Pro gradu -tutkielma Fysiikan opettajan suuntautumisvaihtoehto KÄSITEKARTTAYMPÄRISTÖN KEHITTÄMINEN OPETTAMISEN APUVÄLINEEKSI. Ilmari Niskanen 2.3.

Transkriptio

1 Pro gradu -tutkielma Fysiikan opettajan suuntautumisvaihtoehto KÄSITEKARTTAYMPÄRISTÖN KEHITTÄMINEN OPETTAMISEN APUVÄLINEEKSI Ilmari Niskanen Ohjaaja: Ismo Koponen Tarkastajat: Ismo Koponen, Heimo Saarikko HELSINGIN YLIOPISTO FYSIKAALISTEN TIETEIDEN LAITOS PL 64 (Gustaf Hällströmin katu 2) Helsingin yliopisto

2 HELSINGIN YLIOPISTO HELSINGFORS UNIVERSITET Tiedekunta/Osasto Fakultet/Sektion Laitos Institution Matemaattis-luonnontieteellinen Fysikaalisten tieteiden laitos Tekijät Författare Ilmari Niskanen Työn nimi Arbetets titel Käsitekarttaympäristön kehittäminen opetuksen apuvälineeksi Oppiaine Läroämne Fysiikka (Opett. sv.) Työn laji Arbetets art Pro gradu Aika Datum Sivumäärä Sidoantal 80 Tiivistelmä Referat Fysiikan opetuksen ja oppimisen keskeisiä kysymyksiä ovat fysiikan tiedon jäsentyminen mielekkääksi kokonaisuudeksi ja tietorakenteen muodostuminen oppimisprosessin aikana. Fysiikan opetuksen tutkimus on toistuvasti tuonut esiin sen, että fysiikan opiskelijoiden tietorakenne on hajanainen ja että fysiikan eri ilmiöalueet osataan liittää huonosti toisiinsa. Aiemmassa tutkimuksessa on kuitenkin esitetty varsin vähän konkreettisia työvälineitä fysiikan opiskelussa edellytettävien suurten tietorakenteiden hallintaan ja tieteen näkemysten mukaisten kokonaisuuksien esittämiseen opettajan työssä. Tässä työssä kehitetään yhteisöllisesti rakentuva käsitekarttaympäristö fysiikan ammattilaisten apuvälineeksi. Työn teoreettinen viitekehys koostuu fysiikan tietorakenteen käsitteellisestä analyysista ja oppimisteoriaan nojaavasta näkemyksestä tiedon graafisen jäsentämisen merkityksestä ja sen perusteluista. Näkökulmana on ajatus, että fysiikan tiedon rakenteen määrää fysiikan teoria ja kokeellinen metodi yhdessä, ja että siinä heijastuu fysiikan historia ja siihen kuulunut filosofinen käsiteanalyysi. Käsitekarttojen rakenteen ja käsitekarttaympäristön asettamat vaatimukset perustellaan fysiikan tietorakenteen rekonstruktiolla, joka nojautuu fysiikan opettajan koulutuksessa painotettavaan ns. generatiivisen kokeellisuuden malliin. Oppimisen kannalta käsitekarttojen käyttöä voidaan perustella yhtenäisemmän tietorakenteen muodostumisella ja metakognition kehittymisellä. Käsitekarttojen käytön on todettu johtavan mielekkääseen oppimiseen, joka pohjautuu esitetyn materiaalin käsitteelliseen selkeyteen, oppilaan aikaisempaan tietorakenteeseen ja oppilaan haluun opiskella. Työ toteutettiin valitsemalla käsitekarttojen tuottamisen ja konstruoinnin työvälineeksi CmapTools käsitekarttaohjelma sekä yliopiston palvelimella toimiva hypermediapohjainen tietopankkihanke, ns. Wikikondensaattori. Käsitekartat linkitettiin Wikikondensaattoriin, jossa artikkelit esitetyistä käsitteistä ja kokeista sijaitsevat. Näin saavutettiin käsitekarttaympäristön yhteisöllisen rakentumisen mahdollisuus sekä selkeä navigointi tietorakenteessa. Valittujen välineiden soveltuvuus monimutkaisten ja monitasoisten käsitekarttarakenteiden konstruointiin osoitettiin sähkömagnetismin ja energiakäsitteen esimerkkikartoilla. Samaan esitykseen saadaan teoreettinen rakenne, sen muodostumista tukeva kokeellinen rakenne ja kuvaukset konkreettisista opetuksellisista ratkaisuista. Työn tärkein tulos on yhteisöllisesti rakentuvan käsitekarttaympäristön ja siihen kuuluvien työvälineiden kehittäminen sekä yliopiston opettajankoulutuksen että kentällä toimivien opettajien käyttöön. Avainsanat Nyckelord Tietorakenne, käsitekartta, CmapTools Säilytyspaikka Förvaringställe Kumpulan tiedekirjasto Muita tietoja ii

3 SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO TUTKIMUKSEN PÄÄMÄÄRÄ, RAKENNE JA TOTEUTUS Tutkimuksen tavoitteet ja tausta Tutkimusongelmat ja lähestymistapa FYSIIKAN TIETORAKENNE Käsitteenmuodostuksen prosessi Fysiikan metodin kehitys Rakenteen ja prosessin rekonstruktio Tiedon verkosto ja sen hierarkia Fysiikan yhdentävät teemat jäsentäjinä Energia Kentät Säilymislait TIEDON JÄSENTYMISEN KOGNITIIVINEN PERUSTA Hyvä opetus ja mielekäs oppiminen Metakognitio ja jäsentäminen, rakenteiden graafisen esittämisen tarve Käsitekartat ja niiden käytön muodot Käsitekartat fysiikan tietorakenteen esittämisessä Hierarkkisesti jäsennellyn tiedon esittämisen ja tuottamisen välineet CmapTools: Rakenteen luominen ja tiedon organisointi Wikitekniikka: Tiedon sisällön tuottaminen, kollektiivinen tiedonrakentelu Tiedon yhteisöllinen rikastaminen SUUNNITTELU JA TOTEUTUS Rakenteen luominen: Hierarkian perusteet ja jäsentely Navigointi rakenteessa Opetuksen käytännön kannalta keskeiset käsitteet Sisällön kriteerit Yhteisöllisen tiedonrakentelun mahdollistaminen HANKKEEN YHTEENVETO JA JATKOTOIMET...73 Kirjallisuusluettelo...76 Liite A: Ampéren laki - malli artikkeli...79 iii

4 1 JOHDANTO Aiemmassa tutkimuksessa on todettu käsitekarttojen olevan tehokas työväline suurten tietorakenteiden esittämisessä ja jäsentämisessä. Samaan aikaan fysiikan opettajan koulutuksen tavoitteeksi on asetettu opiskelijoiden laajojen tietorakenteiden yhtenäisempi hallinta ja metakognisten taitojen kehittäminen. Yhdistämällä jo olemassa oleva kysyntä ja tarjonta voidaan kehittää sekä fysiikan koulutusta että sen opiskelua tukeva työväline. Fysiikan tiedolla on rakenne, joka ilmenee fysiikan teorian rakenteena. Rakenteen kuvailemiseksi graafisesti on siis tiedettävä, miten fysiikan teoria on syntynyt. Teorian taustalla on fysiikan tiedon muodostukselle tyypilliset metodit. Metodit voidaan jakaa fysiikan kehityshistorian kannalta empiiriseen, induktiiviseen ja hypoteettis-deduktiiviseen tiedon hankintaan. Metodisen tiedonhankinnan keskeisissä rooleissa toimivat kuitenkin kokeellisuus ja mallintaminen. Kokeellisuuden ja mallintamisen vuoksi fysiikan tietorakenteen luonne on aina verkostomainen ja noudattaa jotain hierarkiaa, vaikkakin eri metodit johtavat muuten erilaisiin rakenteisiin. Tämän kehitysprojektin osalta valittavaksi jää niistä parhaiten käsitteenmuodostusta ja tiedon graafista esittämistä palveleva tieteen käsitys, jonka pohjalta rakenteelle muodostetaan looginen rekonstruktio. Rekonstruktion avulla voidaan fysiikan historiaa ja tieteenfilosofiaa tuoda osaksi opetusta ja antaa näin muodostuneille käsitteille fysiikan kannalta niille kuuluva merkitys. Kokonaisuuden jäsentymisen kannalta on tutkittava fysiikan yhdentävien teemojen heijastumista tietorakenteeseen. Fysiikan tietorakenteelle on tyypillistä pyrkiä kohti yhä yleisempiä käsitteitä ja periaatteita, jolloin yhä suuremmat aihekokonaisuudet nivoutuvat samojen pääperiaatteiden alle. Tämä on otettava huomioon fysiikan opetuksessa, jottei opiskelijan tietorakenteesta muodostu kokoelma pirstoutuneita faktoja. Käsitekarttojen käytön hyödyllisyyttä pyritään perustelemaan myös kognitiotieteen näkökulmasta. Käsitteellisen ymmärryksen ja ymmärtämisen kehittymisen kannalta on nimittäin tärkeää pystyä tekemään näkyväksi ja hallittavaksi käsitteellisen rakenteen luonne sekä sen osien liittyminen toisiinsa. Tämä näkökulma on perusteltu, sillä käsitekarttaympäristön käytön tavoitteena on tarjota toimiva työskentely- ja 1

5 opiskeluympäristö, joka mahdollistaa ja auttaa jäsentyneen tietorakenteen muodostumista oppijalle. Työssä pyritään myös selvittämään graafisen tiedonesittämisen edut oppimisen tukemisessa. Käsitekarttaympäristön rakennetta luodessa pyrittiin huomioimaan tulevien käyttäjien tarpeet mahdollisimman hyvin. Koska kyseessä on yhteisöllisesti kehittyvä projekti, tavoitteeksi on asetettava työvälineen käytännön toimivuus ja sen myötä työvälineen vakiintunut paikka fysiikan harrastajien yhteisössä. Suunnittelutyön alussa työympäristölle määriteltiin sen potentiaaliset käyttäjät ja pyrittiin kartoittamaan heidän tarpeensa projektin kehityksen ohjaamiseksi käytännön kannalta toimivaan suuntaan. Tällaisen tietorakenteen tukemiseksi pyritään löytämään työvälineet, joilla on mahdollista rakentaa monitasoisia käsitekarttoja ja liittää käsitteisiin monenlaista informaatiota aina verkkolinkeistä fysiikan ilmiöitä kuvaaviin videoihin. Kyseisen ympäristön tulisi tarjota mahdollisuus myös paljon kunnianhimoisempaan kehitysprojektiin. Tavoitteena olisi ympäristö, jota jokainen kentällä toimiva opettaja voisi käyttää ja kehittää sen sisältöä edelleen. Pitkän tähtäimen tavoitteena olisikin kehittää ohjelmasta ja fysiikan opettajankoulutusyksikön ylläpitämästä Wikikondensaattorista yhteisölliseen tiedonrakenteluun perustuva opettajia palveleva työkalu. Tässä työssä perustellaan kyseisten työvälineiden soveltuvuutta fysiikan tiedon ja tietorakenteiden graafiseen esittämiseen. Työn varsinainen haaste on työympäristön kehittäminen toimivaksi, jotta sen tulevat käyttäjät saataisiin innostumaan ja motivoitumaan ajatuksesta. Työ toteutetaan kehittelemällä työympäristö fysiikan teorian ja aiemman tutkimuksen viitekehyksestä. 2

6 2 TUTKIMUKSEN PÄÄMÄÄRÄ, RAKENNE JA TOTEUTUS 2.1 Tutkimuksen tavoitteet ja tausta Tutkimuksen tavoitteena on kehittää yhteisöllisesti rakentuva käsitekarttaympäristö palvelemaan fysiikan opettajien, opiskelijoiden ja muiden fysiikasta kiinnostuneiden tarpeita. Käsitekarttaympäristöllä tarkoitetaan tässä työssä kehitettävää kokonaisuutta, joka koostuu sekä CmapTools-ohjelmalla tuotetuista käsitekartoista että niiden sisällöstä. Tästä ympäristöstä pyritään luomaan mahdollisimman selkeästi fysiikan tietorakennetta kuvaava ja hierarkkisesti jäsennelty kokonaisuus. Näin fysiikan opettajat voivat käyttää sivustoa oman ajattelunsa tukena ja suunnitella opetustaan työympäristöä apuna käyttäen. Parhaimmillaan muodostuneista käsitekartoista voi saada valmiin pohjan jonkin tietyn fysiikan osa-alueen, yksittäisen aihekokonaisuuden tai ilmiön opettamiseen. Tämä ympäristö tarjoaa vakaan ja luotettavan virtuaalisen materiaalipankin, joka sisältää rakenteellisen hahmotuksen lisäksi monia opettajan tarvitsemia työkaluja, kuten työohjeita, videoita ja verkkosivuja. Myös Helsingin yliopiston fysiikan opettajankoulutusyksiköllä on suuri rooli käsitekarttaympäristön ylläpitäjänä ja kehittäjänä. Didaktisen fysiikan kursseilla voidaan käyttää käsitekarttaympäristöä, jolloin tieteen mallit pääsevät vaikuttamaan kentällä toimivien opettajien malleihin. Samalla yliopisto toimii vastuullisena auktoriteettina käsitekarttojen rakentumisessa oikeaan suuntaan. Käsitekarttaympäristön Helsingissä toimiva palvelin sijaitsee myös fyysisesti fysiikan opettajankoulutusyksikössä, joten kaikki tarvittavat työkalut projektin toteuttamiseen ovat jo olemassa. Tutkimuksen käytännön toteutus tehdään kehittämällä fysiikan teorian pohjalta mahdollisimman hyvin työn tavoitteita palveleva rakenteellinen kokonaisuus. Tutkimuksessa pyritään luomaan vakaa teoriaan ja aiempaan tutkimukseen perustuva pohja (Kurki-Suonio ja Kurki-Suonio 1994), jolle myöhempi tieto sitten rakennetaan. Tämän metatason kartan lisäksi rakennetaan esimerkkikartta sähkömagnetismin kokonaisuudesta, jolloin saadaan muodostettua sopivan kokoinen malli systeemin toiminnan kuvailemiseksi. Työympäristöstä luodaan yhteisöllisesti kehittyvä, jotta sen tavoite opettajien työvälineenä saavutettaisiin parhaalla mahdollisella tavalla. Projektin edetessä ja käsitekarttojen laajentuessa kohti yhä yksityiskohtaisempaa 3

7 fysiikan tietoa niistä saattaa alkaa heijastua yhä enemmän laatijoidensa omia näkemyksiä kyseisistä ilmiöistä. Tämän tutkimuksen tavoite on kuitenkin vain teoreettisen pohjan luominen tulevalle kehitykselle. Aiempaa tutkimusta fysiikan käsitteen muodostuksesta ja sen graafisesta esittämisestä on paljon. Helsingin yliopistossa fysiikan käsitteiden muodostusta ovat tutkineet mm. Ilkka Väisänen, Terhi Mäntylä, Ismo Koponen ja Kaarle Kurki- Suonio. Heidän tutkimuksensa ovat antaneet hyvän teoreettisen pohjan tämän tutkimuksen aloittamiselle. Tässä yhteydessä käytetyn käsitekarttamallin kehittäjänä voidaan pitää Joseph Novakia, joka on myös julkaissut paljon tutkimusta oppimisen teorioista. Novakin mukaan käsitekartoituksen avulla saavutetaan Ausubelin mielekäs oppiminen (Novak ja Gowin 1995), joka on suuressa roolissa nykyisessä kasvatustieteen opetuksessa. Tässä tutkimuksessa painotetaan kuitenkin fysiikan käsitteenmuodostusta ja perustellaan sitä aiemman kirjallisuuden ja tutkimuksen avulla (Kurki-Suonio ja Kurki-Suonio 1994; Väisänen 1999; Mäntylä 2003; Koponen et al 2004). Fysiikan tietorakenteen esittämisessä oleellista ovat toimivat työkalut. Käytetty työkalu ei voi määrätä tietorakennetta, vaan tietorakenne määrää työkalun. Käsitekartta ohjelman tulisi olla sellainen, että fysiikan tietorakenne pystytään esittämään teorian vaatimusten mukaisesti. Tässä tutkimuksessa ohjelmana on CmapTools. Vastaavasti käsitteiden linkitykset pitäisi voida kytkeä johonkin vakaaseen ja yhteisöllisesti rakentuvaan sivustoon. Toki linkitykset on mahdollista tehdä mille verkkosivuille vain, mutta tässä tutkimuksessa pyritään suosimaan fysiikan opettajankoulutuslaitoksen ylläpitämää Wikikondensaattori sivustoa. 2.2 Tutkimusongelmat ja lähestymistapa Teoreettisen ja käytännön viitekehyksen pohjalta tutkimusongelmiksi muodostuivat seuraavat kysymykset: 1. Miten voidaan perustella käytetyt menetelmät? 2. Mitä apuvälineitä tarvitaan toteutukseen? 3. Miten käsitekarttaympäristön rakenne tulee toteuttaa, jotta se täyttää fysiikan tiedon muodostuksen ja käytännön toimivuuden asettamat tavoitteet? 4

8 Tutkimus koostuu kolmesta osasta. Fysiikan tiedon luonne esitellään ja sen pohjalta perustellaan käsitekarttaympäristön toimivuus fysiikan käsitteenmuodostuksen apuvälineenä. Käsitteenmuodostusta ja tiedon rakentumista tarkastellaan myös kognitiivisesta näkökulmasta ja näin perustellaan graafisten tiedon esittämisvälineiden tarve suurten tietorakenteiden esittämisessä. Toteutukseen valitut työvälineet esitellään ja niiden tätä työtä palvelevat ominaisuudet pyritään nostamaan esiin. Käsitekarttaympäristön pohja luodaan niiden avulla ja kehitetään sille tasolle, että sen myöhempi yhteisöllinen kehitys on mahdollista. Koska tutkimuksessa kehitetään uutta työkalua aiemman teorian pohjalta, voidaan sitä pitää laadullisena tutkimuksena ja kehitystyönä. Mitään määrällistä aineistoa ei tutkimuksessa analysoida, vaan tutkimusaineisto on fysiikan teoria ja aiemmat tutkimustulokset. Tutkimusaineisto onkin pyritty valitsemaan niin, että sen avulla voisi vastata mahdollisimman hyvin tutkimusongelmiin (Syrjälä et al. 1994). 5

