Browsing by discipline "Fysiikan opettajan koulutus"

Opetus- ja tutkimusmaailmojen välillä koetaan olevan rako, jota voidaan pitää osasyynä yleisesti havaittuun opiskelijoiden matalaan motivaatioon luonnontieteellisiä aloja kohtaan. Samassa yhteydessä esiin nousevat autenttisuuden ja relevanssin käsitteet, joilla voidaan kuvata eri tavoilla tapahtuvan toiminnan ”aitoutta” tai mielekkyyttä. Tässä työssä esitellään Fysiikan tutkimuslaitos HIP:in (Helsinki Institute of Physics) Avoin data opetuksessa -projektin myötä kehitettyjä merkityksellisen ohjelmoinnin työkaluja, joissa hyödynnetään muun muassa CERNissä toimivan CMS-kokeen (Compact Muon Solenoid) avoimia hiukkastutkimuksen aineistoja. Näiden materiaalien siirtymistä opettajakunnan avuksi tuetaan koulutuksilla, joista kerättyä palautetta analysoidaan tässä tutkielmassa laajemman tiedeopetuksen autenttisuuteen ja avoimen datan hyödyntämiseen liittyvän keskustelun yhteydessä. Avoimen datan hyödyntäminen ja opetuksellinen tutkiminen ovat hyvin nuoria aloja, joiden eturintamaan tämäkin työ asettuu. Aineistoa on kerätty sekä suomalaisilta (n = 64) että kansainvälisiltä (n = 12) toisen asteen opettajilta, minkä lisäksi vertailukohtana käytetään opiskelijatyöpajoista nousseita kommentteja (n = 62). Menetelmänä toimii temaattinen analyysi, jonka tulokset ovat vertailukelpoisia muuhun luonnontieteen opetuksen tutkimuskirjallisuuteen. Tutkimuskysymyksenä on: Miten autenttisuus esiintyy opettajien palautteessa hiukkasfysiikan avoimen datan opetuskäytön kursseilta ja kuinka se vertautuu tiedeopetuksen tutkimuskirjallisuuteen? Tuloksista havaitaan opettajien näkemysten asettuvan hyvin saman suuntaisesti kuin verrokkikirjallisuuden pohjalta olisi voinut olettaakin, yleisimpien autenttisuuden yhteyksien painottuessa tutkijoiden toimintaan verrattaviin työskentelytapoihin ja ”oikean maailman” haasteisiin. Palautteen lähes yksimielinen positiivisuus antaa vahvaa indikaatiota projektin tarjoamien mahdollisuuksien hyödyllisyydestä ja tukee alalla kaivattavien jatkotutkimusten kannattavuutta.

Begreppskartor utvecklades ursprungligen på 1980-talet av Joseph Novak och Bob Gowin som ett sätt att strukturera och därmed få djupare förståelse för ny kunskap. Sedan dess har de utvecklats och undersökts som inlärnings-, utbildnings- och bedömningsmetod, inte minsta av forskare som Maria Ruiz-Primo. Den här avhandlingen utgår till stor del från Ruiz-Primos utveckling av begreppskartan som ett verktyg för att bedöma elevers prestationer och undersöker huruvida traditionella prov kunde ersättas med begreppskartsuppgifter inom fysiken. Begreppskartor har en bevisligen positiv effekt vad gäller inlärning, men de används sällan i våra skolor och det är svårt att få elever att anamma en ny och ointuitiv inlärningsmetod. Att använda begreppskartan som en bedömningsmetod i klassen skulle knuffa eleverna mot ett mer begreppsbaserat tänkande och kunde hjälpa dem i sin förståelse av ämnet. Som provuppgift är begreppskartan snabb att göra och rätta men ger läraren goda insikter i elevens förståelse för ett ämne. Ifall man kunde tänka sig att använda begreppskartan som provuppgift åtminstone diagnostiskt skulle det föra med sig en hel drös fördelar. Två klasser undersöktes, en i grundskolan på årskurs sju och en kurs i gymnasiet. Bägge grupper fick lära sig grunderna i att göra begreppskartor på förhand, gymnasisterna hade lite