Pro gradu tutkielma Fysiikan opettajan suuntautumisvaihtoehto

Pro gradu tutkielma Fysiikan opettajan suuntautumisvaihtoehto LÄMPÖOPIN KURSSIN SUUNNITTELU, TOTEUTUS JA ANALYSOINTI HAHMOTTAVAN LÄHESTYMISTAVAN NÄKÖKULMASTA PERUSASTEEN YLÄLUOKILLE Hellevi Mäkinen 16.5.2008 Ohjaaja(t): Prof. emer. Kaarle Kurki Suonio Prof. Heimo Saarikko Tarkastajat: Prof. emer. Kaarle Kurki Suonio Prof. Heimo Saarikko HELSINGIN YLIOPISTO FYSIIKAN LAITOS PL 64 (Gustaf Hällströmin katu 2) 00014 Helsingin yliopisto

SISÄLLYS 1. Johdanto...1 2. Teoreettinen lähtökohta...3 2.1. Hahmottava lähestymistapa... 3 2.2. Käsitteenmuodostus ja suureet... 4 2.3. Oppimiskäsitys... 5 2.4. Opetuksen kieli... 6 3. Lämpöopin kurssin suunnittelun lähtökohdat...8 3.1. Yleiset perusteet... 8 3.2. Opetussuunnitelman yleiset tavoitteet... 8 3.3. Kurssin sisältö... 10 3.4. Työtavat... 11 4. Lämpöopin kurssin rakenne ja toteutus...14 4.1. Johdanto... 14 4.2. Hahmottava kokeellisuus... 14 4.2.1. Lämpötila... 15 4.2.1.1. Lämpötila asteikot... 17 4.2.2. Lämpölaajeneminen... 17 4.2.2.1. Veden poikkeava tilavuuden muutos... 20 4.2.2.2. Lämpötilakertoimet... 20 4.2.3. Lämpöenergia... 21 4.2.3.1. Lämpöenergian varastoituminen... 22 4.2.3.2. Ominaislämpökapasiteetti... 23 4.2.4. Olomuodon muutokset... 25 4.2.4.1. Eri olomuodot ja muutospisteet... 25 4.2.4.2. Energia olomuodon muuttuessa... 26 4.2.4.3. Olomuodonmuutosten ominaislämmöt... 27 4.2.4.4. Malli olomuodon muutoksista... 28 4.2.5. Energian säilyminen ja huononeminen... 29 4.2.5.1. Kokonaisenergian säilyminen... 30 4.2.5.2. Ilmiöiden suunta... 30 4.2.6. Lämpöenergian siirtyminen... 31 4.2.6.1. Johtuminen... 32 4.2.6.2. Kulkeutuminen... 33 4.2.6.3. Säteily... 33 4.2.6.4. Sovellus... 35 4.3. Kurssin aikataulu... 35 5. Oppilaiden käsitykset ja niiden kehittyminen...37 5.1. Ennakkokäsitystestin toteutus... 37 5.2. Kysymykset ja esimerkkejä vastauksista... 37 5.3. Ennakkokäsitysten analysointi... 43 5.4. Kysymykset kurssin jälkeen... 45 6. Loppupäätelmät...51 Lähteet...53 Liite 1....54 Liite 2....55 2

1. Johdanto Tämä tutkimus kuuluu didaktisen fysiikan piiriin. Didaktisen fysiikan tutkimuksen kohteena tai lähtökohtana on fysiikan opetus ja fysiikan tiedollis käsitteellinen ja metodis prosessuaalinen rakenne. Didaktinen fysiikka tutkii tiedon rakenteita ja luonnetta sekä sen luomista ja kehittymistä. Fysiikan opiskelun prosessuaalisena mallina käytetään tieteen etenemisen rakennetta. Didaktisen fysiikan tutkimuksen tavoitteena on mm. fysiikan opetuksen kehittäminen. (Kurki Suonio, K. ja Kurki Suonio, R. 1998) Tutkimuksen tavoitteena on suunnitella ja toteuttaa lämpöopinkurssi peruskoulun yläluokille. Kurssin suunnittelu ja toteutus perustuu hahmottavaan lähestymistapaan, johon tutkimuksen tekijä on tutustunut didaktisen fysiikan cum laude kurssilla vuonna 1996. Tutkimuksen tekijä oli kokenut aiemmin fysiikkaa opettaessaan ristiriitaisena oppikirjojen tavan esitellä suureet ja määritellä ne matemaattisina suureyhtälöinä ennen kuin niille oli käyttöä tai ennen kuin suureiden välisiä riippuvuuksia oli hahmotettu. Lisäksi ristiriitaa aiheutti se, että fysiikan oppikirjojen ehdottama opetusjärjestys ei aina tukenut oppimisprosessia. Tutkimusongelmana oli siis, voidaanko kurssi rakentaa ja toteuttaa siten, että huomioidaan sekä oppilaan kehitysvaihe, oppimisen ongelmat, että fysiikan rakenteellisuus. Saadaanko fysiikan opetuksesta mielekäs rakenteellinen kokonaisuus, joka noudattaa tieteen ja oppimisen yhteisiä prosessuaalisia ja käsitteellisiä rakenteita? Lisäksi kurssin suunnittelussa on huomioitava sekä valtakunnallinen, että koulukohtainen opetussuunnitelma ja käytössä oleva fysiikan oppikirja. Suunnittelussa ja erityisesti toteutuksessa on lisäksi huomioitava se, että koulussa neljä muuta 9. luokan ryhmää opiskelee samanaikaisesti samaa kurssia, jonka jälkeen on yksi yhteinen summatiivinen koe. Koulussa on vain kaksi laboratorioluokkaa, joihin saattaa olla pyrkimässä viisikin ryhmää, joten opetuskokonaisuuksien toteutusjärjestykseen saattaa vaikuttaa myös käytössä oleva tila. Kurssin suunnittelussa otettiin huomioon oppilaiden aiemmat opinnot, heidän ajattelunsa kehitysvaihe sekä fysiikan käsitteiden asteittainen rakentuminen ja hierarkkinen järjestys. Hahmottava lähestymistapa toteuttaa konstruktivistista oppimiskäsitystä. Sen mukainen opetus on vahvasti ohjattua konstruktivismia, 1

konstruktivismin spesifinen sovellus, jossa ohjaavana periaatteena on fysiikan käsitteellinen ja prosessuaalinen rakenne. Tutkimuksen kohteena olevan, jo toteutetun lämpöopinkurssin sisällön ja työtavat määritteli valtakunnallinen, kunnallinen ja koulukohtainen opetussuunnitelma. Kurssin sisältö rakennettiin siten, että kurssin etenemisjärjestys ja kokeellisuus tukisi oppilaan omaa hahmotusprosessia ja sen vaiheita mahdollisimman hyvin. Opetussuunnitelmat huomioiden kurssin suunnittelun ja toteutuksen pohjana on osittain käytetty vuosien 1996 1997 DFCL täydennyskoulutuksessa Hahmottavan kokeellisuuden suunnittelukurssin opintosuorituksina laadittuja raportteja. Kurssin rakenteeseen ja toteutukseen vaikutti myös koulussa käytössä oleva fysiikan oppikirja Aine ja energia (Aspholm et. al. 2001). Kurssi toteutettiin Tampereella Kaarilan koulussa lukuvuonna 2005 2006. Koulussa oli tällöin 9. luokkia kuusi kappaletta, joista kaksi osallistui tähän tutkimukseen. Oppilaita näillä kahdella luokalla oli yhteensä 30. Kummallakin luokalla oli 15 oppilasta, joista tyttöjä 7 ja poikia 8. Kurssin alussa kartoitettiin ennakkokäsityskysymysten avulla oppilaiden käsityksiä lämmittämiseen, lämpöenergian siirtymiseen ja energialajien muuntumiseen liittyvistä asioista. Oppilaat vastasivat myös kurssin jälkeen samantapaisiin kysymyksiin. Kurssin päätteeksi oli summatiivinen koe koulun koko ikäluokalle. 2

