9 1 TUTKIMUKSEN LÄHTÖKOHTA 1.1 Fysiikan yleiset oppimistulokset Kevään 1998 reaalikokeen fysiikan osion ensimmäisen kysymyksen c-kohdassa esitettiin seuraava väite: Vuodenaikojen vaihtelu esim. Suomessa johtuu siitä, että Maan etäisyys Auringosta vaihtelee ellipsinmuotoisen kiertoradan eri kohdissa. Oppilas vastasi suunnilleen seuraavasti: Aurinko kiertää Maata. Välistä on kesä välistä talvi. Onko yhdeksäntoistavuotiaan, kaksitoista vuotta koulua käyneen opiskelijan maailmankuva vielä antiikin Kreikan ajattelun tasolla, vai onko fysiikan peruskurssin opetus epäonnistunut? Jääkö muistakin luonnonilmiöistä vääriä mielikuvia, ja voidaanko näitä opetuksella muuttaa? Edellä kuvatun kaltaiset oppilaat eivät juurikaan vastaa tehtäviin, joissa edellytettäisiin newtonilaisen mekaniikan lakien soveltamista. Mutta mittaako reaalikoe todella fysiikan käsitteiden osaamista, vai voiko saada kohtuullisen pistemäärän valitsemalla taulukkokirjasta sopivan kaavan ja sijoittamalla annetut arvot siihen? Paljastuuko todellinen osaaminen tämänkaltaisella kokeella, vai onko osaamisen mittaamisessa käytettävä erilaisia mittareita? Huoli osaamisen tasosta on yleismaailmallinen. Suomessa asiasta ovat kirjoittaneet Kurki-Suoniot, joiden mukaan OECD:n tutkijaryhmä piti Suomen lukioiden kieliohjelmaa ainutlaatuisen raskaana ja luonnontieteiden osuutta ainutlaatuisen suppeana. Fysiikan opiskelu ei kiinnostanut; tämä näkyi jo 1980-luvulla, jolloin fysiikan opiskelijoiden määrä eri korkeakouluissa väheni ja oman havaintoni mukaan laatutaso ei vastannut kiristyviä vaatimuksia. Opetussuunnitelmissa oppiainetta yritettiin pakolliseksi, mutta Kurki-Suonioiden mukaan opettajat vastustivat ehdotusta jopa lakon uhalla. (Kurki-Suonio, K. & Kurki-Suonio, R. 1994, 4-26. ) Suomi sekä parikymmentä muuta maata eri puolilta maailmaa osallistuivat vuosina 1970 ja 1983-84 luonnontieteiden kansainvälisiin koulusaavutustutkimuksiin. Tänä ajanjaksona siirryttiin maassamme 9-vuotiseen peruskouluun. Lukiossa luovuttiin tiukasta linjajakoisuudesta, joka korvattiin yksittäisten oppiaineiden valinnaisuutta lisäämällä. Koko 14-, 15- ja 16-vuotiaiden ikäluokka pääsi peruskoulun yläasteella systemaattisen ja ainakin osittain kokeellisen luonnontieteen opetuksen piiriin sekä fysiikassa että kemiassa. Laurénin esiraportin perusteella suomalaisten saavutukset
10 olivat huippuluokkaa 10-vuotiailla, hieman keskitason yläpuolella 14-vuotiailla ja selvästi keskitason alapuolella abiturienteilla. Fysiikassa abiturienttivaiheen kokeiden ratkaisuprosentti oli noin 40 %, kun se Hongkongissa oli 70 %. Tässä yhteydessä on huomattava, että abiturienttien tuntimäärät olivat vertailumaiden pienimpiä eikä siihen aikaan Suomen lukioissa juurikaan tehty kokeellista luonnontiedettä. Sitä vastoin samanaikaisesti suoritetussa matematiikan koulusaavutustutkimuksessa (IEA/SIMS) suomalaisten abiturienttien suoritustaso oli korkea, vaikka tuntimäärät olivat osallistujamaiden alhaisimpia. Laurénin hypoteesi on, että oppikirja- ja liitutaulusidonnainen lukio-opetus tukee pikemminkin matematiikan opiskelua kuin oppilaan luonnontieteellistä ajattelua. (Laurén 1990, 26-35.) Peruskoulun ala-asteella fysiikka sekoittuu muihin luonnontieteisiin, joten fysikaalisten käsitteiden hahmottuminen jää puutteelliseksi. Ala-asteiden opettajat ovat erikoistuneet taito- ja