3. Empiirisen käsitteenmuodostuksen rakenne. 3.1 Empirian ja teorian suhde, hahmottava lähestymistapa

Transkriptio

1 14 3. Empiirisen käsitteenmuodostuksen rakenne Testattaessa opetussuunnitelmien mukaisten oppimistavoitteiden saavuttamista tulisi luvun 2 tarkastelujen perusteella kiinnittää sisällöllisen kattavuuden ohella huomiota fysiikalle ominaiseen ajattelun oppimiseen, erityisesti siihen, missä määrin kokeellinen ja tutkiva lähestymistapa on omaksuttu. Tämän näkökulman jäsentämisessä analysoinnin mahdollistaviksi kysymyksiksi tässä tutkimuksessa nojaudutaan siihen empiirisen käsitteenmuodostuksen perusteiden analyysiin ja sen mukaiseen hahmottavaan lähestymistapaan, johon dfcl-koulutuksessa (ks. johdanto) saatiin perehtyä. Tähän lukuun on poimittu tämän tutkimuksen kannalta keskeisiä kohtia sellaisina, kuin niitä on esitetty dfcl-koulutuksen oppikirjana käytetyssä teoksessa Fysiikan merkitykset ja rakenteet (Kurki-Suonio, K. ja Kurki-Suonio, R. 1994), hahmottavan lähestymistavan periaatteiden mukaan laaditun lukion oppikirjasarjan, Galilein, ensimmäisen osan opettajan oppaassa (Kurki-Suonio, K, Kurki-Suonio, R, Lavonen, J, Hakulinen, H. 1997) ja eräissä myöhemmissä artikkeleissa (Kurki-Suonio, K. 1996; Kurki-Suonio, K. ja Kurki-Suonio, R. 1998). 3.1 Empirian ja teorian suhde, hahmottava lähestymistapa Fysiikka on kokeellinen ja eksakti tiede, jossa kokeellisuus eli empiirisyys merkitsee sitä, että luonnon ilmiöitä koskevat havainnot ja mittaukset ovat kaiken fysikaalisen tiedon perusta. Fysikaalinen tieto on kokeellisesti perusteltua. Eksaktisuus merkitsee sitä, että fysiikan tulokset pyritään ilmaisemaan matemaattisessa muodossa ilmiöiden havaittuja säännönmukaisuuksia esittävinä lakeina. Fysiikan oppiminen on vastaavalla tavalla oppilaan havaintojen ja mielikuvien välistä vuorovaikutusta. Se on prosessi, joka yhdistää empirian ja teorian ja antaa kummallekin merkityksen. Tutkimus ja oppiminen ovat siten perusominaisuuksiltaan sama tiedon luomisen prosessi. Oppiminen on jokaisen oppilaan oma henkilökohtainen prosessi, kun tiede on ihmiskunnan yhteinen ainutkertainen prosessi. Se on ihmisen elinikäinen prosessi, joka alkaa syntymästä ja etenee portaattomasti aistihahmotuksesta selvästi jäsentyvään tietoiseen oppimiseen. Havaitsemisesta kasvaa oppiminen, oppimisesta

2 15 opiskelu, opiskelusta tutkimus, tutkimuksesta tiede. Aistihahmotus, oppiminen, opiskelu ja tiede ovat yhden prosessin hierarkkisesti eriasteisia vaiheita. Oppimisen rinnastaminen tieteeseen on perusteltua. Empirian ja teorian suhde on reaalitieteiden perusongelma. Fysiikassa ei ole mitään puhtaasti kokeellista eikä mitään puhtaasti teoreettista. Tähän perustuu ajatus käsitteenmuodostuksesta hahmottamisena, mielen rakenteen ja havainnon, teorian ja empirian erottamattomana intuitiivisena yhteistyönä. Kaikkien käsitteiden merkityksen luo prosessi, joka sulauttaa empirian ja teorian yhdeksi kokonaisuudeksi, jolloin niiden empiiriset ja teoreettiset komponentit eivät ole enää erotettavissa. Se on suunnattu prosessi, joka alkaa havainnosta ja etenee kohti teoriaa. Teoria rakentuu havaintojen perustalle. Siksi kaikki käsitteenmuodostus on pohjimmiltaan empiiristä. Käsitteet voidaan ymmärtää vain sen synty- ja kehitysprosessin kautta, joka luo niille merkityksen. Käsitettä ei voi erottaa merkityksestään eikä merkitystä sitä luovasta prosessista. Vaikka hahmottava käsitteenmuodostus etenee yhteen suuntaan, ilmiöstä teoriaan, sillä on kaksisuuntainen dynamiikka, jossa voidaan erottaa induktiivisen ja deduktiivisen päättelyn komponentit (kuva 1). Kuva 1. Hahmottamisen kaksisuuntainen dynamiikka (Kurki-Suonio, K. ja Kurki- Suonio, R. 1994).

