6 OPPIKIRJOJEN KATSAUS...30

SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO...2 1.1 Työn taustaa...2 1.2 Tutkimuksen tavoitteet ja tutkimusongelmat...3 2 ALA-ASTEIKÄISEN KOGNITIIVISEN AJATTELUN KEHITYS...5 2.1 Kehitys konkreettiseen ajatteluun...6 2.2 Kehitys formaaliin ajatteluun...9 2.3 Konkreettinen vs. formaali ajattelu tieteellisessä toiminnassa...10 3 SUUREIDEN KÄYTTÖÖNOTON TEORIA...12 3.1 Kvalitatiivinen taso...12 3.2 Siirtyminen kvantitatiiviselle tasolle...14 3.3 Mittarikvantifiointi...17 4 YHTEENSOVITUS...19 4.1 Suureiden käyttöönotto vs. 11 12 -vuotiaan ajattelun taso...19 4.2 Suureiden käyttöönoton käytäntö...21 4.3 Opetettavan suureen vaatimukset...22 5 OPETUSSUUNNITELMAN PERUSTEIDEN KATSAUS...24 5.1 Opetuksen tavoitteita 1. 4. luokalla...24 5.2 Fysiikan ja kemian opetus 5. 6. luokalla...27 5.3 Lista mahdollisista suureista...29 6 OPPIKIRJOJEN KATSAUS...30 7 OPETUSKOKEILU... 34 7.1 Leirin taustaa...34 7.2 Opetustilanne...34 7.3 Testi...36 7.4 Tulokset...37 7.5 Pohdinta...41 8 KÄYTTÖÖNOTETTAVUUS SUUREITTAIN...43 8.1 Yleiset suureet...43 8.2 Luonnon rakenteet...44 8.3 Energia ja sähkö...46 8.4 Aineet ympärillämme...49 9 POHDINTA...51 KIRJALLISUUSLUETTELO...53 LIITE: Jännitetesti

1 JOHDANTO 1.1 Työn taustaa Vuoden 2004 opintosuunnitelman (Opetushallitus) mukaisesti fysiikkaa ja kemiaa alettiin opettamaan ala-asteella ensimmäistä kertaa omilla nimillään. Sisällön näkökulmasta muutos oli lähinnä kosmeettinen sillä, ympäristö- ja luonnontiedossa, biologiassa, maantieteessä ja matematiikassa on ollut fysiikan ja kemian oppiainesta ennenkin. Fysiikassa ja kemiassa on kuitenkin omanlaisensa lähestymistavat, metodit ja painotukset, joiden seurauksena opetusta itseäänkin on tarpeellista uudistaa. Opetussuunnitelman uudistus tarjoaa haasteita monella rintamalla. Fysiikan opetus vaatii opettajalta kykyä tieteelliseen ajatteluun. Vaikka fysiikan aihealueet eivät sinänsä ole välttämättä vaikeita, niiden opettaminen oikein vaatii huomattavasti laajempaa tietämystä ja ymmärrystä kuin mitä ala-asteen oppikirjat voivat yksistään tarjota. Myös oppikirjojen tekijät joutuvat vastaamaan haasteeseen. Opetussuunnitelma ei sinänsä määrittele mitä kaikkea tulisi opettaa ja millä tavalla. Se lähinnä kertoo pääpiirteittäin aihealueet, ja mitä yleisiä taitoja oppilaan tulisi omaksua. Kirjantekijät joutuvat täten tulkitsemaan opetussuunnitelmaa ja ottamaan kantaa monenlaisiin opetuksellisiin näkökulmiin. Kaikkein oleellisinta on luonnollisesti se, miten oppilaat itse kykenevät vastaamaan uusiin haasteisiin. Opintosuunnitelman muutosta laadittessa ei nojauduttu oppilaiden oppimiskykyjen ja oppimateriaalin yhteensovittamisessa mihinkään erityisiin tutkimuksiin. Muutoksen laatinutta asiantuntijajoukkoa ohjasi lähinnä intuitio ja opetuskokemus (Lavonen 2007). Jäljelle jää siis olennainen kysymys: Miten oppilaiden oppimiskyvyt tulisi huomioida ala-asteen fysiikan opetuksessa? Tämän työn tarkoituksena on tarkastella kysymystä lähinnä suureiden käyttöönoton kannalta. Suureilla on tärkeä rooli fysiikan opetuksessa: ne ovat 2

fysiikan käsitteenmuodostuksen perusta. Suureiden avulla voidaan esittää luonnonilmiöitä kvantitatiivisesti, joten ne tarjoavat sillan empirian ja eksaktisuuden välille. Suureet ovat avainasemassa fysiikan opetuksessa, ja tapa jolla ne otetaan käyttöön on ratkaiseva. (Kurki-Suonio & Kurki-Suonio 1994) Suureiden opetuksesta ala-asteikäisille on olemassa verrattain vähän kirjallisuutta. Suureiden käyttöönotto ja oppiminen ei sinänsä ole mitenkään uusi asia viidennellä luokalla. Viidennelle luokalle käyvä oppilas on kohdannut jo useita eri suureita kouluopetuksessa ja koulun ulkopuolella. Matematiikan opetussuunnitelman mukaan jo toisen opintovuotensa päättävän oppilaan tulisi osata tunnistaa ja mitata keskeisimpiä suureita. 1.2 Tutkimuksen tavoitteet ja tutkimusongelmat Tämän työn tavoitteena on vastata uuden opetussuunnitelman asettamiin haasteisiin ala-asteen fysiikan suureiden opetuksen kannalta. Tavoitteena on selvittää mitä suureita ala-asteella voisi opettaa, ja millä tavalla suureita pitäisi opettaa. Työn näkökulmana on ala-asteikäisten kognitiivinen kehitystaso, sekä suureiden opetuksen teoria. Tämän työn tarkoitus ei ole ottaa kantaa suureiden opetukseen liittyviin käytännön rajoitteisiin. Työn oletuksena on, että suureiden opetus ei ole millään tavalla riippuvainen luokanopettajan opetuskyvyistä, ajallisista rajoituksista tai opetusvälineiden saatavuudesta. 3

Työtä ohjaamaan on muotoiltu seuraavat tutkimusongelmat ja niiden ala-ongelmat: 1. Mitä suureita kuuluu opetuksen aihealueisiin? 1.1 Mitä eri opetuksen aihealueita ja suureita opetussuunnitelman perusteissa mainitaan? 1.2 Mitä suureita oppikirjoissa mainitaan? 2. Miten suureet tulisi ottaa käyttöön? 2.1 Miten voidaan sovittaa yhteen suureiden kättöönoton teoria ja ala-asteikäisen ajattelun taso? 2.2 Miten oppikirjoissa suureet otetaan käyttöön? 3. Mitä kohdassa 1. saatuja suureita voidaan ottaa käyttöön kohdan 2. perusteella ja millä tavalla? 4

2 ALA-ASTEIKÄISEN KOGNITIIVISEN AJATTELUN KEHITYS Opetettaessa fysiikkaa on hyvä olla selvillä oppijoiden kognitiivisista kyvyistä. Lasten tapauksessa se on erityisen tärkeää, sillä heidän kohdallaan tapahtuu jatkuvaa kehitystä, ja pienikin ikäero voi vaikuttaa suurestikin tietynlaisen asian oppimisen mahdollisuuteen. Hyvä esimerkki toiminnallisesta strukturoinnista, ilman varsinaista tieteellistä metodia, on atomismi, jonka antiikin kreikkalaiset keksivät huomattavasti aikaisemmin kuin se oli kokeellisesti todistettavissa. Sama kehitysprosessi on havaittavissa lapsen kehityksessä 4 5 ikävuodesta 11 12 ikävuoteen tarkasteltaessa veteen liuennutta sokeria: alle 7 vuoden ikäinen lapsi olettaa sokerin häviävän, kun taas vanhempi lapsi osaa ottaa huomioon askel askeleelta enemmän asioita sokerin säilymisestä, kunnes 11 12 ikäisenä lapsen käsitys säilyvistä atomeista mahdollistaa järkevän selityksen liuenneelle sokerille. (Inhelder 1976) Vastaavanlainen ajattelun kehittyminen selitetään idealla kehitystasoista. Tasoteoria on keskeisessä asemassa piagetialisessa (Jean Piaget 1896 1980) ajattelussa, ja ehkäpä kyseistä ajattelua kuvaavin ominaisuus. Piagetin teorian mukaan lapsi kehittyy tiettyjen tasojen kautta. Ajattelun laatu, metodi käsitellä aisteilla kerättyä tietoa, on eri tasoilla erilainen. Ainoastaan niin monimutkaista tietoa voi käsitellä, minkä kognitiiviset rakenteet mahdollistavat. (Shayer & Adey 1981) Piagetilaisen mallin pohjalta voidaan nostaa kaksi eri tarkasteltavaa kohdetta: 1. oppilaan kognitiivisen kehityksen taso ja 2. opetettavan materiaalin kognitiivien haastavuus. Vertailtaessa näitä kahta kohdetta olisi teoriassa mahdollista määrittää yläraja sille, mitä opintosuunnitelmassa esiintyvistä asioista lapsella on mahdollisuus oppia, tai millä tasolla lapsi voi tietyn asian oppia. (Shayer & Adey 1981) Tiettyjen kognitiivisten kehitystasojen ymmärtämisen lisäksi on hyvä tietää myös aikaisemmista kehitystasoista, sillä kehittyminen tasolta seuraavalle ei välttämättä 5

