LUKION FYSIIKAN JA KEMIAN OPPIMISTULOSTEN ARVIOINTI 2001

Katri Halkka LUKION FYSIIKAN JA KEMIAN OPPIMISTULOSTEN ARVIOINTI 2001 Oppimistulosten arviointi 2/2003 OPETUSHALLITUS

Opetushallitus Taitto: Sirpa Ropponen ISBN 952-13-1717-5 ISSN 1237-1831 Yliopistopaino, Helsinki 2002

TIIVISTELMÄ Lukiolakiin perustuva fysiikan ja kemian oppimistulosten arvionti toteutettiin otospohjaisena syksyllä 2001 yhteensä 66 päivälukiossa, joista 10 antoi ruotsinkielistä opetusta. Arviointiin osallistui 3 414 lukion kolmannen vuoden opiskelijaa, joista 2 963 suomenkielisissä ja 451 ruotsinkielisissä kouluissa. Osallistuneista oli 1 873 naisia. Arviointiin osallistui noin 10 % kaikista lukiossa kolmatta vuottaan opiskelevista. Arvioinnin tulokset perustuvat tietoihin, joita kerättiin otokseen osuneiden lukioiden rehtoreilta, fysiikan ja kemian opettajilta ja opiskelijoilta. Fysiikan ja kemian koe oli sama kaikille opiskelijoille riippumatta siitä, paljonko näiden aineiden opintoja he olivat sisällyttäneet opinto-ohjelmaansa. Rehtoreilta ja opettajilta kysyttyjen tietojen avulla saatiin kuvaa koulujen opetusjärjestelyistä. Koulujen fysiikan ja kemian pakollisten kurssien ryhmissä oli keskimäärin 26 opiskelijaa. Vähimmillään heitä oli 5 ja enimmillään 40. Noin 80 % lukioista tarjosi ja toteutti fysiikan kertauskurssin ja vastaavasti noin 45 % kemian kertauskurssin. Noin kolmanneksessa kouluista oli akuutti pula välineistä ja vain noin 10 %:ssa kouluja välinetilanne oli hyvä. Kokeessa osoitetut tiedot ja taidot olivat tasoltaan keskimäärin kohtalaisia. Opiskelijat ratkaisivat oikein keskimäärin 46 % kokeen tehtävistä. Naisten keskimääräinen tulos oli 43 % ja miesten 50 %. Tulosten ero aiheutui ensisijaisesti siitä, että noin 60 % naisista oli opiskellut vain vähän fysiikkaa ja kemiaa. Opiskelu näkyi tuloksissa siten, että mitä enemmän fysiikkaa ja/tai kemiaa oli opiskeltu, sitä paremmat tulokset olivat. Molempia oppiaineita vähän opiskelleiden keskimääräiset tulokset olivat heikot (miesten 37 % ja naisten 38 %) ja molempia oppiaineita paljon opiskelleiden keskimääräiset tulokset olivat hyvät (miesten 63 % ja naisten 60 %). Kokeessa menestyminen ja suhtautuminen fysiikkaan ja kemiaan olivat myös yhteydessä toisiinsa. Opiskelijat, jotka suhtautuivat oppiaineisiin myönteisesti, menestyivät kokeessa hyvin. Opiskelijat osasivat yksinkertaisia valintatehtäviä. Asioista osattiin yksittäisiä tietoja, mutta jo esimerkiksi mekaniikan peruslakeihin liittyvät tehtävät sujuivat huonosti. Yli puolet vähän opiskelleista hallitsi huonosti luonnontieteelle ominaisia taitoja kuten mittaustulosten käsittelyä sekä kuvioiden ja taulukoiden tulkintaa. Alueelliset erot olivat suhteellisen vähäisiä, suurimmillaan neljä prosenttiyksikköä. Suomen- ja ruotsinkielisten koulujen tulokset poikkesivat toisistaan kuusi prosenttiyksikköä. Kaikista opiskelijoista 20 % oli opiskellut paljon sekä fysiikkaa että kemiaa ja 43 % vähän kumpaakin oppiainetta. Vähän molempia oppiaineita opiskelleista 75 % oli naisia. 3

Opetussuunnitelman perusteiden tavoitteiden saavuttamiseen nähden suuri ongelma on se, että fysiikan ja kemian nykyinen asema lukiossa ei tue opiskelijoiden tasaarvoisia jatko-opintomahdollisuuksia. Koska lukion pakolliset opinnot (yksi fysiikan kurssi ja yksi kemian kurssi) eivät anna riittävää pohjaa jatko-opinnoille näitä aineita edellyttävillä aloilla, syventävien opintojen valinnat vaikuttavat suoraan opiskelijan jatko-opintomahdollisuuksiin. Fysiikan ja kemian pakolliset opinnot eivät arvioinnin tulosten perusteella myöskään nykyisin varmista kansalaisille riittävää tämän alan perussivistystä. ASIASANAT: arviointi, arvosanat, asenteet, fysiikanopetus, kemianopetus, kurssivalinnat, lukioopetus, luonnontieteellinen ajattelu, luonnontieteellinen perussivistys 4

SAMMANDRAG Hösten 2001 genomfördes en lagstadgad, sampelbaserad utvärdering av inlärningsresultaten i fysik och kemi i sammanlagt 66 daggymnasier. Av dessa var 10 svenskspråkiga. I utvärderingen deltog 3 414 studerande i gymnasiets tredje årskurs. Totalt var 1 873 av provdeltagarna kvinnor. Bland deltagarna fanns 2 963 studerande från finska gymnasier och 451 studerande från svenska gymnasier. Cirka 10 % av samtliga studerande i gymnasiets tredje årskurs deltog i utvärderingen. Utvärderingsresultaten bygger på information som samlades in bland rektorer, fysikoch kemilärare och studerande vid de gymnasier som kom med i samplet. Provet i fysik och kemi var lika för alla studerande oberoende av antalet fysik- och kemikurser som deltagarna hade avlagt inom ramen för sina studieprogram. Enkäter till rektorer och lärare gav en bild av hur undervisningen i skolorna hade lagts upp. Skolornas obligatoriska fysik- och kemikurser hade i genomsnitt 26 deltagare. Som minst var antalet deltagare 5 och som mest 40. Cirka 80 % av gymnasierna erbjöd och genomförde en repetitionskurs i fysik och ca 45 % en repetitionskurs i kemi. I ca en tredjedel av skolorna var bristen på utrustning akut och bra var läget i endast ca 10 % av skolorna. Elevernas kunskaper och färdigheter var i genomsnitt måttliga i provet. De studerande löste i medeltal 46 % av provuppgifterna rätt. Det genomsnittliga resultatet för kvinnorna var 43 % och motsvarande resultat för männen 50 %. Skillnaderna i resultatet beror främst på att ca 60 % av kvinnorna hade studerat endast lite fysik och kemi. Studiemängden syntes i resultaten så att resultaten var bättre ju mer fysik och/ eller kemi deltagarna hade läst. De provdeltagare som hade studerat endast lite fysik och kemi hade i medeltal svaga resultat (männen löste 37 % och kvinnorna 38 % av uppgifterna). Provdeltagare som hade studerat mycket fysik och kemi fick i medeltal goda resultat (männen löste 63 % och kvinnorna 60 % av uppgifterna). I allmänhet fanns det också ett samband mellan framgång i provet och attityden till ämnena. Studerande med en positiv attityd till läroämnena hade ett gott provresultat. De studerande klarade bra av enkla rätt/fel-uppgifter och flervalsuppgifter. De behärskade enskilda saker, med redan t.ex. uppgifterna i anslutning till mekanikens grundlagar vållade problem. Över hälften av dem som endast hade studerat lite fysik och kemi hade svårigheter med de färdigheter som är kännetecknande för naturvetenskaperna, såsom t.ex. behandling av mätningsresultat och tolkning av figurer och tabeller. De regionala skillnaderna var relativt små; de största skillnaderna var fyra procentenheter. De finsk- och svenskspråkiga gymnasiernas resultat skiljde sig från varandra med 6 procentenheter. 5

