Opiskelijakirjaston verkkojulkaisu 2008
Tutkiva opiskelu fysiikassa ja kemiassa
Kalle Juuti
Dimensio
Helsinki: Matemaattisten Aineiden Opettajien Liitto
66(2002): 5
s. 34-37
Tämä aineisto on julkaistu verkossa oikeudenhaltijoiden luvalla. Aineistoa ei saa kopioida, levittää tai saattaa muuten yleisön saataviin ilman oikeudenhaltijoiden lupaa. Aineiston verkko-osoitteeseen saa viitata vapaasti. Aineistoa saa opiskelua, opettamista ja tutkimusta varten tulostaa omaan käyttöön muutamia kappaleita.
www.opiskelijakirjasto.lib.helsinki.fi opiskelijakirjasto-info@helsinki.fi
Tutkiva opiskelu
fysiikassa ja kemiassa
KALLE JUUTI, matemaattisten aineiden didaktiikan assistentti, Helsingin yliopisto, opettajankoulutuslaitos
Tutkivan oppimisen mallissa (Hakkarainen, Lonka ja Lipponen, 1999) perusajatuksena on, että oppilaat pyrkivät löytämään heitä aidosti kiinnostavia ongelmia, joihin he koettavat muotoilla se-lityksen. Oppilaat koetetaan saada tarkastelemaan ilmiöitä, jotka he haluavat ymmärtää paremmin -selittää.
Oppilaita kannustetaan koettele-maan ja arvioikoettele-maan näitä muotou-tuvia selityksiä, hankkimaan sy-ventävää tietoa ja sitä kautta löy-tämään parempia selityksiä on-gelman kohteena olevalle ilmiölle. Näin oppilaat rakentelevat tietoa, joka pohjautuu toisaalta heidän aikaisempiin käsityksiinsä ja toi-saalta erilaisista lähteistä hankit-tuun oppilaille ennen tuntematto-maan informaatioon.
Tutkiva oppiminen (progressi-ve inquiry) on opetuksen lähesty-mistapa, jossa tieteellinen toiminta ja opiskelu nähdään analogisina. (Hakkarainen, Lonka & Lipponen, 1999; Bereiter, 1998) Fysiikan ja kemian opiskelussa kokeiden tekeminen on ollut oleellinen osa opetus - opiskelu - oppiminen-prosessia. Luonnontieteellisten koulukokeiden tekeminen on kuitenkin nähty jopa antavan vir-heellisen kuvan luonnontieteistä. Kokeet ovat liian reseptinomaisia, liian idealisoituja, eivätkä oppilaat oikein ymmärrä, miksi näitä kokei-ta ylipäätään tehdään. (Linn 1996) Tutkivan oppimisen lähestymista-van tai mallin kehittämisessä on lähdetty liikkeelle tieteen
luon-teen analysoinnista sekä kogni-tiivisen oppimispsykologian tutki-mustuloksista. Näin pyritään muo-dostamaan opetus - opiskelu - op-pimis-prosessista kokonaisuus, jos-sa oppilaat opiskelevat yhdessä ak-tiivisesti opettajan ohjauksessa ja ovat kokoajan tietoisia työskente-lynsä tavoitteista.
Fysiikassa ja kemiassa on tär-keää, että opettaja on mukana tut-kimusongelmien asettelussa. Op-pilaiden on vaikea keksiä ongel-mia, joihin voidaan saada miele-käs selitys. On kuitenkin tärkeää, että esitetään haastavia miksi- ky-symyksiä aluksi, koska lapset ja nuoret esittävät niitä luonnos-taan. Opettajan ammattitaitoa tar-vitaan ohjaamaan oppilaita löy-tämään reittejä miten-kysymysten kautta miksi-kysymyksiin vastaa-miseen.