9 3 FYSIIKAN TIETORAKENNE Fysiikan opetuksen kannalta on hyödyllistä tarkastella fysiikan tiedon luonteen, sen käsitteiden ja tiedon rakenteiden kehittymistä fysiikan historian ja tieteenfilosofian näkökulmasta. Tämä tarkastelu perustelee myös omalta osaltaan ne didaktiset ratkaisut, joihin nojautuu tässä työssä esitetty käsitekarttojen rakenne ja sen pohjalta luotu didaktinen rekonstruktio käsitekarttojen käytölle opetuksen apuvälineenä. Tällöin se rekonstruoitu malli, jota käytetään tietorakenteelle, tulee perustelluksi fysiikan käsitteellisen kehityksen kautta ja muodostaa samalla hyväksyttävän teoreettisen viitekehyksen tietorakenteen tarkastelulle. 3.1 Käsitteenmuodostuksen prosessi Jotta fysiikan tiedon rakennetta voisi paremmin ymmärtää, on hyvä pohtia fysiikkaa tieteenä ja etsiä sen kehittymiseen vaikuttavia tekijöitä tieteen historiasta. Fysiikan syvällisemmän luonteen ymmärtäminen ei kuulu pelkästään tutkijoille, vaan se on erityisen tärkeässä osassa fysiikan opettajan opetusta muokkaavaa viitekehystä. Fysiikan merkitys oppiaineena ei perustu pelkästään aihealueiden aineenhallintaan, vaan kyse on suuremman kokonaisuuden hahmottamisesta ja fysiikan merkityksen ymmärtämisestä sekä sen osuudesta oppilaan maailmankatsomuksessa. Vaikka fysiikasta puhutaankin yleissivistävänä aineena, ovat käytännön tilanteisiin rinnastuvat fysikaaliset ilmiöt vain opetuksen konkreettisin ja helpoiten arkipäivän tilanteisiin yhdistettävä näkökulma. Syvemmän ymmärryksen luomiseksi fysiikkaan tieteenä, sen tietorakenteeseen, tiedon hankinnan ja tiedon oikeaksi osoittamisen metodeihin, opettajan tulisikin nähdä fysiikka kokonaisuutena ja sen käsitteellisen kehityshistorian tuloksena. Fysiikan nykyinen rakenne on tulosta yksittäisten tutkijoiden näkemysten kumuloitumisesta ja uudelleen tulkinnoista. Pohjimmiltaan kysymys on yhteisöllisesti rekonstruoiduista uudelleen tulkituista rakenteista. Valmiin rakenteen ymmärtäminen ilman ymmärrystä sen kehityshistoriasta ja niistä loogisista prosesseista, jotka ovat olleet tarpeen rakenteen konstruoinnissa ja rekonstruoinnissa, on ainakin opetuksen ja siihen kuuluvan käsitteellisen jatkuvuuden kannalta arveluttava yritys. 6

10 Fysiikan tiedon luonnetta kuvaa hyvin sen rakenteellisuus ja edistyvyys, jotka ovat yleisesti hyväksyttyjä tieteellisen tiedon tunnusmerkkejä. Fysiikan tietorakenteessa suuret kokonaisuudet muodostuvat yksittäisistä tiedoista ja käsitteenmuodostus etenee järjestyneesti ja rakenteellisesti, usein myös hierarkkisesti kohti yhä yleisempiä ja laaja-alaisempia rakenteita. Tietorakenteen kasvaessa se kehittyy yhä yleispätevämmäksi ja antaa näin syvällisemmän merkityksen siihen kuuluville käsitteille. Fysiikan tiedolla on siis selkeä rakenne, joka ilmenee sen teorian rakenteena. Tietorakenteen kuvaamisen edellytyksenä onkin ymmärtää, miten fysiikan teoria ja sen rakenne on syntynyt. Yleisesti tieteellisen tiedon syntymiselle on ominaista tiedonhankintamenetelmän metodisuus. Metodinen tiedonhankinta on ominaista juuri fysiikalle ja se määritteleekin pitkälti fysiikan tieteellisyyden. Fysiikassa ei ole kuitenkaan yhtä ainoaa metodia, vaan sen valintaan vaikuttavat käytännön päämäärät ja resurssit. Kaikesta monimuotoisuudestaan huolimatta kuvaa fysiikan tiedonhankinnan ja oikeaksi osoittamisen metodologiasta voidaan ja sitä pitääkin pelkistää, jotta on mahdollista muodostaa pohjaa didaktisten sovellusten kehittämistä varten. Yhteisenä tekijänä näille fysiikan tiedon hankinnan ja oikeaksi osoittamisen menetelmille voidaankin tästä näkökulmasta käsin pitää kokeellisuutta ja mallintamista. Kokeellisuudella tarkoitetaan sitä, että luonnon ilmiöitä koskevat havainnot ja mittaukset toimivat kaiken fysikaalisen tiedon perustana. Kokeellisuus fysiikassa merkitsee suoria havaintoja tarkasteltavasta ilmiöstä, kvantitatiivisia mittauksia, kontrolloituja kokeita tai suunnitelmallisia kokeellisia tutkimuksia (Kurki-Suonio ja Kurki-Suonio 1994). Tyypillistä fysikaalisille kokeille on niiden päämäärähakuisuus ja suunnittelu jo olemassa olevan teorian viitekehyksestä. Kokeellisuuden rooleja fysiikan tiedon rakentumisessa ovat seuraavat (Franklin 1999; Koponen ja Mäntylä 2006; vrt. Kurki-Suonio ja Kurki-Suonio 1994 s.123): 1. teorioiden verifiointi/falsifiointi 2. teorioiden pätevyysalueen rajallisuuden osoittaminen 3. uusien käsitteellisten rakenteiden tarpeiden osoittaminen 4. uusien olioiden esiintuominen 5. käsitteen merkityksen muodostuminen. 7

11 Käsitekarttaympäristön sopivuus fysiikan tietorakenteen kuvaamiseen onkin perusteltua juuri käsitteenmuodostuksen ja kokeellisuuden vahvan siteen vuoksi, jonka esittäminen käsitekarttatekniikkaa käyttäen on hyvin havainnollista. Tällöin kuitenkin tarvitaan jäsentynyttä ja hierarkkisesti rakenteistunutta esitystekniikkaa ja esimerkiksi perinteinen miellekartta-tyyppinen esitys ei ole tarkoituksenmukainen. Mallintamisen näkökulmasta fysiikan tietorakenne on ensisijaisesti matemaattinen rakenne, vaikka rakenteen runkona olevat mallit voidaan ilmaista useammassa matemaattisessa muodossa. Malli on siis teorian antama abstrakti kuvaus jostain todellisesta systeemistä. Oleellista on, että mallin antaman kuvauksen ja todelliseen ilmiöön kuuluvat piirteet, oliot tai ominaisuudet voidaan rinnastaa ja niiden vastaavuus voidaan tunnistaa. Tämä mallin ja todellisuuden välinen vastaavuus on luonnollisestikin mallin kyky tehdä todelliset ilmiöt ymmärrettäviksi, hallittaviksi ja muunneltaviksi halutulla tavalla. Opetuksen kannalta kokeellisuus ja mallintaminen tulee nähdä yhtenä kokonaisuutena fysiikan tiedon hankinnassa. Tällöin kokeellisuus ja teoria tukevat toisiaan fysikaalisen tiedon hankinnassa ja tuottamisessa. Teoriaa sovelletaan fysikaalisten ilmiöiden ennustamiseen. Kokeiden kautta on mahdollista muodostaa sekä perustella uusia suureita ja lakeja. Fysiikan opetuksessa tärkeässä osassa on myös opetettavien mallien todentaminen empiirisesti. Tuomalla opetuksessa esiin näitä keskeisiä metodeja syntyy oppilaalle oikeanlainen kuva fysiikan luonteesta ja sille ominaisesta tavasta hankkia tietoa. Fysiikan tietorakenteen muodostuminen voidaan kuvata yksinkertaistaen syklisenä prosessina, johon kuuluu tietty kaksisuuntainen logiikka, jossa luonteeltaan induktiivinen tiedon tuottaminen vuorottelee deduktiivisen tiedon oikeaksi osoittamisen kanssa. Induktiivinen päättely lähtee havainnoista ja kokeista johtaen idealisoinnin sekä yleistysten kautta teoriaan. Deduktiivinen päättely johtaa yleisistä periaatteista kohti havaittavien ilmiöiden yksityiskohtaista selittämistä. (Kurki-Suonio ja Kurki-Suonio 2000.) 8

12 Kuva 1: Metodikaavio, joka havainnollistaa induktion ja deduktion osuutta tieteellisen prosessin käsittenmuodostuksessa (Kurki-Suonio ja Kurki-Suonio 2000) Fysiikan opetukselliset ratkaisut ja lähestymistavat voidaan jakaa niille ominaisten piirteiden puolesta empiiriseen, induktiiviseen ja hypoteettis-deduktiiviseen tiedon hankintaan. Tietorakenteen lähtökohtana käytettynä kukin näistä metodeista johtaa erilaiseen rakenteeseen. Fyysikon käytännön työssä toteutuva metodi on kuitenkin aina näiden yhdistelmä ja eri vaiheiden tunnistaminen harkittuna, pitkäjänteisenä toimintastrategiana on lähes mahdotonta. Kuva fysiikan tiedonrakentumisen prosessista onkin nähtävä idealisaationa ja yksinkertaistuksena, joka pyrkii tiivistämään joitain prosessiin liittyviä tunnistettavia piirteitä ja jonka päämääränä on jäsentää prosessia opetuksellisten ratkaisujen kehittämisen taustaksi. Kouluopetuksen suunnittelussa ja toteutuksessa on erityisen hyvä ymmärtää eri lähestymistapojen taustalla vaikuttavat tiedonkäsitykset ja näkemykset tiedon luonteesta ja sen merkityksestä, koska tiedon alkuperä perustellaan oppilaille ulkoisesta näkökulmasta sen historiaa painottaen. Tavoitteena opettajalla on opettaa oppilaille fysiikkaa ja antaa käsitys fysiikan luonteesta, jolloin eri metodien ja tieteen historian tuntemus on eduksi. Näin opettaja osaa soveltaa tieteen metodeja ja käyttää niitä opettamisen tukena parhaalla mahdollisella tavalla. Tietorakenteen luomisen lähtökohtana onkin parhaiten oppimista tukevan metodin valitseminen ja tietorakenteen rakentaminen sen mukaisesti. 9

13 3.2 Fysiikan metodin kehitys Tieteellisten metodien muodostumista on syytä tarkastella historialliselta kannalta, jotta todellinen kuva tieteen metodeista ja niiden suhteesta kulloiseenkin aikakauteen selvenisi. Historian varrella eri metodit ovat vuorotelleet hallitsevassa asemassa, jolloin niiden vaikutus oman aikansa tieteen kehittymiseen on ollut merkittävää. Fysiikan tiedon kehittymistä ei kuitenkaan voi jäsennellä aivan kronologisesti eri metodien mukaan. Oleellista onkin tunnistaa näille metodeille tyypilliset piirteet ja pohtia itse miten niiden vaikutus näkyy fysiikan kehityksessä ja sen rakenteen muotoutumisessa. Empirismi eli kokemustieto on tietoteoreettinen käsitys, jonka mukaan tieto perustuu kokemukseen. Fysiikassa se tarkoittaa tiedon olevan lähtöisin aistihavainnoista ja kokeellisesta tutkimuksesta. Tiedon tulee myös olla empiirisesti testattavissa, mikä määrää pitkälti käytettyjen hypoteesien luonteen. Tieteen historian kannalta empirismissä voidaan nähdä useita aikakausia, joten oleellista onkin ymmärtää tämän metodin lähtökohta yksinkertaistettuna. Klassisen empirismin edustajina voidaan pitää Aristotelesta, joka katsoi tiedon perustuvan havaintojen pohjalta tehtyyn päättelyyn. Nykyisiin luonnontieteen metodien kehittymiseen on vaikuttanut vahvasti 1200 luvulla elänyt englantilainen Roger Bacon. Hänen optimistisen tieteenkäsityksensä mukaan yleiset lainalaisuudet ovat johdettavissa riittävästä määrästä havaintoja loogisen induktion kautta (Koponen 2007). Yleisesti esitettynä tällainen tiedon muodostuminen havainnoista kohti teoriaa sisältää neljä kohtaa (Koponen 2007): 1. Havainnot: Aistihavainnot ja kokeet tuottavat kokeellisen aineiston, josta ilmenevät lainalaisuudet voidaan tiivistää kokeellisiksi laeiksi. 2. Hypoteesit ja yleistetyt lait: Kokeiden pohjalta voidaan muodostaa yleispäteviä hypoteeseja, lakien yleistyksiä. 3. Lakiennusteet: Yleisten lakien ja hypoteesien kautta voidaan tuottaa kokeellisesti todennettavia lakiennusteita. 4. Kokeellinen todentaminen: Lakiennuste testataan, jolloin laki tulee vahvennetuksi. 10

14 Baconin esittelemä tietoteoreettinen lähestymistapa on fysiikassa yleisesti hyväksytty, koska aistihavaintojen merkitys ja tiedon kumuloituminen on fysiikan luonteelle varsin ominaista. Kuva 2: Baconin käsitys tieteellisestä metodista. Baconin esittelemä induktiivinen tieteen metodi laajeni Newtonin aikana induktiivis deduktiiviseksi. Pääpaino oli luonnon havainnoilla, mutta tieteellisen metodin tuli sisältää sekä induktiivinen että deduktiivinen vaihe. Erityisen suuri rooli oli deduktiivisen synteesin tuloksena saatujen ennusteiden varmentamisella kokeellisesti ja mahdollisella yleistämisellä vielä laajemmalle ilmiöalueelle. Newtonin metodissa teoria ja empiria vuorovaikuttavat, jolloin deduktion kautta saatuja ennusteita verrataan havaittuun. Tarpeen vaatiessa lähtökohtana olevaa teoriaa muutetaan paremmin ilmiötä kuvaavaksi. Newtonin tieteen metodia pidetään nykyisin aksiomaattisena metodina, joka perustuu deduktion avulla muodostuneisiin aksioomiin, määritelmiin ja teoreemoihin. Oleellista kuitenkin on, että Newton teki selvän eron abstraktin teorian ja fysiikan havaittavan kokeellisuuden välille. 11

15 1800-luvulla induktiivisen tieteenkäsityksen rinnalle nousi hypoteettis deduktiivinen metodi, jossa lähtökohtana olivat induktioon perustumattomat aksioomat. Toki kokeellisuus toimi yhä tieteen lähtökohtana, vaikkakaan tiedon käsitteiden muodostumisen ei ajateltu perustuvan ainoastaan tai edes ensisijaisesti kokeelliseen havaintoaineistoon. Kokeellinen havainto ei saanut teorian kehittymisen alkuvaiheessa rajoittaa teorian vapaata kehittymistä sen omista lähtökohdista käsin. Teorian ajateltiin siten kehittyvän kokeellisesta toiminnasta riippumatta, jolloin käsitteiden ja teorioiden verifiointi tapahtui vasta valmiiden lakiennusteiden kokeellisen todentamisen kautta. Tällä metodilla pyrittiin muodostamaan mahdollisimman aksiomaattinen ja käsitteellistynyt rakenne, jonka pohjalta voitiin johtaa todellisuutta kuvaavat erityistapaukset. Tämän tutkimuksen kannalta on syytä huomata, että hypoteettis deduktiivisessa tieteenkäsityksessä teoria kehittyy varsin vapaasti. Tällöin sen rakenteen kuvaaminen graafisesti ja hierarkian laatiminen olisi varsin hankalaa, koska käsitteiden väliset linkit eivät riipu konkreettisista kokeista. Historian kannalta merkittävä askel hypoteettis deduktiivisen tietoteorian kehityksessä on ollut William Whewellin tieteennäkemys, sen ankkuroituminen 1800-luvun fysiikan kehitykseen sekä toisaalta myös sen vaikutus fysiikan kehitykseen. Whewellin lähtökohta on induktiolle tyypillinen suurempien kokonaisuuksien ja teorioiden johtaminen yksittäisistä faktoista ja havainnoista. Hän käyttää fysiikalle tyypillistä induktion ja deduktion suhdetta, jossa induktiiviset totuudet ovat suhteita olemassa olevien asioiden välillä ja deduktiiviset totuudet ovat tulosta ajatusten välisistä suhteista. Kokonaisuutena tämä hypoteettis deduktiivinen prosessi voidaan nähdä kolmena erillisenä tasona: elementtien luokittelu, faktojen kokoaminen ja hypoteesien verifikaatio (Herrmann 2004). Elementtien luokittelulla Whewell tarkoittaa yksittäisten käsitteiden syntyä olemassa olevien faktojen ja niihin liittyvien ideoiden pohjalta. Faktat ovat fysikaalisia ilmiöitä, joita pyritään luokittelun avulla tutkimaan yhä pienempinä osina. Näin luokitelluille havainnoille pyritään ideoimaan riippuvuuksia mahdollisimman tieteellisesti esim. ajan suhteen. Tällä tavoin muodostuneet faktat yhdistyvät toisiinsa muodostaen uuden lain tai teorian (kuva3). 12

16 Kuva 3: Whewelin tieteennäkemys (Koponen 2007) Faktojen yhdentäminen ei ole kuitenkaan mikään mekaaninen prosessi, vaan se tapahtuu intuitiivisesti ja vaatii luovuutta. Esimerkkinä tällaisesta prosessista mainitaankin planeettojen ratojen ellipsisyyden havaitseminen (Herrmann 2004), jossa Kepler keksi yhdistää useat yksittäiset havainnot planeettojen sijainneista jo olemassa olevaan ellipsin käsitteeseen. Keplerin lain pohjalta Newton taas oivalsi elliptisyyden johtuvan planeettoihin vaikuttavasta voimasta, jolloin kokonaisuus kytkeytyi Newtonin mekaniikkaan. Tätä prosessia voi kuvata myös palapelin rakentamisena erillisistä faktoista, jolloin tuloksena syntyy selkeä kuva kokonaisuudesta (Koponen 2007). Deduktio ilmenee Whewelin näkemyksessä teorioiden ja lakien verifoinnissa. Verifioinnissa on kuitenkin kaksi eri tasoa. Muodostuneita teorioita pyritään vertaamaan alkuperäisiin havaintoihin sekä laajentamaan niitä koskemaan muitakin ilmiöalueita. Näin on mahdollista yhdistää useampi toisistaan riippumaton kokonaisuus saman teorian tai lain alle. Tätä yhdentävää prosessia Whewell kutsui konsilienssiksi. 13

