Laudatur -tutkielma Fysiikan opettajan suuntautumisvaihtoehto TYÖN KÄSITE LUKION FYSIIKAN OPPIKIRJOISSA Jaakko Palin 11.5.2008 Ohjaajat: Prof. Heimo Saarikko, Prof. emer. Kaarle Kurki-Suonio Tarkastajat: Prof. Heimo Saarikko, Prof. emer. Kaarle Kurki-Suonio HELSINGIN YLIOPISTO FYSIIKAN LAITOS PL 64 (Gustaf Hällströmin katu 2) 00014 Helsingin yliopisto
HELSINGIN YLIOPISTO Tiedekunta/Osasto Fakultet/Sektion Matemaattis-luonnontieteellinen Tekijä Författare Jaakko Palin Työn nimi Arbetets titel Työn käsite lukion fysiikan oppikirjoissa Oppiaine Läroämne Fysiikka (opettajan suuntautumisvaihtoehto) Työn laji Arbetets art HELSINGFORS UNIVERSITET Aika Datum 11.5.2008 Laitos Institution Fysiikan laitos Sivumäärä Sidoantal 85 Laudatur-tutkielma Tiivistelmä Referat Tutkimuksessa analysoitiin työn käsitteen esitystapoja lukion opetussuunnitelman perusteiden 2003 mukaisissa lukion fysiikan oppikirjasarjoissa. Tarkoituksena oli selvittää, miten työn käsitteen lähestymisessä nojaudutaan empiriaan ja teoreettisen päättelyyn, millaisen kuvan kirjat antavat käsitteen empiirisestä ja teoreettisesta merkityksestä ja niiden kehittymisestä ja miten johdonmukaisesti työn käsittely etenee. Tutkimusmenetelmänä oli tekstianalyysi. Oppikirjasarjoista koottiin työn käsitteeseen liittyvät tekstiotteet. Analyysin lähtökohtana käytettiin hahmottavan lähestymistavan mukaisia suureen määrittelyn jäsentelykysymyksiä (K. ja R. Kurki-Suonio: Fysiikan Merkitykset ja Rakenteet. 3.2.1, Limes ry. 1998). Niiden perusteella valittiin neljä keskeistä näkökulmaa. Nämä pelkistettiin tekstinäytteisiin kohdistetuiksi analyysikysymyksiksi. 1. Empirian hyväksikäyttöä selvitettiin toteamalla tekstissä esiintyvän kokeellisuuden suositeltu toteutustapa, luonne (kvalitatiivinen / kvantitatiivinen) ja opetustarkoitus (käsitteenmuodostusta tukeva hahmottava tai testaava / jokin muu) 2. Tutkimuksen keskeisin näkökulma oli työn määrittelyprosessin luonne. Sen selvittämiseksi tutkittiin, miten oppikirjan esityksessä toteutuvat käsitteenmuodostuksen vaiheet, perushahmotus, kvantifiointi ja yleistys, millainen on etenemisen suunta kussakin vaiheessa ja onko eteneminen johdonmukaista? Muut kaksi näkökulmaa liittyvät spesifisesti siihen, millaisen kuvan kirjan teksti antaa työn empiirisestä merkityksestä. 3. Mihin olioihin ja ilmiöihin työn käsite liitetään mitattavana ominaisuutena, ja miten? 4. Miten työ liitetään muihin energiakäsitteisiin, erityisesti silmällä pitäen näiden käsitteiden luokitusta siirto- ja lajisuureisiin. Tutkimuksen mukaan työn käsitteen lähestyminen ja käsittely eivät perustu olennaisesti empiriaan. Työn empiirinen merkitys ei kunnolla selviä oppikirjojen esityksistä. Työn käsitteen määrittely ei perustu empiiriseen merkitykseen, vaan vallitsevana on kaavan ilmoitusluontoinen käyttöönotto. Kokeellisuuskin on pääasiassa kaavan havainnollistusta. Lähestyminen ja terminologian käyttö ei ole kovin johdonmukaista, mm. työ on vuoroin siirto- vuoroin lajisuure kaikkien sarjojen kielenkäytössä. Hahmottavaa lähestymistapaa ei juuri esiinny, joitakin satunnaisilta näyttäviä poikkeuksia lukuun ottamatta. Kirjasarjojen lähestymistavat näyttävät hyvin samankaltaisilta työn käsitteen opiskelun osalta ainakin merkityksen hahmottamisen näkökulmasta katsottuna. Avainsanat - Nyckelord Työn käsite, fysiikan oppikirjat, hahmottava lähestymistapa Säilytyspaikka - Förvaringställe Kumpulan tiedekirjasto Muita tietoja
Johdanto... 1 1. Lukion opetussuunnitelman 2003 perusteet... 2 1.1 Lukion opetussuunnitelman 2003 perusteiden oppimiskäsityksestä... 2 1.2 Työn käsite OPS:ssa... 3 2. Konstruktivistinen oppimiskäsitys... 4 3. Hahmottavan lähestymistapa... 6 4. Avainkohtia hahmottavan lähestymistavan mukaisessa työn käsitteen oppimisessa... 8 5. Analyysi... 11 5.1 Empirian hyväksikäyttö... 12 5.1.1 Empirian hyväksikäyttö Fysiikka-sarjassa... 13 5.1.2 Empirian hyväksikäyttö Fotoni-sarjassa... 16 5.1.3 Empirian hyväksikäyttö Physica-sarjassa... 18 5.2 Työn määrittelyprosessin luonne... 20 5.2.1 Työn määrittelyprosessin luonne Fysiikka-sarjassa... 21 5.2.2 Työn määrittelyprosessin luonne Fotoni -sarjassa... 22 5.2.3 Työn määrittelyprosessin luonne Physica -sarjassa... 24 5.3 Työn liittäminen olioihin ja ilmiöihin... 26 5.3.1 Työn liittäminen olioihin ja ilmiöihin Fysiikka -sarjassa... 27 5.3.2 Työn liittäminen olioihin ja ilmiöihin Fotoni -sarjassa... 30 5.3.3 Työn liittäminen olioihin ja ilmiöihin Physica -sarjassa... 33 5.4 Työn liittäminen muihin energiakäsitteisiin... 36 5.4.1 Työn liittäminen muihin energiakäsitteisiin Fysiikka-sarjassa... 36 5.4.2 Työn liittäminen muihin energiakäsitteisiin Fotoni-sarjassa... 38 5.4.3 Työn liittäminen muihin energiakäsitteisiin Physica-sarjassa... 40 6. Johtopäätökset... 43 Lähteet... 46 Liite TYÖN KÄSITTEEN ESIINTYMINEN OPPIKIRJASARJOISSA... 48 Fysiikka 1... 48 Fysiikka 2... 48 Fysiikka 4... 52 Fysiikka 5... 56 Fysiikka 6... 56 Fysiikka 7... 58 Fysiikka 8... 59 Fotoni FY 1... 60 Fotoni FY 2... 60 Fotoni FY 3... 68
Fotoni FY 4... 68 Fotoni FY 5... 68 Fotoni FY 6... 69 Fotoni FY 7... 70 Fotoni FY 8... 70 Physica 1... 72 Physica 2... 72 Physica 4... 78 Physica 5... 83 Physica 6... 83 Physica 7... 84 Physica 8... 85
Johdanto Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää miten työn käsitettä lähestytään ja käsitellään lukion opetussuunnitelman 2003 perusteiden (otettiin käyttöön vuonna 2005) mukaisissa fysiikan oppikirjoissa. Tutkimuksessa tarkastellaan ensinnäkin sitä, miten työn käsitteen lähestymisessä ja itse käsittelyssä nojaudutaan empiriaan ja teoreettiseen päättelyyn. Ja toiseksi tutkitaan millaisen käsityksen kirjat antavat työn käsitteen empiirisestä ja teoreettisesta merkityksestä sekä näiden mahdollisesta kehittymisestä. Lisäksi tutkitaan millaisen käsityksen kirjat antavat yleiskielen ja terminologian suhteesta. Teoreettisena viitekehyksenä toimii konstruktivistinen oppimiskäsitys sekä hahmottavan lähestymistavan teoria. Tavoitteena oli ensisijaisesti tutkia kuinka johdonmukaista ja aukotonta lähestyminen on, vai annetaanko lopputulos mahdollisesti valmiina. Lisäksi odotusten mukaan vastaan voi tietysti tulla jopa oikeellisuuskysymyksiä. Tarkoitus oli myös yrittää verrata kirjasarjoja keskenään; tutkia onko lähestymistavoissa yhtäläisyyksiä tai eroja. Tuleeko hierarkkinen eteneminen näkyviin: perushahmotus, esikvantifiointi ja kvantifiointi. Tutkittavat lukion fysiikan oppikirjasarjat ovat: Fotoni, Otava; Fysiikka, Tammi; Physica, WSOY. 1