ole täysin porrastettavissa, ja aikaisemmista kehitystasoista voi jäädä jäänteitä ajatteluun. Esimerkiksi itsen ja maailman käsitteet kehittyvät varsin erilleen, mutta ne eivät ole aikuisellakaan täysin erillään. Täydellistä objektiivisuutta voi tuskin koskaan saavuttaa. (Piaget 1930) Kouluikäisen ajattelun voi jakaa kahteen päätyyppiin: konkreettiseen ajatteluun ja formaaliin ajatteluun. Nuoremmat oppilaat ovat vahvasti konkreettisen ajattelun asteella, kun taas vanhemmat oppilaat osaavat kykyjensä puitteissa hyödyntää formaalia ajattelua abstraktien asioiden käsittelyssä. (Shayer & Adey 1981) Ala-asteikäisen oppimiskykyyn vaikuttaa myös muitakin asioita. On itsestään selvää, että ala-asteikäiselle monet asiat ovat vieraampia kuin vanhemmalle oppilaalle jo pelkästään kokemuksen puutteen johdosta. Myös esimerkiksi työmuistin kehitys on vielä 10 12 vuotiailla kesken (Gathercole & al. 2004). Piaget pohti jo 1930-luvulla silloisen modernin yhteiskunnan (positiivista) vaikutusta lapsen tieteelliseen oppimiskykyyn. Tarkasteltaessa vuosikymmeniä vanhoja tutkimuksia, on siis hyvä miettiä miten yhteiskunta on muuttunut niistä ajoista meidän aikaamme. 2.1 Kehitys konkreettiseen ajatteluun Piaget (1930) on nostanut esille kolme näkökulmaa tarkasteltaessa lapsen kehitystä konkreettiseen ajatteluun: 1. todellisuudentaju, 2. syy- ja seuraussuhteiden ymmärtäminen ja 3. lainmukaisuuden ymmärtäminen. Hänen mukaansa nämä samanaikaiset kehitysprosessit alkavat keskivertolapsella kolmen vuoden iässä ja saavuttavat lopullisen tasonsa 11 12 vuoden iässä. 2.1.1 Todellisuudentaju Piaget jaottelee todellisuudentajun kehittymisen objektiivisuuden, vastavuoroisuuden ja suhteellisuuden tajun kehittymiseen. Lapsen 6

objektiivisuudentaju kasvaa sitä mukaa, kun hän oppii erottamaan oman itsensä muusta maailmasta, ja ymmärtää näiden kahden käsitteen välisen suhteen. Kun lapsen ymmärrys vastavuoroisuudesta lisääntyy, hän kykenee ottamaan huomioon muiden subjektiiviset näkökulmat, ja lopulta ymmärtää todellisuuden rakentuneeksi kaikista näkökulmista. Esimerkiksi 6 8 vuotias lapsi kokee Auringon seuraavan häntä itseään, kun taas 9 10 vuotias lapsi ymmärtää tilanteen vastavuoroisuuden, ja päättelee, että Aurinko vain näyttää seuraavan jokaista. (Piaget 1930) Suhteellisuudentajunsa kehittyessä, lapsi alkaa ymmärtämään, että asiat eivät ole välttämättä absoluuttisia, vaan niillä voi olla myös tilanteesta riippuvia, suhteellisia ominaisuuksia. Piaget väittää, että alle 10 vuotias ei ymmärrä, että hän on veli suhteessa omiin veljiinsä. 2.1.2 Syy- ja seuraussuhteiden ymmärtäminen Syy- ja seuraussuhteiden ymmärtämisellä tarkoitetaan empiiristen riippuvuuksien tunnistamista ja oppimista. Tähän voidaan katsoa kuuluvan riippuvuuksien välittäjien (causal agents), uskottavien mekanismien ja tarvittavien taustatietojen tai ilmiön yhteydessä havaittavien asioiden oppimista. (Koslowski & Masnick 2002) Lapsella alkaa muodostua käsityksiä riippuvuuksista jo hyvin varhain. Alle 5 6 vuotiaalla selitykset pohjautuvat taianomaisuuteen ja finalismiin. Luonnonlaeille ja moraalisille laeille ei tehdä minkäänlaista eroa: Jumala lähettää meille unia, Aurinko liikuttaa pilviä. Syy- ja seuraussuhteita ei hahmoteta: Joki virtaa laskeakseen järveen. (Piaget 1930) 5 6 -vuotias lapsi tunnistaa jo riippuvuussuhteita, mutta edelleen sekoittaa mekaaniset riippuvuudet psykologisiin ja biologisiin. Artifisialistiselta näkökannalta kaikki saa selityksen ihmisen tarpeiden mukaan kaikki luonnossa on tehty ihmistä varten. Animistisesti ajateltuna kaikilla olioilla on oma tajunta: 7

Aurinko edelleen on vastuussa pilvien liikkeestä, mutta nyt pilvet itse päättävät totella Aurinkoa. (Piaget 1930) 7 8 vuoden ikäisenä lapsi onnistuu ensimmäistä kertaa antamaan aidosti fysikaalisia selityksiä riippuvuuksille. Tämä on varsin tärkeä kohta kehityksessä. Tällöin lapsi alkaa ymmärtämään mekanismeja, vaikutusten ulottumista ja siirtymistä kohteista toisiin. Tässä vaiheessa lapsi esimerkiksi kykenee antamaan jopa ulkomuistista varsin hyviä selityksiä polkupyörän toiminnalle. (Piaget 1930) Konkreettisen ajattelun kehitys kokee vielä muutaman kehitysaskeleen ennen kuin se saavuttaa lopullisen tasonsa. 9 10 vuoden iässä löydetään tarve ominaisuuksien selvittämiselle, ja 10 11 ikäisenä aletaan hyödyntämään loogista päättelyä. 11 12 vuoden ikäisenä kehityksen katsotaan saavuttavan päätepisteensä. (Piaget 1930) 2.1.3 Lainmukaisuuden ymmärtäminen Lainmukaisuuden, säännönmukaisuuden, ymmärtämisen kehittyminen seuraa hyvin paljon samoja ääriviivoja kuin aikaisemmin käsitellyt asiat. 7 8 ikävuoteen asti lapsi ei hyväksy luonnonlakeja, vaan kaikki on täysin moraalista, ja ainoat lait ovat lähinnä sosiaalisia. Tässä vaiheessa lapsi ei kykene sisäistämään satunnaisuuden käsitettä. (Piaget 1930) 7 8 ikävuoden ja 11 12 ikävuoden välissä on jakso, jossa kehittyy samanaikaisesti kolme olennaista lainmukaisuuteen liittyvää asiaa. Ensinnäkin, moraaliset lait erotetaan luonnonlaeista. Toisekseenkin, lakien ymmärretään olevan yleistettävissä. Kaikkein huomattavin kehitys näistä kuitenkin on satunnaisuuden ymmärtäminen ja hyväksyminen. 7 8 ikävuodesta eteenpäin lapsi alkaa hyväksymään, että tapahtumat saattavat tapahtua ilman varsinaista tarkoitusta ja täysin sattumanvaraisesti. (Piaget 1930) Vaikka ilmiöiden yksityiskohtia osataan käsitellä jo tieteellisesti, lakien pohjalla nähdään kuitenkin helposti moraalisia tekijöitä (Piaget 1930). Työn tekijällä on omakohtaista kokemusta vanhemmistakin lapsista, ja jopa aikuisistakin, jotka 8

