2. TEORIATAUSTAA. 2.1. Lähestymistavat fysiikan opetuksessa

1. JOHDANTO Oppikirja on opettamisessa ja oppimisessa keskeinen työväline. Käytännössä oppikirja on usein opettajan konkreettinen opetussuunnitelma. Opettaja siis opettaa sen, mitä kirjassa on esitetty. On luonnollista ajatella, että hyvä oppimistulos saavutetaan mikäli asia on esitetty hyvin oppikirjassa. Silloin opettajan on helpompi opettaa ko. asia ja oppilaan on helpompi se omaksua ja ymmärtää. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on saada jonkinlainen kokonaiskuva lukion fysiikan opetussuunnitelmista ja oppikirjoista suomenkielisen lukiolaitoksen ajalta. Tavoitteena on selvittää miten opetussuunnitelma on muuttunut 1900-luvun alusta nykypäivään. Tässä työssä ei kiinnitetä huomiota oppisisältöihin, vaan kokeellisuuden rooliin ja käsitteenmuodostukseen. Työssä selvitetään myös eräiden lukion fysiikan oppikirjojen lähestymistapa. Kirja noudattaa kokeellista lähestymistapaa mikäli fysiikan käsitteet, suureet ja lait, perustellaan empirialähtöisesti. Teoreettisessa lähestymistavassa ominaista on deduktiivisuus, jolloin suureet ja lait otetaan käyttöön valmiin teorian pohjalta. Työ jakautuu kahteen osaan: teoriatausta ja oppikirja-analyysi. Teoria koostuu kokeellisen ja teoreettisen lähestymistavan esittelystä, opetussuunnitelmien vertailusta sekä oppikirjasidonnaisuuden tarkastelusta. Hyvä oppikirja tukee opiskelijan käsitteenmuodostusprosessia, jonka suunta on konkreettisesta abstraktiin. Tutkimusten mukaan (mm. Rantalainen 1991, Julkunen 1989, Mikkilä 1992) oppikirjojen tapa opettaa käsitteet on kuitenkin yleensä deduktiivinen ja mekanistinen. Tässä tutkimuksessa analysoidaan kolmen eri aikakauden oppikirjoja. Niistä valittujen tekstinäytteiden perusteella pyritään selvittämään, onko kirjassa käytetty lähestymistapa teoreettinen vai kokeellinen. Tutkimusmenetelmä on laadullinen. Opetussuunnitelmien ja oppikirjojen vertailu on juuri nyt ajankohtaista, koska parhaillaan valmistellaan lukion uuden opetussuunnitelman perusteita. Vuonna 2005 voimaan tuleva opetussuunnitelma tulee näyttämään mihin suuntaan lukion fysiikka kehittyy. 1

2. TEORIATAUSTAA 2.1. Lähestymistavat fysiikan opetuksessa Lähestymistavan valitseminen on opettajan tietoinen prosessi. Valintaan vaikuttavat opettajan omien näkemysten lisäksi ainakin opetettava aihe, oppijoiden taso sekä oppikirjan lähestymistapa. Opettajalla tulisi olla selkeä käsitys opetettavasta aihekokonaisuudesta ja niistä tavoitteista, joihin oppimisjakson aikana pyritään. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi hän noudattaa tiettyä strategiaa. Tällainen suunnitelmallinen, tiettyä lähestymistapaa noudattava opetus ei koostu irrallisista tapahtumista eikä hetken mielijohteista, vaan on kauttaaltaan harkittua ja johdonmukaista (Kurki-Suonio K & R 1998, 249). Lähestymistapojen kaksi päätyyppiä ovat aksiomaattis-deduktiivinen ja empiiris-induktiivinen (Kurki-Suonio K & R 1998, 250-251). Näissä käsitteenmuodostuksen suunnalla on induktio-deduktio-syklissä erilainen painotus (kts. kuva 1). Aksiomaattis-deduktiivisessa eli teoreettisessa lähestymistavassa päättelyn suunta on yleisistä periaatteista kohti yksittäistapauksia. Peruslait otetaan käyttöön valmiin tietorakenteen aksioomina ja suureet määritellään teorian pohjalta. Luonnon ilmiöt, samoin kuin mahdollisesti tehtävät kokeet ovat tämän teorian vastineita havaintomaailmassamme. Niiden rooli on teorian paikkansapitävyyden varmistaminen. Empiiris-induktiivinen eli kokeellinen lähestymistapa korostaa yleistävää päättelyä, joka johtaa yksittäistapauksista yleisiin periaatteisiin. Mittausten ja havaintojen perusteella voidaan johtaa empiirisiä lakeja. Käsitteet rakentuvat jo havaittujen merkitysten pohjalta. Tässä tiedon muodostumisen suunta on konkreettisesta havainnosta teoriaan päin. Kokeellisuus on nimenomaan merkityksiä luovaa, hahmottavaa kokeellisuutta. 2

Kuva 1. Induktio-deduktio-sykli (Kurki-Suonio K & R 1998, 149) 2.1.1. Kokeellinen lähestymistapa Kun opetus noudattaa kokeellista lähestymistapaa, se etenee suunnitelmallisesti empiriasta ja havainnoista kohti teoriaa. Hahmotusprosessi käy läpi fysiikan käsitteenmuodostuksen erilaiset tasot: kielen, suureiden, lakien ja teorian, tässä järjestyksessä. Kokeellisessa lähestymistavassa siis kaikki perustuu empiriaan ja siitä muodostettujen mielikuvien tarkentamiseen käsitteiksi. Fysikaalinen tieto kehittyy ja tarkentuu jatkuvasti. Käsitteenmuodostus ei kuitenkaan ole yksioikoinen lineaarinen prosessi, vaan muistuttaa etenemiseltään spiraalia. 2.1.1.1. Fysiikan käsitteellinen rakenne Fysiikalle tieteenä on ominaista käsitteiden hierarkkisuus. Kuvassa 2 on esitetty fysiikan käsitteiden hierarkkiset tasot Kurki-Suonioiden mukaan (1998, 159). 3

TEOREETTINEN LÄHESTYMISTAPA KOKEELLINEN LÄHESTYMISTAPA Kuva 2. Fysiikan käsitteiden hierarkkiset tasot Käsitteenmuodostuksen alkeellisin ja järjestyksessä ensimmäinen taso on kvalitatiivinen perushahmotuksen taso. Tällöin olioista ja ilmiöistä tai niiden ominaisuuksista tehdään empiirisiä havaintoja ja luodaan mielikuvia. Nämä mielikuvat ovat luonteeltaan kvalitatiivisia ja liittyvät ilmiön tunnistamiseen ja luokitteluun. Usein perushahmottava empiria on huomion kiinnittämistä arkipäiväisiin havaintoihin. Fysikaalisen tiedon rakentuminen alkaa siis ympäröivästä maailmastamme ja ehkäisee samalla näkemystä 4

fysiikasta elämästä irrallisena kokonaisuutena. Kun perushahmotukseen liittyvät havainnot ovat laajoja ja monipuolisia, niiden perusteella voidaan mielikuvia myös luokitella. Näin syntyy jo valmiiksi ennakko-odotuksia niistä ominaisuuksista, josta käsitteellisemmän tiedon tasolla tarkemmin tutkitaan. Esikvantifioivalla tasolla mielikuvat ilmaistaan yhä kielellisessä muodossa. Nyt ilmiössä kiinnitetään huomiota sellaisiin ominaisuuksiin, joiden voimakkuudesta, asteesta, suunnasta tms. voidaan muodostaa mielikuvia. Havaintoja vertaillaan keskenään ja niiden keskinäisestä riippuvuudesta tehdään johtopäätöksiä. Kvalitatiivisten kokeiden avulla saadaan tietoa ilmiössä säilyvistä ja muuttuvista ominaisuuksista, eli muodostetaan mielikuva siitä millaisesta ilmiöstä oikein on kysymys. Hierarkkisesti kielen tasoa ylempi käsitteenmuodostuksen taso on suureiden taso. Suure on ominaisuuden kvantitatiivinen vastine. Kvantifioivalla mittauksella pyritään vahvistamaan niitä mielikuvia, jotka ilmiöstä esikvantifioivalla tasolla ja perushahmotustasolla syntyi. Mittausta varten on löydettävä sellainen pelkistetty koetilanne, että juuri tutkittava ominaisuus ilmenee siinä hyvin. Kun mittaustulosten perusteella löydetään uusi invarianssi eli ominaisuuden pysyminen vakiona, tämä vakio voidaan nimetä uudeksi suureeksi. Suure otetaan käyttöön sitten, kun se osoittautuu tarpeelliseksi ja sille on jo valmiiksi olemassa merkitys (kielellisessä muodossa). Kolmas hierarkkinen taso on lakien taso. Käytettävissä olevien jo määriteltyjen suureiden välisiä riippuvuuksia tutkitaan erilaisten kontrolloitujen kokeiden avulla. Tulokset ovat suureiden välisiä korrelaatioita eli lakeja. Lait esitetään (yleensä) täsmällisessä muodossa algebrallisina lausekkeina. Näihin lausekkeisiin päädytään, kun mittaustuloksia on tarkasteltu graafisesti ja löydetty relaatioita. Lain löytymisen jälkeen on mahdollista sitä apuna käyttäen tehdä laskennallisia suure-ennusteita eri olosuhteisiin nähden. Teorian taso on ylin fysiikan tietorakenteen taso, jossa ilmiötä pyritään selittämään ja ymmärtämään. Ilmiöstä voidaan muodostaa malleja, jotka ilmentävät tutkimuskohdetta ja siihen liittyviä relaatioita. 5