Av alla studerande hade 20 % studerat mycket fysik och kemi och 43 % endast lite av vartdera ämnet. 75 % av dem som endast hade studerat lite av vartdera ämnet var kvinnor. Ett stort problem med tanke på uppnåendet av målen i läroplansgrunderna är att fysikens och kemins nuvarande ställning i gymnasiet inte stöder de studerandes jämlika möjligheter till fortsatta studier. Eftersom de obligatoriska studierna i gymnasiet (en kurs i fysik och en kurs i kemi) inte ger en tillräcklig grund för fortsatta studier inom områden där kunskaper i dessa ämnen förutsätts, påverkar valet av fördjupade kurser direkt studiemöjligheterna i fortsättningen. Utvärderingsresultaten visar också att de obligatoriska fysik- och kemistudierna inte för närvarande garanterar medborgarna en tillräcklig allmänbildning inom detta område. NYCKELORD: utvärdering, betyg, attityder, fysikundervisning, kemiundervisning, kursval, gymnasieundervisning, naturvetenskapligt tänkande, naturvetenskaplig allmänbildning 6

ABSTRACT The evaluation of the learning performance in physics and chemistry, as stipulated in the upper secondary school legislation, was carried out in autumn 2001. The sample comprised 66 upper secondary day schools, 10 of which were Swedishspeaking. The evaluation covered 3,414 students from the third grade of the upper secondary school, 2,963 in Finnish-speaking and 451 in Swedish-speaking schools. 1,873 of the participants were female. 10 % of all third-grade students in Finland s upper secondary schools participated. The results of the evaluation are based on information gathered from the principals, physics and chemistry teachers and students selected in the sample. The physics and chemistry test was the same for all students, regardless of how many courses they had included in their personal curricula. The information gathered from principals and teachers sheds light on the teaching arrangements in each school. The class size in the compulsory courses in physics and chemistry varied between 5 and 40 students, the average being 26. Approximately 80 % of the schools offered and organised a brush-up course in physics and 45 % in chemistry. One-third of the schools reported an acute shortage of teaching equipment, while in only 10 % of the schools was the equipment situation satisfactory. The knowledge and skills the students demonstrated in the test were of passable level on average. The students correctly answered 46% of the questions. The average result for girls was 43 % and 50 % for boys. The difference in the results is mainly because 60 % of the girls had studied only a little physics and chemistry. The amount of studies was in direct correspondence to the results: the more a student had studied physics and/or chemistry, the better the result. The average results were poor for those who had studied both subjects only little (37 % of boys and 38 % of girls) whereas the results for those who had studied the subjects for longer periods were good (63 % of boys and 60 % of girls). Performance in the test and a student s attitude towards physics and chemistry were also linked. Those who had a positive attitude towards the subjects performed well in the test. The students mastered simple true/false statements and multiple-choice questions. Isolated details were familiar but even questions related, for example, to the basic laws of mechanics proved difficult. Over half of those who had studied the subjects just a little had poor basic scientific skills, such as dealing with measurements or analysing diagrams or tables. Regional differences were relatively small, at most four percentage points. The difference between the results in Finnish-speaking and Swedish-speaking schools was six percentage points. 7

Out of all the students, 20 % had taken many courses in both physics and chemistry whereas 43 % had taken only a few courses in the subjects. Of the latter, 75 % were girls. In terms of achieving the goals set in the national curriculum, the biggest problem is that the current position of physics and chemistry in secondary education does not support equal opportunities for all in terms of tertiary education. Because the compulsory courses (one course in physic and one in chemistry) fail to provide an adequate foundation for tertiary education in fields in which these subjects are prerequisites, whether a student selects advanced courses in these subjects has a direct bearing on his or her opportunities for tertiary education. The evaluation also reveals that, as it stands, the compulsory courses in physics and chemistry do not guarantee everyone adequate basic skills in these subjects. KEY WORDS: Evaluation, grades, attitudes, physics teaching, chemistry teaching, course selection, upper secondary education, scientific thinking, scientific basic education 8

SAATTEEKSI Lukion fysiikan ja kemian oppimistulosten arvioinnin tavoitteena oli selvittää, paljonko lukion päättövaiheen opiskelijat ovat opiskelleet näitä aineita ja millaisia asioita he osaavat. Toteutuksen lähtökohtana oli Lukion opetussuunnitelman perusteet (Opetushallitus, 1994). Lisäksi tukeuduttiin opetusalan ammattilaisten näkemyksiin siitä, mitä jokaisen yleissivistävän koulun päättäneen tulisi osata fysiikasta ja kemiasta. Arviointi poikkesi tavanomaisesta oppimistulosten arvioinnista siinä, että tavoitteena oli löytää tietoa opiskelijoiden osaamisesta kahdessa oppiaineessa. Tästä syystä arvioinnin tavoitteet olivat toisenlaiset kuin lukion kurssikokeessa tai ylioppilastutkinnon reaalikokeessa. Kaikki osallistujat tekivät saman kokeen, vaikka opiskelijat olivatkin suorittaneet eri määriä fysiikan ja kemian kursseja. Eri kouluissa fysiikan ja kemian pakollisetkin kurssit toteutetaan eri painotuksin opetussuunnitelman perusteiden sallimissa rajoissa. Lukiokoulutuksen tavoitteena on taata niin opiskelijoiden jatko-opintokelpoisuus kuin heidän yleissivistyksensä. Yleissivistys muodostuu niin taiteiden, humanistis-yhteiskunnallisten, matemaattisten kuin luonnotieteellisten alojen perustuntemuksesta. Vuoden 1989 matemaattis-luonnontieteellisen perussivistyksen komitean loppumietinnössä esitettiin huoli kansalaisten luonnontieteellisten (ja matemaattisten) pohjatietojen niukkuudesta, vaikka fysiikan ja kemian opinnot ovat pakollisia perusopetuksen aikana. Lukiossa pakollisia opintoja on yhteensä vain kahden kurssin verran. Fysiikan ja kemian syventäviä opintoja valitsevat enimmäkseen ne, jotka aikovat jatkaa opintojaan niitä edellyttävillä aloilla. Viimeistään vuonna 2006 käyttöön otettavien uusien tuntijakojen ja uusien opetussuunnitelmien perusteiden myötä fysiikka ja kemia tulevat toivottavasti painokkaammin osaksi perusopetuksen alaluokkienkin opetusta. Tämä avaa mahdollisuuden sille, että perusluonnontieteiden tiedot aukeaisivat myös niille, jotka eivät valitse jatko-opintojaan luonnontieteellisiltä tai teknisiltä aloilta. Luokan- ja aineenopettajien koulutus ja yhteistyö saa näin uusia haasteita. Tämän arvioinnin järjestäminen on vaatinut monien henkilöiden merkittävän työpanoksen: Asiantuntijaryhmän kanssa pohdittiin toteutuksen suuntaviivat ja tehtävänlaatijat kantoivat päävastuun kokeen laatimisesta. Opetushallituksen arviointivirkamiehet opastivat allekirjoittanutta arviointitutkimuksen sekä aineiston tilastollisen käsittelyn maailmaan ja selvittivät hallinnollisia käytänteitä. Harjoittelijoina olleet opiskelijat Lauri Mantere ja Saara Syrjäsuo avustivat ansiokkaasti aineiston käsittelyssä. Kiitokset kaikille yhdessä ja erikseen asiantuntijuudesta, tuesta ja hyvästä työtoveruudesta. Kiitokset myös Elsa Tontcheville tehtävävihkon taidokkaasti toteutetusta kuvituksesta. 9

Erityisen lämpimästi haluan kiittää niin arviointiin kuin tehtävien esikokeiluun osallistuneiden koulujen rehtoreita, opettajia sekä opiskelijoita. Ilman heidän asiallista suhtautumistaan ja panostaan tämä arviointi ei olisi ollut mahdollinen. Helsingissä ystävänpäivänä 14.2.2003 Katri Halkka 10