3 16 Havainnot, mittaukset ja kokeellinen tutkimus tuottavat tietoa ympäröivän luonnon ilmiöistä. Induktiivisella päättelyllä muodostetaan ilmiöitä kuvaavia käsitteitä, erityisesti suureita sekä kokeellisia lakeja, joita voidaan käyttää ilmiön matemaattisina malleina. Näin saaduista laeista voidaan johtaa deduktiopäätelminä ennusteita, joita testataan kokeellisesti lakien pätevyysalueiden selville saamiseksi. Käsitteet yleistyvät ja tarkentuvat, sykli jatkuu. Sen perimmäisenä käyttövoimana on kuitenkin luova intuitiivinen oivallus, joka perustuu ihmismielen ainutlaatuiseen hahmottamisen kykyyn. Fysikaalinen käsitteenmuodostus on intuitiivista hahmottamista. Fysiikanopetuksen hahmottava lähestymistapa perustuu näkemykseen empirian ja teorian erottamattomasta yhteensulautumisesta hahmotusprosessiksi. Se tähtää ensi sijassa käsitteiden oppimiseen, jolloin käsitteiden perustana ovat niiden hahmotetut merkitykset. Merkitykset luodaan ensin. Terminologia ja sitä käyttävä kieli rakennetaan ymmärretyille merkityksille. Käsitteistöä rakentaa merkityksiä luova hahmotusprosessi, joka kerrostuu hierarkkisesti ja abstrahoituu asteittain. Empiiriset merkitykset ovat primaarisia, teoreettiset merkitykset hahmottuvat ja kehittyvät asteittain empiiristen merkitysten täydentyessä. Hahmottaminen on fysiikan oppimisen perusta. Se on kunkin oppilaan oma prosessi. Se etenee oppilaan omien havaintojen ja oman mielen vuorovaikutuksen avulla. Opettajan rooli on enemmän kysymysten herättämistä kuin vastausten antamista. Opettaja ei jakele tietoa, vaan ohjaa oppilaan tiedon luomisen prosessia. Koska käsitteiden synty on prosessi eikä tuote, opetuksen ensisijainen tehtävä on auttaa oppilaan luonnollisen havaitsemisen ja hahmottamisen prosesseja kehittymään. Konstruktivistisen oppimiskäsityksen mukaan oppiminen rakentuu oppilaan omille tiedoille, kokemuksille ja mielikuville. Hahmottavan lähestymisen perusfilosofia pitää tätä itsestään selvästi aidon oppimisen perustana. Opetuksen perustavoitteet ovat prosessuaalisia, eivät tiedollisia. Siksi on tärkeää tarkastella lähemmin hahmottamisprosessin rakennetta ja sen kehittymisen vaiheita.

4 Hierarkkinen eteneminen Vuoden 1994 opetussuunnitelman perusteissa (Anon. 1994) erotetaan kaksi fysiikanopetuksen tavoitetasoa, kvalitatiivinen ja kvantitatiivinen (ks. luku 2.2). Kurki- Suonioiden mukaan tämä on osa fysiikan käsitteenmuodostuksen yleistä hierarkkista rakennetta, jota he tarkastelevat yksityiskohtaisesti kaaviokuvan (kuva 2) avulla. Kuva 2. Fysiikan käsitteiden hierarkkiset tasot ja fysiikanopetuksen lähestymistavat (Kurki-Suonio, K. ja Kurki-Suonio, R. 1994). Käsiterakenteessa kvalitatiivinen taso I nimetään kielen tasoksi. Kvantitatiivisessa tasossa II erotetaan hierarkkisesti eriasteiset IIa tiedon, IIb esityksen ja IIc selityksen tasot, jotka nimetään suureiden, lakien ja teorioiden tasoiksi. Hahmotuksen kaksisuuntainen dynamiikka (kuva 1), pätee käsitteenmuodostuksessa sekä tasojen sisäisissä prosesseissa että edettäessä tasolta toiselle. Aina voidaan erottaa