Tutkivan oppimisen mallin suunnassa etenemisessä on
rajoi-tuksensa. Opetuksen tutkijat esit-tävät, että erilaisten tavoitteiden saavuttamiseksi on käytettävä eri-laisia opetuksellisia lähestymista-poja. Tutkivan oppimisen malli so-veltuu hyvin monimutkaisten sys-teemien tai prosessien pinnalliseen haltuunottoon. Esimerkiksi kysy-mykset: miten televisio toimii, mik-si järvet rehevöityvät, mikmik-si teol-lisuuden edustajat ajavat uutta ydinvoimalaa ja ympäristöaktivistit vastustavat?
Fysiikassa ja kemiassa, esimer-kiksi nopeuden, lämpötilan, moo-lin, jaksonajan tai sähkövirran-kä-sitteet ovat mahdollista ymmärtää myös syvällisesti, mutta tämä vaatii usein toisenlaista lähestymistapaa (esim. kokeellinen lähestymistapa opettajajohtoisine demonstraatioi-neen yms.) tai ainakin opettajan johtavaa asemaa työskentelyssä, kuten painovoimaesimerkissä.
34 Dim ensi o 5/2002
Oppilaat voivat esittää kysymyksen, miksi esineet putoavat maahan? Tähän voisi selityksenä olla, että koska painovoima vetää niitä maahan. Tämä selitys on ongelmallinen, koska tässä otetaan mukaan
mahdollisesti perusteetta uusi tekijä, painovoima. Opettaja voisi haastaa oppilaita miettimään kysymystä esimerkiksi Aristoteleen selityksen kautta, jossa painavat esineet pyrkivät kohti maanpintaa ja kevyet esineet pyrkivät kohti taivasta. Millaisia ilmiöitä Aristoteelinen selitys ei selitä? Opettaja voi yrittää johdatella oppilaita miettimään, miten kappaleet putoavat, onko muita vastaavanlaisia liikkeitä, entä törmäykset, miten putoamista ja törmäystä voisi tutkia. Näiden tut-kimusten kautta voisi olla mahdollista päästä näkemykseen, että tör-mäyksissä molempien kappaleiden liiketilat muuttuvat ja muutok sen syynä on törmäys. Opettajan apua tarvitaan selittävän mallin vuorovaikutuksen - huomaamiseen. Liiketilan muuttumiseksi tarvi-taan vuorovaikutus eli voima ja näin on perusteltua analogiaan no jaten ottaa käyttöön putoamisliikkeen yhteydessä vuorovaikutuksen muoto, painovoimavuorovaikutus, painovoima.
Tutkivan oppimisen malli
Tässä luvussa käydään läpi Hakka-raisen ym. (1999) tutkivan oppi-misen mallin mukaiset vaiheet tar-kasteltuna fysiikan ja kemian opet-tamisen - opiskelun - oppimisen näkökulmasta.
Ensimmäisenä vaiheena tutki-van oppimisen mallissa on kon-tekstin luominen. Tämä ei ole fy-siikan ja kemian opettajille mikään uusi asia, koska opetettavat asiat on perinteisesti sidottu oppilaiden maailmaan. On näytetty mielen-kiintoa ja uteliaisuutta herättäviä demonstraatioita tai oppilailta on kysytty opetettavaan aiheeseen liit-tyviä kysymyksiä. Tutkivan oppi-misen mallissa kontekstin luomi-nen on voimakkaasti sosiaalista. Kontekstin on myös oltava haasta-va, jotta se tarjoaisi paljon erilaisia näkökulmia tarttua aiheeseen. Tä-män määrää oppilaiden taso. Kon-tekstin luonnin vaiheessa ryhmä jakaa aikaisempia tietojaan ilmiöstä ja vähitellen huomataan ilmiöstä seikkoja, joita ei ymmärretä tyydyttävällä tavalla. Kontekstin luonti määrää sen millaisia kysy-myksiä tai ongelmia ilmiössä näh-dään. Näin päästään vähitellen seuraavaan vaiheeseen eli ongel-mien asettamiseen.