SISÄLTÖ TIIVISTELMÄ SAMMANDRAG ABSTRACT SAATTEEKSI SISÄLTÖ 1 JOHDANTO... 13 1.1 Lukiolaisten fysiikan ja kemian arvioinnin koulutuspoliiittinen tarve ja tarkoitus (Ritva Jakku-Sihvonen)... 13 1.2 Aikaisempia fysiikkaan ja kemiaan liittyviä kehittämishankkeita ja arviointeja... 14 2 ARVIOINNIN LÄHTÖKOHDAT... 18 2.1 Fysiikan ja kemian asema yleissivistävässä koulutuksessa... 18 2.1.1 Fysiikka ja kemia perusopetuksessa ja lukiossa... 20 2.1.2 Fysiikka ja kemia ylioppilastutkinnossa... 21 2.2 Opetussuunnitelman perusteet arvioinnin lähtökohtana... 22 3 LUKION FYSIIKAN JA KEMIAN OPPIMISTULOSTEN ARVIOINTIHANKE 25 3.1 Arvioinnin tehtävä... 25 3.2 Resurssit ja aikataulu... 25 3.3 Mittaristo... 27 3.3.1 Koetehtävien laadinta ja esitestaus... 27 3.3.2 Fysiikan ja kemian kokeen rakenne... 28 3.3.3 Opiskelijoille suunnattu taustakysely... 30 3.3.4 Rehtoreille ja opettajille suunnatut kyselyt... 31 3.4 Koesuoritusten pisteitys ja tulosten käsittely... 32 3.5 Otanta... 33 3.5.1 Suunniteltu otos... 33 3.5.2 Toteutunut otos... 35 3.5.3 Otoksen jakaumatietoja... 38 3.6 Luotettavuus... 42 4 TULOKSET... 45 4.1 Fysiikan ja kemian osaaminen... 45 4.2 Tietoa kouluista... 51 4.2.1 Koulukohtaiset tulokset... 51 4.2.2 Kouluja ja opetusta koskevaa taustatietoa... 52 4.3 Opiskelijoiden käsityksiä fysiikan ja kemian opiskelusta... 56 4.4 Osaaminen suhteessa taustatietoihin... 62 4.5 Miten tehtäviä osattiin?... 64 4.5.1 Perussivistystehtävät... 65 4.5.2 Luonnontieteelliseen ajatteluun liittyvät tehtävät... 68 4.5.3 Fysiikan tehtävät... 70 4.5.4 Kemian tehtävät... 72 11

5 KESKEISET TULOKSET JA JOHTOPÄÄTÖKSET... 75 5.1 Yhteenveto tuloksista... 75 5.2 Kokeessa menestymiseen vaikuttavista tekijöistä... 78 5.3 Johtopäätöksiä tuloksista... 79 6 LÄHTEET... 81 KUVIOT... 83 TAULUKOT... 85 LIITTEET... 86 12

1 JOHDANTO Tämän luvun ensimmäisessä osassa opetusneuvos Ritva Jakku-Sihvonen selvittää lukiolaisten fysiikan ja kemian arvioinnin koulutuspoliittista tarvetta ja tarkoitusta. Sitten kuvaillaan tämän arvioinnin taustaksi aikaisempia fysiikkaan ja kemiaan liittyviä kehittämishankkeita ja arviointeja. 1.1 Lukiolaisten fysiikan ja kemian arvioinnin koulutuspoliiittinen tarve ja tarkoitus Ritva Jakku-Sihvonen Mielenkiinto suomalaisten lukiolaisten luonnontieteiden osaamisen tason seuraamiseen virisi Opetushallituksen johtokunnassa vuonna 1994, jolloin valmistuneen LU- KION TILA -arvioinnin tuloksia käsiteltiin. Tuolloin käytiin pitkä keskustelu siitä, millaisiin tavoitteisiin fysiikan ja kemian opettamisella koko lukioikäluokalle tulisi pyrkiä. Keskustelun viritti se arviointiraportissa esille tullut havainto, että fysiikan ja kemian oppimistulokset eivät ylioppilastutkintotehtäviin annettujen vastauksien perusteella näytä lainkaan vastaavan sitä vaatimustasoa, jota erityisesti luonnontieteiden, lääketieteen ja tekniikan alan korkeakouluopintoihin ja luonnontieteisiin, terveydenhuoltoon ja tekniikan aloille suuntutuneilta ammattikorkeakouluopiskelijoilta voitaisiin edellyttää. Raporttia käsiteltäessä kiinnitettiin huomiota siihen, että käytettävissä ei ollut tietoa siitä, millaiset valmiudet lukion käyneillä on luonnontieteiden alalta, koska huomattava osa ylioppilaskokelaista ei valitse reaalikokeessa lainkaan kemian ja fysiikan tehtäviä. Johtokunta piti kuitenkin tärkeänä sitä, että kaikilta ylioppilaita tulisi edellyttää myös luonnontieteissä perussivistystä. Nostin keskustelussa esille mahdollisuuden järjestää luonnontieteiden osalta sivistysvarantoarviointi, jonka avulla voitaisiin tuottaa tietoa myös niiden opiskelijoiden luonnontieteiden taidoista, jotka eivät ylioppilaskokeessa lainkaan suorita kemiaa ja fysiikkaa. Lukiolaisten kemian ja fysiikan sivistysvarantoarvioinnin sisällyttämisestä Opetushallituksen arviointiohjelmaan vallitsi johtokunnassa laaja yksimielisyys. Lukiolaisten kemian ja fysiikan osaamisen tason arviointia vauhdittivat myös LUMAhankkeessa karttunut tieto kemian ja fysiikan osaamisen tasosta ja ammattikoululaisten keskuudessa tehdyn luonnontieteiden oppimistulosten arvioinnin tulokset vuonna 1998. Ammatillisissa oppilaitoksissa tehty arviointi osoitti, että osaamisen taso on hyvin vaatimatonta. Opetusministeriön ja Opetushallituksen väliseen tulossopimukseen lukiolaisten fysiikan ja kemian arvioinnin järjestäminen kirjattiin syksyllä 1999. Nyt raportoitava otantaperustainen arviointi aloitettiin vuonna 2000. 13

Mitä ymmärretään sivistysvarantoarvioinnilla? Sivistysvarantoarvioinnin tarkoituksena on selvittää tietyn sisältöalueen osaamisen laatua ja osaajien määrää tietyssä yhteisössä. Usein puhutaankin kansallisesta sivistysvarannosta. Suomenkin oloissa koko luonnontieteellisen sivistysvarannon arviointi olisi suururakka; sen sijaan lukion tuottaman sivistysvarannon arviointi on hyvin mahdollinen tehtävä. Tämän arvioinnin perimmäisenä tarkoituksena on selvittää fysiikan ja kemian osaamisen tasoa ja eri tavoin fysiikkaa ja kemiaa taitavien määriä. Arviointi on suppea sivistysvarantoarviointi ja kohdistuu vain päivälukioon. Mielestäni lukiolaiset voidaan yleisen orientaationsa perusteella jakaa kolmeen ryhmään: generalisteihin, laaja-alaisesti orientoituneisiin ja erikoistumisorientoituneisiin. Generalisteille on tyypillistä se, että lukiossa opiskellaan vähän kaikkea. Laaja-alaiselle sivistysorientaatiolle on ominaista se, että lukiossa opiskellaan mahdollisimman monia aineita niin paljon, että mahdollisimman monet urat ovat lukion jälkeen avoinna. Erikoistumissuuntautuneille opiskelijoille on ominaista ainakin jonkinasteinen tietoisuus lukion jälkeisistä opinnoista, mikä mahdollistaa valinnaisten opintojen painottamisen tiettyihin aineisiin. Viimeksi mainittuun ryhmään kuuluu usein esimerkiksi niitä opiskelijoita, jotka ovat suuntautuneet matemaattis-luonnontieteellisille tai teknisille aloille. Fysiikan ja kemian arvioinnissa pyrittiin selvittämään eri tavoin orientoituneiden opiskelijoiden määriä. Lisäksi arvioitiin sitä, miten hyvin eri tavoin suuntautuneet opiskelijat hallitsevat lukiokoulutukselle asetetut fysiikan ja kemian tavoitteet. Arvioinnin toivotaan tuottavan merkittävää tietoa koulutuksen suunnittelun tarpeisiin. 1.2 Aikaisempia fysiikkaan ja kemiaan liittyviä kehittämishankkeita ja arviointeja Matemaattis-luonnontieteellisen perussivistyksen komitean loppumietintö 14 Vuonna 1987 asetetun matemaattis-luonnontieteellisen perussivistyksen komitean vuonna 1989 antamassa loppumietinnössä selvitetään Suomen matemaattis-luonnontieteellisen yleissivistyksen ja tietämyksen tasoa ja sisältöä sekä annetaan koulutusta koskevia kehitysehdotuksia. Koulutuksen tavoitteeksi asetetaan matematiikan, luonnontieteiden ja tietotekniikan alueilta sellaiset perussivistyksen edellyttämät riittävät perustiedot ja -taidot, jotta yksilö selviytyy jokapäiväisen elämän tilanteissa, kykenee ymmärtämään ilmiöitä rationaalisesti sekä pystyy elämässään ottamaan vastaan uutta, yleissivistykseen kuuluvaa tietoa, arvioimaan sen merkitystä, ottamaan sen perusteella kantaa omaa elämäänsä ja toimintaansa sekä yhteiskuntaa koskeviin kysymyksiin ja tekemään niissä ratkaisuja. Lisäksi mietinnössä edellytetään, että koulutusta saaneet yhteiskunnan jäsenet ovat selvillä siitä, kuinka tieteen tuottama tieto syntyy ja muut-

