KÄSITEKARTAT FYSIIKAN TIETORAKENTEEN ESITTÄMISEN VÄLINEENÄ

Transkriptio

1 Pro gradu -tutkielma KÄSITEKARTAT FYSIIKAN TIETORAKENTEEN ESITTÄMISEN VÄLINEENÄ Jukka Väisänen 1999 Ohjaaja: Tarkastajat: Prof.emer. Kaarle Kurki-Suonio Prof.emer. Kaarle Kurki-Suonio Prof. Heimo Saarikko HELSINGIN YLIOPISTO FYSIIKAN LAITOS PL 9 (Siltavuorenpenger 20 D) Helsinki

2 Tiedekunta/Osasto Fakultet/Sektion Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Tekijä Författare Väisänen, Jukka Antero Työn nimi Arbetets titel Käsitekartat fysiikan tietorakenteen esittämisen välineenä Oppiaine Läroämne Fysiikan opettajan sv Työn laji Arbetets art Pro gradu -tutkielma Tiivistelmä Referat Aika Datum Laitos Institution Fysiikan laitos Sivumäärä Sidoantal 69 Tutkimuksen kohteena on käsitekarttojen käyttö fysiikan rakenteiden hahmottamiseen tähtäävässä didaktisen fysiikan opetuksessa. Tutkimuksessa tarkastellaan käsitekarttojen soveltuvuutta fysiikan tietorakenteen esittämisen välineeksi, tietorakenteeseen liittyvien mielikuvien paljastajaksi ja arvioinnin välineeksi. Tutkimuksen aineistona on didaktisen fysiikan opintokokonaisuuteen sisältyvälle Koulufysiikan tietorakenteet -kurssille (KFR) osallistuneiden täydennyskoulutettavien opettajien ja lukukautisten opiskelijoiden ennen opetusta laatimat diagnostiset kartat ja opetuksen jälkeen laatimat suoritekartat sekä kaikki materiaali ja kokemukset, joita tutkijalle tutkimusprosessin aikana kerääntyi. Aineiston analysoinnin näkökulmat perustuvat fysiikan tietorakenteen keskeisiin rakenteellisiin piirteisiin. Karttojen sisällön analysoinnin tavoitteena on osoittaa karttojen tyypillisiä piirteitä, joiden perusteella voidaan luoda mielikuva osaanottajien käsityksistä ja arvioida kurssin aikana tapahtuvaa kehitystä. Käsitekarttojen esityksellisistä ja fysiikan rakenteellisista piirteistä löydettiin selviä yhteneväisyyksiä, joiden perusteella käsitekarttojen todettiin olevan luonteva ja havainnollinen väline fysiikan tietorakenteen esittämiseen. Diagnostisissa kartoissa havaittiin neljä yleistä ja fysiikan tietorakenteen kannalta keskeistä virhe- ja puuteluokkaa: käsitteiden valinta, kiinnitykset, hierarkkinen ja prosessuaalinen rakenne. Näiden näkökulmien puutteellisuus tulkittiin siten, ettei tietorakenteen keskeisiä piirteitä tunnistettu ennen koulutusta eikä niitä huomioitu diagnostisissa kartoissa. Suoritekartoissa nämä piirteet huomioitiin ja esitystä pyrittiin jäsentämään ja rakenteistamaan niiden avulla. Kurssin aikana opittiin tunnistamaan fysiikan rakenteelliset piirteet ja jäsentämään niiden kautta fysiikan tiedon rakenteellista kokonaisuutta. Käsitekarttojen laatimisen todettiin osaltaan tukevan ja ohjaavan kokonaiskuvan hahmottumista eli toimivan oppimisen välineenä. Tutkimus osoittaa käsitekarttojen olevan opetuksen sisällön ja tavoitteiden kannalta tarkoituksenmukainen ja hyvin perusteltu arvioinnin väline. Tarkastelemalla arvioinnin kriteereitä, menetelmiä, periaatteita ja luotettavuutta käsitekarttojen osoitettiin olevan hyvin soveltuva ja luotettava arvioinnin väline. Avainsanat - Nyckelord käsitekartta, tietorakenne, arviointi Säilytyspaikka - Förvaringställe Muita tietoja

3 SISÄLLYS 1. JOHDANTO FYSIIKAN TIETORAKENNE FYSIIKKA TIETEENÄ KÄSITTEENMUODOSTUS FYSIIKASSA KÄSITTEIDEN MUODOSTAMAT RAKENTEET SUUREET PROSESSEINA FYSIIKAN KÄSITTEET JA KIELI TUTKIMUKSEN TAVOITTEET, ONGELMAT JA MENETELMÄT KÄSITEKARTAT FYSIIKAN TIETORAKENTEEN ESITTÄMISEN VÄLINEENÄ KÄSITEKARTTA Käsitekartat tiedon elementtien havainnollistajana Käsitekarttojen taustaa KÄSITEKARTAT KOULUFYSIIKAN TIETORAKENTEET KURSSILLA KÄSITEKARTAN LAATIMINEN Käsitekarttojen laadinta ja käyttötarkoitus Karttojen laadintaan annettavat ohjeet KÄSITEKARTTOJEN MERKITYS OPETUKSELLE JA OPPIMISELLE KÄSITEKARTTA FYSIIKAN TIETORAKENTEEN ESITTÄMISEN VÄLINEENÄ Fysiikan käsitteelliset ja prosessuaaliset rakenteet käsitekartoissa Käsitekarttojen sisällöllinen analysointi Johtopäätökset DIAGNOSTISET KARTAT MITÄ DIAGNOSTISISTA KARTOISTA VOIDAAN NÄHDÄ? Diagnostisista kartoista saatavan tiedon osa-alueet Diagnostisista kartoista saatavan tiedon luonne YLEISET VIRHEET JA PUUTTEET Käsitteiden valinta Käsitteiden kiinnitykset Rakenteelliset piirteet Johtopäätöksiä yleisistä virheistä ja puutteista YLEISTEN VIRHELUOKKIEN ESIINTYMINEN ERI OSA-ALUEILLA KÄSITEKARTTATEKNIIKKA JA ESITTÄMISEN ONGELMAT Esitystavat diagnostisissa kartoissa OPETTAJIEN JA OPISKELIJOIDEN KARTTOJEN EROT KARTTOJEN ESITTÄMIEN RAKENTEIDEN TAUSTAT... 44

4 6. SUORITEKARTAT MITÄ SUORITEKARTOISTA VOIDAAN NÄHDÄ? DIAGNOSTISTEN JA SUORITEKARTTOJEN EROT Käsitteiden valinta suoritekartoissa Käsitteiden kiinnitykset suoritekartoissa Suoritekarttojen rakenteelliset piirteet Johtopäätökset diagnostisten ja suoritekarttojen vertailusta OSA-ALUEKOHTAISET KEHITYSLINJAT JA EROT Ilmiöalueita käsittelevien karttojen kehittyminen Läpäiseviä teemoja käsittelevien karttojen kehittyminen KÄSITEKARTTOJEN SOVELTUVUUS FYSIIKAN TIETORAKENTEEN HAHMOTTAMISEN JA ESITTÄMISEN VÄLINEEKSI KÄSITEKARTTOJEN ARVIOINTI KÄSITEKARTAT ARVIOINNIN VÄLINEENÄ ARVIOINNIN KRITEERIT JA NIIDEN PISTEYTYS ARVIOINNIN PERIAATTEET JA MENETELMÄT Arvioinnin menetelmät Arvioinnin periaatteet Arvioinnin ongelmakohdat ARVIOINNIN LUOTETTAVUUS Arvioinnin luotettavuuden teoreettiset perustelut Arvioinnin luotettavuuden kokeellinen osoittaminen JOHTOPÄÄTÖKSET YHTEENVETO VIITTEET... 68

5 1 1. Johdanto Tämä tutkimus kuuluu didaktisen fysiikan alaan. Didaktinen fysiikka on tutkimusala, jonka lähtökohtana on fysiikan tietorakenne ja sen merkitys opetukselle. Tämä merkitsee fysiikan opetuksen lähestymistä tietorakenteen näkökulmasta tai fysiikan tietorakenteen tarkastelua opetuksen näkökulmasta. Didaktinen fysiikka tutkii tiedon luomisen, kehittymisen ja rakenteellisten piirteiden luonnetta sekä näihin pohjautuvaa fysiikan opetuksen (oppimateriaalin, kurssisuunnitelmien, opiskelumenetelmien, työskentelytapojen jne.) suunnittelua, arviointia ja kehittämistä. Tutkimuksen lopullisena tavoitteena on fysiikan opetuksen kehittäminen [8]. Tämän tutkimuksen kohteena ovat käsitekartat fysiikan opetuksen metodisena kokonaisuutena. Kohde on rajattu käsitekarttojen käyttöön Helsingin yliopiston Fysiikan laitoksen didaktisen fysiikan opintokokonaisuuteen sisältyvällä Koulufysiikan tietorakenteet -kurssilla (KFR). Käsitekarttojen muodostaman opetuksen metodisen kokonaisuuden on suunnitellut professori Kaarle Kurki-Suonio. Tässä tutkimuksessa tarkastellaan tämän kokonaisuuden teoreettista perustaa (fysiikan tietorakenne), kokonaisuuden rakentumista sille ja näiden tarjoamia mahdollisuuksia käsitekarttojen hyödyntämiselle opetuksessa ja tutkimuksessa. Käsitekartta on tietorakenteen kuvailun ja esittämisen välineeksi kehitetty graafinen tekniikka. Yleisesti käsitekartta tarkoittaa mitä tahansa käsitteiden, käsitteiden välisten relaatioiden ja niistä muodostuvan rakenteen geometrista esitystä. Käsitekartta on opetukseen liittyvissä keskusteluissa varsin yleisesti ja monissa eri yhteyksissä käytetty käsite. Se on eräänlainen opetuksen muotitermi, taikasauva, jota heilauttamalla opetuksen ongelmien uskotellaan ratkeavan. Käsitekartoista, kuten monista muistakin opetuksessa käytettävistä menetelmistä, luodaan usein kuva, jossa korostuu niiden välineellinen arvo. Menetelmän uskotellaan olevan itsessään hyödyllinen, käytettiinpä sitä missä yhteydessä ja miten tahansa. Tällöin kuitenkin sivuutetaan menetelmän hyödyllisyyden kannalta keskeisimmät, opetuksen sisällöstä ja tavoitteista nousevat kysymykset: Miksi menetelmä voisi olla hyödyllinen? Miten käytettynä se olisi hyödyllinen? Kaikkien opetusmenetelmien ja välineiden käytön tulisi lähteä opetuksen sisällöstä ja tavoitteista. Opetuksen sisältö on ensin, ja vasta sitten valitaan tarkoitukseen sopivimmat välineet. Opetusta ei voi suunnitella pelkästään opetusmenetelmien ehdoilla, vaan opetusmenetelmät on alistettava palvelemaan opetuksen sisältöä ja tavoitteita. Käsitekarttoihin liittyvissä keskusteluissa keskitytään usein käsitekarttojen muotoseikkoihin ja pyritään määrittelemään, joku tiukasti rajattu käsitekartan tyyppi, joka on se ainut oikea käsitekartta. (Tämä liittyy juuri vääristyneeseen mielikuvaan käsitekarttojen välineellisestä itseisarvosta.) Tämän suuntaiset pohdinnat eivät ole käsitekarttojen opetuksellisen käytön kannalta hedelmällisiä. Eihän fysiikan tietorakennetta voida lähteä esittämään ja hahmottamaan käyttämällä lähtökohtana mahdollisia käsitekartan rakentamisen periaatteita. Käsitekartta muotoutuu rakenteeltaan juuri sellaiseksi kuin hahmottuneiden rakenteiden perusteella tuntuu tarkoituksenmukaisimmalta. Sisältö määrää esityksen rakenteen, ei toisin päin. Käsitekarttojen avulla voidaan kuitenkin ohjata ja tukea sisällön rakentumista. Käsitekartta voi olla fysiikan tietorakenteen esittämisen ja hahmottamisen nöyrä palvelija. Tutkimuksessa tarkastellaan, millä perusteella käsitekartta on opetuksen

6 sisällön ja tavoitteiden kannalta sopiva ja hyödyllinen palvelija sekä minkälaisia tehtäviä palvelijalle voidaan antaa. Tutkimus käynnistyi tammikuussa 1998 Kaarle Kurki-Suonion ehdotuksesta. (Tutkija oli opiskelijana lukuvuoden KFR -kurssilla, jossa käsitekarttoja kokeiltiin ensimmäisen kerran.) Tutkimus lähti liikkeelle perusteellisesta käsitekarttojen käyttöön perehtymisestä ja siihen liittyvien tutkimuksellisten näkökulmien pohdiskelusta ja jäsentämisestä. Tämä vaihe ei ollut lineaarinen putki suoraan tutkimuksen ongelmakentän jäsentelystä lopullisiin ongelmiin, vaan tutkimuksen edetessä ongelmien pohdintoihin ilmaantui aina uusia, syvällisempiä näkökulmia. Nämä pohdinnat muodostivat olennaisen osan tutkimusprosessia. Tutkimuksen ongelmakentästä hahmottui jo alkuvaiheissa kolme osa-aluetta: 1. Käsitekartat fysiikan tietorakenteen esittämisen välineenä 2. Käsitekartat käsitysten ja mielikuvien paljastajana 3. Käsitekartat arvioinnin välineenä. Ensimmäinen alue muotoutui tutkimuksen perustaksi, jolle kahden muun käsittely rakentui. Tämä kolmesta osasta muodostuva rakenne säilyi tutkimuksen aikana ja osa-alueiden sisällä muodostui vielä erilaisia liitännäisongelmia. Tutkija toimi tutkimuksen aikana käsitekarttojen analysoinnista ja arvioinnista sekä kaikesta niihin liittyvästä palautteesta vastaavana assistenttina, joten aihepiirin syventyminen oli varsin intensiivistä (usein innostunutta uppoutumista, mutta toisinaan myös epätoivoista uppoamista). Samalla tutkimusaineisto monipuolistui merkittävällä tavalla. Kurssilaisten laatimat käsitekartat saivat tuekseen kaiken materiaalin ja kokemukset, joita tutkijalle kerääntyi tutkimusprosessin aikana. 2

7 3 2. Fysiikan tietorakenne Luku perustuu Kaarle ja Riitta Kurki-Suonion kirjaan, Fysiikan merkitykset ja rakenteet [9], ellei toisin mainita Fysiikka tieteenä Fysiikan tietorakenteen tarkastelun luonnollisena lähtökohtana on kysymys siitä, mitä fysiikka on. Kysymykseen vastataan usein yleisellä toteamuksella: Fysiikka on kokeellinen luonnontiede. Se on toteamuksena totuudenmukainen, mutta määritelmäksi liian epämääräinen. Se ei ole riittävä kuvaamaan fysiikan luonnetta ja erottelemaan sitä muista tieteistä. Toteamuksen jälkimmäinen osa (tiede) liittää fysiikan yleiseen käsiteluokkaan, tieteisiin. Ensimmäisen osan on tarkoitus ilmaista, millainen tiede fysiikka on. Fysiikan määritteleminen vaatii sekä tieteen että fysiikalle luonteenomaisten erottelevien piirteiden määrittelyä. Tieteen määrittelyssä keskeisiä elementtejä ovat: kohde, jota tutkitaan, metodi, jota tutkimus noudattaa, sekä tieto, joka tutkimuksen avulla kohteesta saadaan. Kohteen, metodin ja tiedon tieteellisyyden määrittelee tutkijayhteisö, jonka käsitykset ovat aina sidoksissa aikansa kulttuuriin, ympäröivään yhteiskuntaan ja sen arvoihin. Fysiikan tutkimuksen kohteena on luonto. Siihen kuuluvat aika ja avaruus, luonnon perusrakenteet, kaikki luonnossa esiintyvät oliot ja tahdosta riippumattomat ilmiöt. Toisin sanoen fysiikan kohteena on kaikki, minkä me ymmärrämme kuuluvan olemassaolevaan luontoon. Fysiikka muodostaa kaikkien luonnontieteiden yhteisen perustan. Sen kohteena ovat kaikki luonnonilmiöt, joten mielenkiinnon kohteet ovat usein myös kemian, biologian, tähtitieteen jne. kohteita. Fysiikkaa ei voida erotella kohteen perusteella muista luonnontieteistä, joten metodia ja tiedon luonnetta tarvitaan fysiikan määritelmään erotteleviksi elementeiksi. Oiva Ketonen erottelee tiedon hankinnan metodeissa (menetelmissä) kolme erilaista metodista periaatetta. Auktoriteettimetodilla hankittu tieto perustuu valittuun, erehtymättömään ja pysyvään auktoriteettiin (uskonto, puolue ). Intuitiivisella metodilla hankittu tieto perustuu ajatukseen, että ihmisellä on intuitiivinen kyky nähdä totuus. Kolmantena Ketonen tarkastelee tieteellistä metodia, vertailemalla sitä kahteen muuhun [5, s.10-13]. Auktoriteetti- ja intuitiometodilla on tärkeä rooli tieteen edistymisessä ja tiedon siirtymisessä, mutta ne eivät pelkästään riitä tieteellisen tiedon perusteeksi. Tieteelliselle menetelmälle voidaan asettaa perusvaatimuksia, joita kaksi muuta menetelmää eivät täytä. Näitä vaatimuksia voidaan pitää tieteellisen menetelmän päämääränä. Tieteelliseen menetelmään kuuluu objektiivisuus, joka merkitsee tulosten riippumattomuutta tutkijan taustoista, mielipiteistä, asenteista ja toiveista. Tieteellinen tieto syntyy tutkijan ja tutkimuskohteen välisen vuorovaikutuksen tuloksena [16, s. 83]. Väitteille ja tuloksille on oltava perustelut, joihin tietoisesti ja hallitusti nojaudutaan. Tiede on perusteltavissa olevaa. Perusteltavuuteen liittyy tieteen kriittisyys, joka merkitsee perusteluiden jatkuvaa tarkkailua ja arviointia ja niiden asettamista julkisen keskustelun ja kritiikin alaiseksi. Tiede on julkista [5, s.14]. Tiedon hankkimisen metodi ja tiedon luonne riippuvat myös tutkimuksen kohteesta ja tavoitteesta. Fysiikan kohde ja tavoitteet määräävät fysiikan menetelmän kaksi

8 perusominaisuutta. Fysiikka tieteenä on kokeellinen eli empiirinen ja eksakti. Kokeellisuus merkitsee, että kaikki tieto pyritään perustamaan havaintoihin ja mittauksiin. Fysiikan tieto on aina kokeellisesti perusteltua. Eksaktisuus merkitsee, että tieto pyritään esittämään matemaattisessa muodossa, ilmiöiden havaittavia säännönmukaisuuksia esittävinä lakeina. Empiirisyys ja eksaktisuus kietoutuvat yhteen fysiikan metodiseksi kokonaisuudeksi, jossa kokeellinen tutkimus tuottaa tietoa ja testaa ennusteita ja teoreettinen tutkimus etsii kokeellista tietoa vastaavia matemaattisia malleja ja pyrkii niiden perusteella johtamaan ennusteita (katso kuva 2.1. s.6). Fysiikka syntyy vuorovaikutuksesta, jossa eksaktisuus asettaa vaatimuksensa empirialle ja vastaavasti empiria on eksaktisuuteen sidottua. Tämä metodinen kokonaisuus muodostaa luonnontieteellisen menetelmän periaatteen, joka on yhteinen kaikille luonnontieteille. Fysiikan määrittelemiseksi tarvitaan siis vielä kolmantena elementtinä tiedon luonteen määrittelyä. Fysiikan tieto on tieteellistä. Tieteellisellä tiedolla on kaksi perusominaisuutta, rakenteellisuus ja edistyvyys. Rakenteellisuus merkitsee pyrkimystä yksittäisten tietojen jäsentämiseen yhtenäiseksi, hallittavaksi ja ymmärrettäväksi kokonaisuudeksi. Kokonaisuutta sanotaan tieteen tietorakenteeksi, jonka olennainen piirre on rakenteen hierarkkisuus, tiedon hierarkkinen kerroksellisuus. Edistyvyys merkitsee jatkuvaa käsitteenmuodostusta, jonka tavoitteena on tiedon lisääminen, täsmentäminen ja uudistaminen. Päämääränä on tiedon rakenteen kehittäminen, joka merkitsee etenemistä kohti yhä yleisempiä, laaja-alaisempia ja samalla abstraktimpia käsitteitä. Tiedon luonne määrää käsitteenmuodostuksen suunnan ja järjestyksen, joka on erityisestä yleiseen, konkreettisesta abstraktiin ja yksinkertaisesta rakenteelliseen. Fysiikan tietorakenteella on nämä kaksi yleistä tieteellisen tiedon peruspiirrettä. Erottelevana piirteenä on fysiikan käsitteistön rakenteellisuuden aste. Erityisesti ylimmän hierarkkisen tason, teorioiden, luonne kvantitatiivisesti selittävänä käsitteiden tasona, on fysiikalle ominainen piirre. Vain fysiikassa on kvantitatiivisesti selittäviä ja ennustavia tietorakenteita. Fysiikan tietorakenteen luonne on erotteleva määrittelyperuste. Tieteen tavoitealueeseen ja määrittelyyn kuuluu myös tiedon käyttö ja sovellukset. Fysiikan määrittely edellyttää eri peruselementtien: kohteen, metodin, tiedon rakenteen ja sovelluksien kytkemistä yhteen. Seuraava Kaarle ja Riitta Kurki-Suonion esittämä määritelmä perustuu fysiikan rakenteelle asetetuille tavoitteille ja siinä ovat mukana kaikki määrittelyn peruselementit: Fysiikka on tiede, joka pyrkii luonnontieteellistä metodia käyttäen kaikkien tahdosta riippumattomien ilmiöiden yhtenäiseen selitykseen samojen yleisten peruslakien avulla ja, joka tutkii näiden peruslakien hyväksikäyttöä [9, s.120]. 4