1. Lukion opetussuunnitelman 2003 perusteet 1.1 Lukion opetussuunnitelman 2003 perusteiden oppimiskäsityksestä Lukion fysiikan oppikirjoissa tulee tietysti ottaa huomioon lukion opetussuunnitelman perusteissa esitetyt oppimiskäsitykset. Lukion opetussuunnitelman perusteiden yleisen osan oppimiskäsityksen mukaan oppiminen on seurausta opiskelijan aktiivisesta ja tavoitteellisesta toiminnasta, jossa hän vuorovaikutuksessa muiden opiskelijoiden, opettajan ja ympäristön kanssa ja aiempien tietorakenteidensa pohjalta käsittelee ja tulkitsee vastaanottamaansa informaatiota. [Lukion opetussuunnitelman perusteet 2003, s 14] Lisäksi yleisessä osassa todetaan, että vaikka oppimisen yleiset periaatteet ovat kaikilla samat, se mitä opitaan, riippuu yksilön aikaisemmasta tiedosta ja hänen käyttämistään strategioista. [Lukion opetussuunnitelman perusteet 2003, s. 14] Edellä esitetyissä yleisen osan otteissa tuodaan hyvin voimakkaasti esiin oppilaan aiempien tietojen ja tietorakenteiden huomioiminen opetuksessa ja sitä kautta myös oppikirjojen esityksissä. Tässä on havaittavissa yhteys myöhemmin esitettäviin konstruktivistiseen oppimiskäsitykseen ja hahmottavaan lähestymistapaan. Lukion opetussuunnitelman perusteiden fysiikan ainekohtaisen osan mukaan Fysiikka on empiirinen luonnontiede, jossa luonnon perusrakennetta ja -ilmiöitä pyritään ymmärtämään ja selittämään käyttäen luonnosta kokeellisin menetelmin saatavaa tietoa. Tavoitteena on löytää luonnossa yleispäteviä lainalaisuuksia ja esittää ne matemaattisina malleina. [Lukion opetussuunnitelman perusteet 2003, s. 144] Lisäksi todetaan, että Fysiikan opiskelulle luonteenomainen kokeellisuus voi olla aihepiirin, opetuksen vaiheen ja välineiden mukaan opiskelijoiden omakohtaista työskentelyä, opettajan esittämiä demonstraatioita, vierailujen, videoiden tai vain kerronnan kautta tapahtuvaa toimintaa. Kokeellisuudella tuetaan opiskelijaa omaksumaan uusia luonnontieteellisiä käsitteitä, periaatteita ja malleja. [Lukion opetussuunnitelman perusteet 2003, s. 144] Opiskelija oppii tarkastelemaan luonnon rakenteita ja ilmiöitä omien aikaisempien tietojensa ja käsitystensä valossa. Hän oppii tiedostamaan ja kyseenalaistamaan ennakkokäsityksiään ja tarkentamaan maailmankuvaansa hankkimansa uuden tiedon perustella. [Lukion opetussuunnitelman perusteet 2003, s. 144] Luonnontieteiden opiskelussa tiedon hankkimiseen käytetään kokeellisia menetelmiä, erilaisia tiedon lähteitä sekä tapoja käsitellä tietoa. Fysikaalisen tiedon lähteenä on ensisijaisesti luonto. [Lukion opetussuunnitelman perusteet 2003, s. 144] Edellä olevassa fysiikan ainekohtaisessa osuudessa luonnehditaan fysiikka empiiriseksi luonnontieteeksi. Otteissa painottuu voimakkaasti kokeellisen lähestymistavan merkitys fysiikan opetuksessa. Tässä näkökulmassa on selviä yhtymäkohtia myöhemmin esiteltävän hahmottavan lähestymistavan mukaiseen käsitykseen fysiikan opetuksen luonteesta. Lisäksi fysiikan opetuksen yleistavoitteissa todetaan mm., että opiskelija 2
tiedostaa ihmisen osana luontoa ja ymmärtää fysiikan merkityksen luonnon ilmiöiden mallintamisessa ymmärtää kokeellisen toiminnan ja teoreettisen pohdiskelun merkityksen luonnontieteellisen tiedon muodostumisessa jäsentää käsitystään luonnon rakenteista ja ilmiöistä fysiikan käsitteiden ja periaatteiden avulla suunnittelee ja tekee yksinkertaisia mittauksia, kykenee tulkitsemaan ja arvioimaan tuloksia sekä soveltamaan niitä [Lukion opetussuunnitelman perusteet 2003, s. 144] 1.2 Työn käsite OPS:ssa Työn käsite esiintyy suoraan mainintana Lukion opetussuunnitelman perusteissa 2003 seuraavissa kohdissa: Kurssi 2. Lämpö (FY2) Keskeiset sisällöt mekaaninen energia, työ, teho ja hyötysuhde Kurssi 4. Liikkeen lait (FY4) Keskeiset sisällöt liike- ja potentiaalienergia sekä työperiaate [Lukion opetussuunnitelman perusteet 2003, s 146-147] 3
2. Konstruktivistinen oppimiskäsitys Konstruktivismin johtavana ajatuksena on, että tieto ei siirry sellaisenaan, vaan opiskelija rakentaa (konstruoi) sen aktiivisesti itse. Tämä tapahtuu valikoimalla, tulkitsemalla ja jäsentämällä informaatiota aiemman tiedon pohjalta ja siihen uutena muokattuna osana täysin nivoutuvana. Näin opiskelija konstruoi kokemustensa avulla kuvaa siitä maailmassa, jossa hän elää. Samalla hän myös luo kuvaa itsestään tämän maailman osana. Konstruointi eli oppimisprosessi on tilanne- ja kulttuurisidonnainen. Se myös kiinnittyy voimakkaasti sosiaalisiin vuorovaikutusprosesseihin ja niiden välityksellä syntyneisiin merkitysrakenteisiin. (Rauste von Wright M. ja von Wright J. 1997, s. 15) Oppija konstruoi opetuksen sisällöt käyttämällä omaa tapaansa hahmottaa maailmaa ja sen tulkintaan käytettyjä käsitteitä. Tämän pitäisi olla opetuksen lähtökohtana. Aineisto pitäisi esitellä tavalla, joka vastaa oppijan omaa tapaa tarkastella todellisuutta. Tässä on kyse myös kaiken kommunikoinnin perusedellytyksestä; yhteinen kieli ei vielä riitä, pitää olla myös yhteinen viitekehys, jonka puitteissa viestit tulkitaan. On myös tunnettava ne oppimisen ja ongelmanratkaisun strategiat, joita oppija käyttää tiedon omaksumisen keinoina. Opiskelija ei ole tyhjä taulu. Jonkin tapahtuman tai asian ymmärtäminen perustuu sen tulkitsemiseen laajemman tietorakenteen pohjalta. Tavoitteellisen oppimisen kannalta on olennaista oppijan pyrkimys tulla tietoiseksi siitä, mitä hän kulloinkin opittavasta asiasta ymmärtää tai osaa tai ei ymmärrä tai ei osaa: tämä edesauttaa relevantin tiedon hakua, relevanttien kysymysten asettamista. (Rauste von Wright M. ja von Wright J. 1997, s. 121-124) Käsitteiden merkitykset muuttuvat oppimisen välityksellä. Olennainen oppimisen kohde eri aloja opiskeltaessa onkin kyseisien alan keskeisten käsitteiden ymmärtäminen: miten niitä olisi tulkittava ja käytettävä. (Rauste von Wright M. ja von Wright J. 1997, s. 125) On olemassa menetelmä (ns. fenomenograafinen menetelmä), jolla pyritään kartoittamaan niitä eri tapoja, joilla käsitteitä, ilmiöitä tai tapahtumia tulkitaan. Vastaavasti voidaan kartoittaa niitä laadullisesti erilaisia tulkintoja, joita ihmiset antavat vaikkapa (fysiikan) voiman käsitteelle, numeron käsitteelle jne. Kartoitukset osoittavat, että ihmisten omaksumat tulkinnat vaihtelevat suuresti asiasta riippumatta, mutta ne voidaan tavallisesti mielekkäästi ryhmitellä harvoihin toisistaan poikkeaviin tulkinta- tai käsitysluokkiin. Nämä eri tulkinnat tai käsitystyypit voidaan useimmiten järjestää hierarkiaan sen mukaan miten oikeita tai toivottuja ne ovat. Opetuksen tavoitteenahan on tietyn käsityksen tai tulkinnan välittäminen. Opetustyössä on tärkeää selvittää millaisia ovat oppijoiden tulkinnat tai käsitykset opetettavista käsitteistä tai ilmiöistä opetuksen alkaessa ja millaisia laadullisia tulkintojen muutoksia on tapahtunut opetuksen kuluessa. Oppimistuloksia arvioitaessa on usein olennaisempaa selvittää, millaisia tulkintoja on omaksuttu eli miten asia on ymmärretty kuin 4