2.1.1.2. Aito ja kerrottu empiria Opetuksessa käytettäväksi kokeellisuudeksi ajatellaan yleensä oppilastyöt ja opettajan tekemät demonstraatiot. Kokeellisuutta ovat kuitenkin myös opintokäynnit teollisuuteen tai laboratorioihin sekä tutkimusprojektit laboratoriossa. Nämä kaikki ovat esimerkkejä aidosta empiriasta ts. kokeellisuudesta, jossa oppilas on itse läsnä ja koejärjestelyt ovat todellisia. Kokeellisuutta voi yhtä lailla olla myös kerrottu empiria, opettajan kertomana taikka videoiden tms. av-välineiden välittämänä. Kouluolosuhteissa kerrottuun empiriaan joudutaan turvautumaan välillä olosuhteiden pakosta, mikäli koulun varustelutaso fysiikan välineistön osalta on puutteellinen. Moderni fysiikka on osa-alue, jossa kerrottu empiria on väistämätöntä juuri kokeellisen välineistön puutteen vuoksi. Kokeellista lähestymistapaa noudatettaessa ei oleellista kuitenkaan ole se, onko empiria aitoa vai kerrottua vaan kokeellisuuden luonne. Havaintoja ja mittauksia voidaan tehdä myös siten, että ne eivät tue käsitteenmuodostuksen suuntaa tai niitä ei hyödynnetä tässä tarkoituksessa. Silloin kyse ei ole kokeellisesta lähestymistavasta. Pelkkä kokeellinen toiminta ei siis tee lähestymistapaa kokeelliseksi. Opetus on kokeellista, kun sen suunta on järjestelmällisesti empiriasta kohti teoriaa. Kokeellista lähestymistapaa käyttämällä on vaara, että ajaudutaan naiiviin empirismiin. Silloin demonstraatioista ja oppilastöistä aina, hyvin yksinkertaisella tavalla seuraa lakeja. Kokeellisuudesta tulee siis vain lakien johtamista, kun sen tulisi monipuolisesti havainnollistaa lakien kokeellista luonnetta. Oppilaalle saattaa myös muodostua käsitys, että minkä tahansa nykytieteen huippuoivalluksenkin voi jokainen itse keksiä. Tällöin ihmiskunnan tuhansien vuosien ponnisteluja on vaikea arvostaa ja tieteen nykyisestä tasosta jää aliarvioiva käsitys. Koulussa tehtävän kokeellisen toiminnan tulisikin ennemmin tarjota mallia tutkimustyöstä, kuin olla varsinaista omaa tutkimusta. Tämä ero myös oppilaan on tiedostettava. 2.1.2. Teoreettinen lähestymistapa Eteneminen fysiikan hierarkkisessa järjestelmässä teorian tasolta kohti kielen tasoa on teoreettisen lähestymistavan mukainen suunta(kuva 2). Suunta on kokeelliseen lähesty- 6

mistapaan nähden päinvastainen. Teoreettisessa lähestymistavassa käsitteet ovat valmiita teorian osia ja sellaisina ne myös oppilaille esitellään. Algebralliset lausekkeet (lait) määrittelevät ne. Käsitteet eivät muodostu vähitellen tarkentuen, joten käsitteenmuodostuksen eri vaiheet jäävät kokonaan oppilaalta käymättä läpi. Koska uusiin käsitteisiin tutustuminen alkaa käsitehierarkian ylimmältä tasolta, on niiden omaksuminen mahdollista vain, jos oppilas kykenee hyvin abstraktiin ajatteluun. Fysiikalle ominainen empiriaan nojaava perusluonne saattaa hämärtyä. Näistä syistä teoreettinen lähestymistapa ei sovi kouluopetukseen (Kurki-Suonio K & R 1998, 254). 2.1.2.1. Todentava ja soveltava empiria Myös teoreettiseen lähestymistapaan saattaa liittyä kokeellisuutta. Kokeellisuus on tällöin joko teoriaa todentavaa tai soveltavaa. Todentavan kokeellisuuden tarkoituksena on jälkikäteen testata valmiista laeista saatujen ennusteiden paikkaansapitävyyttä. Tällainen kokeellisuus antaa fysiikasta tieteenä vääristyneen kuvan ja vaarana on naiivi teorismi. Fysiikka nähdään epätarkkana matematiikkana ja luonto koneistona, joka harmillisen epätarkasti noudattaa valmista, täydellistä teoriaa. Soveltavassa kokeellisuudessa tarkastellaan teorian käytännön sovelluksia kuten koneita ja laitteita sekä niiden toimintaperiaatteita. Kokeellinen toiminta voi olla yhtä lailla osa teoreettista ja kokeellista lähestymistapaa. Merkittävää ei ole kokeellisuuden määrä, runsaat demonstraatiot tms. vaan opetuksen etenemissuunta. Koejärjestelyt ja mittaaminen eivät sellaisenaan vielä riitä tekemään opetuksesta kokeellista. 2.1.3. Lähestymistavat oppimisen kannalta Opetuksen yhtenä tehtävänä on tukea opiskelijan persoonallisuuden kehitystä. Kokeellisuuden avulla voidaan harjaannuttaa mm. motorisia taitoja, työtapojen hallintaa ja huolellisuutta. Lisäksi luovuus, oma-aloitteisuus ja pitkäjänteisyys kehittyvät. Omien mittausten ja niiden analysoinnin kautta luodaan uskoa omiin havaintoihin, eikä valmiisiin auktoriteetteihin. Teoreettisen lähestymistavan mukainen opetus antaa tulokset valmiina ilmoitusasioina, eikä oppilaalle rakennu vahvaa näkemystä suureen tarpeellisuudesta tai lain 7