9 Käsitteenmuodostus fysiikassa Tieteellisten käsitteiden muodostaminen, kehittäminen ja täsmentäminen on prosessi, jota kutsutaan tieteelliseksi käsitteenmuodostukseksi. Carl G. Hempel on kiteyttänyt Whewellin (1847) esittämien käsitteenmuodostuksen neljän erilaisen tavoitteen (yksinkertaisuus, selvyys, yleisyys ja totuus) pohjalta tieteen käsitteenmuodostuksen yleiseksi tavoitteeksi teoreettisen hedelmällisyyden. Tämän ajatuksen Hempel (1947) ilmaisi korostamalla, että käsitteenmuodostus ja teorianmuodostus ovat tieteessä niin läheisesti toisiinsa liittyviä, että ne itse asiassa ovat saman menetelmän kaksi eri aspektia [16, s ]. Fysiikan käsitteenmuodostus on tieteellinen prosessi, joka tähtää ympäristön käsitteelliseen jäsentämiseen ja sen ilmiöiden ymmärtämiseen. Fysiikassa käsitteenmuodostus alkaa havainnoista. Havaintojen kohteena ovat luonnon subjektit, oliot, ja luonnon tapahtumiset, ilmiöt. Havaintojen tavoitteena on luoda mielikuvaa siitä, mitä ilmiössä tapahtuu ja, mitkä oliot ilmiöön osallistuvat. Mielikuvaa rakennetaan tunnistamalla ja luokittelemalla ilmiöiden ja olioiden havaittavia ominaisuuksia ja tutkimalla niiden säilymistä ja muuttumista, sekä niiden keskinäisiä riippuvuuksia. Näiden havaintojen liittäminen mielikuviin muodostaa olioiden ja ilmiöiden perushahmon. Perushahmon luomisen prosessi, perushahmotus, on jatkuvaa mielikuvien (teoria) ja havaintojen (empiria) välistä vuorovaikutusta, joka pyrkii merkitysten hahmottamiseen. Perushahmo on ymmärretyistä merkityksistä rakennettu mielikuva. Mielikuvista puhumisen ja niiden esittämisen tarve luovat tarpeen perushahmojen käsitteistämiselle, niiden nimeämiselle. Perushahmoista luodaan olioita ja ilmiöitä esittäviä ja selittäviä käsitteitä Merkitykset ovat ennen käsiteitä. Käsitteet ovat oivallettujen hahmojen yleistäviä ja abstrakteja vastineita, jotka syntyvät tarpeesta ja toimivat teorian ja ymmärtämisen peruselementteinä. Perinteisesti käsitteiden määritelmillä on ollut keskeinen rooli tieteellisessä käsitteenmuodostuksessa. Tunnistus ja luokittelu fysikaalisen havainnoinnin perusoperaatioina ovat samaistettavissa yleisessä tieteenfilosofiassa esiintyvään Aristoteleleen traditionaaliseen määritelmien teoriaan. (Vaikka Aristoteleen teorian lähtökohdat olivatkin varsin erilaiset verrattuna modernin tieteen lähtökohtiin, voidaan sitä kuitenkin tulkita nykyisten käsitysten näkökulmasta.) Aristoteleen teorian mukaan määritelmän tehtävänä on ilmaista kohteen olemus kahden termin avulla. Genus ilmaisee laajemman suvun, johon kohde kuuluu ja differentia ilmaisee sen olennaisen tunnusmerkin, jonka avulla määriteltävä laji voidaan erottaa muista saman sukuun kuuluvista lajeista [16, s ]. Fysiikassa ilmiön tai olion tunnistus tavoittelee Aristoteelisen differentian löytämistä, ja luokittelu tavoittelee genuksen löytämistä. Esimerkiksi tunnistuksen ja luokittelun perusteella määritelty lause: Kipinä on sähköstaattinen ilmiö, ilmaisee kipinän olemuksen. Termi ilmiö on kipinän genus, ja sähköstaattinen on sen differentia. Teoria rakentuu havainnoille, joten kaikki fysiikan käsitteenmuodostus on pohjimmiltaan empiiristä. Fysiikan käsitteet ovat avoimia. Niillä on jatkuvalle empirialle perustuva ja dynaamisesti kehittyvä merkitys. Käsitteet ovat hahmoja, joissa intuitio yhdistää empirian ja teorian elementit yhdeksi, erottamattomaksi kokonaisuudeksi. Fysiikan käsitteet ovat perusolemukseltaan empiiris-teoreettisia. Fysiikassa ei ole puhtaasti empiirisiä tai puhtaasti teoreettisia käsitteitä. Käsitteenmuodostuksen kannalta oleellista on empirian ja

10 teorian välinen vuorovaikutus, joka on niin voimakas, että se hävittää kummankin osapuolen identiteetin (vertaa Hempelin ajatus teoreettisesta hedelmällisyydestä, s.5). Fysiikan käsitteenmuodostus on hahmotusprosessi, jonka primaarinen suunta on ilmiöistä teoriaan. Prosessin sisäinen dynamiikka on induktion ja deduktion muodostama kaksisuuntainen sykli, jossa empiria ja teoria vuorottelevat. Hahmotusprosessin kaksisuuntaista dynamiikkaa voidaan havainnollistaa kuvan 2.1. induktio-deduktio - syklillä. 6 Kuva 2.1. Hahmottamisen kaksisuuntainen dynamiikka [9, s.149] Induktio ja deduktio ovat ihmisen arkiajattelun loogisia perusprosesseja. Induktiopäättelyllä pyritään luomaan yksittäistapauksista yleisiä periaatteita, lakeja ja teorioita. Deduktiopäättely perustuu teorialle ja pyrkii luomaan yleisistä periaatteista yksittäistapauksia koskevia ennusteita, joita voidaan kokeellisesti testata ja tehdä jälleen uusia induktiopäätelmiä. Kiertoprosessi on reaalimaailman (havainnot) ja ajattelun maailman (käsitteet) jatkuvaa vuorovaikutusta, joka korjaa, täsmentää ja laajentaa tietorakennetta. Käsitteenmuodostusprosessi koostuu peräkkäisistä induktio-deduktio - sykleistä. Prosessi ei ole luonteeltaan looginen, vaan intuitiivinen. Loogisuus on prosessin päämäärä, mutta prosessia ohjaa luova intuitio. Fysiikan käsitteenmuodostus on kaikilla tasoillaan, ilmiön tunnistamisesta teorian kehittämiseen, intuitiivista hahmottamista, joka pyrkii kohti loogis-rakenteellisia hahmokokonaisuuksia.

11 Käsitteiden muodostamat rakenteet Fysiikan käsitteiden muodostama rakenne on hierarkkinen. Havaintojen käsitteistäminen johtaa aina käsitteiden yleistymiseen ja hierarkkiseen kerroksellisuuteen. Rakenteet muodostuvat yhdentävien ja yleistävien käsitteiden kautta. Käsitteenmuodostuksen suunta on aina konkreettisesta abstraktiin ja erityisestä yleiseen. Fysiikan tietorakenteen hierarkkisuudelle on ominaista siirtyminen kvalitatiivisten havaintojen tasolta kvantitatiivisen empirian ja käsitteiden tasolle ja siitä edelleen kvantitatiivisen esittämisen ja selittämisen tasolle. Fysiikan käsitteellisestä rakenteesta erottuu kielen, suureiden ja lakien sekä teorioiden hierarkkisesti eriasteiset tasot. Ylemmän tason käsitteet perustuvat alemman tason käsitteille. Ne ovat alemman tason käsitteiden yleisempiä ja rakenteellisempia hahmoja. Tasojen välillä käsitteiden abstraktioaste kasvaa hyppäyksittäin. Käsitetasojen sisäinen ja tasojen välinen käsitteenmuodostus ovat kumpikin luonteeltaan intuition ohjaamia induktio-deduktio -syklejä. Näin ylemmän tason käsitteenmuodostus luo uuden mahdollisuuden edetä myös alemmilla tasoilla, ja prosessista tulee moninkertaisesti syklinen ja kaikilla tasoilla etenevä (kuva 2.2., s.8). Kvalitatiivisen tiedon tasolla tapahtuu ilmiöalueen perushahmotus, joka on kaiken fysiikan käsitteenmuodostuksen alku ja ymmärtämisen ydin. Perushahmoja ovat ilmiöt, oliot ja niihin liittyvät ominaisuudet, sekä ominaisuuksien pysyvyys, muuttuvuus, keskinäinen riippuvuus, aiheuttaminen ja niihin vaikuttaminen. Perushahmotus tapahtuu havainnoimalla (tarkkailemalla) ja sen perusoperaatioita ovat tunnistus ja luokittelu. Olion tunnistaminen perustuu sen säilyviin ominaisuuksiin. Ilmiö on olion ominaisuuksien muuttumista, joten sen tunnistus perustuu säilyvien ja muuttuvien ominaisuuksien erotteluun sekä muuttumisen luonteen ja ympäristön vaikutuksen tarkkailuun. Luokittelu on kiinteässä yhteydessä tunnistukseen. Sen tavoitteena on löytää tarkoituksenmukaisia pelkistyksiä ja idealisointeja, joiden avulla löydetään hedelmällisiä, käsitteenmuodostusta edistäviä luokitteluja. Tunnistusten ja luokittelujen perusteella luotujen perushahmojen käsitteistäminen on kvalitatiivisen tason teoriaa, havaintojen liittämistä mielikuviin ja mielikuvien täsmentämistä ja kehittämistä. Siinä luodaan hahmoja kuvaava ja jäsentävä terminologia ja kieli. Tunnistusta ja luokittelua, sekä niihin liittyviä mielikuvia edistetään ja täsmennetään kvalitatiivisin kokein, joissa voidaan muunnella systeemiä ja ympäristöä. Siirtymistä kvalitatiivisen tiedon tasolta kvantitatiivisen tiedon tasolle valmistelee esikvantifiointi. Siinä kvalitatiivisen tason mielikuvia täsmennetään yhdistämällä ominaisuuksiin niiden muuttumiseen, vaikutuksiin ja keskinäisiin riippuvuuksiin liittyviä, ja niiden astetta ja voimakkuutta luonnehtivia mielikuvia, jotka mahdollistavat vertailun. Näin ilmiöihin liitetään suunnan, voimakkuuden ja nopeuden mielikuvia. Esikvantifiointia vastaa yleisessä tieteen käsitteenmuodostuksessa kvalitatiivisten termien (yksipaikkaisia predikaatteja, esim. hyvä) täsmentäminen kaksipaikkaisilla predikaateilla (esim. parempi kuin), komparatiivisilla käsitteillä. Komparatiiviset käsitteet muodostavat sillan kvalitatiivisten ja kvantitatiivisten käsitteiden välille, aivan kuten esikvantifiointi pohjustaa tietä varsinaiselle kvantifioinnille eli metrittämiselle, jossa siirrytään kvalitatiivisen tiedon tasolta kvantitatiivisen tiedon tasolle [16, s.178].

12 8 Kuva 2.2. Fysiikan käsitteiden hierarkkiset tasot [9, s.159] Siirtyminen kvalitatiivisen tiedon tasolta kvantitatiivisen tiedon tasolle tapahtuu kvantifioinnin kautta. Kvantifiointi on prosessi, jossa luodaan kvalitatiivista hahmokokonaisuutta vastaava kvantitatiivinen käsitejärjestelmä. Kvantifioinnin kautta olioiden ja ilmiöiden ominaisuudet saavat kvantitatiiviset vastineensa, suureet. Ilmiöitä luonnehtivista ominaisuuksien välisistä riippuvuuksista tulee kvantitatiivisia lakeja, suureiden välisiä relaatioita. Suureiden määrittelyt ovat jo sinänsä lakeja, joten suureiden ja lakien tasot kietoutuvat saumattomasti yhteen. Kvantifioinnissa ominaisuudet saatetaan mitattavaan muotoon. Kvantitatiivisen tason empiria on mittaamista ja kontrolloituja kokeita. Tason teoria on kvalitatiivisen tason mielikuvien täsmentämistä, muodostamalla empiiristen lakien matemaattisia esityksiä, ilmiöiden yksinkertaisia matemaattisia malleja. Tason sisällä käsitteenmuodostus etenee kohti yhä yleisempiä ja tarkempia empiirisiä lakeja, jolloin suureet saavat yleisempiä ja laaja-alaisempia merkityksiä. Näin tason sisälle muodostuu oma hierarkkinen järjestelmänsä.

13 Siirtyminen kvantitatiivisen esittämisen tasolta teorioiden, eli kvantitatiivisen selittämisen tasolle, tapahtuu loogisen strukturoinnin kautta. Strukturoinnissa perushahmotuksessa ja esikvantifioinnissa luodut mielikuvat ilmiöalueen relaatioista ja syy-seuraussuhteista täsmentyvät systeemin yleisiksi kvantitatiivisiksi perusmalleiksi ja peruslaeiksi. Hempelin mukaan tieteellinen teoria muodostuu joukosta lakeja, jotka systematisoivat jotakin ilmiöaluetta koskevat empiiriset säännönmukaisuudet. Teorian tulee sekä selittää aikaisemmin havaitut säännönmukaisuudet että ennustaa uusien olemassaolo [16, s.193]. Fysiikan teoriat täyttävät nämä yleisesti tieteellisille teorioille asetetut vaatimukset. (esim. Newtonin mekaniikka selittää Galilein ja Keplerin lait ja sen perusteella voidaan ennustaa mm. taivaankappaleiden liikkeitä.) Teorian tasolla suureet ja lait kytkeytyvät fysiikan yleiseen tietorakenteeseen. Kvantitatiivisen selittämisen tason tieto on ilmiöiden kvantitatiivista ymmärtämistä ja selittämistä perusmallien avulla. Myös teoriat kehittyvät ja yleistyvät, joten niillekin muodostuu tason sisäinen hierarkkinen rakenne. Fysiikan käsitteenmuodostuksen perusluonne hahmotusprosessina on saman luonteinen sekä tasojen sisällä että niiden välillä. Se luo fysiikan tietorakenteelle kaksi erottamatonta peruspiirrettä, hierarkkisuuden ja prosessuaalisuuden. Hierarkkisuus pitää sisällään käsitteiden ja käsitetasojen välisen hierarkian ja luokittelun, jotka muodostavat fysiikan tiedollis-käsitteellisen rakenteen. Prosessuaalisuus rakentuu tiedon luomisen prosessista. Se sisältää käsitteenmuodostuksen suunnan, käsitteiden synnyn, etenemisen, yleistymisen ja yhdentymisen, jotka muodostavat fysiikan metodis-prosessuaalisen rakenteen. Käsitteelliset rakenteet syntyvät ja kehittyvät prosessuaalisen rakenteen kautta. Nämä kaksi rakenteellista peruspiirrettä kietoutuvat erottamattomasti yhteen fysiikan tietorakenteessa. Fysiikan tieto kytkeytyy sen luomisen prosessiin, ja luomisen prosessi kytkeytyy tietoon. Niitä ei voida erottaa toisistaan. Fysiikassa tieto on prosessi, ei tuote Suureet prosesseina Fysiikassa luonnonilmiöistä kokeellisesti saatu tieto esitetään kvantitatiivisesti suureiden avulla. Suure kietoo fysiikan empirian ja eksaktiuden erottamattomasti yhteen. Suureet ovat fysiikan käsitteenmuodostuksen perusta. Niiden merkitysten ymmärtäminen on koko fysiikan ymmärtämisen avainkysymys. Empiirinen merkitys on ennen suuretta. Suure syntyy empiirisen merkityksen luomasta tarpeesta. Empiirinen merkitys syntyy kvalitatiivisen tason perushahmotuksessa ja täsmentyy esikvantifioinnissa ja kvantifiointi rakentaa siitä suureen. Kvantifiointi on prosessi, jossa pelkistysten ja idealisointien kautta luodaan kvalitatiivista ominaisuutta vastaava suure. Kvantifiointi on fysiikan käsitteenmuodostuksen avainprosessi, sillä se nostaa tiedon kvalitatiiviselta tasolta kvantitatiiviselle. Kvantifiointi perustuu kokeeseen, jossa todennetaan suureen määrittelylaki. Määrittelylaki, kuten kaikki muutkin kvantitatiiviset lait, on suureiden välinen relaatio. Näin kvantifiointi luo suureiden välille hierarkkisia suhteita. Suureen määrittely on mahdollista vain, jos tietyt alemman hierarkian suureet tunnetaan jo. Näin jokainen suure kytkeytyy monin eri tavoin muihin suureisiin ja syntyy suureiden hierarkkinen verkko. Strukturointi asettaa suureen osaksi olemassa olevaa tietorakennetta, ja suure saa teoreettisen merkityksensä. Suureen määrittely on sen merkitysten toteamista. Suureiden merkitykset ovat avoimia. Ne perustuvat empiirispohjaiseen synty- ja kehitysprosessiin, jossa intuitio yhdistää empirian ja teorian. Ne yleistyvät, rakenteistuvat ja abstrahoituvat

14 käsitteenmuodostusprosessin edetessä. Suureiden määrittely perustuu koko käsitteenmuodostusprosessiin, joten suureille ei voida antaa yksinkertaisia määritelmiä, joista selviäisivät kaikki sen merkitykset. Suureen määritelmään kuuluu oleellisesti neljä osaprosessia: empiirinen perusta (luonnehdinta ja kiinnitykset), kokeellinen määritelmä (synty), teoreettinen merkitys (asema tietorakenteessa) ja yleistyminen (käyttöalueen laajeneminen ja yhdentyminen). Yleistymisen osaprosessi palauttaa määritelmän aikaisempiin vaiheisiin ja tekee osaprosesseista hierarkkisesti kerroksellisia. Suureiden määritelmät ovat jatkuvia prosesseja, jotka muodostavat fysiikan tietorakenteen selkärangan. Suureet ovat prosesseja, eivät valmiita tuotteita Fysiikan käsitteet ja kieli Kieli ei ole pelkästään ihmisten välisen viestinnän väline. Se on myös ajattelun väline. Kielen avulla esitämme ja toisaalta rakennamme ajatuksiamme ja mielikuviamme. Käsitteistäminen on rakennettujen mielikuvien liittämistä kieleen, joka tarkoittaa merkityksistä neuvottelemista ja sopimista sekä merkityksellisten ajatuskokonaisuuksien nimeämistä sanoin (symbolein). Uusien käsitteiden käyttöönotto on niiden liittämistä kieleen. Itse käsite ei ole pelkkä nimi, vaan se muodostuu niistä ajatuksista ja mielikuvista joihin sana tai symboli viittaa ja, joita se pyrkii herättämään. Käsiteet eivät ole pelkästään sopimuksia nimistä ja tunnuksista, vaan ne ovat samalla myös sopimuksia tieteellisen prosessin luomista merkityksistä. Käsitteiden avulla voimme puhua merkityksistä. Toisaalta kieli vaikuttaa mielikuviin, joiden perusteella käsitteistäminen tapahtuu. Näin kieli on aina mukana siinä empirian ja teorian vuorovaikutuksessa, johon fysiikan käsitteenmuodostus perustuu. Merkityksistä neuvotteleminen on luonteeltaan sosiaalinen prosessi, jossa yksilöiden prosessit yhdistyvät yhteisön prosessiksi. Näin fysiikan käsitteenmuodostus tieteellisenä prosessina, jossa merkitykset syntyvät, käsitteistyvät ja kehittyvät, on aina sosiaalisen prosessin alaista [7]. Käsitteiden merkitykset ja niiden kielellinen käyttö kietoutuvat erottamattomasti yhteen. Käsitteiden oikein tai värin ymmärretyt, tai ymmärtämättä jääneet merkitykset näkyvät kielellisessä esityksessä. Fysiikan kieli on luonnonilmiöistä puhumisen kieli. Kvalitatiivisen tason perushahmotuksessa luodaan olioista, ilmiöistä ja ominaisuuksista puhumisen perusterminologia ja kieli. Siinä luonnonilmiöistä havainnoin täsmennetyt ja jäsennetyt mielikuvat kielellistetään. Siirrytään omakielisistä toteamuksista fysikaalisen kielen ensimmäiselle tasolle. (Kielellisesti myös olioiden ja ilmiöiden mallit ovat olioita ja ilmiöitä, mutta mallien samaistaminen ja sekoittuminen ilmiöihin ja olioihin heijastaa väärinkäsityksiä käsitteiden merkityksissä.) Käsitteenmuodostuksen edetessä hierarkkisesti korkeammalle tasolle, etenee myös käsitteiden kielellinen käyttö korkeammalle tasolle. Näin fysiikan perusterminologiassa erottuu neljä luokkaa (kuva 2.2., s.8), joilla on omat luokan luonteen mukaiset käsitteiden kielelliset käyttötavat. Fysiikan käsitteiden oikean kielellisen käytön perusedellytys on käsitteiden merkityksen ymmärtäminen, johon kuuluu oleellisena osana tietoisuus siitä, mihin luokkaan käsite kuuluu. Käsitteiden väärä kielellinen käyttö on fysiikan kielenkäytön ongelma, joka heijastaa käsitteiden väärin ymmärrettyjä (tai ymmärtämättä jääneitä) merkityksiä. Fysiikan käsitteiden väärissä kielellisissä käyttötavoissa ja muissa fysiikan kieliongelmissa voidaan erottaa viisi perustyyppiä:

