5 OPETUSKOKEILU JA SEN VAIKUTUSTEN SELVITTÄMINEN

101 5 OPETUSKOKEILU JA SEN VAIKUTUSTEN SELVITTÄMINEN Hahmottava ja mallintava lähestymistapa muodostavat mielenkiintoisen vastakkainasettelun tavasta opettaa fysiikkaa. Edellisen lähtökohtana ovat havainnot ja kokeet, jälkimmäisellä käsitteet, teoriat sekä teoreettiset mallit. Oleellinen kysymys on, miten empiria ja teoria kytketään yhteen ja millä tavalla niitä käytetään hyväksi mielikuvien ja mielikuvarakenteiden luomisessa. Jos käytetään vuorovaikutteista opetusmallia mutta voimakäsitteen merkitys rakennetaan eri tavalla joko teoriasta selittämisen kautta tai lähtemällä perushahmotuksesta, näkyisikö tämä käsitteellisissä testeissä oppilaiden vastauksien perusteluissa. Kun hahmottava lähestymistapa korostaa käsitteiden käyttöönotossa oikeaa järjestystä, mikä mallintavassa lähestymistavassa ei ole oleellista, joudutaan tämän seurauksena kurssilla esitettävien asioiden järjestystä muuttamaan. Seuraavassa perehdytään tarkemmin kokeilun yksityiskohtiin, käytettyihin testeihin ja niiden tuloksiin. 5.1 Tutkimuksen suorittaminen Luvussa 1 tarkasteltiin fysiikan yleisiä oppimistuloksia ja erityisesti mekaniikan osaamista. Raporttien perusteella voidaan todeta, että fysiikan käsitteiden ja periaatteiden sekä kvalitatiivinen että kvantitatiivinen ymmärtäminen ei ole riittävää. Vaikka fysiikan laskutehtävien osaaminen on tärkeää, voidaan kyseenalaistaa, onko oppilaalla riittävää ymmärrystä fysiikasta, jos hän ei käsitä tehtävien taustalla olevien lakien sanomaa. Ymmärryksen osuus korostuu, kun käsitettä on sovellettava uudessa tilanteessa. Tässä tutkimuksessa pyritään arvioimaan opetuksen kokonaistehokkuutta sekä selvittämään, mikä vaikutus voimakäsitteen merkityksen rakentamisella on Newtonin kolmanteen lakiin liittyvien ongelmien ratkaisemisessa. 5.1.1 Tutkimusongelmat Tutkimuksen tekijä on pohtinut pitkän, yli kolmekymmentä vuotta jatkuneen työuransa aikana kysymystä opetuksen vaikuttavuudesta tai tehokkuudesta. Perinteiset fysiikan