mielellään palaavat finalistisiin selityksiin tarpeen vaatiessa. Kuten Piaget on todennut: Finalism dies hard. Keskiverroilla 10 11 -vuotiailla moraalinen tarve alkaa kuitenkin muuttua loogiseksi tarpeeksi, ja 11 12 ikävuoteen mennessä voidaan katsoa tämänkin kehitysprosessin saavuttavan päätepisteensä. (Piaget 1930) 2.2 Kehitys formaaliin ajatteluun Konkreettisen ajattelun tasolla oleva ihminen ajattelee muuttujien olevan kytköksissä toisiinsa yksiselitteisesti: jos B tapahtuu, kun A tapahtuu, niin A tapahtuu, kun B tapahtuu. Tämänlaisen riippuvuuden avulla voidaan selittää kahden muuttujan tilanteita, mutta kolmannen muuttujan ilmaantuessa ne eivät enää toimi. Formaalin ajattelun tasolla oleva ihminen sen sijaan ymmärtää, että kahden tutkimuskohteen (esim. muuttujan) liittyminen toisiinsa ei vielä välttämättä määritä niiden käyttäytymistä tai ominaisuuksia. Formaaliajattelija ymmärtää, että riippuvuuksien selvittäminen vaatii tutkimista. (Shayer & Adey 1981) Näin voidaan määritellä, että konkreettisen ja formaalin ajattelun ero on laadullisessa ajattelun monimutkaisuuden muutoksessa. Konkreettisesta ajattelusta formaaliin siirtyminen tarkoittaa siirtymistä kahden muuttujan todellisuudesta monen muuttujan todellisuuteen. (Tässä mielessä konkreettista ajattelua edeltävän ajan voidaan katsoa olevan sidoksissa yhden muuttujan todellisuuteen.) (Shayer & Adey 1981) Piaget ja Inhelder väittävät tutkimuksiensa pohjalta, että formaali ajattelu alkaa kehittyä 11 12 vuotiaana ja saavuttaa päätepisteensä 14 15 vuotiaana. Useat tutkimukset kuitenkin osoittavat, että formaali ajattelu alkaisi vasta myöhemmin. Riippuen tutkimuksesta ajattelun on katsottu alkavan aina 13 ikävuodesta 17 ikävuoteen. Tutkimukset olivat tosin tehty eri kouluaineiden kohdalla, joka voisi selittää tulosten suuren hajonnan. Toinen huomionarvoinen seikka on, että ainoastaan osa ihmisistä saavuttaa koskaan formaalin ajattelun tason, vastoin 9

Piagetin ajattelua, jonka mukaan lähes kaikki ihmiset saavuttavat sen ennemmin tai myöhemmin. (Andersson 1976) Shayer ja Adey (1981) ovat tehneet kattavan kartoituksen konkreettisen ja formaalin ajattelun kehityksestä. Toisin kuin Piaget, joka määritti tiettyjen kehitystasojen keskimääräisen ajankohdan, Shayer ja Adey määrittivät tietyn ajattelutason prosentuaalisen osuuden tietyssä ikäluokassa. He käyttävät nimityksiä varhainen ja myöhäinen formaali ajattelu. Nämä ovat sinänsä harhaanjohtavia, koska heidän omat tutkimuksensa vahvistavat, että vain osa ihmisistä ikinä saavuttaa formaalin ajattelun tason. Tämän työn yhteydessä eri formaalin ajattelun tasoja ei eroteta toisistaan. Shayerin ja Adeyn tutkimusten mukaan 10 11 vuotiaista (viidesluokkalaiset) noin 5% on formaalin ajattelun tasolla. 11 12 vuotiaista (kuudesluokkalaiset) noin 9% on formaalin ajattelun tasolla. Formaaliajattelijoiden osuus kasvaa nopeimmin yläasteikäisillä, joista seitsemäsluokkalaisista on keskimäärin noin 12%, kahdeksasluokkalaista noin 20% ja yhdeksäsluokkalaisista noin 28% formaalin ajattelun tasolla. Huomattavaa on myös, että formaaliajattelijoiden osuus ei näytä juuri lisääntyvän 16 ikävuoden jälkeen. Shayerin ja Adeyn tutkimusten mukaan vain hieman yli 30% ihmisistä saavuttaa koskaan formaalin ajattelun tason. 2.3 Konkreettinen vs. formaali ajattelu tieteellisessä toiminnassa Ronald Good (1977) on kerännyt eri vertailunäkökulmia konkreettisen ja formaalin ajattelun eroavaisuuksista. Näistä tämän työn osalta kiinnostavimmat on kerätty taulukkoon 2.1. 10

Konkreettinen ajattelu Formaali ajattelu 1. Luokittelu ja järjestely tehdään askel askeleelta, 1. Järkeily aloitetaan järkevän hypoteesin ilman että kaikkia yhtymäkohtia liitetään luomisella. Rakennettu hypoteesi varmistetaan kokonaisuuteen. kokeellisesti. 2. Tutkimuksessa vaikeasti havaittavia muuttujia 2. Kokeellisessa tilanteessa vastaantulevat muutujat ei kyetä erottelemaan. voidaan tunnistaa ja erotella toisistaan. 3. Kokeellinen varianssi nähdään monen syyn 3. Muuttujia voidaan käsitellä systemaattisesti. seuraukseksi ja varianssiin vaikuttavia muuttujia ei voida erotella ja eristää. 4. Sattuman ja todennäköisyyden nähdään olevan 4. Satunnaisuus ymmärretään ja se osataan ottaa aikaisempien tuloksien vaikutuksen alaisia. huomioon. 5. Verrannollisuuksia osataan käyttää ainoastaan 5. Verrannollisuuksia osataan hyödyntää laajemmin yksinkertaisimmissa tapauksissa. ongelmanratkaisussa. 6. Tulosten epäjohdonmukaisuutta ei tunnisteta. 6. Epäjohdonmukaisuus osataan tunnistaa ja ratkaista. 7. Säilyminen ymmärretään ainoastaan 7. Säilyminen ei rajoitu enää pelkästään ominaisuuksissa, joita voidaan helposti testata. välittömään ja testattavissa olevaan ympäristöön. Taulukko 2.1: Konkreettisen ja formaalin ajattelun eroja. Taulukossa 2.1 esiintyvien asioiden lisäksi Shayer ja Adey (1981) nostavat esille myös abstraktien mallien hyödyntämisen. Konkreettiajattelija ymmärtää täysin lämpötila-asteikon, mutta kalorisen mallin ymmärtäminen vaatii jo formaalia ajattelua. Tämä voidaan selittää sillä, että ymmärrys lämpömäärän käsitteestä ja lämmön siirtymisestä vaatii abstraktin mallin, joka on ominainen vain formaalille ajattelulle. Good on edelleen kerännyt ja eritellyt keskimääräisen 5. luokkalaisen taitoja tieteellisessä toiminnassa. Näistä tämän työn kannalta olennaisimmat ovat löytyvät taulukossa 2.2. Vaatimus/Ominaisuus On Osittain Ei ole 1. Abstraktit mallit x 2. Toimiva luokittelujärjestelmä x 3. Hierarkiset luokat x 4. Tarkka pituuden mitaaminen x 5. Kausaalinen ajattelu x 6. Epäjohdonmukaisten tulosten tunnistaminen x 7. Näkymättömien asioiden kuvittelu (atomit) x 8. Aikaisemmin tuntemattomien tilanteiden kuvittelu x 9. Erotetut muuttujat x 10. Todennäköisyys x 11. Suhdeluvut x 12. Verrannollisuudet x Taulukko 2.2: 5. luokkalaisen kyvyt vastata tieteellisen toiminnan asettamiin tavoitteisiiin. 11

