gradu.pdf, 973 kB - Helsinki.fi
gradu.pdf, 973 kB - Helsinki.fi
gradu.pdf, 973 kB - Helsinki.fi
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
1<br />
1 JOHDANTO……………………………………………………………………….…. 3<br />
2 TUTKIELMAN LÄHTÖKOHDAT, TAVOITTEET JA KOHTEET……………. 4<br />
2.1 Lähtökohdat ja tavoitteet………………………….……………………………… 4<br />
2.2 Kohteet…………………………………………………………………………… 5<br />
3 ADVANCE ORGANIZER –PERIAATE…………………………………………… 7<br />
3.1 Taustaa……………………………………………………………………………. 7<br />
3.2 Periaatteen oppimispsykologinen perusta………………………………………… 7<br />
3.2.1 Kognitiivinen opetus- ja oppimisajattelu…………………………………... 7<br />
3.2.2 Kognitiivinen rakenne Ausubel’in mukaan………………………...…….. 8<br />
3.2.3 Mielekästä kielellistä oppimista koskeva assimilaatioteoria………………. 10<br />
3.2.4 Mayer’in ja Derry’n tulkinnat Ausubel’in esijärjestinperiaatteesta…........ 13<br />
3.3 Periaatteen tiedollinen ja käsitteellinen perusta…………………………………... 14<br />
3.3.1 Ausubel’in tiedonkäsitys…………………………………………………. 14<br />
3.3.2 Käsitteet ja käsitteenmuodostus Ausubel’in ajattelussa………………….. 15<br />
3.4 Periaatteen tukema oppiminen ja opetus……. …………………………………… 16<br />
3.4.1 Oppimisen prosessuaalisuus……………………………………………….. 16<br />
3.4.2 Oppimisen tukeminen……………………………………………………… 18<br />
3.4.3 Esijärjestimet opetuksessa…………………………………………………. 20<br />
3.4.4 Esijärjestimien muodostamisen ja kehittämisen näkökohtia………………. 22<br />
3.5 Esijärjestimien tyypit……………………………………………………………... 23<br />
3.5.1 Esittävät esijärjestimet……………………………………………………... 23<br />
3.5.2 Vertailevat esijärjestimet…………………………………………………... 23<br />
3.6 Langan-Fox’in, Waycott’in ja Albert’in esittelemä esijärjestintaksonomia……… 24<br />
3.6.1 Lineaariset esijärjestimet……………………………………..……………. 25<br />
3.6.1.1 Teksti (+kuva(i)a)……………………………………….…………………. 25<br />
3.6.1.2 Luettelo/Jäsentely…………………………………………………. 26<br />
3.6.2 Graa<strong>fi</strong>set esijärjestimet…………………..……….………………………... 26<br />
3.6.2.1 Rakenteinen yleiskatsaus………………………………………….. 26<br />
3.6.2.2 Käsitekartta/Tietokartta/Tietoverkko……………………………… 27<br />
3.6.2.3 Matriisi…………………………………………………………….. 27<br />
3.6.2.4 Käsitteellinen malli………………………………………………… 27<br />
3.6.2.5 Kaavio……………………………………………………………... 28<br />
3.6.2.6 Kuva +kuvateksti.…………………………………………………… 28<br />
3.7 Hyvälle esijärjestimelle asetettavat vaatimukset…………………………………. 28<br />
4 HAHMOTTAVA LÄHESTYMISTAPA……………………………………………. 30<br />
4.1 Fysiikan käsitteenmuodostus ja käsiterakenne…………………………………… 30<br />
4.1.1 Empiria ja teoria…………………………………………………………… 30<br />
4.1.2 Merkitysten hahmottaminen käsitteiksi……………………………………. 30<br />
4.1.3 Tieteellinen ja teknologinen prosessi………………………………………. 32<br />
4.1.4 Fysiikan hierarkkinen käsiterakenne………………………………………. 35<br />
4.1.5 Fysiikan kieli………………………………………………………………. 38<br />
4.1.6 Suureet prosesseina ja suureiden hierarkia………………………………… 40<br />
4.2 Lähestymistavan tunnusmerkit fysiikan opetuksessa…………………………….. 42<br />
4.2.1 Merkitykset ovat ensin…………………………………………………….. 42<br />
4.2.2 Empiirisen tieteen prosessit opetuksessa……………………………….….. 43<br />
4.2.3 Suurehierarkian merkitys opetuksessa.……………………………….……. 45
5 ADVANCE ORGANIZER –PERIAATTEEN JA HAHMOTTAVAN<br />
LÄHESTYMISTAVAN SUHTEEN TARKASTELU………...…………………… 47<br />
5.1 Kieli………………………………………………………………………………. 47<br />
5.2 Merkitykset ja käsitteet……………………………………………...………..…. 48<br />
5.3 Konstruktivismi…………………………………………………………….…….. 49<br />
5.4 Induktio - deduktio………………………………………………………..……... 49<br />
5.5 Oppilas - opettaja……………………………………………………………….... 50<br />
5.6 Käsiterakenteet ja kokonaisuudet………………………………………………… 51<br />
5.7 Yleisarviot………………………………………………………………………… 52<br />
5.8 Oppikirjatarkastelu/mekaniikka………………………………………………..…. 57<br />
5.8.1 Kvantitatiivinen tarkastelu…………………………………………………. 57<br />
5.8.2 Kvalitatiivinen tarkastelu…………….………………………………..…… 62<br />
6 ESIMERKKEJÄ ESIJÄRJESTIMISTÄ FYSIIKAN OPETUKSESSA/<br />
MEKANIIKKA……………………………………………………………………….. 71<br />
6.1 Lineaariset esijärjestimet……………………………………..…………….…….. 71<br />
6.1.1 Teksti (+kuva(i)a)………………………………………...…………………………. 71<br />
6.1.2 Luettelo/Jäsentely………………………………………...………………… 72<br />
6.2 Graa<strong>fi</strong>set esijärjestimet…………………..……….……………………………….. 73<br />
6.2.1 Rakenteinen yleiskatsaus……………………………………………..……. 73<br />