102 kokeet ovat sisältäneet laskuja, vastaa lyhyesti-tyyppisiä tai harvemmin esseenkaltaisia kysymyksiä. Annetut vastaukset kertovat tietynlaisesta osaamisesta, mutta voiko olla varma, että oppilas on ymmärtänyt pääasiat. Mielenkiintoinen havainto on, että pitkällä opettajakokemuksella ei näyttäisi olevan suurtakaan merkitystä lopputulokseen: samat virheet oppilaiden koepapereissa toistuvat vuodesta toiseen, vaikka niiden poistamiseksi on uhrattu aikaa. Samaan johtopäätökseen on tullut myös Hestenes (1996). Virikkeen asian syvällisempään pohtimiseen sain osallistuttuani didaktisen fysiikan koulutusohjelmaan, jonka yhteydessä jouduin laatimaan vertailevan tutkielman mallintavasta ja hahmottavasta lähestymistavasta. Sen yhteydessä selvisi, että vuorovaikutteinen opetusmalli näyttäisi edistävän käsitteellistä ymmärtämistä. Halloun ja Hestenesin (1985a, 1985b) sekä Palmerin (1997) tutkimukset toivat esille oppilaiden vahvat ennakkokäsitykset dynamiikasta ja kinematiikasta sekä kontekstuaalisuuden merkittävän vaikutuksen oppilaiden ajatteluun. Brown korostaa kolmannen lain merkitystä. Newtonin ensimmäisen ja toisen lain yhteydessä voiman alkuperä voi olla tuntematon: vain sen vaikutukset on havaittavissa. Kolmannen lain yhteydessä oppilas joutuu konkreettisesti kuvaamaan vuorovaikutuksista aiheutuvat voimat. (Brown 1989.) Mielikuva on muokattava piirrokseksi, jossa kappaleisiin vaikuttavia voimia kuvataan vektoreilla. Kuviossa pitää näkyä vuorovaikutuksen symmetrisyys ja voimien kohdistuminen eri kappaleisiin. Kokemukseni mukaan Newtonin kolmas laki osataan toistaa ulkoa, mutta sen soveltaminen eri konteksteissa tuottaa vaikeuksia. Perinteinen opetusmalli ei näyttäisi parantavan tilannetta. Koska kontekstin vaikutus on merkittävä, voidaanko sen merkitystä vähentää muuttamalla voiman käsitteen rakennustapaa, ja millaista oppimista erilainen lähestymistapa voi saada aikaan? Karin ja Huttusen mielestä jotakin asiaa kannattaa tutkia, mikäli vaihtoehtoiset tulokset näyttävät yhtä todennäköisiltä (Kari & Huttunen 1981, 17). Näin ollen jos opetusmalli pidetään samana molemmissa ryhmissä mutta lähestymistapa on erilainen, etukäteen on vaikeaa arvioida oppimisen laatua mutta ei sitä, miten käsitteellinen muutos ilmenee eri oppilailla. Seuraavassa edellä oleva voidaan esittää kahtena pääongelmana ja näihin liittyvinä tutkimuskysymyksinä.

10 Tutkimusongelma 1 Millainen vaikutus on lähestymistavan valinnalla kinematiikan ja dynamiikan perusteiden opetuksen tuloksellisuuteen? Tutkimuskysymys 1.1 Johtavatko hahmottava ja mallintava lähestymistapa opetuksessa erilaisiin oppimistuloksiin FCI-voimakäsitystestillä mitattuna? Tutkimuskysymys 1.2 Jos kasvutekijäin erot ovat tilastollisesti merkitseviä, niin mistä erot johtuvat? Tutkimusongelma 2 Miten voiman käsitteen merkityksen rakentaminen vaikuttaa Newtonin III:n lain ymmärtämiseen? Tutkimuskysymys 2.1 Millä tavalla molempien ryhmien oppilaiden käyttämät voimien symmetrisyyttä koskevat päättelysäännöt poikkeavat toisistaan? Tutkimuskysymys 2.2 Onko ryhmien välillä eroja, kun tutkitaan kontekstuaalisuuden vaikutusta oppilaiden käsityksiin vuorovaikutuksen symmetrisyydestä? Tutkimuskysymys 2. Millaisia eroja ilmenee voima vastavoima-parin sekä systeemi ympäristö-parin tunnistamisessa? Tutkimuskysymys 2.4 Näkyykö lähestymistavan vaikutus voimakuvioissa? 5.1.2 Koehenkilöt Kokeiluun osallistuivat toisen vuosikurssin oppilaat syyslukukaudella 2.9-8.11.2002. Kurssin pituus oli kuusi viikkoa, josta viisi viikkoa opetusta ja kuudes viikko oli ns. koeviikko. Opiskelijoiden ikä oli noin 17 vuotta. Kurssin nimi oli Mekaniikka 1. Normaalikäytännön mukaan oppilaiden lukumäärä kurssilla olisi ollut 29, mutta kokeilua varten ryhmä jaettiin kahteen osaan, joista toisen opetussuunnitelma oli laadittu hahmottavan ja toisen mallintavan lähestymistavan periaatteita noudattaen.