17 Whewellin tieteenkäsityksen ytimessä on siten induktiivinen prosessi ja deduktiivinen prosesssi, joista toinen tuottaa tietoa ja toinen varmentaa sen. Oleellista on myös näiden prosessien kaksisuuntaisuus ja tietty samanaikaisuus. Luovalle oivallukselle antaa sijaa konsilienssin käsite, joka samalla toimii yhdentävien oivalluksien perusprosessina. Nämä samat piirteet voidaan tunnistaa useammastakin fysiikan opetukseen liittyvästä taustanäkemyksestä, kuten mm. Kurki-Suonioiden hahmottavasta lähestymistavasta, sille läheistä sukua olevasta merkityksiä rakentavan kokeellisuuden rekonstruktiosta ja useasta muusta konstruktivistiseen näkemykseen nojaavasta, kokeellisuutta korostavasta opetuksellisesta ratkaisusta (Kurki-Suonio ja Kurki-Suonio 1994; Koponen ja Mäntylä 2006; Hestenes 1992). 3.3 Rakenteen ja prosessin rekonstruktio Tietorakenteen ja sen syntyprosessin rekonstruktio, joka yhdistää induktiivisen ja hypoteettis-deduktiivisen näkemyksen eri puolia voidaan esittää mukaillen Koposen ja Mäntylän näkemystä merkityksiä rakentavasta kokeellisuudesta (Koponen ja Mäntylä 2006). Merkityksiä rakentavassa metodissa ideana on rakenteellinen käsitteen muodostus fysikaalisten kokeiden pohjalta. Tällöin kokeet saavat niille kuuluvan roolin käsitteiden muodostumisessa ja ne muuttuvat oppilaille käsitteen kannalta merkittäviksi. Oppilaiden tietorakennetta muodostettaessa huomiota kiinnitetäänkin Whewellin korostamaan uuden tiedon löytämisen ja muodostamisen prosessiin (Herrmann 2004; Koponen 2007). Oppimisen kannalta on erityisen tärkeää, että oppilas voi alkaa rakentaa omaa tietorakennettaan juuri havaittujen ilmiöiden kautta. Ilmiöiden ja niihin liittyvien kokeiden merkitys voidaan perustella tieteenfilosofian ja historian pohjalta. Siksi kokeellisuus pyrkii toimimaan uuden tiedon ja käsitteiden perustana sitä generoitaessa (vrt. kuva 3). Artikkelissa asetetaan rekonstruktiolle kaksi epistemologista tavoitetta: 1. Kokeet nähdään tiedon lähteenä. 2. Kokeet ovat materiaalisia argumentteja, perusteltuna verrattavissa käsitteelliseen teorianmuodostukseen. 14

18 Näiden tavoitteiden toteutuminen tukee fysiikan luonnetta ja antaa kokeellisuudelle sille kuuluvan osan fysiikan tiedon historiallisessa kehittymisessä. Toisaalta nämä tavoitteet tukevat oppimista pedagogiselta kannalta antaen oppilaalle mahdollisuuden toimia aktiivisena oppijana. Tämä painotus on keskeinen, sillä ilmiökeskeisen kokeellisuuden on todettu auttavan fysiikan käsitteiden ja taitojen oppimisessa (Koponen 2007). Kokeellisuuden lisäksi on tärkeää kiinnittää huomiota tietorakenteen rakenteiden ja prosessien esittämiselle parhaalla mahdollisella tavalla. Tähän tarjoaa ratkaisun didaktinen rekonstruktio, joka jäsentää tiedon hierarkian tasot. Tiedon näkeminen hierarkkisena rakenteena on esillä jo varhaisissa empiristisissä tiedonkäsityksissä. Myös Whewellin näkemyksestä erottuvat tiedon hierarkkiset tasot: faktojen luokittelu, hypoteesien muodostus ja niiden empiirinen testaus. Erityisesti luvun valtavirta filosofiassa, looginen empirismi, on nojautunut käsitykseen tiedon hierarkkisesta rakenteesta ja vienyt käsityksen äärimmilleen loogis-käsitteellisessä teorian rekonstruktiossaan. Käsitys hierarkkisesta tiedon rakenteesta on kuitenkin idealisaatio ja rekonstruktio. Se on hyödyllinen työväline, kun halutaan jäsentää näkemystä tiedon luonteesta ja käyttää tätä näkemystä didaktisten ratkaisujen perusteena. Yksinkertaistaen nämä tasot voidaan esittää kuten taulukossa 1, jolloin abstraktiotasojen kuvaus ja kokeellisuuden merkitys kullakin tasolla on helppo sisäistää (Koponen ja Mäntylä 2006). 15

19 Taulukko 1: Käsitteenmuodostuksen abstraksiotasot (Koponen ja Mäntylä 2006) Taso Kuvaus Kokeiden rooli I Kvaliteetit Käsitteellistäminen alkaa ilmiön tunnistamisella luonnon tapahtumista. Ilmiöiden kvalitatiiviset ominaisuudet ja entiteetit muodostetaan luokittelemalla. II Kvantiteetit ja lait Kvaliteetit ja niiden III Teoria keskinäiset riippuvuussuhteet (korrelaatiot) antavat vihiä mielenkiintoisten kvantitatiivisten ominaisuuksien olemassaolosta. Kvalitatiiviset riippuvuussuhteet muutetaan kvantiteeteiksi ja laeiksi. Yleistykset esitellään ja liitetään teoriaan. Teoria ohjaa kokeellisuutta. Uuden ilmiön, entiteettien ja niiden ominaisuuksien olemassaoloa koskevien väitteiden luominen. Havainnointi, kokeellisuus, kvalitatiiviset kokeet. Kokeellisuudessa on tutkivia piirteitä. Kvantitatiivisia kokeita ja tarkkuuden määrittelyä käytetään käsitteiden rakentamisessa. Koe on tulkinta. Kvantitatiivisten kokeiden rooli on todentava. Kokeet testaavat ennusteiden ja olemassaoloa koskevien väitteiden paikkansa pitävyyttä (validiutta). Käsitteiden rakentumisen voidaankin sanoa tapahtuvan portaittaisesti. Tämä prosessi on esitetty kuvassa 4. Edellä esitelty fysiikan tiedon luonne ja rakenne vastaa hyvin fysiikan käsitehierarkian rakentumista. Fysiikan käsitteenmuodostus tapahtuu kokeista teoriaan, jolloin hierarkkisten tasojen muodostuminen on luonnollista. Alimmalla tasolla on kvalitatiivinen tieto, toisella kvantitatiivinen esitys ja kolmannella kvantitatiivinen selitys. Tämä kolmitasoinen hierarkia on verrattavissa Kurki- 16

20 Suonioidenkin (1994) esittämään hierarkiaan. Mäntylä (2003) on esittänyt graafisesti fysiikan kolmitasoisen hierarkian ja prosessin ilmiöiden ja teorian välillä (kuva 4). Kuva 4: Fysiikan kolmitasoinen hierarkia (Mäntylä 2003) Tämä malli kuvaa hyvin fysiikan kerroksellisuutta ja esittää selkeästi fysiikalle tyypillisen kolmitasoisen hierarkian. Alimmalla tasolla ovat kvalitatiiviset havainnot, toisen tason muodostaa kokeelliset lait ja suureet ja ylimpänä on formalisoitu teoria. Tällainen rakenne tukee yleisesti hyväksyttyä tieteen standardikäsitystä. Tämän työn kannalta on oleellista yhdistää tässä esitelty malli tiedon rakentumisesta käsitekarttaympäristön rakenteeseen. Käsitekarttaympäristöä luodessa on pyritty noudattamaan tämän yleisesti hyväksytyn mallin periaatteita, joten sen rakenteen voidaan sanoa olevan henkilökohtaisilta mielipiteiltä neutraali ja tieteellisesti hyväksytty. Tällä mallilla voidaan myös jäsentää fysiikan tiedon rakentumista ja luonnetta käytännössä. Tämän vuoksi rakennetta voi käyttää laajemminkin, kuin pelkän käsitteen muodostuksen hahmottamisen tukena. Kvalitatiivisen tiedon tasolla 17

21 käsitteenmuodostus perustuu havaittuihin ilmiöihin ja aiempiin kokemuksiin. Kurki- Suonioiden hahmottavassa lähestymistavassa tämä tarkoittaa olioiden, ilmiöiden ja niiden ominaisuuksien selvittämistä (Kurki-Suonio ja Kurki-Suonio 1994). Fysiikan oppimisen ja opetuksen kannalta tämä on oleellista, koska siinä korostuu kvalitatiivisten kokeiden ja oppilaiden motivoinnin merkitys. Kvantitatiivisen esityksen tasolla edellä havaitut kvaliteetit on esitetty kvantiteetteina. Käsitteen muodostuksessa tämä tarkoittaa havaitun ilmiömaailman rinnalle muodostuvaa kvantitatiivista käsitejärjestelmää. Nämä yksinkertaiset matemaattiset mallit yhdistyvät havaittuihin ilmiöihin, jolloin käsitteen merkitys saa aivan uuden tason. Siirtyminen kvantitatiivisen selityksen tasolle tapahtuu rakenteistumisen kautta. Tämä loogiseksi strukturoinniksikin kutsuttu prosessi yhdistää lait ja mallit jo olemassa olevaan fysiikan laajempaan tietorakenteeseen eli teoriaan. Teorian myötä käsite saa yhä laajemman sisällön ja teorian sisältämät lakiennusteet auttavat ymmärtämään yhä paremmin fysiikan empiriaa. 3.4 Tiedon verkosto ja sen hierarkia Mielikuva, joka muodostuu fysiikan tietorakenteesta verkostona, on läheisesti sidoksissa yksilön kognition rakenteeseen ja riippuu hyvin paljon henkilöstä. Fysiikan tiedon jäsentäminen visualisoitavana verkostona voi toisaalta olla visuaalinen ajatusleikki ja tapa pohtia suureiden ja käsitteiden suhteita, toisaalta se voi olla myös kurinalaisempi tapa jäsentää tietorakenteeseen liittyviä propositioita graafisesti. Tosiasia kuitenkin on, että parhaimmillaankin fysiikan tietorakenteesta saa muodostettua ja kuvattua vain paikallisen osa-alueen ja ehkä tärkeimmät yhtymäkohdat muihin osa-alueisiin. Fysiikan tietorakenne on liian monimuotoinen ja amorfinen, jotta se voitaisiin kuvata tyhjentävästi ja yksikäsitteisesti millään graafisella esitystavalla. Graafisella ja karttamaisella esityksellä on kuitenkin omat kiistattomat etunsa. Yleistietoon kuuluu tietää nopeuden rakentuvan ajasta ja matkasta, mutta laajemman verkoston rakentaminen vaatii asiantuntijan osaamista. Opettajan on erityisen tärkeää kiinnittää huomiota fysiikan tiedon verkostomaiseen rakenteeseen, koska oppimisen kannalta on oleellista, että uusi tieto voidaan rakentaa edellisen tietoon nojautuen. 18

22 Kuten edellisissäkin luvuissa on todettu, fysiikan teorian rakenne määrää fysiikan tietorakenteen. Teorian rakentumista on luonnollista kuvata verkostolla, koska reitit yksittäisistä ilmiöistä yleiseen teoriaan määräytyvät edellisissä luvuissa esitellyn metodin mukaan. Verkostomaisuus voidaan nähdä selkeämmin tutkimalla prosessia ilmiöiden ja niitä mallintavan teorian välillä. Tässä prosessissa teoria on lakien myötä muotoutunut oma käsitteellinen rakenteensa (Kurki-Suonio 1996a), jossa lait kuvaavat suureiden välisiä relaatioita. Lait ovat siten verkostossa suureita yhdistäviä rakenteita, verkoston solmupisteet puolestaan ovat suureita tai käsitteitä, jotka ovat syntyneet kvantifioinnin kautta. Verkoston luonnetta tutkiessa on siis syytä kiinnittää huomiota sekä käsitteiden muodostamaan verkostoon että suureiden muodostamaan verkostoon. Fysiikan terminologiassa käsite kuvaa olion tai ilmiön ominaisuutta ja suure sen mitattavaa ominaisuutta. Käsitteen voidaan siis sanoa olevan jäsentynyt mielikuva jostain fysikaalisesta ilmiöstä ja suureen sen täsmentynyt, mitattavissa ja kokeen kautta operationalisoitavissa oleva vastine. Näkökulma suureisiin ja lakeihin korostaa niiden muodostamaa verkostomaista yhteyttä. Verkostonäkemyksessä on taustalla selkeä looginen rakenne ja siksi sen käyttö on myös opetuksessa perusteltua. Se voi olla myös helpompi omaksua kuin propositionaalinen käsitteiden määrittely teorian rakenneosina. Verkostorakenteen muotoutumisen perustana on mittaamisen metodi, joka nojautuu kvantitatiivisesti tarkkoihin mittauksiin, jotka puolestaan rakentuvat aiempien mittausten varaan (Koponen 2007). Suureiden määrittelylait ovat siis aiemmin määriteltyjen suureiden välisiä relaatioita, jolloin nämä suureet yhdistämällä saadaan muodostettua verkosto. Muodostuneessa verkostossa solmut kuvaavat suureita ja linkit suureiden välisiä relaatioita. Linkit ovat kvantifioivia kokeita, joilla kyseinen riippuvuus on saavutettu. Verkoston rakennetta ajatellen tämä tarkoittaa kahden aiemman suureen liittymistä kolmanteen löytyneen invarianssin kautta. Verkoston muodostuminen on tärkeää ymmärtää myös fysiikan symbolikielen ja suureiden operationaalisen esityksen vuoksi. Verkoston muodostumisen myötä saadaan määrittelylait uusille suureille. Näkemys suureista ja laeista verkkorakenteena on hyvin yksinkertaistettu malli fysiikan tiedonrakenteesta, mutta antaa opetuksen suunnittelua, kehittämistä ja toteutusta varten riittävän kuvan verkoston muodostumisesta. Samalla se toimii hyvänä työvälineenä, kun kehitetään käsitekarttoja opetuksen apuvälineeksi. Tärkein 19

23 tiedostettava rajoittava tekijä, joka liittyy verkostonäkemykseen, on suureiden muodostaman verkoston joustamattomuus. Varsinkin tässä yleistä opetusta palvelevassa työssä linkkien muodostamalle rakenteelle löytyy näin toteutettuna vain yksi tai muutama toteutettavissa oleva malli. Tämä rajoittuneisuus ja jäykkyys on ymmärrettävä pikemminkin didaktisen rekonstruktion tuottamaksi artefaktiksi kuin todelliseksi fysiikan tietorakenteeseen liittyväksi piirteeksi. Myös käsitteet muodostavat verkonkaltaisia rakenteita, jotka rakentuvat hierarkkisesti. Käsitteiden muodostama verkosto ei kuitenkaan ole yhtä systemaattisesti rakentunut kuin suureiden ja sen sisältö riippuu siitä, millä tasolla fysiikan osaamisessa liikutaan. Käsitteenmuodostus voi siis tapahtua, vaikka oppilaan aiempi käsitteistö olisi hyvinkin puutteellinen. Tiedon karttuessa käsitteen ja aiemman tiedon välille syntyy uusia solmuja ja käsitteen sisältö muuttuu yhä selvemmäksi. Käsitteenmuodostuminen ei siis ole mikään matemaattinen rakenne, vaan se liittyy käsitteiden keskinäisiin suhteisiin. Thagard esittää käsitteiden muodostaman verkoston kolmitasoisen selityskoherenssinsa avulla (Herrmann 2004): 1. suhde kahden elementin välillä 2. kokonaisen elementtijoukon ominaisuus 3. yhden elementin ominaisuus elementtijoukkoon nähden. Käsitteiden verkosto on siis yksi suuri kokonaisuus, joka muuttuu tiedon lisääntyessä. Oppija muodostaa mielessään selityskoherenssin ja valitsee sen perusteella pätevimmän teorian käsitteensä perustaksi. Selityskoherenssin muotoutumiseen vaikuttaa Thagardin mukaan seitsemän periaatetta; symmetria, selitys, analogia, havainnon ensisijaisuus, ristiriita, kilpailu ja hyväksyntä. Näiden periaatteiden tarkkoja määritelmiä tärkeämpää on kuitenkin ymmärtää prosessin luonne. Oppija käy mielessään läpi eri käsitteitä ja muodostaa niiden perusteella parhaalta tuntuvan kuvan lopullisesta käsitteestä. On siis ymmärrettävää, että Ilmiön kontekstilla on suuri merkitys käsitteen syntymisessä (Nersessian 1995). Käsitteen muodostuksessa tämä prosessi tarkoittaa solmujen lisäämistä aiempaan verkostoon tai koko verkoston uudelleen muotoutumista. 20

24 Käsitteiden ja suureiden verkoston hierarkialla on tässä työssä keskeinen osa. On huomattava, että vaikka osa käsitteenmuodostukseen paneutuneista tutkijoista nojautuukin hierarkkiseen näkemykseen, osa kiistää sen merkityksen. Tämän työn tavoitteena on kuitenkin laatia käsitekarttaympäristö, jossa käsite- tai suureverkosto voidaan esittää hierarkkisesti. Suureet ovat fysiikan käsitteenmuodostuksen perusta ja silta havainnoista teoriaan (Kurki-Suonio ja Kurki- Suonio 1994). Tämän vuoksi on perusteltua tutkia suureiden ja käsitteiden hierarkkista rakennetta. Hierarkian pohtiminen on erityisen tärkeää myös fysiikan opetuksen kannalta. Konstruktivistinen opetusmetodimme rakentuu fysiikan hierarkian varaan, joten opettajan tulisi tuntea rakenne opetuksen selkeyden ja johdonmukaisuuden saavuttamiseksi. Tämän työn kannalta oleellista on muistaa käsitekartan käyttöön liittyvät määritelmät (Koponen 2007): 1. Käsitekartta koostuu solmupisteistä ja niiden välisistä linkeistä, eli suureista ja laeista. 2. Käsitekartta rakentuu hierarkkisesti, niin että alemman tason rakenteet ovat alisteisia korkeamman tason rakenteille. 3. Käsitekartta on liitettävissä kuvaamiinsa ilmiöihin täsmentävillä selityksillä. Käsitteiden ja suureiden muodostamia hierarkkisia rakenteita tutkiessa onkin hyvä pohtia niiden yhteyttä käsitekartan rakentumiseen. Edellä mainituista kohdista kaksi ensimmäistä liittyy vahvasti suureiden ja käsitteiden hierarkiaan, joka esitellään tässä luvussa. Viimeinen kohta perustuu suureen määritelmään: Luonnonilmiöiden mitattavia ominaisuuksia sanotaan suureiksi. Kartasta on siis selvittävä, minkä ilmiön mitä ominaisuutta suure kuvaa ja miten sen voi mitata. Juuri suurehierarkia erottaa fysiikan muista tieteenaloista ja mahdollistaa tiedon tieteellisesti oikeaan esityksen. Tämä perustuu siihen, että suureet yhdistävät fysiikan kokeellisuuden ja eksaktisuuden. Lisäksi suurehierarkia määrää, missä järjestyksessä tieto tulee esittää. Siksi käsitekartan tulee rakentua teorian mukaisesti. Hierarkian kannaltakin rakennetta kannattaa tutkia sekä suureiden että käsitteiden puolelta. Suurehierarkian rakentava tekijä on fysiikan metodi eli kokeellisuus. Verkosto liittää suureet toisiinsa, mutta hierarkia antaa rakenteelle muodon. Suureen määrittely tapahtuu kokeellisesti aiemmin tunnettujen suureiden pohjalta. Saatu invarianssi on 21