perusteista. Kokeellisuus nähdään usein myös suurena tekijänä oppilaan motivoinnin kannalta. Sosiaaliset taidot ovat nyky-yhteiskunnassa yksi tärkeimmistä taidoista ja niitä voidaan kokeellisen toiminnan kautta kehittää. Työskentely ryhmässä, omien tulosten raportointi ja niistä keskusteleminen ovat luontevia työtapoja. Sosiaalisia taitoja voidaan silti yhtälailla harjaannuttaa myös teoreettisessa opetuksessa. Käsitteiden ja lakien jäsentymisestä, niiden ymmärtämisestä ja soveltamisesta voidaan keskustella ja väitellä. Teoreettinen opetus ei ole välttämättä opettajajohtoista opetusta. Parhaimmillaan teoreettinen lähestymistapa tukee pitkäjänteisyyden ja itseluottamuksen kehitystä. On kuitenkin huomioitava oppijan kyky abstraktiin ajatteluun. Mikäli teoreettista lähestymistapaa käytetään liian varhain, se ei tavoita kuulijaa ja on omiaan vahvistamaan negatiivisia käsityksiä fysiikasta. Oppiminen on oppijan oma prosessi ja tätä prosessia opettajan on tuettava. Oppilaalla tulisi olla mahdollisuus kehittyä monipuolisesti. Jotta oppijan rooli oppimisessa korostuisi, on opetuksen oltava aktivoivaa. Abstrakti teoriaopetus on usein passivoivaa (Hirvonen 1999, 29). Mutta kokeellisuudestakaan ei ole hyötyä, jos se jää oppilaalle ulkokohtaiseksi. Toisaalta teoreettinen opetus voi olla aktivoivaa, kunhan oppimisprosessin päärooliin nostetaan oppilas. Opettajan tehtävänä on motivoida, näyttää suuntaa, herättää kysymyksiä ja järjestää oppimiselle suotuisat olosuhteet. Kokeellisessa menetelmässä vaarana on, että oppilas kiinnittää huomiota ns. vääriin seikkoihin tai oppilaan omat ennakkokäsitykset vääristävät tuloksia. Opettajan ohjaus on siis tärkeää. Teoreettisessa opetuksessa on ongelmana, että oppilaalle ei ehdi syntyä kysymyksiä ilmiöstä, kun vastaus (eli malli tai selitys) on jo valmiina olemassa. Silloin selitys ei kiinnity oppilaan aikaisempaan tietorakenteeseen vaan jää irralliseksi pintatiedoksi. Oppiminen on vuorovaikutusta, yhtäältä ympäristön ja oppilaan välillä, toisaalta ihmisten välillä. Yhteys ympäristöön muodostuu luonnollisesti, kun oma havainto ja usko omiin havaintoihin on oppimisprosessin alkuna. Ennen kuin tarjotaan malleja ja selityksiä, oppilaalle tulisi herätä kysymyksiä: Mitä pitäisi selittää? Miksi etsitään selitystä? Mallien ja teorian tarjoaminen liian varhaisessa vaiheessa katkaisee yhteyden arkielämään. Fysiikasta tulee pinnallista, ulkoa opittujen kaavojen kokoelma, jolla oppilas ei näe olevan mitään tekemistä luonnon ilmiöiden kanssa. Koska kokeellisuus on oleellinen osa fysiikkaa, tulisi oppilaan ymmärtää myös lakien ja teorioiden empiirinen luonne ts. se, että lain 8

olemassaolo perustuu juuri havaintoihin (Hirvonen 1999, 29-30). Muiden kanssa havainnoista ja johtopäätöksistä keskustelu on luonnollista inhimillistä toimintaa. Tiedeyhteisössä vuorovaikutus on itsestään selvää mm. tulosten julkaisemisen ja siihen liittyvän kritiikin muodossa. Kuitenkin tiede on ihmisen ajattelun luonnollista jatketta. Kaikessa oppimisessa vuorovaikutus muiden kanssa on välttämätöntä. Oppiminen on elinikäinen prosessi. Vähitellen oppijan tieto kehittyy ja rakenteistuu ja uusi oppi rakentuu aina edelliselle. Tämä hierarkkinen kehitys on mahdotonta, jos edellisen tason käsitteiltä puuttuu pohja. Opetuksen onkin vastattava oppijan ajattelun tasoa, muututtava vähitellen ja sopivassa vaiheessa konkreettisesta abstraktimmaksi. Kun opetuksen avulla pystytään vastaamaan oppilaan kysymyksiin tyydyttävällä tavalla, hänen kiinnostuksensa aihetta kohtaan säilyy (tai jopa syvenee). 2.2. Fysiikan opetussuunnitelmat lukiossa 2.2.1. Opetussuunnitelma käsitteenä Opetussuunnitelmassa määritellään opetuksen tavoitteet ja sisällöt. Lisäksi opetussuunnitelmassa voidaan antaa opetusmenetelmällisiä ohjeita ja suosituksia. Koska opetussuunnitelma laaditaan ennen varsinaista opetusta, se voidaan nähdä kokoelmana toimintaohjeita. Se siis osaltaan kuvaa jo etukäteen millainen opetustapahtuma tulee olemaan. Opetussuunnitelmaan kirjataan tavoitteet, joten se kertoo myös mihin opetuksella tähdätään. (Korkeakoski 1989, 28) Opetussuunnitelma laaditaan pitkälti koulun ulkopuolella, Opetushallituksessa (ent. Kouluhallitus tai Kouluylihallitus). Vasta nykyisessä v. 1994 opetussuunnitelmassa laadintavastuu on siirtynyt koulun tasolle. Kuitenkin ylhäältä käsin vahvistetaan edelleen opetussuunnitelman perusteet, jonka pohjalta varsinainen koulukohtainen opetussuunnitelma nykyisin laaditaan. Myös lait ja asetukset voidaan nähdä osana opetussuunnitelmaa, koska esimerkiksi tuntijako vaikuttaa suuresti toteutuneeseen opetukseen. 9

2.2.2. Fysiikan opetussuunnitelman kehittyminen 2.2.2.1. Opetussuunnitelma 1900-luvun alussa Ensimmäinen kaikkia Suomen lukioita yhdessä koskeva kouluasetus annettiin vuonna 1843. Lukio-opetusta järjestettiin kahdella eri linjalla. Linjalla A opiskelivat yliopistoon pyrkivät ja linjalla B käytännöllisille aloille aikovat (Erätuuli 1980, 43). Fysiikka oli oppiaineena yhdistetty matematiikan kanssa. Käytännössä opettajalla oli suuri vaikutus siihen, minkä verran fysiikkaa todella opetettiin (Malmio 1933, 27). Vuonna 1883 lukiot eli lyseot jaettiin klassisiin lyseioihin ja reaalilyseoihin. Reaalilyseoissa opiskeltiin enemmän luonnontieteitä ja matematiikkaa, klassisissa lyseoissa taas klassisia kieliä, latinaa ja kreikkaa. Vuoden 1883 asetus oli samalla myös opetussuunnitelma. Siinä määrättiin oppiaineet luettelon muodossa. Opetuskieleksi vahvistettiin suomi tai ruotsi. (Suomen suuriruhtinanmaan asetus-kokous 1883). Oppiainekohtainen tuntijako vahvistettiin 1893 senaatin kirjeellä (Suomen suuriruhtinanmaan asetus-kokoelma 1893). Nyt fysiikka oli yhdistetty oppiaine kemian kanssa. Kirjeen sisällön oli määrä tarkentua myöhemmin Kouluylihallituksen ohjeilla siitä, miten opetusaika fysiikan ja kemian kesken jaetaan. Näitä ohjeita ei kuitenkaan koskaan tehty. Siispä lehtoreilla oli täysi valta päättää itse miten fysiikkaa tai kemiaa omassa opetuksessaan painottaa (Malmio 1933, 39). Vuoden 1883 opetussuunnitelma sisältää siis vain oppiaineluettelon ja tuntijaon. Opetuksen yhteisiä, valtakunnallisia tavoitteita ei ole kirjattu. Oppiaineen sisällöistä ei ole mitään mainintaa, ei edes tietoa mitä osa-alueita tulisi käsitellä. Opetusmenetelmällisiä ohjeita ei myöskään anneta. Opetussuunnitelma on hyvin suppea. Se jättää oppikirjan tekijöille vapaat kädet esiteltävien osa-alueiden ja asiakokonaisuuksien sekä käytettävän lähestymistavan suhteen. Toisaalta opettajalle jää vapaus valita opetusmetodinsa yhtä lailla kuin opetettavat aihekokonaisuudetkin. 10