6.2.2 Käsitekartta/Tietokartta/Tietoverkko………………………………………. 76<br />
6.2.3 Matriisi………………………………………………………………..……. 81<br />
6.2.4 Käsitteellinen malli………………………………………...………….…… 82<br />
6.2.5 Kaavio…………………………...…………………………………………. 87<br />
6.2.6 Kuva +kuvateksti.…………………………...……………………………..… 89<br />
7 YHTEENVETO JA POHDINTA……………………………………………………. 90<br />
TARKASTELLUT OPPIKIRJAT………………………………..……………………. 93<br />
KIRJALLISUUSLÄHTEET JA –VIITTEET………...………………….………….. 94<br />
LIITTEET<br />
1. Mekaniikan esijärjestimet tarkastelluissa oppikirjoissa sivunumeroviittein.<br />
2. Käsitteet ja periaatteet (myös lait ja teoriat) tarkastelluissa esijärjestimissä.<br />
3. Galilei 3:n esijärjestinkokonaisuuden sivut 6-9.<br />
4. Fysiikka 3:n esijärjestinkokonaisuuden sivut 8-9.<br />
5. Voima ja liike 1:n esijärjestinkokonaisuuden sivut 8-14.<br />
6. Kommentteja ja lainauksia lukuun 3 liittyen.<br />
2
3<br />
1 JOHDANTO<br />
Ennen kuin johdattelen lukijaa tutkielman varsinaiseen aiheeseen, haluan sanoa<br />
muutaman sanan aiheen valinnasta. Sain suoritettua Helsingin yliopiston fysiikan<br />
laitoksella didaktisen fysiikan osaston järjestämät fysiikan opettajan suuntautumisvaihtoehdon<br />
pakolliset kurssit lukuvuosien 2000-2001 ja 2001-2002 aikana. Sen jälkeen<br />
tuli ajankohtaiseksi aloittaa Pro Gradun tekeminen. Aiheesta minulla ei kuitenkaan ollut<br />
siinä vaiheessa minkäänlaista käsitystä. Pohdin kuumeisesti erilaisia mahdollisuuksia<br />
sellaisen löytämiseksi. Niinpä tutustuin myös didaktisen fysiikan internetsivuihin, jotka<br />
auttoivatkin oleellisesti ongelmani ratkaisussa. Siellä oli nimittäin pitkä lista ehdotelmia<br />
Pro Gradujen aiheiksi. Kävin listan läpi ja poimin joukosta muutaman minulle<br />
sopivimmalta tuntuvan. Ne mukanani astelin professori Heimo Saarikon työhuoneeseen<br />
keskustelemaan lopullisesta valinnasta. Hänen kannustavalla tuellaan <strong>gradu</strong>ni aihe<br />
selkeni ja saatoin huojentunein mielin palata kotiin. Graduni otsikko on Ausubel’in<br />
advance organizer –periaatteen suhde hahmottavaan lähestymistapaan. Aiheen<br />
alkuperäisen idean lienee esittänyt emeritus professori Kaarle Kurki-Suonio.<br />
Aiheesta tekee mielenkiintoisen kahteen eri tieteenalaan kuuluvan periaatteen<br />
kohtaaminen. Voiko kasvatustieteelliseen tutkimukseen nojaavalla advance organizer –<br />
periaatteella ja didaktisen fysiikan tutkimukseen nojaavalla hahmottavalla lähestymistavalla<br />
olla jotain yhteistä? Tai ovatko ne kenties jopa ristiriidassa keskenään?<br />
Molemmat liittyvät kuitenkin läheisesti opettamiseen ja oppimiseen; advance organizer<br />
–periaate koskee yleisemmin mitä tahansa oppiainetta, hahmottava lähestymistapa<br />
erityisesti fysiikanopetusta. Kaarle ja Riitta Kurki-Suonio (1998) ovatkin kuvanneet<br />
valaisevasti tällaista ’vastakkainasettelua’:<br />
Opettajankoulutuksessa ikiaikaisiin perusteisiin kuuluu ajatus kahdenlaisesta<br />
tieteellisyydestä, joita kasvatustiede ja opetettava aine edustavat.<br />
Jotta ”tieto” voisi olla arvokasta, sen on oltava sekä rakenteellista että<br />
oppilaan omaa. Tässä pelkistyy fysiikan ja kasvatustieteen roolijako.<br />
Kasvatustieteen lähtökohta on oppilas, oppimisyhteisö ja –ympäristö. Se<br />
painottaa oppilaan mielen rakenteita ja tutkii oppilaan omia tietorakenteita,<br />
sitä, miten ja millaisilla edellytyksillä ne syntyvät ja kehittyvät,<br />
sitä, miten niihin voidaan vaikuttaa ja niin edelleen.<br />
Fysiikan opetuksessa ei ole samantekevää, miten ja millaisiksi oppilaan<br />
tiedot ja ajattelu rakentuvat. Siinä ei ole kysymys vain oppilaan<br />
kasvamisesta sinänsä, vaan se on kasvamista johonkin. Sillä on tavoitteita,<br />
jotka ovat lähtöisin fysiikasta itsestään, sen sisällöistä sekä sen tiedolliskäsitteellisistä<br />
ja metodis-prosessuaalisista rakenteista. Tämä rakenteellisuus<br />
on varsin pitkälti absoluuttista. Käsitteillä on tietyt empiiriset<br />
merkitykset ja keskinäiset relaatiot, jotka kuuluvat luonnontieteellisen<br />
maailmankuvan perusteisiin, ihmiskunnan sivistyspääomaan.<br />
Siten fysiikan opetusta kehittävässä tutkimuksessa ovat väistämättä<br />
mukana oppilaan mielen rakenteiden ja oppimisen ongelmien ohella myös<br />
fysiikan rakenteellisuudesta nousevat kysymykset.<br />
Näitä ajatuksia voidaan pitää myös tämän tutkielman ’punaisena lankana’.
