Didaktisen fysiikan professori Ismo Koponen vastaa fysiikan aineenopettajien koulutuksesta Helsingin yliopistossa. Hän on taustaltaan laskennallinen fyysikko, joten algoritmit ja ohjelmointi ovat hänelle luontevia tapoja lähestyä myös opettamisen problematiikkaa ja sen tutkimusta.
Matemaattisia malleja Koponen ja hänen tutkimusryhmänsä on soveltanut jo viimeisen 15 vuoden ajan didaktiikan tutkimuksessa. Fysiikan aineenopettajaksi opiskelevien tekemien käsitekarttojen ja tekstien analysoinnissa verkkoteoriasta ja kvantti-informatiikasta lainatut menetelmät ovat osoittautuneen hyödyllisiksi. Matemaattinen mallintaminen on antanut näkökulmaa siihen, miksi jotkut asiat ovat opiskelijalle vaikeita, miten tiedon osa-alueet linkittyvät toisiinsa, ja on auttanut kehittämään aineenopettajakoulutusta.
– Opiskelijoiden käsitekarttojen ja harjoitustöiden tekstien analyysi kvantti-informatiikan avulla nostaa esiin tavanomaisilla menetelmillä piiloon jääviä yhteyksiä asioiden välillä. Näin pystytään analysoimaan pidempiä yhteyksiä asioiden välillä. Idea on periaatteessa samankaltainen kuin kvantti-informaatioteoriaan nojaava PageRank-algoritmin yleistys, eli sama kuin Googlen hakualgoritmi, toteaa Ismo Koponen.
Johdonmukaisempaa puhetta
Jotta oppilaat ymmärtäisivät fysiikkaa, niin opettajan tulisi pystyä käyttämään fysiikan käsitteitä johdonmukaisesti ja ristiriidattomasti.
Opettajan koulutuksen ytimessä on Koposen mukaan se, miten opiskelija kykenee johdonmukaisesti puhumaan ja esittämään ajatuksiaan fysiikan käsitteitä käyttäen ja niin, että ne liittyvät eheästi ja johdonmukaisesti isompiin käsitteellisiin kokonaisuuksiin.
–Opettajaksi opiskeleville tämä on yllättävän haastavaa, vaikka opiskelija tuntisi kaikki faktat ja fysiikan peruskäsitteet, sanoo Koponen.
Yliopistonlehtori Maija Nousiainen tutki tätä väitöskirjassaan ja selvisi, että vain harvat opiskelijat kykenivät yhdistämään fysiikan käsitteet ja lait osaksi laajempaa käsitteellistä kokonaisuutta ja perustelemaan johdonmukaisti keskeiset yhteydet.
Tutkimuksessa havaittiin, että kaikki opiskelijat eivät osanneet selittää johdonmukaisesti ja yksinkertaisesti esimerkiksi sitä, miten yksinkertaiset virtapiirit käyttäytyvät, vaikka aihepiiri on varsin keskeisesti esillä lukiofysiikan opetussuunnitelmassa. Tutkimus auttoi tunnistamaan tapoja parantaa opettajankoulutusta saavuttamaan tämäkin tavoite aiempaa paremmin.
Aineenopettajakoulutuksessa onkin pyritty ohjaamaan opiskelijoita tunnistamaan omassa argumentaatiossa olevat puutteet ja lisätty harjoituksia, joilla opetellaan johdonmukaista argumentointia.