15 11 1. Käsiteluokkien sekoittuminen 2. Kiinnitysvirheet 3. Hierarkiavirheet 4. Omatekoiset termit 5. Kaavakieli Käsiteluokkien sekoittumisella tarkoitetaan lähinnä suureiden sekoittumista olioihin, ilmiöihin ja ominaisuuksiin. Tiina Juvela on Pro Gradu tutkimuksessaan erotellut fysiikan oppikirjoissa esiintyvät käsiteluokkavirheet neljään virhetyyppiin: suure oliona (I) (esim. massa ripustettiin ), olio suureena (II) (esim. sähkökenttä on nolla ), ominaisuus suureena (III) (esim. Veden kuumuus oli 80 o C ) ja ilmiö oliona (IV) (esim. Magnetismi ei virtaa pois magneetista ) [3, s.63]. Lisäksi suureisiin saatetaan liittää kvalitatiivisia ominaisuuksia ja operaatioita (esim. havaitseminen, riippuvuus voimakkuus jne.). Samoin ilmiöihin, olioihin ja ominaisuuksiin liitetään kvantitatiivisia ominaisuuksia ja operaatioita (lukuarvoja, yksiköitä ja laskutoimituksia). (Tämän tyypin virheitä on esitelty Kaarle ja Riitta Kurki-Suonion kirjassa, Fysiikan merkitykset ja rakenteet) [9, s ]. Suureet ovat abstraktioita. Niihin ei voi liittää konkreettisia operaatioita ja ominaisuuksia. Vasta fysiikan käsitteellinen yleistymiskehitys johtaa todellisuuskuvan kehityksen suuntaan, jossa teoria aktivoi ja oikeuttaa suureiden olioitumisen ja ilmiöitymisen (esim. sanonta: Voima tekee työtä.). Kiinnitysvirheet voivat olla suureiden ja lakien vääriä kiinnityksiä tai kiinnittämättömyyttä. Suureiden käyttöön käsitteinä (merkitykseen) liittyy oleellisena osana kiinnitys ilmiön tai olion ominaisuuteen, jota suure kuvaa. Lakien käyttöön (merkitykseen) liittyy oleellisena osana kiinnitys tietyn ilmiön tai olion ominaisuuksien väliseen riippuvuuteen, jota se kuvaa. Kiinnittämättömyys jättää suureen tai lain vaille merkitystään, ja väärä kiinnitys antaa väärän merkityksen. Hierarkiavirheet ovat kiinnitysvirheen tyyppejä, joissa täysin eri abstraktiotason käsitteitä liitetään toisiinsa. Se on käsitteiden käyttöä väärällä hierarkkisella tasolla, jossa käsitteillä ei ole mitään merkitystä. Tyypillinen piirre on makrotason käsitteiden (esim. makrotapahtumien mekaniikka), pisteittäisten ja hetkellisten mikrokäsitteiden (esim. jatkuvan aineen mekaniikka) ja atomirakenteeseen nojautuvien käsitteiden sekoittuminen (esim. pelkästään makroskooppisiin ilmiöihin ja olioihin liittyviä käsitteitä liitetään atomimaailmaan ja toisin päin). Omatekoiset termit tarkoittavat yleiskielen sekoittamista fysiikan käsitteistöön. Suurenimen, ilmiö- tai olioluokan tilalla käytetään saman tapaista ominaisuutta tai ilmiötä kuvaavaa yleiskielen sanaa. (esim, laine aallon sijasta) Fysiikan kielessä ei vakiintuneita käsitteitä voida korvata omien mieltymysten mukaisilla termeillä. Kaavakieli tarkoittaa tunnuksien käyttämistä suureiden ja kaavojen käyttämistä lakien asemasta (tai lisäksi). Tunnuksilla ja kaavoilla ei ole merkityksiä. Ne ovat vain merkintätapoja, valinnaisia apukäsitteitä, eivät fysiikan käsitteitä, joilla olisi fysikaalinen merkitys. Fysiikan kielivirheiden syyt eivät ole pelkästään käsitteiden väärin ymmärretyissä merkityksissä, vaikka ne niitä heijastavatkin. Yleiskielen ja fysiikan terminologian päällekkäisyys aktivoi käyttämään yleiskielessä omaksuttua käsitteen käyttötapaa, jossa käsitteiden fysikaaliset merkitykset ovat vääriä. ( esim. Jo aivan pienet säteilytehot saavat vastaanottimen värähtelemään, jos ) [3, liite 3]. Useat käsiteluokkavirheet

16 ovatkin yleiskielestä omaksuttuja ja liittyvät omatekoisiin termeihin. Kieliongelmien syynä on myös fysiikan oikeaoppisenkin terminologian jäsentymättömyys. Fysiikan kielessä esiintyy kaksimerkityksisiä termejä (esim. sähkövirta on sekä ilmiö, että kyseisen ilmiön voimakkuutta kuvaava suure). Suurenimet voivat toistaa oman kiinnityksensä eli olion tai ilmiön, jonka ominaisuutta ne kuvaavat (esim. sähkökentän voimakkuus). Tällaiset suurenimet houkuttelevat käyttämään olioita suureina. Useille suureille on annettu esittämänsä ominaisuuden nimi (esim. nopeus), jolloin suureiden ja olioiden raja hämärtyy. Kuitenkin käsitteiden väärät kielelliset käyttötavat ilmentävät aina käsitteiden väärin ymmärrettyjä (tai ymmärtämättä jääneitä) merkityksiä, olivatpa syyt niihin mitkä tahansa. 12

17 13 3. Tutkimuksen tavoitteet, ongelmat ja menetelmät Tutkimuksessa tarkastellaan käsitekarttojen käyttöä fysiikan tietorakenteen esittämisen välineenä. Tutkimuksen tavoitteena on osoittaa, miten käsitekarttatekniikkaa voidaan kehittää ja muokata fysiikan tietorakenteeseen pohjautuen sellaiseksi, että sitä voidaan hyödyntää fysiikan tietorakenteen esittämisen, oppimisen sekä osaamisen arvioinnin välineenä. Tarkastelun kohteena on sekä käsitekarttatekniikka itsessään että käsitekarttojen avulla saatava tieto laatijan ajatusrakenteista ja käsityksistä fysiikasta. Käsitekarttatekniikka toimii tutkimuksen aineistonkeruumenetelmänä. Tutkimus perustuu käsitekarttojen käyttöön Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen opettajalinjan laudaturkurssilla, Koulufysiikan tietorakenteet (KFR), jolla tutkija toimi tutkimuksen aikana assistenttina. Tutkimuksen aineistona on kurssille osallistuneiden kurssilla laatimat käsitekartat sekä kaikki materiaali ja kokemukset, joita tutkijalle on tutkimusprosessin aikana kerääntynyt. Kurssille osallistuneiden joukossa on sekä DFCLtäydennyskoulutukseen [1] osallistuneita opettajia että Helsingin yliopiston lukukautisia opiskelijoita (yhteensä noin 150 henkilöä). Käsitekarttojen käytön ja analysoinnin perustana on fysiikan tietorakenne, sellaisena kuin se on esitetty luvussa 2. Fysiikan tietorakenteen pohjalta on tarkoitus tarkastella, miten käsitekartat soveltuvat niiden esittämisen välineeksi. Käsitekarttojen analysoinnin tavoitteena on löytää karttojen tyypillisiä piirteitä, joiden avulla voidaan luoda mielikuva osanottajien käsityksistä fysiikan tietorakenteesta, ja arvioida kurssin aikana tapahtunutta kehitystä. Tutkimuksen tavoitteiden ja lähtökohtien pohjalta hahmoteltiin seuraavat tutkimusongelmat: 1. Miten käsitekarttoja voidaan hyödyntää fysiikan tietorakenteen esittämisessä? 2. Minkälaista tietoa laatijan käsityksistä fysiikan tietorakenteesta käsitekartoista saadaan? 2.1. Minkälainen kuva laatijoiden käsityksistä käsitekartoista välittyy? 2.2. Miten didaktisen fysiikan koulutus (KFR -kurssi osana) vaikutti käsityksiin ja mielikuviin? 3. Miten käsitekartat soveltuvat KFR -kurssin arvioinnin välineeksi? Tutkimuksen kohteena olevat ilmiöt ovat käsitekarttojen käyttö ja kartan laatijoiden käsitykset ja mielikuvat. Tutkimusmenetelmä eli tapa, jolla ilmiöitä koskeviin tutkimusongelmiin pyritään etsimään vastauksia, on laadullinen. Laadullisen (kuvailevan) tutkimusmenetelmän valinta on luonnollista, koska tutkimuksen tavoitteet ja ongelmat keskittyvät enemmän tutkittavien ilmiöiden laadullisiin kuin määrällisiin piirteisiin. Tutkimuksessa kuvaillaan käsitekarttojen roolia (käyttötapa, mahdollisuudet, soveltuvuus jne.) fysiikan tietorakenteen esittämisen välineenä, käsitysten paljastajana ja arvioinnin välineenä. Käsitekarttojen paljastamia käsityksiä ja mielikuvia tarkastellaan laadullisesta näkökulmasta (minkälaisia ne ovat sisällöltään? Ei pelkästään, mitä käsityksiä esiintyy.). Määrällisiin seikkoihin, kuten siihen miten paljon minkäkin tyyppisiä ajatuksia esiintyy, ei kiinnitetä juurikaan huomiota. Tutkimuksessa pyritään kuvailemaan niitä käsitysten piirteitä, joita kartoista voidaan teoreettisen viitekehyksen perusteella tunnistaa ja luokitella. Laadullisista tutkimustyypeistä tutkimuksen voidaan sanoa parhaiten vastaavan fenomenografista ( ilmiöiden kuvaaminen ) tutkimusta, jonka mielenkiinnon kohteena

18 ovat käsitykset, ja erityisesti niiden sisällölliset piirteet ja erot. Fenomenografisessa tutkimuksessa teoria on erottamaton osa koko tutkimusprosessia [20, s ]. Tässä tutkimuksessa tämä merkitsee teorian jatkuvaa ja voimakasta vuorovaikutusta tutkittavien ilmiöiden kanssa. Teoreettinen viitekehys muodostaa erottamattoman osan sekä käsitekarttojen käytön suunnittelua ja tutkimusta että käsitekartoista saatavan tiedon analysointia. Tutkimusaineiston käsittely on laadullista eli tulkitsevaa analyysiä [20, s.143], jota teoreettinen viitekehys voimakkaasti ohjaa, mutta joka pyrkii samalla seuraamaan aineiston spontaanisti herättämiä ajatuksia. 14

19 15 4. Käsitekartat fysiikan tietorakenteen esittämisen välineenä 4.1. Käsitekartta Käsitekartta on tietyn aihepiirin tietorakenteen kuvailun ja esittämisen välineeksi kehitetty graafinen tekniikka. Tietorakenne tarkoittaa tiedon rakenteellista kokonaisuutta, joka muodostuu aihepiirin keskeisistä käsitteistä ja käsitteiden välisistä relaatioista. Käsitekartan avulla pyritään havainnollistamaan käsitteitä, käsitteiden välisiä relaatioita ja niistä muodostuvia rakenteita. Käsitekartta muodostuu käsitteistä (käsitenimet), jotka on lokeroitu sekä niiden välisistä linkeistä. Oleellinen osa käsitekartan sisältöä on lokeroiden ja linkkien sijoittelu ja näin muodostuva rakenne. Käsitteet ovat nimilapulla varustettuja hahmoja. Nimilappu on kielellinen ilmaus, termi, jonka on sovittu merkitsevän tietyn kohteen (olion, ilmiön jne.) hahmoa, sen havaittavia säännönmukaisuuksia. Hahmojen nimeäminen on prosessi, jossa hahmotetuille merkityksille annetaan yhteinen nimi. Näin nimeämisprosessi on samalla myös käsitteiden määrittelyä. Käsite pitää sisällään merkitykset, joihin sen määrittely perustuu (vertaa luku 2.2.). Esimerkiksi vuorovaikutuksen käsite on yleistävä nimitys tapahtumille, joissa on kaksi osapuolta, jotka samanaikaisesti vaikuttavat toisiinsa, ja vaikutus näkyy molemmissa osapuolissa. Tuolin käsite on yleistävä nimitys esineelle, jolla on jalat, istuin ja selkänoja, ja jota käytetään istumiseen. Käsitteet ovat tietorakenteen peruselementtejä, mutta eivät yksinään muodosta tiedon rakenteellista kokonaisuutta. Rakenne muodostuu käsitteiden välisistä yhteyksistä, niiden suhteista. Käsitekartassa käsitteiden välisiä suhteita kuvataan käsitelokeroiden välisillä linkeillä. Linkin on tarkoitus yhteyden lisäksi ilmaista myös yhteyden luonnetta, sen suuntaa ja olemusta. Yhteyden luonne voidaan ilmaista linkin suuntaamisella (nuolin) ja täsmentämällä linkin luonnetta siihen liitettävällä linkkisanalla. Linkit voivat olla vain toiseen suuntaan suunnattuja, molempiin suuntiin suunnattuja tai suuntaamattomia riippuen aihepiiristä, yhteyden luonteesta ja käytetystä esitystavasta [7]. Linkkeihin liitettävät linkkisanat nimeävät käsitteiden välisen suhteen ja täsmentävät suhteen luonnetta. Linkkisanat voivat olla verbejä, substantiiveja, adjektiiveja jne. riippuen aihepiiristä, yhteyden luonteesta ja esitystavasta. Linkkisanojen käyttö ei ole välttämätöntä ja niitä voidaan käyttää vain osassa linkeistä. Kahden käsitteen välisen linkin voidaan ajatella muodostavan käsitteitä koskevan väittämän. Näin käsitteiden väliset suhteet muodostavat käsitteitä koskevia väittämiä, jotka ilmaisevat käsitteen merkityksen [17, s.19]. Esimerkiksi kuvan 4.1. (s.17) mekaniikan kartassa linkit kappaleesta hitauteen ja siitä massaan voidaan tulkita näitä käsitteitä koskevaksi väittämäksi: Kappaleella on ominaisuus, hitaus, jota kuvaa suure, massa. (Linkkien luonne täsmentyy tässä lokeroiden erilaisuuden avulla esitetyn käsitteiden hierarkkisen jaottelun myötä.) Käsitteet ja niiden väliset linkit eivät vielä riitä kuvamaan aihepiirin tietorakennetta. Jotta käsitteet ja niiden väliset linkit muodostaisivat tietorakennetta kuvaavan rakenteellisen kokonaisuuden, on käsitelokerot ja niiden väliset linkit sijoitettava tarkoituksenmukaisella tavalla. Tarkoituksenmukainen tapa riippuu aihepiiristä, esitystavasta jne. mutta ennen kaikkea se merkitsee esitettävän rakenteen ehdoilla

20 tapahtuvaa sijoittelua. Näin käsitelokerot, linkit ja näiden harkittu sijoittelu muodostavat yhden, yhtenäisen rakenteen, joka esittää, tai jonka on tarkoitus esittää, käsiteltävän aihepiirin tietorakennetta. Käsitekartan taso, laajuus, esitystapa ja muoto voivat vaihdella lähes rajattomasti riippuen aihepiirista, laatijasta ja siitä, kenelle, ja mihin tarkoitukseen kartta laaditaan. Vaikka esityksen perussäännöt on annettu, esitysten muodolle asettaa rajoja vain mielikuvitus ja luovuus. Yhteenvetona voidaan todeta käsitekarttojen rakentuvan kolmesta keskeisestä elementistä: 1. Käsitelokerot 2. Käsitelokeroiden väliset linkit ja linkkisanat 3. Käsitelokeroiden ja linkkien sijoittelu Käsitekartat tiedon elementtien havainnollistajana Eri aihepiirien tietorakenteiden kuvaamiseen on kehitetty monia vaihtoehtoisia tapoja (esseet, kuvat, kulkukaaviot, diagrammit, taulukot jne.), mutta käsitekartta on ainoa, jossa voidaan tuoda selvästi esille kaikki kolme tiedon elementtiä ja niiden aihepiirille ominaiset piirteet: 1. Käsitteet 2. Käsitteiden väliset relaatiot (luonne) 3. Käsitteiden ja niiden välisten suhteiden muodostama rakenne (luonteenomaiset piirteet) Erityisesti tiedon rakenteellisuus tulee perinteisissä tiedon esittämistavoissa usein liian vaatimattomasti esille. Käsitekartan elementit, tekniikan yleiset periaatteet ja niiden yhteydet tiedon elementteihin havainnollistuvat kun tarkastellaan kuvan 4.1. esimerkkikarttaa, joka esittää mekaniikan ilmiöalueen tietorakennetta (KFR -kurssilla laadittu). Kartta rakentuu mekaniikan ilmiöalueen keskeisistä käsitteistä ja käsitteiden välisistä linkeistä. Käsitekartan elementtien avulla on havainnollistettu esityksen kohteena olevan tiedon (mekaniikan tietorakenne) keskeisiä elementtejä: Käsitteiden lokeroinnissa on käytetty eri värejä havainnollistamaan fysiikalle ominaista käsitteiden jaottelua hierarkkisiin luokkiin (musta = ilmiö, punainen = olio, katkoviiva = ominaisuus, sininen = suure ja vihreä = laki). Käsitteiden välisiä relaatioita kuvaavissa linkeissä on käytetty nuolia havainnollistamaan rakenteen kannalta olennaista piirrettä, käsitteenmuodostuksen luonnetta (suuntaa ja tapaa). Käsitteiden jaottelulle ja linkkien suunnille perustuvalla käsitelokeroiden ja linkkien tarkoituksenmukaisella sijoittelulla (kvalitatiivinen taso keskellä ja kvantitatiivinen taso laidoilla) on esitetty toinen keskeinen rakenteellinen piirre, hierarkkisuus.

21 Kuva 4.1. Mekaniikan käsitekartta 1 17

22 Kuvan 4.1. käsitekartta esittää mekaniikan tietorakenteen selkeästi ja havainnollisesti. Siitä selviävät aihepiirin keskeiset käsitteet ja niiden väliset suhteet ja mikä tärkeintä, se yhtenäinen rakenteellinen tiedon kokonaisuus, jonka käsitteet ja niiden väliset relaatiot muodostavat. Tässä yhteydessä on kuitenkin syytä huomauttaa, että kuvan 4.1. mekaniikan käsitekartta on vain yksi käsitekartan esitystapa ja esityksessä voidaan hyödyntää myös monia muita tapoja ja muotoja, joilla sama tietorakenne voidaan esittää Käsitekarttojen taustaa Käsitekartan idea on alunperin lähtöisin Joseph D. Novakilta (Cornell University), joka esitti käsitekartat välineenä, jonka avulla voidaan esittää käsiteväitteitä ja, jotka kuvaavat ajattelumme rakenteita (kognitiivisia struktuureja). Käsitekartan avulla saadaan tietoa laatijansa ajattelun rakenteista, hänen omaksumastaan tietyn aihepiirin tietorakenteesta [17]. Käsitekartta on keino esittää, mitä ajattelee. Sen avulla saadaan tietoa laatijansa ajattelusta. Ajattelulla tarkoitetaan tässä yhteydessä jäsentynyttä ajatusrakennetta eli tietoa jostakin aihepiiristä. Tässä mielessä käsitekartta on rinnasteinen muille ajatusten esittämistavoille, puheelle ja kirjoitukselle jne. Kun halutaan saada mahdollisimman tarkkaa tietoa siitä, minkälainen on henkilön omaksuma tietorakenne joltakin osaalueelta, on puhe usein liian rönsyilevää ja jäsentymätöntä. Kirjoitus on usein harkitumpaa, mutta siitäkin on usein vaikea saada selville henkilön ajattelun peruskäsitteitä ja erityisesti niiden muodostamaa rakennetta. Juuri tiedon rakenteellisuus on piirre, jonka avulla voidaan arvioida tiedon määrää ja ennen kaikkea sen laatua. Tieto on aina rakennettua, ei löydettyä tai ulkoaopittua [17, s.5]. Käsitekarttatekniikan suunnittelu ei ole varsinaisesti lähtenyt liikkeelle tietojen esittämisen ongelmista, vaan oppimisen ongelmista. Novakin luoman ja kehittelemän käsitekarttatekniikan taustalla on amerikkalaisen psykologin David P. Ausubelin mielekkään oppimisen teoria. Teoria korostaa mielekkään oppimisen osuutta oppimisessa. Mielekkään oppimisen perusidea on uuden tiedon niveltäminen aikaisempiin tietoihin. Oppiminen on oppilaan prosessi, jossa hänen jo omaksumansa tietorakenne vuorovaikuttaa uuden tiedon kanssa ja muodostaa uuden jäsentyneen kokonaisuuden [12, s.50]. Kun uusi tieto suhteutetaan jo olemassa olevaan tietorakenteeseen, on oppiminen mielekästä eli ymmärretään, mitä opitaan. Mielekkään oppimisen vastakohta on ulkoa oppiminen, joka perustuu pelkästään muistamiselle, eikä muodosta yhtenäistä rakennetta. Novak näki käsitekartat sekä oppilaan että opettajan apuvälineenä, jonka avulla voidaan päästä mielekkääseen oppimiseen. Oppimisen mielekkyyden tehostamiseksi käsitekarttaa voidaan käyttää hyvin monessa muodossa ja moniin eri tarkoituksiin. Käsitekartta soveltuu hyvin mm. oppilaiden ennakkotietojen kartoitukseen, opittavan aihepiirin keskeisten ideoiden selventämiseen, oppikirjatekstin tai artikkelien sisällön jäsentelyyn, oppiaineksen kertaamiseen [17, s.46-62]. Tämän tutkimuksen pääpaino ei kuitenkaan ole käsitekarttojen käytössä oppimisen välineenä, joten tarkempi perehtyminen oppimisteorioihin sivuutetaan tässä yhteydessä. Tässä tutkimuksessa keskitytään käsitekarttojen käyttöön tietorakenteen esittämisen ja oppilaiden osaamisen arvioinnin välineenä. Samalla käsitekartat toimivat tutkimuksen aineistonkeruumenetelmänä, jonka avulla saadaan tietoa opiskelijoiden käsityksistä ja mielikuvista sekä niiden kehittymisestä opetuksen aikana. Tällainen käyttö nojautuu perusteltuun ajatukseen siitä, että käsitekarttojen avulla saadaan tietoa laatijansa ajattelun