taideaineisiin, ja heidän viimeinen kosketuksensa fysiikkaan on ollut oppikoulun tai peruskoulun fysiikan kurssi, viime aikoina lukion pakollinen kurssi (Sarjala 1996, 23). Nähdäkseni fysiikkaa opettavan pääaineella on merkitystä opetustapaan. Johtuneeko edellisestä, että oppiaine koetaan matematiikan sanallisten esimerkkien kokoelmaksi, kuten Laurén olettaa, ja opetus johtaa lukiossa ns. TKKfysiikkaan, missä harjoittelu tähtää Teknillisen korkeakoulun pääsykokeeseen: etsitään sopiva kaava, sijoitetaan arvot kaavaan ja lasketaan tulos. Wells, Hestenes ja Swackhamer (1995) kutsuvat edellistä plug-and- chug probleemanratkaisutekniikaksi. Samaan viittaa Meltzer, jonka mukaan fysikaalisen tehtävän ratkaisu aloitetaan ilman kvalitatiivista tarkastelua ja eri esitysmuotojen kuten piirrosten, kuvaajien ym. käyttö on puutteellista. Fysiikan käsitteiden ja lakien ymmärtämiseen ei kiinnitetä huomiota. (Meltzer 1998.) Suomessa 1960- ja 1970-luvuilla käytetyssä lukion oppikirjassa lähtökohtana oli teoria eivätkä havainnot (Kattainen 1968, 22 ). Aronsin mukaan kouluissa ei panosteta operatiiviseen tietoon eli tietoon faktojen alkuperästä. Faktatiedon lukeminen ja mieleen painaminen ei ole fysiikan ymmärtämistä. (Arons 1997, 344-347.) USA: ssa on tehty kansallinen selvitys (Glenn 2000) A Report to the Nation from the National Commission on Mathematics and Science Teaching for the 21st Century, jossa viitataan TIMSS-tutkimukseen. Siihen osallistui 41 kansakuntaa, ja USA:n lukiolaiset olivat matematiikan ja luonnontieteiden osaajien joukossa lähes viimeisellä sijalla. Raportin mukaan tulevaisuuden globaali kilpailu, kansakunnan strateginen turvallisuus ja tulevien työtehtävien vaativuus edellyttävät parempaa osaamisen tasoa. Koululaitos ei ole pystynyt antamaan sellaisia
11 älyllisiä haasteita, että luonnontieteelliset aineet olisivat kiinnostaneet oppilaita. Samaan viittaavat Laws, Sokoloff ja Thornton (1999). Raportin mukaan opetuksen tason nostamiseen liittyy kolme tavoitetta, joista yksi on opettajien koulutustason kohottaminen. Välijärvi on koonnut korkeakoulujen opettajien arviointeja lukiolaisten opiskeluvalmiuksista. Fysiikan opiskelijoiden perustiedoissa on vakavia puutteita, mutta tämä riippuu korkeakoulusta. Oppilasaines on polaroitunut. Tässä yhteydessä viitataan opettajan taitojen ja persoonan vaikutukseen oppimistuloksiin. Ongelmaksi koetaan myös opiskelijoiden kehittymätön käsiala, merkintöjen epäselvyys ja puutteelliset kuviot. Oppisisältöjä voitaisiin huoletta karsia. Opiskelua vaivaa pinnallisuus: ongelmat pyritään ratkaisemaan kaavamaisesti, ja tehtävät pyritään opettelemaan ulkoa. Osa arvioitsijoista pitää opiskelijoita motivoituneina, toiset puolestaan katsovat, että puuttuu halua ponnistella. Asenteet fysiikan opiskeluun ovat kehittyneet kielteisesti jo 80- luvulta saakka. Vielä 1970-luvulla kiinnostus oli suurta ja näyttäisi siltä, että opiskelu on muuttunut innottomaksi puurtamiseksi. (Välijärvi 1997, 23, 33, 44, 50.) Kuusen mukaan riittämätön perustieto matematiikassa ja luonnontieteissä syö pohjaa koko koulujärjestelmältä ja korkeakoulutasolla joudutaan kompensoimaan matemaattisluonnontieteellistä tasoa, joka on kansainvälisen mittapuun mukaan jälkeenjäänyttä (Kuusi 1999, 3). Asiaan kiinnitettiin huomiota vuonna 1996 mm. Dimensiossa, Matemaattisten Aineiden