Browsing by Subject "lukiofysiikka"

Työn aiheena on kvanttifysikaalinen lomittuminen ja sen merkitys fotosynteesin energia-absorptiossa. Aihe on perinteiset oppiainerajat ylittävä, käsittäen fysiikkaa, biologiaa ja kemiaa. Aihe on erittäin tärkeä: ilman energiatehokkaasti toimivaa fotosynteesiä Maapallolla ei olisi nykymuotoista elämää. Lomittumisella tarkoitetaan lyhyesti selittäen sitä, että paikallisesti erillään olevien olioiden (klassisesti: aalto tai hiukkanen) ominaisuuksien välillä on korrelaatio, jota ei klassisen fysiikan keinoin pystytä selittämään. Lomittumisesta käytetään myös termiä kvanttikoherenssi, termit ovat käytännössä ekvivalentteja. Lomittuminen on tärkeä osa nykyfysiikan todellisuuskäsitystä ja se on muuttanut todellisuuskäsitystä lokaalista ei-lokaaliin (holistiseen) suuntaan. Vaikka lomittuminen onkin ihmisen arkisen havaintomaailman käsitteistöllä täysin käsittämätön ilmiö, niin se on kokeellisesti kiistatta todistettu luonnon ominaisuus. Työ on kirjallisuustutkimus. Keskeisinä lähteitä ovat lukuisat fysiikan ja fysikaalisen kemian tieteellisissä julkaisuissa olleet artikkelit, sekä kokeellisia että teoreettisia artikkeleja. Fotosynteesiin liittyen, lukuisien 2000-luvulla tehtyjen tutkimusten mukaan lomittumisella näyttäisi olevan tärkeä merkitys viherhiukkasen toiminnassa. Tutkimusten mukaan viherhiukkasen lukuisat Auringon energiaa keräävät antennimolekyylit ja yksi reaktiokeskus ovat kvanttikoherentissa lomittuneessa tilassa oleva makroskooppinen systeemi. Tämä mahdollistaa lähes häviöttömän energian siirron antennimolekyyleistä reaktiokeskukseen, joka kerää yksittäisten fotonien energiat ja käynnistää fotosynteesin monimutkaisen reaktioketjun. Lomittuminen näin suurissa biologisissa systeemeissä on kuitenkin vaikeasti havaittavissa ja siksi asiaa tutkitaan koko ajan lisää erittäin intensiivisesti. Lukiofysiikan nykyisen oppimäärän modernin fysiikan kurssissa korostetaan aaltohiukkasdualismin käsitettä. Monien fysiikan opetuksen tutkijoiden mielestä aaltohiukkasdualismin käsite on hyvin ongelmallinen. Siihen sisältyvien klassisten käsitteiden, aalto ja hiukkanen, sekoittaminen kvanttifysiikan käsitteiden kanssa vaikeuttaa kvanttifysiikan oppimista ja saattaa olla este kvanttifysiikan ja lomittumisen syvällisempään ymmärtämiseen. Tutkijat suosittelevat, että aaltohiukkasdualismin käsitettä ei opetuksessa käytettäisi. Valitettavasti se on korostetusti esillä vuoden 2015 fysiikan OPS:ssa. Oppikirjojen kirjoittamisessa täytyy toki olla melko konservatiivinen, mutta lomittuminen on kuitenkin jo niin tärkeä osa nykyfysiikkaa, että seuraavan sukupolven oppikirjoissa lomittumisen pitäisi ehdottomasti olla mukana. Luonteva reitti lomittumisen opetukseen etenee käsittelemällä pienen intensiteetin kaksoisrakokoe perusteellisesti ja pohtimalla sen tulosten merkitystä fysiikan ontologian kannalta. Lomittumisen käsitteen kvalitatiivinen ymmärtäminen olisi tärkeää myös siksi, että sillä odotetaan jo muutaman vuoden sisällä olevan hyvin merkittäviä käytännön sovelluksia (kvanttitietokoneet, suprajohtavuus, jne.). Ihmisen suoran havaintomaailman mukaan todellisuus on lokaalia, hiukkaset ovat lokaaleja ja erillisiä. Lomittumiseen liittyvä todellisuus on kuitenkin täysin ei-lokaalia. Kvanttifysiikan ja lomittumisen ontologia tuntuu siis arkijärjen vastaiselta ja siksi sitä voi olla vaikea hyväksyä. Tällöin tulee muistaa, että lomittuminen on kokeellisesti todistettu. Fysiikassa jokainen koe on kysymys luonnolle. Jos ihmisen oman, hyvin rajallisen, havaintomaailman käsitteistö ei riitä selittämään ja ymmärtämään luonnon antamia vastauksia, niin ei se ole luonnon vika!