tuu. He osaavat ottaa tämän huomioon kohdatessaan jokapäiväisessä elämässä, kuten työssään ja tiedotusvälineissä, uutta tietoa mainituilta aloilta. Heidän tulee oppia tuntemaan matemaattis-luonnontieteellisen tiedon rajoitukset ja kyetä tasapainoisesti sovittamaan matemaattis-luonnontieteellinen tieto humanistis-yhteiskunnalliseen tietoon. Koulutuksen tulee antaa matematiikasta, luonnontieteistä ja tietotekniikasta riittävät pohjatiedot, joita tarvitaan kaikkien alojen opinnoissa sekä kasvattaa yhteiskunnan jäsenet kykeneviksi punnitsemaan luontoa, yhteiskuntaa ja itseään koskevia arvoja. (Komiteamietintö 1989:45, 3 4.) Mietinnön rakenteellisista kehitysehdotuksista useat ovat jo toteutuneet: Lukio on luokaton, sen valinnaisuutta on lisätty ja kursseja voi suorittaa myös toisissa lukioissa. Ylioppilaskirjoituksen voi suorittaa hajautetusti. Luonnontieteiden aseman vahvistaminen ja opetuksen kehittäminen on todettu tärkeiksi asioiksi, kuitenkaan unohtamatta matemaattisia ja humanistis-yhteiskuntatieteellisiä aloja. Valtakunnallisesti on järjestetty LUMA-hanke 1, joka päättyi vuonna 2002. Valtakunnallisessa lukion tuntijaossa on luonnontieteissäkin pakollisia kursseja, mutta vähemmän kuin komitean ehdotuksessa. Fysiikan ja kemian osalta ehdotettiin kumpaankin kahta pakollista kurssia, joista ehdotettiin muodostettavan neljän kurssin laajuinen kokonaisuus. Nykyisessä, kuten myös viimeistään vuonna 2006 käyttöönotettavassa, tuntijaossa pakollisia ovat yksi fysiikan ja yksi kemian kurssi. Kehittämishankkeita LUMA-hankkeen kansainväliset arvioijat totesivat, että hanketta tulisi jatkaa jossain muodossa, sillä syntynyttä innostusta, opettajien koulutusta sekä yhteistyöverkkoja tulisi hyödyntää (Opetusministeriö, 2002a). Määrällisiä tavoitteita matematiikan ja luonnontieteellisten aineiden opiskelijoiden lisäämiseksi ei saavutettu eikä esimerkiksi fysiikan ja kemian vastaajien lukumäärä ylioppilaskirjoitusten reaalikokeessa noussut tavoitellulle tasolle (Opetusministeriö, 2002b). Lukiossa fysiikan ja kemian laajoja oppimääriä opiskellaan vähän ja naisten osuus opiskelijoista on pieni. Hankkeessa mukana olleiden koulujen oppilaat olivat motivoituneita ja oppitunneilla löytyi oppimisen ilo, kuten Irma Aroluoman raportista ilmenee (Aroluoma, 2002). 1 LUMA (Matematiikan ja luonnontieteiden opetuksen kehittämishanke 1996 2002). Hanke oli Opetushallituksen osuus opetusministeriön koordinoimaa valtakunnallista kehittämisohjelmaa, jonka tarkoituksena oli nostaa suomalaisten matematiikan ja luonnontieteiden osaaminen kansainväliselle tasolle. 15

Kansainvälisiä luonnontieteiden arviointeja Aiemmat luonnontieteiden arvioinnit ovat sisältäneet fysiikan ja kemian kysymysten lisäksi sekä biologian että maantiedon kysymyksiä. Suomi on ollut mukana myös kansainvälisissä luonnontieteiden koulusaavutustutkimuksissa. IEA:n 2 organisoimat tutkimushankkeet toteutettiin Suomessa vuosina 1970 (FISS 3 ) ja 1984 (SISS 4 ). Mukana oli 10-vuotiaita, 14-vuotiaita sekä abiturientteja. Vuonna 1970 koululaisten tiedolliset saavutukset olivat luonnontieteissä teollisuusmaiden keskitasoa. Vuonna 1984 10-vuotiaat edustivat osallistujamaiden kärkipäätä, 14-vuotiaat olivat pysytelleet teollisuusmaiden keskiarvon tuntumassa ja abiturienttien tiedolliset oppimistulokset jäivät keskitason alapuolelle (Laurén, 1985 ja 1987.) Vuosien 1970 1984 aikana abiturienttien osuus ikäluokasta kasvoi 21 %:sta 40 %:iin. Keskimääräinen saavutustaso kansainvälisessä kokeessa ei kuitenkaan laskenut, mikä on merkityksellinen seikka. Luonnontieteissä järjestettiin abiturienteille yleiskokeen lisäksi spesialistikoe niille opiskelijoille, jotka opiskelivat luonnontieteitä lukiossa. Vuonna 1984 fysiikkaa ja kemiaa opiskeli lukiolaisista noin 15 %. Spesialistikokeen tulokset olivat heikoimmat kemiassa ja fysiikassa ja tulokset laskivat vuoden 1970 kokeesta. (Laurén, 1990.) Kansallisia luonnontieteiden arviointeja Perusopetuksen oppilaiden luonnontieteiden tietoja ja taitoja on arvioitu IEA:n vuonna 1999 järjestetyssä TIMSS-tutkimuksessa 5. Suomesta osallistuneet oppilaat olivat pääosin perusopetuksen 7.-luokkalaisia. Suomi sijoittui kymmenenneksi 38 maan joukossa. Tutkimuksessa huomattiin, että parhaiten menestyneiden maiden oppilaat suhtautuivat myönteisesti oppiaineeseen. Suomalaisista oppilaista 11 % suhtautui myönteisesti fysiikkaan ja 15 % kemiaan. (Martin et. al. 2000.) Vuonna 2000 OECD:n 6 toteuttaman PISA-tutkimuksen 7 pääalueena oli lukutaito, mutta kokeeseen sisältyi myös matematiikan ja luonnontieteiden tehtäviä. Mukana oli 32 maata ja perusjoukkona olivat 15-vuotiaat nuoret. Tavoitteena oli selvittää sitä, mitä nuoret osaavat. Tehtäviä ei valittu opetussuunnitelmien perusteella, vaan niiden laadintaa ohjasi kolme jäsentävää tekijää: luonnontieteelliset käsitteet, tiedonhankinnan prosessit ja luonnontieteellisen tiedon käyttötilanteet. Suomalaiset oppilaat sijoittuivat luonnontieteen tehtävissä kolmannelle sijalle. Vuonna 2006 on luonnontieteet pääalueena. (Välijärvi et. al. 2002.) 16 2 IEA (International Association for The Evaluation of Educational Achievement) 3 FISS (The First International Science Study) 4 SISS (The Second International Science Study) 5 TIMSS (The Third International Mathematics and Science Study) 6 OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development) 7 PISA (Programme for International Student Assessment)