Peruskoulussa opetettavana ai-hekokonaisuutena on lämmön johtuminen. Opettaja pyytää op-pilaita kuvailemaan tilanteita, missä he ovat joutuneet teke-misiin kylmien tai kuumien esi-neiden kanssa. Opettajalla on tavoitteena saada oppilaat huo-maamaan, että kuumaa tai kyl-mää käsiteltäessä on käytössä tietynlaisia aineita ja saada op-pilaat esittämään kysymyksiä: Miksi paistinlastassa on puinen pää? Miksi saunassa lauteen naulat ovat kuumempia kuin lauteet? Mitä se lämpö on?
Ongelmien asettaminen
Kontekstin luonnin yhteydessä nousseita ongelmia ja kysymyksiä aletaan vähitellen tarkentaa. Alussa esiintyy runsaasti miksi-kysy-myksiä. Näitä voi pitää hyvänä päämääränä. On kuitenkin tär-keää, että miksi-kysymyksiin ei an-neta suoraan selitystä (vertaa ka-noniset puolitotuudet, Kurki - Suo-nio & Kurki-SuoSuo-nio, 1994) vaan opettaja ohjaa oppilaita muotoile-maan kuinka- ja miten-kysymyk-siä, jotka toimivat reittinä miksi ky-symykseen. Luonnontieteissä voi-daan kysymyksiin saada aitoja sy-vällisiä vastauksia kulttuurilähtei-den lisäksi myös luonnosta, siksi on tärkeää käyttää hyväksi luon-nontutkimisen mahdollisuus.
Ongelmien asettamisessa on keskeistä, että ongelma, johon py-ritään kulttuurilähteitä tai luontoa tutkimalla vastaamaan, on oppilai-den muotoilema ja aidosti selitystä vaativa. Oppilaat työskentelevät yhdessä ja pohtivat erilaisia ongel-mia, joihin pyritään saamaan vas-taus. Tutkivassa oppimisessa aja-tellaan analogia tieteellisen toi-minnan ja opiskelun välillä. Tämä tarkoittaa ongelmien asettamisen yhteydessä sitä, että oppilaat keske-nään, opettajan avustuksella, mää-rittävät, millaiset ongelmat ovat tutkimisen arvoisia eli mitä itse asiassa opiskellaan. Kaikki eivät siis opiskele täysin samalla tavalla. Opettaja on fysiikan asiantuntija ja valvoo, että kaikki opiskelevat jol-lain tavalla keskeiset sisällöt.
Kysymykseen "mitä se lämpö oikein on?" voi opettaja esittää vastakysymyksen: "miten läm-pöä voidaan tutkia?" Yhteisen keskustelun jälkeen sovitaan, että yksi ryhmä selvittää materi-aalin vaikutusta kappaleen läm-pötilaan.
Työskentelyteorian luominen
Kolmantena vaiheena on työsken-tely teorian luominen. Tässä vai-heessa muotoillaan eksplisiittisesti esille oppilaiden aikaisemmat tie-dot ja ennakkokäsitykset käsitel-tävästä aiheesta. Kirjataan ensim-mäinen selitys ilmiölle. Tässä vai-heessa on opettajalla aito mah-dollisuus seurata, miten oppilaat ovat oppineet. Opettajalle työs-kentelyteorioiden luomisen vaihe voi näyttäytyä kuin perinteinen formatiivinen testi. Tässä vain py-ritään saamaan oppilaat yhdessä muotoilemaan käsityksiään. Esi-merkiksi ensin jokainen kirjoittaa paperille oman selityksensä, sitten ongelmaan paneutuva ryhmä kes-kustelee selityksistä ja muodostaa yhteisen. Tämän vaiheen avulla oppilaat saavat myös kuvan siitä, mitä he aiheesta itse asiassa tie-tävät, heillä on mahdollisuus nähdä ero aikaisempien tietojensa ja uuden informaation välillä. Tämä työskentelyteorian luomisen vaihe johtaa saumattomasti selitysten kriittisen arvioinnin vaiheeseen.