4<br />
2 TUTKIELMAN LÄHTÖKOHDAT, TAVOITTEET JA KOHTEET<br />
2.1 Lähtökohdat ja tavoitteet<br />
Uusissa lukion opetussuunnitelman perusteissa (ks. lukion opetussuunnitelman<br />
perusteet 2003) puhutaan opiskelijan omaa aktiivista tiedonrakentamisprosessia<br />
korostavasta oppimiskäsityksestä, jonka mukaan oppilas käsittelee ja tulkitsee<br />
vastaanottamaansa informaatiota aiemman tietorakenteensa pohjalta. Opetuksen<br />
yleisissä tavoitteissa todetaan muun muassa, että opiskelijalle tulee järjestää<br />
mahdollisuus jäsentyneen maailmankuvan muodostamiseen ja hänen tiedonhallintataitojaan<br />
tulee kehittää.<br />
Fysiikan kohdalla todetaan, että opiskelija oppii tarkastelemaan luonnon rakenteita<br />
ja ilmiöitä omien aikaisempien tietojensa ja käsitystensä valossa. Edelleen todetaan,<br />
että luonnontieteiden opiskelussa tiedon hankkimiseen käytetään kokeellisia menetelmiä,<br />
erilaisia tiedon lähteitä sekä tapoja käsitellä tietoa. Fysiikan opetuksen tavoitteissa<br />
mainitaan muun muassa; että opiskelija ymmärtää kokeellisen toiminnan ja teoreettisen<br />
pohdiskelun merkityksen luonnontieteellisen tiedon muodostumisessa; että opiskelija<br />
hahmottaa fysiikan merkityksen tieteessä; että opiskelija jäsentää käsitystään luonnon<br />
rakenteista ja ilmiöistä fysiikan käsitteiden ja periaatteiden avulla.<br />
Edellä mainittujen yleisten ja erityisten tavoitteiden saavuttamiseen pyrkivät myös<br />
omalta osaltaan vaikuttamaan niin Ausubel’in advance organizer –periaate (esijärjestin<br />
periaate tai pelkkä esijärjestin) kuin Kurki-Suonioiden hahmottava lähestymistapakin.<br />
Näiden kahden opetuksellisen strategian suhteen selvittely on puolestaan tämän<br />
tutkielman etäisenä tavoitteena. Keskeiseksi pohdittavaksi suhdetarkastelussa nousee<br />
kysymys siitä, miten esijärjestinperiaate yleisenä opetuksellisena strategiana projisoituu<br />
hahmottavaan lähestymistapaan, joka on kehitelty fysiikan rakenteellisen opetuksen<br />
strategiaksi.<br />
Jotta suhdetarkastelussa päästään eteenpäin, täytyy pääkysymys projisoitumisesta<br />
pilkkoa osiin. Seuraavaksi onkin etsittävä vastauksia kysymyksiin: mikä on esijärjestinperiaate<br />
ja mikä on hahmottava lähestymistapa? Näihin kysymyksiin vastaaminen<br />
johtaa yhä tarkempiin kysymyksiin niiden ominaisuuksien ja luonteen selvittelyssä.<br />
Mikä on esijärjestin? Minkälaisia rakenteita esijärjestin edustaa? Minkälaista opetuksellista<br />
lähestymistapaa esijärjestin edustaa? Millaisia tietorakenteita esijärjestimellä<br />
voidaan esittää? Millaista tiedon- ja oppimiskäsitystä esijärjestin edustaa? Mikä on<br />
käsitteenmuodostuksen rooli esijärjestinperiaatteessa? Mikä on merkitysten merkitys<br />
esijärjestinperiaatteessa? Mikä on esijärjestimen tehtävä opetuksessa? Miten esijärjestintä<br />
käytetään opetuksessa? Millaisia esijärjestimiä opetuksessa käytetään? Saman<br />
sisältöisiin kysymyksiin lähestymistavasta, tietorakenteista/käsiterakenteista, käsitteenmuodostuksesta,<br />
merkityksistä, opettajan ja oppilaan rooleista opetus-oppimis -<br />
tapahtumassa ym. on haettava vastauksia myös hahmottavan lähestymistavan osalta.<br />
Näiden vastausten avulla on mahdollista löytää niin esijärjestinperiaatetta kuin<br />
hahmottavaa lähestymistapaa kuvailevat keskeiset elementit.<br />
Kun sekä Ausubel’in esijärjestinperiaatteesta että Kurki-Suonioiden hahmottavasta<br />
lähestymistavasta on luotu tutkielman kannalta riittävän laaja ja tarkka kuva,<br />
voidaan esijärjestinperiaatteen projisoitumista hahmottavaan lähestymistapaan tarkastella<br />
vielä muutamalla kysymyksellä. Mikä on esijärjestimien asema hahmotusprosessissa?<br />
Mikä on esijärjestimien rooli käsitehierarkian eri tasoilla? Kun vielä tarkastellaan<br />
kysymystä siitä, mikä on esijärjestimien asema erilaisia lähestymistapoja (yksi<br />
kirjoitettu hahmottavan lähestymistavan periaatetta noudattaen) edustavissa lukion<br />
fysiikan oppikirjoissa, voitaneen löytää rinnastuksia ja vertailuja hyväksi käyttäen
jonkinlainen vastaus esijärjestinperiaatteen ja hahmottavan lähestymistavan suhdetarkasteluun.<br />
Pidettäköön samalla tutkielman vähäisenä tavoitteena myös omalta osaltaan<br />
edistää koulun fysiikan opetuksessa käytettävien opetusmenetelmien/työtapojen<br />
monipuolistamista. Jos ei muuten, niin ainakin tekemällä esijärjestintä tunnetummaksi<br />
(ks. esim. Aksela & Juvonen, 21-25) opetuksellisena strategiana.<br />
2.2 Kohteet<br />
SIR ISAAC NEWTON sanoi, että jos saavutamme jotakin uutta ja arvokasta, se johtuu<br />
siitä, että seisomme meitä ennen tulleen jättiläisen hartioilla (Novak ja Gowin 1993,<br />
IX). Tämäkään tutkielma olisi tuskin ollut mahdollinen ilman jo olemassa olleita<br />
kylvettyjä tiedon viljavainioita, joiden runsas sato on tarjonnut valmista niitettävää<br />
uuden tiedon leivonta-aineiksi. Pidettäköön nyt käsillä olevaa tarkastelua kannattavina<br />
’pikkujättiläisen’ olkapäinä David P. Ausubel’in esittämää, käsitteiden omaksumisen<br />