2. Teoreettinen lähtökohta 2.1. Hahmottava lähestymistapa Hahmottava lähestymistapa korostaa empirian primaarisuutta käsitteenmuodostuksen perustana. Aito ymmärtäminen on mahdollista vain, jos opetuksen lähtökohtana on luonto ja havaitseminen. Käsitteet hahmotetaan itse. Näin oppilas luo itselleen oivallettua, ymmärrettyä ja omaksuttua tietoa. Opetuksen ensisijainen tehtävä on auttaa oppilaan luonnollisen havaitsemisen ja hahmottamisen prosesseja kehittymään. Opetuksen perustavoitteet ovat prosessuaalisia, eivät tiedollisia. Hahmottaminen on kunkin yksilön oma prosessi. Opettajan tehtävänä ei ole niinkään antaa vastauksia kuin herättää kysymyksiä. Luonnollinen oppiminen etenee havainnoista lähtien hahmottamalla kohti yhä yleisempiä jäsentäviä käsitteitä. Käsitteet samaistuvat hahmotusprosessiin, joka luo niiden merkitykset ja sulauttaa empirian ja teorian yhdeksi kokonaisuudeksi. Se perustuu luonnon havaitsemiseen ja tutkimiseen, ja sen tavoitteena on ymmärtäminen, tietoisuus luonnon lainalaisuuksista, ilmiöiden syistä ja seurauksista. Konstruktivistisen oppimiskäsityksen mukaan oppiminen on oppilaan oma prosessi, johon vaikuttaa aiemmin opittu, mielikuvat ja kokemukset. Hahmottavan lähestymistavan kannalta on olennaista, että oppilaiden luontaiset ajatusmallit edustavat oppilaan hahmotusprosessin saavuttamaa kehitysvaihetta. Näiden luontaisten ajatusmallien tunteminen on välttämätöntä, jotta tätä prosessia voidaan auttaa kehittymään. Hahmo on merkitys, joka syntyy ennen käsitettä. Kaikkien käsitteiden merkityksen luo suunnattu prosessi, joka alkaa havainnosta ja etenee kohti teoriaa. Käsitteenmuodostusprosessi antaa käsitteille uusia merkityksiä, tällöin myös fysiikan kieli kehittyy. Hahmottava lähestymistapa ja käsitteenmuodostusprosessi on tässä tutkielmassa esitetty Kaarle ja Riitta Kurki Suonion kirjan Fysiikan merkitykset ja rakenteet (1994) mukaan. 3

2.2. Käsitteenmuodostus ja suureet Fysiikassa tieto ja ymmärtäminen merkitsevät ensi sijassa luonnon käsitteellistä hallintaa, joka perustuu käsitteiden ja käsiterakenteiden merkityksiin. Käsitteenmuodostus eli merkitysten syntyminen, käsitteistäminen, rakenteistuminen ja yleistyminen, on siten fysiikanopetuksen tärkeä kysymys. Se on myös tieteen historian keskeinen kysymys, sillä merkitysten ja niihin perustuvien käsitteiden asteittainen rakentuminen on historiassa toteutunut kehityskulku. Samalla se yhdistää tieteen historian opetukseen, sillä historiassa toteutuneen merkitysten rakentumisen tulisi voida toteutua oppimisessa. (Kurki Suonio, K. 2006) Kaikkien käsitteiden merkityksen luo suunnattu prosessi, joka alkaa havainnosta ja etenee kohti teoriaa. Käsitettä ei voi erottaa merkityksestä eikä merkitystä sitä luovasta prosessista. Hahmo on merkitys, joka syntyy ennen käsitettä. Uudet hahmot rakentuvat aikaisemmille, oppiminen perustuu aikaisemmin opittuun. Kaikki fysiikan käsitteenmuodostus alkaa perushahmotuksesta, jossa rakennetaan hahmokokonaisuuksia tunnistamalla, luokittelemalla ilmiöalueen perushahmoja ja jäsentämällä niiden keskinäisiä suhteita. Perushahmoihin kuuluvat erityisesti oliot luonnon subjektit, ilmiöt luonnon tapahtumiset sekä ilmiöihin liittyvät ominaisuuksien pysyvyyden ja muuttumisen, keskinäisen riippuvuuden, aiheuttamisen ja vaikuttamisen hahmot. Tämän tason empiria on havaitsemista, tarkkailua ja kvalitatiivisia kokeita. Kvalitatiivisen tason opetus ei voi kuitenkaan olla riippumaton kvantitatiivisen tason opetuksesta, koska ominaisuuksien väliset riippuvuudet ennakoivat kvantitatiivisia rakenteita. Esikvantifioinnissa ominaisuuksiin, niiden muuttumiseen, vaikutuksiin ja keskinäisiin riippuvuuksiin liitetään astetta tai voimakkuutta luonnehtivia mielikuvia. Huomio kiinnitetään ilmiön sellaisiin ominaisuuksiin, joita esittämään suuretta tarvitaan. Ominaisuuksien kvantitatiiviset vastineet ovat suureita. Ilmiöiden kvantitatiiviset vastineet ovat lakeja. 4

Fysiikan suurejärjestelmän ainutlaatuinen kvantitatiivinen järjestys sitoo käsitteiden käyttöönoton järjestystä. Kvalitatiivisen tason opetus on tässä suhteessa paljon vapaampaa, mutta siinä tulisi kuitenkin kiinnittää huomiota ilmiömaailman sellaisiin hahmoihin, jotka vastaavat fysiikan kvantitatiivisia käsitteitä ja lakeja. Tämä merkitsee oikeaa ennakointia eli kvalitatiivisella tasolla on kussakin tilanteessa erikseen hahmotettava kvantitatiivisten lakien kannalta olennaisia ominaisuuksia ja riippuvuuksia. Fysiikan ymmärtäminen nojautuu suureiden merkityksen ymmärtämiseen. Suureiden määrittelyn vaiheet ovat siten myös luonnollisesti etenevän oppimisen ja opetuksen vaiheita. Perushahmotus, esikvantifiointi, idealisointi ja pelkistys, kvantifiointi, yleistys ja laajennus muodostavat oppimisen ja opetuksen prosessien ketjun, joka on ainoa mahdollinen tie aitoon ymmärtämiseen. 2.3. Oppimiskäsitys Konstruktivistisen oppimiskäsityksen mukaan tiedon rakentumiseen ja muokkautumiseen vaikuttavat oppilaan ennakkokäsitykset, sosiaalinen vuorovaikutus ja kokeellinen toiminta. Ymmärtäminen on aktiivinen tapahtuma ja sillä on tarkoitus. Opettaja voi ohjata tätä prosessia ja olla kannustajana, mutta tiedon voi omaksua vain oman prosessin kautta. Yksilön valikoiva tarkkaavaisuus liittyy myös konstruktivistiseen oppimiskäsitykseen. Oppija voi kohdistaa tarkkaavaisuutensa yleensä yhteen asiaan kerrallaan. Oppimisen edellytyksenä on tarkkaavaisuuden kohdistaminen oppimisen kohteeseen. Tyypillisesti tarkkaavaisuuden valintaa säätelevät yksilön tarpeet sekä odotukset, ja siihen vaikuttavat myös yksilön uskomukset, käsitykset ja arvostukset. Luennoiva opetustapa on oppilaan valikoivan tarkkaavaisuuden kannalta erityisen ongelmallinen. Heterogeenisen sosiaalisen ryhmän (luokan) oppilaiden tarkkaavaisuus kohdistuu tällaisessa oppimistilanteessa oletettavasti eri asioihin. Opetuksessa olisi syytä korostaa luokan kielellistä vuorovaikutusta. Oppilaan oppimisen kohdetta koskeva puhuminen on merkitysten konstruoimisessa tärkeää. Samalla aktivoituu oppilaiden 5