erfarenhet av det också från tidigare. Båda grupperna fick sedan under en kurs skriva ett traditionellt prov samt göra en begreppskarta av materialet de nyligen gått igenom. Begreppskartorna bedömdes med en femstegs-modell utvecklad av Ruiz-Primo och Shavelson och gavs ett vitsord beroende på hur väl de jämfördes med en expertkarta. Resultaten undersöktes skilt för de två grupperna och granskades för svårighetsgrad, korrelation och överensstämning enligt en statistisk metod utvecklad av Bland och Altman 1986. Svårighetsgraden för uppgiften fanns vara lämplig, bägge gruppernas medeltal var något lägre för begreppskartan än för det traditionella provet vilket kan motiveras med att eleverna trots allt har större erfarenhet av traditionella prov än begreppskartor. Korrelationen för grundskolegruppen fanns vara god, 0,825 medanden för gymnasiet var betydligt svagare, 0,412. Bland-Altman metoden gav vidare negativa resultat för gymnasiet med mycket stora kast mellan de enskilda elevernas prestationer i de två uppgifterna. Grundskolegruppen presterade lite mer konsekvent men visade en trend där de verkligt svaga och de verkligt starka eleverna gynnades av begreppskartsuppgiften medan eleverna med medeltal kring 7 gjorde sämre ifrån sig än i det traditionella provet. Korrelationen för grundskolan är så pass stark att det är tänkbart att begreppskartan kunde användas som en bedömningsmetod inom grundskolan. Grundskolans begränsade matematik gör att också en stor del av naturvetenskaperna är fenomen- och begreppsbaserade snarare än baserade på problemlösning. I gymnasiet är det tvärtom, största delen av gymnasiekursen inom fysiken går ut på matematisk uträkning av fenomen, inte på att kunna förklara dem med ord och förstå samband. Som en följd av detta är begreppskartorna mer användbara som en alternativ bedömningsmetod i grundskolan än i gymnasiet.

Tutkielman tarkoituksena on kirjallisuuskatsauksen avulla kuvata tieto- ja viestintäteknologian hyödyntämistä yläkoulussa ja lukiossa. Työssä selvitettiin millainen ja millaisten IT-sovellusten käyttö on perusteltua fysiikan oppimisessa ja opetuksessa ja mitä erityistä hyötyä tai etua IT-sovellusten käytöstä on fysiikan opetuksessa ja oppimisessa. Tutkimusmenetelmäksi valikoitui systemoitu kirjallisuuskatsaus. Tutkimusaiheeseen tutustumisen jälkeen haettiin aiheeseen liittyvää kirjallisuutta Helsingin yliopiston kirjaston käytössä olevista tietokannoista ja Google Scholarista. Lopullinen tutkimusten määrä oli 17. Aineiston perustiedot taulukoitiin ja jaettiin tutkimusten tulosten ja muiden huomioiden perusteella ryhmiin. Kirjallisuuskatsauksen tulosten perusteella IT-sovellusten, tarkemmin simulaatioiden, virtuaalitodellisuuden ja mobiililaitteiden, käyttäminen on oppimisen ja opetuksen kannalta perusteltua yläkoulussa ja lukiossa. Oppimista tukee sovellusten ja opettajan tarjoama ohjaus ja tuki sovellusten käyttäjälle. Samoin sovellusten käyttäminen yhdessä perinteisten kokeellisten töiden kanssa osoittautui hyödylliseksi. IT-sovelluksien käytöllä oli positiivinen vaikutus asenteisiin ja motivaatioon. Ne myös mahdollistavat normaalisti vaikeasti toteutettavien, fyysisesti mahdottomien, vaarallisten tai kalliiden kokeiden toteuttamisen. Lisäksi IT-sovellukset toivat lisää mahdollisuuksia itseopiskeluun. Kuitenkin opettajan ohjaus ja tuki sovellusten käyttäjälle on tärkeää virhekäsitysten välttämiseksi.