2.2.2.2. Vuoden 1941 opetussuunnitelma Ensimmäisen kerran lukion fysiikan opetussuunnitelmaan kirjattiin tavoiteosa vuonna 1941. Erätuuli (1980, 51-53) jakaa nämä tavoitteet seuraavasti kolmeen lohkoon: Ainespesifiset tavoitteet a) antaa havainnollinen käsitys meitä ympäröivän luonnon fysikaalisista ilmiöistä b) antaa yhtenäisempi kuva fysikaalisista ilmiöistä c) antaa yhtenäisempi kuva fysikaalisista laeista d) korostaa ilmiöiden keskinäistä yhteyttä e) korostaa ilmiöiden säännönmukaisuutta f) tutustua kokeelliseen tutkimusmenetelmään g) antaa oppilaalle kuva niistä tutkimuksessa noudatetuista menettelytavoista, joilla fysiikan lakeihin on päästy Yksilöön suuntautuneet tavoitteet h) pyrittävä kehittämään oppilaan havaintokykyä i) pyrittävä kehittämään oppilaan arvostelukykyä j) pyrittävä kehittämään oppilaan omintakeisuutta k) pyrittävä kehittämään oppilaan käytännöllisyyttä l) pyrittävä kehittämään oppilaan taloudellista vaistoa Yhteiskuntaan suuntautuneet tavoitteet m) pyritään korostamaan omintakeisen yritteliäisyyden merkitystä maamme taloudellisten olojen suotuisalle kehitykselle n) tutustutetaan oppilaat varsinkin lämpöopin lämpöteknisiin sovellutuksiin o) tutustutetaan oppilaat varsinkin sähköopin sähköteknisiin sovellutuksiin p) kiinnitetään maanpuolustuksellisiin seikkoihin sopivissa kohdissa erityistä huomiota q) pyritään järjestämään fysiikan opetus lukioluokilla siten, että opetus korkeakouluissa voi suoraan liittyä oppikoulun fysiikan opetukseen. Opetussuunnitelmaan kuului nyt asetuksella valvistetut lukusuunnitelmat, opetusministeriön vahvistamat oppiennätykset sekä kouluhallituksen metodiset ohjeet. Lukusuunnitelmassa luetellaan oppiaineet ja niihin käytettävät viikoittaiset tuntimäärät. Fysiikka ja kemia 11

ovat yhdistettynä oppiaineena. Oppiennätyksissä ilmoitetaan kummankin, sekä fysiikan että kemian osalta luokkakohtaisesti mitä osa-alueita tulisi käsitellä. Fysiikan oppiennätykset ovat kuitenkin pelkkiä luetteloja ns. klassisesta fysiikan jaottelusta osa-alueisiin kuten mekaniikka, lämpöoppi, sähköoppi jne. (Opetussuunnitelma perustuu Oppikoulukomitean mietintöön vuodelta 1932, 112 ja 320-324). Kirjantekijöille jää suuri vapaus rajata osa-alueet haluamallaan tavalla ja valita sopivin lähestymistapa niiden esittämiseen. Metodiset ohjeet ovat opettajalle käytännön opetustapahtumaa varten suunnattuja neuvoja ja suosituksia. Ohjeita annetaan mm. oppilastöiden järjestämisestä ja fysiikan opetuksen yleisistä pedagogisista ratkaisuista. Käsittelen tätä lisää luvussa 2.2.5. Kokeellisuuden rooli opetussuunnitelmissa. 2.2.2.3. Nykyinen opetussuunnitelma Valtakunnalliset opetussuunnitelman perusteet laadittiin ja vahvistettiin koulukohtaisen opetussuunnitelmatyön pohjaksi. Koulun ja opettajan tehtäväksi jäi täsmentää todelliset tavoitteet ja osallistua näin oman työnsä kehittämiseen aiempaa enemmän (Opetushallitus 1994, 11). Opetussuunnitelma on nyt dynaaminen, jatkuvasti mm. arvioinnin pohjalta muuttuva kokonaisuus. Tästä syystä käsittelen tutkimuksessani vain valtakunnallisia opetussuunnitelman perusteita. Lukion opetussuunnitelman perusteissa esitetään fysiikan osalta tavoitteet ja kurssikohtaiset sisällöt pääpiirteittäin. Tavoitteiksi on kirjattu seuraavaa (Opetushallitus 1994, 77): - opiskelija saa tyydytystä luontaiselle tiedon ja ymmärtämisen tarpeelleen sekä saa vaikutteita, jotka herättävät ja syventävät kiinnostusta fysiikkaa kohtaan - opiskelija osaa jäsentää käsitystään luonnon rakenteista ja ilmiöistä fysiikan käsitteiden ja periaatteiden avulla - opiskelija oppii ymmärtämään, kuinka luonnosta ja sen ilmiöistä saadaan tietoa tekemällä havaintoja ja mittauksia - opiskelija osaa suunnitella ja tehdä yksinkertaisia luonnonilmiöitä koskevia kokeita ja kykenee tulkitsemaan ja arvioimaan kokeellisesti saatua tietoa ja esittämään sitä muille lisäksi fysiikan syventävissä kursseissa on tavoitteena, että opiskelija 12

- omaksuu ja ymmärtää tarkoituksenmukaiset fysiikan peruskäsitteet ja terminologian sekä osaa hahmottaa näistä kokonaisuuksia ja yleisiä periaatteita - oppii ymmärtämään, millä tavalla fysiikan käsitteet, lait ja teoriat perustuvat kokeellisen ja teoreettisen tutkimuksen vuorovaikutukseen - ymmärtää fysikaalisen tiedon pätevyysalueet ja sen, miten teknologiassa sovelletaan fysikaalista tietoa - kykenee osallistumaan luontoa, ympäristöä ja teknologiaa koskevaan keskusteluun ja päätöksentekoon - saa riittävät valmiudet opiskella fysiikkaa ja sitä soveltavia aloja. Jako lukiokursseiksi noudattaa pääosin klassista fysiikan jakoa osa-alueisiin. Kustakin kurssista on opetussuunnitelman perusteissa muutamalla lauseella kerrottu keskeisintä sisältöä ja tavoitteet. Nykyinen opetussuunnitelman perusteet on oppikirjan tekijän kannalta jo sitovampi. Kurssien nimet on määrätty, samoin jonkin verran sisällöstäkin. Oppikirjat ovatkin nykyään yleensä kurssikohtaisia, erillisiä niteitä. Tavoiteosa on laajempi kuin aiemmin ja korostaa kokeellista lähestymistapaa. Opettajan kannalta tilanne on kahtalainen: toisaalta valtakunnallisesti ohjataan tavoitteita ja toimintatapoja selkeästi, toisaalta oman opetussuunnitelmatyön perusteella hän voi itse osaltaan vaikuttaa käytänteisiin omassa koulussaan. 2.2.3. Kokeellisuuden rooli fysiikan opetussuunnitelmissa Vuoden 1883 opetussuunnitelmassa ei ole ollenkaan tavoiteosaa eikä metodisia ohjeita. Näin ollen varsinaisessa opetussuunnitelmatekstissä ei kokeellisuudesta ole mitään mainintaa. 1800-luvulla fysiikan opetus Suomen lukioissa oli vielä pitkälti dogmaattista (Erätuuli 1980, 45). Vasta 1900-luvun alkupuolella opetus alkoi muuttua kokeellisempaan suuntaan. Vähitellen kouluihin hankittiin tarvittavaa välineistöä. Tästä todisteena ovat ainakin lyseoiden fysikaalisen kaluston hankintaluettelot (Malmio 1933, 194). Kokeellisuus näkyy selvästi vuoden 1941 opetussuunnitelmassa. Tavoitteisiin on kirjattu mm. kokeelliseen tutkimusmenetelmään tutustuminen ja oppilaan havaintokyvyn kehittä- 13