valikoiva tarkkaavaisuus. Oppilaiden tehdessä omia tutkimuksiaan puhumisen osuus kasvaa ja samalla lisääntyy myös oppimiseen käytettävä aika. Kokemuksellisuus ja toiminnallisuus korostuvat kasvatusfilosofi John Deweyn (1859 1952) käsitysten mukaan silloin, kun oppiminen ymmärretään ongelmanratkaisuprosessina. Oppiminen on yksilölle merkityksellistä silloin, kun lähtökohtana ovat hänen itsensä asettamat kysymykset tai ongelmat. Deweyn käsitys oppimisesta on lähellä konstruktivistista näkemystä: oppimisessa korostuvat yksilön oma aktiivisuus ja tietojen hankkiminen sekä niiden tulkitseminen. (Sahlberg, P. 1996) Konstruktivistinen oppiminen edellyttää subjektiivisten tulkintojen tekemistä käytettävissä olevan tietoaineiston ja informaation perusteella. Tulkintojen korostaminen oppimisessa tarkoittaa sitä, että oppilaan olisi opittava kysymään, etsimään tietoa sekä analysoimaan sitä omien käsitystensä ja aikaisempien kokemusten perusteella. Tulkinta liittää uuden tiedon aikaisempiin tietorakenteisiin. (Sahlberg, P. 1996) 2.4. Opetuksen kieli Fysiikan opetus on aina myös kielen kehittämistä. Kielen välityksellä luodaan sekä oikeita, että vääriä mielikuvia. Yleiskieli tukee ja vahvistaa tiedostamattamme monia ennakkokäsityksiä, joita oppikirjojen ja opetuksen kielenkäytöllä pitäisi pyrkiä muuttamaan. Käsitteenmuodostusprosessi antaa käsitteille uusia merkityksiä, tällöin myös fysiikan kieli kehittyy. Mielikuvia luodaan sosiaalisessa prosessissa, joka kehittää ja muokkaa myös havaitsemista ja niistä puhumisen kieltä. Oppilaan fysikaalisen kielenkäytön olisi saatava laajentua ja rikastua vähitellen ja loogisesti. (Kurki Suonio, K. ja Kurki Suonio, R. 1998) Oliot ovat luonnon subjekteja, käsitteiden kielellisen käytön puolesta olioita ovat myös olioiden mallit. Ilmiöt ovat luonnon tapahtumisia ja niiden malleja. Kaikkiin olioita ja ilmiöitä tarkoittaviin fysikaalisiin käsitteisiin liittyy idealisointia, joka jo on mallintamista. Ominaisuudet ovat olioiden ja ilmiöiden havaittavia piirteitä, kvaliteetteja. Suureet ovat kvantiteetteja. Niillä on lukuarvo ja yksikkö, joita 6

ominaisuuksilla ei ole. Kieli voi hämärtää perushahmotusta, jonka pitäisi olla oppimisen lähtökohta. Opetuksen on tarjottava riittävästi käsitteiden oikean käytön kielellisiä malleja. Kielenkäytön tulee vastata perushahmojen luonnetta ja heijastaa kvantitatiivisten käsitteiden merkitystä ja eriasteisuutta. (Kurki Suonio, K. ja Kurki Suonio, R. 1994) 7

3. Lämpöopin kurssin suunnittelun lähtökohdat 3.1. Yleiset perusteet Kurssin suunnittelussa huomioidaan opetettavan aineen luonne sekä käsitykset oppimisesta, lisäksi opetussuunnitelma määrittelee sisällön ja antaa tavoitteet. Opettaja voi asettaa myös muita tavoitteita. Fysiikassa tieto ja ymmärtäminen perustuvat käsitteiden ja käsiterakenteiden merkitysten hallintaan. Opetuksen vaiheet ja eteneminen on sovitettava fysiikan käsitteenmuodostuksen hierarkkiseen kehitykseen ja prosessirakenteeseen sekä oppilaiden tasoon ja oppimisen eri vaiheisiin. Opetuksen punaisena lankana tulisi olla havaintoihin nojautuva, systemaattisesti etenevä empiiristen merkitysten luominen ja käsitteistäminen. (Kurki Suonio, K. 2006) Opetuksen tulisi tukea ja auttaa luonnollisen havaitsemisen ja hahmottamisen prosesseja kehittymään. Merkitysten hahmotus syntyy havaintojen ja mielikuvien yhteisvaikutuksesta. Käsitteistäminen on näiden merkitysten nimeämistä. Käsitteenmuodostus alkaa perushahmotuksesta, joka sisältää havaitsemista, tarkkailua ja kvalitatiivisia kokeita. Esikvantifioinnissa ominaisuuksiin ja niiden muuttumiseen liitetään astetta tai voimakkuutta luonnehtivia mielikuvia. Kvantifiointi tarkoittaa siirtymistä laadullisesta tunnistamisesta määrälliseen mittaamiseen. Olioiden ja ilmiöiden ominaisuudet muuntuvat kvantifioinnin kautta suureiksi, ne saavat yksikön ja lukuarvon. Ominaisuuksien välisiä riippuvuuksia eli suureiden noudattamia lakeja voidaan ilmaista matemaattisessa muodossa. 3.2. Opetussuunnitelman yleiset tavoitteet Peruskoulun opetussuunnitelman perusteissa (1994) sanotaan: 8

"Fysiikan ja kemian opetuksen tehtävänä on ohjata luonnontieteille ominaiseen ajatteluun, tiedonhankintaan ja tietojen käyttämiseen elämän eri tilanteissa. Opetus antaa oppilaalle persoonallisuuden kehittymisen ja nykyaikaisen maailmankuvan muodostumisen kannalta välttämättömiä aineksia ja se auttaa ymmärtämään luonnontieteiden ja teknologian merkityksen osana kulttuuria. Opetuksen tulee olla innostavaa ja mielekästä ja sen tulee lähteä siltä menetelmälliseltä ja tiedolliselta tasolta, jonka oppilaat ovat aikaisemmissa opinnoissaan saavuttaneet." "Fysiikan opiskelussa voidaan erottaa kaksi yleistä tavoitetasoa: Kvalitatiivisella tasolla on tavoitteena, että oppilas osaa tehdä havaintoja, luokitella ja tulkita niitä sekä tehdä niistä asianmukaisia johtopäätöksiä, oppii fysikaalisiin ilmiöihin liittyviä peruskäsitteitä, periaatteita, lakeja ja malleja ja osaa keskustella fysiikan alaan kuuluvista asioista ja ilmiöistä sekä soveltaa fysikaalista tietoa luontoa ja ympäristöä koskevissa kysymyksissä, ongelmien ratkaisemisessa ja päätöksenteossa. Kvantitatiivisella tasolla on tavoitteena, että oppilas osaa tehdä mittauksia ja vertailla suuruusluokkia, esittää, tulkita ja tehdä johtopäätöksiä, osaa muodostaa yksinkertaisia malleja, erityisesti graafisen esityksen pohjalta, sekä käyttää niitä fysiikan ilmiöiden selittämisessä ja osaa suunnitella ja tehdä yksinkertaisia tutkimuksia myös itse tehdyillä välineillä sekä arvioida tutkimusprosessia ja saatujen tulosten luotettavuutta. Fysiikan ja kemian opetuksen yhteisenä tavoitteena on lisäksi, että oppilas oppii toimimaan yhdessä toisten kanssa, innostuu fysiikan ja kemian opiskelusta sekä omaksuu turvalliset työskentelytavat." (Peruskoulun opetussuunnitelman perusteet 1994) 9

Hahmottava lähestymistapa tähtää käsitteiden oppimiseen ja niiden merkityksien hahmottamiseen luonnollisena prosessina. Oppilaiden toimivaa, kokemuspohjaista hahmotusprosessia on autettava kehittymään. Aidon oppimisen perustana on oppilaiden omat tiedot, kokemukset ja mielikuvat. Hahmottava lähestymistapa perustuu fysiikan käsiterakenteeseen ja sen hierarkkiseen kerroksellisuuteen ja näin tukee opetussuunnitelman tavoitteita. Käsitteiden käyttöönotossa on noudatettava oikeaa järjestystä. Kvalitatiivisen tason perushahmotuksessa luodaan hahmokokonaisuuksia tunnistamalla ja luokittelemalla perushahmoja olioita, ilmiöitä ja niiden ominaisuuksia sekä jäsentämällä näiden välisiä riippuvuuksia. Avainasemassa ovat oppilaan omat havainnot ja oivallukset. Esikvantifioinnissa ominaisuuksiin liitetään voimakkuuden mielikuva. Tällöin tehdään mittauksia ja suuruusluokkien vertailua. Kvantifiointi luo ominaisuuksista suureita. Suureiden määrittelyn vaiheet ovat myös oppimisen ja opetuksen vaiheita. Opetus perustuu aikaisemmin opetettuun ja tähtää tulevaisuudessa opetettavaan. Opetuksen on edettävä oppilaan kehityksen mukaisesti ja sitä kannustavasti. Opettajan on tunnettava kurssin sisällön rakenne ja käsitteiden syntymisen prosessi. Opetuksen tulee seurata käsitteenmuodostuksen suuntaa ja vaiheita, havainnoista käsitteisiin ja kokeista teoriaan. Oppilaiden ennakkokäsitysten tunteminen auttaa opettajaa ohjaamaan oppilaan omaa hahmotusprosessia ja itsenäistä ajattelua sekä edesauttaa oppilasta luottamaan omiin havaintoihinsa. Terminologia, fysiikan kieli rakentuu ymmärretyille merkityksille ja on ensin opittava empirian kautta. Tavoitteena on oppia tekemään havaintoja, mittaamaan, järjestämään kokeita, osallistumaan tutkimusprojektiin, keskustelemaan havainnoista, jäsentämään, käsitteistämään, tulkitsemaan ja mallintamaan niitä sekä testaamaan hypoteeseja, tarkentamaan malleja ja luopumaan niistä. Kokeellisuus merkitsee kokeellista lähestymistapaa, jossa joskus on tyydyttävä myös kerrottuun empiriaan. Opetusmenetelmien monipuolisuus motivoi oppilasta aktiiviseen työskentelyyn itsenäisesti tai ryhmässä. 3.3. Kurssin sisältö Opetussuunnitelma määrittelee lämpöopinkurssin keskeiseksi sisällöksi kappaleiden ja aineiden lämpenemiseen ja jäähtymiseen liittyvät ilmiöt sekä niiden merkityksen ja 10