millainen määrällinen muutos oppimisessa on tapahtunut. (Rauste von Wright M. ja von Wright J. 1997, s. 125-126) Konstruktivistisessa oppimisessa on sosiaalisella vuorovaikutuksella keskeinen rooli. Sen puitteissa rakentuu merkitysten maailma. Kun lapsi oppii käyttämään kieltä kommunikaation välineenä, hän samalla sosiaalistuu tiettyyn kulttuuriin ja sille ominaisiin merkitysten rakenteisiin. Kun toimitaan sosiaalisessa kontekstissa, niin yksilön omat ajatteluprosessit tulevat hänelle itselleen ja muille näkyviksi ja se luo uusia mahdollisuuksia reflektoida niitä itsekseen tai muiden kanssa. (Rauste von Wright M. ja von Wright J. 1997, s. 128) Hyvän opettajuuden edellytys on taito luoda oppimisympäristöjä, jotka herättävät oppijassa kysymyksiä ja auttavat häntä konstruoimaan vastauksia ymmärtäen, mihin ollaan pyrkimässä. Oleellista opettajan toiminnassa on siis yhtäältä opiskeltavan asia kannalta tärkeiden kysymysten viriäminen, toisaalta opiskelijoiden ajattelu ja ymmärtämisvalmiuksien harjaannuttaminen antamalla heille mahdollisimman monipuoliset mahdollisuudet saada palautetta omista toimintaprosesseistaan. (Rauste von Wright M. 1997, s.19) 5
3. Hahmottavan lähestymistapa Hahmottavan lähestymistavan mukaan merkitykset luodaan ensin. Vasta merkityksen ymmärtämisen jälkeen voidaan luoda siihen liittyvää terminologiaa. Merkityksiä luova hahmotusprosessi etenee havainnoista lähtemällä kohti yleisempiä käsitteitä. Kaikki käsitteet ovat hahmoja, joissa luova intuitio yhdistää teoreettiset ja empiiriset elementit erottamattomaksi kokonaisuudeksi. Hahmottavassa lähestymistavassa empirian ensisijaisuus korostuu käsitteenmuodostuksen perustana. Aito ymmärtäminen mahdollistuu vain käyttämällä opetuksen lähtökohtana luontoa ja havaitsemista. Käsitteet on hahmotettava itse. [Kurki-Suonio K. ja R 1998 s. 265] Lapsenkin oppiminen alkaa aistihavaintojen hahmottamisesta ja niiden käsittelystä, jonka lopputuloksen syntyy hahmoja, mielikuvia joista lapsen ajatusmaailma vähitellen muodostuu. Kieli syntyy taasen tarpeesta kuvata ja välittää näitä ajatusmaailman mielikuvia. Tämän käsitteellisen mallin käsitteet ja rakenteet vastaavat kuitenkin hahmoja, jotka ovat peräisin havainnoista. [Kurki-Suonio K. ja R 1998 s. 268] Käsitteet ovat luonteeltaan prosesseja ja näin ollen käsitteenmuodostus on kumuloituvaa; jokainen uusi käsite rakentuu aikaisemmille. Opetussuunnitelmassa tämä tarkoittaa sitä, että käsitteiden käyttöönottojärjestys tulisi olla oikea. Koska käsitteet ovat luonteeltaan prosesseja, niin niitä ei voi fysiikassa myöskään opettaa kerralla valmiiksi vaan ne ovat jatkuvan kehityksen alaisia. [Kurki-Suonio K. ja R 1998 s. 268-269] Hahmottavan lähestymistavan mukaan fysiikan oppiminen samastuu hyvin pitkälti suureiden määrittelyn ongelmaan, sillä suureet ovat peruskäsitteitä, joilla fysiikka esittää luontoa. Fysiikan ymmärtäminen perustuu suureiden merkityksen ymmärtämiseen. Oppimisen tulisi edetä suureen määrittelyn vaiheiden kautta. [Kurki-Suonio K. ja R 1998 s. 271] Kun suure määritellään, niin samalla sen fysikaalisen merkitys todetaan. Suureen merkitys syntyy ennen suuretta, sillä suure otetaan käyttöön, koska sitä tarvitaan esittämään jotakin luonnon olioiden tai ilmiöiden havaittavaa ominaisuutta. Suureen luovassa hahmotusprosessissa empiirinen ja teoreettinen komponentti yhdistetään, joten kaikki suureet ovat samanaikaisesti sekä kokeellisia (kokeellinen perusta) että teoreettisia (teoreettinen merkitys). Suureen määrittelyssä on otettava huomioon sen sidonnaisuudet olioon ja ilmiöön, mittaamiseen, lakiin, teoriaan ja malleihin. [Kurki-Suonio K. ja R 1998 s. 181-182] Suureen määrittelyprosessi voidaan jäsentää seuraavalla tavalla: 1. Suureen kvalitatiivisessa perushahmotuksessa syntyy suureen empiirinen merkitys ja se käsitteistyy joidenkin olioiden tai ilmiöiden ominaisuudeksi (kvaliteetiksi). Tällöin suure 6
on olemassa vain hahmona. Tämän jälkeen seuraavassa esikvantifioinnissa liitetään tähän ominaisuuteen vertailevia hahmoja, eriasteisuutta, pysyvyyttä, muuttumista ja riippuvuuksia. [Kurki-Suonio K. ja R 1998 s. 182] 2. Kvantifioinnissa luodaan tästä ominaisuudesta sitä vastaava suure. Tällöin tehdään rajauksia, pelkistetään ja idealisoidaan. Näin saadaan yksinkertaiseen perustilanteeseen liittyvä suppea perusmääritelmä. Samalla suure tulee liitetyksi niihin olioihin ja ilmiöihin, joihin se liittyy ja lisäksi siihen ominaisuuteen, jota se esittää. Perustana on koe, josta saadaan suureen määrittelylaki. Kokeen perusteella tiedetään miten suure voidaan mitata ja miten sille voidaan valita yksikkö. Usein määrittelylaki johtaa myös suureen algebralliseen määrittelylausekkeeseen. Suureen määritelmän ydin on sen määrittelylaki ja mittausmenetelmä. Samalla kvantifiointiprosessi luo suureiden hierarkkista verkkoa, jossa määrittelylain todentamiseksi tarvitaan hierarkiassa olevien alempien suureiden mittaamista ja määriteltyä suuretta voidaan käyttää hierarkiassa ylempien suureiden määrittelyssä. [Kurki-Suonio K. ja R 1998 s. 182] 3. Strukturoinnin jälkeen suureella on teoreettinen merkitys. Suureen teoreettisen merkityksen ilmaisee suureen asema fysiikan teorioiden rakenteessa. [Kurki-Suonio K. ja R 1998 s. 183] 4. Suureen merkitys yleistyy, kun sen käyttöaluetta laajennetaan poistamalla ja väljentämällä perustilanteen rajoituksia. Tällöin suureen merkitys laajenee, rakenteistuu ja abstrahoituu. Samalla palataan spiraalimaisesti aikaisempiin vaiheisiin ja tehdään niistä hierarkkisesti kerrostuvia. Näin huomataan suureiden olevan luonteeltaan ennen kaikkia prosessuaalisia ja sitä kautta huomataan niiden avoimuus. Siten suureen määrittely on jatkuva prosessi. [Kurki-Suonio K. ja R 1998 s. 183] Suureen määrittelyssä voidaan käyttää hyväksi seuraavia jäsentelykysymyksiä: [Kurki-Suonio K. ja R 1998 s. 183] 1. Kiinnitys ja luonnehdinta: 1a) Mihin olioihin ja ilmiöihin suure liittyy ja miten? 1b) Millaista niiden ominaisuutta se esittää? 2. Kokeellinen määritelmä: 2a) Mikä empiirinen laki motivoi suureen käyttöön ottamisen, tekee mahdolliseksi yksikön valitsemisen ja mittaamisen? 2b) Miten suure mitataan? 3. Teoreettinen merkitys: 3a) Mikä asema suureella on fysiikan perusteorioissa? 3b) Millaisten mallien perusteella teoria selittää suureen määrittelylain ja ennustaa suureen arvoja ja niiden muuttumista eri tilanteissa? 4. Yleistyminen: 4) Miten suureen käyttöaluetta laajennetaan ja mihin kaikkialle se voidaan ulottaa? 7