23 rakenteista. Mauri Åhlberg on tutkimuksissaan todennut, että käsitekartta on hyvin tehtynä aivan täsmällinen esitys siitä, mitä käsitekartan tekijä ajattelee jostain aiheesta. Lisäksi hän toteaa, että käsitekartat ovat ainoa tiedon esitystapa, joka soveltuu sekä lapsille että aikuisille ja on samalla yksikäsitteinen ja tieteellisesti perusteltu [22, s.35-40]. Voidaan siis perustellusti olettaa, että käsitekartat ovat sopiva väline oppilaiden omaksuman tietorakenteen selvittämiseen ja arvioimiseen. Käsitekarttojen käyttöä esittämisen välineenä, karttojen laatimista sekä merkitystä opetukselle ja oppimiselle käsitellään tarkemmin luvuissa 4.3., 4.4. ja 4.5. Käsitekartoista saatavaa informaatiota (käsitykset ja mielikuvat) käsitellään luvuissa 5. ja 6. ja käsitekarttoja arvioinnin välineenä luvussa Käsitekartat Koulufysiikan tietorakenteet kurssilla Tutkimuksen kohteena on käsitekarttojen käyttö Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen opettajalinjan laudatur kurssilla, Koulufysiikan tietorakenteet (KFR). Kurssi kuuluu didaktisen fysiikan opintokokonaisuuteen, joka tähtää fysiikan rakenteiden hahmottamiseen [2]. Kurssilla tutustutaan fysiikan käsitteistön ja käsiteenmuodostuksen rakenteellisiin piirteisiin ja periaatteisiin tarkastelemalle niiden ilmenemistä koulufysiikan eri osa-alueilla. Kurssin tavoitteena on luoda kokonaiskuva fysiikasta jäsentämällä koulufysiikan osa-alueiden käsitteellisiä ja prosessuaalisia sekä osa-alueita yhteen kytkeviä rakenteita ja periaatteita [11]. Koulufysiikan tietorakenteet -kurssin rakentaminen alkoi syksyllä Ensimmäisen kokeilukurssin arviointi perustui luentomateriaalin perusteella kotona laadittaviin esseetehtäviin, jotka eivät kuitenkaan vastanneet kovin hyvin kurssin luonnetta. Fysiikalle ominainen tiedon rakenteellisuus tuli aivan liian vaatimattomasti esille. Seuraavilla lukuvuoden kurssilla sekä opettajien täydennyskoulutuskurssilla (DFCL 1) [1] kokeiltiin käsitekarttoja fysiikan tietorakenteen esittämisen ja kurssin arvioinnin välineenä. Kokeiluun käsitekarttojen käytöstä opetusta tukevana ja palvelevana välineenä sekä oppimisen arvioinnin välineenä oltiin erittäin tyytyväisiä. Kokeilua jatkettiin lukuvuoden kurssilla sekä uudella opettajien täydennyskoulutuskurssilla (DFCL 2). Saatujen kokemusten perusteella on käsitekartoista muodostunut tärkeä osa didaktisen fysiikan opetuskokonaisuutta. Tämä tutkimus on osa edelleen jatkuvaa kokeilua ja kehitystyötä. Koulufysiikan tietorakenteet -kurssin osaanottajat laativat kurssin kuluessa 12 käsitekarttaa fysiikan eri osa-alueilta. Kurssin aikana laaditaan kustakin kahdestatoista aihepiiristä diagnostiset kartat, jotka palautetaan luennoitsijalle ennen kyseistä aihepiiriä käsitteleviä luentoja. Diagnostisten karttojen laadinnan on tarkoitus aktivoida osanottajia pohdiskelemaan ja esittämään omia käsityksiään fysiikasta. Näin ne toimivat osanottajien valmistautumisena luennolle. Opetuksen kannalta diagnostiset kartat antavat luennoitsijalle kuvan (diagnoosin) osanottajien ajatustavoista ja mielikuvista. Kokemusten perusteella käsitekartta on erittäin tarkoituksenmukainen väline kumpaankin tarkoitukseen. Diagnostiset kartat eivät ole opinnäytteitä, eikä niitä arvioida kvantitatiivisesti. Analysoimalla diagnostisia karttoja kvalitatiivisesti saadaan tietoa osanottajien ajatusrakenteista ja käsityksistä fysiikasta. Karttoja on tarkoitus kehittää ja täydentää kurssin perusteella. Niitä tarkastellaan joustavina, jatkuvasti kehitettävinä ja pysyvästi keskeneräisinä. Kurssin kuluessa laaditaan samoista aiheista lopulliset suoritekartat, joihin kurssin arviointi perustuu.

24 Suoritekarttojen on tarkoitus esittää osanottajille muodostunutta kuvaa koulutuksessa esitetystä fysiikan käsiterakenteesta [10]. Käsitekarttojen laadinnan toteutustapa on erilainen opettajien täydennyskoulutuskurssilla ja lukukautisille opiskelijoille tarkoitetulla kurssilla. Opiskelijat laativat kartat, sekä diagnostiset että suoritteet, yksilötyönä, kun opettajat laativat karttansa 2 4 hengen ryhmissä. (Ryhmätyöskentely otettiin käyttöön myös lukukautisella kurssilla ) Laadittavien karttojen aihepiirit (otsikot) liittyvät koulufysiikan osa-alueisiin ja niitä yhdistäviin ja läpäiseviin teemoihin. Käsitekarttojen otsikot ovat kahta eri tyyppiä: A: Ilmiöalueet: 1. Mekaniikka 3. Sähkövaraus ja sähkövirta 4. Magnetismi induktio sähkömagneettinen aaltoliike 6. Lämpöoppi 8. Aaltoliike ääni valo B: Ilmiöalueita ja fysiikan kehitystä läpäisevät käsitteet tai teemat: 2. Vuorovaikutus 5. Kenttä 7. Energia 9. Absoluuttisuus ja suhteellisuus 10. Rakentumisperiaate 11. Kvantittuminen 12. Perusolioiden luonne Numero kartan otsikon edessä tarkoittaa järjestystä, jossa aiheet käsitellään luennoilla ja samalla myös diagnostisten karttojen palautusjärjestystä [10]. KFR -kurssin ja käsitekarttojen käytön suunnittelun on tehnyt professori Kaarle Kurki- Suonio. Käsitekarttojen käytön suunnittelu on lähtenyt liikkeelle kurssin sisällöstä ja sen luonteesta. Kurssin tavoitteena on auttaa osallistujia hahmottamaan fysiikan tietorakenteen pääpiirteitä ja näkemään niiden merkitys fysiikan opetuksessa. Käsitekartat ovat väline tämän tavoitteen saavuttamiseksi. Käsitekarttojen käyttö kurssilla on sisällöstä ja tavoitteista lähtevää. Niinpä käsitekarttoihin liittyvät ohjeet ja karttojen arvioinnin kriteerit ovat sisällöllisiä. Näin käsitekartat kiinnittyvät käyttötarkoitukseensa, mikä on välttämätöntä tehdä ennen kuin käyttöä voidaan tutkia ja analysoida. Tämän tutkimuksen kohteena oleva käsitekarttojen käyttö kiinnittyy fysiikan tietorakenteen esittämiseen Koulufysiikan tietorakenteet kurssilla Käsitekartan laatiminen Käsitekartan laatiminen perustuu siihen, mitä sillä halutaan esittää. Luonnollisesti pitää olla joku ajatus ennen kuin se voidaan esittää. Esitystapa ei voi määrätä sisältöä. Sama koskee kaikkia tiedon esittämisen välineitä (puhe, kirjoitus, taulukot, käsitekartat jne.). Esimerkiksi esseevastauksen laatiminen perustuu sille, mitä on kysytty ja mitä halutaan esittää. Suomen kielioppi asettaa esitykselle tietyt normit, mutta se ei määrää esityksen sisältöä. Esseen laadintaan ei voi antaa yleisiä ja kaiken kattavia ohjeita siitä, mistä tulee aloittaa, mihin tulee lopettaa, kuinka pitkiä lauseita ja montako lausetta esityksessä saa olla, vaan ne riippuvat esseen käyttötarkoituksesta. Vastaavalla tavalla käsitekartan laadinnassa on perusnormit, joiden käyttötavan määrää käyttötarkoitus. Käsitekartta muodostuu käsitelokeroista, niiden välisistä linkeistä sekä niiden harkitusta sijoittelusta, aivan kuten essee muodostuu sanoista, lauseista ja niiden järjestyksestä. Käsitekarttojen laadintaan ei voi antaa yleisiä, kaiken kattavia ohjeita jotka antaisivat vastaukset käsitekarttojen laadinnan avainkysymyksiin: Mitä ja minkälaisia käsitteitä valitaan, miten linkit esitetään tai nimetään, miten käsitelokerot ja linkit sijoitetaan.

25 Käsitekarttojen laadinta ja käyttötarkoitus Käsitekartan laatiminen perustuu aina sen käyttötarkoitukselle. Käyttötarkoitus sisältää aihepiirin, jota käsitekartalla on tarkoitus esittää, laadinnan tavoitteet ja laatijan ajattelun tason. Aihepiiri määrää mitä käsitteitä, relaatioita ja rakenteita kartalla halutaan esittää. Aihepiiri muodostaa kartan laadinnan perustan. Laatijan tai esityksen vastaanottajan ajattelun taso (kognitiivinen struktuuri) määrää, kuinka korkean tason tietoa kartalla halutaan esittää, mikä on kartan käsitteiden, relaatioiden ja rakenteiden taso ja luonne. Esimerkiksi peruskoululaisten villisti lentävien ajatusten järjestämiseksi laadittavat käsitekartat ovat luonteeltaan erilaisia kuin Yliopiston laudatur kurssilaisten ajatusrakenteiden esittämiseksi laadittavat käsitekartat. Aihepiiri ja laadintatarkoitus määräävät karttojen sisällön ja luonteen, jotka taas ohjaavat kartan laadintaa. Sisältö määrää kartan rakenteen, ei toisin päin. Käsitekarttatekniikan ideoija ja kehittäjä Joseph D. Novak esittää teoksessaan, Opi Oppimaan, runsaasti käsitekarttojen laadintaan liittyviä ajatuksia ja ohjeita. Novak tarkastelee käsitekarttojen käyttöä lähinnä koulutyössä, opettajan ja oppilaan apuvälineenä, joten hänen esittämät ajatukset käsitekarttojen laadinnasta kiinnittyvät tarkoituksensa osalta kouluun ja oppimiseen. Novak jättää kuitenkin vähälle huomiolle käyttötarkoituksen olennaisen osan, aihepiirin, eli sen, mitä kartalla halutaan esittää. Novakin karttojen käytöstä ja laadinnasta antamat ohjeet lähtevät liikkeelle kartan rakentamisen periaatteesta, eivät sisällöstä. Tästä johtuen hänen esittämänsä ajatukset ja ohjeet karttojen käytöstä ja laadinnasta soveltuvat osittain huonosti fysiikan käsiterakenteiden esittämiseen tai ovat osittain jopa haitallisia. Esimerkkinä Novak toteaa karttojen hierarkkisuudesta seuraavaa: Käsitekarttojen olisi hyvä olla hierarkkisia, koska mielekäs oppiminen etenee helppoimmin silloin, uudet käsitteet tai käsitteiden merkitykset sijoitetaan laajempien käsiteiden alle. Toisin sanoen yleisemmät laaja-alaiset käsitteet on hyvä sijoittaa kartan huipulle. Tarkemmat, suppea-alaisemmat käsitteet järjestetään edellisten alle asteittain alenevasti ja jatkaa: Joskus on hyvä merkitä käsitekartan alakäsitteisiin konkreettisia kohteita tai ilmiöitä, jotka kuvaavat käsitteen merkityksen alkuperää. [17, s. 20] Novakin käsitys käsiterakenteiden hierarkkisuudesta ja oppimisen etenemisestä on fysiikan kannalta täysin nurinkurinen. Novakin mukaan käsitteenmuodostus (oppiminen) etenee yleisistä, laaja-alaisista kattokäsitteistä kohti tarkempia ja suppeampia alakäsitteitä. Novakin ajatusten lähtökohtana on Ausubelin kognitiivinen oppimisteoria, jonka ensimmäisen perusidean mukaan kognitiivinen rakenne etenee laajoista, yleisistä yläkäsitteistä ja suhteista hierarkkisesti organisoituneesti kohti suppeampia, konkreettisia käsitteitä ja suhteita [17, s.106]. Oppimisen kannalta tämä idea ja aiemmin esitetty näkemys käsitekarttojen hierarkkisuudesta ovat selvästi ristiriidassa Novakin kirjassaan aiemmin esittämän tiedon rakentumisen idean kanssa: Uuden tiedon rakentaminen alkaa ilmiöiden ja kohteiden havainnoinnista niiden käsitteiden avulla, jotka meillä jo on [17, s.5]. Fysiikan kannalta Novak tuntuu sekoittavan käsitteiden merkityksen kehittymisen ja yleistymisprosessin käsitteenmuodostuksen konkreettisiin lähtökohtiin. Fysiikan käsitteet perustuvat aina konkreettiselle ja rakentuvat asteittain yhdentymällä alakäsitteistä kattavimmiksi, mutta samalla abstraktimmiksi kattokäsitteiksi (katso luku 2.). Novakin ajatukset heijastavat opetuksen teoreettista lähestymistapaa, jossa käsiterakenteet

26 esitellään oppilaille valmiina tuotteina, joiden merkityksiä yritetään jälkikäteen arvailla ja selitellä [9, s.258]. Tämä ajatus tulee ilmi siinä, että Novak jättää käsitekarttojen rakenteesta pois käsitteenmuodostusprosessin, tai tyytyy vain toteamaan että uudet käsitteet sijoitetaan aiemmin opittujen alle. Fysiikan luonteen kannalta tarkastelun rajoittaminen pelkästään valmiisiin tuoterakenteisiin ei ole tiedon esittämisen, eikä oppimisen kannalta mielekästä. Fysiikan oppimisen ja ymmärtämisen kannalta on oleellista tietää, miten käsiteet syntyvät merkitystensä kautta ja miten nämä merkitykset yleistyvät ja kehittyvät. Käsitteenmuodostusprosessi on aina oleellinen osa fysiikan tietorakennetta. Fysiikan tietoa ei voi erottaa tiedon luomisen prosessista (katso luku 2.3.) Karttojen laadintaan annettavat ohjeet Käsitekartat on alunperin suunniteltu opettajan ja oppilaan apuvälineiksi opetuksessa ja oppimisessa, joten useat niiden käytön suunnitteluun sekä laadintaan annettavat ohjeet perustuvat oppimisteorioille. Kun käsitekarttoja sovelletaan tiedon esittämisen välineenä, ei oppimisteorioilla ole yhtä keskeistä roolia karttojen laadinnassa eikä niiden arvioinnissa. Karttojen laadinta ja arviointi perustuu sisällölle, jota kartoilla on tarkoitus esittää. Käsitekarttatekniikkaa on kuitenkin harjoiteltava, aivan kuten mitä tahansa muuta tiedon esittämistekniikkaa, kuten puhumista tai kirjoittamista. Tekniikan harjoittelun perustaksi annettavien ohjeiden luonne riippuu käsitekarttojen käyttötarkoituksesta. Ohjeet eivät voi olla sellaisia, että ne antavat tietyn, oikean kartan rakennetyypin tai rakentamisperiaatteen. Ne eivät voi antaa vastauksia käsitekarttojen laadinnan keskeisiin avainkysymyksiin: Mitkä käsitteet ja relaatiot karttaamme valitsemme? Miten esitämme niiden muodostaman rakenteen? Ohjeiden on oltava sellaisia, että ne antavat vain normit, joiden pohjalta esityksen muotoa ja rakennetta voidaan pohtia. KFR -kurssilla fysiikan tietorakenteen hahmottamista ja esittämistä ei ole haluttu rajoittaa antamalla käsitekarttojen rakennemalleja tai mallikarttoja. Kurssilla onkin kokeilun aikana käytyjen keskustelujen pohjalta kehitetty karttojen laadintaan liittyvät ohjeet, jotka tarkastelevat karttojen laadintaa käsiteltävästä sisällöstä lähtien. Ohjeissa annetaan yleiset normit käsitekartasta tietojen esittämisen välineenä ja kuva siitä, mitä kartoilla on tarkoitus esittää. Fysiikan tietorakenteen kannalta voidaan karttojen laadintaan antaa joitakin ohjeita, jotka helpottavat kartan laadintaa. Kartan laadinnan lähtökohtana ovat karttaan valittavat käsitteet. Ennen kartan laadintaa on hyvä listata aihepiirin keskeiset käsitteet. Näin voidaan varmistua siitä, että kartassa ovat mukana kaikki käsiteluokat ja tasot ja että valitut käsitteet ovat käsiterakenteen kannalta oleellisia. Esimerkiksi suureiden tunnukset ja yksiköt, fysiikan osa-alueita ja oppirakenteita luokittelevat käsitteet eivät ole tietorakenteen kannalta keskeisiä ( eli niillä ei ole keskeistä roolia käsiteenmuodostuksessa). Tällainen aihepiirin käsitteiden valikoiva kokoaminen helpottaa käsitteiden välisten yhteyksien ja niiden muodostaman rakenteen jäsentelyä. Rakenne on helpompi esittää, jos tietää osat joista rakenne muodostuu. Kartan laadinta on silloin käsitteiden ryhmittelyä ja kytkemistä rakenteeksi, ja keskittyy keskeisiin rakenteellisiin piirteisiin (hierarkkinen, prosessuaalinen, luokittelu).(novak antaa vastaavanlaisia ohjeita käsitteiden kokoamisesta ennen kartan laadintaa.) [17]. Kartan rakenteen pohdiskelussa on lisäksi

27 hyvä kiinnittää huomiota valittavien linkkien ja linkkisanojen oikeutukseen ja mielekkyyteen. Ovatko käytetyt linkit empiirisen käsitteenmuodostuksen mukaisia ja käsitetasojen kannalta luontevia? Esimerkiksi selvästi eri abstraktiotason käsitteiden suora linkittäminen ei ole luontevaa. Lopuksi on hyvä tarkastella kartan rakenteen muodostamaa kokonaisuutta. Ovatko kaikki käsitelokerot linkitetty, muodostaako kartta yhden, yhtenäisen rakenteen? Diagnostisten karttojen laatiminen toimii ajatusten aktivoinnin lisäksi myös käsitekarttatekniikan harjoitteluna. Suoritekarttojen on tarkoitus täyttää käsitekarttojen normit eli niiden tulee muodostua harkitusti sijoitetuista käsitelokeroista ja lokeroiden välisistä linkeistä, mutta esitystavalle ja muodolle ei anneta suosituksia. Niiden tulee muotoutua aihepiirin luonteen ja laatijan luovuuden ehdoilla. Karttojen on tarkoitus esittää tiivistetysti otsikon ilmaiseman aihepiirin käsitteellisiä ja prosessuaalisia rakenteita eli keskeisten käsitteiden välisiä yhteyksiä sekä tapaa ja järjestystä, jolla ne syntyvät empiriasta käsin, perustuvat toisiinsa ja kehittyvät. Fysiikassa käsitteillä on tietyt relaatiot ja ne muodostavat tietynlaisen rakenteen Esimerkiksi satunnaiset mielleyhtymät, arvot, asenteet, mielipiteet yms. eivät kuulu fysiikan tietorakenteeseen. Pitäytyminen fysiikan tietorakenteessa rajaa karttojen sisällön ja luonteen niin tarkasti kuin se on mahdollista ja tarpeellista [10] Käsitekarttojen merkitys opetukselle ja oppimiselle Käsitekarttojen käytöstä on paljon kotimaisia ja ulkomaisia kokemuksia. Monissa tutkimuksissa on tullut esille käsitekarttojen myönteiset vaikutukset opetukseen ja oppimiseen. Suomessa käsitekarttojen käyttöä on tutkittu kaikilla opetuksen tasoilla: yliopistossa (mm. Mauri Åhlberg, Martti Kosonen), lukiossa ja yläasteella (mm. Hannele Levävaara) sekä ala-asteella (mm. Markku Kankkonen, Heini Koponen). Näistä tutkimuksista on Mauri Åhlberg esittänyt yhteenvetona neljä keskeistä käsitekarttojen käyttöön liittyvää tulosta: 1. Opettajien mukaan käsitekartoilla saadaan opetuksen kannalta hyödyllinen kokonaiskäsitys kunkin oppilaan ajattelusta 2. Oppilaat ovat todella keskittyneet käsitekarttojen tekoon 3. Yleensä oppilaat pitävät käsitekarttojen tekemisestä 4. Parhaat ja keskinkertaiset oppilaat pitävät käsitekarttatekniikasta enemmän kuin heikot oppilaat [22, s.37] Ensimmäinen tulos tukee ajatusta, että käsitekarttojen avulla saadaan täsmällistä tietoa laatijan ajattelusta, mielikuvista ja käsityksistä. Tämä luo perustan käsitekarttojen käytölle oppimisen etenemisen seuraamisessa ja oppimisen arvioinnissa, sekä ennakkokäsitysten ja ajatusrakenteiden kehittymisen tutkimuksessa. Toinen kohta osoittaa, että käsitekarttatekniikka rohkaisee ja houkuttelee sekä pakottaa ajatteluun. Käsitekarttaa ei voi ajattelematta laatia. Tätä osoittaa myös oppilaiden perustelut sille, miksi he pitivät tai eivät pitäneet käsitekarttojen laadinnasta. Käsitekarttatekniikasta pitävät oppilaat esittivät perustelunsa muodossa: kun siinä saa itse ajatella. Vastaavasti oppilaat, jotka eivät pitäneet käsitekarttojen tekemisestä, ja pitivät enemmän esimerkiksi työkirjojen täyttämisestä, esittivät perustelunsa muodossa: silloin ei tarvitse ajatella [22, s.37].