Aikakausilehdessä. Sarjalan mukaan 1980-luvun alussa suoritetussa vertailussa vain yksi maa oli huonompi fysiikassa kuin Suomi. Hän jatkaa, että pakollisessa reaalikokeessa vastaajien määrä oli jäänyt fysiikassa ja kemiassa alle tuhannen, mutta ylimääräisessä kokeessa tilanne fysiikan osalta oli hieman parempi: osallistujia oli ollut 6000-7000. Huolestuttavaa kehityksessä on ollut se, että lukion päättövaiheessa viimeisillä kursseilla oli vain 20 % abiturienttien kokonaismäärästä. Mitä sitten osattiin? Sellaiset tehtävät, jotka edellyttivät vain vastauksena tiettyä lukua, hallittiin kohtuullisen hyvin. Jos vaadittiin perusteluja ja yleistämistä, tulokset olivat huonommat. (Sarjala 1996, 22-23.) Omat kokemukseni ovat samansuuntaisia: on erittäin vaikeaa saada oppilaat kertomaan, miten he ovat ajatelleet ja päätyneet esittämäänsä johtopäätökseen. Matemaattisten aineiden osaamisen tason kohottamiseksi käynnistettiin LUMAprojekti. Opetushallitus valitsi 25 pilottikuntaa, joiden tehtävänä oli matematiikan ja luonnontieteiden opetuksen kehittäminen. Hietamäen mukaan näyttäisi siltä, että
12 LUMA-projekti ei ole aiheuttanut merkittävää lisäystä reaalikokeen vastanneiden lukumäärään varsinkaan parina viimeisenä vuotena. Sama koskee fysiikan kurssien valintaa. Pikemminkin voisi kuvaajista päätellä laskevan trendin. Tosin aikajakso on niin lyhyt, että kehitystä ei voi ennakoida kovinkaan luotettavasti. (Hietamäki 2003, 14-18.) Eräänä ratkaisuna pidetään ainereaalia. Maalampi epäilee ainereaalin vaikutusta fysiikan suosioon ja kirjoittajien määrään ja pitää ongelmana sitä, miten fysiikka saataisiin houkuttelevammaksi aikaisempaa suuremmalle osalle lukion oppilaista. Avainasemassa hän pitää yläasteen opettajia, opinto-ohjaajia sekä oppilaiden asenteisiin vaikuttamista ala-asteella. (Maalampi 2002, 3.) Osaamisen tason nousun tai laskun päätteleminen pelkästään reaalikokeen perusteella ei ole mielestäni riittävää. Koe ehkä antaa tietoa siitä, kuinka oppimäärä ylimalkaan osataan, mutta käsitteellisellä tasolla tapahtuvaa asioiden hallintaa tämän tyyppinen koe ei merkittävässä määrin mittaa. Fysiikan perusteet liittyvät läheisesti mekaniikan kursseihin. Newtonilaisen mekaniikan puutteellinen osaaminen aiheuttaa vaikeuksia muiden kurssien sisältämien asioiden ymmärtämisessä. 1.2 Mekaniikan osaaminen Tarkastelen tässä yhteydessä lähinnä kinematiikkaan ja dynamiikkaan liittyvää osaamista. Jos tulokset osoittavat, että mekaniikan tärkeiden käsitteiden ymmärtäminen on puutteellista, niin miten matemaattisten aineiden opettajien oma ammattilehti on käsitellyt mekaniikan opetuksen ajankohtaisia kysymyksiä. Kävin läpi lähes kaikki Dimension numerot 1980-luvun lopusta aina vuoteen 2003 asti. Jos ei oteta huomioon Kurki-Suonioiden artikkeleita, joista osa käsitteli fysiikan opetusta yleensä, kinematiikkaa ja dynamiikkaa koskevia artikkeleita oli kymmenkunta. Erityisesti Viiri on kiinnittänyt huomiota voimaan ja siihen liittyviin käsityksiin. Dimension numerossa 5/94 vs.apul.prof. Manninen esittää luettelon niistä seikoista, joita hyvä fysiikan vastaus sisältää (Manninen 1994, 49-51). Lisäksi Lavosen väitöskirja (Lavonen 1996) Fysiikan opetuksen kokeellisuus ja mittausautomaatio on jaettu joka lukioon. Näyttäisi kuitenkin siltä, että jostakin syystä annetut ohjeet eivät ole tavoittaneet fysiikan opettajia.