4. Avainkohtia hahmottavan lähestymistavan mukaisessa työn käsitteen oppimisessa Avainkohtien koostamisessa käytetään hyväksi edellisen luvun lopussa esitettyjä jäsentelykysymyksiä, joita tarvitaan apuna suureen työ määrittelyssä. Työ on yksi mekaniikan energiasuureista, eikä sen perushahmotusta voi erottaa erilleen muiden energiasuureiden perushahmotuksesta. Luultavasti luontevin tapa perushahmottaa suure työ olisi tehdä se samalla, kun energian käsitettä muutenkin hahmotetaan. Työn kvantitatiivinen käsittely taasen tulee mahdolliseksi heti, kun liike-energialle on saatu lauseke. 1. Kiinnitys ja luonnehdinta: 1a) Mihin olioihin ja ilmiöihin suure liittyy ja miten? Perustilanteessa lähdettäisiin tutkimaan kahden kappaleen välistä yhtä vuorovaikutusta ja työ kiinnitettäisiin tällöin vuorovaikutukseen. Tällaisia mahdollisesti havaittavia tilanteita olisivat esimerkiksi kaksi kimmoisella jousella yhdistettyä kappaletta tai hyvin kapealla radalla oleva kaksoistähti. Näissä tilanteissa hahmottuu kappaleiden liike-energian ja vuorovaikutuksen potentiaalienergian muuttuminen toisikseen ja kokonaisenergian säilyminen. 1b) Millaista niiden ominaisuutta se esittää? Energian siirtymistä kappaleilta vuorovaikutuksen potentiaalienergiaksi sanotaan työksi, jonka kappaleet tekevät vuorovaikutukselle. Vastaavasti energian siirtymistä vuorovaikutukselta kappaleille sanotaan työksi, jonka vuorovaikutus tekee kappaleisiin. Siten työ suureena ilmaisee siirtyvän energian, joka on myös työn empiirinen merkitys. Siten vuorovaikutuksen tekemä tai vuorovaikutusta vastaan tehty työ ilmenee osapuolten liike-energian muutoksena, joka merkitsee itse asiassa myös työn kvantifiointia. Samalla nähdään myös työn suhde potentiaalienergiaan, siirtyvä energiaa varastoituu vuorovaikutuksen potentiaalienergiaksi. Perushahmotusta tulee edelleen jatkaa tarkastelemalla eri vuorovaikutustilanteita ja lisäksi myös erilaisia vuorovaikutustilanteita, joissa kokonaisenergia ei säily. Tässä vaiheessa voidaan myös siirtyä tilanteeseen, jossa toinen kappale on hyvin suuri ja siten tullaan yhden kappaleen tilanteisiin, joissa voidaan puhua voiman tekemästä tai voimaa vastaan tehdystä työstä. Voidaan alkaa puhumaan nostotyöstä ja painovoiman potentiaalienergiasta. Vastaavasti voidaan alkaa puhua kitkaa ja ilmanvastusta vastaan tehdystä työstä. Tällöin kyseessä ovat energiaa kuluttavat vuorovaikutukset, jotka muuttavat liike-energiaa toiseen energialajiin, esimerkiksi kitka muuttaa liike-energiaa sisäenergiaksi tai 8
värähtelyenergiaksi, joka voidaan ymmärtää energian siirtymisenä kappaleiden sisäisen liikkeen vapausasteille. Yhden voiman tilanteen jälkeen voidaan siirtyä tarkastelemaan useamman voiman tilanteita. Esimerkiksi työnnetään kappaletta alustalla, jolloin työntävä voima tekee työtä kappaleeseen ja kappale tekee työtä kitkaa vastaan. 2. Kokeellinen määritelmä: 2a) Mikä empiirinen laki motivoi suureen käyttöön ottamisen, tekee mahdolliseksi yksikön valitsemisen ja mittaamisen? Suureen työ käyttöönoton motivoi mekaanisen energian säilymislaki ja siitä seuraa välittömästi tarve puhua energian siirtymisestä ja muuntumisesta. Työlle ei ole varsinaisesti erillistä empiiristä lakia. 2b) Miten suure mitataan? Työn kvantifiointi seuraa liike-energian kvantifioinnista kuten aiemmin perushahmotuksen yhteydessä todettiin. Siten työn kvantifiointi on osa energiasuureiden kvantifiointia. Työ voidaan mitata, mittaamalla liike-energian muutoksia. Tällöin tulee mahdolliseksi määrittää pelkistetyssä erikoistapauksessa, jossa kappaleeseen vaikuttaa yksi vakiovoima, työlle kokeellisesti lauseke Fs. 3. Teoreettinen merkitys: 3a) Mikä asema suureella on fysiikan perusteorioissa? Koulussa suureella työ on merkitys Newtonin mekaniikassa ja lämpöopissa. Newtonin mekaniikassa sen ilmaisee energiaperiaate. Lämpöopissa sen ilmaisee lämpöopin ensimmäinen pääsääntö ja lisäksi toinen pääsääntö koskee myös työtä. 3b) Millaisten mallien perusteella teoria selittää suureen määrittelylain ja ennustaa suureen arvoja ja niiden muuttumista eri tilanteissa? Mallin määrittelevät mekaniikan peruslait, erityisesti Newtonin toisen lain mukainen liikeyhtälö (ja siinä tilanteeseen liittyvien voimien lait), josta integroimalla seuraa energiaperiaate. 4. Yleistyminen: 4) Miten suureen käyttöaluetta laajennetaan ja mihin kaikkialle se voidaan ulottaa? 9
Työn varsinaista määritelmää ei yleistetä, sillä työ on aina energian siirtymistä ja samalla muuntumista. Toki koulussa erityistapausta koskevaa lauseketta Fs yleistetään muuttuviin voimiin ja vektoreihin. Lisäksi yleistämistä on myös määrittelyn ulottaminen toisenlaisiin systeemeihin, kuten pyörimisliikkeeseen (momentin tekemä työ) tai termodynaamiseen systeemiin liittyvä työ (paineen tekemä tai painetta vastaan tehty työ). 10
5. Analyysi Analyysin perustana toimivat edellisessä luvussa 4 hahmotellut avainkohdat. Niiden perusteella on haettu kysymyksenasettelua, jonka pohjalta pystyisi käytännössä tutkimaan oppikirjojen lähestymis- ja käsittelytapaa. Näin analyysissä päädyttiin keskittymään neljään näkökulmaan, jotka ovat seuraavat: empirian hyväksikäyttö (luvun 4 kohdat 1a) ja 1b)), työn määrittelyprosessin luonne (luvun 4 kohdat 1. ja 2.), työn liittäminen olioihin ja ilmiöihin (luvun 4 kohta 1.) ja viimeisenä työn liittäminen muihin energiakäsitteisiin (luvun 4 kohta 1. ja 4.). Näitä näkökulmia käsitellään kutakin erikseen omassa alaluvussaan kunkin kirjasarjan kohdalla. Analyysin helpottamiseksi liitteen tekstiaineistoon on koodattu eri väreillä kohtia, jotka liittyvät kuhunkin näkökulmaan. Käytetyt värit ovat seuraavat: empirian hyväksikäyttö = sininen, työn määrittelyprosessin luonne = ruskea, työn liittäminen olioihin ja ilmiöihin = olio keltainen ja ilmiö keltainen alleviivauksella, työn liittäminen muihin energiakäsitteisiin = punainen. Työn