helpottamiseksi tarkoitettua, advance organizer –periaatetta (esijärjestinperiaate) sekä<br />
Kaarle ja Riitta Kurki-Suonion rakenteelliseen fysiikan opetukseen kehittelemää<br />
hahmottavaa lähestymistapaa.<br />
Tutkielma jakaantuu selkeästi neljään osaan, joista yhdessä tutustutaan<br />
Ausubel’in advance organizer –periaatteeseen (2. luku), yhdessä hahmottavaan<br />
lähestymistapaan (3. luku), yhdessä keskitytään edellisten suhteeseen (4. luku) ja<br />
yhdessä annetaan esimerkkejä eri muotoisista esijärjestimistä mekaniikan opetuksessa<br />
käytettäväksi (5. luku).<br />
Tutkielman toisessa luvussa käsitellään esijärjestin -periaatteen taustaa, sen<br />
oppimispsykologista perustaa sekä tiedollista ja käsitteellistä pohjaa. Huomiota<br />
kiinnitetään luonnollisesti myös periaatteen tukemaan oppimiseen ja opetukseen. Niin<br />
ikään luodaan lyhyt katsaus Ausubel’in esittämään jakoon esittävistä ja vertailevista<br />
esijärjestimistä. Ausubel’in omaa tyypittelyä esittäviin ja vertaileviin esijärjestimiin,<br />
joka perustui pelkästään tekstimuotoisiin esijärjestimiin, ei yleensä kuitenkaan ole<br />
pidetty riittävänä tuomaan esiin kaikkia niitä mahdollisuuksia, joita esijärjestimien<br />
opetus-käytöllä voitaisiin saavuttaa. Siksi mukaan tarkasteluun on otettu luokittelu, joka<br />
kattaa monet ilmaisumuodoltaan erilaiset esijärjestimet. Lopuksi on vielä jäsennelty ne<br />
keskeiset tekijät, jotka on yleisesti katsottu hyvän esijärjestimen tunnusmerkeiksi. Alun<br />
perin oli kytemässä ajatus myös siitä, että mukaan liitettäisiin esijärjestintutkimuksia<br />
käsittelevä osio. Ajatuksesta kuitenkin luovuttiin sen tähden, että tämän tutkielman<br />
tarkastelunäkökulman kannalta ei ole tarkoituksenmukaista painottaa advance organizer<br />
–periaatetta yhtään enempää kuin on tarpeellista. Painopiste tutkielmassa säilynee näin<br />
järkevämmin ja paremmin siinä, mihin tutkielman otsikkokin sen asettaa.<br />
Kolmannessa luvussa käsittelyn kohteena on hahmottava lähestymistapa, joka<br />
käydään läpi ’perusteellisesti’ ja ’pilkuntarkasti’ sellaisena kuin se Fysiikan merkitykset<br />
ja rakenteet –kirjassa on esitetty. Perusteluna tälle menettelylle on, että ei ollut mitään<br />
tarvetta ruveta uudelleen muotoilemaan kirjan selkeitä lauseita, vaan hahmottava<br />
lähestymistapa haluttiin siirtää vain joiltain osin tiivistettynä tämän tutkielman kansien<br />
väliin. Näin se yhdessä advance organizer –periaatteen yhtenäisen esityksen kanssa<br />
parhaiten palvelee tutkielman lukijaa riittävän tarkan kuvan saamiseksi molemmista.<br />
Hahmottavan lähestymistavan periaatteita valaistaan tarkastelemalla aluksi fysiikan<br />
käsitteenmuodostusta ja käsiterakennetta, jossa empiria, teoria, merkitykset, hahmot ja<br />
hahmottaminen, prosessuaalisuus, tiede ja teknologia, käsitehierarkia, fysiikan kieli ja<br />
suureet muodostavat lähestymistavan ontologisen ja episteemisen perustan. Toisaalta<br />
tarkastellaan näiden tunnusmerkkien ilmenemistä fysiikan opetuksessa, jossa tavoitteena<br />
on ymmärtävä oppiminen merkitysten hahmottamisprosessin avulla.<br />
5
Neljäs luku muodostaa tutkielman varsinaisen ytimen, jossa tarkastellaan advance<br />
organizer –periaatteen ja hahmottavan lähestymistavan suhdetta. Vertailujen ja rinnastusten<br />
kautta huomio on kohdistettu niihin yhdistäviin ja erottaviin tekijöihin, joita<br />
lukujen kaksi ja kolme esitysten perusteella on pystytty tekemään. Hahmottavan lähestymistavan<br />
yleisarvion laatimisessa on sovellettu Reino Miettisen ennakkojäsentäjien<br />
yleisarvioinnissa käyttämää menetelmää. Lopuksi on kirjatarkastelun avulla pyritty saamaan<br />
lisävalaistusta advance organizer –periaatteen ja hahmottavan lähestymistavan<br />
suhteesta. Kirjatarkasteluun otettiin mukaan lukion fysiikanopetukseen tarkoitetuista<br />
kirjasarjoista Galilei (Weilin+Göös), Fysiikka (Kirjayhtymä) ja Lukion fysiikka<br />
(Werner Söderström). Näin tähänkin tutkielmaan saatiin empiirinen osuus, jonka merkitystä<br />
ei kuitenkaan pidä liikaa painottaa. Tutkielman teon alkuvaiheessa oli vielä mukana<br />
ajatus tarkastella kokonaisuudessaan jokainen kirjasarja. Ne olisivat kattaneet lukion<br />
fysiikan sekä kaikille yhteisen kurssin että syventävät kurssit. Kirjatarkastelu olisi<br />
silloin ollut omana lukunaan tutkielmassa. Työn edetessä kuitenkin huomattiin, että<br />
tällainen kirjatarkastelu olisi ollut turhan laaja ja hyödytön tutkielman perusajatuksen<br />
esiin kaivamisen kannalta. Niinpä siitä luovuttiin ja yhtä vahvan tiedon saamiseksi<br />
todettiin kirjatarkastelun rajaaminen mekaniikan kursseja käsitteleviin kirjoihin riittäväksi.<br />
Viidennessä luvussa annetaan esimerkkejä esijärjestimistä toisessa luvussa esitellyn<br />
taksonomian mukaisesti. Tätä luokittelua noudattaen jokaisesta esijärjestinmuodosta<br />
on ainakin yksi enemmän tai vähemmän edustava esimerkki. Monet niistä on poimittu<br />