3 SUUREIDEN KÄYTTÖÖNOTON TEORIA Fysiikan ollessa empiirinen ja eksakti luonnontiede, on helppo argumentoida, että suureet ovat erittäin tärkeässä asemassa fysiikan käsitteenmuodostuksessa. Luonnonilmiöiden kvantitatiivinen esittäminen perustuu suureisiin. Voisi jopa sanoa, että suureiden merkityksien ymmärtäminen on fysiikan ymmärtämisen avainkysymys. Tämän perusteella suureet ovat tärkeässä asemassa myös fysiikan opetuksessa. Suureiden oppiminen prosessina, kuten muutkaan oppimisprosessit, ei ole mikään itsestäänselvyys. Se on oikein toteutettuna hienovarainen tapahtuma, joka rakentuu johdonmukaisesti ja pohjautuu jo aikaisemmin opittuun tietoon. Tämän johdosta tapa, jolla suureet otetaan käyttöön tai määritellään, on ratkaisevassa asemassa. Tässä luvussa perehdytään suureiden käyttöönoton teoriaan, ja tämän luvun asiat pohjautuvat Kaarle ja Riitta Kurki-Suonion kirjaan Fysiikan merkitykset ja rakenteet (1994), sekä Kaarle Kurki-Suonion Kolme luentoa käsitteenmuodostuksesta -luentosarjaan (2006). Konstruktivistinen oppimiskäsitys on vahvasti esillä Suomessa sekä opetuksen toteutuksessa että opetussuunnitelmien sisällöissä. Se nojautuu suuressa määrin Piagetilaiseen kehitystasomalliin. (Lehtonen 2004) Varsinainen yhteensovitus suureiden opetuksen teorian ja lapsen kognitiivisten kehitystasojen välillä tehdään luvussa 4. On kuitenkin hyvä pitää mielessä, että jo tässä luvussa esitettävässä opetustavassa on runsaasti yhtymäkohtia Piagetilaiseen kehitystasomalliin. 3.1 Kvalitatiivinen taso Kaikki luonnontieteen käsitteenmuodostus on pohjimmiltaan empiiristä. Se alkaa perushahmotuksesta, jossa luonnosta hahmotetaan empiirisiä merkityksiä, hahmoja. Hahmoiksi kutsutaan käsitteitä, joilla on jatkuvaan empiriaan rakentuva teoreettinen merkitys. 12

Perushahmoihin kuuluvat erityisesti oliot, ilmiöt ja ominaisuudet. Olioilla on pysyviä tunnistusominaisuuksia, jotka tekevät mahdolliseksi niiden identifioinnin, kun taas ilmiöt tunnistetaan ominaisuuksien muuttumisen luonteen perusteella. Käsitteistäminen tapahtuu vasta hahmottamisen jälkeen. Tällöin nimetään jo tunnistettuja tai oivallettuja hahmoja. Käsite on ymmärretyn hahmon abstrakti vastine. Käsite otetaan käyttöön, jotta voitaisiin puhua tunnistetuista hahmoista; käsitteen käyttöönoton tarve lähtee luonnosta itsestään. Nurinkurisessa menettelyssä käsitteen kirjaimellinen määrittely olisi ensisijainen, ja sen kytkeytyminen empiiriseen merkitykseensä vasta toissijaista. Etenemistä havainnointiin perustuvan hahmotuksen kautta käsitteisiin kutsutaan hahmottavaksi lähestymistavaksi. Se korostaa empirian merkitystä käsitteenmuodostuksen perustana: aito ymmärtäminen on mahdollista vain, jos opetuksen lähtökohtana on luonto ja havaitseminen. Havainnot ymmärretään, kun ne hahmotetaan luonnon olioita ja ilmiöitä kuvastaviksi hahmoiksi. Tämä ymmärrys on koko fysiikan oppimisen perusta. Hahmotusprosessi rakentaa jatkuvasti fysiikan käsitteistöä, joka kerrostuu hierarkkisesti ja jonka avulla voidaan mallintaa luontoa yhä yleisemmillä tasoilla. Oppiminen itsessään on hierarkkisesti rakentuva prosessi, sillä kaikki uuden oppiminen rakentuu aikaisemmin opitulle ja kaikki opittu avaa uusia edellytyksiä prosessin etenemiselle. Uudet hahmot perustuvat aikaisemmin tunnistettuihin. Hahmottavan ja kokeellisen lähestymistavan vastakohta on teoreettinen lähestymistapa. Siinä edetään teoriasta empiriaan, kun hahmottavassa lähestymistavassa edetään empiriasta teoriaan. Lähestymistapojen erot voivat näyttää merkityksettömiltä, mutta juuri opetettavien asioiden järjestys on olennainen: hahmottavassa lähestymistavassa käsite otetaan käyttöön, koska sen käyttöönotto nähdään tarpeellisena, ja tarve on lähtöisin luonnosta itsestään. Tämän perusteella, tarkasteltaessa lähestymistapaa fysiikan hierarkkisesti etenevän käsitteenmuodostuksen valossa, se saa syvällisemmän ja kokonaisvaltaisemman merkityksen. 13

3.2 Siirtyminen kvantitatiiviselle tasolle Fysiikkaan kuuluu siirtyminen kvalitatiiviselta tasolta kvantitatiiviselle tasolle, eli laadulliselta määrälliselle. Tätä mahdollistavaa kynnysoperaatiota kutsutaan kvantifioinniksi. Fysiikan opetuksen näkökannalta kvantifiointi nostaa nimenomaan käsitteenmuodostuksen kvalitatiiviselta tasolta kvantitatiiviselle tasolle. Kuva 3.1 havainnollistaa fysiikan käsitteiden rakentumista. Kuva 3.1: Fysiikan käsitteiden hierakkiset tasot. (Kurki-Suoniot 1994) Kvantifioinnissa laadullisesta tunnistamisesta tulee määrällistä mittaamista ja ominaisuuksista rakentuu suureita. Suureet ovat ominaisuuksien kvantitatiivisia, abstrakteja vastineita. Kvantifiointi onkin fysiikan käsitteenmuodostuksen ensimmäinen suuri perusabstraktio. 14

Fysiikan kvantitatiivisten käsitteiden merkitykset ovat empiirisiä ja ovat peräisin kvalitatiiviselta tasolta. Ne seuraavat hahmotuksen kautta syntyneestä kvalitatiivisesta ymmärryksestä. Suureen empiirinen merkitys on suuretta edeltävä hahmo, joka on syntynyt kvalitatiivisen tason perushahmotuksesta ja käsitteistynyt joidenkin olioiden tai ilmiöiden ominaisuudeksi. Kvantifioinnissa ominaisuuksien hahmotetut merkitykset välittyvät suureille. Suureen ymmärtäminen on sen empiirisen merkityksen ymmärtämistä. Kuten aikaisemmin todettiin, hahmottavassa lähestymistavassa käsitteitä otetaan käyttöön nähdyn tarpeen mukaan ominaisuus otetaan käyttöön, koska sitä tarvitaan kuvaamaan jotakin luonnon olion tai ilmiön ominaisuutta. Vastaavasti suure otetaan käyttöön pelkästään siitä syystä, että sitä tarvitaan esittämään havaittua ominaisuutta täsmällisesti. Jotta ominaisuus olisi kvantifioituva, sillä on oltava eri asteita, ja näiden asteiden tulee olla määrällisesti mitattavia. Kaikki ominaisuudet eivät kvantifioidu: esimerkiksi nerokkuutta, onnellisuutta tai isänmaallisuutta ei voi mitata mitenkään määrällisesti. Myöskään kauneus ja älykkyys eivät ole todellisia suureita, vaikka niiden "määrää" joskus arvioidaankin tuomaripisteillä tai testeillä. Hinta ei ole myöskään suure, sillä hinnalla ei ole empiiristä merkitystä. Kvantifioituviin ominaisuuksiin voidaan aina luoda komparatiivisia hahmoja. Tällöin ominaisuuksiin, niiden muuttumiseen, vaikutuksiin ja keskinäisiin riippuvuuksiin liitetään niiden astetta tai voimakkuutta luonnehtivia mielikuvia, jotka tekevät mahdolliseksi vertailun. Nämä mielikuvat mahdollistavat puhumisen voimistumisesta, heikkenemisestä, lähenemisestä, etääntymisestä, tasapainosta, epätasapainosta ja pyrkimyksestä kohti tasapainoa, sekä ominaisuuksien heikoista, voimakkaista ja tietyn suuntaisista korrelaatioista ilmiöiden kvalitatiivisina lakeina. Tällöin voidaan todeta ominaisuuden mitattavuus. Tämänlaista kvantifiointia edeltävää kvalitatiivista tarkastelua kutsutaan esikvantifioinniksi. Se on ensimmäinen askel ominaisuuksista suureisiin. 15