28 24 Nämä tulokset osoittavat, että käsitekarttatekniikan avulla voidaan saada oppilaat ajattelemaan sekä kehittämään ajatteluaan ja syventää näin heidän oppimistaan. Tämä osoittaa myös käsitekarttojen edun perinteisiin tiedon esittämisen menetelmiin nähden. Kirjoitetussa tekstissä on suhteellisen helppoa toistaa ajatuksettomasti kirjan tekstiä tai opettajan puhetta. Käsitekartta on enemmän oman ajatteluprosessin tuotos. Fysiikassa tämä liittyy erityisesti suureiden määritelmiin. Käsitekarttaa laadittaessa joudutaan miettimään suureen merkitystä sen kiinnitysten kautta, eikä voida toistaa ajatuksettomasti kirjassa tai opetuksessa esitettyjä määritelmiä. Sama koskee myös lakeja, joita ei voida käsitekartassa esittää vain merkityksettöminä kaavoina. Käsitekarttatekniikan avulla saadaan oppilaat ajattelemaan oppimaansa tietoa ja jäsentämään siitä rakenteellista kokonaisuutta. Neljännestä kohdasta voidaan päätellä, että heikommat oppilaat eivät halua ajatella itse. Käsitekarttatekniikan avulla voidaan kuitenkin rohkaista ja houkutella heikkoja oppilaita ajattelemaan itse. Kajaanin opettajankoulutuslaitoksessa tehdyssä Pro Gradu tutkimuksessa Sari Kitusuo ja Eija Rautiainen ovat todenneet, että käsitekartta oppimisen tukena edistää varsinkin heikon kognitiivisen taidon omaavien oppijoiden kognitiivisten prosessien kehittymistä [6]. Hannele Levävaara on käyttänyt käsitekarttaa tutkimusvälineenä kartoittaessaan peruskoulun yhdeksäsluokkalaisten käsityksiä energiasta. Kuten jo aiemmin on todettu, käsitekarttojen avulla voidaan tutkia laatijoiden käsityksiä, mielikuvia ja ajattelua. Väite voidaan perustella sillä yleisellä toteamuksella, että käsitekartta on eräs tiedon esittämisen väline, ja mistä tahansa tiedon esitystavasta voidaan saada tietoa laatijansa ajattelusta. Levävaara perustelee lisäksi käsitekartan valintaa tutkimuksensa välineeksi tukeutumalla Novakin ajatukseen siitä, että käsitekartan hierarkkisuus vastaa muistiin tallennetun tiedon hierarkkisuutta [13]. Fysiikassa juuri tiedon rakenteellisuus on piirre, jonka ilmenemisestä voidaan päätellä ajattelun rakenteita ja käsityksiä fysiikasta (katso luku ). Levävaara on tutkimuksensa yhteydessä koonnut käsitekarttatekniikan käytöllä koulussa opettajan ja oppilaan työvälineenä saavutettavia etuja ja käyttöön liittyviä ongelmia: Edut: + Yksinkertainen, helppo oppia + Oppilas voi mukailla tekniikkaa kykyjensä mukaisesti + Nopea tapa kartoittaa oppilaan ajattelua + Saadaan runsaasti tietoa laatijan ajattelusta + Jokainen oppilas joutuu työskentelemään omakohtaisesti + Sen avulla pystyy hahmottaman suuria kokonaisuuksia nopeasti, jäsentyneesti ja havainnollisesti + Se sopii erinomaisesti asioiden ennalta jäsentämiseen ja kertaamiseen Ongelmat: [13, s.43] - Kartan tekijä on yksin ajatustensa kanssa - Tekniikan puutteellinen osaaminen aiheuttaa tulkinnallisia ongelmia Levävaaran esittämät edut voidaan luokitella kolmeen eri luokkaan: 1.Tekniikkaa koskevat (kaksi ensimmäistä) 2. Tietojen saantia koskevat (toinen ja kolmas) 3. Oppimista koskevat (kolme viimeistä). Näihin kolmen tyypin etuun voidaan katsoa käsitekarttojen käytön myös KFR -kurssilla osaltaan perustuvan. Tekniikan katsotaan

29 olevan riittävän helppo ja sopivin tapa laajojen kokonaisuuksien esittämiseen. Tekniikka siinä mielessä avoin, että se antaa mahdollisuuden luovuuteen ja mielikuvituksen käyttöön esitystapojen suunnittelussa. Käsitekartoista on mahdollista saada kurssin opetuksen ja arvioinnin kannalta tarkoituksenmukaista tietoa osanottajien ajattelusta. Fysiikan tietorakenteen luonteen kannalta käsitekartat tarjoavat sopivan välineen tiedon esittämiseen sekä hahmotusprosessin tukemiseen. (Näihin näkökulmiin perehdytään jatkossa perusteellisemmin mm. luvuissa 4.5. ja 6.4.) Oppimisen tukena diagnostiset kartat toimivat aihepiirin ennakkojäsentiminä, joissa osanottajat aktivoituvat pohtimaan ja jäsentämään ajatuksiaan. Suoritekartat toimivat eräänlaisena kertauksena, jossa pyritään hahmottamaan kurssiin sisällöstä muodostunutta kokonaisuutta. Levävaaran esittämät käyttöön liittyvät ongelmat on havaittu myös KFR -kurssilla. Tekniikan käyttöön liittyviä tulkinnallisia ongelmia on pyritty vähentämään sillä, että käsitekarttojen esitystapa ja -muoto on jätetty avoimeksi ja arvioinnin ulkopuolelle. Käsitekarttojen analysointi ja arviointi on pyritty tekemään täysin sisällöllisin perustein. Lisäksi diagnostiset kartat toimivat tekniikan harjoitteluna ja niiden yhteydessä pyritään tekniikkaan liittyvistä tulkinnallisista ongelmista keskustelemaan. Halukkaille on myös annettu palautetta diagnostisista kartoista sekä tekniikan että sisällön osalta. Käsitteenmuodostuksen ja oppimisen sosiaalista puolta on pyritty vahvistamaan palautteen antamisella ja keskustelulla luentojen yhteydessä. Vaikka opiskelijan on käytävä hahmotusprosessi itse läpi, häntä ei ole jätetty yksin omien ajatustensa kanssa. Opettajien täydennyskoulutuskurssilla oppimisen sosiaalinen piirre on vielä selvemmin esillä koska opettajat laativat käsitekarttansa ryhmätyönä. Kokemusten perusteella myös lukuvuoden lukukautisille opiskelijoille on tarjottu mahdollisuus laatia kartat parityönä. Kirsti Lonka on tutkinut ylioppilaiden oppimisstrategioita lääketieteen opiskelijavalintojen aineistokokeen yhteydessä selvittääkseen, millaiset opiskelutavat ovat tehokkaita. Tietoa muokkaavilla oppimisstrategioilla todettiin olevan oppimista ja muistamista tehostava vaikutus. Käsitekartta on tietoa muokkaava tekniikka, jossa laatija joutuu muuntamaan tekstissä lineaarisesti esitetyn tiedon hierarkkiseksi siten, että käsitteiden väliset yhteydet tulevat selvästi esille. Käsitekarttojen laadinnalla on myönteinen vaikutus oppimiseen ja tiedon analysointiin sekä soveltamiseen [14]. Tutkimus osoittaa, että tiedon rakenteellistamisella on keskeinen asema oppimisessa. Tieto muodostaa rakenteellisen kokonaisuuden, ei lineaarista putkea. Oppimisen kannalta käsitekarttojen on KFR -kurssilla tarkoitus toimia juuri tiedon rakenteellistamisen välineenä. Tavoitteena on hahmottaa fysiikan tiedon rakenteellinen kokonaisuus, jonka avulla voidaan analysoida ja kehittää fysiikan opetusta (aivan kuten valintakokeeseen osallistuvat ylioppilaat joutuvat analysoimaan ja soveltamaan aineistossa esitettyä tietoa). Myös ulkomaisissa tutkimuksissa saatujen kokemusten mukaan käsitekarttatekniikan avulla voidaan lisätä opiskelun mielekkyyttä ja tehostaa oppimista. Mauri Åhlberg esittää artikkelissaan kaksi merkittävää tutkimustulosta käsitekarttojen käytöstä luonnontieteiden opetuksessa. Alaiyemolan, Jegeden ja Okebukolan tutkimusten (1990) mukaan ahdistuneisuus luonnontieteiden opiskelua kohtaan alenee tilastollisesti merkitsevästi (p < 0,01) siinä lukiolaisten ryhmässä, joka opiskelee käsitekarttatekniikan avulla. Käsitekarttojen käyttö selittää ahdistuneisuuden vähentymisestä 23,4 prosenttia [22, s.38]. Tutkimus osoittaa, että opiskelutekniikka vaikuttaa suhtautumiseen ja asennoitumiseen opiskeltavaa ainetta kohtaan. Käsitekarttatekniikka on keino lisätä opiskelun mielekkyyttä ja motivaatiota. Käsitekarttojen tekeminen houkuttelee ja motivoi ajattelemaan ja jäsentämään ajatuksia. Lisäksi Alaiyemolan ym. tutkimuksessa todettiin 25

30 käsitekarttojen käytön vähentävän hermostuneisuutta opiskelussa, etenkin pojilla [19, s.504]. Hermostuneisuuden vähentyminen liittyy opiskelun mielekkyyden lisääntymiseen. Oman ajattelun kautta syntynyt ymmärtäminen tekee oppimisesta mielekästä. Toisena merkittävänä tutkimuksena Åhlberg mainitsee Pankratiuksen tutkimuksen (1990), jossa havaittiin, että käsitekarttoja käyttäneet fysiikkaa opiskelleet ryhmät osasivat tilastollisesti melkein merkitsevästi (p < 0,025) paremmin ratkaista fysiikan ongelmia, kuin vertailuryhmät, jotka eivät käyttäneet opiskelussaan käsitekarttoja. Käsitekarttojen käyttö selittää osaamisen tason noususta 9,9 prosenttia [22, s.38]. Tuloksesta voidaan päätellä, että fysiikan oppimista voidaan tehostaa käsitekarttatekniikan avulla. Käsitekartan avulla rakenteellisessa muodossa jäsennetty tieto auttaa myös tiedon käyttämisessä ja soveltamisessa. Maria Araceli Ruiz-Primo ja Richard J. Shavelson ovat tutkineet käsitekarttojen käyttöä tiedeopetuksen arvioinnin välineenä ja todenneet käsitekarttojen ongelmaksi sen, etteivät ne mittaa tiedon käyttöä ja soveltamista ongelmanratkaisussa [20, s.573]. Pankratiuksen tutkimus kuitenkin antaa viitteitä siitä, että käsitekarttojen avulla jäsennettyä tietoa osataan myös soveltaa. Kuitenkaan käsitekartan avulla ei saada kuvaa tiedon käytön ja soveltamisen taidoista. Siihen täytyy käyttää jotain muuta arvioinnin välinettä. KFR - kurssilla tämä ei muodosta ongelmaa, sillä kurssin sisältö keskittyy fysiikan tiedon olemukseen: minkälaisista rakenteista se muodostuu, miten rakenteet syntyvät jne. Käsitekarttojen on tarkoitus tukea tiedon rakenteiden hahmotusta. Kun karttoihin sisällytetään prosessuaalisena rakenteena fysiikan empiirisen käsitteenmuodostuksen periaatteet ja vaiheet, on perusteltua olettaa karttojen tukevan myös tiedon soveltamisen taitoja (esim. merkityksiä ja käsitteitä luovien kokeiden suunnittelu). Wolf-Michael Roth ja Anita Roychoudhury ovat tutkineet käsitekarttojen käyttöä ja laatimista ryhmätyönä lukion fysiikan opetuksessa. Heidän tarkastelunsa lähtökohtana on karttojen laadintaan liittyvä prosessi. Saadaksemme tietoa ajattelun etenemisestä ja kehittymisestä käsitekarttatekniikassa, meidän on kiinnitettävä huomiota kartan laadintaprosessiin. Rothin ja Royhoudhuryn tutkimuksistaan kirjoittamasta artikkelista nousee esiin kaksi keskeistä osa-aluetta, joita käsitekarttojen laatimisprosessi kehittää: 1. Käsitekartat auttavat opiskelijoita kontrolloimaan ja tiedostamaan omia ajatteluprosessejaan. Käsitekarttojen laatiminen vaatii pitkäjännitteistä ja laaja-alaista aihepiirin tarkastelua, jonka aikana on mahdollista tutkia ja miettiä omaa ajatteluaan ja sen rakenteita sekä keskustella niistä muiden kanssa 2. Käsitekartan laatimisessa korostuu tiedon ymmärtäminen, joka syventyy kartan laadinnan aikana. Käsitekartan laatiminen auttaa luomaan aihepiiristä yhtenäisen käsiterungon ja hierarkian. [19] 26

31 27 Mahdollisuus oman ajattelun ja sen rakenteiden tunnistamiseen ja tiedostamiseen luo edellytykset myös niiden kehittämiselle. Omien ajatusten kriittisen reflektion kautta tapahtuva oppiminen lisää opiskelun mielekkyyttä. Koulufysiikan tietorakenteet -kurssilla diagnostisten karttojen tarkoitus on juuri mahdollistaa omien ajatusten tiedostaminen ja kriittinen arviointi. Omien ajatusrakenteiden vertailu kurssilla esitettyihin rakenteisiin mahdollistaa oman hahmotusprosessin etenemisen ja kehittymisen. Kartan laadinnan aikana tapahtuva omien tietojen ja ajatusten jäsentely auttaa ymmärtämään fysiikan tiedon luonnetta rakenteellisena ja yhtenäisenä kokonaisuutena. Roth ja Roychoudhury esittävät tutkimuksessaan käsitekarttojen heikkoutena sen, että ne saattavat vahvistaa vääriä mielikuvia tai jättää korjaamatta niitä [19, s.503]. KFR -kurssilla diagnostiset kartat toimivat luennoitsijan valmistautumisena luennolle, joten luennolla on mahdollista puuttua vääriin mielikuviin, keskustella niistä ja korjata niitä. Käsitekarttojen myönteisestä vaikutuksesta oppimisille ja vahvuudesta arvioinnin välineenä on runsaasti tutkimuksellista näyttöä. Kuitenkaan se ei yksin riitä perusteluksi käsitekarttojen käytölle oppimisen ja arvioinnin välineenä. Kaikkien opetusmenetelmien ja oppimisen arvioinnin välineiden käytön tulisi lähteä opetuksen sisällöstä ja tavoitteista. Opetuksen sisältö on ensin ja vasta sitten valitaan tarkoitukseen sopivimmat välineet. Esimerkiksi käsitekarttojen käyttöä ei ole mielekästä suunnitella lähtien siitä, että nyt tehdään käsitekarttoja, ja mietitään vasta sitten, että mistähän löytyisi sopiva aihe. Sopiva aihe, jonka opetukseen käsitekartat tuntuvat perustellusti tarkoituksenmukaiselta välineeltä, on oltava ensin. Opetusta ei voi suunnitella pelkästään opetusmenetelmien tai oppimisteorioiden ehdoilla, vaan opetusmenetelmien ja oppimisteorioiden on palveltava opetuksen sisältöä ja tavoitteita. KFR -kurssilla on käsitekartat katsottu välineeksi, joka palvelee hyvin kurssin sisällön oppimista ja oppimisen arviointia Käsitekartta fysiikan tietorakenteen esittämisen välineenä Kun tietoa halutaan esittää on aina valittava joku tiedon esitystapa. Tiedon esitystapa pyritään valitsemaan niin, että se on mahdollisimman informatiivinen ja käyttötarkoitukseen soveltuvin. Käyttötarkoitus määrää sen kuinka paljon ja minkäluonteista tietoa esitetään. Kun haluttaan esittää tietoa mahdollisimman laajasti ja täsmällisesti on esitystavan oltava sellainen, että siitä selviää kaikki tiedon olennaiset elementit ja piirteet sekä niiden muodostama kokonaisuus. Esimerkiksi jos halutaan esittää tietoa urheilukisojen keskeisistä tapahtumista ja tunnelmasta, on vapaamuotoisesti kirjoitettu tai puhuttu esitys soveltuvin. Jos taas halutaan esittää vain yhteenveto kisojen tuloksista, on taulukkomuotoinen esitys varmasti soveltuvampi kuin vapaamuotoinen teksti. Jos kisoista halutaan esittää laaja ja yleinen mutta samalla tulosten suhteen kattava ja täsmällinen esitys, on yhdistettävä tekstiä, taulukoita, kuvia jne.

32 Fysiikan käsitteelliset ja prosessuaaliset rakenteet käsitekartoissa Käsitekartat ovat erittäin käyttökelpoinen tapa fysiikan tietorakenteen esittämiseen. Luvussa osoitettiin, että käsitekartan avulla voidaan havainnollistaa hyvin tietoa, sen peruselementtejä, luonteenomaisia piirteitä ja niistä muodostuvaa kokonaisuutta. Erityisesti tiedon rakenteellisuus ja sen luonteenomaiset piirteet saadaan käsitekartan muodossa esille muita tiedon esitystapoja paremmin. Tarkastellaan nyt hieman yksityiskohtaisemmin, mitä nämä rakenteelliset piirteet fysiikassa ovat ja miten ne ilmenevät käsitekartoissa. Fysiikan tietorakenteen muodostuminen tiedollis-käsitteellisestä ja metodisprosessuaalisesta rakenteesta voidaan havainnollistaa käsitekarttatekniikalla. Tiedolliskäsitteellinen rakenne sisältää käsitteiden hierarkia- ja luokittelurakenteen. Ne voidaan ilmaista käsitteiden valinnalla ja jaottelulla sekä käsitelokeroiden sijoittelulla ja linkkien suunnilla. Esimerkiksi kuvan 4.1. (s.17) mekaniikan käsitekarttaan on valittu käsitteellisen rakenteen kannalta keskeiset käsitteet, jotka on jaoteltu hierarkkisiin luokkiin eri värien avulla ja lisäksi käsitelokerot on sijoitettu luokkien mukaisesti. Mekaniikan kokonaisuus on jaettu pyörimisen (alhaalla) ja etenemisen (ylhäällä) käsitteistöihin. Näin kartassa kokonaisrakenteesta hahmottuu sen tiedollis-käsitteellinen aspekti. Metodis-prosessuaalinen rakenne sisältää käsitteenmuodostusprosessin: käsitteiden synnyn, etenemisen, yleistymisen ja yhdentymisen. Ne voidaan ilmaista linkeillä, niiden sijoittelulla, suunnalla ja luonteella. Kuvan 4.1. mekaniikan käsitekartassa yleinen käsitteenmuodostuksen suunta (havainnoista teoriaan eli kvalitatiivisesta kvantitatiiviseen) on esitetty nuolin. Valituilla käsitteillä sekä käsitteiden järjestyksellä on esitetty keskeisten suureiden syntyprosessi, kvantifioinnin periaatteet ja vaiheet (esim. eteneminen vapaan kappaleen idean ja tasaisen liikkeen kautta nopeuden käsitteeseen). Prosessuaaliseen rakenteeseen kuuluva yleistymiskehitys näkyy esim. etenemisessä koko vuorovaikutustapahtuman voimakkuutta kuvaavan liikemäärän muutoksen ja impulssin kautta vuorovaikutuksen hetkellistä ja paikallista voimakkuutta kuvaavaan voiman käsitteeseen. (Huom! Kartasta puuttuvat kuitenkin voiman kvantifioinnin kannalta keskeiset tasaisen vuorovaikutuksen ja tasaisesti kiihtyvän liikkeen käsitteet.) Kartasta hahmottuvat hierarkiarakenteeseen erottamattomasti kietoutuvat prosessuaalisen rakenteen piirteet, käsitteenmuodostuksen eteneminen kvalitatiivisesta kvantitatiiviseen sekä käsitteiden yleistymiskehitys. Fysiikan prosessuaalinen rakenne luo käsitteellisen rakenteen ja kehittää sitä, mutta on toisaalta jatkuvassa vuorovaikutuksessa hierarkiarakenteen kanssa. Kokonaisrakenteen hallitsevana piirteenä voi olla hierarkkinen rakenne (kvalitatiivisen rakentuminen kvalitatiiviselle) tai prosessuaalinen rakenne (yleistymis- ja yhdentymiskehitys) riippuen aihepiiristä. Käsitekartta rakentuu vastaavalla tavalla. Käsitteenmuodostusprosessia kuvaavat linkit ja käsitteiden hierarkialle perustuva järjestys luovat yhdessä käsitelokeroiden muodostaman rakenteen ja kehittävät sitä. Toisissa aihepiireissä käsitteiden hierarkia (jaottelu ja järjestys) on rakenteen hallitsevana piirteenä, toisissa yleistymis- ja yhdentymiskehitys (linkkien luonne). Käsitekartassa voidaan fysiikan tiedon luomisen prosessi esittää erottamattomana osana fysiikan tietorakennetta ja painottaa kullekin aihepiirille ominaisia rakenteellisia piirteitä.

