Fysiikan opetuksessa käsitteiden oppiminen on keskeistä, mutta niiden oppimiseen liittyy monia ongelmia. Oppilaiden olemassa olevat käsitteet voivat erota merkittävällä tavalla tieteellisistä, oppimisen kohteena olevista käsitteistä, mikä muodostaa haasteen oppimisen kannalta. Oppimisprosessissa oppilaat ankkuroivat uuden opetettavan asian omaan, jo olemassa olevaan tietorakenteeseensa. Tämä tietorakenne on fysiikan kannalta usein jäsentymätön ja virheellinen, mikä johtaa usein niin sanottuihin virhekäsityksiin. Näiden käsitysten muuttumiseen viitataan usein termilllä käsitteellinen muutos.
Käsitteellisen muutoksen luonteesta ei kuitenkaan ole yksimielisyyttä. Jotkin tutkijat ovat esittäneet , että käsitysten taustalla on järjestynyt teoriankaltainen tietorakenne tai yhtenäinen selitysperusta. Toiset taas ovat sitä mieltä, että käsitysten taustalla on ennemminkin löyhä ja jokseenkin irrallisista paloista koostuva järjestelmä. Näillä näkemyseroilla voi olla suoria vaikutuksia siihen miten opetus järjestetään.
Tässä työssä esitetään uusi teoreettinen viitekehys käsitteellisen muutoksen kuvaamiseksi, joka hyödyntää psykologian ja kognitiotieteen käsiteteorioita. Käsitteiden nähdään siten koostuvan prototyyppipiirteistä sekä teoreettisemmista piirteistä. Käsitteitä kuvataan näistä piirteistä koostuvana monimutkaisena systeeminä, joten niitä havainnollistetaan graafin avulla. Systeeminen esittäminen on hedelmällinen lähtökohta, sillä se mahdollistaa eri teorioiden esiin nostamien piirteiden esittämisen samaa viitekehystä käyttämällä.
Esitettävää viitekehystä ja graafeja sovellettiin empiiriseen aineistoon, joka koostuu opiskelijahaastatteluista. Haastatteluissa Helsingin yliopiston fysiikan opiskelijoiden (N=31) tuli tehdä perusteltuja ennusteita yksinkertaisten virtapiirien toiminnasta. Litteroiduista haastatteluista poimittin opiskelijoiden virta-, jännite- ja resistanssikäsitteisiin liittämiä teoreettisia- ja prototyyppipiirteitä ja opiskelijoiden selitysmallit koostettiin käyttäen näitä elementtejä. Opiskelijat esittivät eri tasoisia selityksiä intuitiivista aina teoreettisiin, normatiivisiin selityksiin asti. Opiskelijahaastatteluista poimittiin viisi opiskelijaa, joiden selitysmalleja havainnollistettiin graafien avulla. Valittujen viiden opiskelijan selitysmallit edustivat tyypillisimpiä haastatteluissa esiintulleita selitysmalleja ja lisäksi heidän selityksissään tuli esille monipuolisesti käsitteellisen muutoksen kannalta mielenkiintoisimpia piirteitä.
Graafit ovat kompakti ja havainnollinen tapa esittää opiskelijoiden selitysmalleja ja tarjoavat kvalitatiivista, sanallista kuvailua kvantitatiivisemman ja informatiivisemman esitystavan. Graafit mahdollistavat monien eritasoisten käsiterakenteiden kuvaamisen, joten ne tuovat esiin käsitteiden oppimiseen liittyvän monimuotoisuuden ja ottavat huomioon yksilön käsitteet tieteellisten käsitteiden oppimisessa. Graafeista näkee helposti kuinka prototyyppipiirteet kytkeytyvät osaksi käsitteitä ja kuinka teoreettinen tieto muuttaa prototyyppien kuvailemia ontologisia attribuutioita. Lisäksi voidaan nähdä kuinka käsitteiden kytkeytyminen osaksi selitysmalleja tapahtuu ja kuinka nämä tietorakenteet kehittyvät kohti koherentimpaa tietoa havaintojen seurauksena.
Näin ollen kehitetty viitekehys ja graafit tarjoavat mielenkiintoisen välineen oppimisprosessin tarkempaan analysointiin, joka edesauttaa opetuksen järjestämistä käsitteiden oppimista parhaiten tukevalla tavalla.