Opetushallitus on arvioinut luonnontieteiden oppimistuloksia sekä perusopetuksen 9. luokalla että ammatillisessa koulutuksessa. Molemmissa arvioinneissa tulokset olivat fysiikan ja kemian osalta heikot (Rajakorpi, 1998 ja Saloheimo, 1998). Tämän arvioinnin tarkoituksena oli selvittää sitä, mitä yleissivistävän koulun päättövaiheessa olevat opiskelijat tietävät fysiikasta ja kemiasta. Aiemmista arvioinneista poiketen arviointiin osallistuneet opiskelijat tekivät samat tehtävät riippumatta siitä, kuinka paljon fysiikan ja kemian opintoja he olivat sisällyttäneet opintoihinsa. 17

2 ARVIOINNIN LÄHTÖKOHDAT Tässä luvussa kuvataan fysiikan ja kemian asemaa sekä lukion oppiaineina että ylioppilastutkinnon reaalikokeessa. Lisäksi selvitetään valtakunnallisia opetussuunnitelman perusteita fysiikan ja kemian näkökulmasta. Esityksessä painotetaan luonnontieteellistä perussivistystä fysiikan ja kemian osalta ja luonnontieteelliseen ajatteluun liittyviä taitoja, jotka ovat opetussuunnitelman perusteissa mainituista tavoitteista niitä, jotka kaikkien lukion suorittaneiden tulisi saavuttaa. 2.1 Fysiikan ja kemian asema yleissivistävässä koulutuksessa Lukion päättövaiheessa olevien opiskelijoiden luonnontieteellinen perustietämys on karttunut niin perus- ja lukio-opetuksen kuluessa kuin median ja opiskelijan omien kokemustenkin kautta. Kuviossa 1 havainnollistetaan lukio-opintoja (valtioneuvoston päätökset n:o 834 perusopetuksen ja n:o 835 lukion tuntijaosta 23.9.1993) sekä lukio-opintojen ja ylioppilastutkinnon välistä riippuvuutta. Kuva on jaettu ylioppilastutkinnon kokeiden mukaan alueisiin, joihin lukiossa tarjottavat kurssit on sijoitettu. 18

KUVIO 1. Fysiikan ja kemian opinnot perus- ja lukio-opetuksen yhteydessä. 19

2.1.1 Fysiikka ja kemia perusopetuksessa ja lukiossa Perusopetuksen aikana fysiikka ja kemia kuuluvat kaikille yhteiseen oppiainekseen. Ne sisältyvät ala-asteella ympäristöopin yhteyteen 8 ja yläasteella niitä opiskellaan omina oppiaineinaan yhteensä vähintään kuusi viikkotuntia. Suorittaakseen lukion oppimäärän opiskelijan on opiskeltava vähintään 75 kurssia, joista pakollisia opintoja on 45 49 ja syventäviä vähintään 10 kurssin verran. Valtakunnallista opetussuunnitelmaa noudattavissa päivälukioissa opiskelijan on opiskeltava yksi pakollinen kurssi fysiikkaa ja yksi pakollinen kurssi kemiaa 9. Lukiossa yhteisten opintojen määrä on näissä aineissa paljon vähäisempi kuin perusopetuksen yhteydessä. Lukioissa noudatetaan valtioneuvoston päättämää tuntijakoa, jonka mukaan opinnot jakaantuvat pakollisiin, syventäviin ja soveltaviin kursseihin. Syventävät kurssit ovat pääasiassa pakollisiin kursseihin välittömästi liittyviä jatkokursseja, joita koulun tulee tarjota oppilailleen tietty minimimäärä valittavaksi. Syventävien kurssien minimimäärät määritellään valtakunnallisessa tuntijaossa. Yhdessä pakollisten kurssien kanssa nämä minimimäärät muodostavat kunkin oppiaineen sen oppimäärän 10, jonka perusteella ylioppilaskirjoitusten kokeet laaditaan. Tämä oppimäärä koostuu fysiikan osalta yhdestä pakollisesta ja seitsemästä syventävästä kurssista ja kemian osalta vastaavasti yhdestä pakollisesta ja kolmesta syventävästä kurssista. Soveltavat kurssit ovat monioppiaineisia kursseja, menetelmäkursseja, muita koulukohtaisia kursseja tai muissa oppilaitoksissa opiskeltavia kursseja. Minimimäärän ylittäviä syventäviä kursseja ja soveltavia kursseja lukiot voivat tarjota koulutuksen järjestäjän myöntämien resurssien mukaisesti. Näistä kursseista on kerätty valtakunnallista tietoa vain suoritettujen kurssien lukumäärän osalta. Lukuvuonna 1999 2000 päättötodistuksen saaneita opiskelijoita oli yhteensä 34 744, joista naisia oli 20 608. Näistä lukiolaisista noin kolmannes oli suorittanut 1 7 fysiikan syventävää kurssia. Saman verran opiskelijoista oli suorittanut 1 3 kemian syventävää kurssia. Määriin sisältyy esimerkiksi vain yhden syventävän kurssin suorittaneet opiskelijat. Kaikista opiskelijoista 8 % oli suorittanut vähintään kahdeksan fysiikan syventävää kurssia. Vastaavasti 5 % kaikista opiskelijoista oli suorittanut vähintään 4 kemian syventävää kurssia. (Taulukko 1.) Noin 10 % opiskelijoista oli suorittanut fysiikan soveltavia kursseja. Vastaavasti noin 8 % opiskelijoista oli suorittanut kemian soveltavia kursseja. (Taulukko 2.) Tilastoista ei käy ilmi kuinka suuri osa opiskelijoista oli suorittanut sekä fysiikan että kemian kursseja, eikä syventävien ja soveltavien kurssien suorittajia ole eritelty tarkemmin. (Opetushallitus, 2002a, 15.) 8 Viimeistään 1.8.2006 koulujen tulee noudattaa uutta tuntijakoa ja opetussuunnitelman perusteita, jotka valmistuvat porrastetusti alkaen vuodesta 2002. Niissä fysiikka ja kemia ovat perusopetuksessa osa ympäristö- ja luonnontietoa ja omina oppiaineinaan kuudennelta luokalta lähtien. 9 Osa lukioista noudattaa kuitenkin poikkeavaa tuntijakoa, jossa fysiikan ja kemian pakollisuus on poistettu. Tällaisia lukioita ovat nuorisoasteen kokeilua toteuttavat lukiot ja jotkin erityistehtävän saaneet lukiot. Näistä kouluista lukion päättötodistuksen voi saada ilman fysiikan ja kemian kurssien suorittamista. 20

TAULUKKO 1. Lukuvuonna 1999 2000 päättötodistuksen saaneiden lukiolaisten suorittamien fysiikan ja kemian syventävien kurssien määrät. TAULUKKO 2. Lukuvuonna 1999 2000 päättötodistuksen saaneiden lukiolaisten suorittamien fysiikan ja kemian soveltavien kurssien määrät. 2.1.2 Fysiikka ja kemia ylioppilastutkinnossa Fysiikka ja kemia ovat osa ylioppilastutkinnon reaalikoetta. Kuitenkin reaalikoe antaa vain vähän tietoa kaikkien lukion suorittaneiden opiskelijoiden fysiikan ja kemian osaamisesta: tutkintoon ei ole pakko sisällyttää reaalikoetta, ja vaikka sisällyttäisi, fysiikan ja kemian tehtäviä ei tarvitse valita. Kaikkien ylioppilastutkinnon suorittavien on valittava pakolliseksi kirjoitusaineekseen joko reaalikoe 11 tai matematiikan koe. Reaalikokeen tarkoituksena on saada selville, onko opiskelija omaksunut lukion opetussuunnitelman mukaiset tiedot ja taidot sekä saavuttanut lukion tavoitteiden mukaisen riittävän kypsyyden reaaliaineiden hallinnassa 12. Reaalikoe sisältää tehtäviä, jotka koskevat uskontoa, elämänkatsomustietoa, filosofiaa, psykologiaa, historiaa ja yhteiskuntaoppia, fysiikkaa, kemiaa, biologiaa ja maantietoa. Kokeen tehtävät laaditaan valtioneuvoston lukiolain 10. :n nojalla antamassa tuntijakopäätöksessä määrättyjen pakollisten ja syventävien kurssien oppimäärien perusteella. 10 Opiskelijan tietyn oppiaineen oppimäärä koostuu hänen suorittamista pakollisista ja syventävistä kursseista. Samassa oppiaineessa eri opiskelijoilla voi siten olla erilaiset oppimäärät. (Opetushallitus, 1999a, 12) 11 Hyväksytysti suoritetun reaalikokeen saa uusia kaksi kertaa, jolloin eri kerroilla voi painottaa reaalikokeeseen kuuluvia oppiaineita eri tavoin. 12 Ylioppilastutkintoa koskeva lukiolain 629/1998, 18. sovellettuna reaalikokeeseen. 21