sovellukset. Opetussuunnitelman mukaan ilmiöitä tulisi kuvata tarkoituksenmukaisilla käsitteillä ja laeilla. Sisältöön kuuluvat myös lämpö energiamuotona sekä energian säilymisen ja huononemisen lait. Toteutetun kurssin sisällöksi valittiin tutkimuksen koulun opetussuunnitelmassa nimetyt aihealueet: lämpötila lämpölaajeneminen lämpöenergian varastoituminen olomuodon muutokset energian säilyminen ja huononeminen lämpöenergian siirtyminen Nämä aihealueet vastaavat myös opetussuunnitelman keskeisiä sisältöjä sekä löytyvät opetuksessa käytössä olevasta oppikirjasta. Hahmottava lähestymistapa sopii tähän sisältökokonaisuuteen sekä sen etenemisjärjestykseen. Luvun 4 Lämpöopinkurssin rakenne ja toteutus hahmottavan kokeellisuuden osuus on otsikoitu samoin kuin kurssin sisällön aihealueet. 3.4. Työtavat Valtakunnallisessa opetussuunnitelmassa sanotaan, että opetuksessa tulee käyttää oppiaineelle ominaisia menetelmiä ja monipuolisia työtapoja. Näiden tarkoituksena on tukea ja ohjata oppilaan oppimista. Työtapojen tehtävänä on kehittää oppimisen, ajattelun ja ongelmanratkaisun taitoja, työskentelytaitoja ja sosiaalisia taitoja sekä aktiivista osallistumista. Koulun opetussuunnitelma sisältää opetussuunnitelman valtakunnallisen ja kunnallisen opetussuunnitelman täydennettynä koulun omalla painotuksella. Koulun opetussuunnitelmassa on eritelty seuraavat työtavat: 11

opettajajohtoinen työskentely yksilötyöskentely parityönä tehtävät oppilastyöt ryhmätyöt opettajan tekemät demonstraatiot opetuskeskustelut Lisäksi kyseisessä koulussa pyritään järjestämään opintokäyntejä esim. lähiseudun yrityksiin. Mahdollisuuksien mukaan käytetään kokeellista lähestymistapaa uuden asian oppimisessa. Oppilasta kannustetaan omatoimiseen havaintojen tekoon sekä luokassa että luokan ulkopuolella arkielämän eri tilanteissa. Opettaja valitsee työtavat oppilasaineksen, ryhmän koon, käytössä olevan tilan ja välineistön sekä opetettavan aineiston mukaan. Hänen tehtävänään on opettaa ja ohjata sekä yksittäisen oppilaan että koko ryhmän oppimista ja työskentelyä. Opetuksen kokeellisuuden tulisi olla oppimista aidosti tukeva hahmottava lähestymistapa. Tavoitteena on oppia tekemään havaintoja, mittaamaan, järjestämään kokeita, keskustelemaan havainnoista, käsitteistämään ja mallintamaan sekä kvalitatiivisesti että kvantitatiivisesti, ennustamaan ja testaamaan malleja jne. Tällöin opitaan näkemään fysiikan käsitteet epätarkkoina malleina ja tarkastelemaan tarjottua tietoa kriittisesti. Didaktinen konstruktivismi painottaa oppimisen rakentumista oppilaan omille tiedoille, kokemuksille ja mielikuville. Oppilaan tulisi oppia luottamaan havaintoonsa niin vahvasti, että hän voi sen perusteella muuttaa omia mielikuviaan. Hahmoja voi opastaa havaitsemaan, mutta opettaja ei voi hahmottaa oppilaan puolesta. Hahmottavaan lähestymistapaan sopivat koulun opetussuunnitelmassa esitetyt työtavat. Kokeellinen työskentely voi olla opettajan ja oppilaiden yhdessä tekemää, parityönä tehtyjä kokeita, ryhmätöitä tai kotona suoritettuja pieniä kokeiluja. Opetuksessa käytetään myös puhuttua empiriaa. Opettajan suorittamat demonstraatiot aktivoivat tekemään ennusteita ja havaintoja sekä niiden avulla voidaan testata tehtyjä hypoteeseja. Työtavan valintaan vaikuttaa oppilasryhmä ja opetettava kurssin kohta. Myös koulun 12

tarjoamat resurssit, erityisesti käytössä oleva luokkatila vaikuttavat valittuihin työtapoihin. Kurssilla käytetään ennakkokäsityskysymyksiä. Näitä kysymyksiä on tässä tutkielmassa liitteenä kaksi sarjaa, joita voidaan käyttää myös testaamaan opetettua ainesta. Oppilaat voivat harjoitella tiedon hakemista ja tiivistämistä tekemällä pieniä esitelmiä tai seinälehtiä. Kotitehtävät ovat yleensä kirjallisia joko sanallisia, liittyen opetettuun asiaan sekä ennakkokäsityksiin tai matemaattisia tehtäviä. 13

4. Lämpöopin kurssin rakenne ja toteutus 4.1. Johdanto Lämpöopinkurssin aloitukseksi on laadittu kaksi sarjaa ennakkokäsityskysymyksiä, jotka ovat tämän tutkimuksen liitteenä. (Liitteet 1, 2) Tässä tutkimuksessa toteutetun kurssin alussa oppilaat vastasivat A sarjan kysymyksiin molemmilla luokilla, joilla oli yhteensä 28 oppilasta. Myöhemmin keväällä lukuvuoden loppupuolella 26 oppilasta näiltä luokilta vastasi B sarjan kysymyksiin. Ennakkokäsityskysymysten sisältämät ongelmat ja ilmiöt sekä oppilaiden niihin antamat vastaukset huomioitiin ja niihin viitattiin opetuksen edetessä. Oppilaiden ennakkokäsityskysymyksiin antamat vastaukset sekä tutkimuksen tekijän pohdinnat ja johtopäätökset on esitetty tässä tutkimuksessa kappaleessa 5 Oppilaiden käsitykset ja niiden kehittyminen. Opetuksen yhtenä tavoitteena on ympäristön ilmiömaailman käsitteellinen hallinta. Tällöin kokeellisessa lähestymistavassa hahmotetaan käsitteiden merkityksiä havaittavien ilmiöiden kautta. Havainnot ja mielikuvat, empiria ja teoria rakentuvat ja kehittyvät yhtä aikaa, koko ajan toisiaan tukien. Hahmottavan kokeellisuuden osiossa on esitetty kurssin suunniteltu sisältö täydennettynä tutkimuksen tekijän huomioilla ja kommenteilla toteutuksesta. Kurssin päätteeksi koulun koko ikäluokalle eli kuudelle 9. luokalle pidettiin summatiivinen koe. 4.2. Hahmottava kokeellisuus Lämpöopinkurssin hahmottava kokeellisuus on rakennettu siten, että kurssin aikana tutkitaan lämmittämisen ja jäähdyttämisen vaikutuksia aineiden ominaisuuksiin sekä lämpöenergian siirtymistä. Hahmottava kokeellisuus sisältää kurssin aihealueiden perushahmotusta, esikvantifiointia ja kvantifiointia. Seuraavassa on tiivistelmä kurssin 14