Ryhmä, joka päätyi tarkastele-maan materiaalin vaikutusta läm-pötilaan voisi muotoilla selityksen: "metallit lämpenevät kuumemmiksi kuin puu, koska ne ovat paina-vampia".
Kriittinen arviointi
Tämä on ehkä oppilaille kaikkein haastavin vaihe. Ihmisellä on tai-pumus oikeuttaa uskomuksiaan. Ihminen siis näkee helpommin us-komustaan tukevia todisteita kuin uskomusta kumoavia todisteita. Sama pätee myös luonnontieteelli-sessä kokeessa. Kun opettaja tietää joidenkin suureiden olevan suo-raan verrannollisia, niin hän "nä-kee" mittaustulosten kuvaajassa suoran. Oppilas, joka ei tiedä tätä riippuvuutta ei näe suoraa.
Tutki-van oppimisen mallissa nojataan Karl Popperin (1905) tieteenfilo-sofiseen näkemykseen, jossa kaikki teoriat (tässä siis työhypoteesit tai selitykset) alistetaan kriittisen ar-vioinnin kohteeksi. Itse asiassa hy-väksyttävä selitys on sellainen, jo-ka on periaatteessa kumottavissa.
Kriittiseen arviointiin kuuluu toisaalta argumentaatioanalyysi ja toisaalta selityksen periaatteellisen kumoamisen mahdollistavan koe-järjestelyn suunnittelu. Tällä pe-rusteella esimerkiksi psykoanalyy-sin unitulkinnat eivät ole kelvol-lisia selityksiä, koska niihin ei ole mahdollista muotoilla koejärjes-telyä, jolla testataan kumoutumis-ta. Popperin mallin mukaan se, et-tä kumoamisyritys epäonnistuu ei tarkoita sitä, että selitys olisi tosi. Se tarkoittaa vain sitä, että tois-taiseksi selitystä voidaan käyttää. On vain yritettävä löytää parempia kumoamisyrityksiä.
Kriittinen arviointi tarkoittaa myös, että selityksestä arvioidaan sitä, miten hyvin se selittää ilmiö-tä. Onko ilmiössä joitain osia, joita ei osata selittää tai mitä ilmiön osaa ei tunneta hyvin. Näin muotoil-laan kysymyksiä syventävän tie-don hankkimiselle. Tiedetään mil-laisiin asioihin keskitytään.
Oppilaiden työhypoteesi, että me-talli kuumenee kuumemmaksi, koskase on painavampi kuin puu
osoittaa heti, että oppilaat eivät ole ymmärtäneet lämpöopin nol-lattapääsääntöä. Opettajan tuleekin auttaa oppilaita ensin huomaamaan tämä virhe jollain koejärjestelyllä ja painottaa, että tarkastelkaa
kappaleiden lämpenemistä ensin. Oppilaiden selitys selittää monet ilmiöt, joissa metalliesineet tuntuvat kuumemmilta (tai kyl-memmiltä) kuin puuesineet. Mutta kriittisen tarkastelun jälkeen huo-mataan, että selityksessä on on-gelmia.
Syventävän tiedon hankkiminen
Kriittisessä arvioinnissa tarkastel-tiin työhypoteeseja, etsittarkastel-tiin niiden heikkouksia ja pohdittiin, millaista tietoa täytyy olla, jotta työhypotee-seja voitaisiin kehittää. Syventä-vän tiedon hankkimisen vaihe on oppimisen kannalta oleellinen. Tä-mä on juuri se vaihe, missä oppi-lailla on mahdollisuus aidosti op-pia uutta eikä vain vahvistaa tai arvioida vanhoja käsityksiään. He laajentavat tietojaan käsiteltävästä ilmiöstä. Syventävän tiedon han-kitaan käytetään monipuolisia tie-tolähteitä. Näitä lähteitä voivat olla esimerkiksi oppikirja, tietosana-kirjat, tieteelliset julkaisut, inter-net-tietokannat, opettajan tai mui-den asiantuntijoimui-den haastattelut. Fysiikassa ja kemiassa oleellisen tärkeänä syventävän tiedon läh-teenä luonnontieteellinen koe eli luonto.
