Browsing by discipline "Teaching of Physics"

Gradussa tutkittiin lukion pakolliselle kurssille osallistuvien opiskelijoiden näkemyksiä luonnontieteen luonteeseen (Nature of Science) liittyvistä aspekteista. Taustateoriana toimii kansainvälinen Nature of Science (NoS) –viitekehys ja sen merkityksiä peilataan suomalaisen hahmottavan lähestymistavan periaatteisiin. Luonnontieteen luonteen aspektit ovat näkemys tieteestä, havaintojen merkitys tieteessä, tiedon pysyvyys ja sen perusteltavuus, sekä luovuuden rooli tieteessä. Tutkimuksen metodina käytettiin kyselytutkimusta ja tutkimusote oli pääosin laadullinen. Opiskelijoita oli yhteensä 126 neljästä eri ryhmästä. Aineisto kerättiin ensimmäisellä oppitunnilla. Aineiston keräämiseen käytetyn kyselylomakkeen taustateoria liittyy kiinteästi luonnontieteen luonteen konsensusnäkemykseen ja NoS-tutkijoiden kehittämään Views of Nature of Science (VNOS) –formaattiin. Gradun kyselylomakkeessa on viisi avointa kysymystä, joista saatua dataa analysoitiin pääosin aineistolähtöisesti abduktiivista logiikkaa hyödyntäen. Vastauksista hahmottuu selkeitä trendejä. Ensinnäkin tiede nähdään pääosin tutkimuksena, joka voidaan yleistää prosessinäkemykseksi tieteestä. Myös taustateoriassa esiintyvä näkemys tieteen produktiluonteesta hahmottuu aineistosta. Havainnot nähdään merkittävänä osana tiedettä. Pääosin havainnot nähdään ehtona tieteelle ja tiedolle. OPSin tavoitteiden mukaan havaintojen avulla voidaan tehdä johtopäätöksiä. Tämä näkemys havaintojen merkityksestä tieteessä ei hahmotu selkeästi aineistosta. Tieteellinen tieto nähdään pääosin mahdollisesti muuttuvana, mutta kuitenkin luotettavampana ja totuudenmukaisempana kuin mielipide.

Tutkielmassa perehdyttiin ylioppilaskirjoitusten fysiikan ainereaalikokeen oppiainerajat ylittäviin kysymyksiin. Kymmenen tutkintokerran kysymyksiä analysoitiin, ja ne luokiteltiin oppiainerajat ylittäviin ja pelkästään fysiikkaan liittyviin kysymyksiin. Tämän jälkeen oppiainerajat ylittäville kysymyksille tehtiin tarkempi luokitus niissä esiintyvän toisen oppiaineen, fysiikan oppisisällön ja taksonomiataulukon perusteella. Tutkimuksessa havaittiin, että oppiainerajat ylittäviä tehtäviä on esiintynyt fysiikan ainereaalissa melko vähän. Tosin, jos kaikki matematiikan taitoja edellyttävät tehtävät olisi laskettu oppiainerajat ylittäviksi tehtäviksi, olisi ainerajat ylittäviä tehtäviä ollut selkeästi enemmän. Tutkimuksessa päädyttiin kuitenkin luokittelemaan suurin osa tehtävien matematiikasta fysiikan menetelmätiedoksi. Löydetyissä oppiainerajat ylittävissä tehtävissä esiintyi eniten fysiikan lisäksi maantieteeseen ja biologiaan liittyviä tehtäviä. Muita yhdistettyjä oppiaineita olivat kemia, matematiikka ja yhteiskuntaoppi. Fysiikan kursseista tehtävissä tarvittiin eniten kurssien Fysiikka luonnontieteenä, Lämpö ja Aallot tietoja. Taksonomiataulukossa analysoidut tehtävät sijoittuivat taulukon keskiosaan. Tehtävät edustivat käsite- ja menetelmätietoa sekä ajattelun taitojen tasoja ymmärtää, soveltaa ja analysoida. Lopuksi tutkielmassa esitettiin ehdotuksia uusiksi oppiainerajat ylittäviksi kysymyksiksi. Uusissa kysymyksissä tuotiin mukaan uusia oppiaineita fysiikkaan yhdistettynä, ja niissä hyödynnettiinkin muun muassa kuvataidetta ja filosofiaa. Taksonomiataulukon osalta uusissa tehtävissä painotettiin ajattelutaitojen korkeampia tasoja. Lisäksi tehtävien laadinnassa pyrittiin huomioimaan tuleva sähköinen ylioppilaskoe sekä ylioppilaskokeen kypsyyttä mittaava tehtävä.