kohteeksi otettiin lukion fysiikan oppikirjasarjat: Fotoni (Otava), Fysiikka (Tammi) ja Physica (WSOY). Tutkimukseen otettiin siten tällä hetkellä käytössä olevat vuoden 2003 opetussuunnitelman mukaiset fysiikan oppikirjasarjat, jotta tutkimus kohdistuisi ajankohtaiseen materiaaliin. Oppikirjojen tutkiminen on toteutettu seuraavasti: Ensin kerättiin työn käsitteen esiintymät oppikirjoissa sellaisenaan ottaen mukaan sen verran ko. kohdan oppikirjan tekstiä, että käsitteen käytön ymmärtäminen siinä asiayhteydessä selviäisi. Alkuperäisissä otteissa on mukana kaikki työn käsitteeseen liittyvä materiaali, joka oppikirjoista löytyi. Otteita on eri kirjasarjoista otettu mukaan sen verran kuin niitä on kuhunkin analysoitavaan kohtaan löytynyt. Oppikirjoista koottu materiaali on tämän tutkielma lopussa erillisenä liitteenä. Seuraavaksi tulevassa analysoivassa osassa on ensin analysoitava tekstiosuus (tai siihen liittyvä selitys) ja sitten koodattu viite, joka ilmoittaa missä kirjassa ja millä sivulla ko. analysoitava tekstiosuus on. Lisäksi tämä perässä on juokseva koodi muodossa [viite otsikko numerointiin - juokseva lukuarvo], jonka perusteella löytää liiteosassa olevan alkuperäismateriaalista tarkemmin ko. kohdan, jonka alku ja loppu on merkitty samalla koodilla kuin tässä analyysiosassa. Liiteosassa oleva koodaus on lisäksi lihavoituna. Alun perin analyysiin oli tarkoitus ottaa mukaan myös oppikirjasarjojen esimerkit ja harjoitustehtävät, mutta ne päätettiin loppujen lopuksi suuren työmäärän takia rajata tutkimuksen ulkopuolelle. Esimerkit ja harjoitustehtävät oli kylläkin kaikki jo kerätty muun 11
materiaalin mukana yhtenäiseksi kokoelmaksi analyysiä varten ja niitä oli ehditty jo alustavasti analysoida. Seuraavan työvaiheen aluksi tekstinäytteet ryhmiteltiin alustavasti oppikirjassarjoittain esiintymien esiintymisjärjestyksessä näkökulmia vastaavien otsikoiden alle yhtenäistä analysointia varten. Jokaista näkökulmaa varten määriteltiin joukko testikysymyksiä, joihin analyysissä pyrittiin etsimään vastauksia. Näkökulmaa liittyvät yksittäiset näytteet analysoitiin testikysymysten avulla. Kunkin kirjasarjan kohdalla tehtiin ensin analyysien yhteenveto, jotka lopuksi pelkistettiin keskeisiin ydinkohtiin. Lopuksi kunkin näkökulman analyysiosan lopussa tehdään kirjasarjojen tekstien vertailu ko. näkökulman osalta. 5.1 Empirian hyväksikäyttö Analyysin tässä osassa tutkitaan, miten havaintoja ja kokeita käytetään hyväksi työn käsitteen opetuksessa. Käytännössä tekstinäytteissä kiinnitetään huomiota seuraaviin kysymyksiin: Millainen on tekstin esittämä tai suosittelema toteutustapa? Toteutustapa voisi olla esimerkiksi kuvassa tai tekstissä kerrottua empiriaa, opettajan demonstraatio tai oppilastyö. Tämän toteaminen kirjasta on verrattain yksinkertaista. Mutta kysymyksellä on myös opetusmetodinen merkitys. Se liittyy yhtenä olennaisena näkökulmana siihen, missä määrin oppikirjan mukainen opetus on opettaja- tai oppilaskeskeistä ja oppilasta aktivoivaa. Onko otteessa esitetty empiria kvalitatiivista vai kvantitatiivista? Kysymys koskee sitä, miten oppikirjan suosittama empiria jakautuu käsitteenmuodostusprosessin kahdelle päätasolle, kvalitatiiviselle perushahmotuksen tasolle ja kvantitatiiviselle suureiden ja lakien tasolle. Tämänkin toteaminen kunkin otteen osalta on sinänsä periaatteessa verrattain yksinkertaista. Kvantitatiivinen empiria voisi olla sellaista, johon liittyy mittaamista ja kvalitatiiviseen taas ei. Mahdollisesti voitaisiin puhua myös semikvantitatiivisesta empiriasta tapauksissa, jossa mitataan, mutta odotettavissa olevat tulokset ovat jo lähtökohtaisesti sen verran epätarkkoja, että mittaus voi johtaa vain suuntaaantavaan kvalitatiiviseen tulokseen. 12
Mikä on empirian opetustarkoitus? Käsitteenmuodostuksen kannalta tämä on selvästi tärkein opetuksellinen näkökulma käytettyyn empiriaan. Siinä on kysymys ennen muuta siitä, missä määrin oppikirjan tarjoama empiria tukee käsitteenmuodostusta. Tällaisella empirialla on aina tunnistettava käsitteellinen tavoite. Ja tässä analyysissä on myös hyödyllistä todeta, minkä käsitteen merkityksen ymmärtämistä se tukee. Näin voi muodostua kuva siitä, miten kattavasti empiria tukee työn käsitteen merkityksen kehitystä. Käsitteenmuodostusta tukeva empiria voidaan jakaa karkeasti kahteen luokkaan, hahmottavaan ja testaavaan, sen mukaan, millainen siinä on teorian suhde empiriaan. Hahmottavan kokeellisuuden tarkoitus on käsitteiden merkitysten hahmottaminen ilmiöitä havaitsemalla tai tekemällä tavoitteellisia kokeita ja ottamalla käsitteet käyttöön niiden perusteella. Kvalitatiivisena tällaiset kokeet tavoittelevat olioiden, ilmiöiden, niiden ominaisuuksien ja riippuvuuksien tunnistamista. Kvantitatiivisina ne ovat suureiden merkityksiin ominaisuuksina perustuvia mittauksia ja lakeihin tähtäävää riippuvuuksien todentamista. Testaavan kokeellisuuden tarkoitus on vahvistaa (tai kumota) ennusteita. Tämä kokeellisuus on koulussa enimmäkseen kvantitatiivista suure- tai lakiennusteiden todentamista mittaamalla. Kvalitatiivistakin testaavaa empiriaa on kaikki ilmiöiden luonnetta tai niihin vaikuttavia tekijöitä koskevien odotusten ja mielikuvien testaaminen. Perushahmotuksessa tarvitaan molempia, sekä hahmottavaa että testaavaa, eivätkä ne välttämättä selvästi edes erotu toisistaan. Ilmiöiden havaitseminen ja kvalitatiiviset kokeet ovat usein samalla kertaa molempia. Muita mahdollisia opetustarkoituksia ovat esimerkiksi metodinen harjaannuttaminen johonkin proseduuriin, esimerkiksi mittaukseen tai laskentaan. Tarkoitus voi olla myös vain kaavan havainnollistus tai oppilaiden motivointi. 5.1.1 Empirian hyväksikäyttö Fysiikka-sarjassa Työn käsittely aloitetaan Fysiikka-sarjassa kirjassa Fysiikka 2 kurssissa 2. Ensin pitempää suoraa lainausta oppikirjan työn käsitteen käsittelyn aloituksesta: Oppilastyö: Työ ja teho Oppilastoverisi istuutuu tuolille. Aseta henkilövaaka pystyasentoon ja säädä asteikko näyttämän arvoa 0 kg. Työnnä tuolia suoraan henkilövaa an avulla lattian suuntaisella vakiovoimalla esimerkiksi 2,0 m. Lue voimamittarina toimivan vaa an näyttämä lukema työntämisen aikana ja mittaa työntämiseen kulunut aika. Työ 13