33 Käsitekarttojen sisällöllinen analysointi Käsitekarttojen, kuten muidenkin tiedon esitystapojen yhteydessä, ollaan kiinnostuneita esitetyn tiedon sisällöstä, joten tiedon analysointi on luontevaa perustaa sisällölle. Jotta kartoista voidaan saada sisällön kannalta keskeinen ja tarkoituksenmukainen tieto irti, täytyy analysoinnin näkökulmille asettaa kaksi vaatimusta. Näkökulmien on oltava sisällön kannalta keskeisiä, mutta kuitenkin sellaisia, että niitä on mahdollista käsitekartoista löytää, tarkastella ja tulkita. Fysiikan tietorakennetta esittävien karttojen analysoinnin näkökulmat ovat syntyneet fysiikalle ominaisista rakenteellisista piirteistä ja ovat ainoastaan sisällöllisiä. Toisaalta ne ilmenevät käsitekartoissa (luku ja ). Sisällön kannalta huomio kiinnittyy luonnollisella tavalla muutamiin keskeisiin elementteihin, joista kartan sisältö (fysiikan tietorakenne) muodostuu. Kartan sisällön perustan muodostavat karttaan valitut käsitteet. Valinnassa on olennaista, että valitut käsitteet ovat aihepiirin tietorakenteen kannalta keskeisiä. Toiseksi valittujen käsitteiden on katettava aihepiirin perusrunko sekä mielikuva- että hierarkiarakenteen kannalta. Tämä merkitsee kaikkien käsiteluokkien (oliot, ilmiöt, ominaisuudet, suureet, lait ja teoriat) ja perusmielikuvan (syy-seuraussuhteet) osapuolien mukana oloa kaikilla hierarkkisilla tasoilla. Käsitteiden merkityksen esittäminen perustuu kvantitatiivisen tason käsitteiden kiinnityksiin kvalitatiivisiin käsitteisiin. Kartasta tulisi selvitä miten kvantitatiiviset käsitteet liittyvät kvalitatiivisiin eli miten kvantitatiivinen tieto rakentuu kvalitatiiviselle. Prosessuaalinen rakenne ilmenee kartan kokonaisrakenteessa, joka riippuu käsitelokeroiden ja linkkien sijoittelusta ja luonteesta, joiden tulisi ilmaista käsitteenmuodostuksen suunta havainnoista teoriaan ja erityisestä yleiseen sekä suureiden syntyprosessi, kvantifiointi, ja sen vaiheet. Kartan rakenteessa tulisi näkyä myös käsitteiden merkitysten kehittymisen luomat yhdentymiset ja yleistykset. Kartassa esitettyjen käsitteiden muodostamista luokittelurakenteista voidaan tarkastella luokitusten ja rinnastusten empiiristä oikeutusta ja mielekkyyttä. Kaarle Kurki-Suonio on jäsentänyt edellä esitetyt sisällölliset piirteet seitsemäksi keskeiseksi analysoinnin näkökulmaksi: 1. Käsitteiden valinta 2. Perusmielikuvan ilmeneminen 3. Hierarkiarakenne 4. Käsitteiden kiinnitykset 5. Prosessuaalinen rakenne 6. Luokittelut, rinnastukset ja 7. Yleistykset Nämä näkökulmat ovat fysiikan kannalta hyvin perusteltuja. Ne kattavat kaikki fysiikan tietorakenteen piirteet, joihin Koulufysiikan tietorakenteet -kurssilla keskitytään. Toisena näkökulmille asetettavana vaatimuksena esitettiin, että niitä on mahdollista käsitekartoista tarkastella. Analysoinnin tavoitteena on saada tarkoituksenmukaista tietoa kaikista kartoista, riippumatta karttojen esitysmuodosta ja sisällön laadusta. Karttojen sisällön tulkinnoille ja tehdyille johtopäätöksille on oltava perustelut. Analysoinnin on kyettävä perustelemaan, miksi tai missä mielessä toinen kartta on parempi kuin joku toinen.

34 30 Käsitekarttojen analysoinnin näkökulmia ja menetelmiä voidaan havainnollistaa mekaniikan esimerkkikarttojen avulla (kuvat 4.1. ja 4.2.). Tarkastellaan jo aiemmin esitettyä mekaniikan karttaa 1 (kuva 4.1., s.17) ja edellisellä sivulla esitettyä mekaniikan karttaa 2 (Kuva 4.2., s.31). Kartan 1 yhteydessä tarkasteltiin, miten käsitekartan avulla voidaan havainnollistaa fysiikan tietorakenteen keskeisiä piirteitä, joihin edellämainitut analysoinnin näkökulmatkin perustuvat. Sisällöltään hyvässä kartassa nämä piirteet ovat selvästi tunnistettavissa ja tulkittavissa. Kartta 2 vaikuttaa ensisilmäyksellä rakenteeltaan ja esitykseltään selkeämmältä ja havainnollisemmalta kuin kartta 1. Kun karttojen sisältöön perehdytään tarkemmin, havaitaan, että kartta 2 on sisällöllisesti varsin puutteellinen ja huomattavasti köyhempi kuin kartta 1. Kartasta 2 puuttuu rakenteen kannalta erittäin keskeisiä, etenkin kvalitatiivisen tason käsitteitä (esim. vuorovaikutus, vuorovaikutuksen voimakkuus, hitaus, liikkeen määrä jne.). Myöskään mekaniikan keskeinen perusmielikuva (vuorovaikutus liiketilan muutosten syynä) ei ilmene kartasta millään tapaa. Kun käsitteiden valinta on kvalitatiivisella tasolla puutteellinen, puuttuu myös suureilta ja laeilta merkitysten mukainen kiinnitysperusta ja ne on kiinnitetty täysin merkityksettömästi toisiinsa. Näin ollen karttaan ei muodostu minkäänlaista hierarkkista rakennetta, vaikka käsiteet onkin pyritty jaottelemaan hierarkkisiin luokkiin erottelemalla luokat erimuotoisin lokeroin (soikiot olioita, ympyrät suureita ja laatikot lakeja). Kartassa ei ole millään tapaa ositettu käsitteenmuodostuksen suuntaa, suureiden kvantifioinnin vaiheita ja periaatteita eikä niille perustuvaa merkitysten yleistymiskehitystä. Luokittelurakenteissa liikkeen lajien luokittelu (eteneminen, pyöriminen, värähtely) on empiiristen luokkien mukaista, mutta fysiikan osa-alueita ja oppirakenteita luokitteleville käsitteille perustuva rakenne ei ole tietorakenteen kannalta havainnollinen (sillä ei ole keskeistä roolia käsiterakenteessa ja käsitteenmuodostuksessa, päinvastoin se rikkoo perusmielikuvan). Kaiken kaikkiaan kartta 2 ei muodosta fysiikalle luonteenomaista hierarkkisesti ja prosessuaalisesti rakenteellista tiedon kokonaisuutta. Analysointimenetelmän voidaan sanoa olevan syklinen. Analysoitavaa karttaa tarkastellaan ensin kokonaisuutena ja pyritään luomaan yleiskuva kartan sisällöstä (rakenne, laatu ja luonne). Vasta tämän jälkeen kartasta muodostunutta yleiskuvaa aletaan tarkentaa tarkastelemalla kartan sisältöä yksityiskohtaisesti erikseen kunkin näkökulman puitteissa. Yksityiskohtaisen analysoinnin jälkeen palataan jälleen kartan muodostamaan kokonaisuuteen ja tarkastellaan sitä eri näkökulmien puitteissa havaittujen piirteiden (puutteet ja virheet) valossa, ja muodostetaan lopullinen kuva kartan sisällöstä, sen laadusta ja luonteesta. Analysointiprosessin tavoitteena on saada tietoa laatijoiden ajatusrakenteista ja käsityksistä fysiikasta. Käsitekartat antavat erityisesti tietoa laatijansa rakenteellisista mielikuvista. Kartan sisältö muodostuu peruselementeistä, joiden esiintymistavasta ja muodosta tai puuttumisesta voidaan päätellä laatijan ajattelun luonnetta ja tasoa.

35 Kuva 4.2. Mekaniikan käsitekartta 2 31

36 Rakenteellisista piirteistä voidaan muodostaa karttojen arvioinnin kriteerit täsmentämällä analysoinnin näkökulmat kvantitatiivisiksi, pisteytetyiksi kriteerikohdiksi. Näin käsitekartat toimivat laatijan ajattelun tason ja laadun mittarina eli arvioinnin välineenä (katso luku 7.). Kurssin sisältö rakentuu näistä näkökulmista ja niiden esiintymisestä fysiikan osa-alueilla ja niitä yhdistävissä teemoissa ja periaatteissa. Käsitekarttojen laatiminen kiinnittää huomion juuri näihin kurssilla esitettyihin fysiikan käsiterakenteen oleellisiin piirteisiin. Näin käsitekartat auttavat tunnistamaan ja hahmottamaan näitä piirteitä ja toimivat oppimisprosessin merkittävänä osana eli oppimisen välineenä. Karttojen esitystapaa ja muotoa ei arvioida eikä siitä voitaisikaan saada tietoa laatijan ajattelun rakenteista. Kartan arvioinnin ja hyvyyden kannalta on yhdentekevää, eteneekö kartta ylhäältä alas, alhaalta ylös, kulmasta kulmaan, keskeltä reunoille, reunoilta keskelle tai onko se tehty käsin vai tietokoneella, onko se värillinen vai väritön, minkä muotoisia, näköisiä ja värisiä lokerot ja linkit ovat jne. jne. Jokainen voi käyttää omien ajatusrakenteiden esittämiseen soveltuvimmaksi katsomaansa käsitekartan esitystapaa ja muotoa Johtopäätökset Käsitekarttojen käyttö fysiikan käsitteellisten ja prosessuaalisten rakenteiden esittämisen välineenä on fysiikan kannalta erittäin toimiva ratkaisu, joka mahdollistaa käsitekarttojen monipuolisen hyödyntämisen opetuksessa. Käsitekarttojen avulla voidaan tukea kurssin sisällön hahmotusprosessia, niiden avulla on mahdollista saada tietoa osanottajien ajatusrakenteista ja niiden kehittymisestä kurssin aikana. Lisäksi käsitekarttoja on mahdollista käyttää kurssin arvioinnin välineenä, sillä niissä ilmenee hyvin kurssin keskeinen sisältö.

37 33 5. Diagnostiset kartat 5.1. Mitä diagnostisista kartoista voidaan nähdä? Käsitekartoista saatavan tiedon käsittelyssä on oltava viitekehys, jonka puitteissa tietoa voidaan käsitellä ja jäsentää. Opetuksen kehittämisen kannalta pelkkä oppilaiden tietojen toteaminen ei ole hedelmällistä. Ei ole tarkoituksenmukaista kerätä äärettömän pitkää yksityiskohtaista listaa siitä, mitä opiskelijat eivät tiedä tai osaa. Tärkeämpää on pyrkiä luomaan yhtenäinen kokonaiskuva siitä, minkälaisia opiskelijoiden ajatusrakenteet ovat ja minkälaisia tyypillisiä piirteitä ja puutteita niissä on. Tässä luvussa esitetään se tieto, joka on saatu diagnostisista käsitekartoista KFR kurssilla. Tieto on käsitelty ja pyritty jäsentämään kokonaisuudeksi sen teoreettisen viitekehyksen puitteissa, joka on esitetty luvussa Diagnostisista kartoista saatavan tiedon osa-alueet Diagnostiset kartat antavat hyvän kuvan laatijan ajattelutavoista, mielikuvista ja käsityksistä fysiikasta. Kun karttoja analysoidaan KFR -kurssin perustana olevan fysiikan tietorakenteen näkökulmasta, on karttojen rakenteellisten piirteiden tai niiden puuttumisen tunnistaminen usein varsin helppoa. Esimerkiksi jonkun käsiteluokan käsitteiden puuttuminen on varsin helposti havaittava piirre. Kartoista on tunnistettavissa runsaasti yhteisiä piirteitä ja erilaisia persoonallisia korostuksia sekä käsitteellisessä että karttojen esityksellisissä rakenteissa. Näiden piirteiden tunnistaminen ja tulkitseminen antavat hyvin monipuolista tietoa, joka voidaan luokitella tiedon kohteen perusteella kahteen keskeiseen luokkaan: 1. Tieto laatijoiden ajatusrakenteista, mielikuvista ja käsityksistä 2. Tieto käsitekarttatekniikasta Tämä tutkimus keskittyy ensimmäiseen luokkaan, sen luonteeseen ja sisältöön. Kuitenkin tämän tiedon löytäminen ja tulkitseminen antavat aina tietoa myös käsitekarttatekniikasta tiedon esittämisen ja tiedon hankkimisen välineenä. Toisaalta jo tekniikan käytön suunnittelussa on otettava huomioon se, minkälaista tietoa tekniikan avulla halutaan saada. KFR -kurssilla halutaan saada tietoa ennen kaikkea osanottajien rakenteellisista mielikuvista, niiden kehittymisestä ja siitä fysiikan tietorakenteesta, jonka osanottajat ovat kurssin aikana omaksuneet. Käsitekartta on katsottu tarkoituksenmukaisimmaksi tavaksi tämänluonteisen tiedon esittämiseen. Käsitekarttatekniikan käytön perusteluja on käsitelty tarkemmin luvussa 4. ja erityisesti luvussa 4.5. Useiden vuosien aikana kerätty kokemus ja aineisto vahvistaa käsitystä käsitekarttojen soveltuvuudesta kurssille luonteenomaisena tiedon esitystapana ja tietojen arvioinnin välineenä.

38 Diagnostisista kartoista saatavan tiedon luonne Diagnostisista kartoista voidaan tunnistaa ja luokitella mielikuvarakenteiden ja käsitysten tyypillisiä piirteitä. Piirteiden tunnistaminen perustuu rakenteissa havaittaviin virheisiin ja puutteisiin. Toisaalta kartoista voidaan tunnistaa myös rakenteellisia piirteitä, jotka on omaksuttu hyvin tai ovat muuten korostetusti esillä. Diagnostisista kartoista saatavan tiedon pääpaino on kuitenkin rakenteiden puutteissa ja virheissä. Tämä johtuu siitä, että diagnostiset kartat ovat pääosin sisällöltään hyvin köyhiä, niiden näkökulmien puitteissa, joissa niitä tällä kurssilla tarkastellaan. Tämä yleinen havainto tukee ajatusta, että kurssilla tarvitaan aktivointiväline, jolla osanottajat saadaan pohtimaan ajatuksiaan ja käsityksiään fysiikan osa-alueiden tietorakenteesta. Kun osanottajat ovat valmistautuneet luennolle pohtimalla omia ajatuksiaan, he voivat rekonstruoida ja kehittää ajatusrakenteitaan kurssilla esitettyjen rakenteiden perusteella. Toisaalta tieto rakenteiden puutteellisuudesta antaa luennoitsijalle mahdollisuuden painottaa luennolla sellaisia rakenteiden piirteitä, jotka ovat yleisesti puutteellisia tai virheellisiä. Diagnostisista kartoista saatavan tiedon analysoinnissa on otettava huomioon, että laatijoiden panostus karttojen laadintaan vaihtelee huomattavasti, joten diagnostiset kartat eivät mittaa luotettavasti osanottajien fysiikan tietojen määrää ja laatua, vaan antavat vain kuvan heidän rakenteellisista mielikuvistaan. Kuitenkin yliopiston laudaturkurssin osanottajien voidaan olettaa laativan kartat sen verran tosissaan, että karttojen antama yleiskuva on varsin totuudenmukainen. Diagnostiset kartat analysoitiin osa-aluekohtaisesti, kartta kerrallaan. Näin saatu tieto oli varsin kattavaa mutta hajanaista. Kuitenkin yksittäisten karttojen piirteissä oli selvästi havaittavissa yhteisiä ominaisuuksia, jotka mahdollistavat tiedon yleistämisen ja jäsentämisen yhtenäisemmäksi kokonaisuudeksi. Osoittautui, että karttojen rakenteellisten virheiden ja puutteiden luonteenomaiset piirteet olivat aihepiiristä ja laatijasta riippumattomia. Näin aihepiirikohtaisista käsityksistä saatavasta tiedosta voidaan muodostaa kokonaiskuva yleisistä käsityksistä ja mielikuvista, joita osanottajilla on fysiikan tietorakenteesta. Diagnostisten karttojen tarkasteluissa kootun tiedon jäsentely yleisiin piirreluokkiin mahdollistaa tiedon spesifisemmän käsittelyn. Yleisten virhetyyppien löytymisen jälkeen voidaan tarkastella niiden esiintymistä fysiikan eri osa-alueilla. Näin saadaan osaaluekohtaista tietoa laatijoiden rakenteellisista mielikuvista ja käsityksistä, joiden perusteella voidaan tunnistaa fysiikan osa-alueiden rakenteeseen tai tiettyihin käsitteisiin liittyviä puutteellisia tai vääriä mielikuvia. Diagnostiset kartat antavat hyvin monipuolista ja laajaa tietoa, joka ulottuu yhtä tiettyä fysiikan käsitettä koskevista virheellisistä käsityksistä aina yleisemmin fysiikan käsiterakennetta ja käsitteenmuodostusta koskeviin mielikuviin. Yleisiä piirreluokkia tarkastellaan tarkemmin seuraavissa luvuissa. Niiden esiintymistä eri osa-alueilla sekä osa-alueisiin liittyviä yleisiä virheellisiä mielikuvia ja vääriä käsityksiä tarkastellaan luvussa 5.3. Fysiikkaan liittyviä käsityksiä ja mielikuvia kartoittavan tiedon lisäksi diagnostisista kartoista saadaan tietoa käsitekarttatekniikan käytöstä fysiikan tietorakenteen esittämisen välineenä. Teoreettiset perustelut käsitekarttojen käytölle on esitetty jo aiemmin ja diagnostisista kartoista voidaan etsiä niille kokeellista tukea ja vahvistusta. Kerätyn aineiston perusteella voidaan tarkastella esityksellisiä ongelmia ja piirteitä, joita

39 käsitekartoista on löydettävissä. Esitykseen liittyviä seikkoja on tarkasteltu tarkemmin luvussa 5.4. Tutkimuksen aineisto koostuu sekä lukukautisten opiskelijoiden että täydennyskoulutukseen osallistuvien opettajien kartoista, joten diagnostisista kartoista saadaan tietoa myös yliopiston opiskelijoiden ja koulun opettajien käsitysten ja mielikuvien eroista. Opettajien ja opiskelijoiden karttojen eroja voidaan tarkastella sekä tyypillisten virheluokkien että esityksellisten piirteiden näkökulmasta. Näitä eroja on käsitelty yksityiskohtaisemmin luvussa 5.5. Kun on selvitetty, minkälaisia käsitykset ja mielikuvat fysiikan tietorakenteesta ovat, seuraa luonnollisena jatkona kysymys siitä, miksi ne ovat sellaisia kuin ovat. Syiden ja taustojen pohtiminen on erittäin tärkeää fysiikan opetuksen kehittämisen kannalta. Näitä pohdintoja esitettään lyhyesti luvussa Yleiset virheet ja puutteet Yksittäisiä fysiikan osa-alueita tai osa-alueita yhteenkytkeviä teemoja käsittelevistä diagnostisista kartoista tunnistetut käsitteelliset ja rakenteelliset virheet ja puutteet voidaan yleistäen luokitella tyypillisiin luokkiin. Nämä luokat ovat samastettavissa fysiikan tiedon rakenteellisiin piirteisiin, joiden pohjalta käsitekarttojen sisältöä on analysoitu. On tietenkin luonnollista, että virheitä ja puutteita löytyy juuri tarkasteltavien näkökulmien alueelta. Ihmeellistä on kuitenkin se, että huomattavia virheitä ja puutteita löytyy jokaisen näkökulman piiristä ja jokaisella fysiikan osa-alueella niin paljon, että koko fysiikan tietorakennetta koskevien käsitysten ja mielikuvien voidaan sanoa olevan virheellisiä ja puutteellisia (niiden rakenteellisten piirteiden valossa, joissa niitä tässä yhteydessä käsitellään). Diagnostisissa kartoissa esiintyvät tyypilliset virheet ja puutteet voidaan jakaa neljään yleiseen virhe- ja puuteluokkaan: 1. Käsitteiden valintaan liittyvät virheet ja puutteet 2. Käsitteiden kiinnityksiin liittyvät virheet ja puutteet 3. Hierarkiarakenteeseen liittyvät virheet ja puutteet 4. Prosessuaaliseen rakenteeseen liittyvät virheet ja puuteet Jatkossa käsitellään luokittelun perusteita sekä luokkien sisältöä, joita havainnollistetaan kuvassa 5.1. (s.36) olevan, eräiden KFR -kurssin opiskelijoiden laatiman sähköopin (sähkövaraus ja sähkövirta ilmiöalueen) diagnostisen kartan avulla.