Jotta suure voitaisiin ottaa aidosti käyttöön, tulisi suorittaa kvantifioiva koe. Kvantifioivassa kokeessa tarkastellaan ominaisuuden asteiden muuttumista ominaisuuden voimakkuuteen vaikuttavien muuttujien suhteen. Ominaisuuden tulee esiintyä kokeessa eriasteisilla tavoilla, jotta asteiden kvantitatiivinen vertailu olisi mahdollista. Kvantifioivia kokeita on kahta perustyyppiä. Ensimmäisen tyyppisessä ominaisuuksien vertailu perustetaan kahden olion tai ilmiön ominaisuuden asteiden vertailemiseen siten, että toisella mitataan toista. Esimerkiksi pituus ja massa kvantifioidaan näin. Toisen tyyppisessä ominaisuuden astetta mitataan joidenkin muiden suureiden avulla. Esimerkiksi nopeus ja voima kvantifioidaan näin. Näitä perustyyppejä kutsutaan 1. ja 2. lajin kvantifioinneiksi tai primääri- ja sekundäärikvantifioinneiksi. Kvantifioivan kokeen tulos on uusi suure ja sen määrittävä määrittelylaki. Suure ja sitä määrittävä laki saavat merkityksensä ainoastaan toistensa kautta, ja täten niitä ei aidosti voi ottaa käyttöön erikseen. Primäärikvantifioinnista määrittelylaiksi saadaan verrannollisuus, jonka täydentäminen mittaamisen mahdollistavaksi yksiköksi vaatii yksikkösuureen määrittelyn. Tällöin voidaan valita jokin yksikköolio tai -ilmiö, jonka ominaisuuden voimakkuuden suuruus asetetaan yksiköksi. Näin vertailu kiinnittää ominaisuuden asteen lukuarvon valituissa yksiköissä ja muuntaa ominaisuuden suureeksi. Sekundäärikvantifioinnista saatu määrittelylaki on yhtälö, joka kertoo suoraan miten suure voidaan mitata. Tällöin yksikkösuure saadaan yleensä luontevasti jo tunnetuista, mittauksessa käytetyistä suureista. Kvantifioiva koe on itsessään kvantitatiivinen. Eli se edellyttää jonkin tai joidenkin primaarimpien suureiden tuntemista ja näin ollen aiempia kvantifiointeja. Kvantifioivien kokeiden voidaan täten katsoa kutovan suureiden verkon, jossa suureita yhdistävinä säikeinä ovat suureiden määrittelylait. 16

3.3 Mittarikvantifiointi Suureen mittaaminen ja suureen kvantifiointi ovat täysin eri asioita, vaikka molemmissa periaatteessa kytketään kvalitatiiviseen ominaisuuteen lukumäärä. Suuretta ei ole olemassa ennen kuin se on kvantifioitu, ja täten kvantifiointi on välttämätön, jotta suuretta voisi mitata. Kaikki suureen mittausmenetelmät palautuvat jotain kautta sen kvantifiointiin. Suureen voi ottaa käyttöön myös ns. mittarikvantifioinnilla aidon kvantifioinnin sijasta. Tällöin ominaisuuden voimakkuutta voidaan lähteä kuvaamaan määrällisesti ottamalla lähtökohdaksi jokin jo tunnettu suure, joka riippuu riittävän yksinkertaisella ja ilmeisellä tavalla tarkasteltavasta ominaisuudesta. Tämä on itse asiassa hyvin yleinen mittaamisen periaate. Suureita mitataan mittareilla, joissa esimerkiksi osoittimen kiertymä toimii suureen mittana. Osoittimen kääntymisellä on kausaaliyhteys ilmiöön, johon mitattava suure liittyy, mutta kulma suureena ei vastaa mitattavan ominaisuuden empiiristä merkitystä; mittarikvantifiointi asettaa mittarisuureen tarkasteltavan ominaisuuden mitaksi. Mittarikvantifiointi ei ole aito kvantifiointi, koska se ei perustu ominaisuuden asteita vertailevaan kvantifioivaan kokeeseen, jossa voitaisiin valita ominaisuuden yksikköaste. Mittarikvantifioinnissa yksikkönä toimii mittarisuureen yksikkö tai jokin sen sopivaksi koettu kerrannainen. Useimmiten mittauksissa käytetään numeronäyttöistä mittaria, jolloin mittarisuureena toimii lukumäärä. Esimerkiksi painoa voidaan mitata jousivaa'alla jousen venymän, eli pituuden, avulla: jouseen ripustetun kappaleen painolla on kausaaliyhteys jousen venymään. Kun jousen ominaisuudet tunnetaan, voidaan venymän senttimetrit muuntaa suoraan Newtoneiksi. Tällöin jousen venymän "mittarista" nähdään suoraan kappaleen paino Newtoneina, eli voiman yksiköinä ilmaistuna. Mittarikvantifiointi (tai mittaaminen yleensä) ei olisi tietenkään mahdollista, jos esim. mittarin laatija ei olisi perillä mittariin liityvien suureiden kvantifioinneista. Suureen käyttöönotto mittarikvantifioinnilla vaatii täten "uskonaskeleen" siitä, että mitattavan suureen kausaaliyhteys mittarisuureeseen on validi, ja että 17

mittarisuureen asteikko on säädetty oikein. Esimerkiksi lämpötilan tapauksessa on mahdotonta tietää korreloiko elohopeapatsaan korkeus täysin mitattavan veden lämpötilan kanssa, ellei ymmärrä mihin mittarin toimintaperiaate nojautuu. 18

4 YHTEENSOVITUS Suureen käyttöönoton teorian osaaminen ei ole oppilaan kannalta oleellista. Se on ohjenuora opettajalle, joka ohjaa oppilasta suureen oppimisprosessissa. Oppilaan kannalta on oleellista lähinnä se, kuinka hyvin hän kykenee vastaamaan suureiden oppimiseen liittyviin haasteisiin. Tämän luvun tarkoitus on luoda yhteensovitus ala-asteikäisen ajattelun tason ja suureiden käyttöönoton teorian välille. 4.1 Suureiden käyttöönotto vs. 11 12 -vuotiaan ajattelun taso Yhteensovitusta lähdetään tarkastelemaan vertaamalla 11 12 -vuotiaan ajattelun tasoa suureiden käyttöönoton asettamiin haasteisiin. Luvussa 2 selvitettiin minkälaisella ajattelun tasolla 11 12 -vuotias on keskimäärin, ja minkälaiseen ymmärtämiseen hänellä on mahdollisuudet. Kuten todettiin, keskiverto 11 12 - vuotias on tukevasti konkreettisen ajattelun tasolla. Suureiden käyttöönoton teoriasta esiin nousevat haasteet on tiivistetty muutamaan ratkaisevassa asemassa olevaan kysymykseen. Näihin kysymyksiin vastattaessa saadaan hahmoteltua, miten suureita voisi konkreettiajattelijoille opettaa. Kysymyksiin vastataan keskiverron 11 12 -vuotiaan kannalta. Vastauksissa oletetaan, että oppilaalla ei ole erityisiä esteitä liittyen esim. ohjeiden noudattamiseen, havainnointiin tai mittalaitteiden käyttöön. Kykeneekö 11 12 -vuotias perushahmotukseen? Kaikki oppiminen lähtee perushahmotuksesta. Täten jokainen, joka voi oppia, kykenee perushahmotukseen. Lapset voivat olla tässä suhteessa jopa kykeneväisempiä kuin aikuiset, sillä lapsilla on yleensä hyvä oppimiskyky. 11 12 -vuotias lapsi kykenee tunnistamaan perushahmoja, eli olioita, ilmiöitä ja ominaisuuksia. 11 12 -vuotias kykenee luomaan näistä mielekkäitä merkityksiä, sillä hänellä on jo kyky ymmärtää kausaaliyhteyksiä ja selittää havaitsemiaan asioita rationaalisesti. 11 12 -vuotias on myös hyvä omaksumaan uusia käsitteitä ja sanoja, kunhan nämä eivät ole turhan monimutkaisia. Rajoituksia perushahmotukselle asettaa se, että 19