Tässä tutkielmassa tarkastellaan yleisen suhteellisuusteorian opetusta lukiofysiikan aiheena. Tutkielmassa esitetään integratiivisen kirjallisuuskatsauksen avulla yleiseen suhteellisuusteorian opetukseen lukiotasolla liittyvää tutkimusta. Opetuksen mahdollisuuksia tarkastellaan koordinaatioluokkateorian ja didaktisen rekonstruktion mallin teoreettisessa viitekehyksessä ja tutkimuskirjallisuutta peilataan vuoden 2019 lukion opetussuunnitelmaan. Luvussa 2 esitetään tutkimuksen toteutus ja metodit sekä pohjustetaan työn tarkoitusta. Luvussa 3 esitetään tutkielman teoreettisena viitekehyksenä toimiva koordinaatioluokkateoria ja didaktisen rekonstruktion malli. Luvussa 4 annetaan näkymiä tutkimuskirjallisuuden havaitsemiin yleisen suhteellisuusteorian oppimissisältöihin, oppimistavoitteisiin sekä opetuksen haasteisiin lukiotasolla ja esitetään kokoelma erilaisia opetusmalleja yleisen suhteellisuusteorian opetukseen lukiotasolla. Opetusmalleja tarkastellaan koordinaatioluokkateorian kehyksessä. Luvussa 5 pohditaan yleisen suhteellisuusteorian merkitystä osana yleissivistävää opetusta. Luvussa 6 esitetään oppimisteorioiden välinen synteesi, jonka avulla voidaan kuvata fysiikan opetuksen iteratiivisen syklistä prosessia, kuinka uusia tietokerroksia levitetään vanhan päälle, jotta pääsemme syvemmälle opetettavaan aiheeseen. Tämän lisäksi luvussa linkitetään yleisen suhteellisuusteorian opetus kokonaisuutena osaksi teoreettista viitekehystä sekä pohditaan tehtyä työtä kokonaisuutena. Tutkimuskirjallisuuden perusteella koordinaatioluokkateorian ja didaktisen rekonstruktion mallin viitekehyksessä yleisen suhteellisuusteorian opettaminen lukiossa vaikuttaisi olevan käsitteellisellä tasolla varsin mahdollista. Yleisen suhteellisuusteorian opetukseen lukiotasolla on olemassa useita erilaisia opetusmalleja ja analogioita, joita hyödyntämällä abstraktia ja arkikokemusta vailla olevan teorian ja ilmiöiden opettamista on voitu yksinkertaistaa lukiotasolle sopivaksi. Myös erilaiset opetuskokeilut tukevat tätä näkemystä. Suhteellisuusteorian opetuksen positiivisia vaikutuksia oppilaiden motivaatioon ja kiinnostukseen on myös raportoitu tutkimuskirjallisuudessa. Kuitenkin suhteellisuusteoriaa ei mainita sanallakaan lukion vuoden 2019 opetussuunnitelmassa vaikkakin opetussuunnitelmasta löytyy monia yhtymäkohtia suhteellisuusteorian opettamiseen lukiotasolla. Tutkielman valossa suhteellisuusteorian puuttuminen lukion opetussuunnitelmasta vaikuttaisi olevan ensisijaisesti arvovalinta.