minen. Tavoitteena on myös antaa oppilaalle kuva niistä tutkimuksessa noudatetuista menettelytavoista, joilla fysiikan lakeihin on päästy (Erätuuli 1980, 51). Tämä tarkoittaa ilmiöissä esiintyvien säännönmukaisuuksien tutkimista ja sen pohjalta päätymistä tiettyihin lainalaisuuksiin. Kokeellisuuden tulisi siis tältä osin olla merkityksiä luovaa. Kouluhallituksen metodisissa ohjeissa kokeellisuutta painotetaan runsaasti. Opetuksen tulee olla induktiivista ja alkaa havainnoista. Havainto voidaan tehdä oppilastyön tai demonstraation pohjalta. Empiirisen tutkimusmenetelmän tulee olla ensisijainen opetusmetodi, matemaattinen käsittely on toisarvoista (Komiteanmietintö 1932, 322-324). Lisäksi annetaan vielä luettelo suositeltavista oppilastöistä. Oppilastöiksi kehotetaan valitsemaan sellaisia, joiden lopputuloksen on jokin fysikaalinen suure tai laki. Tämä voi tarkoittaa joko suureen tai lain käyttöönottoon liittyvien lainalaisuuksien tutkimista hahmottavan lähestymistavan mukaisesti tai todentavaa kokeellisuutta, jossa jo tunnetun lain paikkaansapitävyys pyritään osoittamaan suoritettujen mittausten avulla. Lisäksi kokeellisuuden roolia tämän opetussuunnitelman toteutusaikana vuosina 1941-1970 vahvistavat vielä Kouluhallituksen yleiskirjeet, joissa aiheena ovat mm. työturvallisuuden tehostaminen ja opetusvälinehankinnat (Erätuuli 1980, 86-87). Nyt voimassa oleva opetussuunnitelman perusteet vuodelta 1994 alkaa fysiikan osalta seuraavasti: Fysiikan opetukselle on luonteenomaista eteneminen havaintoja ja mittauksia tekemällä tai kokeellisiin tutkimuksiin perustuvaa tietoa hyväksi käyttämällä kohti kokeellisia luonnonlakeja (Opetushallitus 1994, 77). Kokeellisuuden tulisi siis olla juuri havainnoista lakeihin suuntautuvaa, merkityksiä luovaa kokeellisuutta. Lisäksi useassa kohdassa korostetaan opetuksen tavoitteena sitä, että oppilas hallitsee kokeellisen menetelmän ja ymmärtää, miten fysikaalinen tieto kehittyy mittaustulosten tulkitsemisen kautta kohti käsitteitä, suureita ja lakeja. Modernin fysiikan kurssin tavoitteena on vielä erikseen rakentaa oppilaalle kokonaiskuva fysiikan kehityksestä. Koska fysiikan kehitys tieteenä perustuu (hyvin pitkälti) juuri empiiris-induktiivisen lähestymistavan mukaiseen etenemissuuntaan ilmiöstä kohti teoriaa, tulisi opetuksessakin käytettävän kokeellisuuden siis opetussuunnitelman perusteiden mukaisesti olla juuri hahmottavaa kokeellisuutta. 14

Yhteenvetona voidaan todeta, että kokeellisuuden rooli on lukion fysiikan opetussuunnitelmissa muuttunut kahdella tavalla. Ensinnäkin kokeellisuuden rooli on selvästi vahvistunut. 1900-luvun alussa kokeellisuudesta ei ollut mitään mainintaa, nykyisessä opetussuunnitelmassa sitä korostetaan useassa yhteydessä ja se nähdään fysiikan opetuksen perustana. Toisaalta kokeellisuus on tarkentunut juuri merkityksiä luovaksi kokeellisuudeksi. Yhä voimakkaammin kiinnitetään huomiota opetuksessa käytettävään suuntaan: havainnoista kohti teoriaa. Näiden muutoksien tulisi tietysti näkyä myös oppikirjoissa. Luvussa 4 tehtävän oppikirja-analyysin avulla yritän saada selville, onko kokeellisuuden rooli niistä tarkasteltuna vahvistunut ja tarkentunut. 2.2.4. Opetussuunnitelman merkitys opettajalle Opetussuunnitelman yhtenä tehtävänä on säädellä opetusta, joten sen luonne on normatiivinen. Miettisen (1989, 6-7) mukaan opetussuunnitelma on kouluhallinnon ohjauksen tärkein väline. Nykyään opetussuunnitelma on opettajaa työssään velvoittava ohje. Se toimii myös kontrollin ja arvioinnin välineenä. Kuitenkin yhtenä opetussuunnitelman tehtävänä on myös opettajan työn helpottaminen konkreettista, didaktista suuntausta antamalla (Korkeakoski 1989, 29). Atjonen (1993, 106-117) puhuu kahdesta opetussuunnitelmasta, virallisesta ja toiminnallisesta. Virallinen opetussuunnitelma on virallisluonteisen tahon (Opetushallituksen tms.) laatima dokumentti. Toiminnallinen opetussuunnitelma sisältää opettajan tulkinnan virallisesta opetussuunnitelmasta sekä opettajan oman suunnittelun tuloksen. Virallinen opetussuunnitelma sijoittuu Atjosen mukaan vasta sijalle 8 opetusta ohjaavien tekijöiden tärkeysjärjestyksessä. Opettajan omaan (toiminnalliseen) opetussuunnitelmaan vaikuttavat tekijät voidaan jakaa merkityksellisiin ja vähämerkityksisiin. Merkityksellisiä tekijöitä ovat mm. oppimateriaali, oppilaat ja kollegat, vähämerkityksisiä mm. opetussuunnitelma ja kouluhallinnon ohjeet (Korkeakoski 1989, tiivistelmä). Opetussuunnitelma on keskeinen opettajan työn määrittäjänä, koska opettajan tulee toteuttaa opetussuunnitelman sisältöä (Simola 1995, 280). Kuitenkaan käytännössä opetussuunnitelma (suoraan opetussuunnitelmadokumentin tekstinä) ei paljonkaan ohjaa opettajan käytännön työskentelyä vaan vaikutus tulee näkyviin välillisesti käytettyjen oppimateriaa- 15

lien kautta. Käsittelen oppimateriaalin ja toteutuneen opetuksen välistä suhdetta seuraavassa luvussa 2.3. 2.3. Oppikirja opetuksen ja oppimisen välineenä 2.3.1. Oppikirjat ja opetussuunnitelma Opetussuunnitelmassa määrätään opetuksen tavoitteet ja käsiteltävät asiasisällöt. Nämä ohjeet velvoittavat paitsi opettajaa myös oppikirjantekijöitä, sillä oppikirjan on vastattava opetusuunnitelman tavoitteita ja sisältöjä. Opetussuunnitelma siis vaikuttaa osaltaan oppikirjan rakenteeseen (Miettinen 1989, 7). Suomessa oppikirjojen tarkastamisella on pitkä perinne. Kouluhallitus tarkasti käytetyt oppikirjat vuosina 1866-1992 (Simola 1995, 293). Vain tarkastettuja ja hyväksyttyjä kirjoja sai käyttää oppikirjoina. Simolan (1995, 276-277) mukaan oppikirjojen sisällöllistä perusrakennetta oli myös noudatettava. Tällainen riippuvuus johtaa helposti hyvin oppikirjasidonnaiseen opetukseen (katso luku 2.3.4.). Oppikirjojen tarkastusmenettelyllä haluttiin taata tasa-arvo siten, että koko maassa olisi käytettävissä yhdenmukaista oppimateriaalia ja kaikille oppilaille voitaisiin suoda yhtäläiset mahdollisuudet (Mikkilä 1992, 101). Koska oppikirjat tarkastettiin asiantuntijoiden toimesta, hyväksytyille kirjoille oli yhteistä asiasisällön oikeellisuus ja tekstin puolueettomuus. Kuitenkin teksti on usein oppilaille liian vaikeaa (Julkunen 1988, 105). Miettisen (1989, 12) mukaan se, että oppikirjan hyväksyminen oli sidottu tiukasti tavoite- ja sisältöluetteloihin näkyy kirjoissa sisältöjen pirstaleisuutena. Käytännössä oppikirja on opettajan todellinen, konkretisoitunut opetussuunnitelma. Oppikirja perustuu viralliseen opetussuunnitelmaan ja on siten velvoittava, lisäksi se jäsentää opetusta ja tarjoaa valmiita pedagogisia ratkaisuja opetettavien asioiden esitysjärjestykseen ja käsittelytapaan liittyen (Miettinen 1989, 8). Myös Korkeakosken (1990, 45 ja 119) mukaan oppikirja yhdessä työkirjan ja opettajan oppaan kanssa korvaa lähes kokonaan virallisen opetussuunnitelman. Opettaja ei siis aloitakaan opetuksen suunnittelua tavoitteista käsin, vaan tyytyy suoraan kirjan esittämään valmiiseen oppiainesluetteloon. 16