25 siten joko uusi suure tai kokeellinen laki. Hierarkian muodostumisen kannalta on syytä huomioida myös hierarkian yhteys käytettyyn yksikköjärjestelmään. Yksikköjärjestelmä ei kuitenkaan saisi olla määräävänä tekijänä hierarkian muodostumiselle. Koska ympäristöä kehitetään opetuksen tueksi, on aiemman tutkimuksen (mm. Koponen ja Mäntylä 2006) avulla rakennettu hierarkkinen näkökulma (kuva 4) mielestäni perusteltu. Siinä kokeellisuutta käytetään historiallisen käsitteenmuodostuksen kannalta totuudenmukaisesti, mutta huomioidaan kuitenkin oppijan tiedon muodostukseen vaikuttavat tekijät. Riittävän laaja tietorakenne ja sen muodostumiseen johtaneet prosessit saadaan näin esitettyä opiskelijalle mielekkäällä tavalla sekä fysiikan historiaa että luonnetta painottaen. Fysiikan opetuksessa pyritään kohti laajempaa teoriaa, jolloin suureet ja niiden muodostama hierarkia toimii tämän teorian rakennuspalikoina. Näin muodostuu kerroksellinen tietorakenne, johon oppilaan on helppo liittää uutta tietoa (Koponen 2007). Opettajan kannalta on oleellista suunnitella opetus näitä näkökulmia huomioiden. Toimiva käsitekarttaympäristö helpottaisi tuntien suunnittelua ja mahdollistaisi selkeän kokonaisuuden syntymistä oppilaalle. Suurehierarkian kannalta on ymmärrettävä myös suureiden syvempi kehittyminen. Kurki-Suonio on määritellyt suureen merkityksen kehittymisen neljänä kohtana (Kurki-Suonio ja Kurki-Suonio 1994): 1. Suureen empiirinen merkitys on hahmo ennen suuretta. 2. Kvantifiointi rakentaa suureen sen empiirisestä merkityksestä. 3. Suure saa teoreettisen merkityksen strukturoinnin kautta. 4. Suureen yleistyminen. Näistä ensimmäinen ja toinen kohta kuvaavat suureen kehitystä havaitusta ilmiöstä mitattavaksi suureeksi. Tämä prosessi vaatii idealisointia ja kuvaakin parhaiten jotain tiettyä tilannetta. Näiden kohtien toteutuessa saadaan suureelle määrittelylaki ja mittausmenetelmä. Kvantifioinnin kautta saadaan suureille hierarkia, mutta vasta strukturointi liittää sen fysiikan teorian rakenteeseen. Teorian osana suure yleistyy ja sen tiettyä tilannetta kuvaavat rajoitukset poistuvat. Tällöin se laajenee kuvaamaan uusia olio- ja ilmiöluokkia (Kurki-Suonio ja Kurki-Suonio 1994). 22

26 Käsitekartta, joka ottaa huomioon nämä hierarkkisuuden vaatimukset on voitava esittää sekä visuaalisesti että sisällöllisesti riittävän kattavasti. Visuaalisesti kartalta tulee vaatia selvää erottelua ilmiötason, suuretason ja teoriatason välillä. Hierarkian eri tasot tulee voida esittää selkeästi, jolloin käsitteet rakentuvat alhaalta ylös niin, että ilmiöt ovat alhaalla ja teoria ylhäällä. Lisäksi ilmiöistä suureisiin, suureista lakeihin ja laeista teoriaan johtavien linkkien tulee näkyä selvästi. Sisällöllisesti kartalta tulee vaatia esimerkein ja kokein selvityksiä kustakin kohdasta. Käytännössä tämä tarkoittaa hyperlinkkien muodostamista kyseisiä käsitteitä tai linkkisanoja selventämään. Ilmiöiden kohdalla hyperlinkki voi sisältää ilmiön kuvaamisen kirjallisesti esimerkkien avulla ja sen suhteen olemassa olevaan teoriaan. Suureiden ja lakien osalta hyperlinkistä tulee selvitä käytetyt kokeet ja saadut riippuvuudet, joilla kvantifiointi on suoritettu. Teorian sisällölliset vaatimukset taas rajoittuvat idealisointien ja teorian pätevyysalueen esittämiseen. Tässä olisi hyvä mainita myös esimerkki teorian kokeellisesta testaamisesta. Toistaiseksi ei kuitenkaan ole olemassa valmiita tietoteknisiä työskentelymenetelmiä ja -ympäristöjä, joita voitaisiin helposti käyttää tässä luonnehdittujen hierarkkisten rakentuvien käsitekarttojen laadintaan. Samoin on huomattava, että opetuksessa on aiemmin nojauduttu pääasiassa assosiatiivisten karttojen tai miellekarttojen käyttöön (Slotte ja Lonka 1999) tai jäsennys on ollut fysiikan tiedon näkökulmasta mielivaltaista, heijastellen ensisijaisesti oppijan näkemystä eikä opittavan tiedon rakennetta (Van Zele 2004). Vaikka näilläkin kartoilla on sijansa opetuksessa, ne ovat oppimisen sisällön asettamien päämäärien kannalta huonoja. 3.5 Fysiikan yhdentävät teemat jäsentäjinä The principal aim of any science is to reduce itself to the smallest possible number of principles. - James Clerk Maxwell (Bagno et al. 2000) Fysiikan tietorakenteelle on tyypillistä pyrkiä kohti yhä yleisempiä käsitteitä ja periaatteita. Fysiikan historiaa tarkastelemalla voidaan huomata, kuinka fysikaalisia 23

27 ilmiöitä koskevat periaatteet ovat yleistyneet kattamaan yhä suurempia kokonaisuuksia. Samalla ne ovat kuitenkin etääntyneet yksittäisten ilmiöiden kuvaamisesta ja muodostaneet yleisiä periaatteita, joilla voidaan mallintaa fysiikan ideaalisia tilanteita. Esimerkkinä voidaan ajatella sähködynamiikan yleistymiskehitys aina luvun puolesta välistä luvun alkupuolelle. Se alkaa sähkö- ja magnetismi-ilmiöiden erillisistä teorioista ja etenee Kelvinin sähkö- ja magnetostatiikan yhdentävän teorian kautta Maxwellin ja Herzin sähködynamiikan kenttäteoriaan. Einsteinin klassisen sähködynamiikan teorian myötä se laajentuu pätemään myös suhteellisuusteorian pätevyysalueella (Koponen 2007). Klassinen sähködynamiikan teoria on laaja ja kaiken kattava, mutta sen suora soveltaminen arkipäivän ongelmiin on hankalampaa, kuin Kelvinin teoriassa. Tästä näkökulmasta fysiikan tietorakenteen voisikin sanoa koostuvan yhdentymiskehityksen muovaamista yleisistä periaatteista ja niiden erityistapauksista. Tällainen yleistymiskehitys tuottaa yhdentäviä käsitteitä ja periaatteita. Niiden havaitseminen ja huomioiminen eri tilanteissa vaatii varsin kehittynyttä tietorakennetta ja korkeaa ajattelua. Se on kuitenkin edellytys ilmiöiden ja teorian syvemmälle ymmärtämiselle. Yleistymiskehityksen myötä fysiikan tietorakenteesta voidaan erottaa eri osa-alueita yhdistäviä teemoja ja yleisperiaatteita. Niitä ovat mm. energia, säilymislait, kentät ja symmetriaperiaatteet. Yhdentävien teemojen tavoin myös käsitteet ja suureet ovat mukana yleistymiskehityksessä. Käsitteiden ja suureiden kannalta kehitys on hieman rajoittuneempaa, koska niiden on oltava palautettavissa toteutettavissa olevaan mittaukseen. Tässä suhteessa käsitteiden yleistyminen tapahtuukin siihen liittyvien suureiden operationalisointitapojen kautta. Tätä prosessia ohjaa kuitenkin teoria, jossa yhdentävät teemat voidaan havaita käsitteiden yleistymistä ja fysiikan eri osa-alueita ohjaavina ja yhdistävinä tekijöinä. Yhdentävien teemojen huomioiminen opetuksessa on tärkeää. Useissa tutkimuksissa, mm. Koponen (2004), Cotignola (2002) ja Bagno (2000), on todettu, että opiskelijoiden tietorakenne koostuu pirstoutuneesta kokoelmasta faktoja ja perustuu fysiikan yksittäisten osa-alueiden pätevyysalueilla toimiviin sääntöihin. Tällainen tietorakenne estää kuitenkin fysiikan käsitteiden ymmärtämisen ja vaikeuttaa hankalien ongelmien ratkaisemista. Asiantuntijan tietorakenne sen sijaan rakentuu fysiikan keskeisten periaatteiden ympärille, jolloin eri osa-alueet kuten esimerkiksi 24

28 sähkömagnetismi ja mekaniikka kietoutuvat yhdeksi kokonaisuudeksi helpottaen ilmiön tarkastelua. Opetuksessa tulisikin käyttää yhdentäviä teemoja jäsentäjinä, jotta fysiikan tietorakenteesta muodostuisi yhtenäisempi kokonaisuus. Tällöin toteutuisi Maxwellin ajatus, jonka mukaan suurta määrää ilmiöitä tulisi kuvata pienellä määrällä periaatteita. Yhtenä vaihtoehtona tietorakenteen kehittämiseksi on kirjallisuudessa mainittu fysiikan johdantokurssin sisällön muuttaminen tukemaan ajattelua, jossa eri osa-alueita ei ole tiukasti luokiteltu (Cotignola et al. 2002). Työväline näiden tavoitteiden saavuttamiseksi on käsitekarttaympäristö, jossa yhdentävät teemat on huomioitu. Käytännössä tämä tarkoittaa käsitekarttaympäristön käytön kouluttamista tuleville fysiikan opettajille, jotta he voisivat sen avulla jäsentää asiantuntijan tietorakennetta vastaavan organisoidun kokonaisuuden oman opetuksensa tueksi. Ainakin Helsingin yliopistolla tämä on huomioitu fysiikan opettajien koulutuksessa. Opettajan jäsentyneen tietorakenteen ja opetuksen myötä myös oppilaat oppivat jäsentämään omia ideoitaan ja muokkaamaan jo olemassa olevaa tietorakennettaan yhä lähemmin asiantuntijan mallia muistuttavaksi. Yhdentävien teemojen huomioiminen käsitekartoissa on esitetty tarkemmin tulevissa luvuissa Energia Fysiikan nykyisen tietorakenteen taustalla on sen historiallinen yhdentymiskehitys. Aluksi fysiikan osa-alueet luokiteltiin niihin liittyvien ilmiöiden perusteella, mutta tiedon lisääntyessä nämä ennen riippumattomat osa-alueet liittyivät yhteen muodostaen yhä yhtenäisemmän selittävän teorian. Osa-alueet jakautuivat mekaniikan ja sähködynamiikan haaroihin. Mekaniikan haaran runkona oli Newtonin mekaniikka, johon akustiikka liittyi aineen värähdysliikkeen kautta. Lämpöoppi saatiin liitettyä pitävästi mekaniikkaan 1800-luvun lopulla, jolloin Maxwell esitti kineettisen kaasuteorian ja Boltzmann osoitti, että lämpöopin toinen pääsääntö on seurausta hiukkasten liikkeiden tilastollisista ominaisuuksista. Sähkö ja magnetismi kytkeytyivät mekaniikkaan Coulombin lakien myötä Coulomb määritti sähköisten ja magneettisten veto- ja poistovoimien lait, joita voitiin käyttää kuten 25

29 muitakin voiman lakeja Newtonin mekaniikassa. Voima liitti myös sähkön ja magnetismin toisiinsa Ampèren tutkimustulosten myötä Magneettisten voimavaikutusten aiheuttamat ilmiöt, kuten kompassineulan heilahtelun vaimeneminen kuparikotelossa, eivät kuitenkaan selittyneet enää mekaniikan puitteissa. Fysikaalinen selitys löytyi heti luvun alussa Faradayn ja Henryn keksittyä sähkömaneettisen induktion. Tämän uuden ilmiön myötä fysiikassa otettiin käyttöön kentän käsite. Kenttä toimi nyt mekanismina, joka välitti vuorovaikutusta kahden hiukkasen välillä. Faraday ja Henry olivat tutkineet muuttuvan magneettikentän synnyttämää sähkökenttää, mutta 1865 Maxwell laajensi teorian koskemaan myös muuttuvan sähkökentän aiheuttamaa magneettikenttää. Hän kokosi samalla kaikki sähkömagneettisten ilmiöiden lait yhtenäiseksi teoriaksi. Tämän teorian pohjalta voitiin ennustaa aaltojen liikettä sähkömagneettisessa kentässä ja osoittaa niiden kulkevan valon nopeudella. Näin valokin liittyi sähkömagnetismiin. Maxwellin lait muodostivat sähködynamiikan, joka Newtonin mekaniikan kanssa oli klassisen fysiikan maailmankuvan perusta. (Kurki-Suonio ja Kurki-Suonio 1994.) Energian merkityksen ymmärtämiseksi tietorakennetta tulee tarkastella myös pelkän energian kannalta. Osa-alueita tutkiessa huomaa, kuinka energia on koko ajan mukana kehityksessä. Lämpöoppi sisältää monia energian lajeja, mutta ne palautuvat termodynamiikassa sisäenergian käsitteeseen. Klassisessa fysiikassa äänen ja valon energia taas oli kentässä tai väliaineessa etenevää energiaa. Newtonin mekaniikassa energia on kappaleiden liikettä ja vuorovaikutusta keskenään, kun taas sähkömagnetismissa tutkitaan hiukkasten liikettä sähkö- tai magneettikentässä, jolloin puhutaan kyseisten kenttien energioista. Modernin fysiikan myötä aletaan tarkastella hiukkasten lepo- ja liike-energiaa (Kurki-Suonio ja Kurki-Suonio 1994). Kurki-Suonio (1996a) on koonnut energian lajit ja niiden kiinnitykset taulukkoon 2. 26

30 Taulukko 2: Energian lajit ja niiden kiinnitykset (Kurki-Suonio 1996a) Oliot, ilmiöt Energian laji KLASSINEN FYSIIKKA Kappaleet, liike Liike-energia Vuorovaikutukset Potentiaalienergia -vapausasteet Mekaaninen energia -vuorovaikutuksen lajit -sisäinen/ulkoinen -eteneminen, pyöriminen Kentät, kenttien lajit Kentän energia (lajit) Aine (aineen ominaisuudet) Lämpöenergia, latenttienergia, kemiallinen energia, kimmoenergia, sähköinen energia, magneettinen energia sisäenergia Aallot, säteily: lajit Aalto-/säteilyenergia: lajit - ääni, valo, Hiukkaset, aallot liike-energia, aineen/kentän etenevä energia MODERNI FYSIIKKA Atomaarinen aine Rakenneosien liike-energia, vuorovaikutusten potentiaalienergia -vapausasteet Kvantittuneet kentät Kvanttien energia / energianvaihto Suhteellisuusteoria Energian massan ekvivalenssi Aine energian lajina Historiallisen lähestymisen jälkeen on helpompi ymmärtää, miten energia liittyy kaikkiin olioihin ja ilmiöihin. Oleellista on kuitenkin huomata, että nämä eri osaalueiden energiat ovat empiirisiltä lähtökohdiltaan eri suureita. Energian kattokäsitteen syntymisen perustana pitää siis olla yleiset invarianssit, jotka pätevät näiden eri ilmiöalueiden kytkeytyessä yhteen (Kurki-Suonio ja Kurki-Suonio 1994). Energialla yhdistävä tekijä on sen säilyminen. 27

31 Tietorakennetta muodostettaessa voidaan tarkastella vain yhtä ilmiöluokkaa kerrallaan ja muodostaa näiden havaintojen pohjalta mielikuva energiasta kattosuureena ja kaiken yhdentävänä teemana (Kurki-Suonio 1996a). Koulufysiikassa energian liittäminen tietorakenteeseen on tapana aloittaa joko lämpöopista tai mekaniikasta. Fysiikan opetuksen kannalta energian käsitteeseen on syytä kiinnittää erityistä huomiota. Energia on yksi fysiikan abstrakteimmista käsitteistä ja sen vuoksi sen ympärille liittyy monia vääriä käsityksiä. Arkipäiväisten ilmiöiden ja ulkoa opeteltujen fraasien perusteella se liitetään helposti kykyyn tehdä työtä. Vastaavasti termodynamiikan puolella energia jaotellaan sen eri muotoihin puhuen lämpöopin ensimmäisestä pääsäännöstä. Sen mukaan energia on kineettisen energian, potentiaalienergian ja systeemin sisäenergian summa. Ongelma on kuitenkin systeemin ja sen tilan tarkemman tutkimisen puute, joka perusteellisesti tehtynä liittäisi lämpöopin ja mekaniikan yhteen tuottaen yhä yhtenäisemmän energian käsitteen (Cotignola et al. 2002) Kentät Myös kenttien yhtenäistävää roolia fysiikan eri osa-alueiden välillä on hyvä tarkastella käsitteen historiallisen muodostumisen kannalta. Magneettisten ilmiöiden myötä pelkkien kosketusvuorovaikutusten pätevyysalue muodostui riittämättömäksi selitysperustaksi. Näitä etävuorovaikutuksia selittämään syntyi kentän käsite. Jo 1200-luvulla kenttä ymmärrettiin luonnollisena kykynä vaikuttaa kaukana oleviin magneettisiin kappaleisiin luvulla William Gilbert tutki kentän käsitteen avulla toisistaan kaukana olevien kappaleiden vuorovaikutusta keskenään. Kenttäviiva malli syntyi 1700-luvun puolessa välissä ja johti Faradayn malliin kentästä itsenäisenä oliona. Faradayn myötä kenttä vakinaistui aineettomaksi olioksi, joka kattaa tietyn alueen avaruudessa ja sen ominaisuudet voidaan havaita alueen kaikissa pisteissä (Kurki-Suonio 1996b). Kentän käsitettä onkin hyvä pohtia sekä Newtonin mekaniikan että Faradayn sähkömagnetismin näkökulmasta. 28