Laadukkaaseen argumentointiprosessiin sitoutuminen antaa opiskelijalle mahdollisuuden oppia sekä itse argumentoinnista että keskustelun kohteena olevan aihealueen sisällöstä (Chinn & Clark, 2013). Mikäli tällaisia kollaboratiiviseen argumentointiin perustuvia keskusteluja halutaan hyödyntää osana opetusta, tarvitaan työkaluja niiden analysointia ja kehittämistä varten. Tässä tutkielmassa selvitettiin, miten alun perin yhteiskunnallisten keskustelujen analysointiin kehitetty Rainbow-analyysikehys (Baker, Andriessen, Lund, van Amelsvoort & Quignard, 2007) soveltuu fysiikan opettajaopiskelijoiden käymän fysiikan sisältötietoon liittyvän keskustelun analysointiin ja esitettiin, millaisia piirteitä opiskelijoiden välisistä keskusteluista voidaan sen avulla tunnistaa. Lisäksi esitettiin määrällisiä tunnuslukuja tehdystä analyysistä. Rainbow-analyysin suorittamisen lisäksi tutkittiin analysoitujen keskustelujen oppositionaalisuusastetta ja eksplisiittisesti perusteltujen kommenttien määrää. Sekä oppositionaaliset että perustellut väitteet ovat kummatkin laadukkaan argumentoinnin tunnusmerkkejä (Rapanta, Garcia-Mila & Gilabert, 2013). Tutkielmassa analysoitiin yhteensä 12 kahden tunnin mittaista Moodle-verkkokeskustelua, joissa fysiikan aineenopettajaopiskelijat pohtivat yhdessä, kuinka tiettyihin kvanttifysiikan aiheisiin liittyvät sisältötiedot tulisi järjestää uudelleen aiheiden opettamista varten. Aineisto analysoitiin teorialähtöisen sisällönanalyysin (Elo & Kyngäs, 2008) keinoin. Analyysin alussa havaittiin, että Rainbow-analyysikehys ei sellaisenaan soveltunut tutkielman aineiston analysointiin, mutta siitä muokatun version avulla saatiin aineiston analyysiyksiköt jaettua seitsemään pääkategoriaan, jotka kuvaavat analyysiyksiköiden tehtäviä keskustelussa. Tämän jälkeen analysoitiin aineistolähtöisen sisällönanalyysin avulla, mikä oli kunkin analyysiyksikön tarkempi tehtävä keskustelussa. Lopulta muodostettiin tehtäviä vastaavat, seitsemälle pääkategorialle alisteiset 66 alakategoriaa ja kaikista kategorioista koostuva hierarkkinen kategoriarakenne. Määrällisessä analyysissa laskettiin kuhunkin kategoriaan sijoitettujen analyysiyksiköiden määrä. Havaittiin esimerkiksi, että sanamäärällä mitattuna peräti 88,4 % aineiston kaikesta vuorovaikutuksesta kuuluu neljään keskustelun tavoitteiden kannalta tärkeimpään, argumentointiin liittyvän vuorovaikutuksen kategoriaan. Aineiston neljän ylimmän kategorian analyysiyksiköistä 18,9 % on oppositionaalisia toista keskustelijaa kohtaan ja 31,8 % eksplisiittisesti perusteltuja. Tällaisten kommenttien osuutta keskusteluissa saattaisi olla mahdollista kasvattaa. Tutkielmassa on esitelty keinoja, joista voisi olla apua. Tutkielmassa tuotettiin Rainbow-analyysikehyksestä muokattu versio, joka sopii löyhästi strukturoidun, fysiikan sisältötietoon liittyvän keskustelun analysointiin. Tämä toteutettiin laatimalla analyysin aikana sitä ohjaavat säännöt, raportoimalla ne huolellisesti sekä määrittelemällä aineistosta syntyneiden kategorioiden avulla kukin Rainbow-pääkategoria uudelleen. Syntynyttä analyysikehystä tulee edelleen kehittää analysoimalla sen avulla lisää keskusteluja. Analyysikehyksessä on useita kategorioita, jotka saattaisivat toimia indikaattoreina oppimisen kannalta laadukkaasta keskustelusta. Lisätutkimuksia tarvittaisiin selvittämään, mitkä kategorioista voisivat olla erityisen hyödyllisiä tässä suhteessa.