Ilmiöoppiminen voi luoda illuusioita ymmärtämisestä
Ismo Koponen on jossain määrin varautunut ns. ilmiöoppimisen toimivuuden ja onnistumisen suhteen. Vaikka ajatus on periaatteessa hyvä, on kyseenalaista, miten käytännössä voidaan varmistaa, että lopputuloksena on fysiikan käsitteiden ja käsitejärjestelmien, ja niiden soveltamisen kannalta tavoitteiden mukainen tiedollisesti riittävän eheä kokonaisuus. Hänen näkemyksensä ja kokemuksensa mukaan ei ole kovin uskottavaa, että lukiotasollakaan kovin moni oppilas pystyisi riittävän syvällisesti ymmärtämään ja lähestymään liian monimutkaisia ja haastavia ilmiökokonaisuuksia. Näitä ovat vaikkapa ilmaston muutos, tai aurinkoenergia fysikaalisena ilmiönä ja osana energiataloutta. Liian usein yritykset tuntuvat johtavan puolittain opittuun ja vain osittain ymmärrettyyn, sekä osittain jopa väärin ymmärrettyyn näkemykseen.
–Kun on annettu helppoja selityksiä monimutkaisiin ilmiöihin, niin tulee liian helposti illuusio osaamisesta, vaikka asia on vasta puoliksi ymmärretty, sanoo Koponen. Jotta ilmiökeskeinen oppiminen toimisi halutulla tavalla, pitäisi tunnistaa oppimisen edellyttämä käsitteellinen ja kognitiivinen taso ja varmistua siitä, että oppimisessa ja opetuksessa tavoitteena olevat peruskäsitteet ja –mallit ovat oppilaan saavutettavissa.
Mitä Crookesin radiometri opettaa?
Koponen nostaa pöydälle esineen, jossa lasikuvun sisällä on pystyakseliin kiinnitetty roottori, joka koostuu kiiltävistä ja mustista neliöimäisistä siivekkeistä. Laite tunnetaan ns. Crookesin radiometrinä. Kun roottoria valaistaan, se lähtee pyörimään. Tämä on monille tuttu demonstraatio fysiikan tunnilta ja sillä on usein pyritty havainnollistamaan valon aiheuttamaa ns. säteilypainetta. Useimmat fysiikan opettajat tosin tunnistavat, että juuri tätä demonstraatio ei osoita, vaan pikemminkin osoittaa tämän selityksen vääräksi.
Ilmiö ei sinänsä ole ehkä kovinkaan mielenkiintoinen. Mielenkiintoisempaa on se, miten omaksuttua fysiikan tietoa käytetään ilmiön oikean ja toimivan selityksen tunnistamiseksi. Tyypillinen opettajaksi opiskeleva, myös hyvin fysiikan opetuksen omaksunut lukiolainen, hallitsee periaatteessa kaiken tarvittavan perusfysiikan (johon lukeutuu mm. termodynamiikka, sähkömagneettisen säteilyn spektri, säteilyn emissio- ja absorbtio), mutta ilmiön ja selityksen perusteiden tunnistaminen ja soveltaminen osoittautuvat haasteelliseksi tehtäväksi.
–Ilmiön selittäminen johdonmukaisella tavalla ei ole yksinkertainen tehtävä, koska vastaus pitää koostaa monesta eri ilmiöstä jäsentyneesti ja koordinoidusti, mikä edellyttää tarkkaa ja johdonmukaisesti etenevää perusteluketjun rakentamista. Mikään yksittäinen, helposti todettava ”periaate” tai ”laki” ei selitä ilmiötä. Monimutkaisia ilmiökokonaisuuksia selittävät selitysrakenteet ovat juuri tämän kaltaisia pidempiä, toisiinsa kytkeytyviä perusteluketjuja, sanoo Koponen.
Esimerkiksi ilmaston lämpeneminen fysikaalisena ilmiönä edellyttää sähkömagneettisen säteilyn emissioon ja absorbtioon liittyvien käsitteiden ymmärtämistä ja niiden johdonmukaista käyttämistä. Ne ovat myös juuri ne käsitteet, joita tarvitaan myös radiometrin käyttäytymisen ymmärtämiseen.
Kuinka siis ilmiölähtöinen oppiminen voi onnistua koulufysiikan tasolla, kun monimutkaisten ilmiöiden ymmärtäminen ja selittäminen on hyvin haastavaa opettajankoulutuksenkin tasolla?