Oppimisen eräs suurin haaste on opiskelijoiden ennakkokäsitykset tieteellisistä ilmiöistä. Käsitykset ovat yleensä vain osittain lähellä tieteellistä käsitystä tai toisinaan jopa täysin ristiriitaisia sen kanssa. Uudempi tutkimus on keskittynyt selvittämään kognitiivisia tekijöitä ennakkokäsitysten muodostumisen taustalla ja on korostanut relaationaalisen tiedon merkitystä käsitteiden oppimisessa. Relaatioita ja relaationaalista tietoa voidaan siis pitää keskeisessä roolissa myös fysiikan käsitteiden oppimisessa, sillä käsitteiden merkitys rakentuu niiden sisäisen relaatiorakenteen perusteella. Tässä tutkimuksessa selvitettiin yliopisto-opiskelijoiden käsityksiä sähkötehosta siihen liittyvien käsitteiden avulla. Aihe on kiinnostava ja ajankohtainen, sillä aiempaa tutkimusta sähkötehosta ei juurikaan ole. Tutkimuksessa tutkittiin käsitteiden lisäksi niiden yhteydessä käytettyjä kuvailevia sanoja sekä niiden välisiä relaatioita ja kausaalisia suhteita. Tutkimuksen aineisto kerättiin haastattelujen avulla, jotka toteutettiin fysiikan pää- ja sivuaine opettajaopiskelijoille. Haastattelut videoitiin. Haastattelussa oli tutoriaalitehtävistä koostuva perusta, mutta haastattelijat eivät käyttäneet ennalta sovittuja kysymyksiä, vaan haastattelu eteni opiskelijoiden selitysten pohjalta. Tutoriaalitehtävissä opiskelijoiden tuli asettaa kytkentäkaavioiksi piirrettyjen virtapiirien lamput kirkkausjärjestykseen. He pohtivat ensin vastauksia itsenäisesti ja sen jälkeen keskustelivat niistä kolmen-neljän hengen pienryhmissä. Pohdinnan jälkeen he rakensivat kytkentäkaavioista virtapiirit ja vertailivat ennusteitaan tekemiinsä havaintoihin. Videoidut haastattelut litteroitiin ja aineistolle tehtiin aineistolähtöinen laadullinen analyysi. Aineistosta etsittiin opiskelijoiden sähkötehon yhteydessä käyttämiä käsitteitä, käsitteisiin liitettyjä attribuutteja sekä käsitteiden välisiä relaationaalisia suhteita. Aineistosta muodostettiin seitsemän eritasoista selitysmallia sähköteholle. Tutkimuksessa saatujen tulosten perusteella havaittiin, että relaationaalisen tiedon hallinnalla on merkitystä kattavien selitysmallien muodostumisessa. Kehittyneimmät selitysmallit olivat lähimpänä tieteellistä käsitystä sekä sisälsivät eniten relaatioita ja toisistaan eriytyneitä käsitteitä. Kuitenkin suurin osa opiskelijoista käytti selityksissään vain yksinkertaisia relaatioita tai perusteli virtapiirien toimintaa opittujen laskukaavojen avulla tarkemmin erittelemättä mitä ne tarkoittavat. Heidän selitysmalleistaan voidaan päätellä, että puutteellinen relaationaalinen ymmärrys saattaa olla eräs syy tieteellisten käsitysten oppimisvaikeuksien taustalla.