aihealueista ja niiden liittymisestä luontoon ja ilmiöihin, joiden kanssa ihmiset ovat tekemisissä jokapäiväisessä elämässä. Tiivistelmä voi olla opettajan esipuhe kurssin aloitukseksi tai se voi olla kurssin loppusanat. Tutkimuksen tekijä on käyttänyt sitä ennakkokäsitysten selvittämisessä sekä esittänyt tiivistelmän asioita oppilaille kysymysten muodossa tai väittäminä, joiden totuudenmukaisuutta on yhdessä pohdittu. Tarkoituksena on ollut koko aihealueen perushahmotus. Kappaleet lämpenevät ja jäähtyvät, laajenevat ja kutistuvat, kun ympäristön lämpötila tai paine muuttuu. Myös aineen olomuoto voi muuttua. Ainetta voidaan lämmittää monella eri tavalla. Lämpötilan muuttuminen on ilmiö, joka perustuu siihen, että lämpö on energiaa. Kun kuuma ja kylmä ovat kosketuksissa, kuuma jäähtyy ja kylmä lämpenee. Lämpöä siirtyy kuumasta kylmään. Auringon paisteessa kaikki aineet lämpenevät säteily lämmittää. Aineen palaessa vapautuu lämpöä. Hankauksessa syntyy lämpöä. Sähkövirta lämmittää vastuslankaa. Kappale lämpenee, kun siihen siirtyy lämpöenergiaa tai kun jokin muu energialaji muuttuu kappaleessa lämmöksi. 4.2.1. Lämpötila Lämpötilaa perushahmotettaessa asiaa lähestyttiin ihmisen lämpöaistin kautta. Aistimme jonkin kappaleen kuumaksi ja toisen viileäksi tai kylmäksi, niiden lämpötilojen sanotaan olevan erilaiset. Lämpöaistin perusteella ei kuitenkaan voida sanoa, kuinka kuuma tai kylmä jokin kappale on. Sama asia voidaan havaita seuraavan kokeen avulla. Kaadetaan kolmeen laakeaan astiaan vettä, ensimmäiseen kylmää, keskimmäiseen haaleaa ja viimeiseen kuumaa. Pidetään toista kättä kylmässä ja toista kuumassa vedessä noin puoli minuuttia. Sen jälkeen siirretään molemmat kädet haaleaan veteen. Huomataan kylmässä vedessä olleen käden aistivan haalean veden lämpimäksi, mutta kuumassa vedessä ollut käsi tuntee sen viileäksi. Havaitaan, että ihminen kyllä aistii kylmän ja kuuman eri asteita. Lämpöaisti tarjoaa lähtökohdan lämpimyysominaisuuden hahmottamiseen, mutta ei ilmaise luotettavasti lämpötilaa ja lämpötilaeroja. Lämpötilan mittaamisen tarvitaan laite, lämpömittari, jonka jokin mitattava ominaisuus riippuu lämpötilasta niin, että se ilmaisee oman lämpötilansa. 15

Ihmisen tuntemukseen palattiin myöhemmin lämpöenergian siirtymisen yhteydessä, koska asia vaati tarkennusta. Oppilaat ottivat toisella kädellä kiinni pöydän metallisesta jalasta ja toisella kädellä he koskettivat pöydän puista pintaa. Pintojen lämpötilojen ollessa sama, huoneen lämpötila, ne kuitenkin tuntuivat erilämpöisiltä. Toisena esimerkkinä käytettiin saunaa: puinen laude ei polta ihoa, mutta lauteissa oleva naula polttaa. Todettiin lämpöenergian siirtymisen tehon ja suunnan vaikuttavan tuntemukseen. Lämpötilan perusominaisuutta, lämpötilojen tasoittumista voidaan havainnoida sekoittamalla erilämpöisiä vesiä. Lämpötilan perushahmotus ja esikvantifiointi tehtiin seuraavalla kokeella. Kalorimetriin laitettiin vesipussit, joissa oli erilämpöistä vettä. Toisessa muovipussissa oli kylmää ja toisessa kuumaa vettä. Muovipussit laitettiin styrox astiaan ja mitattiin lämpötilan muuttumista. Havaittiin, että kuuma vesi jäähtyi ja kylmä vesi lämpeni, kunnes niillä oli sama lämpötila. Lämpötilaerot tasoittuivat. Oppilaat piirsivät vihkoonsa samaan (aika, lämpötila) koordinaatistoon kuvaajat kylmän ja kuuman veden lämpötilojen muuttumisesta. Käyrien havaittiin lähestyvän toisiaan ja lopulta kulkevan päällekkäin. Erilämpöiset kappaleet saavuttavat lopulta saman lämpötilan ollessaan kosketuksissa. Tämä on lämpötilan perusominaisuus, johon lämpötilan mittaaminen perustuu. Lämpömittari asettuu samaan lämpötilaan kuin aine, johon se upotetaan tai kappale, jota sillä kosketetaan. Lämpötila on yksi SI järjestelmän määrittelemästä seitsemästä perussuureesta. Lämpömittarimallina voidaan käyttää öljyllä täytettyä keittopulloa, jonka korkin läpi on viety toisesta päästä avoin lasiputki. Kun öljyä lämmitetään, sen pinta lasiputkessa nousee. Jos lämmitys saadaan tasaiseksi, havaitaan öljyn tilavuudenkin kasvavan tasaisesti. Öljyn tilavuus riippuu siis siitä, kuinka lämmintä öljy on. Edellä esitetty koe on ajateltu esikvantifioivaksi. Kvantifioivaksi kokeeksi sopii seuraavassa esitetty työ. Otetaan yhtä suuret määrät selvästi eri lämpöisiä vesiä. Upotetaan pullo, jossa on öljyä (lämpömittarimalli) vuorotellen kumpaankin veteen ja merkitään lasiputkeen merkit öljyn pintojen tasalle. Tämän jälkeen vedet sekoitetaan. Sekoituksen lämpötila on alkuperäisten lämpötilojen keskiarvo. Upotetaan öljypullo tähän veteen ja havaitaan, että öljyn pinta putkessa asettuu alkuperäisten merkkien puoliväliin. Lämpömittarimalli toimii ja osoittaa, että nesteen lämpölaajenemista voi käyttää lämpötilan mittaamiseen. 16

4.2.1.1. Lämpötila asteikot Celsiusasteikko määritellään jään sulamislämpötilan ja veden kiehumislämpötilan avulla. Ne ovat celsiusasteikon peruspisteet: jään sulamispiste 0 o C ja veden kiehumispiste 100 o C, molemmat normaalipaineessa. Näiden väli on jaettu sataan yksikköön. Tämä asteikko on käytössä meillä, ja silloin lämpötilan tunnus on t ja yksikkö celsiusaste, 1 o C. Absoluuttisen lämpötila asteikon nollakohta on absoluuttinen nollapiste, lämpötilojen ehdoton ja saavuttamaton alaraja. Lämpötilan tunnus on tällöin T ja yksikkö kelvin, 1 K. Absoluuttisen lämpötilan yksikkö on määritelty siten, että veden kolmoispisteen lämpötila on tasan 273,16 K (= 0,01 o C). Kolmoispisteessä vesi esiintyy samanaikaisesti jäänä, vetenä ja vesihöyrynä. Sekä celsius että kelvinasteikon yksiköiden väli on yhtä suuri. Absoluuttisen lämpötilan T ja celsiuslämpötilan t välillä on yhteys T/K = t / o C + 273,15 Celsius asteikon peruspisteet olivat oppilaille tuttuja jo ala asteelta, mutta veden jäätyminen ja jään sulaminen samassa lämpötilassa tuntui kuitenkin vieraalta ajatukselta. Monet oppilaat ilmoittavat, että vesi jäätyy hieman alle nollassa ja jää sulaa, kun lämpötila on vähän yli nollan celsiusasteen. Jäämurskan ja veden seoksen lämpötilan (0 o C) mittaaminen auttoi asian ymmärtämisessä. Absoluuttisen nollapisteen löytymisestä ja määrittämisestä käytiin myös keskustelua. 4.2.2. Lämpölaajeneminen Lämpölaajenemisen perushahmotus ja esikvantifiointi voidaan tehdä opettajan suorittamilla pienillä kokeilla. Opettajalla on huoneenlämpöinen metallikuula ja samanaineinen metallilevy, jonka läpi kuula juuri ja juuri sopii. Oppilaat voivat esittää hypoteeseja, mitä tapahtuu, kun lämmitetään kuulaa tai vaihtoehtoisesti lämmitetään pelkkää levyä tai sekä kuulaa, että levyä. Lämmitetyn metallikuulan laajeneminen oli 17