Tällainen toiminta saattaa kaventaa opetuksen opettajajohtoiseksi luennoinniksi (Atjonen 1993, 113). 2.3.2. Millainen oppikirjan tulisi olla? Rantalainen (1991) tutkii oppikirjoista hyvän tiedonesitystavan ominaisuuksia. Tiedon tulisi olla yhteydessä havaintoon ja oppilaan omaan kokemukseen sekä muodostaa kokonaisuuksia. Irralliset, yksittäiset nimitykset muuttuvat tiedoksi sitten, kun ne yhdistyvät muihin tietoihin. Lisäksi tieto tulisi nähdä dynaamisena ja sen perusteet on esiteltävä. Muutoin tiedon kerääminen on staattista faktojen muistamista. Tiedon perusteltavuudesta seuraa myös mahdollisuus kriittiseen tarkasteluun. Hyvin esitetty tieto herättää oppilaassa ajatuksia ja on siten aktivoivaa. Oppikirjassa tieto olisi myös esitettävä siten, että se on suhteutettu lukijan kehitystasoon ja taitoihin, koska vain silloin tieto voi olla ymmärrettävää. Sellaista tietoa, jota voi myös soveltaa, pidetään arvokkaana. Jotta oppilas voisi omaksua oppikirjassa esitetyt tiedot, on kirjan lisäksi oltava pedagoginen (Ojala 1997, 39). Tekstin tulee herättää lukijassa kiinnostusta ja antaa hänelle mahdollisuuksia omaan ajatteluun ja johtopäätöksiin. Silloin oppikirjan teksti ei jää elottomaksi, irrallisten muistettavien asioiden luetteloksi. Aktiivinen tiedon rakentaminen on kaiken tieteellisen toiminnan perusta. Tämän tulisi olla siis tavoitteena myös oppikirjoissa, koska ne esittelevät tieteenalaa ja sille ominaista ajattelu- ja tiedonhankkimistapaa. Käsitteenmuodostuksen kannalta oleellista on, että oppikirjoissa etenemissuunta on konkreettisesta abstraktiin ja tutusta tuntemattomaan (Julkunen 1988, 10). Oppilaan aikaisemmat tiedonrakenteet ovat lähtökohta uudelle tiedolle. Nämä aiemmat tiedot tulisi saada kiinnepisteiksi uuden oppimiselle (Mikkilä 1992, 107). Ennakkokäsityksiä pyritään korjaamaan, muuttamaan tai tarkentamaan siten, että arkiajattelusta päästäisiin kohti tieteellistä ajattelutapaa ja käsitehierarkiaa. Mikäli oppikirjassa tietoa esitellään muuttuvana, eikä jo valmiina staattisena rakennelmana, on oppilaan luonnollista muuttaa myös omia näkemyksiään (Ojala 1997, 97-98). Fysiikan oppimisen suunnan tulee noudattaa kuvassa 2 esitettyä käsittenmuodostuksen suuntaa ja välivaiheita (Kurki-Suonio K & R 1998, 253). Oppimisen kannalta luonnollinen 17

etenemissuunta on siis kokeellisen lähestymistavan suunta havainnoista teoriaa kohti. Oppilaalla olevia ennakkokäsityksiä voidaan nimittää luontaisiksi ajatusmalleiksi (Kurki- Suonio K & R 1998, 267). Tavoitteena on opetuksellisin keinoin, empirialähtöisesti kehittää ja tarkentaa näitä ajatusmalleja sellaisiksi, että ne vastaavat omia havaintoja ja tieteellistä käsitystä. Ensisijaista on tunnistaa nämä ajatusmallit, jotta niitä olisi mahdollista kehittää ja niistä tulisi pysyvä osa oppilaan omaa käsitehierarkiaa. 2.3.3. Millaisia oppikirjat ovat? Oppikirjojen teksti on tiivistä ja vaatii lukijaltaan paljon. Virkkeet muodostuvat usein peräkkäisistä päälauseista, joissa ei juuri ole viittauksia toisiinsa. Tekstissä on siis vähän sidosteisuutta (Julkunen 1988, 18 ja 103-104). Kun lauseet ovat lyhyitä ja yksinkertaisia rakenteeltaan, tekstissä ei ole luonnollista elävyyttä ja sen on vaikea herättää lukijassaan mielenkiintoa (Miettinen 1989, 12). Oppikirjoissa käytetylle kielelle on myös ominaista asiakeskeisyys, persoonattomuus ja abstraktien termien suuri määrä (Karvonen 1995, 20). Tieto esitetään oppikirjoissa luetellen faktoja ilman perusteluja (Julkunen 1988, 21; Mikkilä 1992, 102; Karvonen 1995, 108). Kirja esittelee yksittäisiä tietoja, jotka eivät näytä liittyvän käytännön elämään. Oppilaan oma havainnointi ei ole lähtökohtana, vaan tekstiä kirjoitetaan tieteen tuloksista käsin. Näin kirja ohjaa passiivisuuteen (Karvonen 1995, 34 ja 214-217). Oppikirjan tehtävistä selviytyy useimmiten pintapuolisella muistamisella, joten oppimisesta tulee toistamista. Miettinen (1989, 11) nimittää tällaista irrallisen tietoaineksen muistamista erityiseksi oppimisen lajiksi, kouluoppimiseksi. Silloin tieto ei liity todelliseen elämään eikä oppijan muihin tietoihin ja jää merkityksettömäksi. Oppimisprosessin tavoitteena tulisi olla käsitteiden konstruoiminen (Mikkilä 1992, 130). Käsitteiden opetuksen tapa on oppikirjojen kielessä yleensä deduktiivinen (Rantalainen 1991, 132; Julkunen 1989, 110-111). Teksti alkaa yleistyksellä ja päätelmät annetaan valmiina. Kun teksti alkaa yleistyksellä, eikä linkity luontevasti oppilaan arkitietoon, oppimisen kohteeksi nousee oppikirjan teksti eikä itse ilmiö (Rantalainen 1991, 129). Käsitteet eivät kytkeydy oppilaan käsitejärjestelmään, koska ne esitetään valmiina ilman perusteluja (Mikkilä 1992, 111). Käsitteiden välisiä relaatioita ei juuri kuvailla, joten 18

oppikirjat eivät tue käsitehierarkian rakentumista. Karvosen (1995, 211-213) mukaan oppiminen on oppikirjojen valmiiden määritelmien opettelemista. Mikkilä (1992, 111) arvostelee oppimateriaalien mekaanista luonnetta. Oppilaille ei esitellä tieteenalan tiedonhankkimistapaa, vaan tiedot annetaan valmiina (myös Karvonen 1995, 207). Lisäksi tieto esitetään kiistattomana ja varmana (Rantalainen 1991, 132-133; Karvonen 1995, 211): Tällöin oppilaalle muodostuu tiedosta staattinen ja autoritäärinen kuva, joka ei vastaa nykyistä tieteellistä tiedonkäsitystä. 2.3.4. Oppikirjasidonnaisuus Opetuskulttuuri Suomessa on oppikirjakeskeinen. Tähän ovat vaikuttaneet pitkä perinne kirjallisessa opetuksessa, valtakunnalliset opetussuunnitelmat sekä Kouluhallituksen oppikirjatarkastuskäytäntö (Mikkilä-Erdmann ym. 1999, 437). Oppikirjalla on merkittävä asema opetuksessa, sillä opettajan kannalta siinä on valmiina kaikki tarvittava: tavoitteet, sisällöt etenemisjärjestyksessä, käsittelyvihjeet, tausta-aineistoa, mahdollisesti myös arviointimateriaalia (Mikkilä 1992, 101). Karvosen (1995, 12) mukaan koulutoiminnan kohteena onkin oppikirja eikä itse opiskeltava asia. Oppikirjaa on turvallista noudattaa, koska se on asiantuntijoiden laatima ja tarkastama. Mutta näin toimittaessa oppilaat oppivat opettajan didaktisten periaatteiden sijasta oppikirjan tekijöiden didaktiset periaatteet (Lehtinen 1989, 21). Kari (1988, 9) määrittelee opettajan oppikirjasidonnaiseksi, mikäli oppikirja tai työkirja on hänen opetuksessaan tärkein työväline. Ei-oppikirjasidonnainen opettaja käyttää ryhmätyömetodia ja tietokirjoja tms. Tutkimuksessa maantiedon opettajista jopa 98% oli oppikirjasidonnaisia (Kari 1988, 28). Mikkilän ja Olkinuoran (1995) tutkimuksen mukaan opettajista 96% käytti säännöllisesti oppikirjaa ja 63% ilmoitti myös etenevänsä kirjan mukaan. Kurki (1987) on tutkinut suomalaisten abiturienttien käsityksiä koulusta. Jopa 80% lukiolaisista piti oppikirjaa tärkeimpänä oppimisen välineenä (Kurki 1987, 52 ja 100). Mikäli opetus on oppikirjakeskeistä, oppikirjassa valittu tiedonesitystapa vaikuttaa tietysti sekä opettajaan että oppilaaseen (Julkunen 1988, 12). Opettajan suhde oppimateriaaliin välittyy oppilaille ja sen mukana hänen oma tiedonkäsityksensä. Mikkilä ja Olkinuora 19

