funnene avslører betydelige svakheter i teknologiske kunnskapsdomener til tross for noen mindre forbedringer i fagkunnskap og pedagogiske kunnskap hos lærerstudenter mellom begynnelsen og slutten av lærerutdanningen. Tilsvarende presterte lærerstudenter på grunnskolelærerutdanningen for 5.–10. trinn bedre enn de på grunnskolelærerutdanningen for 1.–7. trinn med betydelige forskjeller i pedagogisk kunnskap, fagkunnskap og teknologisk fagkunnskap, mens andre kunnskapsdomener viste sammenlignbare nivåer på tvers av de to utdanningene. Kjønnsforskjeller ble også observert. Mannlige lærerstudenter vurderte sin kunnskap i teknologiske domener høyere enn kvinner, men denne forskjellen var ikke signifikant. Det var ingen signifikante forskjeller på andre kunnskapsdomener, bortsett fra pedagogisk kunnskap som ble vurdert høyere av kvinnelige lærerstudenter. Studien anbefaler å utvikle grunnskolelærerutdanningenes læreplaner i retning av å inkludere mer intensiv øving og støtte i bruk av digitale verktøy. Den oppfordrer også til revisjoner som sikrer at lærerutdanningene er tilstrekkelig utrustet til å utvikle lærerstudenters kompetanser i tråd med dagens teknologiske utvikling. Videre oppfordres utdanningsinstitusjoner til å fremme profesjonsfaglig utvikling og samarbeid blant lærerutdannere for å forbedre deres ferdigheter i bruk av digitale verktøy.