useimmille etukäteen tuttu asia. Reikälevyä lämmitettäessä osan mielestä aukko laajenee, osan mielestä aukko pienenee. Jälleen oli oppilaita, jotka eivät osanneet tai uskaltaneet sanoa mitään, vaikka pyydettiin vain veikkaamaan. Metallisen reikälevyn reiän laajenemista lämmitettäessä verrattiin valokuvan suurentamiseen. Havaitaan, että kun kuulaa lämmitetään, se ei enää mahdu reiän läpi. Jos kuula jätetään levyn reiälle, jäähdyttyään se solahtaa reiän läpi. Havaitaan, että lämmitettäessä kiinteä aine laajenee ja jäähdytettäessä kiinteästä aineesta valmistetun kappaleen koko pienenee. Kiinteiden aineiden lämpölaajeneminen on aineelle ominaista. Tätä voidaan havainnollistaa käyttämällä kaksoismetalliliuskaa. Kaksoismetalliliuskaa lämmitettäessä liuska taipuu aina samaan suuntaan. Kun liuskaa jäähdytetään, se taipuu toiseen suuntaan kuin lämmitettäessä. Lämmitettäessä kaksoismetalliliuskaa toinen liuskan metalleista pitenee enemmän kuin toinen. Kun liuskaa jäähdytetään, lämmitettäessä enemmän pitenevä liuska myös lyhenee enemmän. Kaksoismetalliliuskaa voidaan käyttää termostaateissa, jolloin se on osa virtapiiriä. Sähkövirta lämmittää liuskaa, jolloin se taipuu ja virta katkeaa. Liuskan jäähtyessä se oikenee ja sulkee virtapiirin. Nesteen lämpölaajeneminen on tullut jo esille käytettäessä lämpömittarimallia. Sen voi kuitenkin esitellä uudelleen lämpölaajenemisen ja sen sovellusten yhteydessä. Värjätyllä vedellä piripintaan täytettyä keittopulloa, jonka suulla on onton lasiputken lävistämä korkki, lämmitetään ja havaitaan vesipatsaan nousevan ylös putkeen. Lasiputkessa olevan vesipatsaan pinta laskee, kun vesi jäähtyy. Päätellään, että lämmitettäessä neste laajenee ja jäähdytettäessä sen tilavuus pienenee. Ilmiöstä keskusteltiin ennen kokeen tekemistä ja oppilaat osasivat kuvailla tulevat havainnot. Aiemmin oli tullut esille lämpötilan mittaamisen perustuvan mitattavan kohteen ja lämpömittarin lämpötilaeron tasaantumiseen. Lämpötilan mittaaminen neste ja kaksoismetallilämpömittareilla perustuu myös lämpölaajenemiseen. Lämpömittarin valinta riippuu tutkittavasta kohteesta, lämpötila alueesta ja halutusta mittaustarkkuudesta. Tässä yhteydessä käytiin myös keskustelua siitä, mitkä nesteet sopivat ulko ja sisälämpömittareihin. Nestelämpömittarin malli esiteltiin lämpölaajenemisen yhteydessä ja sen toiminta olikin useimmille oppilaille ennestään tuttu. Kaksoismetallilämpömittari oli kyllä ulkonäöltään tuttu saunan lämpömittarina, mutta sen toimintaperiaate oli tuntematon. Mittari kiersi 18

luokassa kädestä käteen, jotta jokainen näki sen piilossa olevan spiraaliksi kierretyn kaksoismetalliliuskan. Lämpölaajenemisen perushahmotus voitiin toteuttaa melko yksinkertaisin ja arkisinkin välinein. Tunnilla keskusteltiin arkielämän tilanteista, joissa on huomioitava lämpölaajeneminen sekä sovelluksista, joissa hyödynnetään lämpölaajenemista. Siltoja rakennettaessa on jätettävä liikkumisvara talven pakkasten ja kesähelteiden välillä. Sähköradan johtimet pidetään kireällä betonipainojen avulla. Pitkiä putkistoja rakennettaessa niihin on tehtävä mutkia, jolloin putket antavat periksi lämpölaajenemiselle. Erilaisten materiaalien yhdistämisessä on huomioitava lämpölaajeneminen, esim. teräs ja betoni. Keskuslämmitysjärjestelmässä ja nestejäähdytteisessä autossa on paisuntasäiliö. Kiinteiden kappaleiden ja nesteiden tilavuuksia voidaan muuttaa vain vähän lämmittämällä ja puristamalla. Kaasut taas pyrkivät laajenemaan itsestään. Tässä yhteydessä voidaan havainnoida kaasun laajenemispyrkimystä, joka voimistuu kaasun lämmetessä ja viittaa paineen käsitteeseen. Laitetaan tyhjä ilmapallo keittopullon suulle ja lämmitetään pulloa. Havaitaan, että pallo täyttyy ilmalla. Kun pulloa jäähdytetään, pullossa oleva ilma jäähtyy eikä enää täytä palloa, joka siis kutistuu. Pallon täyttyminen ilmalla oli useamman oppilaan mielestä seurausta siitä, että lämmin ilma nousee ylöspäin, ikään kuin keittopullo jäisi tyhjäksi. Todettiin ilman täyttävän sekä pallon että pullon. Ilmiön tutkimista voidaan jatkaa seuraavalla oppilaiden tekemällä kokeella. Ilmaa täynnä olevaa avointa muovipulloa lämmitetään jonkin aikaa hanan alla kuumalla vedellä. Lämmittämisen jälkeen pullon korkki suljetaan tiiviisti ja pullo viedään kylmään veteen. Pullo painuu kasaan, koska pullossa olevan ilman tilavuus on pienempi kuin alun perin. Lämmitettäessä avointa pulloa ilma laajenee ja osa siitä poistuu pullosta. Jäähdytettäessä pullo painuu kasaan, koska pullossa on vähemmän ilmaa kuin alussa. Edellisen työn oppilaat tekivät pareittain. Kaasun laajenemispyrkimyksen havainnointiin liittyy myös seuraava koe. Asetetaan ilmaa täynnä olevan lasipullon suulle onton lasiputken lävistämä korkki ja upotetaan lasiputken pää värjätyllä vedellä täytettyyn altaaseen. Lämmitetään pulloa käsillä. Havaitaan, että pullosta tulee kuplia. Kun pulloa jäähdytetään lasiputken ollessa veden alla, pulloon suihkuaa värjättyä vettä. Päätellään, että lämmitettäessä osa kaasusta 19

poistuu pullosta ja jäähdytettäessä poistuneen kaasumäärän tilalle tulee vettä, jolloin paineet tasoittuvat. Kappaleessa Malli olomuodon muutoksista esitellään simulaatioroolipelimallia, jota käytettiin myös lämpöliikkeen lisääntymisen ja aineen lämpölaajenemisen selittämiseen. Tämä opetustapa poikkesi selvästi tavanomaisesta fysiikan tunnista, mutta hyvällä tavalla. Kaikki oppilaat pääsivät mukaan, kukaan ei halunnut jäädä pois. 4.2.2.1. Veden poikkeava tilavuuden muutos Veden poikkeava lämpölaajeneminen käsitellään oppikirjassa lämpölaajenemisen yhteydessä kyseisessä kappaleessa, joten se on tutkimuksessakin otettu tähän kohtaan. Asiaa käsiteltiin lyhyesti myös silloin, kun oppilaiden kanssa pohdittiin, mitkä nesteet olisivat sopivia nestelämpömittareihin. Veden poikkeava tilavuuden muutos tulee esille myös maantiedon opetuksessa. Useimmat kiinteät aineet, nesteet ja kaasut laajenevat lämpötilan noustessa. Veden tilavuuden muutos on poikkeava: veden tilavuus pienenee lämpötilavälillä 0 o C:sta + 4 o C:een ja alkaa kasvaa lämpötilan noustessa yli + 4 o C. Veden tiheys on siis suurin + 4 o C:ssa. Tällä on tärkeä merkitys luonnossa. Järvet jäätyvät vain pinnalta ja elämä vedessä voi jatkua myös talvella. Syksyisin ja keväisin pinta ja pohjavesi sekoittuvat. Järvien pohjalla vesi on pysyvästi + 4 asteista. 4.2.2.2. Lämpötilakertoimet Nesteiden ja kiinteiden aineiden lämpölaajenemisen kvantifiointi voidaan tehdä seuraavassa esitellyillä kokeilla. Täytetään ruokaöljyllä kolme erikokoista keittopulloa. Suljetaan pullot korkilla, jonka läpi on viety ontto lasiputki. Lämmitetään pulloja samassa vesihauteessa. Mitataan, kuinka paljon öljyn tilavuus muuttuu kussakin pullossa lämpötilan muuttuessa. Suoritetaan useampia mittauksia. Havaitaan, että öljyn tilavuuden suhteellinen muutos on verrannollinen lämpötilan muutokseen, V / V ~ t. 20