32 Newtonin mekaniikassa kentän käsite on sidoksissa vuorovaikutukseen ja voimaan. Newtonin lähtökohtana on liikkeen muutoksen aiheuttama voima etävuorovaikutuksessa ja sen selittäminen kentän käsitteen avulla. Newtonin kentän käsite on siis matemaattinen malli, jolla hän kuvaa vuorovaikutuksen voimakkuutta avaruuden eri pisteissä. Matemaattisen luonteen ansiosta Newton ei paneudu voiman välittymisen mekanismeihin kentän vaikutusalueella, vaan keskittyy enemmänkin ilmiötä kuvaavan teorian luomiseen. Myös Faraday käytti kenttäviivoja ensin Newtonin mukaisesti voiman ja vuorovaikutuksen välittymisen kuvaamiseen. Myöhemmin hän kuitenkin käsitteli kenttää itsenäisenä oliona, jonka hallussa vuorovaikutuksen potentiaali energia on. Faradayn itsenäinen kenttäkäsite johti 1800-luvulla vaikuttaneen eetteri-teorian syntyyn. Kentän aineellinen olemus auttoi kuitenkin William Thomsonia muotoilemaan sähkömagneettisille kentille matemaattisen kuvailun. Sähköisten ja magneettisten ilmiöiden aiheuttamat vuorovaikutukset perusteltiin eetterin ominaisuuksien avulla. Thomsonin teoria oli merkittävä, sillä se mahdollisti mekaniikasta tuttujen energian, liikemäärän ja potentiaalin käsitteiden yhdistämisen sähkö- ja magnetismi ilmiöiden kuvailuun. Suurin edistysaskel oli juuri potentiaalin käsitteen ja kentän käsitteen yhdistäminen toisiinsa. Thomsonin kenttäteoria ei kuitenkaan selittänyt induktio ilmiötä kokonaisuudessaan, vaan rajoittui Faradayn ja Henryn induktiolain esityksiin muuttuvan magneettikentän synnyttämästä sähkökentästä. Sähkömagneettisten ilmiöiden yhtenäisen teorian esitteli James Maxwell vuonna Klassisen sähködynamiikan teoriassaan hän ratkaisi etenemisen mekanismin kentässä toisiaan ruokkivien induktio- ja käänteisinduktioilmiöiden avulla. Hän päätteli, että induktioilmiön täytyisi indusoida väliaineeseen sisäisiä siirtymiä eli polarisoitumia, joiden seurauksena syntyy käänteisiä induktio-ilmiöitä. Samalla Maxwell esitteli sähkövuontiheyden ja kenttävirran sekä muodosti matemaattisen perustan klassiselle kenttäteorialle. Maxwellin teoriassa sähkö- ja magneettikentät esitetään operaattorilaskennan avulla neljänä lakina. Niissä kentät syntyvät paikallistuneista lähteistä ja niiden ominaisuuksia kuvataan differentiaalisilla laeilla, jotka mallintavat kenttäviivojen kaareutumista, harventumista ja tihentymistä kaikkialla avaruudessa. (Koponen 2007.) 29

33 Myös kirjallisuudessa on huomioitu kentän kenttäkäsitteen merkitys fysiikan tietorakenteen yhdentävänä teemana. Bagno et. al. (2000) jäsentää sähkömagnetismin käsitteet niiden merkitysten mukaisesti asettaen tärkeimmät hierarkkiassa ylimmäisiksi. Näiden pääkäsitteiden ympärille kietoutuneet käsitteet muodostavat sähkömagnetismin tietorakenteen, joka kokoaa Maxwellin lait helposti sisäistettävään muotoon. Tämän mallin eduiksi Bagno mainitsee seuraavat tekijät: 1) Pienentää muistin kuormittumista. 2) Helpottaa vaikeiden käsitteiden omaksumista tavanomaisempien ja muista osa-alueista tunnettujen näkökulmien avulla (Esim. konservatiivisen voima käsite sähkömagnetismissa mekaniikan avulla selitettynä). 3) Mahdollistaa ongelman ratkaisun käyttäen hyväksi jonkin toisen osa-alueen metodeja (Esim. Kaksiatomisten molekyylien potentiaalienergian rinnastaminen mekaniikan ilmiöihin). Kuva 5: Bagnon luokittelu voimille ja kentille (Bagno et al 2000) Säilymislait Energia on koko fysiikan tietorakennetta yhdistävä teema. Se esiintyy kaikilla fysiikan osa-alueilla ja säilyy. Energian säilyminen edellyttää kyseisillä osa-alueilla niille ominaisia säilymislakeja, jotka näyttelevät merkittävää osaa kyseisen osa- 30

34 alueen tietorakennetta luodessa. Tässä työssä onkin oleellista ymmärtää säilymislakien merkitykset tietorakennetta yhdistävinä tekijöinä. Energian tiedetään säilyvän, mutta tiedon suora hyödyntäminen jollain tietyllä fysiikan osa-alueella on hankalaa. Säilymisestä on tietorakenteen organisoinnissa hyötyä vasta, kun se havaitaan konkreettisesti jossain ilmiössä. Esimerkiksi potentiaalienergia säilyy kappaleen ollessa paikoillaan ja vastaavasti kineettinen energia säilyy kappaleen edetessä tasaisesti. Näistä havainnoista ei kuitenkaan ole juuri iloa. Säilyminen saakin merkityksensä vasta, kun kappaleen kokonaisenergian havaitaan muuntuvan muodosta toiseen, mutta kuitenkin säilyvän. Tässä työssä oleellista on kiinnittää huomiota niihin säilymislakeihin, jotka toimivat yhdistävinä teemoina teorian muodostamassa tietorakenteessa. Säilymislait voidaan havaita tutkimalla ilmiöissä vaikuttavia vuorovaikutuksia ja luokittelemalla niiden vaikutustapoja. Näitä vaikutustapoja ovat vektorivaikutus, tensorivaikutus ja skalaarivaikutus. Vaikutustavat johtavat säilymislakeihin, joita ovat: 1) liikemäärän säilyminen 2) pyörimismäärän säilyminen 3) energian säilyminen Säilymislakien merkitystä tietorakenteessa voidaan havainnollistaa esimerkiksi lämpöopin ja mekaniikan liittymisen toisiinsa Joulen kokeen avulla, jossa liikeenergia muuttuu lämpöenergiaksi. Yleisemmän näkökulman säilymislakien mahdollisuuksista antaa Lagrangen mekaniikka, jossa systeemin energetiikka esitetään Lagrangen funktion avulla. Lagrangen mekaniikassa systeemin dynamiikkaa tarkastellaan hyvin yleisesti ja abstrakteista periaatteista käsin. Tieteen mallin muodostumisen kannalta tämä on oleellista, koska monet mekaniikan alueella pätevät riippuvuudet voidaan Lagrangen yhtälöiden avulla yleistää uudelle alueelle. Teorian ohjaama tietorakenteen kehittyminen on oleellinen osa käsitekartoillakin esitettävän tiedon luonnetta. 31

35 4 TIEDON JÄSENTYMISEN KOGNITIIVINEN PERUSTA Käsitekarttojen hyödyllisyyttä, jopa välttämättömyyttä, opittavan tietorakenteen jäsentyneen muodostamisen apuvälineenä, voidaan perustella myös kognitiotieteen näkökulmasta. Käsitteellisen ymmärryksen ja ymmärtämisen kehittymisen kannalta on tärkeää pystyä tekemään näkyväksi ja hallittavaksi käsitteellisten rakenteiden luonne ja sen osien liittyminen toisiinsa. Tämä näkökulma on perusteltu, sillä käsitekarttaympäristön käytön tavoitteena on tarjota toimiva työskentely- ja opiskeluympäristö, joka mahdollistaa ja auttaa jäsentyneen tietorakenteen muodostamista oppijalle. 4.1 Hyvä opetus ja mielekäs oppiminen Hyvässä opetuksessa lähtökohtana on aina itsestään selvästi tunnistetut ja todetut tavoitteet sekä tavoitteisiin harkitulla tavalla sovelletut välineet. Karkeasti voitaisiin sanoa, että luonnontieteen opetuksen tavoitteena on muokata oppilaan tietorakennetta vastaamaan mahdollisimman hyvin tiedeyhteisön oikeana pitämiä käsityksiä ja samalla antaa mahdollisimman oikeansuuntainen käsitys tiedon tuottamisen ja oikeaksi osoittamisen prosesseista. Tavoitteisiin kuuluu siten sekä tieteen tuotteet että sen prosessit. On huomattava, että tässä suhteessa tiedeyhteisön tieto ja sen prosessit toimivat varsin normatiivisena kehyksenä, joka ei aina oppilaan oppimisprosessin kannalta ole helpoin ja motivoivin asetelma. Oppilaan huomioivassa fysiikan opetuksessa keskeisin kysymys onkin, kuinka antaa riittävästi sijaa ja liikkumavaraa oppilaan omalle tiedon konstruktiolle ja samalla määrätietoisesti ohjata oppilaan kognitiivista prosessia kohti olemassa olevaa, yhteisöllisesti hyväksyttyä tietorakennetta. Jotta oppilaan tietorakennetta olisi helpompi kehittää haluttuun suuntaan oppimisprosessin yksilöllisyyttä kunnioittaen, on toisaalta ymmärrettävä tieteellisen tiedon muodostumisen metodit sekä sitä rajaavat tekijät ja toisaalta yksilön oppimiseen liittyviä tekijöitä. 32

36 Hyvänä lähtökohtana tiedon muodostumiselle pohtimiselle voidaan pitää pikkulasta. Kolmeen ikävuoteen saakka lapset havainnoivat ympäristön säännönmukaisuuksia ja tunnistavat niihin liittyviä kuulemiaan kielellisiä yhteyksiä. Tämä on lapsen luonnollinen keino muodostaa käsitteitä havaitsemistaan ilmiöistä ja niihin liittyvistä verbaalisista merkityksistä. Kolmen vuoden jälkeen käsitteenmuodostus ei perustu enää lapsen itse löytämiin yhteyksiin, vaan sen perustana ovat lapsen esittämät kysymykset ja niihin saamien vastauksien liittäminen aiempiin käsitteisiin (Novak ja Cañas 2006). Vastaavasti voidaan myös käsitteiden muodostuminen opetuksen kontekstissa jakaa ulkoa oppimiseen ja mielekkääseen oppimiseen. Mielekkään oppimisen teoria on Ausubelin kehittämä kasvatustieteen puolella hyväksi koettu menetelmä. Ausubelin mielekään oppimisen teoria perustuu kolmeen vaatimukseen, jotka erottavat sen ulkoa oppimisesta (Novak ja Cañas 2006): 1) Opetuksen sisällön tulee olla käsitteellisesti selvää ja siihen liittyvien suullisten selitysten ja esimerkkien on oltava liitettävissä oppijan aikaisempaan tietorakenteeseen. 2) Oppijalla on oltava riittävä aikaisempi tietorakenne. 3) Oppijan on itse haluttava opiskella mielekkäästi. Kognitiivisen oppimiskäsityksen mukaan oppilaalle ei siis voi jakaa tietoa valmiina, vaan oppiminen edellyttää oppilaan omaa aktiivisuutta. Samoin siinä on keskeistä tiedon liittäminen aiempiin jo olemassa oleviin tietorakenteisiin. Ausubelin näkemyksessä oppilaan kognitiivista rakennetta voidaan pitää tiedon rakenteena ja käsitteellisen tiedon osalta tämä luonnollisestikin merkitsee käsitteiden rakennetta. Rakenne ei kuitenkaan välttämättä ole hierarkkinen, mutta ainakin fysiikan tietorakenteen kannalta myös hierarkkiset rakenteet ovat varsin perustellusti keskeisiä. Näin oppimisen kautta muodostuva tietorakenne kehittyy oppilaan liittäessä uusia kokemuksia aiempiin tietoihin, käsityksiin ja muihin informaation prosessointiin liittyviin tekijöihin (Lavonen et al. 2006). Mielekkään oppimisen näkökulmasta käsitekarttaympäristö tuntuisi tarjoavan hyvän lähtökohdan opetukselle. Käsitekarttojen käyttö opetuksen tukena jäsentää loogisen 33

37 käsitteistön, jolloin kahden ensimmäisen kohdan kriteerit täyttyvät. Hyvin organisoituun aiempaan opetukseen oppilaan on mahdollista liittää vaikeitakin käsitteitä ja kehittää näin omaa tietorakennettaan. Käsitekartat mahdollistavat tämän tiedon rakenteen esittämisen oppimisen eri vaiheissa, jolloin tiedon reflektiota ja metakognitiota tuetaan oppilaan kannalta hyvin luonnollisella tavalla. Opettajan kannalta taas avautuu parempia mahdollisuuksia ottaa huomioon oppilaan oppimisprosessisin vaihe, sillä käsitekartat toimivat myös välineenä havainnoida oppimisprosessia. Opettajalla on mahdollisuus vaikuttaa oppilaan motivaatioon ja ohjata hänen ajatteluaan mielekkään oppimisen metodin mukaisesti. Käsitekartat tukevat myös sitä mielekkääseen oppimiseen kuuluvaa metodia, jossa ilmiöt ja niihin kuuluvat havainnot pyritään aina sitomaan oppilaille aiemmin tuttuihin konteksteihin. On kuitenkin huomattava, että oppilas poimii tiedon ainekset vapaasti ympäriltään ja muodostaa itse oman tietorakenteensa. Mielekkään oppimisen lähtökohdat ja mahdollisuudet on esitetty kuvassa 6. Kuva 6: Mielekkään oppimisen lähtökohdat (Novak ja Cañas 2006) Tiedon jäsentämisen tarvetta on hyvä tarkastella ihmisen tiedon käsittelymahdollisuuksien kannalta, jossa muistilla on suuri rooli. Muisti ratkaisee kuinka opitut asiat säilyvät mielessä ja kuinka muistiin tallentuneet asiat, assosiaatiot, tiedot ja tietorakenteet voidaan aktivoida ts. saadaan muistista ulos. Muistin monivarastoteorian mukaan tietoa käsitellään ja varastoidaan sensorisessa varastossa (näön ja kuulon varasto), lyhytaikaisessa muistissa (työmuisti, aktiivinen muisti) ja pitkäaikaisessa muistissa (säilömuisti). 34

38 Ympäristöstä aistien avulla saatu ärsyke tulee sensoriseen varastoon ilman tahdonalaista kontrollia ja viipyy siellä noin yhden sekunnin. Tahdonalaisen tarkkaavaisuuden tuloksena ärsyke siirtyy lyhytkestoiseen muistiin, jossa se säilyy 5-20 sekuntia. Ärsykkeen siirtyminen pitkäkestoiseen muistiin edellyttää ärsykkeen muokkaamista ja prosessointia. Informaatio muokataan yleensä semanttiseen kielelliseen muotoon, jonka jälkeen se siirtyy hyvin laajaan pitkäkestoiseen muistiin (Lavonen et al. 2006). Opetuksen ja siinä käytettävien metodien valinnan kannalta on oleellista huomioida työmuistin rajallisuus. Työmuistissa ihminen voi prosessoida viidestä yhdeksään käsitettä kerralla. Muistamista helpottaa käsitteiden liittyminen aiempaan tietorakenteeseen, jolloin ne saadaan prosessoinnin kautta liittymään pitkäkestoiseen muistiin. Kaikki pitkäkestoisessa muistissa oleva tieto ei ole kuitenkaan ole täysin rakenteistunutta. Osa tiedosta on ulkoa opittua. Ulkoa opitun tiedon haitoiksi Novak mainitsee sen nopean unohtumisen ja haitallisuuden ongelmanratkaisukykyä vaativissa tehtävissä. Ulkoa opittu tieto hajottaa (pirstaloi) jo olemassa olevaa tietorakennetta estäen tiedon etsimisen sen rakenteista ja aiheuttaen väärien käsitteiden muodostumista. Tästä näkökulmasta katsottuna käsitekartta toimii tietorakennetta organisoivana työvälineenä, joka helpottaa palasten asettumista lyhytkestoisesta pitkäkestoiseen muistiin. Muistin toiminnan ymmärtäminen tukee myös Thagardin näkemystä käsitteiden muodostumisesta. Käsitteet ovat monimutkaisia rakennelmia, jossa käsitteitä yhdistävät toisiinsa tietyt merkitykset, jotka ovat samalla tärkeä osa itse käsitettä (Mäntylä ja Koponen 2006). Käsitekarttojen kannalta muistiin tallentuminen ja muistista hakeminen on mielenkiintoinen kysymys. Karttamaisesti rakentuva tieto muodostaa nimittäin kytketyn rakenteen, jossa toisaalta mahdollisimman suuri kytkentöjen määrä on eduksi joustavuuden kannalta, mutta toisaalta hierarkkisuus helpottaa rakenteen hyödyntämistä tietoa aktivoitaessa ja haettaessa. Tästä näkökulmasta käsin rakenteen jonkin aseteinen hierarkkisuus on etu, mutta liian jäykkä hierarkkisuus on haitta rakenteen stabiilisuuden kannalta. Täysin hierarkkisessa rakenteessa nimittäin pienikin muutos aiheuttaa helposti koko rakenteen pirstoutumisen tai ainakin tarpeen restrukturoida koko rakenne. Sen sijaan osittaisesti hierarkkinen rakenne sallii paikallisten muutosten ja lisäysten tekemisen ilman, että koko rakenne muuttuu tai 35