Tässä työssä tutkitaan fysiikan opettajaopiskelijoiden käsityksiä elektronin ja fotonin ontologioista. Erityisesti tutkitaan näissä käsityksissä tapahtuvia muutoksia kvanttifysiikan perusteita opettavan kurssin aikana. Tutkimuksessa on analysoitu 38 Helsingin yliopiston fysiikan opettajaopiskelijan vastauksia fenomenografiseen Kvanttifysiikan käsitetestiin, jolla tutkitaan käsityksiä kvanttiolioiden dualistisesta luonteesta sekä erityisesti pienen intensiteetin kaksoisrakokokeesssa havaittavien ilmiöiden kuten lokalisoitumisen ja interferenssin merkityksistä. Vastaukset on kerätty kahdelta sisällöiltään oleellisesti yhteneväiseltä opettajaopiskelijoille suunnatulta kurssilta peräkkäisiltä lukukausilta, ja käsitetestiin on vastattu kurssin alussa ja kurssiopetuksen päätyttyä. Vastausten analysoinnissa on sovellettu pääasiassa yhden muuttujan tilastollisia testejä kuten Marginaalisen homogeenisuuden testiä, McNemarin ja Wilcoxonin testejä, Spearmanin ja Kendallin korrelaatiokertoimia sekä Kruskal-Wallis- ja Mann-Whitney -testejä asianmukaisine merkitsevyyskorjauksineen mutta lisäksi monimuuttujaista varianssianalyysiä ryhmien mahdollisten erojen löytämiseksi. Kurssin aikana opiskelijat ovat oppineet mieltämään fotonien paikallistumisen valokuvauslevylle viittaavan fotonien hiukkasmaiseen luonteeseen. Lisäksi kvanttimekaniikan todennäköisyystulkintaa mukailevat käsitykset ovat vahvistuneet samoin kuin elektronien ja varsinkin fotonien ei-jatkuvaan olemassaoloon liittyvät käsitykset. Klassisenkaltaiseen hiukkaskuvaan viittaavissa kysymyksissä havaittiin tuon käsitysmallin kannatuksen vähenevän erityisesti toisella tutkituista kursseista.

Argumentoinnista luonnontieteen opetuksen kontekstissa on julkaistu paljon tutkimuksia viimeisen parinkymmenen vuoden aikana. Argumentointitaitojen nähdään luonnontieteen opetuksessa lisäävän oppilaiden ymmärrystä luonnontieteen käytännöistä sekä auttavan mallien, teorioiden ja selitysten rakentamisessa. Myös oppilaiden tieteellisen kielen käytön, kriittisen ajattelun ja päättelykyvyn on koettu parantuvan.Tutkimukset ovat kuitenkin keskittyneet lähes kokonaan oppilaiden argumentointiin. Opettajan roolin on nähty olevan lähinnä oppilaiden kannustaminen omien argumenttien tekemiseen ja argumentoinnin opettaminen sopivia pedagogisia strategioita käyttäen. Opettaja toimii kuitenkin jatkuvasti esimerkkinä asiantuntijan argumentoinnista omalla argumentoinnillaan. Siksi on tärkeää kiinnittää huomiota myös opettajien argumentointiin. Tässä tutkimuksessa on analysoitu kahden fysiikan opettajan lukion oppitunneilla käyttämiä argumentteja. Aineistona on käytetty videoituja sähköstatiikan oppitunteja. Argumentit on ensin luokiteltu rakenteellisesti Toulminin argumentaatioteorian avulla, jonka jälkeen on tarkasteltu niiden fysikaalista pätevyyttä Nousiaisen neliportaista mallia käyttäen, sekä argumenteissa käytettyjä moodeja. Vaikka oppitunnit olivat luentomallisia, niissä esiintyi useita eri moodeja. Esimerkiksi matemaattisia moodeja esiintyi tasaisesti kaikissa argumentin osissa, ja jopa niin, että usein koko argumentti oli täysin matemaattinen. Opettajien argumenteista melkein neljäsosa (9/38) jäi kokonaan ilman perustelua, ja perustelun sisältäneistä argumenteistakaan kaikki eivät olleet fysikaalisesti päteviä. Esimerkiksi toisen opettajan argumenteista vain alle puolet (8/21) täyttivät fysikaaliselle pätevyydelle asetetut ehdot. Analysointivaiheessa tuli selväksi, että argumentteja pitää käsitellä multimodaalisina, jotta ei menetettäisi oleellista tietoa opettajien argumentoinnista. Tuloksista nähdään myös, että rakenteellisesti hyvä argumentti saattaa olla sisällöllisesti riittämätön. Tästä syystä argumenttien rakenteen lisäksi tulisi aina tarkastella erikseen myös argumenttien sisältöä. Vaikka molemmat opettajat olivat kokeneita fysiikan opettajia, oli argumentoinnissa paljon parannettavaa. Tutkielman pohdintaosiossa esitetään muutama ehdotus fysiikan opettajien argumentointitaitojen parantamiseksi.