tarkastelluista oppikirjoista, jokunen muusta kirjallisuudesta, muutama on kaapattu sähköisiltä<br />
sivuilta internetistä ja onpa tutkielman tekijäkin yrittänyt kehitellä jonkin<br />
esimerkin omista vähäisistä luovuudenrippeistään huolimatta. Useimmat esimerkeistä<br />
ovat tyypiltään ’ausubeliläisiä’ esittäviä esijärjestimiä. Mukaan on yritetty mahduttaa<br />
myös vertailevia esijärjestimiä. Varsinkin niiden ’kehittelystä’ tutkielman tekijä on<br />
henkisessä vastuussa. Joukossa on mukana yksi fysiikkaa yleisellä tasolla jäsentävä esijärjestin<br />
muiden kohdistuessa mekaniikan ja sen eri aihepiirien jäsentämiseen. Tässäkin<br />
kohdin alkuperäisenä ajatuksena oli kattaa esimerkeillä myös muut fysiikan osa-alueet,<br />
mutta siitä luovuttiin samansuuntaisin perustein kuin mitä tehtiin kirjatarkastelun yhteydessä.<br />
Sellaistakin mahdollisuutta pohdittiin, että ensin olisi esitelty fysiikkaa yleisesti<br />
jäsentäviä esijärjestimiä, sen jälkeen mekaniikkaa yleisellä tasolla jäsentäviä ja lopuksi<br />
mekaniikan eri aihepiirejä sekä tiettyjä aiheita jäsentäviä esijärjestimiä. Tämä vaihtoehto<br />
kuitenkin hylättiin sen vuoksi, että se olisi kenties ’piilottanut’ toisessa luvussa<br />
esitellyn esijärjestintaksonomian, jonka edustama luokittelu haluttiin pitää esillä tässäkin<br />
luvussa.<br />
6
7<br />
3 ADVANCE ORGANIZER -PERIAATE<br />
3.1 Taustaa<br />
David P. Ausubel esitti esijärjestinteoriansa, jonka tarkoitus on edistää oppimista ja<br />
parantaa tiedon muistissa säilyttämistä, yli neljä vuosikymmentä sitten. Hän julkaisi<br />
vuonna 1960 ensimmäisen esijärjestimiä, niiden merkitystä ja käyttöä opetuksessa<br />
koskevan artikkelinsa The Use of Advance Organizers in the Learning and Retention of<br />
Meaningful Verbal Material (Ausubel 1960) Illinois’in valtionyliopistossa. Jatkettuaan<br />
tutkimustaan samassa yliopistossa, Ausubel julkaisi vuonna 1962 toisen artikkelinsa<br />
Organizer, general background, and antecedent learning variables in sequential verbal<br />
learning (Ausubel & Fitzgerald 1962). Näiden kahden laajaa mielenkiintoa herättäneen<br />
tutkimuksensa jälkeen hän julkaisi vuonna 1963 mielekästä kielellistä oppimista<br />
käsittelevän merkittäväksi luonnehditun oppimisen psykologiaa tarkastelevan kirjansa<br />
The Psychology of Meaningful Verbal Learning (Ausubel 1963). Ausubel’in tunnetuin<br />
teos Educational Psychology: A Cognitive View (Ausubel 1968) ilmestyi ensin vuonna<br />
1968. Siinä hän esitti aikaisempia laajemman katsauksen mielekästä oppimista<br />
koskevista ajatuksistaan. Toisena, kokonaan uusittuna laitoksena (Ausubel, Novak &<br />
Hanesian) edellä mainittu teos ilmestyi vuonna 1978. Häntä voidaan joka tapauksessa<br />
pitää kognitiivisesti suuntautuneen opetuksen ja oppimisen teorian tärkeänä<br />
tienraivaajana USA:ssa (Engeström 1984, 26).<br />
Ausubel’in opetusta ja oppimista koskevalla tutkimustyöllä on ollut kolme tärkeää<br />
yleistä lähtökohtaa. Ensinnäkin hän on keskittynyt tutkimaan verbaalista, kielen avulla<br />
tapahtuvaa oppimista. Toiseksi hän on keskittynyt tutkimaan mielekästä, omakohtaiseen<br />
ymmärtämiseen johtavaa oppimista vastakohtana mekaaniselle ulkoa oppimiselle. Ja<br />
kolmanneksi hän on keskittynyt tutkimaan oppimista mahdollisimman aidoissa<br />
kouluympäristöissä, normaalin kouluopetuksen puitteissa. (Engeström 1984, 26)<br />
3.2 Periaatteen oppimispsykologinen perusta<br />
3.2.1 Kognitiivinen opetus- ja oppimisajattelu<br />
Psykologiassa käsitteellä ’kognitio’ ymmärretään tiedon saamiseen, käsittelyyn ja<br />
käyttöön liittyviä prosesseja, ’tietämistoimintoja’, joita ovat muun muassa aistiminen,<br />
havainnointi, muistaminen, ajattelu ja päättely. Tietämisen ja oppimisen katsotaan<br />
liittyvän kiinteästi toisiinsa. Kognitiivisiin (ajattelun) taitoihin eli tiedon käsittelyn<br />
taitoihin katsotaan kuuluviksi myös muun muassa tiedon kerääminen ja järjestäminen,<br />
vertailu, luokittelu, sisäistäminen, yleistäminen, johtopäätösten tekeminen, tosiasioiden<br />
ja periaatteiden soveltaminen uusissa tilanteissa, mielikuvien käyttäminen,<br />
päätöksenteko ja niin edelleen (Lavonen & al. 2001a). Kognitio on psykologiassa<br />
yleiskäsite, joka viittaa kaikkiin niihin prosesseihin, jotka liittyvät tietämiseen ja tiedon<br />
saamiseen ulkopuolisesta maailmasta (Miettinen 1984, 9). Miettinen toteaa edelleen,<br />
että kognitiivinen psykologia käsittää tieteellisenä suuntauksena tai ’aatevirtauksena’<br />
psykologian piirissä joukon koulukuntia ja tutkimussuuntia, joita erilaisuudestaan<br />
huolimatta yhdistävät keskeiset näkemykset ihmisen toiminnan ja kognitiivisten<br />
toimintojen luonteesta. Tälle ’aatevirtaukselle’, kognitivismille, on ominaista ajattelun<br />
kehityksen ja mielekkyyden vaatimusten korostaminen (Novak ja Gowin 1993, VI).<br />
Kouluhallitus aloitti Suomessa 80-luvun loppupuolella keskustelun koulun<br />
tiedonkäsityksestä. Samassa yhteydessä esitettiin opetuksen uudistamista siten, että sen<br />