(1995) ovat tutkineet oppilaiden käsityksiä oppikirjoista. Mikäli opettaja on oppikirjasidonnainen, on oppilaidenkin mielestä hyvä, kun edetään kirjan mukaan. Toisaalta tällöin oppilaan mielestä vastuu oppimisesta on juuri oppikirjalla tai opettajalla. Oppikirjaan oppilaat suhtautuvat kritiikittömästi eli kirjan tietoja pidetään luotettavina (Mikkilä & Olkinuora 1995, 91-96 ja 103). Koska oppikirjalla on hyvin merkittävä asema suomalaisessa kouluopetuksessa, voidaan oppikirja-analyysin perusteella tehdä arvioita myös toteutuneen opetuksen luonteesta. Tarkastelen luvussa 4 eräiden suomalaisten lukion fysiikan oppikirjojen lähestymistapaa kokeellisuuden kannalta. Tulos kertonee jotakin myös fysiikan opetuksesta Suomessa. 20

3. TUTKIMUSSUUNNITELMA Tässä tutkimuksessa on tarkoituksena selvittää kokeellisuuden roolia lukion fysiikan oppikirjoissa. Koska oppikirjoja ohjaava opetussuunnitelma on selvästi muuttunut kokeellisuutta korostavaan suuntaan, on oletettavaa, että tämä muutos näkyisi myös oppikirjoissa. Toisaalta suomalaisen kouluopetuksen on todettu olevan hyvin oppikirjakeskeistä, joten mahdolliset muutokset oppikirjoissa antanevat viitettä myös opetuksen muuttumisesta. 3.1. Tutkimusongelmat Tämän oppikirja-analyysin tutkimusongelmina ovat: I Onko lukion fysiikan oppikirjoissa käytetty lähestymistapa muuttunut ajan myötä kokeellisempaan suuntaan? II Onko saman ajan lukion fysiikan oppikirjoissa keskinäisiä eroja lähestymistavan suhteen? Tutkimusongelmiin etsitään vastausta seuraavien alaongelmien avulla: 1. Millainen lähestymistapa oli käytössä 1900-luvun alun oppikirjoissa? 2. Millainen lähestymistapa oli käytössä oppikirjoissa vuoden 1941 opetussuunnitelman aikana? 3. Millainen lähestymistapa on käytössä nykyisissä oppikirjoissa? Kunkin kirjan lähestymistapa yritetään saada selville vastaamalla seuraavaan kolmeen kysymykseen: a. Miten oppikirja perustelee suureen nopeus käyttöönoton? b. Miten oppikirja perustelee valon taittumislain? c. Miten oppikirja perustelee Gay-Lussacin lain? 21

3.2. Tutkimuksen rajaus Analysoitaviksi oppikirjoiksi on valittu edustajia kolmelta eri aikakaudelta. Jotta ajallinen perspektiivi saataisiin mahdollisimman suureksi, ovat vanhimmat oppikirjat 1900-luvun alusta ja uusimmat nykyisin käytössä olevia. Kolmantena aikakautena on näiden välistä vuoden 1941 opetussuunnitelman voimassaolokausi. Tässä tutkimuksessa rajoitutaan suomenkielisten lukion fysiikan oppikirjasarjojen tarkasteluun. Kultakin ajalta on valittu analysoitaviksi kirjasarjoja seuraavasti (oikeinkirjoitusasut ovat alkuperäiset): 1900-luvun alku Relander : Fysiikan oppikirja oppikoulun ylempiä luokkia varten Rosenqvist : Fysikan oppikirja klassillisia lyseoita varten Rosenqvist: Fysikan oppikirja realioppilaitosten yläluokkia varten vuoden 1941 opetussuunnitelman aika Ahlman ym.: Lukion fysiikka Kallio & Kuuskoski: Fysiikka lukioluokkia varten Kattainen: Fysiikan oppikirja lukioluokille nykyaika Hakulinen ym.: Galilei Hassi ym.: Lukion fysiikka Kärkkäinen ym.: Atomista avaruuteen Lehto & Luoma: Fysiikka Tarkemmat tiedot analysoitavista kirjoista löytyvät liitteestä 1. Nykyisistä oppikirjasarjoista ovat mukana kaikki tutkimuksen aloitushetkellä (vuonna 2002) kokonaan valmiit lukion fysiikan oppikirjasarjat. Kustantajilta saatujen tietojen mukaan näistä kirjoista ainakin Kallio & Kuuskosken, Kattaisen sekä Lehto & Luoman oppikirjat ovat olleet aikanaan hallitsevassa markkina- 22

asemassa. Vanhimpien oppikirjojen myyntimääristä en ole saanut tietoja. 1960- ja 1970- luvuilla johtavassa asemassa ollut oppikirjasarja Nikkola&Viljanmaa: Fysiikka ei ole mukana tässä tutkimuksessa. Nykyisistä kirjasarjoista kuitenkin Lehto&Luoma: Fysiikka pohjautuu voimakkaasti edeltäjäänsä eli Nikkola&Viljanmaan kirjasarjaan. Vaikka varsinaiset kirjantekijät ovat Lehto ja Luoma, nimetään Nikkola ja Viljanmaa kirjasarjassa asiantuntijoiksi. Analyysissä keskitytään pelkästään oppikirjojen ns. teoriaosan tarkasteluun. Tämän tutkimuksen ulkopuolelle jäävät siis laskuesimerkit, harjoitustehtävät, työkirjat ja mahdolliset opettajan oppaat. Oppikirjan teoriaosassa huomiota kiinnitetään kirjan tekstiin ja sitä tukevaan kuvitukseen. Jokaisesta oppikirjasta on valittu analysoitavaksi kolme näytettä fysiikan eri osa-alueilta: mekaniikasta nopeus suureena, aaltoliikeopista valon taittumislaki ja lämpöopista Gay- Lussacin laki. Valitut kolme näytettä ovat sellaisista aihepiireistä, että niiden kokeellinen tutkiminen on helppoa ilman monimutkaisia koejärjestelyjä. Nopeus sijoittuu fysiikan suurehierarkiassa alkupuolelle ja sen empiirinen lähestyminen on helppo toteuttaa. Samoin valon taittumislaki on yksinkertaisin välinein helposti perusteltavissa kokeellisesti. Gay- Lussacin lain esitys oppikirjassa liittyy läheisesti siihen miten kaasujen tilanyhtälöä lähestytään. Kuitenkin juuri Gay-Lussacin lain tutkiminen on mahdollista yksinkertaisin välinein. Kussakin tapauksessa myös mittaustulosten analysointi on helppoa. Suureen tai lain suhde fysiikan tietorakenteeseen vaikuttaa siihen, miten helppo sitä on kokeellisesti perustella. Vaikeita ovat sellaiset suureet, joilla on keskeinen merkitys teorian perussuureina (kuten massa, voima tai energia). Toisaalta on myös lakeja, joiden empiirisen johtamisen mahdollistavaa välineistöä harvoin on kouluolosuhteissa käytettävissä (kuten modernin fysiikan lait). 3.3. Tutkimusmenetelmä Näytteiden perusteella eli oppikirjan tekstiä ja kuvitusta tarkastelemalla selvitetään näyttäisikö oppikirjan lähestymistapa olevan kokeellinen vai teoreettinen. Tämä tarkoittaa 23