39 että se joudutaan järjestämään kokonaisuutena uudestaan. Samalla osittainen hierarkia tekee tiedon hakemisen ja aktivoinnin riittävän helpoksi joskaan ei yhtä tehokkaaksi kuin jäykkä hierarkia. 4.2 Metakognitio ja jäsentäminen, rakenteiden graafisen esittämisen tarve Tiedon graafista esittämistä on käytetty aiemmassa tutkimuksessa konstruktiivisen oppimisen mallintamisessa ja sen avulla on koetettu selvittää oppilaan oppimismalleja (mm. Slotte ja Lonka 1999; Nicoll 2001; Bagno et al. 2000; Koponen et al. 2004). Slotte ja Lonka (1999) ovat tutkineet, kuinka spontaanien käsitekarttojen muodostaminen lähdetekstistä vaikuttaa käsitteiden oppimiseen. Taustalla on teoria, jonka mukaan käsitteen oppimisen tulisi tapahtua omaksumalla informaatio organisoituna verkostona. Tutkimus tukee graafisen jäsentäjän käyttöä tiedon sisäistämisen tukena. Koponen et al. (2004) ovat tutkineet opiskelijoiden fysiikan tietorakenteen kehittymistä didaktisen fysiikan laudatur-kurssin aikana graafisia tiedon esittämismenetelmiä hyödyntäen. Tutkimuksessa havaittiin graafisen tiedon jäsentämisen vaikuttavan myönteisesti tietorakenteen kokonaiskuvan muodostumiseen ja opiskelijan metakognition tukemiseen. He ovat tutkineet myös kokeellisuuden merkitystä tiedon rakenteen muodostumisessa ja käsitteellistymisessä. Tutkimuksen mukaan oppimista tulisi tukea fysiikan historiaan ja tieteenfilosofiaan pohjautuvalla kokeellisuudella. Tällaisen merkityksellisen kokeellisuuden pohjalta oppilaan olisi sitten tarkoituksenmukaisempaa konstruoida omaa tietorakennettaan (Koponen ja Mäntylä 2006). Perinteisen fysiikanopetuksen tapa esitellä fysiikan tietorakenne erillisistä osa-alueista koostuvina palasina johtaa keskeisten periaatteiden ja yhdentävien teemojen hämärtymiseen. Bagnon (2000) tutkimuksen lähtökohtana oli keskeisten käsitteiden ja kokonaisuuden parempi ymmärtäminen käsitekarttojen käyttöön perustuvan opetusmetodin avulla. Tutkimuksessa havaittiin projektiin osallistuneiden henkilöiden kehittynyt ymmärrys sähkömagnetismin ja mekaniikan keskeisten ja yhdentävien käsitteiden eli kenttien ja potentiaalin ymmärtämisessä. Nicoll et al. (2001) taas kehitti menetelmän, jolla opiskelijoiden tietorakennetta voidaan analysoida. Tätä kautta voidaan selvittää 36

40 kuinka he organisoivat tietoa ja liittävät uutta jo olemassa olevaan. Juuri uuden ja vanhan tiedon yhdistämisen selvittäminen erottaa tämän menetelmän muista. Menetelmän kehittämiseksi muodostettiin käsitekarttoja kemian opiskelijoiden ja ammattilaisten haastatteluiden pohjalta. Näitä karttoja analysoimalla keskeisiksi piirteiksi ja tulevan kehitetyn menetelmän perustaksi nousivat vakaus, käyttökelpoisuus ja kompleksisuus. Näiden tutkimusten pohjalta on havaittu, että tyypillisesti opiskelijan tietorakenne on varsin puutteellinen ja sen järjestyksen aste kyseenalainen. Hyvin usein opiskelijan tietorakenne on fragmentaarinen. Se on hajanainen ja huonosti linkittynyt. Toisaalta taas fysiikan ammattilaisilla on havaittu kehittynyt ja hyvin organisoitunut tietorakenne (Koponen et al. 2004; Mäntylä 2006). Ammattilaisen laaja ja organisoitunut tietorakenne on kietoutunut keskeisten periaatteiden ympärille, jolloin sen soveltaminen suuremmalla alueella mahdollistuu. Se ei siis koostu pelkistä irrallisista faktoista. Metakognitiota ja siihen liittyvää tiedon jäsentämistä voidaan tukea käyttämällä useitakin graafisia tiedon esittämistapoja, joista osa esitellään myöhemmin. Tässä työssä keskitytään kuitenkin lähinnä käsitekarttoihin. Käsitekartoilla ei kuitenkaan pyritä selvittämään oppilaiden olemassa olevaa tietorakennetta, vaan pikemminkin jäsentämään muodostuvaa uutta rakennetta. Työvälineen valinta graafiseen jäsentämiseen on perusteltu, sillä käsitekartat tukevat konstruktivistista oppimisen mallia. Konstruktivismin edut on tunnettu jo pitkään, mutta konkreettisten työkalujen käyttö opetustilanteiden jäsentämisessä on huomattavasti uudemman kehityksen tulosta ja suurelta osin vielä tutkimatonta aluetta (Koponen et al. 2004). Tässä työssä kehitettävä työväline tarjoaa opettajille mahdollisuuden jäsentää omaa käsitteistöään ja tietorakennettaan sellaiseksi, että se tukee mahdollisimman hyvin oppilaille muodostuvaa rakennetta. Näin jäsentämällä opettajan esittämä rakenne säilyy yhtenäisenä ja esiteltyjen käsitteiden liittäminen oppilaiden aiempaan rakenteeseen pysyy mahdollisena. Slotte ja Lonka (1999) perustelevat graafisten jäsentäjien käyttöä tieteen epälineaarisella ja verkostomaisella luonteella. Lääketieteellisen tiedekunnan pääsykokeessa teetetty tutkimus osoittaa, että tiedon spontaanillakin organisoinnilla on keskeinen asema käsitteiden omaksumisessa. Käsitekarttojen avulla voidaan tekstissä lineaarisesti esitetty tieto muuttaa hierarkkiseksi, jolloin keskeiset käsitteet 37

41 ja niiden väliset linkit tulevat selvästi esille. Käsitteiden muodostamien linkkien myötä käsitekartan tieto muistuttaa ihmisen luontaista tietorakennetta ja sen omaksuminen helpottuu (Slotte ja Lonka 1999). Toki tämäkin prosessi vaatii oppilaan motivaatiota mielekkään oppimisen edistämiseksi. Tutkimuksessa tosin ei havaittu hierarkkisia käsitekarttoja. Tämän arveltiin johtuvan käsitekarttojen muodostusta ohjaavan koulutuksen puutteesta ja opiskelijoiden henkilökohtaisista intresseistä keskittyä pelkästään kyseisen aiheen omaksumiseen. Graafisen tiedonesittämisen etuina ovat mm. tiedon rakenteiden esittäminen, tiedon rakentumisprosessin esittäminen ja metakognition tukeminen. Tälle kehitystyölle asetettujen tavoitteiden kannalta on hyvä nostaa esille Bagnon tutkimus, jossa hän tutkii kokeneiden fysiikan opettajien olemassa olevaa tietorakennetta. Tutkimuksen mukaan osalla opettajista oli puutteellinen tietorakenne, joka ei voinut johtaa hyvin järjestyneen tietorakenteen muodostumiseen. Opettajat eivät hahmottaneet käsitteitä yleistyksenä esimerkeistä ja esimerkkitehtävissä he keskittyvät kokonaisuuden hahmottamisen kannalta epäoleellisiin ominaisuuksiin. Samojen piirteiden toistuminen havaittiin esiintyvän myös opiskelijoiden tietorakenteissa. Tutkimus suoritettiin testaamalla opettajilta ja oppilailta fysiikan rakennetta yhdentävien ominaisuuksien hallintaa. Näitä ominaisuuksia olivat mm. potentiaalienergian ja konservatiivisen voiman yhteys sekä potentiaalienergian ja työn yhteys. Tutkimukseen osallistuneet opettajat kävivät myöhemmin tiedon graafiseen jäsentämiseen liittyvän kurssin, jolla painotettiin tietorakenteen muodostamista fysiikan keskeisten käsitteiden ympärille. Opettajat pitivät metodia opettamisen ja materiaalien syvemmän ymmärtämisen kannalta hyvin hyödyllisenä (Bagno et al. 2000). Tällaisen lähestymistavan kautta heidän oli helpompi ymmärtää esimerkiksi mekaniikassa ja sähkömagnetismissa esiintyviä samoja käsitteitä. Opettajat uskoivat nyt myös pystyvänsä arvioimaan paremmin oppilaidensa käsitteellistä ymmärrystä. Myös Koponen et al. (2004) ovat tutkineet graafisten tiedon jäsentäjien soveltamista fysiikan opettajien koulutukseen. Tutkimuksen mukaan graafiset jäsentäjät ovat auttaneet opiskelijoita organisoimaan omaa tietorakennettaan kohti yhtenäisempää ja paremmin rakenteistunutta kokonaisuutta. Graafisten esitysten laatimisen tukena käytettiin kirjoitettuja raportteja ja opiskelijoiden haastatteluja. Näillä metodeilla opiskelleet opiskelijat tunsivat myös ymmärtäneensä syvemmin fysiikan 38

42 tietorakennetta yhdistävät keskeiset periaatteet, mikä osoittaa työvälineiden tehokkuutta metakognition tukemisessa. Tämä tuli esiin paitsi opiskelijoiden suoritusten sisällöllisen analysoinnin kautta myös opiskelijapalautteessa. Tutkimuksen perusteella graafisen jäsentäjän käytön voidaan sanoa edistävän seuraavia oppimiseen liittyviä osa-alueita (Koponen et al. 2004): 1) Uusi tieto integroidaan aiempaan tietorakenteeseen. 2) Tieteellisten käsitteiden ymmärtäminen on osa olemassa olevaa tietorakennetta. 3) Huomio kiinnitetään tiedon merkittäviin piirteisiin ja malleihin. 4) Käsitteellinen systeemi nähdään kokonaisuutena. Nämä tekijät auttavat tietorakenteen kehittymistä kohti aiemmin esiteltyä ammattilaisen tietorakennetta. Näitä havaintoja on myös käytetty opettajankoulutuksen kehittämisen lähtökohtana (Mäntylä 2006). 4.3 Käsitekartat ja niiden käytön muodot Oppimiseen ja opetukseen liittyvässä tutkimuskirjallisuudessa käsitellään hyvinkin erityyppisiä tapoja käyttää käsitekarttoja aina väljästi muodostetuista miellekartoista hyvin kurinalaisesti toteutettuihin jäsentyneisiin graafisiin esityksiin. Kirjallisuudessa esiintyneiden graafisten jäsentäjien avulla perustellaan valitun käsitekarttatekniikan sopivuutta juuri tähän kehitystyöhön. Tämän vuoksi novakilaiseen käsitekarttatekniikkaan keskitytään muita syvemmin ja perustellaan sen modifioimista paremmin fysiikan opetusta palvelevaksi. Oleellista on myös pohtia eri työvälineiden hyviä ja huonoja puolia fysiikan tietorakenteen esittämisen näkökulmasta. Slotte ja Lonka (1999) käyttivät tutkimuksessaan spontaaneja käsitekarttoja eli miellekarttoja. Miellekartta on vapaamuotoinen esitys jäsentää jonkin aiheen ympärille omasta mielestä merkittäviä käsitteitä. Toisin kuin käsitekartan, miellekartan ei ole tarkoituskaan olla muiden ymmärrettävä organisoitu kokonaisuus jostain aihekokonaisuudesta. Sillä pyritään siis jäsentämään omaa ajattelua. He 39

43 perustelevat tällaisen kartan sopivuutta tieteellisen tiedon kokonaisvaltaiseksi jäsentäjäksi seuraavilla ihmismielen toimintaan vaikuttavilla ominaisuuksilla: 1) Pintamuisti auttaa sanojen ja tekstin suoraa muistamista. 2) Tekstin alkuperä auttaa muistamaan, missä yhteydessä asia alun perin mainittiin. 3) Tilannemalli sitoo tiedon henkilön omaan tietorakenteeseen. Lisäksi he painottavat kartan monimuotoisuutta. Mitä monimutkaisempi kartta on sitä paremmin se auttaa jäsentämään ja sisäistämään uusia käsitteitä. Käsitteiden kartoittaminen perustuu siis käsitekarttojen rakenteelliseen monimutkaisuuteen, johon oppijan oma asiasta muodostunut mielikuva yhdistyy. Itse tutkimuksessa miellekarttojen kokoa tuntui rajoittavan opiskelijoiden aiemman tietorakenteen puutteellisuus. Lisäksi syntyneistä kartoista puuttuivat hierarkkisuus ja ristilinkit. Ristilinkeillä tarkoitetaan käsitekartan eri tasojen käsitteitä yhdistäviä ja kokonaisuuden muodostumista tukevia linkkejä. Spontaanien miellekarttojen ulkoasuun vaikuttaa myös ohjauksen puute. Graafisten työvälineiden käytössä tulisikin kiinnittää huomiota niiden käytön perusteelliseen opastukseen. Hieman tuntemattomampi kirjallisuudessa esiintynyt graafinen tiedon esittämisväline on käsiteketju. Janet Machin (2004) on käyttänyt käsiteketjua englantilaisten opettajien koulutuksen tukena ja tutkinut sen vaikutusta tulevien opettajien tietorakenteen jäsentäjänä. Käsiteketjun tarkoitus on kuvailla valittua käsitettä jäsentyneiden, käsitettä selventävien lausuntojen avulla. Se on sarja kehittyviä käsitteitä kyseiseltä tieteen alalta. Käsiteketjun ensimmäinen virke voi olla kyseisestä käsitteestä ensimmäisenä mieleen tuleva asia. Tämän jälkeen käsitettä kuvaavat virkkeet alkavat hiljalleen lähestyä yhä tieteellisempää mallia ja abstraktimpaa ajattelua. Oleellista on, että virkkeiden tulee olla aina linkitettynä edelliseen virkkeeseen. Käsiteketju ei siis mallinna tietorakenteen muodostumista ihmismieleen kuten käsitekartat. Sillä mallinnetaan pikemminkin sitä, kuinka oppija tajuaa uuden käsitteen lineaarisesti esitetyn aineiston pohjalta. Tutkimustuloksena Mach esittää opiskelijoiden tietorakenteen jäsentymisen ja kehittymisen ennen heikosti osatuilla tieteen osa-alueilla. Lisäksi käsiteketjutus luo opiskelijoille itseluottamusta tiedon hallinnasta opetustilanteessa (Machin 2004). 40

44 Van Zele (2004) on tutkinut perinteisen novakilaisen käsitekarttatekniikan etuja insinööriopiskelijoiden tietorakenteiden arvioinnissa. Vaikka käsitekarttojen mahdollisuudet oppilaiden tietorakenteen arvioinnin apuvälineenä on huomattu, käytetään karttoja kuitenkin pääasiassa tiedon esittämisen apuvälineenä. Van Zelekin painottaa konstruktivistisen oppimisen metodia ja perustelee sillä melko jyrkästi oppilaan kykyä omaksua uusia käsitteitä. Aiempi tietorakenne joko mahdollistaa tai estää uuden tiedon omaksumisen. Tämän vuoksi opiskelijoille olisi hyvä esitellä metakognitiivisia taitoja kehittävä käsitekarttatekniikka jäsentyneen tietorakenteen muodostamisen ja mielekkään oppimisen saavuttamisen apuvälineeksi. Arviointiin liittyvistä eduista Van Zele nostaa esille opiskelijoiden virheellisten käsitysten selvittämisen. Opiskelijoiden todellisen tietorakenteen arviointi ei ollut kuitenkaan helppoa. Van Zele toteaakin, ettei käytetyillä kvantitatiivisilla mittausmetodeilla ollut mahdollista arvioida käsitekarttoja järkevästi. Tietorakenteen selvittämiseksi tulisi kvantitatiivisten metodien lisäksi käyttää myös kvalitatiivista arviointia, josta Zele mainitsee mm. puuttuvien linkkien etsimisen. Van Zele painottaa käsitekarttatekniikan merkitystä tiedon esittämisen apuvälineenä, mutta haluaa kuitenkin nostaa esiin käsitekarttojen mahdollisuudet oppilaan tietorakenteen arvioinnissa (Van Zele 2004). Tähän tutkimukseen arvioinnin merkitys liittyy käsitekarttaympäristön yhteisöllisen kehittämisen myötä. Voisi olettaa, että käyttäjät haluaisivat verrata omia karttojaan rakenteilla olevaan julkiseen karttaan. Tämä on mahdollista käsitekarttaohjelman omalla työkalulla. Se mahdollistaa käsitekarttojen kvantitatiivisen vertaamisen, josta voi olla hyötyä suurten kokonaisuuksien tulkinnassa. Tämän tutkimuksen nojalla voisi kuitenkin todeta, että yhteisöllinen rakentuminen on todennäköisesti mielekkäintä siten, että keskustellaan ongelmakohdista. Saksassa tehdyssä tutkimuksessa Sigmar-Olaf Tergan (2005) on tutkinut digitaalisten käsitekarttojen kykyä jäsentää oppilaan tietorakennetta. Tutkimuksen lähtökohtana on jäsentää elektronisessa ympäristössä opiskelevan ja tiedon paljoudesta kärsivän oppijan tietorakenne hallittavaan muotoon. Tutkimuksessaan hän esittää digitaalisten käsitekarttaohjelmien valjastamista opiskelun tueksi ja painottaa oppimisstrategioiden opettamista niiden lisäksi. Suurten kokonaisuuksien hallinnassa Tergan korostaa tietorakenteen visuaalisen esittämisen tärkeyttä. Tämän lisäksi elektronisten käsitekarttojen etuna on hyperlinkkien mahdollistama laajojen 41

45 resurssien hallinta. Oppimisen kannalta digitaaliset kartat tarjoavat mahdollisuuden sekä itsenäiseen että yhteisölliseen tiedon rakentamiseen käytettyjen lähteiden pohjalta. Tergan kuitenkin painottaa käsitekarttojen käytön kouluttamista opiskelijoille, jotta yhteistyö muiden opiskelijoiden kanssa mahdollistuisi. Harjoittamattomana käsitekarttojen spontaani muokkaaminen on kuitenkin epämääräistä, eikä niin saavuteta jäsentynyttä kokonaisuutta (Tergan 2005). Käsitekarttatekniikan uranuurtajana, varsinkin sen opetuksellisten sovellusten kannalta, voidaan pitää Joseph D. Novakia. Hän kehitti käsitekartan apuvälineeksi, jolla voidaan kuvata käyttäjän ajattelun rakennetta ja osoittaa käsitteiden väliset merkitykset tietorakenteessa. Tavoitteena oli kehittää työväline, jolla voidaan auttaa oppilaita ja opettajia hahmottamaan oppimateriaalin sisällön tietorakenne (Novak ja Gowin 1995). Käsitekarttatekniikan kehittymisen taustalla oli kasvatustieteen tutkimuksessa havaitut oppimisen ongelmat. Käsitekarttatekniikka tukeekin kasvatustieteen puolella suosittua Ausubelin mielekkään oppimisen teoriaa, joka on vaikuttanut vahvasti käsitekartan kehitystyöhön. Käsitekarttatekniikka suosii vahvan tietorakenteen muodostumista, jolloin uusi tieto voidaan sijoittaa aiempaan tietorakenteeseen ja löytää näin sen yhteydet aiempiin käsitteisiin. Vastaavasti olemassa olevasta tietorakenteesta voidaan selvittää tietyn käsitteen vaatima pohjatieto, jotta sen yhdistäminen aiempaan rakenteeseen onnistuisi. Tässä tutkimuksessa käsitekarttaympäristö tulee toimimaan juuri opetusta ohjaavana ja jäsentävänä työkaluna, jolloin uusi tieto voidaan kytkeä mahdollisimman hyvin aikaisemmin muodostettuun tietorakenteeseen. 4.4 Käsitekartat fysiikan tietorakenteen esittämisessä Käsitekartta on graafinen tiedon esittämismenetelmä, jonka rakenteen tulee täyttää tietyt tietorakennetta kuvaavat ehdot. Käsitekartta sisältää aina aihepiiriin kuuluvat käsitteet ja niiden väliset relaatiot, jotka kokonaisuudessaan muodostavat käsitteiden välisen rakenteen. Käsitekartan hierarkian määrää käyttäjän lähestymistapa ja se esitetään kartassa sijoittamalla käsitteet halutulla tavalla sovitun priorisoinnin mukaan. Tässä mielessä käsitekarttaa on ajateltava opetuksen apuvälineenä, joka ensisijaisesti määräytyy opetuksen lähestymistavasta. Fysiikan opetuksen kannalta 42