Fysiikassa työ liittyy kappaleen siirtymiseen. Tehty työ oli sitä suurempi, mitä suurempi oli työntövoima ja mitä pitempi oli työntömatka. Työn tekemiseen tarvittiin voima F, jota käytettiin liikevastusten voittamiseen. Jos työntönopeus on vakio, työn tekemiseen tarvittava voima ja liikevastusvoimat ovat yhtä suuret mutta vastakkaissuuntaiset. [Fysiikka 2 s. 11] Viereisessä oppilastyöhön liittyvässä kuvatekstissä todetaan: Vaakaa ja tuolia työntävä opiskelija on saanut ravinnosta energiaa. Energian muutoksen avulla voidaan tehdä työtä. [Fysiikka 2 s. 11] Kun vakiovoima F vaikuttaa suoraviivaisesti yhteen suuntaan liikkuvaan kappaleeseen, voiman tekemä työ W on voiman ja siirtymän s tulo. työ = voima siirtymä eli. Mekaanisessa työssä kappale siirtyy voiman vaikutuksesta, voima tekee työtä esimerkiksi kitkavoimaa vastaan. [Fysiikka 2 s. 11] Työn käsitteen varsinainen käsittely aloitetaan empiirisellä oppilastyöllä, jonka jälkeen työ määritellään ilmoitusluontoisesti erityistapauksessa kaavalla. Työ lasketaan määrittelylausekkeen antamisen jälkeen oppilastyöhön liittyvillä arvoilla. Näin ollen empiriassa on kyse kvantitatiivisesta tarkastelusta, joka palvelee suuretta työ erityistapauksessa. Kaikkiaan siinä tehdään kaavan havainnollistus, joka lähinnä harjaannuttaa laskentaan, sillä mittaukset tehdään ensin ja sitten annetaan työn määrittelylauseke erityistapauksessa ja sitten lasketaan määrittelylausekkeen perusteella arvo. Tässä empiria ei kyllä varsinaisesti tue hahmottavaa käsitteenmuodostusta. [Fysiikka 2 s. 11][5.1.1-1] Seuraava empirian käyttötilanne on oppilastyö, joka koskee nostotyötä. Oppilastyössä nostetaan laukkua ylös ja lähtemällä liikkeelle aiemmin annetusta kaavasta Fs huomataan, että se voidaan kirjoittaa muotoon Gh painovoiman ollessa kyseessä. Näin saadaan laskettua nostotyön suuruus, jonka todetaan olevan yhtä suuri kuin potentiaalienergian lisäys. Tässä on kyseessä oppilastyö, joka on luonteeltaan ennustava ja samalla kvantitatiivinen. Siinä tehdään kaavan havainnollistus, joka lähinnä harjaannuttaa laskentaan. [Fysiikka 2 s. 19][5.1-2] Aseta vaunu vaunuradalle ja kiinnitä vaunuun voimamittari. Vedä vaunua voimamittarilla vaakasuoraan. Pidä vetovoima vakiona ja tarkkaile vaunun nopeuden muutosta. Kun kappaleeseen tehdään työtä, se voi alkaa liikkua. Oppilastyössä vaunun nopeus alkaa kasvaa sen lähdettyä liikkeelle. Liikkuvalla kappaleella on liike- eli kineettistä energiaa. Seuraavaksi tämän liike-energiaan liittyvän semikvantitatiivisen oppilastyön jälkeen johdetaan teoreettisesti liike-energian lauseke lähtemällä liikkeelle kaavasta W=Fs. Tässä tehdään kvalitatiivinen oppilastyö, jonka tarkoitus on hahmottaa työn ja liike-energian yhteyttä. Oppilastyön merkitys saattaa kyllä jäädä oppilaalle epäselväksi. [Fysiikka 2 s. 20][5.1.1-3] Kaasun sisäenergiaan liittyvässä oppilastyössä Pumpun avulla voidaan tehdä työtä kaasusysteemiin, jolloin kaasun sisäenergia kasvaa. Sisäenergian määritelmä annetaan tekstissä kuitenkin hieman myöhemmin. Sivulla 11 määriteltiin, että Fysiikassa työ liittyy kappaleen siirtymiseen. Mikä kappale siirtyy, kun kaasua puristetaan? Ja edelleen miten on tulkittava, että rajapinnan läpi voi siirtyä energiaa toisaalta työn vaikutuksesta? Oppilastyössä on kyseessä kvantitatiivinen empiria ja sen on tarkoitus tukea sisäenergian käsitettä. [Fysiikka 2 s. 119][5.1.1-4] 14
Oppilastyössä, jossa tutkitaan laajenevan kaasun tekemää työtä, huomataan vesihauteessa olevan pullon sisällä olevan ilman lämmitettäessä työntävän vettä pois pullosta. Tämän jälkeen johdetaan laajenevan kaasun tekemälle työlle lauseke lähtien liikkeelle kaavasta Fs. Tässä oppilastyö on kvalitatiivinen tilanteen havainnollistaminen ennen kaavan teoreettista johtamista. Oppilastyössä on kyseessä testaava kokeellisuus. [Fysiikka 2 s. 124-125][5.1.1-5] Aluksi tehdään oppilastyö, jonka jälkeen palautetaan mieleen työn määrittely lausekkeella Fs. Oppilastyön pohjalta havaitaan, että nostettaessa tarvittava voima on yhtä suuri kuin painovoima. Asia on käsitelty teoreettisesti jo aiemmin kurssin 2 kohdalla. Tämän jälkeen siirrytään tarkastelemaan mekaanista työtä kaltevalla tasolla ja johdetaan teoreettisesti siirtotyölle lauseke, jonka huomataan olevan sama kuin nostotyö. Tässä oppilastyö liittyy voiman käsittelyyn. Oppilastyössä on kyse semikvantitatiivisesta empiriasta. [Fysiikka 4 s. 94][5.1.1-6] Mekaanisen energian säilymislakiin liittyvässä oppilastyössä havainnollistetaan mekaanisen energian säilymistä. Työssä lasketaan mittausten perusteella heilurin kokonaisenergia heilurin ylimmässä kohdassa ja alimmassa kohdassa ja tämän perusteella todetaan mekaanisen energian säilyvän. Tämän jälkeen johdetaan sitten teoreettisesti mekaanisen energian säilymislaki. Kyseessä on testaava kokeellisuus, joka todennetaan kvantitatiivisesti mekaanisen energian säilymislakia mittaamalla. [Fysiikka 4 s. 100-101][5.1.1-7] Jousen värähtelyyn liittyvässä oppilastyössä tutkitaan jousen päähän kiinnitetyn punnuksen suurinta ja pienintä nopeutta ja liike-energiaa kvalitatiivisesti. Kyseessä on semikvantitatiivinen empiria. Jousivoiman tekemä työ määritetään sen jälkeen graafisesti lähtien kuitenkin taas kaavasta Fs. Kyseessä on kokeellinen testaaminen. [Fysiikka 4 s. 102][5.1.1-8] Konservatiivisen voiman käsittelyn yhteydessä viitataan jo aiemmin edellä käsiteltyyn oppilastyöhön (s. 100). Tässä yhteydessä todetaan, että painovoimaa vastaan tehty työ varastoituu Maan ja heilurin muodostaman systeemin potentiaalienergiaksi. Kuitenkaan ei puhuta vuorovaikutuksen potentiaalienergiasta vaan systeemin potentiaalienergiasta. [Fysiikka 4 s. 106][5.1.1-9] Seuraavassa oppilastyössä pudotetaan lyijypallo ja palloksi rypistetty sanomalehtiarkki ja huomataan, että kappaleet eivät ilmanvastuksen vaikutuksesta putoa yhtä nopeasti. Tämä oppilastyö toimii johdantona mentäessä mekaniikan energiaperiaatteen käsittelyyn. Tässä on 15