tulisi perustua sellaiselle tieto- ja oppimiskäsitykselle, joka pohjautuisi pääasiassa<br />
kognitiiviseen psykologiaan. Sen mukaan oppija konstruoi tietoa ympäristöstä<br />
mielikuviensa avulla. Oppimisen perustan muodostaa tarkasteltavasta tai tutkittavasta
asiasta syntynyt kokonaisvaltainen ennakkokäsitys, eräänlainen tiedon kehikko, skeema<br />
(ks. esim. Bartlett, Neisser). Kognitiivisessa psykologiassa oppimista pidetään toisaalta<br />
uusien asioiden liittämisenä skeemassa oleviin vanhoihin tietoihin ja toisaalta koko<br />
skeeman muuttamisena tai muuttumisena vastaamaan tietojen lisääntymisen myötä<br />
kehittyvää uutta tietämystä.<br />
Kognitiivinen lähestymistapa on nykyisessä muodossaan tuonut uuden<br />
näkökulman ihmisen toimintaan. Samalla se on muuttanut oppimiskäsitysten perusteita.<br />
Lehtinen ym. (1989) pitää näistä näkemyksistä keskeisimpinä 1) käsitystä ihmisestä<br />
aktiivisena oman toiminnan ohjaajana, 2) käsitystä toiminnan hierarkkisesta<br />
rakentumisesta, 3) käsitystä tiedosta yksilön itsensä konstruoimana, 4) käsitystä tiedosta<br />
yleistyneinä sisäisinä malleina ja 4) käsitystä oppimisesta aktiivisena yksilön ja<br />
ympäristön välisenä vuorovaikutuksena. Lehtinen toteaa edelleen, että tavoitteiden<br />
muotoutumista ja toimintatapojen valintaa määräävät yksilön aiempiin kokemuksiin<br />
perustuvat tiedot ja taidot eli niin sanotut tiedolliset skeemat tai sisäiset mallit sekä<br />
näiden avulla tehdyt havainnot ulkoisesta maailmasta.<br />
Kouluopetuksen tulee kognitiivisen lähestymistavan ajattelun mukaan olla<br />
sellaista, että se auttaa oppilasta nousemaan arkiajattelun tasolta kohti tieteellistä<br />
ajattelua. Oppilaiden ’totuudenvastaiset’ ennakkokäsitykset ympäristön tapahtumista<br />
heijastelevat usein arkiajattelulle luonteenomaisia uskomuksia, luuloja ja kuvitelmia.<br />
Tieteellinen ajattelu, ’totuudenetsintä’, puolestaan perustuu asioiden monipuoliseen<br />
tarkasteluun ja tutkiskeluun. Nouseminen arkiajattelusta tieteelliseen ajatteluun<br />
merkitsee useimmiten käytettyjen käsitteiden täsmentymistä ja merkitysten sisällöllistä<br />
rikastumista.<br />
Opettajan valitsemat kognitiivista opetus- ja oppimisajattelua noudattavat työtavat<br />
saavat tärkeän merkityksen koulussa tapahtuvassa opetus-oppimisprosessissa. Oikeilla<br />
valinnoilla oppimisesta kehittyy tiedon konstruointiprosessi eikä pelkkä<br />
’tiedonkaatamistapahtuma’, jossa oppilas yksipuolisesti vain vastaanottaa opettajan<br />
välittämää tietoa. Suurten tietomäärien oppiminen ulkoa lukemalla jää oppilaalle<br />
useimmiten merkityksettömäksi, ellei hän ymmärrä lukemaansa. Oppimisesta tulee<br />
lyhytkestoista pintaoppimista, kun sen sijaan tavoitteena tulisi olla oppilaan tietämystä<br />
lisäävä ymmärtämiseen tähtäävä pitkäkestoinen syväoppiminen.<br />
Kognitiivinen oppimisajattelu korostaa mielensisäisten tapahtumien merkitystä<br />
oppimisessa. Se pitää oppimisen ja muistamisen kannalta olennaisen tärkeänä sitä,<br />
millaisia jäsentyneitä rakenteita ja kokonaisuuksia tiedot muodostavat ihmisen mielessä.<br />
Ajatus oppimisesta taitona liittyy siihen perustavaan kognitiivisen oppimisajattelun<br />
ideaan, että oppija itse aktiivisesti konstruoi maailmaa ja sen ilmiöitä koskevaa tietoa.<br />
Kognitiivisen oppimiskäsityksen mukaan oppilaalle ei voida antaa tai jakaa tietoa, vaan<br />
oppiminen ymmärretään oppilaan omaksi, itseohjautuvaksi kokonaisprosessiksi, jossa<br />
mm. opittava sisältö, opetuksen työtapa, oppilaan ominaispiirteet, oppilaan tarpeet ja<br />
kokemukset, asenteet ja motivaatio ovat keskenään vuorovaikutuksessa ja vaikuttavat<br />
kaikkeen oppimiseen (Lavonen et al. 2001a).<br />
3.2.2 Kognitiivinen rakenne Ausubel’in mukaan<br />
Tärkeä tekijä Ausubel’in teoriassa on kognitiivinen rakenne, joka sisältää oppilaan<br />
tiedot, käsitykset, odotukset ja muut informaation prosessointiin liittyvät tekijät. Sitä<br />
hän on käyttänyt samassa merkityksessä kuin skeemaa (ks. Bartlett). Ausubel itse<br />
käyttää käsitettä kognitiivinen rakenne esittämään yksilön sen hetkistä tiettyä<br />
tietoainesta ja sitä kuinka hyvin kyseinen tieto on organisoitunut, kuinka selkeää se on<br />
ja miten pysyvää tieto on (Ausubel 1963, 27).<br />
8
Ausubel rinnasti tavan, jolla tieteellinen tieto järjestyy tietojärjestelmiksi ja tavan,<br />
miten ihminen rakentaa omaa tiedon struktuuriaan. Lisäksi hän korosti eri tieteenalojen<br />
käsitejärjestelmien muodostavan hierarkkisia rakenteita, joiden huipulla on abstrakteja<br />
erityiskäsitteitä ja alapäässä hyvinkin konkreettisia, arkipäivän elämään liittyviä<br />
käsitteitä. Oppijan tietorakenne eli kognitiivinen struktuuri onkin Ausubel’in<br />
oppimisteoriassa keskeisenä käsitteenä. Se on sellaisena tietoa varastoiva, ikään kuin<br />
jäsennelty ajatusverkko, jossa uudet asiat liittyvät olemassa olevaan tietoon. Tieto<br />