13 1980-luvun lopussa Ylioppilastutkintolautakunta kiinnitti huomiota reaalikokeen fysiikan tehtävien ratkaisuissa esiintyneisiin puutteellisiin voimakuvioihin, fysikaalisen tarkastelun puuttumiseen ja lakien nimeämiseen. Merkillepantavaa on samojen puutteiden esiintyminen vuodesta toiseen. Olkoon esimerkkinä kevään 2001 tehtävä 3. Arminen kirjoittaa:...todettakoon taas kerran, että keskeisin asia dynamiikan tehtävän ratkaisussa on liikkeessä olevaan kappaleeseen vaikuttavien voimien päättely kappaleen ja ympäristön välisiä vuorovaikutuksia tarkastelemalla ja jatkaa... ratkaisu täytyi siis tässäkin tapauksessa aloittaa voimien päättelyllä ja voimakuvion piirtämisellä. Tämän ei olisi pitänyt olla kovin vaikeaa, sillä tehtävän yksinkertaisessa tilanteessa palomieheen vaikutti vain kaksi liikkeen kannalta merkityksellistä voimaa: painovoima ja ylöspäin vaikuttava liukukitkavoima. (Arminen 2002, 18.) Missä on vika, kun samat virheet toistuvat vuodesta toiseen erityisesti dynamiikan tehtävissä? Kokemukseni mukaan on vaikeaa saada oppilaat ymmärtämään, mikä merkitys fysiikan tehtävässä on fysikaalisen tilanteen tarkastelulla ja hyvällä kuviolla, kun tarkoituksena on osoittaa fysiikan osaamista. Tähän liittyy lisäksi sellaisten tehtävien karttaminen, jotka edellyttäisivät selittämistä. Syynä lienee, että niistä ei saa helposti täysiä pisteitä. Halkkan tutkimuksessa vuonna 2001 luonnontieteellistä perussivistystä mittaavista tehtävistä parhaiten osattiin ne, jotka edellyttivät vain ilmiön tai käsitteen tunnistamista( oikein/väärin -väitteet).tulos oli keskimäärin 83 % maksimipistemäärästä. Kun kysymyksessä oli erikoistietoja vaativat tehtävät, ratkaisuprosentti oli 35 %. Mekaniikan monivalintatehtävissä lähes kolmasosa vastaajista oli sitä mieltä, että äkillisessä jarrutuksessa bussissa istuvaan henkilöön kohdistuu eteenpäin suuntautuva voima. 44 % vastaajista väitti, että avaruudessa oleva astronautti vetää itsensä aluksen luokse aluksen pysyessä paikallaan. Eräässä tehtävässä oli tarkoituksena piirtää mittaustuloksista kuvaaja ja sen perusteella antaa vastaus, joka edellytti arvojen lukemista kuvaajasta. Vain 34 % vastaajista kykeni vastaamaan oikein, ja lähes viidesosa jäi ilman pisteitä. (Halkka 2003b, 26-28.) Oppilaiden asenteissa on toivomisen varaa. Kun vertailtavina olivat luonnontieteellisten aineiden lisäksi matematiikka ja kielet, fysiikasta ja kemiasta pidettiin vähiten (Halkka 2003a). Samansuuntaisia tuloksia lukiolaisten poikien ja tyttöjen asenteista on saatu myös Häkkilän tutkimuksessa (Häkkilä, Kärkäs, Aksela,