kyseessä semikvantitatiivinen empiria, jossa on mukana hieman hahmottavaa kokeellisuutta. [Fysiikka 4 s. 112][5.1.1-10] Sitten esitetään mekaniikan energiaperiaate, jonka jälkeen tehdään oppilastyö jossa tutkitaan mekaanisen energian säilymistä vaakasuoralla pöydällä liukuvan kappaleen ja putoavan punnuksen avulla. Tässä oppilastyössä testataan kvantitatiivisesti kokeellisesti energiaperiaatetta. [Fysiikka 4 s. 114][5.1.1-11] Johdattelevana oppilastyönä kohti energiaperiaatetta sähkökentässä tehdään oppilastyö Potentiaali ja liike-energia sähkökentässä, jossa tarkastellaan metallipäällysteisen pöytätennispallon käyttäytymistä muoviputkessa, joka laitetaan nauhageneraattorin pallojen väliin. Tämän jälkeen kirjassa todetaan Sähkökentässä olevan hiukkasen potentiaalienergia on sähköiseen vuorovaikutukseen liittyvää energiaa. ja Sähköinen voima tekee pöytätennispalloon työtä ja muuntaa sen potentiaalienergiaa liike-energiaksi. Tässä potentiaalienergia on kiinnitetty vuorovaikutukseen ja voima tekee työtä ja muuntaa potentiaalienergiaa liike-energiaksi. Oppilastyössä on kyseessä kvalitatiivinen empiria, jossa havaitaan ilmiötä. [Fysiikka 6 s. 113][5.1.1-12] YHTEENVETO: Fysiikka-sarjassa työn käsitteen opiskelussa suositettu toteutustapa on oppilastöiden käyttäminen. Tätä kautta oppikirjan opetustapa ainakin pyrkii olemaan oppilaskeskeinen ja oppilasta aktivoiva. Oppilastöissä on sekä kvalitatiivista että kvantitatiivista empiriaa. Lisäksi muutamissa töissä esiintyy semikvantitatiivista empiriaa. Pääosin käytetty empiria on kvantitatiivista. Empirian opetustarkoitus näyttää olevan useimmiten testaavaa kokeellisuutta. Hahmottavaa kokeellisuutta on hyvin vähän löydettävissä. Varsinaista johdonmukaista hahmottavaan kokeellisuuteen perustuvaa käsitteenmuodostusta ei Fysiikka-sarjan esityksessä ole työn käsitteen opiskelun yhteydessä. 5.1.2 Empirian hyväksikäyttö Fotoni-sarjassa Kirjasarjassa olevat työt on tarkoitus suorittaa oppilastöinä. Kirjassa on valmiita mittaustuloksia myös sitä ajatellen, että oppilastöitä ei aina voida tehdä ajan tai mahdollisesti välineiden puutteen takia. Työn varsinainen käsittely aloitetaan Fotoni-sarjassa kirjassa Fotoni FY 2 kurssissa 2 (työtä on kuitenkin jo alustavasti käsitelty Fotoni FY 1 -kirjassa otsikon Suuret säilymislait alla). Ensin suoraa lainausta oppikirjan työn käsitteen käsittelyn aloituksesta: Liikettä vastustava voimat tekevät työtä, joka pienentää kappaleen mekaanista energiaa. Työllä tarkoitetaan tavallisesti koneen suorittamaa työtä tai jonkun henkilön suorittamaa ruumiillista työtä. Fysiikalla käsitteellä työ on täsmällinen sisältö. Työ liittyy kappaleen siirtämiseen paikasta toiseen. Vakiovoiman tekemä työ 16
Kiihdytetään vakiovoimalla herkkäliikkeistä vaunua vaakasuoralla pöydällä. Mitataan vaunun nopeus tietokoneeseen liitetyn valoportin avulla. Tutkitaan, miten vaunun liike-energian lisäys riippuu kiihdytysmatkasta ja kiihdyttävästä voimasta. Kiihdytysmatkan vaikutus liike-energiaan Päästetään vaunu liikkeelle eri etäisyyksiltä valoportista mitattuna. Koska vaunun liike-energia on verrannollinen nopeuden neliöön, vaunun liike-energian lisäys on verrannollinen kiihdytysmatkaan, [Fotoni FY 2 s. 13] Kiihdyttävän voiman vaikutus liike-energiaan Tutkitaan, miten kiihdyttävän voiman suuruus vaikuttaa vaunun nopeuteen ja liike-energiaan. Toistetaan edellinen koe siten, että pidetään kiihdytysmatka samana ja muutetaan kiihdyttävän voiman suuruutta käyttämällä erilaista punnusta vaunun kiihdyttämiseen. Piirretään F, v 2 -kuvaaja. Tämä kuvaaja on origon kautta kulkeva suora. Nopeuden neliö ja kiihdyttävä voima ovat siis suoraan verrannollisia,. Vaunun liike-energian muutos eli voiman tekemä työ on verrannollinen vaunua kiihdyttävään voimaan ja kiihdytysmatkaan, ja. Voiman kappaleeseen tekemä työ riippuu voiman suuruudesta ja matkasta, jonka kappale siirtyy. [Fotoni FY 2 s. 14] Liikkeen suuntaisen vakiovoiman tekemä työ määritellään voiman ja siirtymän tulona: W = Fs. Työllä on SI-järjestelmässä sama yksikkö kuin energialla. [Fotoni FY 2 s. 15] Tässä on näkyvissä sellaista hahmottavaa kokeellisuutta kuin pitäisikin ainakin siltä osin, että erityistapaus W = Fs perustellaan empiriaan nojautuen. Vaunun liike-energian muutos eli voiman tekemä työ on verrannollinen vaunua kiihdyttävään voimaan ja kiihdytysmatkaan [Fotoni FY 2 s. 13-15][5.1.2-1] Seuraavassa esimerkkinä annetussa oppilastyössä havainnollistetaan kvantitatiivisella empirialla aiemmin edellä kirjassa esitettyä energiaperiaatetta. Työssä mitataan vaakasuoralla tasolla hidastuvassa liikkeessä olevan puupalikan nopeus kahden valoportin välillä ja lasketaan liikettä vastustavien voimien tekemä työ. Tämän perusteella saadaan määriteltyä palikan teoreettinen pysähtymismatka jota verrataan mitattuun pysähtymismatkaan. Oppilastyössä on kyse testaavasta kokeellisuudesta. [Fotoni FY 2 s. 18-19][5.1.2-2] Seuraavassa esimerkissä olevassa oppilastyössä havainnollistetaan kvantitatiivisella suureennusteella Joulen koetta sekoittamalla sauvasekoittimella vettä ja mittaamalla lämpötilaanturilla lämpötilan muutosta. [Fotoni FY 2 s. 108][5.1.2-3] Kyseessä on testaava kokeellisuus. Seuraavassa työssä havainnollistetaan kvalitatiivisesti sisäenergian muuttumista polkupyörän pumpun avulla. Jonka jälkeen siirrytään käsittelemään lämpöopin ensimmäinen pääsääntöä. [Fotoni FY 2 s. 110][5.1.2-4] Tässä on kyseessä kerrottu kvalitatiivinen empiria. Käytetään hyväksi kuvitteellista tilannetta, jossa flipperin jousta venytetään tai puristetaan eli kyseessä on kerrottu kvalitatiivinen empiria. Työssä, jota ei ole ilmeisesti tarkoitus edes tehdä, tutkitaan miten tehty työ riippuu venymästä. Jousivoiman tekemä työ johdetaan teoreettisesti graafisen esityksen perusteella. Venytyksessä tehty työ saadaan graafisesti 17
kuvaajasta pinta-alana. Lopuksi todetaan, että venytyksessä tehty työ varastoituu jousen potentiaalienergiaksi. [Fotoni FY 3 s. 15][5.1.2-5] YHTEENVETO: Fotoni-sarjassa työn käsitteen opiskelussa suositettu toteutustapa on oppilastöiden käyttäminen. Näin pyritään opetustapaan, joka olisi oppilaskeskeinen ja oppilasta aktivoiva. Työn käsitteeseen liittyviä oppilastöitä Fotoni-sarjassa on kovin niukasti. Oppilastöissä on sekä kvalitatiivista että kvantitatiivista empiriaa. Pääosin käytetty empiria on kvantitatiivista. Hahmottavaa kokeellisuutta on yhdessä oppilastyössä, jossa johdetaan kaava W=Fs. Varsinaista laajempaa johdonmukaista hahmottavaan kokeellisuuteen perustuvaa käsitteenmuodostusta ei Fotoni-sarjan esityksessä ole työn käsitteen opiskelun yhteydessä. 