Ainereaali kirjoitettiin ensimmäistä kertaa keväällä 2006, jolloin avautui mahdollisuus tutkia yksittäisten reaaliaineiden osaamista. Kokeessa muutos näkyi tehtävävalintojen rajuna kaventumista. Tutkielmassa tarkastellaan ylioppilaskokelaiden fysiikan ainereaaleissa keväinä 2009 ja 2010 tehtyjä tehtävävalintoja, menestymistä sekä käytetyn oppikirjasarjan vaikutusta etsimällä vastauksia kysymyksiin: 1) Millaisia ovat olleet fysiikan ainereaalitehtävät keväinä 2009 ja 2010? 2) Millaisia tehtävävalintoja eri kirjoittajaryhmät (muuttujina sukupuoli ja käytössä ollut oppikirjasarja) ovat tehneet ja miten kokeissa menestyneet? Onko ryhmien välillä havaittavissa tilastollisia eroja? Tutkimuksen viitekehyksenä toimii opetuksen perusmalli lukiossa. Lukion opetussuunnitelman perusteet (LOPS) asettaa tavoitteet koko lukiokoulutukselle. Oppimiseen vaikuttaa mm. kokelaan lähtötaso, kognitiiviset tiedot ja taidot sekä käytössä ollut oppimateriaali. Malli huipentuu arviointiin: lukion osalta ylioppilaskokeen arvosteluun, joka tässä tutkielmassa on keskiössä. Fysiikan ainereaalitehtäviä analysoitiin teoriaohjaavan sisällönanalyysin keinoin. Tutkimuksen kvantitatiivinen tutkimusaineisto fysiikan ainereaalikokeen arvostelu kerättiin Ylioppilastutkintolautakunnan tulosluetteloista. Aineisto täydentyi oppikirjatiedoilla, jotka saatiin 58 lukioilta sähköpostikyselyn avulla. Tutkimuksen otos sisälsi n. 15 % kevään fysiikan kirjoittajista: 675 (560 miestä, 115 naista) keväältä 2009 ja 710 (538 miestä, 172 naista) keväältä 2010. Aineistoa analysoitiin SPSS:llä käyttäen ristiintaulukointia sekä ei-parametrisiä testejä. Tutkimuksen tuloksena havaittiin, että enemmistö reaalitehtävistä oli korkeimpia kognitiivisia taitoja vaativia tuottamistehtäviä. Naisten ja miesten arvosanojen tilastollinen ero vaihteli. Sukupuolten väliset tehtävävalinnat poikkesivat vain vähän toisistaan. Käytetyllä oppikirjasarjalla oli merkitystä kokeessa menestymiseen. Parhaiten pärjäsivät Physican ja Fotonin lukijat, tilastollisesti heikoiten Fysiikkaa lukeneet. Miehillä eri oppikirjaa käyttäneiden ainereaaliarvosanat vaihtelivat tilastollisesti merkittävästi, mutta naisten kohdalla eroa ei ollut. Eri kirjasarjaa käyttäneiden tehtävävalinnat vaihtelivat hiukan. Saatujen tulosten valossa aihetta oppimateriaalien ja niiden käytön lisätutkimukseen olisi, jotta tulevaisuudessa voitaisiin taata mahdollisimman tasa-arvoinen lukio kaikille.

Tutkimuksessa pohdittiin kellumiseen ja uppoamiseen liittyvien ennakkokäsitysten hyödyntämisen mahdollisuuksia nosteen opetuksessa. Oppimisen tavoitteiden kannalta validien ennakkokäsitysten lisäksi pohditaan myös virhekäsitysten hyödyntämistä. Tässä tutkimuksessa tutkittaville 50 oppilaalle suoritettiin ennakkokäsitystesti, jonka jälkeen haastateltiin yhdeksää oppilasta. Haastattelut olivat kahden keskisiä opetustilanteita, joissa keskustelu aloitettiin oppilaan lomakevastauksien ja vastausten perusteluiden pohtimisesta. Keskustelua vietiin eteenpäin kysymysten ja havainnollistavien esimerkkien avulla. Oppilaan käsityksiä nosteesta pyrittiin siis kehittämään oppilaan lähtökohdat huomioon ottaen. Tämän tutkimuksen perusteella yläkouluikäiset voidaan luokitella karkeasti kolmeen ryhmään ennen nosteen opetusta. Haastavimmat oppilaat selittävät nostetta fysikaalisen painon avulla; painava kappaleet uppoavat ja kevyet kelluvat. Tässä ryhmässä noste saatettiin jopa nähdä väliaineen vastuksen kaltaisena vastusvoimana, jolloin esim. väliaineen viskositeetti tai väliaineeseen asetetun kappaleen terävyys vaikuttaa kellumiseen. Keskimmäinen ja suurin ryhmä