5 18 induktio-deduktio-askeleita, jotka intuitio kytkee erottamattomasti yhteen. Kunkin tason käsitteet ovat edellisen tason käsitteiden rakenteellisia hahmoja, jotka luodaan tasolle ominaisen empirian tuottaman kokeellisen tiedon pohjalta. I. Kvalitatiivisen tiedon tason perushahmotuksessa havainnot jäsentyvät ihmismielen luontaisen hahmottamismallin mukaisesti olioiksi, ilmiöiksi ja näiden ominaisuuksiksi. Niihin liitetään pysyvyyden tai muuttumisen, keskinäisen riippuvuuden, aiheuttamisen ja vaikuttamisen jäsentäviä ja luokittelevia mielikuvia, joista rakentuu kausaalimalleja, mielikuvia ilmiöiden syy-seuraus-suhteista. Näiden hahmojen käsitteistäminen luo fysiikan perusterminologian ja kielen. IIa. Kvantitatiivisen tiedon tasolla otetaan käyttöön suureet, jotka ovat fysiikan kvantitatiivisen käsitteenmuodostuksen perusta. Suure otetaan käyttöön empiirisen merkityksensä perusteella, esittämään täsmällisesti joidenkin luonnon olioiden tai ilmiöiden havaittavan ominaisuuden eri asteita. Käsitteenmuodostuksen edetessä suureet saavat teoreettisen merkityksen lakien ja teorioiden rakenteellisina peruselementteinä. IIb. Kvantitatiivisen esittämisen tason käsitteet ovat lakeja, jotka ovat suureiden välisiä relaatioita tai riippuvuuksia, taikka yleisemmin mitä tahansa täsmällisesti ilmaistavia luonnon rakenteiden ja ilmiöiden säännönmukaisuuksia. Lait voidaan ilmaista numeerisina taulukoina, graafisesti tai algebrallisesti. Nämä esitykset ovat ilmiöiden yksinkertaisia matemaattisia malleja. Ne tekevät mahdolliseksi ilmiöitä koskevat kvantitatiiviset suure-ennusteet, jotka koskevat tarkasteltavaan ilmiöön kuuluvien suureiden arvoja tutkituissa tai samantapaisissa olosuhteissa. Testaamalla ennusteita kokeellisesti saadaan selville lain pätevyysalue, joka vasta tekee laista valmiin käsitteen. Kaikkien suureiden määrittely kuitenkin perustuu lakeihin, joten suureiden ja lakien tasot kietoutuvat portaattomasti yhteen. IIc. Kvantitatiivisen selittämisen taso on fysiikan käsiterakenteen ylin hierarkkinen taso, ilmiöiden kvantitatiivisen ymmärtämisen, teorioiden selittävien mallien taso. Teorian määrittelevät systeemin yleinen perusmalli ja peruslait, jotka ovat perusmallin käyttäytymissäännöt. Tällöin peruslaeista seuraa tutkittavaa ilmiötä koskevia lakiennusteita.

6 19 Kvalitatiivisen tason perushahmottava käsitteenmuodostus ennakoi kvantitatiivisen tason hierarkkista rakennetta. Sen perusvaiheena on olioiden, ilmiöiden ja näiden ominaisuuksien luokittelu ja tunnistus. Tästä seuraava ominaisuuksien eriasteisuuden (Ia) havaitseminen johtaa ominaisuuksien välisten riippuvuuksien ja vaikutussuhteiden (Ib) hahmottumiseen ja edelleen ilmiöiden mekanismeja selittäviin mielikuviin, mentaalimalleihin (Ic). Kvantifioinnissa, prosessissa, jossa ominaisuuksista (Ia) saadaan mitattavia suureita (IIa), riippuvuuksista (Ib) tulee samalla lakeja (IIb) ja mentaalimalleista (Ic) teoreettisia malleja ja teorioita (IIc). Fysiikan oppiminen on oppilaan käsitteenmuodostusta. Luonnollinen oppiminen noudattaa empiirisen käsitteenmuodostuksen periaatteita. Se etenee havainnoista lähtien hahmottamalla kohti yhä yleisempiä jäsentäviä käsitteitä, konkreettisesta kohti abstraktia. Fysiikan oppimisella on sen tähden sama luonnollinen perussuunta kuin käsitteenmuodostuksella, havainnoista käsitteisiin ja kokeista teoriaan. Opetuksen tulee seurata käsitteenmuodostuksen suuntaa ja vaiheita edeten kullakin aihealueella kuvan 2 mukaisesti kvalitatiivisen tiedon tasolta portaittain kohti hierarkkisesti ylempiä käsitteellisiä tasoja. 3.3 Prosessirakenne Empiirisen käsitteenmuodostuksen eteneminen käsitehierarkiassa perustuu oppimisessa, samoin kuin tieteessä, kolmeen erottamattomaan osaprosessiin. Voidaan erottaa ja tunnistaa tieteellinen, teknologinen ja sosiaalinen prosessi, jotka kaikki ovat dynamiikaltaan kaksisuuntaisia. Kuva 3 havainnollistaa kahden ensimmäisen merkitystä ja rakennetta.