Tässä pro gradu- tutkielmassa selvitetään, löytyykö fysiikan ylioppilaskokeeseen osallistuneiden kokelaiden tuloksissa eroja, kun kokelaat on luokiteltu opinnoissa käytetyn oppikirjasarjan perusteella. Tutkimusaineistona on käytetty fysiikan ylioppilaskokeiden tuloksia aikavälillä kevät 2008 — kevät 2013, ja samalta ajalta palautettuja ylioppilakokeen tarkastuslomakkeen liitesivuja. Tarkastuslomakkeen liitesivuissa kokeen esitarkastajan tulee ilmoittaa opinnoissa käytetyt oppikirjat. Oppikirjatieto ja ylioppilaskokeen tulokset on yhdistetty lukion numeron perusteella. Kokelaat on luokiteltu sen perusteella, mikä oppikirja heillä on ollut käytössä opinnoissaan. Mahdollisessa kertauskurssissa käytettyä kirjaa ei ole huomioitu. Jos kokelaan lukiossa fysiikan kursseissa on käytetty eri kirjasarjoihin kuuluvia kirjoja, on kokelas luokiteltu kuuluvaksi ryhmään Useita kirjasarjoja käyttäneet. Poikkeus tähän on tehty kevään 2013 osalta, jolloin usealla koululla oli käytössä Empiria kirjasarja, joka ei ollut ehtinyt täysin valmistua. Analyysi on tehty niiltä osin, kun kirjasarja on ollut valmis. Tutkimusaineistosta on rajattu pois kokelaat, joiden kokeen esitarkastaja ei ollut ilmoittanut opinnoissa käytetyksi oppikirjaa. Hyväksymiskriteerinä on ollut myös kokelaslajiin 1 kuuluminen, eli kokelaisiin, jotka ovat suorittamassa fysiikan ylioppilaskoetta ensimmäistä kertaa ja ovat tekemässä tutkintoa lukio-opintojensa perusteella. Käytetyn oppikirjan mukaisten ryhmien välisiä tuloksia on analysoitu tekemällä yksisuuntainen varianssianalyysi. Varianssianalyysin selitettävänä muuttujana on käytetty tehtäväkohtaisia tuloksia sekä saatuja kokonaispisteitä, ja selittävänä muuttujana oppikirjaluokittelusta saatua ryhmää. Ylioppilaskokeen tehtävät on luokiteltu sen mukaan, minkä kurssin aihealueeseen ne lukion opetussuunnitelman perusteiden kurssikuvauksen perusteella kuuluvat. Varianssianalyysissä havaitut erot on laskettu kumulatiivisesti yhteen sen mukaan, mitä aihealuetta analysoitu tehtävä on käsitellyt. Tällä tavalla lasketulla erojen summalla on kuvattu erojen toistuvuutta. Tämän erojen määrän kumulatiivisen summan perusteella eri kirjoja käyttäneiden ryhmien välillä on pieniä eroja aihealueittain. Merkittävin ero tuloksissa oli kevään 2013 tutkinnossa Empiria-kirjasarjaa käyttäneiden ja muiden kokelaiden välillä. Kyseisten lukioiden tulosten vertailu koko tarkastelujaksolla paljasti kuitenkin sen, että vastaava ero oli saavutettu kaksi kertaa aikaisemminkin keväinä 2008 ja 2010. Kirja ei siis tässä tapauksessa voi olla selittävä tekijä. Tämä herättää kysymyksen, voiko kirja ylipäätään selittää ylioppilaskokeen menestystä? Mikä siis voisi selittää sen miksi tietyssä aihealueessa menestyvät lukiot päätyvät käyttämään eri kirjoja, kuin toisessa aihealueessa menestyvät?