ovat oppilaat, jotka selittivät nostetta ominaispainon avulla. Selityksellä pärjää jo monissa tilanteissa, mutta siitä puuttuvat käsitteet massa, tilavuus ja tiheys sekä paino ja noste fysikaalisina voimina. Osa keskimmäisen ryhmän oppilaista omaa selityksen nosteen aiheuttajalle; maa vetää väliainetta joko kovempaa tai hiljempaa kuin väliaineessa olevaa kappaletta. Opetuksen kannalta vaivattomin ryhmä ovat oppilaat, jotka käyttivät päättelyissään fysikaalisia suureita kuten massa, tilavuus ja tiheys. Nämä oppilaat ymmärsivät myös, että noste syntyy paineesta, mutta paine-eron käsite ei ollut heilläkään käytössä. Virhekäsitystestin perusteella tavallisin virhekäsitys oppilailla oli kappaleen pinta-alan yhdistäminen nosteen suuruuteen; kappale kelluu helpommin mikäli paino on jakautunut suuremmalle alalle. Nesteellä on siis jonkinlainen kelluttavat ominaisuus, joka on levittäytynyt sen pinnalle. Kyseinen virhekäsitys ei ole täysin huono, sillä noste on paineesta syntyvä voima ja paineesta syntyvät voimat riippuvat usein pinta-alasta. Virhekäsitys häviää, jos oppilas oppii ymmärtämään nosteen syntymekanismia paremmin. Pinta-alan ja paine-eron välisen yhteyden oppiminen vaatii ymmärrystä siitä, että noste syntyy kappaleen ylä- ja alapuolen välisestä paine-erosta. Kun kappaleen pinta-ala kasvaa, paine-ero pienenee. Kolme haastateltua oppilasta olivat valmiita vastaanottamaan edellä mainitun päättelyn heidän omista lähtökohdistaan. Ennakkokäsitystesti synnytti tai toi esiin myös paljon muita virhekäsityksiä. Tämä johtui osittain siitä, että testin kysymyksissä esiintyi tarkoituksella ominaisuuksia, jotka intuitio saattaa yhdistää uppoamiseen ja kellumiseen. Oppilaat tukivat perusteluitaan näillä konkreettisilla ominaisuuksilla huolimatta siitä, että jokaisesta kysymyksestä pystyi päättelemään minkälainen kysytyn kappaleen tiheys on. Tiheyden sijaan perustelut oli helpompi muotoilla mm. kappaleen painon, kaasupitoisuuden, reikäisyyden, litteyden, terävyyden, asennon, kovuuden, täytemateriaalin, väliaineen määrän ja väliaineen viskositeetin perusteella. Tämän työn tulokset osoittavat että on vaikea tunnistaa, missä vaiheessa ja miten ennakkokäsitykset syntyvät. Perinteisesti on ajateltu että ennakkokäsitykset syntyvät opetusta edeltävistä havainnoista ja sosiaalisesta vuorovaikutuksesta. Osa ennakkokäsityksistä saattaa kuitenkin syntyä vasta opetustilanteessa. Virhekäsityksiä ei tarvitse kauhistella, sillä ne saattavat olla oppilaan ensimmäisiä yrityksiä ratkaista jokin fysikaalinen ongelma tieteellisessä kontekstissa.

Suomalaisten yläasteen fysiikanopettajien näkemyksiä tutkittiin verkkokyselyn avulla (N=47). Tutkimus kohdistui fysiikan luonnetta, fysiikan opettamista sekä fysiikan kasvatuksellista merkitystä koskeviin näkemyksiin. Opettajat pitävät tärkeinä seikkoina fysiikan universaaliutta ja sen merkitystä osana yleissivistävää kasvatusta. Yläasteella pyritään motivoimaan oppilaita fysiikan opiskeluun. Kiinnostus pyritään herättämään tutkimalla arjen ilmiöitä. Ilmiöiden matemaattisen mallintamisen merkitys on pienempi. Opettajien näkemykset ovat linjassa Bloomin (1956) taksonomian sekä Kurki-Suonioiden (1994) fysiikan käsitteenmuodostus-mallin kanssa: yläasteen fysiikan opetuksessa painopiste on ilmiöiden kvalitatiivisessa tutkimuksessa sekä oppiaineen ja sen merkityksen esittelyssä, lukiossa fysiikan matemaattisuus lisääntyy. Suomalaiset fysiikan opettajat ovat motivoituneita ja täyttävät hyvän opettajan kriteerit (Meisalo 1984), mikä selittää osaltaan suomalaisten oppilaiden hyvää menestystä kansainvälisissä testeissä (PISA 2006).