Saadaan tilavuuden lämpötilakerroin, joka ilmaisee, kuinka paljon öljy laajenee jokaista lämpenemäänsä astetta kohti. Tutkitaan eri metalleista valmistettujen putkien pituuksien muuttumista, kun putkia lämmitetään. Havaitaan, että pituuden suhteellinen muutos on verrannollinen lämpötilan muutokseen, l / l ~ t. Saadaan pituuden lämpötilakerroin, joka ilmaisee, kuinka paljon tietystä aineesta valmistettu kappale pitenee lämpötilan muuttuessa yhden asteen. Lämpötilakertoimiin liittyvät laskennalliset tehtävät tuottivat joillekin oppilaille vaikeuksia. Yhtälön ratkaiseminen oli opetettu matematiikassa 8. vuosiluokalla ja fysiikan tunneilla 9. luokalla suurelaskentaa oli ollut vain linssien taittokykyä ratkaistaessa. Lämpötilakertoimiin liittyvät suureyhtälöt ovat kuitenkin useamman suureen yhtälöitä, joten osa vaikeuksista johtuu varmaan tästä. Kirjainlaskenta on monille oppilaille hankalaa. Suurin osa matemaattisista tehtävistä tässä yhteydessä oli pituuden muutoksen ratkaisemista. Tutkimuksen koulussa on 8. ja 9. vuosiluokilla matematiikassa joustavat oppimisedellytysten mukaiset ryhmät. Oppilaat on jaettu kolmeen ryhmään, joissa edetään ryhmän edellytysten tahdissa. Matematiikan opetuksen sisältö on opetussuunnitelman mukainen, syventämisen tason määrää ryhmä. Matematiikan koe on sama koko vuosiluokalle. Fysiikassa on heterogeeniset ryhmät. Likiarvoilla laskettaessa oppilaat osaavat kiinnittää huomiota vastauksen tarkkuuteen. Matematiikassa 7. luokan kurssissa käsitellään, miten vastauksen tarkkuus määräytyy, kun lasketaan likiarvoilla. Tästä on hyötyä, kun fysiikan tunneilla tehdään mittauksia ja tarkastellaan saatuja tuloksia. 4.2.3. Lämpöenergia Lämpöenergian tuottamisen, havaitsemisen ja siirtymisen perushahmotus tapahtui keskustelemalla oppilaiden kanssa heidän kokemuksistaan ja ennakkokäsityksistään seuraavan osion sisällön pohjalta. Ainetta voidaan lämmittää monella eri tavalla. Lämpötilan muuttuminen on ilmiö, joka perustuu siihen, että lämpö on energiaa. Kun 21

kuuma ja kylmä kappale ovat kosketuksissa, kuuma jäähtyy ja kylmä lämpenee. Lämpöä siirtyy kuumasta kylmään. Auringonpaisteessa kaikki kappaleet lämpenevät säteily lämmittää. Palamisessa syntyy lämpöä. Hankauksessa syntyy lämpöä. Sähkövirta lämmittää vastuslankaa. Kappale lämpenee, kun siihen siirtyy lämpöenergiaa tai kun jokin muu energialaji kappaleessa muuttuu lämmöksi. Lämpöä syntyy hangattaessa ja puristettaessa. Oppilaat hankasivat käsiään yhteen ja havaitsivat niiden tuntuvan selvästi lämpimämmiltä. Huoneenlämpöistä hiekkaa ravisteltiin suljetussa astiassa. Ravistelun jälkeen mitattiin hiekan lämpötila. Havaittiin lämpötilan kohonneen. Ennakkokäsityskysymykset paljastivat, että käsitteet lämpötila, lämpö ja lämpöenergia sekoittuvat. Aineen lämmittämiseen kaikki keksivät jonkin keinon. Lämpöenergian siirtyminen lieden levystä kattilaan ja edelleen ruokaan on arkielämästä tuttu esimerkki. Ruoka on lämmintä, koska siihen on siirtynyt energiaa. Ymmärrettävämpää oli, että lämpöenergian vieminen aineeseen eli lämmittäminen voi nostaa aineen lämpötilaa, mutta lämpötilan aleneminen lämpöenergian siirtymisen seurauksena ei ollut yhtä selvää. 4.2.3.1. Lämpöenergian varastoituminen Ennakkokäsityskysymysten vastauksista kävi ilmi, että meriveden kyky varastoida lämpöenergiaa oli monella tiedossa. Tiedettiin, että vesi luovuttaa varastoimaansa lämpöenergiaa pitkään ja siksi talvi tulee rannikolle hitaammin. Toisaalta kiuaskivien hyväksi ominaisuudeksi vain noin kolmasosa vastaajista osasi sanoa hyvän lämmönvarastoimiskyvyn. Perushahmotus tehtiin opetuskeskustelun avulla. Oppilaat osasivat kertoa, että suuren vesimäärän lämmittäminen liedellä kiehuvaksi kestää kauemmin kuin pienen määrän, kun lämmitystilanteet ovat samanlaiset. Lisäksi veden alkulämpötila vaikuttaa lämpenemisen kestoon. Mitä kauemmin vesikattila on liedellä, sitä enemmän siihen siirtyy lämpöenergiaa ja sitä enemmän veden lämpötila kohoaa. Pieni määrä vettä lämpiää tiettyyn lämpötilaan nopeammin eli vähäisemmällä energiamäärällä kuin 22

suurempi määrä. Alkulämpötilaltaan alhaisempi vesi vaatii enemmän lämmittämistä tiettyyn lämpötilaan kuin korkeammassa lämpötilassa oleva vesi. Etanoli lämpiää nopeammin kuin vesi samaan lämpötilaan samanlaisessa astiassa. Kappaleen lämmittämiseen tarvittavan energian määrä riippuu kappaleen massasta, kappaleen lämpötilan muutoksesta ja kappaleen materiaalista. Lämpöenergian varastoitumisen esikvantifioinnissa pohdittiin ja tutkittiin oppilaiden kanssa, miten eri aineita ja kappaleita voitaisiin lämmittää ja miten ne lämpenevät. Kappaleen lämpötilan noustessa kappaleen sisältämän lämpöenergian määrä kasvaa. Tällöin kappaleen massa ei kuitenkaan kasva. Energia ei siis ole ainetta. Lämpöenergian määrän ja aineen ominaislämpökapasiteetin kvantifioinnissa lähtökohtana on lämmön säilymisen ja siirtymisen intuitiivinen mielikuva sekä ajatus, että n kertainen määrä ainetta vaatii n kertaisen määrän lämpöä lämmetäkseen yhtä paljon. (Kurki Suonio K. 2006) Sekoitetaan samat määrät erilämpöisiä vesiä, joiden alku ja loppulämpötilat merkitään muistiin. Esim. 1 litra 20 asteista ja 1 litra 60 asteista vettä sekoitetaan ja saadaan vettä, jonka lämpötila on 40 asteista. Vaihdellaan alkulämpötiloja ja havaitaan, että vesien lämpötilat muuttuvat aina yhtä paljon. Lämpötilan muutos ilmaisee siirtyvän lämpöenergian määrän, Q ~ t. Toistetaan koe niin, että vesiä on eri määrät, esim. 2 litraa 20 asteista ja 1 litra 60 asteista vettä. Havaitaan, että lämpötilojen muutokset ovat kääntäen verrannolliset vesimääriin. Lämpöenergian määrät, jotka tarvitaan muuttamaan samaa ainetta olevien kappaleiden lämpötiloja yhtä paljon, ovat suoraan verrannollisia kappaleiden massoihin, Q ~ m. 4.2.3.2. Ominaislämpökapasiteetti Ominaislämpökapasiteetin kvantifiointiin sopii seuraavanlainen koe. Upotetaan. kiehuvassa vedessä 100 asteiseksi lämmitetty kuparikappale veteen, jonka alkulämpötila tunnetaan ja jonka massa on sama kuin kuparikappaleen. Mitataan veden ja kuparikappaleen yhteinen loppulämpötila. Havaitaan, että kuparin lämpötila on 23