Tehtäviä annetaan eri aineista seuraavasti (kaksi tehtävää /oppimäärän kurssi): evankelisluterilainen uskonto/ortodoksinen uskonto/elämänkatsomustieto 10 tehtävää, filosofia 6 tehtävää, psykologia 10 tehtävää, historia ja yhteiskuntaoppi 16 tehtävää, fysiikka 16 tehtävää, kemia 8 tehtävää, biologia 8 tehtävää ja maantieto 8 tehtävää. Annetuista 82 tehtävästä kokelas saa vastata enintään kahdeksaan. Vastaaminen ei edellytä kouluopintoja kyseessä olevassa aineessa eikä aineryhmiä tarvitse katsomusaineita lukuun ottamatta valita etukäteen. Osallistuminen reaalikokeeseen edellyttää kahden reaaliaineen pakollisten kurssien suorittamista. Taulukossa 3 on esitetty reaalikokeen vastausten jakautumista aineittain keväällä 2000 ja 2001. Vastaajien lukumäärät seuraavat pääpiirteittäin vastausmääriä. Poikkeuksena ovat historia ja fysiikka, joihin liittyviin kysymyksiin kokelaat keskittyvät vastaamaan. Keväällä 2001 vastasi fysiikan tehtäviin kaikkiaan 9 263 kokelasta ja kemian tehtäviin 5 208 kokelasta. Kaikkiaan kevään 2001 reaalikokeeseen osallistui 32 894 kokelasta, joista 28 544 oli varsinaisia tutkinnon suorittajia. TAULUKKO 3. Reaalikokeen vastausten jakautuminen aineittain. Varsinaiset kokelaat kevään 2000 ja kevään 2001 tutkinnoissa. (Opetushallitus 2000, 22 ja Opetushallitus 2002a, 24). 2.2 Opetussuunnitelman perusteet arvioinnin lähtökohtana 22 Koska tässä arvioinnissa on tarkoitus selvittää opiskelijan luonnontieteellisen sivistysvarannon karttumista eikä pelkästään fysiikan ja kemian oppimäärien osaamista, opetussuunnitelman perusteita käsitellään laajemmin kuin vain kyseisten oppiaineiden pakollisten ja syventävien opintojen osalta. Valtakunnalliset opetussuunnitelman perusteet sisältävät yleislinjauksen esittelyn lisäksi koulun toimintaa ohjaavat normit. Muun muassa oppiaineiden ja oppiaineryhmien tavoitteet esitetään normeina. Fysiikka ja kemia ovat opetussuunnitelman perusteissa osa ympäristö- ja luonnontieteitä yhdessä biologian ja maantiedon kanssa. Lukion opetussuunnitelman perusteiden (Opetushallitus 1994a, 77 82) mukaan Lukion luonnontieteiden opetus välittää kuvaa ihmisen elinympäristöstä, ihmisen ja ympäristön vuorovaikutussuhteesta sekä auttaa näkemään luonnontieteelliseen tietoon perustuvan yksilöllisen ja yhteisöllisen vastuun merkityksen. Fysiikan ja kemian opetuksen tehtävää kuvaillaan monitahoisesti. Opetuksen yleisenä tavoitteena on ohjata luonnontieteelle omi-

naiseen ajattelutapaan, omakohtaiseen tiedonhankintaan sekä tietojen aktiiviseen soveltamiseen. Erityisesti painotetaan kokeellista lähestymistapaa. Kaikille yhteiset biologian, fysiikan, kemian ja maantiedon kurssit suunnitellaan niin, että ne muodostavat opiskelijan kannalta toimivan kokonaisuuden ja tarjoavat hyvät lähtökohdat luonnontieteiden syventäville ja soveltaville opinnoille. Myös opetussuunnitelman perusteiden yleisessä osassa (Opetushallitus 1994a, 8) on viittauksia fysiikan ja kemian opiskeluun. Lukion tehtäväksi asetetaan muun muassa sellaisten valmiuksien kehittäminen, jotka auttavat kohtaamaan muutoksia ja ratkaisemaan ongelmia. Valmiuksiin kuuluu mahdollisuus valita kuhunkin ongelmaan sopivin ratkaisutapa. Fysiikan ja kemian opetuksen yhteydessä esiin tuleva luonnontieteellinen lähestymistapa on eräs mahdollisista. Luonnontieteellisen ajattelutavan oppimista ja ymmärtämistä tukee myös opetussuunnitelman perusteissa (emt, 10 11 ) esitetty vaade siitä, että kouluilta edellytetään opetuksessaan avaraa näkökulmaa todellisuudesta, ongelmakeskeistä lähestymistapaa, tieteenalapohjaisten oppiaineiden yhteistyötä ja valmiutta paneutua tarvittaessa nopeastikin ajankohtaisten ilmiöiden tarkasteluun. Luonnontieteelliseen ajattelutapaan kuuluvat sisäänrakennettuina kriittinen suhtautuminen tietoon ja sen totuudellisuuteen. Opetussuunnitelmien perusteiden (Opetushallitus 1994a, 12 13) mukaan Lukiota kehitetään yleissivistävänä, ylioppilastutkintoon johtavana ja jatko-opintoihin valmentavana oppilaitoksena, joka tukee nuoren yksilöllistä kasvua, sukupuolten tasaarvoa ja nuorten kypsymistä aikuisuuteen. Tämä edellyttää myös perusluonnontieteiden fysiikan ja kemian tietämystä vähintään perustasolla ja jopa syvemmin. Tätä tukee erityisesti se, että yleissivistys on laaja-alainen, jakamaton käsite. Nykyaikana yleissivistys on teknologista, matemaattista, luonnontieteellistä, humanistista ja yhteiskunnallista tietoa. Yleissivistyksen merkitys yksilölle on suuri. Yleissivistys tekee kansalaiselle mahdolliseksi vaikuttaa valistuneella tavalla yhteisten asioiden hoitoon. Yhteiskunnan jäsen tarvitsee eri tiedonaloilla toiminnallisen lukutaidon voidakseen omaksua uusia tietoja. Lisäksi yleissivistys muodostaa myös ammattiopintojen perustan. Koulujen opetussuunnitelmatyötä vaikeuttaa se, että opetussuunnitelman perusteista ei ole julkistettu soveltamisohjeita. Yleisellä tasolla esitetyt suuntaviivat voivat konkretisoitua alkuperäisestä suunnitelmasta poikkeavasti, jopa opetussuunnitelman perusteiden ja/tai niiden hengen vastaisesti. Opetushallituksen julkaisemasta kirjasta Onnistuuko oppiminen löytyy näkemyksiä opetussuunnitelman perusteiden tulkinnasta. Pakollisen kurssin tehtävä ei ole sama kuin syventävien opintojen. Vain pakolliseen kurssiin osallistuvien tulee saada tällä kurssilla peruskouluopintojen jälkeen opinnoilleen sellainen päätös, joka täydentää heidän yleissivistykseen kuuluvaa käsitystään fysiikasta ja kemiasta luonnontieteinä. Syventäviin kursseihin tähtäävien tulee puolestaan pakollisen kurssin aikana laajentaa näköpiiriään niin, että heille alkaa muodostua kiinnostusta fysiikan ja kemian syvällisempään opiskeluun. Arviointiin opiskelun ja opetuksen kaksitasoisuus tuo omat ongelmansa. (Yrjönsuuri 1997, 174.) 23