pelkistetään käsitteiksi ja tietorakenne muodostuu oppijalle kartaksi, jonka avulla hän<br />
voi ratkaista uusia ongelmia.<br />
Tiedon omaksumisen kannalta on tärkeää, että uusi tieto voidaan liittää jo<br />
olemassa oleviin käsitteisiin. Jos näin tapahtuu, uusi tieto ankkuroituu oppijan mieleen.<br />
Jos sen sijaan uudella ja jo olemassa olevalla tiedolla ei ole yhtymäkohtia tai se koetaan<br />
liian ristiriitaiseksi olemassa olevan tietorakenteen kanssa, on uutta tietoa vaikea<br />
omaksua. Oppimista ei silloin tapahdu tai se jää pinnalliseksi.<br />
Ausubel’in mukaan kognitiivisessa rakenteessa hierarkian ylimmällä tasolla ovat<br />
yläkäsitteet, keskellä välitason käsitteet ja alimpana spesi<strong>fi</strong>set, suppea-alaiset alatason<br />
käsitteet. Kognitiivista rakennetta voidaan siten kuvata hierarkiana, jossa ylimpänä ovat<br />
ko. tiedonalan kaikkein yleisimmät ja abstrakteimmat käsitteet (kuva 1). Kognitiivisen<br />
rakenteen eri osilla on lukemattomia yhteyksiä muihin kognitiivisiin rakenteisiin<br />
(Engeström 1984, 28).<br />
9<br />
ylätason<br />
käsite<br />
välitason<br />
käsite<br />
välitason<br />
käsite<br />
välitason<br />
käsite<br />
alatason<br />
käsite<br />
alatason<br />
käsite<br />
alatason<br />
käsite<br />
alatason<br />
käsite<br />
alatason<br />
käsite<br />
alatason<br />
käsite<br />
Kuva 1. Ausubel’in mukaan tiedot ovat jäsentyneet ihmisen aivoihin hierarkkisessa<br />
muodossa.<br />
Kognitiivisen rakenteen käsitteellä on keskeinen sija Ausubel’in ajattelussa. Hän<br />
määrittelee niin mielekkään oppimisen kuin myös ”merkityksen” kognitiivisen<br />
rakenteen avulla. Mielekkyys oppimisessa on liitettävyyttä yksilön kognitiiviseen<br />
rakenteeseen. Ausubel luonnehtii uuden aineksen liittämistä kognitiiviseen rakenteeseen<br />
myös ”merkityksen luomiseksi”. (Miettinen 1995, 79)<br />
Ausubel’in mukaan tärkein uuden aineksen oppimiseen ja muistamiseen<br />
vaikuttava tekijä on oppilaan jo olemassa olevan tiedon rakenne (1963, 26):
10<br />
”Kulloinenkin kognitiivinen rakenne – yksilön tietojen<br />
organisaatio, pysyvyys ja selvyys tietyllä asia-alueella jonakin<br />
ajankohtana – on tärkein tekijä, joka vaikuttaa uuden mielekkään<br />
materiaalin oppimiseen ja mielessä pysymiseen ko. asia-alueella…<br />
Jos kognitiivinen rakenne on vakaa, selvä ja sopivasti organisoitu,<br />
syntyy arvokkaita ja yksiselitteisiä merkityksiä, jotka pyrkivät<br />
säilyttämään yksilöllisyytensä ja erillisyytensä. Jos toisaalta<br />
kognitiivinen rakenne on epävakaa, epämääräinen, huonosti tai<br />
kaoottisesti organisoitu, pyrkii tämä ehkäisemään oppimista ja<br />
mieleen palauttamista…”<br />
Ausubel painottaa, että oppimisen ja opetuksen tutkimisen pääkysymys on juuri<br />
kognitiivisten struktuureiden muodostuminen ja muuttuminen. Mikä sitten määrää<br />
kognitiivisen rakenteen? Ausubel’illa kognitiivisen rakenteen hierarkkisuutta luovina<br />
tekijöinä ovat ”alistajat” ja ”ankkuroivat ideat”, jotka hän määrittelee erityisen korkealla<br />
abstraktiotasolla ja selittävyyden asteella oleviksi käsitteiksi ja väittämiksi.<br />
3.2.3 Mielekästä kielellistä oppimista koskeva assimilaatioteoria<br />
Ausubel esitteli teoriansa mielekkäästä oppimisesta ensimmäisen kerran vuonna 1962<br />
artikkelissaan A Subsumption Theory of Meaningful Verbal Learning and Retention<br />
(Ausubel 1962). Hänen oppimista koskevan teoriansa lähtökohtana on keskittyminen<br />
tutkimaan ”mielekästä kielellistä oppimista”, kielellisessä muodossa esitettyä, tietyn<br />
oppiaineen tai tiedon alueen tietoaineksen omaksumista. Teoriansa perusnäkemykset<br />
Ausubel esitti vuonna 1963 ilmestyneessä teoksessaan The Psychology of Meaningful<br />
Verbal Learning, jossa hän kehitteli edelleen aikaisemmin esittämiään ideoita.<br />
(Miettinen 1995, 77) Hänen teoriansa tarkastelee pääasiassa sitä miten oppilaat<br />
ymmärtävät, oppivat, organisoivat ja muistavat laajoja, mielekkäitä, kielellisessä<br />
muodossa esitettyjä asiakokonaisuuksia (Ausubel 1963, xi).<br />
Ausubel puhuu mielekkäästä (merkityksellisestä, tarkoituksenmukaisesta,<br />
meaningful) oppimisesta, joka aiheuttaa sarjan muutoksia oppijan kognitiivisessa<br />
rakenteessa, muuttaen jo olemassa olevia käsityksiä ja luoden uusia yhteyksiä<br />
käsitteiden välille. Ausubel’in kiinnostuksen kohteena on alusta asti ollut<br />
”kouluoppiminen” ja sen ongelmat, siis lähinnä sivistyksenä olemassa olevan tiedon<br />
systemaattinen välittäminen. (Miettinen 1995) Hänen oppimisteoriansa päätarkoitus on<br />
auttaa oppilaita omaksumaan opiskelun kohteena oleva oppiaines (Joyce & Weil 1986,<br />
72).<br />
Ausubel’in mielekkään oppimisen teoriaa voidaan kuvata nelikenttänä (kuva 2),<br />
jonka toisena pääulottuvuutena on toisaalta jatkumo vastaanottava oppiminen – keksivä<br />
oppiminen (reception learning – discovery learning), toisaalta jatkumo mielekäs<br />
oppiminen – ulkoa oppiminen tai mekaaninen oppiminen (meaningful learning – rote<br />
learning).