104 Edellistä kutsutaan H-ryhmäksi ja jälkimmäistä M-ryhmäksi. Ryhmässä käytettävä lähestymistapa arvottiin. H-ryhmän koko oli 15 ja M-ryhmän 14 oppilasta. Tyttöjä oli molemmissa ryhmissä kolme. Oppilaita ei valittu näihin ryhmiin, vaan sijoittumisen määräsivät lähinnä oppilaan muut ainevalinnat sekä lukujärjestystekniset syyt. Toisaalta nykylukiossa olisikin jokseenkin mahdotonta muodostaa tiettyjä ehtoja täyttäviä ryhmiä, koska oppilas itse laatii oman opinto-ohjelmansa. Kokeilulukio on keskisuuri, noin kolmensadan oppilaan maaseutulukio. Koulun toiminta-ajatus on kiteytetty lauseeseen Älliä päähän ja papereihin. 5.1. Koeasetelma ja -menettely Taulukossa 8 olevan koeasetelman validiteettia arvioidaan erikseen luvussa 5.. Molempien ryhmien opettajana toimi tutkija. Koko ajan pyrittiin tietoisesti välttämään sellaisia tehtäviä, jotka olisivat muistuttaneet testien vastaavia. Newtonin kolmannen lain osalta tämä oli hieman vaikeaa, koska kysymys on kahden kappaleen välisestä vuorovaikutuksesta ja eri tehtävätyypit muistuttavat toisiaan. TAULUKKO 8. Raportoitavan tutkimuksen koeasetelma Ryhmä Esitestit Lähestymistapa Jälkitestit H O FCI, M, I, J Hahmottava O FCI, M, I, J M O FCI, M, I, J Mallintava O FCI, M, I, J Huom. O = havainto; FCI, M, I, J ovat testejä. 5.2 Mekaniikan ensimmäinen kurssi Lukion nykyisissä opetussuunnitelmissa mekaniikan kurssi jaetaan kahteen osaan: Mekaniikka 1 ja 2. Tässä opetuskokeilussa opetetaan kurssi Mekaniikka 1, jossa ei ole mukana statiikka. Opetussuunnitelman ratkaisujen oppimisteoreettiset perustelut ovat luvuissa.1 ja.2, ja näiden pohjalta luvussa 4.2.1 esitettiin ratkaisu siitä, miten voiman käsite rakennetaan eri lähestymistavoissa.

105 5.2.1 Kurssin opetussuunnitelmat Taulukoissa 9 ja 10 esitetään kokeilukurssien rakenne ja sisältö. Taulukoihin ei ole merkitty testeihin käytettyä aikaa, vaan oppituntien lukumäärä kuvaa etenevään opetukseen kulunutta aikaa TAULUKKO 9. Mekaniikka 1, hahmottava lähestymistapa, H-ryhmä. Aihepiiri Sisältö Oppitunnit Perushahmotus Vapaa kappale Vuorovaikutuksen symmetrisyys, törmäykset Tasainen vuorovaikutus Kappale, liiketila, vuorovaikutukset, ominaisuudet, Newtonin lakien kvalitatiiviset hahmot Newtonin I laki, tasainen liike, keskinopeus, kuvaajat Hidas massa, liikemäärä, impulssi, liikemäärän säilymislaki, kimmoisa ja kimmoton törmäys Hetkellinen nopeus, keskikiihtyvyys, hetkellinen kiihtyvyys, tasaisesti kiihtyvä liike, liikeopin perusprobleema, laskuharjoitus Hetkellinen vuorovaikutus Voima, Newtonin II laki 2 Vaikutus-vastavaikutus Newtonin III laki, voimien yhteisvaikutus, komponentit, dynamiikan peruslaki liikeyhtälönä, liikemäärä, impulssiperiaate, laskuharjoitus 6 Voimien lait Dynamiikan perusprobleema Voiman mittaaminen, Galilein painovoimalaki, pinnan tukivoima, langan jännitys, kitka, systeemikaavio Kappaleen liikeyhtälö, kytketyt kappaleet, harjoituksia 1 2 5 Yhteensä 25 TAULUKKO 10. Mekaniikka 1, mallintava lähestymistapa, M-ryhmä. Aihepiiri Sisältö Oppitunnit Liike Nopeus, keskinopeus, tasaisen liikkeen malli, kuvaajat Muuttuva liike Hetkellinen nopeus, keskikiihtyvyys, liikeopin perusprobleema, laskuharjoitus Voima Newtonin I laki, em. laki tasapainoehtona, pinnan tukivoima, gravitaatiovoiman laki, voimien resultantti, komponentit, Newtonin III laki, Newtonin II laki, dynamiikan peruslaki liikeyhtälönä, pinnan tukivoima, langan jännitysvoima, kitka Liikemäärä ja impulssi Liikemäärä, liikemäärän säilymislaki, kimmoisa ja kimmoton törmäys, impulssiperiaate, systeemikaavio, harjoituksia Dynamiikan perusprobleema Kappaleen liikeyhtälö, kytketyt kappaleet, harjoituksia 2 9 5 5 Yhteensä 24