Taulukossa 4 on esitetty opetussuunnitelman perusteissa esitetyt fysiikan ja kemian pakollisiin kursseihin liittyvät tavoitteet. TAULUKKO 4. Lukion fysiikan ja kemian pakollisten kurssien tavoitteet opetussuunnitelman perusteiden mukaisesti. (Opetushallitus, 1994a, 77 78, 80). Sekä fysiikan että kemian syventävien kurssien tavoitteissa mainitaan, että syventyneen ainetietämyksen lisäksi opiskelija kykenee osallistumaan luontoa, ympäristöä ja teknologiaa koskevaan keskusteluun ja päätöksentekoon ja saa riittävät valmiudet opiskella fysiikkaa ja sitä soveltavia aloja (Opetushallitus, 1994a, 78, 81). 24

3 LUKION FYSIIKAN JA KEMIAN OPPIMISTULOSTEN ARVIOINTIHANKE Tässä luvussa kuvataan ne kysymykset, joihin arvioinnilla haetaan vastauksia, selvitetään arviointihanketta, sekä kuvaillaan käytettyä mittaristoa ja sen laadintaa. Lopuksi esitellään suunniteltua ja toteutunutta otosta sekä arvioinnin luotettavuutta. Arviointiin osallistui eri puolilta maata noin 10 % kaikista päivälukioissa kolmatta vuottaan opiskelevista opiskelijoista. Otoksen edustavuutta selvitettiin vertaamalla opiskelijoiden kurssisuorituksia aiempien vuosien lukion päättötodistuksen saaneiden suorituksiin. 3.1 Arvioinnin tehtävä Opetushallitus toimii arvioinnin järjestäjänä opetusministeriön päätösten mukaisesti (Lukiolaki 21.8.1998/629 16 sekä Opetusministeriön päätös 19/011/98). Arviointi järjestettiin osana koulutuksen kansallista arviointijärjestelmää, jonka tavoitteena on tukea paikallista opetustointa sekä omalta osaltaan tuottaa uutta ja välittää olemassa olevaa tietoa koulutusta koskevien päätösten tekijöille ja koulutuksen kehittäjille. Tämä arviointi on ensimmäinen lukiossa järjestetty oppiainekohtainen kansallinen oppimistulosten arviointi. Arviointi oli otospohjainen, koska tarkoituksena oli selvittää yleisellä tasolla fysiikan ja kemian oppimistuloksia, eikä löytää yksittäisten koulujen tai opiskelijoiden keskinäistä järjestystä. (Opetushallitus, 1998a ja 1998b.) Tämän arvioinnin tehtävänä on vastata seuraaviin kysymyksiin: Mikä on opiskelijoiden fysiikan ja kemian osaamistaso yleisesti ja erityisesti millainen luonnontieteellinen sivistysvaranto on fysiikan ja kemian osalta? Kuinka koulutuksellinen tasa-arvo on toteutunut? Kuinka opiskelijat suhtautuvat fysiikkaan ja kemiaan oppiaineina? 3.2 Resurssit ja aikataulu Lukion fysiikan ja kemian oppimistulosten arvioinnin suunnittelu aloitettiin Opetushallituksessa keväällä 2000. Opetushallitus kutsui 8.9.2000 asiantuntijaryhmän suunnittelemaan ja ohjaamaan arviointia. Vuoden 2001 alusta aloitti työnsä erikoissuunnittelija Katri Halkka. Hänen tehtävänään oli suunnitella, toteuttaa ja raportoida arviointihanke. Asiantuntijaryhmän tehtävänä oli osallistua yleisellä tasolla arviointisuunnitelman tarkentamiseen ja arvioinnissa käytettävien mittareiden kehittämiseen. Ryhmän puheenjohtajana toimi vuoden 2001 alkuun saakka opetusneuvos Hannu Korhonen (Opetushallitus) ja 1.1.2001 alkaen Katri Halkka (Opetushallitus) sekä sihteerinä projektisuunnittelija Aulikki Etelälahti (Opetushallitus). Asiantuntijaryhmän muina 25

26 jäseninä olivat professori Maija Ahtee (Jyväskylän yliopisto), yliopettaja Erkki Arminen (ylioppilastutkintolautakunnan fysiikan jaos), lehtori Irma Aroluoma (Cygnaeus-lukio, Jyväskylä), rehtori Liisa Kyyrönen (Itäkeskuksen peruskoulu, Helsinki), rehtori Reijo Pöyhönen (Nastolan tekniikkalukio), professori Heikki Saarinen (Helsingin yliopisto) ja yliopettaja Jouni Viiri (Pohjois-Karjalan ammattikorkeakoulu). Kesällä 2001 asiantuntijajäseneksi kutsuttiin lisäksi lehtori Hannu Korhonen (Erkko-lukio, Orimattila). Syksyllä 2000 asiantuntijaryhmä kutsui kuultavakseen kemian asiantuntijan dosentti Kristiina Vähälän (Helsingin yliopisto). Koetta laatimaan kutsuttiin keväällä 2001 kokeneista käytännön opetustyötä tekevistä opettajista koostuvaa tehtävänlaatijaryhmä. Ryhmään kuuluivat lehtorit Sisko Eskola (Helsinki), Lea Karkela (Kerava), Pasi Ketolainen (Järvenpää), Maija-Liisa Kolari (Helsinki), Pekka Meriläinen (Oulu) ja Jarmo Sirviö (Oulu). Hankkeen hallinnoinnista ja aineistonkeruun käytännön toimista sekä tilastoanalyyseistä huolehti Opetushallitus. Aineiston keruun käytännön toimia hoiti osastosihteeri Tuija Koskela ja projektisuunnittelija Aulikki Etelälahti, esikokeen tilastoanalyyseista vastasi erikoistutkija Jari Metsämuuronen ja varsinaisen kokeen tilastollisen käsittelyn suunnitteli erikoistutkija Jorma Kuusela ja toteutti tutkimussihteeri Sari Viitala. Arvioinnin tulokset perustuvat tietoihin, joita kerättiin rehtoreille sekä fysiikan ja kemian opettajille suunnatuilla kyselyillä, opiskelijoille suunnatulla taustakyselyllä sekä fysiikan ja kemian kokeella. Oppilaitoksille ilmoitettiin tulevasta arvioinnista toukokuussa 2001. Syyskuussa 2001 otoskouluille lähetettiin alustavat kokeen järjestelyohjeet sekä rehtoreille suunnattu kysely. Varsinainen koemateriaali ja yksityiskohtaiset koetta koskevat järjestelyohjeet lähetettiin kouluille marraskuun 2001 alussa. Opiskelijoille kokeesta ilmoitettiin aikaisintaan kaksi viikkoa ennen koepäivää. Arviointiin liittyvä koe pidettiin otoslukioissa aamupäivällä 14.11.2001 13. Kokeeseen oli varattu aikaa kolme tuntia ja vasta kahden tunnin jälkeen kokeen alkamisesta opiskelijoilla oli mahdollisuus poistua. Koetilanne pyrittiin saamaan mahdollisimman samanlaiseksi kaikissa kouluissa. Koetta valvovien opettajien ohjeissa korostettiin sitä, että opiskelijat toimivat yhteisten ohjeiden mukaisesti. Opiskelijat tulkitsivat itse suulliset ja kirjalliset ohjeet. Opiskelijat saivat käyttää kokeessa sekä laskinta että matematiikan, fysiikan ja kemian taulukkokirjaa, koska arviointiin liittyvällä kokeella pyrittiin mittaamaan ensisijaisesti asioiden ymmärtämistä eikä muistamista. Opiskelijoiden ratkaisut monivalintatehtäviä lukuun ottamatta pisteitettiin kouluilla. Fysiikan ja kemian opettajat saivat Opetushallituksesta lähetetyt pisteitysohjeet, joiden mukaan he pisteittivät opiskelijoiden suoritukset. Opiskelijoiden tuotokset palautettiin Opetushallitukseen joulukuun 2001 alkuun mennessä. Helmikuussa 2002 lähetettiin kouluille alustavista tuloksista koottu koulukohtainen palaute. 13 Poikkeuksena yksi lukio, jossa osa opiskelijoista vastasi kysymyksiin kaksi päivää muita myöhemmin.