Tämän tutkimuksessa tarkastellaan yliopisto-opiskelijoiden käsityksiä kvanttifysiikan ontologisesta rakenteesta ja taipumuksia jäsentää kvanttifysiikan käsitteellistä ainesta. Opiskelijoiden käsityksiä kvanttifysiikasta hahmotettiin opiskelijoiden ilmaisemien kvanttiolio-ontologioiden kuvauksien kriittisen arvioinnin kautta. Fysiikan opetuksen tutkimuksessa ollaan kiinnostuneita siitä, millä tavalla opiskelijat jäsentävät fysiikan erilaiset käsitteelliset kokonaisuudet ja millaisia nämä kokonaisuudet ovat laadultaan. Fysiikan opetuksen järjestelyjä on kritisoitu siitä, että ne kiinnittävät paljon huomiota fysiikan laskennalliseen puoleen, kun taas käsitteellisten ymmärryksen tukeminen jää vähemmälle huomiolle. Aiemmat tutkimukset osoittavat tämän taipumuksen vaivaavan erityisesti kvanttifysiikan opetuksen järjestämistä. Opiskelijoiden käsityksiä kvanttifysiikan ontologisesta sisällöstä arvioidaan Balibarin ja Levý-Leblondin esittämän fysiikan ontologisten ominaisuuksien kategorisaatioiden mukaan. Opiskelijoiden käsityksiä kvanttiolio-ontologioista verrataan muutamaan Kiddin esittämään historiallis-tieteelliseen –malliin. Opiskelijoiden mallien mielekkyyttä edelleen arvioidaan suhteessa näihin tunnettuihin malleihin. Tutkimus toteutettiin verkkokyselytutkimuksena fysiikkaa pää -ja sivuaineena opiskeleville henkilöille eri opintojen eri vaiheissa. Kysely teetettiin opiskelijoille, jotka suorittivat perus -ja aineopintotason kvanttifysiikan kursseja. Vastaajista valtaosa oli matemaattisia luonnontieteitä pääaineena opiskelevia. Analysoitujen vastausten lukumäärä oli 143. Aineiston analyysissä hyödynnettiin ontologisten ominaisuuksien mielekkyyttä mittaavia erityisiä operationalisoituja tunnuslukuja. Aineiston analyysissä hyödynnettiin eksploratiivista ja konfirmatorista faktorianalyysiä perinteisen tunnuslukuanalyysin tukena. Tutkimus osoittaa opiskelijoiden olevaan kykeneviä tunnistamaan historiallis-tieteellistä kvanttiolio-ontologia –malleista ainoastaan klassisen fysiikan hiukkasontologian. Tämän lisäksi merkittävä enemmistö opiskelijoista ei osoittanut kykenevänsä soveltamaan muita opetuksessa käytettäviä kvanttiolio-ontologia –malleja johdonmukaisesti. Tämän lisäksi tutkimus osoittaa suurimman osan opiskelijoista ymmärtävän ambivalentisti tiettyjä kvanttifysiikan ontologisia ominaisuuksia, joista merkittävimmät ovat olion lokaalius ja olemassaolo ontologisina kategorioina. Myös tietyt kvanttifysiikan käsitteet, erityisesti Heisenbergin epätarkkuusperiaate, eivät jäsentyneet mielekkäänä osana opiskelijoiden ilmaisemaa kuvaa kvanttifysiikan ontologisesta rakenteesta.

Määrittelin Bloomin uudistettua taksonomiaa ohjeena pitäen luokitteluperusteet ylioppilastutkinnon fysiikan koetehtäville. Niiden avulla määritin kullekin kevään 2006–2015 ylioppilastutkinnon fysiikan koetehtävälle sen hyväksyttävästi vastaamisessa vaadittavat tiedon- ja sen käsittelyntasot eli Bloomin luokat. Koetehtävät painottuivat ymmärtää-tasolle ja pelkästään muistaa-tason tehtäviä oli hyvin vähän. Koetehtävien vaikeuden arvioimiseen käytin klusterianalyysiä. Syöttötietona oli tehtävän pistejakauma ja siihen vastaamatta jättäneiden lukumäärä. Klusterien tulkitsin edustavan kolmea vaikeusastetta: helpot, helpohkot ja vaikeat. Vaikeusasteen ja Bloomin luokan yhteyttä tutkin Fisherin tarkalla testillä. Tuloksista kävi ilmi, että korkeimpien Bloomin luokkien tehtävät kuuluivat vaikeat-klusteriin. Lisäksi tutkin alustavasti vaikeat-klusterin osajoukkoa, jonka tehtävissä ilmeni ei-toivottuja ominaisuuksia.