46 tämä tarkoittaa hierarkkisia käsitekarttoja, jotka korostavat käsiterakenteiden muodostumista. Käsitekarttoja on käytetty opettajankoulutuksessa Suomessa varsin laajasti. Hierarkkisia karttoja on käytetty Kurki-Suonioiden hahmottavan lähestymistavan varaan nojautuvassa opettajankoulutuksessa. Hahmottavassa lähestymistavassa käsitehierarkia on ensisijaisesti havainnoista ja kokeista kohti teoriaa ja siksi käsitteiden rakentumista kuvataan kartoissa sijoittamalla käsitteitä alhaalta ylöspäin. Hahmottavassa lähestymistavassa liikkeelle lähdetään havainnoista. Havaintojen käsitteistäminen taas johtaa käsitteiden yleistymiseen ja hierarkkiseen kerroksellisuuteen. Hierarkiassa edetään kvalitatiivisten havaintojen tasolta kvantitatiivisen kokeellisuuden ja käsitteiden tasolle ja siitä edelleen kvantitatiivisen esittämisen ja selittämisen tasolle. Tämä hierarkia esitetään kartoissa eri tasoja kuvaavien erilaisen käsitelokeroiden ja niiden sijoittelun avulla (Väisänen 1999). Hahmottavalle lähestymistavalle läheistä sukua on Koposen ja Mäntylän (2006) esittämä käsitteiden merkitystä rakentava didaktinen rekonstruktio, jossa ns. generatiivinen merkityksen rakentuminen on keskeistä. Siinä on myös kokeellisuudella keskeinen rooli, joskaan ei yhtä määräävä kuin Kurki-Suonioiden hahmottavassa lähestymistavassa. Samoin tässä Koposen ja Mäntylän rekonstruktiossa käsitteiden esittämien ja niiden merkityksen rakentumisen esittäminen edellyttää hierarkkista rakennetta. Näistä esimerkeistä poiketen fysiikan oppikirjoissa käytetään myös paljon käsitekarttoja, jotka eivät ole hierarkkisesti rakentuneita, vaan jotka pikemminkin assosioivat käsitteiden välisiä yhteyksiä (esim. Hatakka et al. 2005). Yleisesti ottaen käsitekartan voi tehdä hyvinkin vapaasti, mutta tässä tutkimuksessa pyritään löytämään kaikille yhteinen linja, jotta käsitekarttojen lukeminen olisi mahdollisimman selkeää. Käsitekartan rakentaminen alkaa tiedonalaan liittyvien käsitteiden listaamisella ja järjestämisellä hierarkkisesti. Yleisiä periaatteita noudattaen käsitekartta tulee rakentaa seuraavista elementeistä (Väisänen 1999): 1) käsitelokerot 2) käsitelokeroiden väliset linkit ja linkkisanat 3) käsitelokeroiden ja linkkien sijoittelu 43

47 Jotta käsitteistö pysyisi selkeänä, on eri käsiteluokat syytä merkitä eri tavoin. Tässä työssä käsitteet luokitellaan kolmeen luokkaan: ilmiöt tai oliot, lait tai suureet ja mallit. Eri luokat merkitään käsitekarttaan eri symbolein. Nämä samat luokat voidaan erottaa fysiikan käsitteellisestä rakenteesta kielen, suureiden ja lakien sekä teorian eriasteisina hierarkkisina tasoina (Kurki-Suonio ja Kurki-Suonio 1994). Käsitekartassa voidaan edetä joko saman tason sisällä tai tasojen välillä. Käsitteiden väliset yhteydet merkitään nuolilla niin, että nuolen suunta osoittaa käsitteen muodostumisen suunnan. Tasoilla ylöspäin liikuttaessa käsitteistö yleistyy. Näitä käsitteiden välisiä linkkejä kuvataan linkkisanoilla. Havaintojen tasolla nämä linkkisanat ovat kvalitatiivisia kokeita, suureiden ja lakien tasolla kvantitatiivisia kokeita ja teorian tasolla strukturointeja. Kvalifioinnilla tarkoitetaan havaitussa ilmiössä säilyvien ja muuttuvien ominaisuuksien havaitsemista ympäristöä muuttamalla. Kvantifioinnin kautta ilmiön ominaisuudesta tulee mitattava suure, ja strukturointi antaa suureelle teoreettisen merkityksen. Näistä kvantifiointi ja strukturointi ovat käsitteenmuodostuksen avainkohtia. 4.5 Hierarkkisesti jäsennellyn tiedon esittämisen ja tuottamisen välineet CmapTools: Rakenteen luominen ja tiedon organisointi Tämä kappale perustuu pitkälti artikkeliin CmapTools: A knowledge modeling and sharing environment, (Cañas et al. 2004) CmapTools on verkkopohjainen käsitekarttaohjelma, joka on kehitetty Human and Machine Cognition -instituutissa (IHCM) Länsi-Floridassa. Ohjelma mahdollistaa itsenäisesti tai yhteisöllisesti rakennettujen tietorakenteiden esittämisen käsitekarttojen muodossa, niiden jakamisen käyttäjien kesken sekä käsitekarttojen julkaisemisen avoimilla palvelimilla. Ohjelman avulla käsitekarttojen yhteisöllinen rakentaminen, kommentoiminen ja tarkastaminen on mahdollista (Cañas et al. 2004). Näitä ominaisuuksia on kuvailtu tarkemmin myöhemmin. 44

48 CmapTools -ohjelman kehittäjä on tietojenkäsittelytieteen professori Alberto J. Cañas. Ohjelman avulla hän halusi valjastaa tietotekniikan palvelemaan koulutuksen päämääriä yhdistämällä käsitekartat, teknologian ja Internetin yksinkertaisella, mutta lukuisia vaihtoehtoja tarjoavalla tavalla. Ohjelman merkittävimpiin ominaisuuksiin kuuluu yhteistyön ja yhteisöllisen tiedonrakentamisen mahdollisuus. Ohjelman kehittymisen taustalla oli kaksi erillistä tutkimusprojektia. IHCM kehitti käsitekarttaympäristön palvelemaan lääketieteen ja fysiikan erityisosaajien kommunikointia kardiologian ja ionisoivansäteilyn tutkimuksessa. Kehitystyö johti ohjelmaan, jossa käsitekarttojen avulla saattoi esittää ja selata uutta tietoa verkkoympäristössä alaan kuin alaan liittyen. Tällä tavoin käsitekarttoja voitiin linkittää toisiinsa ja liittää niihin aiheeseen liittyviä videoita, kuvia ja tekstejä. Projekti oli tarpeellinen, koska nykyinen Internet selaimineen ei tuolloin ollut vielä kehittynyt. Syntynyttä ohjelmaa voisikin kuvailla käsitekarttapohjaiseksi Internetselaimeksi. Toinen projekteista keskittyi Latinalaisen Amerikan koulutuksen kehittämiseen. IHCM teki yhteistyötä IBM:n latinalaisen Amerikan osaston kanssa ja pyrki kehittämään maiden oppilaita yhdistävän verkkotyökalun. Projektille annettiin nimeksi Quorum. Internet ei tuolloin ollut vielä saavuttanut Latinalaista Amerikkaa ja IBM halusi tarjota kouluille mahdollisuuden liittyä Quorum-verkkoon. Ympäristön lisäksi oli vielä kehitettävä sopiva työkalu, joksi muodostui Pangea niminen käsitekarttaohjelma (Cañas et al 1995). Projektin tavoitteena oli yhdistää oppilaita kulttuurisesti ja pienentää heidän välillään vallitsevia sosiaalisia eroja. Ohjelmalla pyrittiin rakentamaan kartat konstruktivistisesti ja oppilaiden välistä yhteistyötä painottaen. Ohjelma muodosti syntyneistä kartoista väittämiä ja lähetti ne julkiselle palvelimelle muiden opiskelijoiden nähtäväksi. Koska ajatuksena oli tehdä käsitekarttoja nimenomaan samoista aiheista ja samaan aikaan, saattoivat muut opiskelijat nyt kehittää omia karttojaan väittämien pohjalta ja tehdä niistä kysymyksiä niiden luojalle. Ohjelman avulla voitiin käydä reaaliaikaista keskustelua heränneistä kysymyksistä ja lähettää valmiita karttoja elektronisesti puolelta toiselle. Näiden projektien myötävaikutuksella syntyi lopullinen CmapTools, jonka kehityksessä oli erityisesti huomioitu tiedon kytkeminen sekä tietorakenteessa 45

49 navigoiminen. Ohjelman keskeisiksi tavoitteiksi asetettiin neljä kohtaa. Matala kynnys, korkea katto, laaja tuki tiedon rakentamisen malleille, laaja tuki yhteistyölle ja tiedon jakamiselle sekä ohjelman moduleista koostuva rakenne. Näistä kolme ensimmäistä kuvaa itse ohjelmaa ja viimeinen sen teknisen toteutuksen yksityiskohtia. Ensimmäisen kohdan sisältönä oli luoda ohjelma, joka olisi mahdollisimman helppokäyttöinen, mutta tarjoaisi samalla riittävän suuren tuen laajojenkin tietorakenteiden esittämiseen. Tässä yhteydessä on erityisesti painotettu käsitekartan tekemisen helppoutta, jotta käyttäjä voi keskittyä pelkästään tietorakenteen muodostamiseen ohjelman käyttämisen sijasta. CmapTools ohjelmalla työskennellessä ei tarvitse poistua työalustalta, vaan käsitekartta muodostuu muutamalla hiiren napin painalluksella. Perinteisillä toimisto-ohjelmilla kaikki laatikot, viivat, tekstit ja muut on haettava valikoista, jolloin keskittyminen itse käsitteenmuodostukseen vaikeutuu. Tarvittaessa käsitekarttojen muotoiluun löytyy lisää työkaluja, mutta ajatuksena on ohjelman nopea omaksuminen käsitteenmuodostuksen työkaluna. Laajojen tietorakenteiden esittämiseen CmapTools tarjoaa käsitekarttojen linkittämismahdollisuuden. Käsitteisiin voidaan linkittää toisia käsitekarttoja, jolloin ohjelma toimii selaimena näiden karttojen välillä. Ohjelmasta näkee millä tasolla liikutaan, jolloin karttojen selaaminen on selkeää ja alkuperäinen ajatus pysyy hyvin mielessä. Ohjelmaa kehitettäessä on haluttu antaa mahdollisimman laaja tuki tiedon rakentamisen malleille. Tavoitteina ovat olleet sekä tiedon rakentamisen että julkaisemisen helppous. Kehitystyössä on pyritty huomioimaan tavallisten kansalaisten mahdollisuus julkaista töitään hypertekstinä. On toki oletettavaa, että useimmat ovat kiinnostuneempia tiedon etsimisestä kuin julkaisemisesta. CmapTools tarjoaa kuitenkin mahdollisuuden julkaista omia käsitekarttoja ja niihin liittyviä tietolähteitä vaivattomasti verkossa. Ohjelmaa voisikin pitää sekä editorina että selaimena. Käsitekarttojen linkittäminen toisiinsa on helppoa ja eri karttojen välillä navigoiminen selkeää. Linkittämismahdollisuudet eivät kuitenkaan rajoitu ohjelman sisälle, vaan käsitekarttoihin voi linkittää mitä tahansa elektronisessa muodossa olevaa materiaalia, joka löytyy verkosta. Linkitysten kohteita voivat olla esimerkiksi kuvat, videot, kuvaajat, taulukot, tekstit, verkkosivut tai muut käsitekartat. 46

50 Käsitekarttaympäristön voi rakentaa omalle koneelleen tai verkkoon. On oleellista ymmärtää, että tietorakenteen hierarkkinen muodostus omia tarpeita parhaiten palvelevaksi on yksinkertaista. Ohjelman avulla voi luoda juuri sellaisen tietorakenteen kuin haluaa käyttäen tukena palvelimien tarjoamaa materiaalia. Käsitekarttojen siirteleminen ja liittäminen muistuttaa Windows-ympäristöstä tuttua kansioiden siirtelyä niihin tarttumalla. Lisäksi CmapTools tarjoaa lisämahdollisuuksia kuten tietorakenteen muodostuksen vaiheiden nauhoittamisen tai tietorakenteen esittämistyökalun (vrt. esim. PowerPoint). Käsitekarttaympäristöjen rakentaminen omalle koneelle ei vielä tee CmapTools - ohjelmasta ainutlaatuista. Ohjelman etuna onkin käsitekarttojen helppo tallentaminen julkisille palvelimille, jolloin kaikilla on mahdollisuus lukea ja kommentoida niitä. Tällöin käsitekarttojen yhteisöllinen rakentuminen mahdollistuu. Suomessa CmapTools-palvelin sijaitsee fyysisesti fysiikan opettajankoulutusyksikössä. Ohjelman kehitystyössä on haluttu korostaa juuri tiedon jakamista. Sen vuoksi ohjelma paikallistaa itsenäisesti kaikki uudet palvelimet ja pitää huolen siitä, että yleinen palvelin löytyy aina käyttäjän taustasta riippumatta. Kaikki palvelimet eivät nimittäin ole julkisia, vaan niille voi kirjautua vain johonkin tiettyyn organisaatioon kuuluvat henkilöt. Palvelimet ovat tietokoneita, joihin on asennettu CmapTools -palvelinohjelmisto. Tämän ohjelmiston avulla käyttäjä voi Internetin välityksellä luoda palvelimelle omia kansioita, rakentaa niihin käsitekarttoja, siirrellä tietorakenteita oman koneensa ja palvelimen välillä ja jakaa tuotoksiaan muiden kanssa. Käyttäjä on siis omien kansioidensa hallitsija. Tällöin tietorakenteiden muokkausoikeus säilyy vain käyttäjällä, vaikka muut voivatkin selata ja kommentoida niitä. Käsitekarttojen yhteisöllinen rakentuminen määräytyy niiden tekijän intressien mukaan. Halutessaan tietorakenteista voi tehdä kaikille avoimia, jolloin kaikilla on mahdollisuus muokata niitä. Tämä tukee hyvin yhteisöllisen rakentumisen periaatetta ja mahdollistaa monipuolisen yhteistyön tietorakenteiden muokkaamisessa. Yhteisöllisen rakentumisen perustana on kolme ominaisuutta: rakentaminen, kommentoiminen ja tarkastaminen. Käsitekarttojen rakentamiseen vaaditaan CmapTools -ohjelma ja alkuperäisen käsitekartan tekijän hyväksyntä kartan 47

51 muokkaamiseen. Muutosten tekeminen tapahtuu joko suoraan CmapTools - palvelimella tai siirtämällä työstettävä kohde omalle koneelle ja taas takaisin palvelimelle. Muutokset tehdään samalla periaatteella kuin käsitekartat muutenkin. Tietorakenteita voi jopa muokata samaan aikaan, jolloin käyttäjät näkevät toistensa siirrot reaaliajassa ja voivat keskustella aiheesta ohjelman pikaviestimen avulla. Kommentoiminen onnistuu valitsemalla kommentoi toiminto ja kirjoittamalla haluttu viesti. Kommentin symboli näkyy käsitekartalla siinä kohdassa, johon se halutaan asettaa. Symbolia klikkaamalla kartan tekijä voi lukea kyseisen kommentin. Käsitekarttojen tarkastaminen vaatii tarkastajalta mallikartan, johon kyseistä työtä verrataan. Tarkastaminen on täysin kvantitatiivinen metodi, jossa ohjelma vertaa kahden kartan ominaisuuksia toisiinsa. Verrattavia ominaisuuksia ovat propositiot, käsite linkki -yhteydet, linkkisanat ja käsitteet. Propositioilla tarkoitetaan käsite linkki-ilmaus käsite -yhdistelmiä. Ohjelma näyttää tulokset taulukoituna, jolloin kyseistä ominaisuutta painamalla kyseiset ominaisuudet korostuvat kummassakin kartassa. Tämä on varsin pätevä työkalu laajojen tietorakenteiden vertaamiseen toisiinsa. Vaikka käsitekarttaympäristö pitää sisällään valtavan määrän tietoa, sen etsiminen on helppoa. Käyttäjä voi joko silmäillä palvelimen päävalikosta sen sisältämien aihealueiden tietoja tai hakea haluamaansa informaatiota suoraan hakusanan avulla. Ohjelma osaa etsiä aiheeseen liittyvää tietoa myös suoraan Internetistä, joko hakusanan, tai aiheeseen liittyvän käsitekartan pohjalta. Hyötyäkseen CmapTools -ohjelmistolla tuotetuista tietorakenteista käyttäjän ei tarvitse itse ladata ohjelmaa koneelleen. Tuotetuista käsitekartoista luodaan automaattisesti myös HTML -muotoiset kartat palvelimelle, jolloin niiden selaaminen on mahdollista kaikilla Internet-selaimilla. Näin normaali käyttäjä voi hyötyä muiden tekemistä tietorakenteista, vaikkei itse olisikaan kiinnostunut tiedonrakentamisesta. 48