havainnoitavien ominaisuuksien tulee olla helposti erotettavissa ja niiden omaksuminen ei vaadi abstraktia mallia. Kykeneekö 11 12 -vuotias esikvantifiointiin? 11 12 -vuotias kykenee ymmärtämään mitkä kaikki ominaisuudet ovat mitattavia ja mitkä eivät (lukuunottamatta poikkeuksellisen vaikeita suureita, kuten entropia). Tämä johtuu siitä, että hänen objektiivisuuden tajunsa on tarpeeksi kehittynyt: subjektiiviset mielipiteet kyetään erottamaan empiirisistä merkityksistä. Lisäksi tämän ikäisen kyky luokitella on jo niin kehittynyt, että hän voi puhua sujuvasti ominaisuuksien asteista. Rajoituksia asettaa se, että ominaisuuden asteiden esiintymisessä ei saisi olla juurikaan kokeellista varianssia. Tämä johtuu siitä, että konkreettiajattelija ei kykene ymmärtämään kokeen tuloksia useamman kuin yhden syyn seuraukseksi. Lisäksi ominaisuuden ilmeneminen ei saa olla statistista, sillä sattuman ja todennäköisyyden käsitteet eivät ole kaikilla 11 12 -vuotiailla tarpeeksi kehittyneet. Esikvantifiointi on siis mahdollista, kunhan ominaisuuden asteet ovat helposti erotettavissa ja ne esiintyvät aina samalla tavalla. Ymmärtääkö 11 12 -vuotias suureen kvantifioinnin? Lukuunottamatta aivan perustavaa laatua olevia suureita, konkreettiajattelijalla ei ole mahdollisuuksia ymmärtää suuretta kvantifioivaa prosessia. Suureen riippumisen ymmärtäminen sitä edeltävistä, primaarimmista suureista tapahtuu paljolti abstraktilla tasolla. Abstraktien mallien puuttuessa ja kausaaliyhteyksien ymmärtämisen rajoittuessa ainoastaan kahden muuttujan tilanteisiin kvantifiointi on 11 12 -vuotiaalle liian haastava prosessi. Ymmärtääkö 11 12 -vuotias suureen määrittelylain? Kvantifiointi ei tuota ainoastaan uutta suuretta vaan myös suureen määrittävän lain, joka kytkee sen muihin suureisiin. Konkreettiajattelija ei kykene ymmärtämään määrittelylakia. Tämä on myös syy siihen, miksi konkreettiajattelija ei voi ymmärtää kvantifiointia. Määrittelylaki on luonnossa esiintyviä riippuvuuksia mallintava abstraktio, ja täten sen merkitys on konkreettiajattelijan saavuttamattomissa. Ymmärtääkö 11 12 -vuotias mittarikvantifioinnin? 11 12 -vuotias kykenee ymmärtämään kahden muuttujan kausaalista yhteyttä. Tämän johdosta hän 20

ymmärtää tutkittavan ominaisuuden ja mittarisuureen yhteyden olettaen, että tutkittava ominaisuus on tunnistettu, ja että mittarisuure on jo ennestään tuttu. Lisäksi tutkittavan suureen ja mittarisuureen riippuminen toisistaan tulee olla selvästi havaittavissa. Voidaan sanoa, että 11 12 -vuotias kykenee ymmärtämään mittarikvantifioinnin. Tässäkään tapauksessa kuitenkaan kokeellista varianssia ei saisi juurikaan tulla, joten mittauksen on hyvä olla helposti kontrolloitavissa ja tulosten yksiselitteisiä. Osaako 11 12 -vuotias käyttää yksinkertaista mittaria? 11 12 -vuotias osaa käyttää yksinkertaisia mittareita. Hän kykenee täten itse mittaamaan suureen arvoja, kunhan esikvantifioinnissa ja mittarikvantifioinnissa esiintulleet rajoitukset eivät ole esteenä. Mittarin käytön tulee olla helppoa, ja mittarisuure tulee olla helposti nähtävissä. Mittaamisen taitoa korostetaan opintosuunnitelman perusteissa jo aikaisemmilla luokilla. 4.2 Suureiden käyttöönoton käytäntö Yhteensovituksen ansiosta voidaan luoda järkevä menettelytapa suureiden käyttöönotolle. Tämä menettelytapa sisältää vaiheittaisen etenemisen suureiden käyttöönoton teoriaa mukaillen, ottaen kuitenkin huomioon kohderyhmän ajattelun tason. 1. Pohjustus. Tämä ei sinänsä ole oleellinen vain suureiden opetuksen, vaan kaikkien oppimistilanteiden kannalta. Ennen kuin pureudutaan varsinaiseen opetettavaan asiaan, on hyvä virittää oppilaat opetustilanteeseen ja ohjata heidän ajatuksiaan uuden opetettavan asian tiimoille. Samalla voidaan saada arvokasta tietoa oppilaiden ennakkokäsityksistä ja palauttaa mieleen aikaisemmin opittuja asioita. Suureiden opetuksessa pohjustukseen voi kuulua esimerkiksi koelaitteiston esittelyä tai muunlaista tulevan toiminnan alustusta. 2. Perushahmotus. Kuten edellisessä luvussa todettiin, oppiminen lähtee perushahmotuksesta. Hahmottavassa lähestymitavassa ensiksi luodaan empiiriset merkitykset havainnoimalla. Suuretta opetettaessa havainnoinnin päämääränä on 21

luoda tutkittavasta ominaisuudesta empiirinen merkitys. Tämä voi tapahtua esimerkiksi opettajajohtoisella demonstraatiolla tai oppilaskeskeisellä kokeilulla. 3. Käsitteistäminen. Viimeistään tässä vaiheessa on syytä nimetä tutkittava ominaisuus, jotta siitä puhuminen olisi mahdollista sen omalla nimellään. Yleensä on järkevää, että ominaisuuden empiirinen merkitys saa rakentua ennen kuin se nimetään. 4. Esikvantifiointi. Esikvantifioinnissa ominaisuudesta havaitaan eri asteita. Ominaisuuden voimakkuuteen vaikuttavia tekijöitä tulisi muunnella sillä tavalla, että oppilaat erottavat milloin jokin asia on esimerkiksi pienempi tai suurempi, tasapainossa tai epätasapainossa. Esikvantifioinnissa oppilaiden tulisi huomata, että ominaisuus on laadultaan mitattava. 5. Mittarikvantifiointi. Mittarikvantifioinnissa tulee luoda kausaaliyhteys tutkittavan ominaisuuden asteiden ja jo tunnetun suureen asteiden välille. Mittayksiköksi tulee tällöin mittarisuureen yksikkö tai tutkittavan ominaisuuden todellinen yksikkö, jos sen voi lukea suoraan mittarista. Useimmissa tapauksissa mittarisuureena toimii lukumäärä. 6. Mittaaminen. Kun suure on mittarikvantifioitu tai yksikköaste sovittu, voidaan suuretta mitata. Toistuvilla mittauksilla varmennetaan uuden opitun suureen ymmärtäminen. Oppimisen kannalta olisi suotavaa, että oppilailla itsellään olisi mahdollisuus päästä mittaamaan suuretta. Vaihtoehtoisesti mittaaminen suoritetaan opettajajohtoisesti. 4.3 Opetettavan suureen vaatimukset Oppilaiden kyvyt sekä mielekäs käyttöönottomenetelmä rajaa opetettaviksi sopivien suureiden joukkoa. Kaikkia suureita ei voi ala-asteella opettaa. Rajoitusten pohjalta voidaan laatia kriteerit joiden pohjalta voidaan kunkin ominaisuuden kohdalla päättää ovatko ne otettavissa käyttöön suureina. 22