106 Käsitteellä etenevä opetus tarkoitetaan tässä tutkimuksessa opetusta, jossa oppitunti käytetään joko uuden asian opettamiseen tai laskuharjoitteluun. Koeviikolla tai mahdollisesti kurssin lopussa kertaukseen kulunutta aikaa ei lasketa mukaan. Kurssin oppikirjana oli Fotoni 4 (Eskola, Ketolainen & Stenman 2001). Aihepiirin esittämisjärjestystä ja otsikointia jouduttiin muuttamaan. Molemmat ryhmät suorittivat lähes samat laskuharjoitustehtävät, jotka merkittiin etukäteen opetussuunnitelmaan. Tämä jaettiin oppilaille heti kurssin alussa. Vaikka käytetyn oppikirjan tekijät ilmoittavat käyttävänsä hahmottavaa lähestymistapaa, käytetyt laskuharjoitustehtävät eivät mielestäni poikkea normaaleista monipuolisista kinematiikan ja dynamiikan tehtävistä. Niiden menestyksellinen ratkaiseminen edellytti fysiikan ymmärtämistä, kirjan malliesimerkkeihin perehtymistä ja erilaisten probleemanratkaisutekniikoiden hallintaa. M-ryhmässä oli yksi oppitunti vähemmän. Tämä johtui koulun koeviikkojärjestelmästä, eikä tilannetta ollut mahdollista korjata. Kuitenkin tämän ryhmän oppilailla oli mahdollisuus osallistua H-ryhmän kertaustunneille. Tätä tilaisuutta käytti viisi M-ryhmän oppilasta. 5.2.2 Testien aikataulu Teoriassa kurssi on 8 oppitunnin mittainen, mutta käytännössä tämä ei toteudu juuri koskaan. Jos käytössä on koeviikkosysteemi, etenevään opetukseen varattu aika on noin 28 oppituntia. Tästä on seurauksena, että oppilaiden osaamisen testaaminen vie aikaa etenevältä opetukselta. Näin ollen testien pitäisi olla toisaalta riittävän lyhyitä mutta olennaiset asiat testaavia. Taulukossa 11 on testien suoritusaikataulu. FCI-voimakäsitystesti pidettiin heti kurssin alussa, koska testiin sisältyi osioita, jotka oli merkitty opetussuunnitelmaan ensimmäisille oppitunneille. Muut esitestit pidettiin ennen voiman käsitteen opettamista. Suoritusajankohta pyrittiin valitsemaan siten, että testi häiritsi mahdollisimman vähän opetusta.