52 4.5.2 Wikitekniikka: Tiedon sisällön tuottaminen, kollektiivinen tiedonrakentelu Tässä luvussa esitellään yksi vaihtoehto käsitekarttaympäristön sisällön tuottamiselle ja sen kollektiivisen tiedonrakentumisen mahdollistumiselle. Käsitekarttaohjelma mahdollistaa sisällön linkittämisen mille verkkosivustolle tahansa, mutta muodostuvan kokonaisuuden toimivuuden ja selkeyden vuoksi suositeltavaa olisi keskittää tieto yhdelle palvelimelle. Tässä työssä käsitekarttojen sisältämä tieto on sijoitettu yliopiston palvelimella sijaitsevalle Wiki -tekniikkaan perustuvalle sivustolle. Tämän valinnan taustalla on käytännön määräämät kriteerit eli helppokäyttöisyys, yhteisöllinen rakentumisen mahdollistuminen ja palvelimen luotettavuus. Valintaa voidaan perustella myös samaa tekniikkaa käyttävän Wikipedia -sivuston avulla. Oleellista on saada yleinen kuva suuren suosion saavuttaneen ympäristön ominaisuuksista ja hyödyntää sen tarjoamia mahdollisuuksia tämän työn tavoitteiden toteuttamisessa. Wikipedia on ilmainen vapaan sisällön tietosanakirja. Tämä tarkoittaa sitä, että se on verkossa kaikkien saatavilla ja sen koko sisältö rakentuu yhteisöllisesti. Wikipedian käytännön toimivuuden mahdollistaa Wiki -tekniikka ja GNU free documentation - lisenssi. Wiki -tekniikka tarkoittaa hypertekstidokumenttien kokoelmaa ja ohjelmaa, jolla ne on luotu. Wiki -tekniikan tärkein ominaisuus on hypertekstidokumenttien luomisen ja muuttamisen nopeus. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että kuka vaan voi muokata ja luoda uutta tekstiä reaaliajassa ilman artikkelien hyväksyttämistä palvelun haltijalla (Wikipedia 2007). GNU free documentation -lisenssi koskee kaikkea Wikipediassa julkaistua tekstiä. Tämä tarkoittaa sitä, että Wikipedian artikkeleita saa vapaasti kopioida, levittää ja julkaista sekä muutettuna että muuttamattomana. Ainoa ehto on, että julkaistut versiot tulee myös lisensoida GFDL -lisenssillä. Wikipediaa ylläpitää liikevoittoa tavoittelematon Wikimedian -säätiö. Fyysisesti Wikipedian palvelimet sijaitsevat Tambassa Floridassa, mutta niitä on myös muualla mm. Amsterdamissa ja Soulissa. Wikipedian perusti yhdysvaltalainen Internet-yrittäjä Jimmy Wales. Hänen tavoitteenaan oli luoda kaikille ilmainen sanakirja, jonka lukeminen olisi mahdollista käyttäjän omalla äidinkielellä. Ainoat ehdot käyttäjiä kohtaan ovat oikeuksien 49

53 säilyminen ja lähteiden mainitseminen. Wikipediaa edelsi vuonna 2000 perustettu Nupedia -niminen tietosanakirja, jossa artikkeleita kirjoittivat ainoastaan asiantuntijat. Myös tässä projektissa pyrittiin yhteisölliseen rakentumiseen, mutta se toteutettiin asiantuntijoiden välisellä tieteellisellä vertaisarviointi järjestelmällä. Projektin tavoitteena oli taata palvelun sisällön laatu ja tieteellisyys. Se koitui kuitenkin ongelmalliseksi käytännön kannalta, koska kolmessa vuodessa saatiin julkaistua vain 24 artikkelia. Nupedian pohjalta kehitettiin nykyinen Wikipedia. Oleellisin muutos oli ohjelman käyttämä Wiki-periaate, jossa kaikilla oli mahdollisuus kirjoittaa artikkeleita. Englanninkielinen Wikipedia otettiin käyttöön ja suomenkielinen Wikipedia perustettiin Wikipedian toiminta perustuu Wiki -tekniikkaan ja yhteisölliseen toimitustyöhön. Koska tieto rakennetaan yhteisöllisesti, tiedon esittämiselle on luotu yhteiset määritelmät. Tavoitteena on synnyttää tietoa, joka soveltuisi mahdollisimman hyvin tietosanakirjaan. Tärkeimpinä määritelminä pidetään tiedon esittämisen neutraalia näkökulmaa ja uuden tutkimuksen tekemisen välttämistä. Neutraalilla näkökulmalla tarkoitetaan artikkeleiden kirjoittamista niin, etteivät ne ota kantaa minkään näkökulman puolesta. Alkuperäisen määritelmän mukaan ajatukset ja tosiasiat tulee esittää sellaisessa muodossa, että sekä kannattajat että vastustajat pystyvät yhtymään niihin. Kirjoittaessa ei tule väittää tai vihjata jonkin tietyn näkökulman olevan juuri se oikea. Yleisesti käytännöstä käytetään nimeä Neutral point of view, NPOV. Uuden tutkimuksen tekemisen välttämisellä tarkoitetaan kirjoitettujen artikkeleiden lähteiden pätevää dokumentoimista. Jokaisen kirjoitetun artikkelin tulee pohjautua johonkin ilmoitettuun lähteeseen. Wikipedian ei ole tarkoitus olla ensisijainen tietolähde, vaan pikemminkin selkokielinen kokoelma alkuperäisten lähteiden pohjalta. Wikipedian väärinkäyttäjiä lukuun ottamatta kaikki voivat muokata sen sisältöä ja luoda siihen uusia artikkeleita. Yhteisöllisen rakentumisen taustalla on ajatus vähitellen laadukkaammiksi muokkaantuvien artikkeleiden synnystä. Wikipedian filosofian mukaan artikkelit eivät ole koskaan valmiita. Onkin hyvä pitää mielessä, että artikkeleita ei omista kukaan, vaan niihin liittyvät päätökset tullaan tekemään yhdessä. Yleisin ongelma artikkeleiden kirjoittamisessa on ns. muokkaussota. Sillä tarkoitetaan käyttäjien välistä konfliktia, jossa käyttäjät yhä uudestaan kumoavat 50

54 toistensa muokkauksia. Ongelmatapauksissa ratkaisu voidaan löytää yksinkertaiseen enemmistöön perustuvalla äänestyksellä. Tällaisten menetelmien pyrkimyksenä on säilyttää käyttäjien mahdollisimman laaja tuki käytännöille. Ääritapauksissa artikkeli voidaan lukita tai käyttäjä asettaa muokkauskieltoon. Lukitsemisesta päättävät ns. ylläpitäjät, jotka ovat käyttäjien valitsemia aktiivisiksi ja luotettaviksi osoittautuneita käyttäjiä. Ylläpitäjien lisäksi Wikipediaan vaikuttavat byrokraatit, kehittäjät ja stewardit. Byrokraatit ovat käyttäjiä, joilla on oikeus teknisesti tehdä uusia ylläpitäjiä ja kehittäjät henkilöitä, jotka pääsevät varsinaiseen tietokantaan. Nämä ns. stewardit voivat myöntää ja poistaa ylläpito-oikeuksia. Rekisteröitymisen yhteydessä käyttäjälle luodaan automaattisesti oma kotisivu ja keskustelusivu. Lisäksi jokaiselle artikkelille on oma keskustelusivu, jossa artikkelista voidaan keskustella vaikuttamatta itse artikkeliin. Yleisesti artikkeleiden muokkaantumista voidaan seurata historiasivulta, jonne kaikki tehdyt muutokset tallentuvat. Halutessaan käyttäjä voi lisätä itseään erityisesti kiinnostavat artikkelit niin sanottuun tarkkailulistaan ja seurata niiden muutoksia sieltä (Wikipedia 2007). 4.6 Tiedon yhteisöllinen rikastaminen Tiedon yhteisöllistä rikastamista voidaan pohtia tietorakennetta rikastavan vaikutuksen, käyttäjien tiedollisen kehittymisen sekä käytännön toimivuuden kannalta. Tämän työn kannalta on oleellista perustella toimivan työympäristön kehittymisen mahdollistuminen. Sigmar-Olaf Tergan (2005) toteaa artikkelissaan tietorakenteesta keskustelemisella (knowledge communication) olevan tärkeä sija. Käytännössä tämä tarkoittaa tiedon yhteisöllistä rakentumista ja rikastamista. Artikkelissa todetaan sen olevan hyvä metodi yhteisen, jotain tiettyä tarkoitusta palvelevan, artefaktin kehittämiseen. Tällaisissa projekteissa yksilöiden tiedon jakaminen saa merkittävän roolin. Tietorakenteen tai projektin kasvaessa tarpeeksi suureksi yksilön oma tieto ja käsitteellinen näkemys ei enää riitä kokonaisuuden hallitsemiseen. Yhteisöllisen tiedon rikastamisen todetaan tukevan tietorakenteen kehitystä ja käytettävien resurssien omaksumista sekä suorasti että epäsuorasti. Varsinkin virheiden 51

55 havaitseminen ja korjaaminen yhteisöllisesti on tehokasta. Esimerkiksi käsitekartan avulla on mielekästä tuoda julki oma tietorakenne ja muokata sitä saatujen kommenttien perusteella (Tergan 2005). Charlene Czerniak (1998) on tutkinut käsitekarttojen kollektiivisen rakentamisen vaikutusta luokanopettajien ahdistukseen, tehokkuuteen ja saavutuksiin fysiikan opetuksessa (Czerniak 1998). Yksilötasolla tiedon yhteisöllinen rikastaminen auttaa mielekkään oppimisen saavuttamista. Tämän työn kannalta on merkittävää huomata, että kollektiivinen työskentely vähentää opettajien ahdistusta ennen vaikeilta tuntuneilla tunneilla. Czerniakin mukaan kollektiivisilla metodeilla saavutettiin parempi käsitteellinen ymmärrys, jolloin myös opettajien itseluottamus opetettavaan aiheeseen syntyi. Rinnastettuna tulos tähän kehitysprojektiin voitaisiin yhteistyön ennakoida vaikuttavan ennen fysiikan opettajista vaikeilta ja epäselviltä tuntuvien fysiikan osa-alueiden mielekkäämpään opettamiseen. Eri mieltä olevien vertaisopettajien kommenttien pohtiminen auttaa tietorakenteen kehittymistä oikeaan suuntaan. Kollektiivisesti toimivan työkalun puitteissa myös ryhmässä keskustelu ja muiden ajatusten reflektointi helpottuu. Käytännön toimivuuden kannalta voidaan tarkastella jo olemassa olevia yhteisöllisesti rakentuvia ympäristöjä. Ahti Kare on tutkinut Wiki tekniikkaan perustuvien sivustojen yhteisöllisyyttä ja käytettävyyttä (Kare 2006). Yhteisöllisyyttä voidaan tutkia mm. artikkelien kirjoittajien, niiden kommentoimisen ja yleiseen keskusteluun osallistujien määrän perusteella. Vastaavasti käytettävyyttä ja toimivuutta voidaan mitata epäsuorasti kyseisen sivuston käytön mukaan. Esimerkiksi Wiki -tekniikkaan perustuvan Wikipedian osalta tietokannan koon, artikkelien määrien, kirjoittajien määrän ja sisäisten linkkien määrän on havaittu kasvaneen eksponentiaalisesti vuosina Yhteisöllisessä rakentumisessa on siis jotain, joka kiehtoo ihmistä. Karen mukaan käyttäjinä on sekä noviiseja että kokeneita kirjoittajia. Noviisien motiivina on usein tiedon haku ja pienten muutosten teko artikkeleihin. Kokeneemmat kirjoittajat puolestaan keskittyvät kantamaan vastuuta yhteisöstä ja tekemään työtä päämäärän eli laadukkaan kokonaisuuden saavuttamiseksi. Lisäksi osallistuminen luo käyttäjille yhteisöön kuulumisen tunteen. 52

56 5 SUUNNITTELU JA TOTEUTUS Käsitekarttaympäristön rakennetta luodessa pyrittiin huomioimaan tulevien käyttäjien tarpeet mahdollisimman hyvin. Koska kyseessä on yhteisöllisesti kehittyvä projekti, tavoitteeksi on asetettava työvälineen käytännön toimivuus ja sen myötä sen vakiintunut paikka fysiikan harrastajien yhteisössä. Suunnittelutyön alussa työympäristölle määriteltiin sen potentiaaliset käyttäjät ja pyrittiin kartoittamaan heidän tarpeensa, jotka ohjaavat projektin kehitystä käytännön kannalta toimivaan suuntaan. Ensisijaisten käyttäjien voidaan olettaa jakautuvan kolmeen pääryhmään: fysiikan opettajiin, fysiikan laitoksen henkilökuntaan ja fysiikan opiskelijoihin. Jaottelu on tehty sekä käytännön kokemuksen että teoreettisen viitekehyksen nojalla. Terhi Mäntylä korostaa lisensiaattityössään hierarkkisesti rakentuvien fysiikan käsitteiden muodostavan tietorakenteen tärkeyttä alan ammattilaisille, joita kyseiset ryhmät edustavat (Mäntylä 2006). Jotta fysiikan opettajat alkaisivat käyttää työvälinettä, sen tulisi olla mahdollisimman selkeä ja helppokäyttöinen. Opettajia ajatellen rakenne tulisi voida sitoa voimassa olevaan OPS:iin ja konkreettiseen kouluopetukseen. Näin työvälineelle voisi kehittyä työkalupakkimainen luonne, joka varmasti houkuttelisi opettajia sen kehittämiseen ja käyttöön. Tietotekniikan käyttö opetuksessa on lisääntynyt viime vuosien aikana, mutta tiedon etsiminen verkosta on vielä melko työlästä. Tuntien suunnitteluun ei ole kovin paljoa aikaa, joten haetun tiedon ja siihen liittyvän materiaalin tulisi löytyä nopeasti ja mieluiten samalta sivustolta. Yliopiston tarjoaman palvelun etuna olisi tiedon fysikaalinen luotettavuus ja verkkosivuston vakaus. Yliopiston ylläpitämä palvelin mahdollistaisi fysiikkaan liittyvien videoiden näyttämisen suoraan verkosta ja lisäisi näin tietokoneen luotettavuutta työvälineenä. Yhteiskuntamme painottaa elinikäisen oppimisen tärkeyttä, mutta monelle opettajalle on suuri kynnys palata takaisin yliopistolle etsimään ajankohtaista tietoa omasta opetettavasta aineestaan. Usein tieteenmallille ja kouluopetukselle ei löydetä riittävän selkeää yhteyttä, joten yliopiston tarjoama tieto jää käyttämättä. Työympäristön kollektiivinen rakentuminen motivoisi opettajia käyttämään palvelua. Tällöin tieto olisi suunnattu 53

57 palvelemaan opettajia ja vastaisi juuri heidän omia tarpeitaan. Tärkeä tekijä tulevaisuuden kannalta on juuri käyttäjien autonomian tunteen saavuttaminen. Työympäristön auktoriteettina ja ylläpitäjänä tulee vaikuttamaan fysiikan opettajankoulutusyksikön henkilökunta. Yliopiston kannalta projektin tulisi voida palvella mahdollisimman hyvin yliopistokursseja ja niillä opetettavaa tieteen mallia fysiikasta. Suunnittelussa tulisikin ottaa huomioon pidettävien kurssien sisällöt, jolloin samalla tulisi huomioitua tarkoin harkitut priorisoinnit opettajille tärkeistä fysiikan osa-alueista. Tällä hetkellä didaktisessa fysiikassa painotetaan fysiikantietorakenteiden, fysiikan historian ja koulufysiikan kokeellisuuden tärkeyttä. Työympäristön tulisi voida tarjota mahdollisuus toimia yliopistolla pidettävien kurssien tukena ja sen vuoksi edellä esitetyt osa-alueet olisi hyvä huomioida myös käytännön ratkaisuissa. Koska työympäristö rakentuu käsitekarttaohjelman varaan, sen luonne on jo valmiiksi didaktiselle fysiikalle ominainen. Tämä tukee sen käyttöä pidettävien kurssien apuvälineenä. Fysiikan opiskelijoita varten tulisi tiedon etsimisen olla mahdollisimman helppoa, jotta palvelu pystyisi kilpailemaan muiden sivustojen kanssa. Tässä projektissa etuna on valmis hierarkkinen rakenne, jota yliopistonkin kurssit noudattavat. Näin tiedon etsiminen tällaisesta rakenteesta on luonnollista. Ympäristöstä pitäisi kuitenkin saada tarpeeksi laaja opiskelijoita varten jo sen alkuvaiheessa. Heillä ei varmaankaan ole aikaa varsinaiseen yhteisölliseen kehittämiseen, jolloin ympäristö toimisi siis ensisijaisesti tiedon lähteenä meneillään oleviin kursseihin. Myöhemmässä vaiheessa opiskelijat voisivat käyttää sivustoa vaikkapa materiaalipankkina kasvatustieteen opintoja suoritettaessa, sillä toimiviksi osoittautuneita opetussivustoja on varsin vähän. Eräs toinen ongelma on yliopiston kurssimateriaalien myöhempi käyttö omassa opetuksessa. Vaikka kurssien aikana kerättyä tietoa voisi käyttää opetuksessa lähes sellaisenaan, sen kaivaminen omista arkistoista on hyvin aikaa vievää ja hankalaa. Käsitekarttaympäristöstä näiden ennestään tuttujen tietojen hakeminen olisi todella helppoa. Tieto kursseilla käsiteltyjen asioiden hyödyntämisestä työelämässä ja harjoitteluissa voisi vastaavasti motivoida opiskelijoita suorittamaan kursseja tunnollisemmin. Yleisesti ympäristö voisi toimia hierarkkiseen ajatteluun 54

58 orientoivana työvälineenä, jolloin sen vaikutus opiskelijoiden ajattelun kehittäjänä olisi huomattavasti kauaskantoisempi. Tämän projektin kannalta olisi kuitenkin oleellista muodostaa tuleville fysiikan opettajille mahdollisimman positiivinen kuva ympäristöstä, jotta sen tuleva käyttäjäpiiri laajenisi mahdollisimman suureksi. Toteutuksen apuvälineiksi valittujen CmapTools -ohjelman ja Wiki -tekniikan avulla suurten tietorakenteiden esittäminen ja hallitseminen tuli mahdolliseksi. Näillä apuvälineillä muodostettu kokonaisuus fysiikan tietorakenteesta on riittävän kattava sekä visuaalisesti että sisällöllisesti tämän projektin toteuttamiseen. Lisäksi se pystyy kilpailemaan perinteisen verkkopohjaisen tiedon etsinnän kanssa valmiiksi organisoitujen tietorakenteiden ja tiedon luotettavuuden ansiosta. Kuvassa 7 on mallinnettu tämän työympäristön laajuutta ja mahdollisuuksia suurten tietorakenteiden hallinnassa. Kuva 7: Käsitekarttaympäristön resurssit 55