Oppilaat suunnittelevat opettajan avustuksella koejärjestelyn, jolla
voi tutkia miten kappaleet lämpe-nevät. Oppilaat huomaavat, että
puu ja metalliesineet lämpenevät-kin samaan lämpötilaan. Tämä ai-heuttaa ongelmia edelliseen työ-hypoteesiin ja tulokset on tulkitta-va.
Uusi kierros
Tutkivan oppimisen mallin mukai-nen toiminta ei pääty kun syven-tävää tietoa on hankittu. Silloin prosessi vasta oikeastaan käynnis-tyy. Syventävän tiedon hankkimi-nen johtaa siihen, että asetettua ongelmaa voidaan tarkentaa. Kun ilmiöstä tiedetään enemmän, saa-daan siis selville, mitä oikeastaan halutaan tietää. Tutkimusongel-mat voivat muuttua ongelman tar-kentamisen myötä paljon, siten voidaan päästä käsiteltävässä
on-gelmassa lähemmäksi olennaista selitystä. Syventävän tiedon han-kinta ja tarkentuvan ongelman asettaminen johdattavat myös uu-den työskentelyteoria eli ilmiön se-lityksen muotoilemiseen, selityk-sen kriittiseen arviointiin, syventä-vän tiedon hankkimiseen jne.
Opettaja auttaa oppilaita tulkitse-maan luonnontieteellisen kokeensa tulokset lämpöopin nollannen pääsäännön avulla. Nyt kun on huomattu, että lämpötilat ovat esi-merkiksi saunan lauteilla ja lautei-den nauloilla samat, nousee kysy-mys, että miksi sitten ne tuntuvat kuumemmilta. Selitys voisi liittyä jotenkin ihmisen tuntoaistiin. Tätä lähdetään selvittämään tarkemmin perehtymällä kirjallisuuteen ihmi-sen aisteista.
Tätä prosessia, missä yhdessä asetetaan ongelmia, muotoillaan selityksiä, arvioidaan niitä ja han-kitaan syventävää tietoa, kutsu-taan tiedon rakenteluksi. Tutki-van oppimisen mallissa tieto (se-litys, teoria, käsitteelliset artefak-tit) nähdään tuotteena, jota ryhmä pyrkii kehittelemään entistä pa-remmaksi ja papa-remmaksi, samoin kuin tieteellisessä toiminnassa jo-tain ilmiötä tutkitaan ja ilmiön se-litys pyritään saamaan niin hyväksi kuin mahdollista.
Ilmeisenä esimerkkinä voi käyt-tää vaikkapa liikkeen selittämistä, joka on ollut ihmiskunnan histo-rian ajan selityspyrkimyksen koh-teena (Aristoteleen telos-, Galilein matemaattinen välttämättömyys-, Newtonin vuorovaikutus- ja Ein-steinin avaruuden kaareutuminen -selitykset). Oleellista siis on, että oppilaat oppivat asettamaan aito-ja, heitä itseään kiinnostavia on-gelmia, muotoilemaan selityksiä il-miöille, arvioimaan omia käsityk-siään kriittisesti, hankkimaan tie-toa monipuolisista lähteistä (ar-36 Dimensio 5/2002
vioimaan myös lähteitä kriittises-ti) sekä tarkentamaan ongelmia ja muotoilemaan uusia selityksiä ja siten luomaan monimutkaistuvia käsitteellisiä artefakteja ja luopu-maan tarvittaessa omista aikaisem-mista käsityksistään.
Riittääkö aika?
Ensivilkaisulla näyttää siltä, kuin tutkivan oppimisen/opiskelun mu-kainen opetus veisi kohtuuttoman paljon aikaa. Toisaalta oppilaat-kaan eivät ehkä jaksa miettiä kai-kenlaisia kysymyksiä. Ehkä aihe-alueessa ei ole oppilaiden (tai jopa opettajan) mielestä mitään mielen-kiintoista.