1. Suureen tulee olla havaittavissa. 2. Suureen tulee olla esikvantifioituva. 3. Suureen tulee olla mittarikvantifioituva. Ensimmäinen kriteeri on hieman tulkinnanvarainen. Periaatteessa oppilaalla tulisi kuitenkin olla mahdollisuus tunnistaa tarkasteltava ominaisuus vaivattomasti ja yksiselitteisesti. Toisen kriteerin mukaan ominaisuuden eri asteiden tulee olla helposti nähtävissä, jolloin ominaisuuden asteita voidaan vertailla komparatiivisesti, ja täten ominaisuudelle voidaan suorittaa esikvantifiointi. Ominaisuuden mitattavuuden tulee olla tunnistettavissa. Kolmannen kriteerin mukaan tarkasteltavan ominaisuuden tulee olla kiinnitettävissä jo tunnettuun suureeseen, jonka avulla tarkasteltavan ominaisuuden asteita voidaan mitata määrällisesti. Vaikka tämän työn ei ole tarkoitus ottaa kantaa käytännön asioihin, on hyvä kuitenkin muistaa, ettei kaikkien suureiden opetus ole mahdollista ainoastaan näiden kriteerien perusteella. Osa suureista vaatii mittareita, jotka eivät kuulu tavallisen koulun varustevalikoimaan, ja kaikkien mahdollistenkin suureiden perusteellinen opetus veisi liikaa aikaa. 23

5 OPETUSSUUNNITELMAN PERUSTEIDEN KATSAUS Tässä luvussa on tarkoitus tutustua tarkemmin vuoden 2004 perusopetuksen opetussuunnitelman perusteisiin (Opetushallitus 2004). Luvussa esiintyvät sitaatit on otettu suoraan opetussuunnitelman perusteista. Ala-asteen opetuksessa fysiikkaa aletaan opettaa omalla nimellään viidennellä luokalla yhdessä kemian kanssa. Opetussuunnitelman perusteiden näkökulmasta fysiikan ja kemian opetusta ei ole eroteltu. Neljänteen luokkaan asti fysiikan oppiaines on integroituna ympäristö- ja luonnontietoon. Oleellisinta on luonnollisesti tarkastella viidennen ja kuudennen luokan fysiikan opetuksen perusteita. Opetussuunnitelman perusteissa kuitenkin sanotaan: "Fysiikan ja kemian opetuksen lähtökohtana ovat oppilaan aikaisemmat tiedot, taidot ja kokemukset..." Täten on oleellista tarkastella myös miten suureet ja suureiden käyttöönottamiseen liittyvät menetelmät ovat esillä muissa oppianeissa jo ennen viidennen luokan fysiikan opetusta. Yleisesti ottaen Opetussuunnitelman perusteissa ei olla eritelty opetettavia suureita. Täten tämän luvun viimeissä kappaleessa on lista suureista, joiden voidaan tulkita sisältyvän Opetussuunnitelman perusteissa esiintyviin aihealueisiin. 5.1 Opetuksen tavoitteita 1. 4. luokalla Myöhemmin tässä työssä tarkastellaan tarkemmin niitä ehtoja, joiden avulla voidaan määrittää kunkin suureen käyttöönotettavuus. Täten on oleellista tarkastella minkälaisia suureiden käyttöönottoon liittyviä taitoja ja mitä suureita oppilaalla on mahdollista oppia neljänteen luokkaan mennessä. Ennen viidettä luokkaa suureiden opetusta esiintyy lähinnä ympäristö- ja luonnontiedossa sekä matematiikassa. 24

5.1.1 Matematiikka Vuosiluokat 1 2. Matematiikan ensimmäisien vuosien opetus vaikuttaisi olevan erittäin tärkeässä asemassa suureiden käyttöönoton kannalta. On jopa hieman kyseenalaista miten fysiikan opetuksen kannalta näin tärkeät käsitteet otetaan käyttöön matematiikan opetuksen yhteydessä, ilman että niiden käyttöönottoon kiinnitetään huomiota fysiikan opetukselle ominaisella tavalla. Lainauksia Opetussuunnitelman perusteista: "Mittaaminen: mittaamisen periaate; pituus, massa, pinta-ala, tilavuus, aika; mittavälineiden käyttö; tärkeimpien mittayksiköiden käyttö, vertailu; mittaustulosten arviointi." "Oppilas osaa tehdä vertailua, muun muassa pituusvertailua, ja asettaa asioita järjestykseen... luokitella asioita eri ominaisuuksien mukaan... vertailla joukkojen suuruuksia käyttäen sanoja enemmän, vähemmän, yhtä monta, paljon ja vähän..." "Oppilas osaa mitata yksinkertaisilla mittavälineillä ja tuntee keskeisimmät suureet, kuten pituus, massa, tilavuus ja aika." Vuosiluokat 3 5. Tämän työn kannalta näillä vuosiluokilla ei tule paljoakaan täysin uudenlaista oppimista. Suurin osa opetusta keskittyy varmentamaan jo aikaisemmin opittua. Matematiikan ja reaalimaailman yhteyksiä tarkastellaan kuitenkin jo syvällisemmin. Lainauksia Opetussuunnitelman perusteista: 25

"Oppilas osaa kuvata reaalimaailman tilanteita ja ilmiöitä matemaattisesti: vertailulla, luokittelulla, järjestämällä, konstruoimalla ja mallintamalla." "Oppilas osaa ryhmitellä tai luokitella annetun ja valitsemansa kriteerin perusteella sekä osaa etsiä yhteistä ominaisuutta; hän osaa erottaa laadullisen ja määrällisen ominaisuuden..." 5.1.2 Ympäristö- ja luonnontieto Vuosiluokat 1 4. Ympäristö- ja luonnotiedon saralta ei opetussuunnitelmassa luetella niinkään eri taitoja, eikä myöskään tiettyjä suureita. Mainituista aihealueista ja niihin liittyvistä tehtävistä on kuitenkin pääteltävissä monia opetuksessa esiintulevia suureita tai ominaisuuksia. Lainauksia Opetussuunnitelman perusteista: "Ympäristön ilmiöitä: ääneen ja valoon liittyviä ilmiöitä sekä kuulon että näön suojelu, lämpöön liittyvien ilmiöitä ja lämmön lähteitä, yksinkertaisten laitteiden toimintaperiaatteita ja erilaisten rakenteiden lujuuden tutkiminen, magneettisia ja sähköisiä ilmiöitä." "Ympäristön aineita: veden ominaisuuksia ja olomuodon muutokset." "Oppilas osaa tehdä havaintoja eri aisteilla sekä osaa kohdistaa huomionsa havaintojen teon kohteen olennaisiin piirteisiin." "Oppilas osaa käyttää yksinkertaisia tutkimusvälineitä, kuten kelloa, pituusmittoja, lämpömittaria... osaa 26

selittää yksinkertaisten laitteiden, kuten vivun, pyörän, jousen, toimintaa sekä osaa tutkia erilaisten rakenteiden lujuutta... osaa rakentaa yksinkertaisen virtapiirin pariston, lampun ja johtimien avulla... tuntee erilaisia valon, äänen ja lämmön lähteitä sekä tunnistaa ja osaa tutkia valoon, ääneen ja lämpöön liittyviä ilmiöitä, kuten äänen eteneminen, valon eteneminen ja heijastuminen sekä lämmön siirtyminen ja lämmittäminen." 5.2 Fysiikan ja kemian opetus 5. 6. luokalla 5.2.1 Opetuksen aihesisällöt Kuten jo aiemmin todettiin, opetussuunnitelman perusteissa ei eroteta fysiikan ja kemian sisältöjä toisistaan. Opetussuunnitelman perusteissa koko fysiikan ja kemian oppiaines on kerättynä kolmen keskeisen sisällön alle: Energia ja sähkö. Tässä aihealueessa keskitytään oleellisesti sähköön ja sähköenergiaan, sekä siihen miten sähköenergiaa voidaan muuttaa muiksi energialajeiksi. Oppilaan tulee tuntea eri jännitelähteitä, kuten paristo ja akku sekä osata tehdä kokeita, joissa sähköä käytetään valon, äänen ja liikkeen aikaansaamiseksi. Yleisempänä tavoitteena on tutustuttaa oppilas sähköturvallisuuteen ja energiatalouteen. Luonnon rakenteet. Tämän työn kannalta tämän aihesisällön oleellisin osa on erilaisten vuorovaikutusten aiheuttamat voimat: painovoima, kitkavoima, ilmanja vedenvastus. Tässä yhteydessä keskitytään myös erilaisin voimista aiheutuviin liike- ja tasapainoilmiöihin. Aihesisältöön liittyvät yleisemmät tavoitteet kuuluvat tähtitieteeseen ja liikenteeseen. Aineet ympärillämme. Tässä aihesisällössä keskitytään lähinnä ympäristöllisiin asioihin: ilmakehään, luonnonvesiin, maaperään, kierrätykseen ja päihteisiin. 27