huomion kiinnittämistä siihen, miten suureet ja lait kirjassa perustellaan ts. onko oppikirjan kokeellisuus merkityksiä luovaa vai teoriaa testaavaa vai onko kokeellisuutta ollenkaan. Kokeellista lähestymistapaa noudattavassa oppikirjassa toteutuvat seuraavat tunnusmerkit: 1. Koejärjestely esitellään siten, että koe on toistettavissa. 2. Todellisia mittaustuloksia on näkyvissä. 3. Mittaustuloksia käsitellään graafisen esityksen avulla. 4. Koetta varioidaan tarpeeksi. 5. Suureen tai lain käyttöönotto perustuu tehtyihin havaintoihin. Neljäs tunnusmerkki pitää vielä määritellä jokaiselle tässä tutkimuksessa tutkittavalle suureelle tai laille erikseen. Suureen kokeellisessa lähestymisessä tulisi näkyä mitä invarianssia suure edustaa. Suureen nopeus osalta tämä tarkoittaa ts-koordinaatiston suoran kulmakertoimen tulkitsemista liikkeen nopeudeksi. Tällaisia suoria tulisi olla vähintään kaksi, jotta voitaisiin tehdä havainto suoran jyrkkyyden ja liikkeen nopeuden vastaavuudesta. Lain empiirisenä perustana on suureiden välinen relaatio. Valon taittumislakia tutkittaessa kyseessä on tulokulman ja taitekulman sinien suoraan verrannollisuus. Mittauksia tulisi tehdä siis useilla tulokulman arvoilla, jotta tämä verrannollisuus voitaisiin havaita. Koska taitesuhde edustaa rajapinnan materiaaleihin liittyvää vakiota, tulisi mittauksia lisäksi suorittaa useammilla ainepareilla ja havaita niistä kaikista sama relaatio. Kaasujen laajenemiseen liittyvässä Gay-Lussacin laissa suoraan verrannolliset suureet ovat absoluuttinen lämpötila ja kaasun tilavuus. Mittauksia tulisi siis suorittaa useissa eri lämpötiloissa. Koska laki liittyy isobaariseen prosessiin, sen empiiristä perustaa tulisi lisäksi tutkia erilaisilla paineen arvoilla ja havaita näissä kaikissa vastaava lineaarinen riippuvuus tilavuuden ja lämpötilan välillä. Teoreettisen lähestymistavan mukaisessa oppikirjassa joko - kokeellisuutta ei ole ollenkaan, vaan suureiden ja lakien käyttöönotto perustellaan teoriasta käsin tai ne ilmoitetaan aksioomina tai 24

- kokeellisuus on luonteeltaan todentavaa eli teoriaan liitetään vasta jälkikäteen empirinen merkitys. Tällöin voivat toteutua em. kokeellisen lähestymistavan tunnusmerkit 1-4. Pyrin selvittämään tutkimuksessa mukana olevien oppikirjojen lähestymistapaa etsimällä kustakin tekstinäytteestä kokeellisen lähestymistavan tunnusmerkkejä. Kirjan lähestymistapa voi olla kokeellinen vaikka kaikki viisi kokeellisuuden tunnusmerkkiä eivät toteutuisikaan. Ratkaisevassa asemassa on viimeinen (numero 5) ts. saako oppikirjan esityksestä sen käsityksen, että suure tai laki perustellaan empiriasta käsin. Tutkimusmenetelmä on laadullinen, siispä kvantitatiivisia tuloksia ei esitetä. Analysoitaviksi valittujen oppikirjojen sivujen kopiot ovat liitteinä, joten lukija voi verrata omaa tulkintaansa tässä tutkimuksessa tehtyyn tulkintaan. 3.3.1. Laadullisesta tutkimuksesta Kun tutkimusaineistoa pyritään kuvaamaan ja tulkitsemaan ei-numeraalisesti, kyseessä on laadullinen eli kvalitatiivinen tutkimus. Suomalaiseen kasvatustieteeseen laadullisen tutkimuksen käyttö tuli 1980-luvulla. Tätä ennen tutkimus oli pitkälti määrällistä, numeerista, kvantitatiivista mittaamista. Tutkimusmenetelmän yksipuolisuus johti siihen, että tutkittiin vain sellaisia ongelmia, joita oli mahdollista tutkia kvantitatiivisesti. Muunlaisiin tutkimusongelmiin ei juuri tartuttu. Kvalitatiiviset menetelmät eivät kuitenkaan syrjäyttäneet kvantitatiivisia, vaan kumpikin menetelmä on nyt vakiinnuttanut asemansa opinnäytetöissä ja tutkimusraporteissa. Tutkimusmenetelmävalikoima on siis laajentunut (Eskola & Suoranta 1996, 21-23). Savolainen (1991, 452-456) on tarkastellut kasvatustieteellisten väitöskirjojen tutkimusotetta. Kumpaakin tutkimusmenetelmää käytetään, usein molempia rinnan samassa tutkimuksessa. Kuitenkin kvantitatiivinen tutkimusmenetelmä on säilyttänyt vahvan aseman pitkän perinteensä johdosta, sillä valtaosa (60%) töistä sisälsi pelkästään kvantitatiivisia menetelmiä. Usein kvalitatiivinen ja kvantitatiivinen tutkimus nähdään toistensa vastakohtina. Kvantitatiivista tutkimusta pidetään objektiivisena ja tarkkana, siis tieteellisesti ihanteellisena, kvalitatiivista taas epätarkkana ja subjektiivisena. Tällainen vastakkainasettelu on kuitenkin tarpeetonta, koska kyse on erilaisen näkökulman valinnasta, ei menetelmän ylivertai- 25

suudesta toiseen nähden (Eskola & Suoranta 1996,10; Jussila 1992, 251-254). Oleellista on valita kulloiseenkin tutkimukseen parhaiten sopiva tutkimusmenetelmä. Kaikki tutkimustyö on kuitenkin tulkintojen muodostamista, joskus on tarkoituksenmukaista keskittyä laadun joskus määrän tarkasteluun (Jussila 1992, 251-254). 3.3.2. Laadullisen tutkimuksen tunnusmerkkejä Eskolan ja Suorannan (1996, 10-11) mukaan kvalitatiivisen tutkimusotteen tunnusomaisia piirteitä ovat mm. aineistonkeruumenetelmä, harkinnanvarainen otanta, aineistolähtöinen analyysi ja tutkijan asema tutkimuksessa. Laadullisessa tutkimuksessa aineisto on yleensä ilmiasultaan tekstiä. Mikäli aineisto on tuotettu juuri ko. tutkimusta varten, se on syntynyt tutkijan aloitteesta. Tutkijan tekemät haastattelut ja havainnoinnit ovat esimerkkejä tällaisesta aineistosta. Aineisto voi myös olla olemassa alun perin muuta tarkoitusta varten, jolloin se on syntynyt tutkijasta riippumatta. Tällaisia ovat mm. erilaiset kirjalliset ja kuvalliset tuotokset. Aineiston koko on kvalitatiivisessa tutkimuksessa yleensä pieni ja se on valittu harkiten. Aineisto valitaan siten, että se on tutkimuksen kannalta tarkoituksenmukainen ja kiinnostava, ts. tutkittava ilmiö on siinä hyvin edustettuna. Tilastollista satunnaisotantaa ei siis käytetä. Tieteellisyyden kriteerinä ei ole aineiston määrä vaan laatu ja analyysin syvyys (Eskola & Suoranta 1996, 11-13). Aineisto on rajattava perustellusti ja huolellisesti, jotta tulkinta ei nojaisi satunnaisuuksiin. Tässä tutkimuksessa aineistona käytetty materiaali eli oppikirjat ovat syntyneet tutkijasta riippumatta. Aineisto on valittu mahdollisimman pitkältä aikaväliltä ja se ulottuu ensimmäisten suomenkielisten lukion fysiikan oppikirjojen ilmestymisajankohdasta 1900-luvun alusta aina nykyhetkeen. Tutkimuksessa mukana olevat fysiikan osa-alueet mekaniikka, valo-oppi ja lämpöoppi ovat aina kuuluneet lukion oppimäärään. Kokeellinen lähestymistapa on fysiikalle tieteenalana ominainen ja siksi sen tulisi ilmentyä myös kaikissa tämän alan oppikirjoissa. Analyysivaiheessa aineiston pohjalta rakennetaan tulkinta. Aineistoa voidaan käsitellä pelkistäen, tiivistäen, luokitellen tai vertaillen (Savolainen 1991, 453-455). Vertailu voi tähdätä joko yhteisten piirteiden tai erilaisuuksien havaitsemiseen (Mäkelä 1990,44). Tulkinta tarkoittaa löytyneiden tulosten pohjalta niiden selittämistä eli tekemistä ymmärrettäväksi sekä sitomista teoreettiseen viitekehykseen kirjallisuuteen ja muihin tutkimuksiin viittaamalla (Alasuutari 1999, 44-47). Analyysin tarkoituksena on siis 26