40 36 Kuva 5.1. Sähköopin diagnostinen kartta Käsitteiden valinta Kartan sisällön kannalta on olennaista, mitkä käsitteet karttaan on valittu. Valitut käsitteet muodostavat kartan rakentamisen perustan. Käsitteiden valintaan liittyvät puutteet ja virheet kertaantuvat muissa luokissa ja kartan yleisessä sisällössä. Puutteellinen käsitteiden valinta johtaa automaattisesti puutteisiin myös käsitteiden kiinnityksissä sekä kartan hierarkkisessa ja prosessuaalisessa rakenteessa. Diagnostisten karttojen käsitteiden valinnassa esiintyy seuraavia virhetyyppejä: Keskeisten käsitteiden tai käsiteluokkien puuttuminen Fysiikan tietorakenteen kannalta epäolennaiset käsitteet kartan elementteinä Esitettävän fysiikan osa-alueen tietorakenteen kannalta epäolennaiset käsitteet kartan elementteinä Keinotekoiset ja virheelliset käsitteet

41 Näistä ylivoimaisesti yleisin on jonkun käsiteluokan (oliot, ilmiöt, ominaisuudet, suureet, lait ja teoriat) puuttuminen kartasta kokonaan tai osittain. Tätä esiintyy tasapuolisesti kaikkien käsiteluokkien osalta ja kaikissa aihepiireissä. Kokonaisen käsiteluokan puuttuminen johtaa väistämättä myös kiinnityksellisiin ja rakenteellisiin puutteisiin. Esimerkiksi jos kvalitatiivisen tason käsitteet (oliot, ilmiöt ja ominaisuudet) puuttuvat, ei suureita ja lakeja voida kiinnittää niiden empiirisen merkityksen mukaisesti. Käsiteluokkien osittainen puuttuminen näkyy siinä, että kartasta puuttuu osa-alueen käsite- ja mielikuvarakenteen kannalta keskeisiä käsitteitä eli käsitteiden valinta ei ole rakenteen kannalta kattavaa. Erityisesti, jonkun ilmiöalueen perusmielikuvan osapuolen puuttuminen on varsin yleistä. Kuvan 5.1. sähköopin diagnostisessa kartassa havaitaan juuri tämä yleisin käsitteiden valintaan liittyvä puute, kokonaisen käsiteluokan puuttuminen. Kartasta puuttuvat lähes kaikki keskeiset kvalitatiivisen tason käsitteet (esim. sähköinen vuorovaikutus, varautuminen, virtapiiri, lähde jne.), joista ilmiöalueen mielikuvarakenne muodostuu. Tyypillinen käsitteiden valintaan liittyvä virhe on myös tietorakenteen kannalta täysin epäolennaisten käsitteiden valitseminen kartan elementeiksi (esim. suureiden tunnukset ja yksiköt, fysiikan osa-alueita ja oppirakenteita luokittelevat käsitteet ja yhteiskunnallisiin näkökulmiin liittyvät käsitteet). Kolmas käsitteiden valintaan liittyvä virheellisyys on täysin keinotekoisten, itsekeksittyjen tai opetuksesta ja kirjallisuudesta omaksuttujen, vääriä mielikuvia ruokkivien tai täysin virheellisten termien käyttäminen kartan käsitteinä (esim. lämpölaajenemiskerroin pituuden lämpötilakertoimen asemasta). Oman luokkansa muodostavat myös kartoissa esiintyvät fysiikan kannalta oikeat ja tärkeät, mutta kyseisen osa-alueen kannalta täysin epäolennaiset käsitteet (esim. kuvan 5.1. kartassa aika, keskeisenä sähkövaraukseen ja sähkövirtaan liitettynä käsitteenä). Kartan laatimisen keskeisin ongelma näyttääkin olevan osa-alueen tietorakenteen keskeisten käsitteiden tunnistaminen. Käsitteiden puutteellinen ja virheellinen valinta on suurin syy siihen, että karttojen esittämät rakenteet ovat puutteellisia ja virheellisiä Käsitteiden kiinnitykset Käsitteiden oikeanlainen ja kattava valinta ei vielä takaa, että diagnostisten karttojen esittämät rakenteet olisivat fysiikan tietorakenteen mukaisia. Käsitteiden kiinnityksissä esiintyy seuraavia virhetyyppejä: Kiinnitysten puuttuminen Empiiristen merkitysten vastaiset kiinnitykset Keinotekoiset kiinnitykset Kiinnitysvirheet koskevat erityisesti kvantitatiivisia käsitteitä. Niiden kytkeminen kvalitatiivisiin vastineisiinsa (kvantitatiivisen rakentuminen kvalitatiiviselle) on yleisesti puutteellista. Erittäin suuren virheryhmän muodostavat täysin satunnaiset ja epäolennaiset kiinnitykset, jotka eivät ole käsitteiden empiiristen merkitysten mukaisia. Etenkin suureiden kiinnityksissä esiintyy virheitä ja puutteita. Tämä johtuu usein siitä, että ominaisuudet käsiteluokkana puuttuu, jolloin suureita ei voida kiinnittää empiirisen merkityksensä mukaisiin käsitteisiin ja ne liitetään sattumanvaraisesti vain johonkin. Oman kiinnitysvirhetyyppinsä muodostavat täysin keinotekoiset kiinnitykset. Niitä ovat esimerkiksi teoreettiset, laskennalliseen näkökulmaan liittyvät kiinnitykset, jotka eivät ole millään tapaa käsitteiden merkitysten mukaisia. Esimerkiksi mekaniikan yhteydessä

42 kiinnitys, jossa aikaväli vaikuttaa kiihtyvyyteen, on täysin algebrallinen kiinnitys, joka on fysiikan kannalta virheellinen ja sotkee perusmielikuvan mukaiset syy-seuraussuhteet. Kiinnitysten keinotekoisuuteen liittyy usein täysin eri abstraktiotason (makro, jatkuvan aineen ja atomaariset) käsitteiden kiinnittäminen suoraan toisiinsa (eli samaistaminen). Usein esiintyvä, eri abstraktiotasot sekoittava virhetyyppi on ilmiöiden samaistaminen niitä selittäviin atomaarisiin malleihin. Esimerkiksi sähkövirran suora linkittäminen elektronien liikkeeseen, jonka avulla sähkövirta määritellään, on fysiikan kannalta virheellinen, koska se samaistaa kaksi aivan eri abstraktiotason käsitettä. Diagnostisissa kartoissa esiintyy myös usein täysin kiinnittämättömiä, irrallisia käsitteitä, jotka heijastavat sitä, että käsitenimet tunnetaan, mutta itse käsitteiden merkityksistä ei ole aavistustakaan. Tietyllä tapaa kiinnittämättömyys kuuluu myös karttojen esityksellisiin ongelmiin ja piirteisiin. Kuvan 5.1. kartassa esiintyy lähes kaikkia näitä mahdollisia kiinnitysvirhetyyppejä. Yleisesti kartan suureita ei ole kiinnitetty empiirisen merkityksen mukaisesti, johtuen siitä, että kiinnitysperusta, ominaisuudet käsiteluokkana, puuttuu. Näin ollen vaihtoehdoksi on jäänyt käsitteiden virheellinen (ei empiirisen merkityksen mukainen) kiinnittäminen tai kiinnittämättä jättäminen. Esimerkiksi Coulombin laki on kiinnittämättä, vaikka onkin sijoitettu oikealle alueelle ja jännite on kiinnitetty merkityksettömästi etäisyyteen ja energiaan. Käsitteiden kiinnitykset muodostavat sijoittelun ohella kartan rakenteen, joten kiinnityksiin liittyvät puuteet ja virheet heijastuvat aina myös hierarkkisessa ja prosessuaalisessa rakenteessa. Kiinnitysvirhe tai puute on usein samalla myös hierarkiavirhe, kuten eri abstraktiotason käsitteiden samaistaminen, tai prosessuaalinen virhe, kuten käsitteen kiinnittämättömyys empiiriseen merkitykseensä Rakenteelliset piirteet Käsitteiden kattava valinta ja empiiristen merkitysten mukainen, oikeutettu ja mielekäs kiinnittäminen johtaa usein myös fysiikan tietorakenteen mukaiseen hierarkkiseen ja prosessuaaliseen rakenteeseen. Diagnostisissa kartoissa käsitteiden valinnassa ja kiinnityksissä esiintyy kuitenkin niin paljon puutteita ja virheitä, että myös rakenteelliset piirteet ovat puutteellisesti tai virheellisesti esillä. Etenkin hierarkiarakenteen virheet ja puutteet ovat erittäin suurelta osin seurausta käsitteiden puutteellisesta valinnasta ja virheellisistä kiinnityksistä, kuten edellä käsitellyssä kuvan 5.1. kartassa. Hierarkiavirheiden tyypillinen esiintymismuoto on käsitteiden hierarkkisten luokkien mukaisen jaottelun puutteellisuus. Eri luokkien käsitteet on sijoitettu karttaan sattumanvaraisesti, jolloin hierarkkinen rakenne hajoaa ja keskeiset rakenteelliset piirteet, kvantitatiivisen rakentuminen kvalitatiiviselle, suureiden merkitysten kehityslinjat ja yleistykset, puuttuvat. Kartan lopullinen rakenne muodostuu käsitelokeroiden ja niiden välisten linkkien sijoittelusta. Käsitteiden ja linkkien sijoittelun ongelmat ovat osaltaan esityksellisiä, mutta jos käsitteiden valinta ja kiinnitykset on kohdallaan, sijoittelu muodostaa hierarkkisen rakenteen kannalta ongelmia hyvin harvoin. Käsitteiden valinta ja kiinnitykset muodostavat perustan myös kartan prosessuaaliselle rakenteelle. Prosessuaaliseen rakenteeseen liittyvät tyypilliset virheet ja puutteet liittyvät linkkien suuntiin ja luonteisiin (linkkisanoihin). Käsitteenmuodostusprosessi puuttuu kokonaan tai sen suunta on nurin päin. Käsiteet eivät yhdenny vaan hajaantuvat.

43 Käsitteenmuodostus etenee väärään suuntaan eli yleisestä erityiseen ja abstraktista konkreettiseen. Kvalitatiivisten käsitteiden puuttuminen johtaa väistämättä myös prosessuaalisen rakenteen hajoamiseen. Havainnoista liikkeelle lähteminen ja suureiden syntyprosessi puuttuvat. Kuvan 5.1. kartassa juuri kvalitatiivisen tason käsitteiden puutteellisuus perusmielikuvan tasolla (sekä sähköstatiikan että virtapiirien osalta) johtaa siihen, etteivät käsitteiden linkitykset muodosta fysiikalle luonteenomaista prosessuaalista rakennetta. Kartasta puutuu sähköopin keskeinen prosessuaalinen rakenne, käsitteenmuodostus (suureiden syntytapa ja järjestys) erikseen sähköstatiikassa ja virtapiireissä sekä niiden yhdentyminen. Yleinen prosessuaaliseen rakenteeseen liittyvä puute on keskeisten suureiden syntyprosessien, kvantifiointien, ja niiden vaiheiden puuttuminen. Erityisesti mekaniikan osalta eteneminen vapaan kappaleen ja tasaisen vuorovaikutuksen idean kautta nopeuden ja kiihtyvyyden käsitteisiin puuttuu (vertaa mekaniikan karttoja 4.1. s.20 ja 4.2. s.31). Diagnostisten karttojen luokittelurakenteissa esiintyy myös paljon virheitä ja puutteita. Niitä ei kuitenkaan ole yleistetty yleiseksi virhe- ja puuteluokaksi, koska niiden rooli ja painotus on fysiikan eri osa-alueilla hyvin erilainen. Esimerkiksi useissa koko fysiikkaa läpäisevissä aiheissa, kuten vuorovaikutus, kenttä ja energia, luokittelurakenteilla on keskeinen asema tietorakenteessa, kun taas useissa ilmiöalueisiin liittyvissä aiheissa, kuten sähkö- ja lämpöoppi, luokittelurakenteilla ei ole keskeistä asemaa tietorakenteessa. Yleisiä luokittelurakenteisiin liittyviä virheitä ovat luonnottomat ja empiirisen käsitteenmuodostuksen kannalta merkityksettömät luokittelut ja rinnastukset (esim. puhtaasti matemaattisten luokkien, kuten ympyräliike ja suoraviivainen liike, käyttäminen liikeilmiöiden luokitteluun) Johtopäätöksiä yleisistä virheistä ja puutteista Diagnostisista kartoista muodostunut kokonaiskuva fysiikan opettajien ja opettajaksi opiskelevien fysiikkaan liittyvistä käsityksistä ja rakenteellisista mielikuvista ei ole mitenkään mieltäylentävä. Kuva fysiikan tietorakenteesta (käsitteistä, niiden välisistä suhteista, ja niiden muodostamasta rakenteesta) on kaikista keskeisistä näkökulmista katsoen niin puutteellinen, että voidaan päätellä, ettei näitä rakenteellisia piirteitä tunnisteta eikä niitä ole osattu ajatellakaan. Yleiset virheluokat pitävät sisällään kaikki keskeiset kysymykset, joiden vastauksista fysiikan tietorakenne muodostuu: Mitkä ovat osa-alueen keskeiset käsitteet? Miten ne syntyvät? Minkälaisia ovat niiden väliset suhteet? Minkälaisen rakenteen ne muodostavat? Kun kaikkien näiden kysymysten alueilla esiintyy huomattavan paljon virheitä ja puutteita voidaan sanoa, että opetus, joka pyrkii fysiikan rakenteiden osoittamiseen ja hahmottamiseen on tarpeellista. Kurssin suunnittelun kannalta diagnostiset kartat täyttävät erinomaisesti diagnostisen tarkoituksensa.

44 Yleisten virheluokkien esiintyminen eri osa-alueilla Yleisten virhe- ja puuteluokkien esiintymisestä eri osa-alueilla voidaan nähdä joitakin päälinjoja. Tietyn tyypin virheitä voidaan löytää enemmän ja useammin tietyn tyyppisistä kartoista. Jokainen kartan otsikko sekä jokainen yksittäinen kartta on omansalainen. Jokaisen kartan sisällön painotukset ja korostukset riippuvat kartan otsikosta ja kartan laatijasta. Kunkin otsikon aihepiiriin liittyviä mielikuvia ja käsityksiä voitaisiin tarkastella erikseen mutta tässä yhteydessä tarkastellaan yleistä virhe- ja puutetyyppien jakautumista eri osa-alueiden kesken. Käsitteiden valintaan liittyvät puutteet ja virheet ovat yleisiä kaikilla osa-alueilla, mutta niiden luonteessa voidaan nähdä eroja osa-alueiden välillä. Ilmiöalueita käsittelevissä tyypin A (katso luku 4.2. s.20) kartoista puuttuu useimmiten kvalitatiivisen tason käsitteet (oliot, ilmiöt ja ominaisuudet). Ilmiöalueiden osalta käsitteiden valinta on usein muutenkin puutteellista (esim. kuva 5.1.). Ilmiöalueita ja koko fysiikkaa läpäiseviä teemoja käsittelevissä tyypin B kartoista puuttuvat tyypillisesti kvantitatiivisen tason käsitteet (suureet ja lait). Tämä ero on vain pääsuuntaus ja kaiken tyyppisiä käsitteiden valintaan liittyviä puutteita esiintyy kaikilla osa-alueilla. Eräänä osa-aluekohtaisena havaintona voidaan todeta, että lämpöopin kartoista puuttuvat lähes aina perusmielikuvan osapuolet (systeemi, ympäristö, terminen vuorovaikutus ja tasapainotila), joka aiheuttaa osaltaan muun rakenteen hajoamisen. Perusmielikuvan puuttuminen on yleistä myös aaltoliike-ääni-valo aihepiirin kartoissa. Kiinnitysvirheissä ja puutteissa voidaan löytää muutamille osa-alueille tyypillisiä piirteitä. Etenkin lämpöopin sekä sähkövarauksen ja sähkövirran kartoissa esiintyy eri abstraktiotason käsitteiden samaistamista. Käsitteiden kiinnitykset muodostavat keskeisen ongelmakohdan lämpöopin kartassa myös siksi, että perusmielikuvan osapuolet, jotka toimivat käsitteiden keskeisenä kiinnitysperustana, puuttuvat. Yksittäistä käsitettä koskevana kiinnitysvirheenä voidaan todeta potentiaalienergian kiinnittäminen pelkästään gravitaatiovuorovaikutukseen tai virheellisesti kappaleeseen. Hierarkkisen ja prosessuaalisen rakenteen puutteissa ja virheissä voidaan myös nähdä yleisiä suuntalinjoja. Hierarkiarakenteen puutteet keskittyvät luonnollisesti niille osaalueille, joissa hierarkiarakenne on tietorakenteen kannalta keskeisessä asemassa eli lähinnä ilmiöalueita käsittelevissä kartoissa. Fysiikan osa-alueita läpäisevissä teemoissa prosessuaaliseen rakenteeseen kuuluvat yleistys- ja yhdentymiskehityksen vaiheet (esim. modernin fysiikan periaatteiden kehityslinja) ovat tietorakenteen kannalta hierarkiaa keskeisemmässä asemassa, joten prosessuaalisen rakenteen puutteet ja virheet ovat niissä tyypillisiä. Energian osa-alueelle tyypillisenä prosessuaalisen rakenteen virheenä esiintyy prosessin kääntyminen nurinpäin. Energian käsitteistö ei yhdenny vaan jakaantuu. Samanlaisia käsitteenmuodostuksen suuntaan liittyviä virheitä ja puutteita esiintyy myös ilmiöalueita käsittelevissä kartoissa, osittain siksi, että kvalitatiivisen tason käsiteet, jotka toimivat käsitteenmuodostuksen lähtökohtana, puuttuvat.

45 Käsitekarttatekniikka ja esittämisen ongelmat Diagnostisista kartoista voidaan nähdä käsitekarttatekniikkaan liittyviä tyypillisiä esityksellisiä ongelmia. Tekniikan puutteellinen omaksuminen heijastuu esityksissä, jotka poikkeavat käsitekartan yleisistä periaatteista. Kartassa saattaa olla irrallisia käsitteitä tai osia. Näin ollen kartta ei muodosta yhtä yhtenäistä rakennetta niinkuin on tarkoitettu (esim. kuva 5.1.). Käsitteiden yhteydessä esitetään usein hyvinkin perusteellisia sanallisia esityksiä käsitteen merkityksestä ja määritelmästä. Käsitelokerot saattavat sisältää pitkiä suure- ja lakitaulukoiden tyyppisiä käsiteluetteloita (nimet, symbolit ja yksiköt), joissa käsitteitä ei ole mitenkään linkitetty. Nämä tekniikkaan liittyvät ongelmat vähenevät kuitenkin suurelta osin annettavan palautteen myötä ja häviävät pikku hiljaa kurssin aikana. Tekniikkaan liittyvät ongelmat tuntuvat olevan opiskelijoiden mielestä keskeisiä, etenkin kurssin alussa. Uusi opiskelu- ja kurssin suoritustekniikka on hämmentävä kokemus. Sen omaksuminen vie oman aikansa ja vaikuttaa yllättävän vaikealta. Ilmeisesti ongelmalliseksi koetaan se, että tekniikalle ei anneta mitään yhtä ja oikeaa mallia, vaan asioita joutuu itse ajattelemaan ja muokkaamaan tekniikkaa omiin ajatuksiin sopivaksi. Avoimuus koetaan pikemminkin uhkana kuin mahdollisuutena. Tähän viittaa opiskelijoiden suunnaton halu nähdä mallikarttoja kurssin alussa ja kuulla, minkälainen on hyvä käsitekartta, ennen kuin he ovat itse edes yrittäneet pohtia asiaa. Palautekeskustelujen avulla voidaan tukea tekniikan omaksumista ja siirtää tekniikkaan liittyvät esitykselliset ongelmat sivummalle ja ohjata näin opiskelijoita keskittymään oleelliseen eli tietorakenteen pohdiskeluun. Esityksellisiin ongelmiin, jotka eivät suoranaisesti liity käsitekarttatekniikkaan (sijoittelu, rakenne ), on erittäin usein syynä sisällölliset puuteet. Käsitteiden valinnan puutteellisuus on esimerkiksi sisällöllinen tekijä, joka tuo automaattisesti mukanaan esityksellisiä ongelmia (Miten kiinnittää käsite, jos kiinnitysperusta puuttuu?). Ajatusrakenteiden puutteellisuus aiheuttaa luonnollisesti ongelmia esityksen rakenteessa. Mitä köyhempi sisältö, sitä enemmän esityksellisiä ongelmia. Keskittyminen tietorakenteen pohdiskeluun ja omien ajatusrakenteiden jäsentelyyn ja kehittämiseen johtaa myös ongelmattomampaan esittämiseen. Mitä paremmin esitettävä tieto on omaksuttu, sitä helpompi se on esittää. Suuri osa opiskelijoiden kokemista käsitekarttojen käyttöön liittyvistä ongelmista onkin tekniikan kannalta vain näennäisiä ongelmia, jotka ovat pohjimmaltaan sisällöllisiä. Nämä ajatusrakenteiden puutteellisuudesta nousevat ongelmat ovat juuri niitä sisällöllisiä ongelmia, joihin opetuksessa keskitytään: Mitä käsitteitä karttaan pitäisi valita? Miten käsitteet pitäisi linkittää? Minkälainen rakenne kartan tulisi muodostaa? Kun räikeimmät tekniikkaan liittyvät ongelmat selvitetään heti kurssin alussa, muodostuvat tämän tyyppiset kysymykset opiskelijoille ongelmallisiksi. Juuri näiden kysymysten pohtiminen ja niihin liittyvien ajatusrakenteiden kehittäminen on kurssin keskeinen sisältö ja tavoite. Käsitekartat palvelevat näin kurssin opetusta ja sen tavoitteita ohjaamalla opiskelijoiden huomiota ja mielenkiintoa kohti oleellisia asioita, sekä ennen opetusta diagnostisten karttojen yhteydessä että opetuksen jälkeen