muuttunut enemmän kuin veden. Toistetaan koe eri alkulämpötiloilla. Todetaan, että lämpötilojen muutosten suhde on aina sama. 1. Mitä enemmän kappaleen lämpötila nousee tai laskee, sitä enemmän lämpöenergiaa se saa tai luovuttaa. 2. Sama määrä lämpöenergiaa lämmittää suurta kappaletta vähemmän kuin pientä. 3. Eri aineet lämpenevät eri tavoin. Seuraavassa esitellyllä koejärjestelyllä voidaan määrittää tietyn aineen ominaislämpökapasiteetti. Tutkimuksen koulussa on käytettävissä ainakin kupari, rauta ja alumiinikappaleita seuraavan kokeen tekemiseen. Massaltaan erilaisia samanaineisia kappaleita lämmitetään erilämpöisissä vesissä. Kappaleet upotetaan vuorotellen veteen, jonka massa, alkulämpötila ja lämmönvaraamiskyky tunnetaan. Mitataan metallikappaleen ja veden yhteinen loppulämpötila. Piirretään kuvaaja koordinaatistoon, jossa vaaka akselilla on mittaustulokset m t ja pystyakselilla veden saama lämpöenergian määrä Q. Kuvaaja on suora. Päätellään, että kappaleen vastaanottama tai luovuttama lämpöenergian määrä on suoraan verrannollinen kappaleen massaan ja lämpötilan muutokseen. Suoran kulmakerroin on aineelle ominainen verrannollisuuskerroin, ominaislämpökapasiteetti. Toisen ryhmän kanssa määritettiin eri aineiden ominaislämpökapasiteetit seuraavasti. Opettaja laittoi jo välitunnilla vesikattilan keittolevylle. Kun vesi kiehui, kattilaan laitettiin metallikappaleita, jotka olivat kuparia, alumiinia ja rautaa. Kappaleet oli punnittu etukäteen. Jonkin ajan kuluttua, kun vesi oli kiehunut, kappaleet nostettiin kalorimetriin, jossa oli tunnettu määrä huoneenlämpöistä vettä. Tämän veden oppilaat olivat ottaneet yhteisestä altaasta, johon opettaja oli sen jo aikaisemmin laittanut. Mittaukset tehtiin pareittain, pari määritti yhden aineen ominaislämpökapasiteetin arvon. Kappaleiden ja veden massat sekä lämpötilojen arvot ja muutokset kirjattiin taulukkoon. Saatujen arvojen ja veden tunnetun ominaislämpökapasiteetin avulla työparit laskivat tutkittavan aineen ominaislämpökapasiteetin. Tulokset esiteltiin koko luokalle. Havaittiin, että eri aineilla on erilainen kyky varastoida ja luovuttaa lämpöä. 24

4.2.4. Olomuodon muutokset 4.2.4.1. Eri olomuodot ja muutospisteet Aineet ovat huoneenlämmössä yhdessä olomuodossa, joten niille ei mielletä useita olomuotoja. Voimme havaita veden esiintyvän kaikissa kolmessa olomuodossa: talvella kiinteänä jäänä, järvissä nestemäisenä vetenä ja ilmassa kaasumaisena vesihöyrynä. Huoneenlämmössä olevat aineet ovat eri olomuodoissa, esim. ilman happi, hengityksen hiilidioksidi, bensiini, elohopea, rikki, rauta, jne. Opetuskeskustelun avulla palautettiin mieliin aineen eri olomuodot ja pohdittiin huoneenlämpöisten aineiden olomuotoja. Oppilaiden vastauksissa vesi ja neste esiintyivät usein toistensa synonyymeinä. Myöhemminkin opetuksessa täytyi korostaa, että on olemassa muitakin nesteitä kuin vesi. Vesi on kuitenkin vaivattomin ja turvallisin oppituntien tutkimuksissa käytettävä aine. Olomuodon muutoksia voidaan havainnoida seuraavalla kokeella. Tutkitaan lämmittämisen vaikutusta jäähän. Kun jäätä lämmitetään riittävästi normaalipaineessa, se sulaa vedeksi ja vettä edelleen lämmitettäessä vesi höyrystyy vesihöyryksi. Jäähdytettäessä vesihöyryä esim. tislauslaitteistossa se tiivistyy vedeksi. Jos veden laittaa jäähtymään pakastimeen, se lopulta jäätyy. Avoimeen astiaan jätetty vesi haihtuu kaikissa lämpötiloissa. Taulukoista löytyvät eri aineiden sulamis ja kiehumispisteet, jotka ovat siis aineille ominaisia olomuodonmuutoslämpötiloja. Olosuhteet vaikuttavat sulamis ja kiehumispisteisiin. Aineen lämpötila ei muutu olomuodonmuutoksen aikana. Perushahmotuksessa tutkittiin jään sulamista ja veden kiehumista. Tässä kohdassa piti uudelleen korostaa, että aine täytyy ensin lämmittää sulamis tai kiehumispisteeseensä ennen kuin sulaminen tai kiehuminen alkaa. 25

Kun jodia lämmitetään koeputkessa, se muuttuu suoraan kiinteästä kaasuksi eli sublimoituu. Oppilaille annettiin koeputken pohjalle pieni jodikide. Koeputken suulle laitettiin pumpulituppo. Oppilaat lämmittivät koeputkea varovasti kaasupolttimen liekissä ja havaitsivat jodista haihtuvan värillisen kaasun, joka värjäsi koeputken seinämän ja pumpulin. Nestekaasupolttimen säiliötä heiluteltaessa kuuluu loisketta, säiliössä on nestettä. Kun polttimen hana avataan, pihisee suuttimesta kaasua. Kun kaasu puristetaan säiliöön, se nesteytyy, koska paine kasvaa. Kaasuhanaa avattaessa ulos virtaavan aineen paine pienenee, jolloin polttimen aine muuttuu kaasuksi. Jääpalan päälle kiristetään ohut metallilanka painojen avulla. Lanka painuu jään läpi, mutta jääpala on lopulta kuitenkin ehjä. Jään lämpötila on alle 0 o C, mutta suuremman paineen vuoksi jää sulaa langan alta alhaisemmassa lämpötilassa. Langan yläpuolella on alhaisempi paine, joten jääpala jäätyy yhtenäiseksi. Edellä kuvattu koe kannattaa tehdä riittävän suurella jääpalalla, pieni jääkuutio ei riitä. Kokeen tekemiseen on myös syytä varata riittävästi aikaa, että rautalanka ehtii painua jääpalan läpi kokonaan. Lopuksi oppilaat voivat ottaa jääkimpaleen käsiinsä ja havaita, että se ei edes taivutettaessa murru kahdeksi erilliseksi palaksi. Jos jäämurska vesi seokseen lisätään suolaa, seoksen lämpötila laskee alle 0 o C:n, mutta seos ei jäädy. Jos astian ja alustan välissä on vettä, astia jäätyy kiinni alustaansa. Epäpuhtaudet vaikuttavat aineiden olomuodonmuutospisteisiin. Yli puolet ennakkokysymyksiin vastaajista kertoi glykolin estävän auton jäähdytinveden jäätymisen, mutta vain yksi vastasi, ettei vesi jäädy 0 o C:ssa. Veden sulamispisteen muutosta ei osannut kukaan perustella. 4.2.4.2. Energia olomuodon muuttuessa Sulaminen, höyrystyminen ja sublimoituminen vaativat energiaa. Jähmettyminen, tiivistyminen ja härmistyminen vapauttavat energiaa. Toiset aineet sulavat ja höyrystyvät vähemmällä lämmittämisellä kuin toiset. 26