14 Sunnari & Kylli 1998). Kokemukseni mukaan myönteisellä asenteella on merkittävä vaikutus fysiikan opiskelussa menestymiseen. 1.3 Perinteisten opetusmenetelmien tehottomuus mekaniikan opetuksessa Edellä olevan perusteella on ilmeistä, että opetussuunnitelmien muutoksista huolimatta kinematiikan ja dynamiikan oppimistulokset eivät vastaa odotuksia. Tähän samaan seikkaan ovat kiinnittäneet huomiota mm. Halloun ja Hestenes (1985a, 1985b), McDermott, Shaffer ja Somers (1994, 46) sekä Hake (1998a). Halloun ja Hestenes ovat erityisesti tutkineet oppilaiden ennakkokäsityksiä ja laatineet niistä taksonomian. Sen perusteella laadittua FCI-voimakäsitystestiä käytetään ennakkokäsitysten selvittämiseen sekä opetuksen vaikuttavuuden tutkimiseen. Hake puolestaan on tehnyt yhteenvedon sekä perinteisellä tavalla opetettujen kurssien että vuorovaikutteisia opetusmalleja käyttäneiden kurssien tuloksista. Perinteisillä menetelmillä hän tarkoittaa opetusmalleja, joissa opettaja esittää yleiset periaatteet ja suorittaa tarvittavat demonstraatiot. Oppilaan rooli on jokseenkin passiivinen: ajattelua ei juurikaan tarvita, ja kokeet keskittyvät pääasiassa laskutehtävien ratkaisemiseen. Vuorovaikutteisissa opetusmalleissa paino on asian ymmärtämisessä, eri osapuolten välisissä keskusteluissa ja yleensäkin aktiivisessa toiminnassa. Edellä mainittujen selvitysten sekä ylioppilastutkinnon reaalikokeen tulosten valossa näyttäisi siltä, että uudet lähestymistavat ja opetusmenetelmät eivät ole levinneet kovinkaan laajasti. Muuten ehkä on vaikea selittää vuodesta toiseen samanlaisten virheiden toistumista reaalikokeessa erityisesti Newtonin mekaniikkaa koskevissa tehtävissä. Vastauksissa korostuu pelkkä algebra. Liian usein turvaudutaan taulukkokirjassa oleviin kaavoihin ja yritetään arvata, mikä kaava sopisi kuhunkin tilanteeseen. Ääriesimerkkinä voin mainita tehtäväpaperissa olleen potentiaalienergian lausekkeen, jossa korkeudelle h annetaan Planckin vakion arvo. Jos perinteiset menetelmät eivät paranna tuloksia, onko olemassa opetusmalli, jonka voisi olettaa edistävän oppimista, ja menetelmä, jolla tämä oppiminen voitaisiin mitata?
15 1.4 Tutkimuksen kohteen rajaaminen Vuosien varrella olin havainnut, että Newtonin kolmanteen lakiin liittyvä vuorovaikutuksen symmetrisyys, systeemin erottaminen ympäristöstä ja systeemiin vaikuttavien voimien tunnistaminen tuottivat vaikeuksia. Motivaatio tutkimuksen tekemiseen syntyi DFCL3-kurssin yhteydessä, jolloin jouduin vertailemaan hahmottavaa ja mallintavaa lähestymistapaa toisiinsa. Lähestymistavat muodostivat mielenkiintoisen vastakkainasettelun, joka näkyy kuviossa 1. Kokeellisuuden eli empirian rooli oli erilainen. Mallintava lähestymistapa lähtee teorian tasolta, johtaa sieltä malleja mallintamisprosessilla. Kokeellisuus on todentavassa ja testaavassa roolissa. Hahmottavassa lähestymistavassa empiria liittyy käsitteen muodostamiseen ja merkitysten hahmottamiseen. Jos voiman käsitteen merkitys rakennettaisiin eri lähtökohdista, vaikuttaisiko se edellä mainitun lain ymmärtämiseen? KIELI OLIOT, ILMIÖT SUUREET Lähtökohta: Merkitykset ensin, käsitteen muodostuminen LAIT Lähtökohta: teorian ilmaisema käsite, malleja testaava TEORIAT PERUSLAIT SELITTÄVÄ T MALLIT Kuvio 1. Kokeellisuus lähestymistavoissa.