46 suoritekarttojen yhteydessä. Käsitekartat tukevat ja ohjaavat fysiikan tietorakenteen rekonstruointia ja ajatusrakenteiden kehittymistä. Nämä havainnot vahvistavat luvussa esitetyn fysiikan tietorakenteesta seuraavan teoreettisen johtopäätöksen, että käsitekartat ovat erittäin sopiva väline ajattelun tueksi ja oppimisprosessin osaksi, kun pyritään hahmottamaan fysiikan tietorakennetta Esitystavat diagnostisissa kartoissa Diagnostisten karttojen esitystavoissa (esityksellisissä rakenteissa) ei voida nähdä mitään yleisiä piirteitä tai luokkia. Luonnollisia ja samalla itsestäänselviä rakenteellisia ratkaisuja ovat eteneminen vertikaalisessa (oikea-vasen) suunnassa ja horisontaalisessa (ylös-alas) suunnassa tai reunat-keskus suunnassa. Mitään yleistä suuntalinjaa ei kuitenkaan ole nähtävissä, vaan kartoissa on mitä moninaisempia ja mielikuvituksellisempia ratkaisuja, joissa luonnollisia rakenteellisia esitystapoja on sovellettu monin eri tavoin tukeutumalla vain yhteen ratkaisuun tai yhdistämällä eri esitystapoja. Jokainen kartta on oma yksilönsä. Jokaiselle laatijalle näyttää kuitenkin kurssin aikana muotoutuvan omansalainen esitystapa, joka saattaa kuitenkin vaihdella eri otsikkojen välillä. Karttojen sisällön kannalta esitystavalla ei näytä juurikaan olevan merkitystä. Sisällön laatu ei riipu käsitekartan esitysmuodosta ja -tavasta. Toki sisällöltään selvästi tarkemmin pohditut kartat ovat yleensä myös esitykseltään selkeitä ja siistejä, mutta siisti ja selkeä kartta ei ole millään tapaa sisällön laadun tae. Sisällön rakenteellisuus vaatii kuitenkin myös esitykseltä tiettyä rakenteellisuutta, mutta tämä rakenteellisuus voi tulla esille hyvin monella eri tavalla. Mikään esityksellinen tapa tai muoto ei ole sisällön kannalta ratkaisevasti parempi kuin joku toinen. Esitystavan ja muodon avoimuus on selvästikin palvellut kurssin ideaa, että käsitekarttojen käytön on oltava sellaista, että se palvelee fysiikan tietorakenteen hahmottamista mutta ei millään tapaa rajoita tai kahlitse sen jäsentämistä ja esittämistä. Diagnostisten karttojen muotojen moninaisuus osoittaa, että avoimuus jättää tilaa omille ajatuksille ja luovuudelle. Kartoissa on paljon mielenkiintoisia, luovia ja tietorakenteen kannalta havainnollisia esityksellisiä ratkaisuja niin koko rakenteessa kuin pienissä yksityiskohdissakin. Toisaalta kaikki mielenkiintoiset ja luovat ratkaisut eivät ole välttämättä hyviä ja havainnollisia. Kun karttojen muodolle ei ole annettu rajoittavia määräyksiä, siirtyy karttaan helpommin se käsitys, joka laatijalla on aihepiirin tietorakenteesta, kaikkine oivalluksineen, puutteineen ja virheineen. Käsitykset ja ajatusrakenteet voivat myös vapaammin kehittyä kun niiden esittäminen ei ole tiettyyn muottiin sidottua. Näin käsitekartoista muodostuu jokaiselle omansa tyylinen tiedon esittämisen ja oppimisen väline.

47 Opettajien ja opiskelijoiden karttojen erot Opiskelijoiden ja opettajien laatimissa diagnostisissa kartoissa ei voida nähdä mitään sellaisia ratkaisevia sisällöllisiä tai esityksellisiä eroja, etteivät tyypilliset virhe- ja puuteluokat, niiden esiintyminen eri osa-alueilla sekä yleiset esitykselliset ongelmat olisi molemmille ominaisia. Edellisissä luvuissa käsitellyt yleiset johtopäätökset on tehty kaikista kartoista tulkitun informaation perusteella ja ne koskevat yhtälailla opettajien ja opiskelijoiden laatimia karttoja. Kuitenkin kartoista voidaan nähdä joitain yleisten piirteiden sisällä näkyviä opettajille tai opiskelijoille luonteenomaisia piirteitä sekä sisällössä että esityksessä. Käsitteiden valinnan puutteet näyttävät painottuvan opiskelijoilla kvalitatiivisen tason käsitteisiin ja opettajilla kvantitatiivisen tason käsitteisiin. Opiskelijoiden kartoissa (etenkin ilmiöalueita käsittelevissä) suureet ja lait ovat usein kohtuullisesti esillä, mutta ilmiöt, oliot ja ominaisuudet puuttuvat kokonaan. Opettajilla taas ilmiöt, oliot ja ominaisuudet ovat ainakin osittain mukana, mutta suureiden ja etenkin lakien esiintyminen on puutteellista. Yleensä opiskelijoiden kartat keskittyvät paremmin keskeiseen sisältöön, vaikka ovatkin puutteellisia. Opettajilla esiintyy selvästi enemmän tarpeettomia ja käsitteenmuodostuksen sekä käsiterakenteen kannalta epäolennaisia sivupolkuja ja näkökulmia, esimerkiksi fysiikka-yhteiskunta tai -ympäristö teemaan liittyen. Opettajien kartoissa näkyy myös enemmän tarpeettomia ja ihmeellisiä käsitteitä, jotka liittyvät aihepiiriä sivuaviin, kouluun liittyviin opetuksellisiin teemoihin ja esimerkkitapauksiin. Jotkut opettajien kartat ovat selvästi suunniteltu opetuksen näkökulmasta (hyödyntäminen opetuksessa) ja eivät siinä mielessä vastaa diagnostisten karttojen tarkoitusta. Esitykselliset ongelmat ovat sekä opettajilla että opiskelijoilla lähes yhtä suuria ja samanluonteisia. Tekniikan omaksuminen on opiskelijoille ehkä hieman helpompaa kuin opettajille mutta mitään merkittävää eroa ei ole. Käsitekarttojen käyttötavan avoimuus näyttää tuottavan opettajille enemmän ongelmia kuin opiskelijoille, mutta toisaalta alun vaikeuksien jälkeen avoimuus tuottaa opettajien kohdalla enemmän hedelmää luovien, monipuolisten ja tietorakenteen kannalta havainnollisten ratkaisujen muodossa. Toki avoimuus tuottaa opettajien kohdalla myös luovia, kauniita ja omaperäisiä ratkaisuja, jotka eivät ole tietorakenteen kannalta havainnollisia, päinvastoin. Opiskelijat tyytyvät esityksessään useammin perinteisempiin (ylhäältä alas jne.) ratkaisuihin, jotka eivät tietorakenteen kannalta ole sen parempia tai huonompia kuin luovia yksityiskohtia sisältävät esitykselliset ratkaisut. Opettajien ja opiskelijoiden karttojen tasapuolinen vertailu on erittäin vaikeaa (mahdotonta), koska käsitekarttoihin annettavat ohjeet ovat kehittyneet jatkuvasti ja jokaisella kurssin aloittavalla ryhmällä on ollut hieman erilaiset lähtökohdat. Esimerkiksi karttojen laadintaan liittyvät ohjeet on laadittu vasta lukukautiselle kurssille pitkälti opettajien täydennyskoulutuksen (dfcl 1, ) yhteydessä esiintyneiden ongelmien ja käytyjen keskustelujen pohjalta. Toisella opettajien täydennyskoulutuskurssilla ( dfcl 2 ) ko. ohjeet olivat jo käytössä. Lisäksi analysoitavien karttojen määrät ovat opettajien ja opiskelijoiden osalta hyvin erilaiset. (opettajien karttoja huomattavasti enemmän). Lisäksi koulutuksen luonne opettajien täydennyskoulutuksessa ja lukukautisilla opiskelijoilla on hieman erilainen vaikka kurssin sisältö ja toteutus on samanlainen. Niinpä opettajien ja opiskelijoiden karttojen eroihin

48 liittyvät havainnot ovat vain varsinaisen tutkimuksen yhteydessä esiintulleita sivuhuomioita, eivätkä vertailukelpoisia tutkimustuloksia. Toisaalta nämä erot eivät ole tämän tutkimuksen keskeinen tutkimusongelma, joten niiden tarkempi analysointi ja käsittely on tässä yhteydessä sivuutettu Karttojen esittämien rakenteiden taustat Diagnostisista kartoista paljastuvat fysiikkaa koskevat käsityksiin ja mielikuviin liittyvät puutteet ja virheellisyydet tarjoavat mielenkiintoisen mahdollisuuden tarkastella näiden käsitysten syitä ja taustoja. Nämä tarkastelut ovat kuitenkin jo niin etäällä tämän tutkimuksen ongelmista, että tässä yhteydessä tyydytään vain sivuamaan tätä aihepiiriä. Käsitysten taustojen ja alkuperän tarkempi tutkiminen muodostaisi helposti kokonaan oman tutkimuksensa. Tunnistetut yleiset virhe- ja puuteluokat olivat niin yleisiä, etteivät niiden takana olevat mielikuvat voi olla sattuman aiheuttamia vaan ne ovat jonkun aikaansaamia. Fysiikkaan liittyvät mielikuvat rakentuvat hyvin pitkälti koulun fysiikan opetuksen ohjaamina. Näin ollen kartoissa esiintyvät käsitykset voidaan tulkita koulufysiikan tarjoamaksi kuvaksi fysiikan käsitteistä, käsitteiden välisistä suhteista ja niiden muodostamasta rakenteesta. Mielikuviin ja käsityksiin vaikuttaa myös yleinen käsitys fysiikasta tieteenä, joka osaltaan ohjailee myös fysiikan opetuksen sisältöä. Toisaalta yleiset virheluokat samaistuvat jossain määrin luvussa 2.5. (s.11) esitettyihin fysiikan käsitteiden vääriin kielellisiin käyttötapoihin. Kielellä on oma merkittävä roolinsa käsitysten ja mielikuvien rakentumisessa (sekä fysikaalisella että yleisellä kielenkäytöllä, ja erityisesti näiden vuorovaikutuksella). Edellisessä luvussa käsitellyt opettajien ja opiskelijoiden karttojen erot käsitteiden valinnassa heijastavat epäilemättä jollain tapaa koulun fysiikan opetuksen painotuksia. Opettajien joukossa on suuri osa peruskoulun opettajia, joten nämä erot kertovat erityisesti peruskoulun fysiikan opetuksen painotuksista. Ilmeisesti suureisiin ja lakeihin ei peruskoulun fysiikan opetuksessa kiinnitetä erityistä huomiota. Toisaalta opiskelijat ovat käyneet läpi pitkän linjan fysiikan koulutuksen: ala-aste yläaste lukio yliopisto. Jossakin vaiheessa fysiikan opiskelua näyttäisivät suureet ja lait painottuvan niin voimakkaasti, että niiden empiirinen perusta unohdetaan kokonaan. Yleiset virhe- ja puuteluokat eivät esiinny ainoastaan jollakin fysiikan osa-alueella tai jonkun yksittäisen käsitteen yhteydessä, joten jollain tapaa ne heijastavat koko fysiikan opetuksen ja oppikirjojen luonteenomaisia piirteitä (puutteita ja virheitä). Joistain tyypillisistä virhe- ja puutetyypeistä voidaan suhteellisen helposti tehdä johtopäätöksiä fysiikan opetuksen ja oppikirjojen tavasta lähestyä ja käsitellä fysiikan käsitteitä. Suureiden kiinnittämättömyydestä ja vääristä kiinnityksistä voidaan päätellä, ettei suureita luoda merkitysten kautta eikä merkityksiä ylipäänsä tarkastella fysiikan opetuksessa. Se, että käsitteenmuodostusprosessi on nurinpäin, heijastaa opetuksen teoreettista lähestymistapaa, jossa lähdetään liikkeelle valmiista ajatusmalleista (teoriasta) ja tietorakenteesta ja otetaan käsitteet, lait, laskentamenetelmät jne. käyttöön ilmoitusasioina, valmiina mutta merkityksettöminä kaavoina ja resepteinä [9, s.258]. Tätä lähestymistapaa heijastaa myös eri abstraktiotason käsitteiden samaistaminen (esim. ilmiön samaistaminen sen selittävään atomaariseen malliin).

49 Diagnostisten karttojen antaman kuvan perustella voidaan päätellä, ettei fysiikan tiedon muodostama rakenteellinen kokonaisuus ja sen luonteenomaiset piirteet ole keskeisesti esillä fysiikan opetuksessa, tai ainakaan sen olemassaoloa ei tiedosteta. Tästä herää kysymys siitä, mitä fysiikka nimisessä oppiaineessa opetetaan ja mihin opetus ja oppikirjat perustuvat. Luvussa 2. esitetyt fysiikan käsitteenmuodostuksen ja käsiterakenteen pääpiirteet ovat fysiikan tietorakenteessa sisällä, tiedostettiin niitä tai ei. Koulufysiikan tietorakenteet - kurssi ja käsitekarttojen käyttö kurssilla pyrkii näiden rakenteellisten piirteiden tiedostamiseen, niiden merkityksen näkemiseen ja tätä kautta niiden tietoiseen hyödyntämiseen omien tietorakenteiden kehittämisessä ja fysiikan opetuksessa. Näin fysiikan opetusta voidaan kehittää irrallisten sirpaletietojen ja teoreettisten tuotteiden (merkityksettömien kaavojen) tarjoamisesta kohti rakenteelliseen kokonaisuuteen tähtäävää, merkitysten ymmärtämisen kautta etenevää prosessia. 45

50 46 6. Suoritekartat 6.1. Mitä suoritekartoista voidaan nähdä? Suoritekartat antavat aivan vastaavanlaista tietoa kuin diagnostisetkin kartat. Suoritekartoista saadaan tietoa sekä osanottajien ajatusrakenteista, mielikuvista ja käsityksistä fysiikasta että käsitekarttatekniikasta niiden esittämisen välineenä. Suoritekarttojen analysoinnin perusteet ja periaatteet ovat samat kuin diagnostisten karttojen yhteydessä (katso luku ). Tiedon kohde ja tiedonhankintamenetelmä ovat siis samat (vakioitu), mutta tiedon keräyshetki eri (variointi). Diagnostiset kartat antavat kokonaiskuvan niistä ennakkokäsityksistä ja mielikuvista, joita osaanottajilla on ennen kurssia. Suoritekartat antavat kokonaiskuvan niistä käsityksistä ja mielikuvista, joita osanottajilla on kurssin jälkeen eli siitä tietorakenteesta, jonka osanottajat ovat kurssilla esitetyn tietorakenteen perusteella rakentaneet ja omaksuneet. Näin ollen vertailemalla kahdessa eri vaiheessa kerättyä aineistoa voidaan tarkastella ajatusrakenteiden, mielikuvien ja käsitysten kehittymistä KFR -kurssin (yleisemmin didaktisen fysiikan koulutuksen) aikana. Tämä kehitys heijastaa koko sitä prosessia, joka koulutuksen aikana käydään läpi. Tähän prosessiin sisältyy oleellisena osana myös käsitekarttojen käyttö. Tutkimukselle muodostuu vertailuasetelma, tietorakenne ennen kurssia ja kurssin jälkeen. Tämän asetelman pohjalta voidaan tarkastella kurssin vaikuttavuutta. Tutkimuksessa keskitytään suoritekarttojen yhteydessä nimenomaan vertailevaan tutkimukseen. Suoritekartoista ei pyritä tunnistamaan ja luokittelemaan uusia, niille ominaisia piirteitä, vaan analysoinnissa käytetään diagnostisten karttojen yhteydessä muodostettuja yleisiä puute- ja virheluokkia. Koska suoritekarttojen tulkinnan perusteet ja periaatteet nojautuvat samaan teoreettiseen viitekehykseen (luku 2.), voidaan suoritekartoista tarkastella luonnollisella tavalla diagnostisista kartoista löydettyjä piirteitä. Toisaalta nämä piirteet ovat juuri niitä fysiikan tietorakenteen keskeisiä elementtejä, joiden tunnistamiseen ja kehittämiseen kurssilla pyritään. Tarkastelemalla yleisten virhe- ja puuteluokkien esiintymistä ja luonnetta suoritekartoissa ja vertaamalla niitä diagnostisiin karttoihin, saadaan tietoa siitä, miten kurssi on vaikuttanut. Tällaisen vertailun perusteella voidaan muodostaa kokonaiskuva ajatusrakenteiden ja mielikuvien muuttumisesta ja kehittymisestä kurssin aikana. Näitä kehityslinjoja käsitellään yksityiskohtaisemmin seuraavassa luvussa (6.2.). Ajatusrakenteiden kehityslinjoja voidaan tarkastella myös osa-aluekohtaisesti, aivan kuten yleisiä virheluokkia tarkasteltiin diagnostisten karttojen yhteydessä. Osaaluekohtaisissa tarkasteluissa voidaan kiinnittää huomiota eri osa-alueiden eroihin ajatusrakenteiden muuttumisen ja kehittymisen asteessa ja luonteessa. (Onko havaittavia eroja?) Jos joitain eroja löytyy, voidaan niistä päätellä, millä osa-alueilla kurssin vaikutus on ollut voimakkainta ja millä heikointa? Mikä osa-alue on erityisen ongelmallinen? Osaaluekohtaisia eroja ajatusrakenteiden kehittymisessä käsitellään tarkemmin luvussa 6.3. Suoritekartoista saadaan myös lisää tietoa käsitekarttatekniikasta ja siihen liittyvistä esityksellisistä piirteistä. Vertailemalla diagnostisia karttoja suoritekarttoihin esityksellisestä näkökulmasta, voidaan nähdä myös käsitekarttojen käyttöön ja soveltuvuuteen liittyviä kehityslinjoja. Esityksellisiä näkökulmia käsitellään luvussa 6.4.

51 Osanottajien ajatusrakenteiden, käsitysten ja mielikuvien kehittymistä sekä käsitekarttojen käyttöä niiden esittämisen välineenä voidaan tarkastella myös kurssin sisällön ja tavoitteiden kannalta. Tällöin voidaan tutkia pelkästään suoritekarttojen esittämiä rakenteita ja tarkastella kuinka hyvin ja millä tavalla kurssilla tarjottu kuva fysiikan tietorakenteesta näkyy suoritekartoissa. Suoritekarttojen esittämien rakenteiden suhdetta kurssilla esitettyyn pohditaan luvussa 6.5. Tähän liittyy myös kysymys siitä, kuinka hyvin käsitekartat toimivat kurssin suoritteina. Tämä on keskeinen kysymys perusteltaessa ja suunniteltaessa käsitekarttatekniikan käyttöä arvioinnin välineenä. Tälle kysymykselle on omistettu kokonaan oma lukunsa (luku 7.) Diagnostisten ja suoritekarttojen erot Diagnostisten ja suoritekarttojen esittämien käsitysten ja mielikuvien eroista voidaan nähdä ennemminkin fysiikan tietorakenteen syntymistä kuin sen kehittymistä ja muuttumista. Diagnostisista kartoista ei juurikaan näy fysiikan tietorakenteen luonteenomaisia piirteitä. Niitä ei tunnisteta, eikä niitä näin ollen voida pohtia eikä esittää. Suoritekartoista nämä piirteet ovat jo selvästikin tunnistettavissa. Rakenteelliset piirteet näkyvät eri osa-alueiden ja eri laatijoiden suoritekartoissa hieman eritavalla, mutta yleisenä kehityslinjana näkyy rakenteellisten piirteiden tunnistaminen ja sen vaikutus kunkin osa-alueen tietorakenteen muodostamiseen ja esittämiseen. Kurssin aikana opitaan tunnistamaan fysiikan tietorakenteen luonteenomaisia piirteitä ja projisoimaan niitä omiin ajatusrakenteisiin. Näin olemassa olevia tietoja voidaan pohdiskella uusien näkökulmien valossa, jäsentää niitä ja rakentaa samalla yhtenäistä, rakenteellista ja jatkuvasti kehittyvää tiedon kokonaisuutta. Näitä kehityslinjoja voidaan löytää tarkastelemalla diagnostisista kartoista löydettyjen, yleisten virhe- ja puuteluokkien esiintymistä suoritekartoissa ja vertaamalla esiintymisen yleisyyttä ja luonnetta diagnostisiin karttoihin. Tarkastelun havainnollistamiseen käytetään sähköopista laadittua suoritekarttaa (kuva 6.1. s.48), jota voidaan verrata samojen laatijoiden, samasta aiheesta laadittuun diagnostiseen karttaan (kuva 5.1. s.36).

52 Kuva 6.1. Sähköopin suoritekartta 48