Tiivistelmä – Referat – Abstract Ilmastonmuutos on monimutkainen ja monitieteinen ilmiö, johon liittyy lukematon määrä osittain huonosti tunnettuja vuorovaikutuksia ja takaisinkytkentöjä. Ilmiön ymmärtäminen vaatii huomattavan käsiteviidakon hallitsemista ainakin jollakin tasolla. Koulun merkitys oppijoiden maailmankuvan muokkaajana on keskeinen, mutta suomalaisia tutkimustuloksia koulutien aikana muodostuneista käsityksistä ilmastonmuutoksesta on vähän. Konstruktiivisen oppimiskäsityksen mukaan yksilöt kehittävät ymmärrystään aktiivisesti, olemassa olevien ajatusmalliensa pohjalle. Ihmisellä voi olla tietystä aiheesta samaan aikaan myös useita vaihtoehtoisia käsityksiä. ”Virheellisten” käsitysten erottaminen ”oikeista” ei siis ole yksiselitteistä. Opetuksen tuloksena voi joskus olla kahden perspektiivin tilanne, jossa uusi aines otetaan aikaisempien ideoiden rinnalle. Lähihistoriassa sekä luonnontieteiden tutkimus että opetus ovat olleet näkökulmaltaan reduktionistisia: ajatellaan, että monimutkaiset systeemit voidaan ymmärtää analysoimalla niiden yksinkertaisempia komponentteja. Tästä näkökulmasta maailman voi selittää lineaaristen syy-seuraussuhteiden avulla niin, että luonnosta tulee deterministinen ja ennustettava. Reduktionistinen ajattelu on johtanut huomattavaan tiedon lisääntymiseen, mutta globaalien, monimutkaisten ja kokonaisvaltaisten ongelmien, kuten ilmastonmuutoksen, tarkasteluun lähestymistapa ei riitä. Sen rinnalle tarvittaisiin systeemiajattelua, ajattelutapaa, jossa pyritään selittämään, ymmärtämään ja tulkitseman monimutkaisia ja dynaamisia systeemejä. Maapallon ilmasto muuttuu ja on muuttunut aina. Teollisen aikakauden alettua muutos on kuitenkin ollut ennennäkemättömän nopeaa. On epätodennäköistä, että mitkään ilmastoon vaikuttavista luonnollisista sykleistä selittäisivät havaittua trendiä. Fossiilisten polttoaineiden käytön lisääntyminen on kasvattanut ilmakehän kasvihuonekaasupitoisuutta. Tästä on seurannut ilmakehän ja sen seurauksena myös merien ja maa-alueiden lämpenemistä. Ilmastonmuutosta on käsitelty luonnontieteiden oppitunneilla jo vuosia. Suomalaisten lukion opetussuunnitelman perusteiden yleisissä tavoitteissa mainitaan tietoisuuden kehittäminen ihmisten toiminnan vaikutuksesta maailman tilaan, halu ja kyky toimia demokraattisessa yhteiskunnassa vastuullisesti sekä yhteisenä aihekokonaisuutena kestävä kehitys. Ilmastonmuutos mainitaan erikseen kuitenkin vain oppiainekohtaisissa opetussuunnitelman perusteissa, maantiedon kohdalla. Oppijoiden käsityksiä ilmastonmuutoksesta on tutkittu paljon eri puolilla maailmaa. Ajasta, paikasta ja kouluasteesta riippumatta esiin nousevat samat virhekäsitykset. Näistä yleisin on ns. otsoniaukkoteoria, johon liittyy usein ajatus siitä, että CO2 (tai yleisemmin kasvihuonekaasut) tuhoavat otsonikerrosta. Lisäksi CO2 rinnastui usein ilmansaasteisiin. Toinen virhekäsitysten kokonaisuus liittyy lyhyt- ja pitkäaaltoiseen säteilyyn, joiden erot eivät vaikuta olevan opiskelijoiden ajatusmalleissa minkäänlaisessa roolissa. Myös kasvihuonekaasujen jakaumasta ilmakehässä on usein havaittu vääriä käsityksiä; tyypillisesti niiden ajatellaan muodostavan kerroksen, joka vangitsee ja/tai heijastaa lämpöä. Keväällä 2017 fysiikan ylioppilaskokeessa oli ilmastonmuutokseen liittyvä jokeritehtävä, jonka c-kohdassa piti pohtia syitä siihen, että ilmakehän kohonnut CO2-pitoisuus muuttaa ilmastoa. Tämän työn tutkimusongelmana oli selvittää, millaisia käsityksiä kokelailla oli CO2:n roolista ilmastonmuutoksessa. Tutkimukseen poimittiin 19 lukion abiturienttien kaikki vastaukset. Tutkimusmenetelmänä käytettiin temaattista analyysiä. Tutkimuksessa havaittiin, että fysiikan ylioppilaskokelaiden ymmärrys ilmastonmuutoksen fysikaalisista perusteista on vaihtelevan tasoista. Virheellisistä käsityksistä yleisimpiä olivat muissakin tutkimuksissa havaitut ajatukset, että CO2 heijastaa sähkömagneettista säteilyä, muodostaa ilmakehään kerroksen tai rajapinnan ja tuhoaa otsonikerrosta. Saadut tulokset sopivat yhteen myös oppikirjojen puutteita käsittelevien tulosten ja toisaalta suomalaisten oppikirjojen esitystavan kanssa. Ilmastonmuutos ja saastuminen on tyypillisesti opiskeltu samassa yhteydessä, jolloin niihin liittyvät käsitteet ja mekanismit sekoittuvat helposti. Oppimateriaalin tapa kuvittaa kasvihuoneilmiötä näkyy selkeästi opiskelijoiden vastauksissa ja niihin liitetyissä piirroksissa. Luonnontieteiden opetuksen traditiot eivät myöskään todennäköisesti tue systemaattisen ajattelun kehitystä.