5.1.3 Empirian hyväksikäyttö Physica-sarjassa Työn käsittely aloitetaan Physica-sarjassa kirjassa Physica 2 kurssissa 2. Ensin suoraa lainausta oppikirjan työn käsitteen käsittelyn aloituksesta: 1.3 Työ on yksi vuorovaikutuksen ilmenemismuoto Työ on energian siirtoa voimien välityksellä Ennen liikkeelle lähtemistä potkukelkkailijan liike-energia on nolla. Potkuttelun seurauksena kelkkailijan liikeenergia kasvaa. Mekaanisen energian muuttumisen selvittämiseksi tarvitaan voiman tekemän työn käsitettä. Laatikon siirtäminen lattialla paikasta toiseen on sitä raskaampaa, mitä painavampi laatikko on ja mitä pitempi matka sitä työnnetään. Kun liikkuvaan kappaleeseen vaikuttaa voima, joka ei ole kohtisuorassa liikesuuntaa vastaan, voima tekee työtä. Seuraavaksi on piirretty voimakuvio, jossa ovat merkittyinä painovoima ja tukivoima sekä liukukitkavoima ja työntävä voima (joka on piirretty suuremmaksi kuin kitkavoima). Kuvioon on myös piirretty siirtymä. Tarkastellaan seuraavaksi laatikon siirtämistä. Laatikkoon vaikuttavat paino, kitka, pinnan tukivoima ja työnnöstä aiheutuva kosketusvoima. Fysiikassa vakiovoiman tekemä työ määritellään kappaleeseen vaikuttavan voiman ja kappaleen siirtymän tulona. Vakiovoiman tekemä työ, jossa F on kappaleeseen vaikuttava voima ja on siirtymä voiman vaikutussuunnassa. [Physica 2 s. 16] Tässä käytetään aluksi kerrottua empiriaa, jonka tavoitteena on ilmeisesti motivoida työn käsitteen käyttöönottoa. Tämän jälkeen esitetään ilmoitusluontoisesti työn määritelmä lausekkeena. Työ on itse asiassa jo määritelty otsikossa Työ on energian siirtoa voimien välityksellä, mutta kuitenkin otsikon jälkeen työ määritellään erikoistapauksessa lausekkeella. [Physica 2 s. 16-17][5.1.3-1] Seuraavaksi on otsikolla Tutki ja kokeile oppilastyö, jossa havainnollistetaan kvantitatiivisesti mekaniikan energiaperiaatetta selvittämällä kaltevalla tasolla liukuvaan 18
kappaleeseen vaikuttavan kitkavoiman tekemä työ. [Physica 2 s. 27][5.1.3-2] Kyseessä on testaava kokeellisuus. Tutkimustyössä otsikolla Tutki ja kokeile pyritään ilmeisesti havainnollistamaan termodynaamiseen systeemiin tehtyä työtä ja sen aikaan saamaa sisäenergian muutosta ennen lämpöopin ensimmäisen pääsäännön käsittelyä. Työssä mitataan pussin haulien alkulämpötila ja pudotetaan haulipussia 100 kertaa lattialle ja mitataan loppulämpötila. Sitten lasketaan haulien saama energia ja pohditaan mistä energia tuli. Tämän jälkeen todetaan, että Mekaniikassa työ muuttaa systeemin mekaanista energiaa, eli kappaleen liike-energian ja potentiaalienergian summa muuttuu. Termodynamiikassa lämmön siirto ja työ muuttavat systeemin sisäenergiaa. [Physica 2 s. 139][5.1.3-3] Tässä on kyseessä semikvantitatiivinen empiria. Seuraavassa Tutki ja kokeile oppilastyössä tutkitaan kumilangan toimimista lämpövoimakoneena (Feynmanin kumilankakone). Työssä ripustetaan kumilanka ja siitä roikkuva punnus statiiviin ja vuorotellen kumilankaa lämmitetään ja annetaan jäähtyä. Sitten mietitään langan saamaa energiaa, langan tekemää työtä, sen luovuttamaa energiaa ja yleensä kiertoprosessin ilmenemistä koneissa. Oppilastyö toimii kvalitatiivisena johdantona lämpövoimakoneen käsittelylle. [Physica 2 s. 143-144][5.1.3-4] Tutki ja kokeile -tutkimustyössä tutkitaan kvantitatiivisesti miten jousta venyttävä voima ja jousen venymä riippuvat toisistaan eli tutkitaan muuttuvan voiman tekemää työtä. [Physica 4 s. 116][5.1-5] Tutkimustyössä, joka on sama kuin aiemmin, (vrt. [Physica 2 s. 27][ 5.1.3-2]) havainnollistetaan mekaniikan energiaperiaatetta. [Physica 4 s. 143][5.1.3-6] 7.2 Momentin tekemä työ Etenemisliikkeessä voiman tekemä työ on voiman ja kappaleen liikkuman matkan tulo. Kun poljetaan kuntopyörää, pyörä ei liiku mihinkään, mutta silti tehdään työtä, koska vauhtipyörään kohdistuva kitka kuluttaa koko ajan vauhtipyörän pyörimisen energiaa. Tämä työ voidaan kuvata jalan polkimeen aiheuttaman voiman momentin avulla. Tarkastellaan akselin ympäri pyörivää kiekkoa, jonka ympärille kiedotusta langasta vedetään voimalla. Kun lankaa on vedetty matka Δs, voima on tehnyt työn. Pyörä on samalla kiertynyt kulman. Työ voidaan kirjoittaa muotoon. Momentin tekemä työ, jossa M on kappaletta vääntävä momentti ja on kappaleen kiertymä. [Physica 5 S. 137] Tässä käytetään momentin tekemään työhön liittyen kerrottua kvalitatiivista empiriaa. Työssä poljetaan kuntopyörää, josta todetaan, ettei se liiku mihinkään vaikka poljetaan, mutta silti tehdään työtä, sillä kitka kuluttaa koko ajan vauhtipyörän pyörimisen energiaa. Tästä työstä todetaan, että se voidaan kuvata jalan polkimeen aiheuttaman momentin avulla. Tämä jälkeen johdetaan teoreettisesti lauseke momentin tekemälle työlle. [Physica 5 s. 137][5.1.3-7] 19
YHTEENVETO: Physica-sarjassa työn käsitteen opiskelussa suositettu toteutustapa on oppilastöiden käyttäminen. Näin pyritään opetustapaan, joka olisi oppilaskeskeinen ja oppilasta aktivoiva. Työn käsitteeseen liittyviä oppilastöitä Physica-sarjassa on vähän. Oppilastöissä on sekä kvalitatiivista että kvantitatiivista empiriaa. Yhdessä oppilastyössä on semikvantitatiivista empiriaa. Hahmottavaa kokeellisuutta ei oppilastöiden yhteydessä ole. Varsinaista laajempaa johdonmukaista hahmottavaan kokeellisuuteen perustuvaa käsitteenmuodostusta ei Physicasarjan esityksessä ole työn käsitteen opiskelun yhteydessä. YHTEENVETO KAIKISTA KOLMESTA KIRJASARJASTA: Kaikissa kolmessa kirjasarjassa toteutustavaksi suositellaan oppilastöitä, mikä ainakin periaatteessa tarkoittaa oppilaskeskeistä ja oppilasta aktivoivaa opiskelua. Määrällisesti eniten oppilastöitä näyttää olevan Fysiikka-sarjassa, jossa on oppilastöitä noin kaksinkertainen määrä muihin kahteen oppikirjasarjaan nähden. Kahdessa muussa kirjasarjassa (Fotonissa ja Physicassa) on oppilastöitä työn käsitteeseen liittyen molemmissa hyvin niukasti ja niissä on oppilastöitä suurin piirtein saman verran. Pääosa oppilastöistä on kvantitatiivista empiriaa, jonkin verran esiintyy semikvantitatiivista empiriaa ja kvalitatiivista empiriaa. Opetustarkoitus näyttää tavallisimmin olevan testaavaa kokeellisuutta. Hahmottavaa kokeellisuutta on hyvin vähän millään tasolla. Ainoastaan Fotoni-sarjassa on yhdessä oppilastyössä mukana hahmottavaa kokeellisuutta. Varsinaista laajempaa johdonmukaista hahmottavaan kokeellisuuteen perustuvaa käsitteenmuodostusta ei minkään kirjasarjan esityksessä ole työn käsitteen opiskelun yhteydessä. Ja siten myöskään sitä, miten empiria tukisi työn käsitteen merkityksen kehittymistä, ei ole näkyvissä. 5.2 Työn määrittelyprosessin luonne Analyysin tässä osassa tutkitaan, miten työn käsite otetaan käyttöön opetuksessa. Tämän osan peruskysymyksiä ovat: Miten hahmottavan käsitteenmuodostuksen vaiheet, perushahmotus, kvantifiointi ja yleistys toteutetaan oppikirjan esityksessä? Millainen on etenemisen suunta kussakin vaiheessa? Onko eteneminen johdonmukaista? Edellä mainittujen asioiden tutkimiseksi tekstinäytteissä kiinnitetään huomiota seuraaviin näkökulmiin: 20