3.3 Mittaristo Arvioinnissa käytettävä aineisto perustuu fysiikan ja kemian kokeeseen, opiskelijoiden taustatietoja ja asenteita mittaavaan kyselyosaan sekä rehtoreille ja opettajille suunnattuihin kyselyihin. 3.3.1 Koetehtävien laadinta ja esitestaus Opetussuunnitelmien perusteissa opetukselle asetetut tavoitteet ovat laajoja ja ne on esitetty yleisellä tasolla. Tavoitteet on mahdollista toteuttaa monin tavoin, joten yhteisen kokeen laatimiseen löytyy useita ratkaisuja. Kun opetussuunnitelman perusteisiin perustuvaa arviointia ryhdyttiin suunnittelemaan, siirryttiin yleisistä tavoitteista konkreettisiin koetehtäviin ottamalla tehtävien suunnittelun lähtökohdiksi opetussuunnitelman perusteissa mainitut yleissivistys sekä luonnontieteellinen ajattelu. Puhtaasti kokeellinen osuus jätettiin pois tämänkertaisesta joukkokokeena järjestetystä arvioinnista. Arviointiin liittyvä koe oli sama kaikille lukion päättövaiheessa oleville opiskelijoille riippumatta siitä, kuinka paljon fysiikan ja kemian opintoja opiskelija oli sisällyttänyt tutkintoonsa. Kaikki opiskelijat olivat opiskelleet fysiikkaa ja kemiaa peruskoulussa. Kokeessa painotettiin pakollisten kurssien tavoitteita ja syventävien kurssien tavoitteita otettiin vain jonkin verran huomioon, koska suurin osa opiskelijoista ei ole valinnut lukio-opintoihinsa fysiikan ja/tai kemian syventäviä opintoja. Arviointitilanne poikkesi lukion kurssikokeesta, sillä koealue ei käsitellyt vain tietyn kurssin aihepiiriä, vaan myös aiempien kouluvuosien aikana opittuja tietoja ja perustaitoja. Opiskelijat eivät myöskään erikseen olleet valmentautuneet koetta varten. Lisäksi osalla opiskelijoista saattoi olla pitkä aika jopa kaksi vuotta viimeisestä fysiikan ja kemian kurssista. Tästä syystä laadittiin koe, jonka tehtävänannot ovat tuttuja. Kokeessa käytettiin erityyppisiä tehtäviä, jotta saataisiin käyttöön sekä suoraan opiskelijan antamat vastaukset (oikein/väärin-tehtävät ja monivalintatehtävät) että pisteet opiskelijan kirjoittamista vastauksista (joko osittain tai kokonaan avoimet tehtävät). Tehtävät olivat sellaisia, että ne liittyvät sekä fysiikan ja kemian kouluopetukseen että tavalliseen arkielämään. Tarkoituksena oli, että tehtävien ratkaisuissa korostuu käytössä olevan tiedon hyödyntäminen eikä yksinomaan ulkoa osaaminen. Tehtäviin liitetyistä kuvioista ja taulukoista oli mahdollista löytää useiden tehtävien ratkaisut tai ainakin ratkaisua helpottavia tietoja. Tehtävänlaatijaryhmä laati tavoitteiden pohjalta erilaisia fysiikan ja kemian tehtäviä. Lisäksi käytettiin hyväksi aiempien Opetushallituksen luonnontieteiden arviointien, ylioppilaskirjoitusten reaalikokeen sekä kansainvälisten arviointien tehtäviä. Tehtävien testausta varten järjestettiin toukokuussa 2001 esikoe neljässä harkinnanvaraisesti 27

valitussa kooltaan, sijainniltaan ja painotukseltaan erilaisessa lukiossa. Esikokeiluun osallistui yhteensä 211 toisen vuoden opiskelijaa. Koetehtävien lisäksi opiskelijoilta kysyttiin opiskelijoiden taustatietoja sekä heidän käsityksiään kokeesta. Myös koulujen fysiikan ja kemian opettajat kommentoivat koetta, koetehtäviä ja kokeen järjestelyjä. Kaikkiaan 178 tehtävää testattiin kolmena eri tehtäväkokonaisuutena. Näistä valittiin lopulliseen kokeeseen 75 tehtävää. Koska kokeeseen osallistujien fysiikan ja kemian opintotaustat poikkesivat suuresti toisistaan, tavoitteena oli tarjota rakenteeltaan ja sisällöltään monipuolisia tehtäviä. Helposti vastattavien tehtävien arveltiin madaltavan kynnystä vastata tehtäviin sekä rohkaisevan myös vähän fysiikkaa ja kemiaa opiskelleita opiskelijoita paneutumaan ja vastaamaan niihin. Kokeeseen kuuluvien fysiikan ja kemian tehtävien lisäksi opiskelijoilta tiedusteltiin heidän käsitystään kokeen vaikeustasosta ja arvioinnin tarpeellisuudesta. Esikokeeseen ja taustakyselyn tekemiseen oli varattu aikaa kolme tuntia. Esikokeeseen osallistuneiden opiskelijoiden mielestä tehtävät olivat olleet melko vaikeita, mutta yleisesti ottaen opiskelijat olivat tyytyväisiä tehtäviin. Erään opiskelijan mukaan Oli paljon asioita mitä ei tiennyt ja tietenkin mitä ei muistanut, mutta kumminkin hyvin keskeisiä kysymyksiä, joihin pitäisi osata vastata. Opiskelijat käyttivät kokeen tekemiseen keskimäärin hieman yli tunnin. Tehtävät vastasivat opiskelijoiden osaamista siinä mielessä, että esikokeiden keskimääräiset ratkaisuprosentit liikkuivat 46 52 %. 3.3.2 Fysiikan ja kemian kokeen rakenne Fysiikan ja kemian kokeessa oli yksinkertaisia muistitietoon eli alemman tason soveltamiseen liittyviä tehtäviä, yleissivistyksellisiä tehtäviä sekä opiskelijoiden tiedonkäsittelytapoihin liittyviä tehtäviä. Kaikkiaan tehtäviä oli 76. Mukana oli myös vaativampia tehtäviä useampia fysiikan ja kemian kursseja lukeneita varten (yhteensä yksitoista). Viimeisenä oli ylimääräinen tehtävä, jonka toteutus oli avoin ja mahdollisti erilaiset lähestymistavat. Tehtävistä 24 oli oikein/väärin-väittämiä (tehtävät 1 24), 31 oli monivalintatehtäviä (tehtävät 25 45 ja 54 63), 5 oli osittain strukturoituja tehtäviä (tehtävät 46, 48, 49, 50 ja 52) sekä 15 tehtävää (tehtävät 47, 51, 53 ja 64 75), joihin opiskelijan tuli itse kirjoittaa vastauksensa. Tehtävät oli järjestetty koevihkoon siten, että alussa oli sarja oikein/väärin-väittämiä, sitten monivalintatehtäviä ja lopussa tuottamistehtäviä. Koevihkoon liittyi myös miellekartta vedestä, johon oli koottu tietoa vedestä. Osassa kysymyksiä viitattiin tähän miellekarttaan, josta saattoi löytää jopa vastauksen sisältäviä vihjeitä. 28 Fysiikan tehtävät olivat pääosin mekaniikan sekä lämpöopin ja aaltoliikeopin alueilta, kemian tehtävät liittyivät aineiden ominaisuuksiin, aineen rakenteeseen sekä kemiallisiin reaktioihin (taulukko 5). Periaatteena oli liittää tehtävät jokapäiväiseen elämään siten, että pyrittiin varmistamaan niiden ratkaisujen yksikäsitteisyys niin fysiikan kuin kemiankin kannalta. Tehtävät ovat liitteenä 10.