Tämän työn tavoitteena on tutkia ihmisen laulamalla tuottamien vokaalien ominaisuuksia kouluissa saatavilla olevalla laitteistolla. Tarkoitus on havaita vokaalien erot niiden spektrejä tulkitsemalla ja mahdollistaa tämän tiedon sisällyttämistä koulujen fysiikan opetukseen. Työtä varten kerätään ääninäytteitä viidestä eri vokaalista molempia sukupuolia edustavilta vapaaehtoisilta kokelailta. Osa heistä on laulunopettajia, joilla on laaja kokemus ja osaaminen äänenkäytöstä. Osa on laulunopiskelijoita ja loput ovat maallikkoja, joilla on hyvin vähän tai ei ollenkaan kokemusta laulamisesta ja nk. oikeaoppisesta äänenkäytöstä. Tuloksista nähtiin, että laulettujen vokaalien erot ovat nähtävissä helpoiten M1 ja M2 (twang) mekanismeilla tuotetussa äänessä. Kuiskaamalla lausutut vokaalit erotettiin myös hyvin toisistaan. Havaittiin, että työ on toteutettavissa kouluissa välineistöstä riippumatta mobiililaitteiden tuomien mahdollisuuksien takia.

Kiihtyvyys on keskeinen suure fysiikan opiskelussa, mutta oppilailla on siihen liittyviä monia ennakkokäsityksiä. Ennakkokäsityksiä ei voi korjata ulkoapäin annetulla tiedolla, vaan oppilaiden on ensin ymmärrettävä, että heidän käsityksensä ovat virheellisiä. Ennakkokäsitykset onkin huomioitava opetusta suunniteltaessa. Tämän työn yhtenä tavoitteena on esitellä kokeita, joissa kiihtyvyyttä havainnollistetaan kiihtyvyysanturilla ja joita voi mahdollisesti käyttää kiihtyvyyteen liittyvien ennakkokäsitysten korjaamiseen. Kokeiden todellista vaikutusta ei tässä työssä testata. Kaikissa töissä käytetään kiihtyvyyden mittaamiseen Vernierin valmistamaa WDSS-anturia, jolla voi mitata voimaa, korkeutta ja kiihtyvyyttä kolmeen suuntaan. Kokeet tehdään myös ultraääni- tai voima-anturilla, jonka jälkeen pohditaan, toiko kiihtyvyysanturi näihin kokeisiin jotain uutta aiemmin käytettyihin antureihin verrattuna. Kokeissa, joissa ennakkokäsityksen perusteella ei ole kiihtyvyyttä, kiihtyvyysanturi mahdollistaa kiihtyvyyden mittaamisen ja tuo niihin kokeisiin siten konkretiaa. Normaalikiihtyvyys on esimerkiksi aiemmin mitattu voiman kautta, mutta kiihtyvyysanturilla sitä pystytään mittaamaan suoraan. Kokeita tehtäessä havaitaan myös, ettei kiihtyvyysanturilla voi tehdä kokeita, joissa anturin kallistuskulma suhteessa pystysuoraan muuttuu. Käytetyn kiihtyvyysanturin toimintaperiaate on sellainen, ettei se tee eroa kiihtyvyyden ja gravitaation kiihtyvyyden suuntaisen komponentin välille.