Ainoastaan veden eri ominaisuuksien tutkimisessa olisi suureiden käyttöönotolla oma roolinsa. 5.2.2 Suureisiin liittyvät tavoitteet Opetussuunnitelman perusteissa mainitaan aihesisältöihin viittaamatta yleisempiä tavoitteita. Näitä tarkastelemalla voidaan saada kuva siitä, missä roolissa suureet ja niiden käyttöönotto opetuksessa on. Lisäksi näitä tarkastelemalla saadaan kuva siitä, kuinka suuressa roolissa Opetussuunnitelman perusteiden laatijat ovat suureiden opetuksen nähneet, ja missä määrin he itse painottavat suureita ominaisuuksien sijasta. Lainauksia Opetussuunnitelman perusteista: "Oppilas oppii tekemään havaintoja ja mittauksia... tunnistamaan luonnonilmiöihin ja kappaleiden ominaisuuksiin liittyviä syy-seuraussuhteita... tekemään yksinkertaisia luonnontieteellisiä kokeita, joissa selvitetään ilmiöiden, eliöiden, aineiden ja kappaleiden ominaisuuksia sekä niiden välisiä riippuvuuksia." "Oppilas osaa tehdä havaintoja ja mittauksia eri aisteilla ja mittausvälineillä sekä osaa kohdistaa havaintojen teon kohteen olennaisiin piirteisiin, esimerkiksi liikkeeseen tai lämpötilaan ja niiden muutoksiin... osaa selittää luonnon perusilmiöihin ja kappaleiden ominaisuuksiin liittyviä syyseuraussuhteita, esimerkiksi mitä suurempi massa kappaleella on, sitä vaikeampi se on saada liikkeelle tai pysäyttää... osaa käyttää käsitteitä, suureita ja niiden yksiköitä aineiden, kappaleiden ja ilmiöiden ominaisuuksien kuvailemisessa, vertailemisessa ja luokittelussa." 28

5.3 Lista mahdollisista suureista Vaikka Opetussuunnitelman perusteissa ei ole erikseen lueteltu suureita, sen aihesisällöistä ja niiden opetuksellisista tavoitteista voidaan koota lista mahdollisista opetettavista suureista. Nämä suureet on listattuina taulukkoon 5.1. Listan ei ole tarkoitus ottaa kantaa kunkin suureen opetuksen suositeltavuuteen. Kunkin suureen käyttöönoton mahdollisuuksiin palataan luvussa 8. Listan suureet ovat jaoteltuina keskeisten aihesisältöjen alle. Omana ryhmänään ovat myös yleisimmät suureet, joita tarvitaan opetuksessa toistuvasti, tai joita on muuten vaikea sisällyttää tiettyyn aihealueeseen. Muutenkaan jaon aihesisältöjen alle ei ole tarkoitus olla tarkka, sillä monia suureita esiintyy useammassa kuin yhdessä aihesisällössä. Listassa ovat mukana myös suureet, jotka ovat tulleet esille muiden aineiden opetuksessa ennen viidettä luokkaa. Yleiset suureet Luonnon rakenteet Energia ja sähkö Aineet ympärillämme Lukumäärä Nopeus Energia Paine Kulma Kiihtyvyys Sähkövaraus Lämpötila Pituus Massa Sähkövirta Lämmönjohtavuus Pinta-ala Tiheys Jännite Tilavuus Ainemäärä Resistanssi Aika Liikemäärä Sähkönjohtavuus Voima Valovoima Momentti Valaistusvoimakkuus Taulukko 5.1: Mahdolliset käyttöönotettavat suureet. 29

6 OPPIKIRJOJEN KATSAUS Tässä luvussa tarkastellaan lähemmin sitä, miten suureet ovat esillä ala-asteen oppikirjoissa. Tutkittavana on ollut neljä eri kirjasarjaa. Kirjoista on katsottu mitä suureita ne sisältävät ja onko suureiden käyttöönottoon kiinnitetty huomiota. WSOY:ltä on tällä hetkellä käytössä kaksi kirjasarjaa: Luonnonkirja (Honkanen & al. 2002) ja Pisara (Cantell & al. 2007). Luonnonkirja on vanhan opetussuunnitelman mukainen ja täten siinä on fysiikan ja kemian lisäksi myös biologia ja maantieto. Se käsittää vuosiluokat viisi ja kuusi. Pisara on puolestaan uuden opetussuunnitelman mukainen ja siitä on ainoastaan valmiina viidennen luokan kirja. Otavan Koulun fysiikka ja kemia (Arjanne & al. 2003) ja Tammen Jäljillä (Paso & al. 2007) ovat uuden opintosuunnitelman mukaisia. Koulun fysiikasta ja kemiasta on viidennen ja kuudennen luokan kirjat, kun taas Jäljilläsarjasta on vain viidennen luokan kirja. Kirjasarjoja tarkasteltaessa huomioon otettiin ainoastaan oppilaan luettavaksi tarkoitettu teksti. Erillisiä harjoituskirjoja tai opettajanoppaita ei siis otettu huomioon. Huomioon ei otettu myöskään erillisiä liitteitä, jotka olivat selvästi suunnattu tavallisen opetuksen ylittäväksi lisämateriaaliksi. Kirjasarjoista poimittiin niissä esiintyviä suurenimiä. Kaikki löytyneet suurenimet on kerätty taulukon 6.1 ensimmäiseen sarakkeeseen. Taulukon muihin sarakkeisiin on merkitty, esiintyikö suurenimi kyseisessä kirjasarjassa, ja käytettiinkö sitä ominaisuuden vai suureen nimenä. Jos suurenimeä ei esiintynyt ollenkaan, jätetiin sarake siltä kohtaa tyhjäksi. Suurenimen katsottiin merkitsevän vain ominaisuuden nimeä, jos ominaisuus esiintyi tekstissä ilman, että sen voimakkuuksien asteisiin liitettiin lukuarvoja. Myös sellaiset tapaukset huomioitiin, joissa puhuttiin selvästi jostain tietystä suureesta tai ominaisuudesta, vaikka kyseisen suureen tai ominaisuuden nimeä ei mainittu. Esimerkki suurenimen esiintymisestä ominaisuuden nimenä (Paso & al. 2007): 30

"Myös paine vaikuttaa olomuotoon. Jos kaasua puristetaan pienempään tilaan, paine kasvaa." Jos suurenimellä kuvattiin jotain ominaisuutta sillä tavalla, että sen voimakkuuden asteisiin kiinnitettiin lukuarvoja ja yksiköitä, katsottiin suurenimen esiintyvän suureen yhteydessä. Esimerkki suurenimen esiintymisestä suureen nimenä (Honkanen & al. 2002): "Valon nopeus on valtava, noin 300 000 km sekunnissa eli miljoona kertaa äänen nopeus." Huomiota kiinnitettiin myös siihen, liittyikö suureisiin tai ominaisuuksiin mitään erillistä käyttöönottoa, eli esiteltiinkö suuretta tai ominaisuutta millään tavalla vai oletettiinko se jo aikasemmin tunnetuksi. Jos katsottiin, että suure tai ominaisuus otettiin käyttöön, on sarakkeeseen merkitty OK. Esimerkki suureen käyttöönottamisesta (Cantell & al. 2007): "Kun potkaiset kevyttä rantapalloa, se lähtee helposti liikkeelle. Rantapallo on myös helpompi pysäyttää kuin jalkapallo. Jalkapalloa raskaamman koripallon liikkeelle saaminen ja pysäyttäminen potkaisemalla on puolestaan hankalaa. Pallon massa vaikuttaa siihen, kuinka helposti se lähtee liikkeelle. Massa yksikkö on kilogramma (kg). Mitä suurempi esineen massa on, sitä vaikeampi sitä on saada liikkeelle tai pysähtymään." Tietyissä tapauksissa suurenimi esiintyi ensimmäisen kerran kirjan tekstissä ilman mitään käyttöönottamista, mutta se otettiin käyttöön kirjassa myöhemmässä yhteydessä. Esimerkeistä ensimmäinen on suurenimen ensimmäisestä esiintymisestä ja toinen sen varsinaisesta käyttöön ottamisesta (Arjanne & al. 2003): 31