107 TAULUKKO 11. Testien suorituksen aikajärjestys Oppitunnin Nro H-ryhmä M-ryhmä 1 M-esitesti J-esitesti 2 FCI-esitesti FCI-esitesti I-esitesti 8 ja 9 M- ja I-esitestit 12 Voiman käsitteen opetus 1 J-esitesti 14 Voiman käsitteen opetus Newtonin III laki 15 Newtonin II laki Newtonin III laki 16 Newtonin III laki Newtonin II laki 17 Newtonin III laki 18-24 25 M-jälkitesti 1 26 M-jälkitesti 1 Kertaus 27 Kertaus Kertaus 28 Kertaus 29 I-jälkitesti ja M-jälkitesti 2 0 I-jälkitesti ja M-jälkitesti 2 Koe: FCI- ja J-jälkitestit 1 Koe: muut tehtävät 2 Koe: muut tehtävät Koe: FCI- ja J-jälkitestit 4 Koe: muut tehtävät 5 Koe: muut tehtävät Taulukko 12 tekee selkoa ryhmien lukujärjestyksestä. Opettajalla ei ollut mahdollisuutta vaikuttaa lukujärjestyksiin. TAULUKKO 12. Ryhmien lukujärjestys. Oppitunnin numero(alku) Maanantai Tiistai Keskiviikko Torstai Perjantai 1(8:40) H-ryhmä M-ryhmä 2 H-ryhmä Ruokailu 0 min 4(11:55) 5 M-ryhmä H-ryhmä 6 M-ryhmä M-ryhmä 7 H-ryhmä M-ryhmä H-ryhmä M-ryhmä 8(15:15 16) H-ryhmä

108 5.2. Newtonin kolmanteen lakiin liittyvien oppituntien kuvaus Newtonin kolmas laki opetettiin molemmissa lähestymistavoissa seuraavalla tavalla: Ensimmäisen oppitunnin alussa oppilaille jaettiin vastauslomake, jossa oli neljä tehtävää. Esimerkki tehtävästä 1 on kuviossa 24. Kahdessa muussa tehtävässä toisessa jousivaaka oli kiinni seinässä ja toisessa se riippui katosta. Viimeisessä tehtävässä seinään kiinnitettyä jousivaaka vedettiin kahdella jousivaa alla. Punnuksen paino oli 1 N, ja tehtävänä oli ilmoittaa jousivaa an lukema ja sen perustelu. Vastaukset kerättiin, minkä jälkeen jokainen ryhmä voi omakohtaisesti käydä toteamassa jousivaakojen lukemat neljässä luokkaan järjestetyssä työpisteessä. Lopuksi keskusteltiin havainnoista. Kuvio 24. Newtonin III lain todentaminen. Newtonin kolmannen lain toinen oppitunti noudatti seuraavaa kaaviota (Laws, Sokoloff & Thornton 1999): 1. Esitellään demonstraatio ja tehdään se kuvitteellisesti. Mittausta ei tässä vaiheessa suoriteta. 2. Oppilaille jaetaan kaksi paperia, joista toiseen merkitään oma ja toiseen ryhmän yhteisesti neuvottelema ennuste kokeen lopputuloksesta.. Jokainen oppilas merkitsee oman ennusteensa paperille, ja paperit kerätään pois. 4. Ryhmät keskustelevat kunkin esittämästä ennusteesta. 5. Ryhmän yhteisesti sopima ennuste palautetaan. 6. Suoritetaan demonstraatio mittausautomaatiota hyväksi käyttäen. 7. Keskustellaan tuloksista demonstraation kontekstissa.

109 v A v B F F B A B A t t Kuvio 25. Newtonin III laki. Esimerkki ennen demonstraatiota suoritettavasta tehtävästä, jossa on kuvattava koordinaatistoon voima-anturin antaman pulssin muoto. Kuviossa 25 on esimerkki ennen demonstraatiota suoritettavasta tehtävästä. Ilmatyynyradalla on kaksi liukujaa, joihin on kiinnitetty kalibroidut voima-anturit. Oppilaiden tehtävänä on laatia ennuste törmäyksen kestäessä kummankin liukujan voima-anturin ilmaiseman pulssin muodosta ja korkeudesta vieressä olevaan koordinaatistoon. Tehtävissä liukujien nopeutta vaihdeltiin, kun massa oli vakio ja päinvastoin. Lisäksi toinen liukuja voi olla kiihtyvässä liikkeessä tai liukujat ammutaan jousella erilleen toisistaan. Lopuksi kaikki tehtävät demonstroitiin. Lopputuloksena oli identtiset pulssit, joiden perusteella pääteltiin, että kappaleet kohdistivat toisiinsa yhtä suuret ja vastakkaissuuntaiset voimat jokaisena ajanhetkenä.