Tutkivan oppimisen suunnassa eteneminen vaatiikin opettajalta rohkeutta heittäytyä fysiikan ja ke-mian vietäväksi oppikirjan sijasta. Opettajan tulee siis selvittää it-selleen, mikä aihealueessa on kes-keistä. Esimerkiksi mekaniikassa on kolme peruslakia, joiden avulla voidaan selittää liikeilmiöt. Läm-pöopissa ilmiöitä selitetään pää-sääntöjen avulla.
Helsingin yliopiston Opettajan-koulutuslaitoksen matemaattisten aineiden opetuksen tutkimuskes-kuksen koordinoimassa Fysiikan ja kemian virtuaalikouluhankkeessa on kehitetty ja kokeiltu erilaisia so-velluksia tutkivan oppimisen mal-lista. Keväällä 2002 käynnistyneessä ESRrahoitteisessa GISEL -hankkeessa (Gender Issue and Sci-ence Education and Learning) ta-voitteena on kehittää tyttöjä mo-tivoivia fysiikan ja kemian työta-poja. Tutkivan oppimisen mallin suunnassa etenevä opiskelu on yk-si opetuksellinen lähestymistapa, jonka sukupuolisidonnaisuutta on tarkoitus selvittää ja kehittää su-kupuolet huomioonottavampaan suuntaan.
Ilmiöitä tarkasteltaessa, työhy-poteeseja arvioitaessa, syventävää
tietoa hankkiessa ja yhdessä toi-miessa opitaan monenlaisia asioi-ta, eikä opettaja oikein koskaan voi olla varma mihin tutkivan op-pimisen prosessi johtaa. Tämä te-keekin opettamisesta ja opiskelus-ta haasopiskelus-tavaa ja mielenkiintoisopiskelus-ta.
Lähteet ja kirjallisuutta
Bereiter, C. 1998. Education and Mind in The Knowledge Age. Käsikirjoitus luettavissa: http://csile.oise.utoron-to.ca/edmind/main.html
Hakkarainen, K., Lonka, K & Lipponen, L. 1999. Tutkiva oppiminen: älykkään toi-minnan rajat ja niiden ylittäminen. Hel-sinki: WSOY.
Linn, M. 1999. From Separation to Partnership in Science Education: Students, Laboratories, and the Curriculum. In R. F. Tinker (ed.) Microcomputer-Based Labs: Educational Research and Standards. Berlin: Springer.
Popper, K. 1995 Arvauksia ja kumoamisia: Tieteellisen tiedon kasvu. Alkuteos:
Conjuctures and Refutation (1963) suomentanut Eero Eerola. Helsinki: Gaudeamus.
Niiniluoto, I. & Haaparanta, L. 1986. Joh-datus tieteelliseen ajatteluun. Filoso-fian laitoksen julkaisuja 3. Helsinki: Helsingin yliopisto.
Aristoteles. Fysiikka / Aristoteles; suomen-taneet Tuija Jatakari, Kati Näätsaari; selitykset laatinut Simo Knuuttila. Hel-sinki: Gaudeamus, 1992.
Siegel, H. 1988. Educating Reason: Reality, Rationality, Critical Thinking and Education. New York: Routledge. Niiniluoto, I. 1980. Johdatus
tieteenfiloso-fiaan. Helsinki: Otava.
Meisalo, V., Aksela, M. Lavonen, J & Juu-ti, K. 2001. Chemistry Education in a Finnish Virtual School. Paper accepted in 6th European Conference on Re-search in Chemical Education, 4. - 8. 9. Aveiro, Portugal.
Hodson, D. 1998. Is This Really What Scientists Do? - Seeking a More Authentic Science in and Beyond the School Laboratory. In J. Wellington (Ed.) Practical Work in School Science - Which Way Now? London: Routled-ge