7 20 Kuva 3. Empiirisen tieteen perusprosessit (Kurki-Suonio, K. ja Kurki-Suonio, R. 1994). Tieteellinen prosessi on empiirisen käsitteenmuodostuksen ydinprosessi. Sen käyttövoimana on luova intuitiivinen oivallus, joka perustuu ihmismielen ainutlaatuiseen hahmottamisen kykyyn (vrt. luku 3.1). Se suuntautuu luonnosta teoriaan. Se perustuu empiriaan, luonnon havaitsemiseen ja tutkimiseen. Se tähtää ympäristön käsitteelliseen jäsentämiseen. Sen tavoitteena on ymmärtäminen, tietoisuus luonnon lainalaisuuksista, ilmiöiden syistä ja seurauksista, luonnon käsitteelliset mallit (vrt. luku 3.2). Se on tiedon luomisen primaariprosessi, jota ylläpitää primaarisuuntaisen esittämisen, "miten", ja sekundaarisuuntaisen selittämisen, "miksi", välinen jännitys. Esittäminen merkitsee empiiristen hahmojen tunnistamista ja käsitteistämistä. Se suuntautuu havainnosta teoriaan. Selittäminen merkitsee niiden tulkitsemista teoreettisten mallien avulla, suunta on teoriasta havaintoon. Teknologinen prosessi puolestaan pyrkii vaikuttamaan ympäristöön ja sopeuttamaan ihmisen toimintoja siihen. Sen varsinaisena päämääränä ei olekaan tieto, vaan tuote. Sitä hallitsee hyödyn ja tarpeen kaksisuuntainen logiikka. Sen piiriin kuuluu kaikki ympäristön tavoitteelliseen muuttamiseen tähtäävä toiminta. Se suuntautuu teoriasta

8 21 luontoon. Tiedon soveltaminen on sen primaarisuuntainen, keksiminen ja kokeilu sekundaarisuuntainen osaprosessi. Tieteellinen ja teknologinen prosessi kytkeytyvät erottamattomasti toisiinsa. Teknologinen prosessi perustuu tieteellisen prosessin käsitteelliseen tietoon, luonnonilmiöiden tunnettuihin lakeihin ja teoreettisiin malleihin. Se toimii vain, jos on tietoa, jota voidaan soveltaa. Toisaalta se on välttämätön tieteellisen prosessin etenemiselle. Se on aina läsnä empiirisessä käsitteenmuodostuksessa, sillä kaikkien kokeiden toteutus edellyttää sitä. Kaikki koejärjestelyt, jotka tarvitaan tutkittavan ilmiön esillesaamiseen mahdollisimman puhtaana, ovat luonnon manipulointia ja kuuluvat siten teknologiseen prosessiin. Sosiaalinen prosessi on merkityksistä neuvottelun prosessi. Sen tavoitteena on yksimielisyyden saavuttaminen kaikista tieteellisen ja teknologisen prosessin piiriin kuuluvista toiminnoista ja niiden tuloksista. Erityisesti on yhteisesti ymmärrettävä, mitä kokeissa havaitaan, miten havainnot tulkitaan ja käsitteistetään. Sen piiriin kuuluvat kaikki yhteiseen ymmärrykseen tähtäävät toiminnot kuten opetuskeskustelut ja yhteinen suunnittelu, erityisesti myös kieleen liittyvät kysymykset, kuten terminologiset sopimukset ja standardit sekä sanojen yleiskielisten ja terminologisten merkitysten vertailu. Kaikkien kolmen osaprosessin erottamaton yhteistoiminta on välttämätöntä tieteen edistymiselle. Hyvä, ymmärtävä oppiminen edellyttää, että myös oppilaan prosessissa kaikki kolme aktivoituvat tasapuolisesti ja että niiden kaksisuuntainen luonne toteutuu.