11<br />
MIELEKÄS OPPIMINEN tutkimus<br />
esijärjestin<br />
projektiopiskelu<br />
VASTAANOTTAVA<br />
OPPIMINEN<br />
kyselevä opetus<br />
työkirjan täyttö<br />
käsitekartta<br />
opetuspeli<br />
induktiivinen ajattelu<br />
luokittelu<br />
KEKSIVÄ<br />
OPPIMINEN<br />
ulkoluku<br />
jäljentäminen<br />
MEKAANINEN OPPIMINEN/<br />
ULKOA OPPIMINEN<br />
Kuva 2. Oppimisen ulottuvuudet Ausubel’in mukaan ja työtapoja mielekkään<br />
oppimisen nelikentässä.<br />
Mielekäs oppiminen tarkoittaa sellaista oppimistoimintaa, missä oppija ymmärtää<br />
opittavan asian. Sen vastakohtana on mekaaninen oppiminen, rutiininomainen asioiden<br />
ulkoa opettelu. Keksivä oppiminen on parhaimmillaan intuitiivista, luovaa ajattelua,<br />
asioiden itsenäistä oivaltamista. Sen vastakohtana voidaan pitää valmiiksi jäsennellyn<br />
tiedon omaksumista, vastaanottavaa oppimista, mikä ei Ausubel’in mukaan kuitenkaan<br />
tarkoita samaa kuin asioiden ulkoa opettelu. Hyvä vastaanottava oppiminen vaatii<br />
mielenvireyttä ja tarkkaavaisuutta käsitellyn asian ymmärtämiseksi. Ausubel<br />
korostaakin oppijan mielen aktiivisuuden tärkeyttä asioiden luokittelussa ja keskinäisten<br />
suhteiden selvittämisessä.<br />
Novak (1998, suom. Åhlberg 2002, 71) pitää Ausubel’in tärkeänä havaintona eroa<br />
ulkoa oppimisen ja mielekkään oppimisen jatkumon välillä ja toisaalta vastaanottavan ja<br />
keksivän oppimisen jatkumon välillä. Ausubel on kritisoinut toisen merkittävän<br />
amerikkalaisen kognitiivisen psykologian edustajan Jerome Brunerin kannattamaa<br />
keksimällä oppimista hitaaksi ja todennut, että tämä ylikorostaa keksivää oppimista<br />
oppimisen suotuisimpana muotona samaistaen virheellisesti keksivän ja mielekkään<br />
oppimisen. Ausubel’in mielestä kaikkien ei tarvitse keksiä uudestaan kaikkia. Ausubel<br />
itse painottaa vastakohtana rutiinioppimiselle ja mieleen painamiselle mielekästä<br />
vastaanottavaa oppimista kouluoppimisen perustyyppinä, kouluoppimisen pääasiallisena<br />
tavoitteena ja pohjana kaikelle mielekkäälle keksivälle oppimiselle. Ausubel ei<br />
kuitenkaan väitä, että keksivä oppiminen ei toimisi vaan ennemminkin toteaa keksivän<br />
oppimisen olevan tehotonta.<br />
Ausubel katsoo mekaanisella ulkoa oppimisella ja mielekkäällä kielen avulla<br />
tapahtuvalla oppimisella olevan erilaiset lainalaisuutensa. Jälkimmäiselle on ominaista<br />
se, että opetettava materiaali voidaan liittää yksilön aikaisempien tietojen järjestelmään,<br />
kognitiiviseen rakenteeseen. Mielekkään kielellisen oppimisen olemus on Ausubel’in<br />
mukaan uuden tiedon assimilointi, sulauttaminen aikaisempaan kognitiiviseen<br />
rakenteeseen. Keskeisellä sijalla tässä sulauttamisessa ovat erityiset ”alistajat”<br />
(subsumers), korkealla abstraktiotasolla olevat käsitteet ja periaatteet, jotka parhaimmin<br />
jäsentävät tiedon ja ovat omiaan luomaan pysyvän ja selkeän kognitiivisen rakenteen.<br />
(Miettinen 1995, 77)
Mielekkäässä oppimisessa uusin informaatio liitetään aikaisempiin kognitiivisen<br />
rakenteen käsitteisiin. Tavallisesti tämä liittyminen tapahtuu silloin, kun<br />
täsmällisemmät, vähemmän kattavat käsitteet liittyvät yleisempiin aikaisemmissa<br />
kognitiivisissa rakenteissa oleviin käsitteisiin. Painottaakseen tätä linkitysilmiötä<br />
Ausubel (1968) esitteli termin kattava käsite eli yläkäsite (subsuming concept;<br />
subsumer). Näiden termien käyttöönoton peruste on kattavien käsitteiden suuri merkitys<br />
uuden informaation oppimisessa. Kattavan käsitteen tehtävä mielekkäässä oppimisessa<br />
on vuorovaikutteinen. Se helpottaa relevantin informaation kulkua havaintoesteiden läpi<br />
ja tarjoaa perustan sille, että vastahavaittu informaatio ja aikaisemmin hankittu tieto<br />
liittyvät yhteen. Tämän yhtymisen aikana sekä kattava käsite että varastoitu informaatio<br />
muuttuvat hiukan. Tämä vuorovaikutusprosessi uuden opittavan aineksen ja mielessä<br />
ennestään olevien käsitteiden eli kattavien yläkäsitteiden (subsumers) välillä on<br />
Ausubel’in assimilaatioteorian ydin (Novak 1998, suom. Åhlberg 2002, 73).<br />
Hänen teoriansa kohdistuu siis ensisijaisesti kognitiiviseen oppimiseen ja tiedon<br />
hyödyntämiseen ja käyttöön. Vaikka teoria oppimisesta keskittyy kognitiiviseen<br />
(tiedolliseen) oppimiseen, on sillä kuitenkin tärkeä merkitys myös affektiivisen (tunteet)<br />
ja motorisen (taidot) oppimisen kannalta. Vuonna 1963 ilmestyneessä kirjassaan<br />
Ausubel puolusti vastaanottavan oppimisen ja esittävän opetuksen merkitystä kouluissa<br />
välttämättömänä ja tehokkaana, haluten samalla muuttaa opetusta ulkoa oppimisesta<br />
kohti mielekästä oppimista (Novak 1998, suom. Åhlberg 2002, 72).<br />
Novak ja Gowin (1993, 106-107) esittävät tämän Ausubel’in kognitiivisen<br />
oppimisteorian peruslähtökohdiksi sen kolme ajatusta: 1) Kognitiivinen rakenne etenee<br />
laajoista yleisistä yläkäsitteistä hierarkkisesti organisoituneesti kohti suppeampia<br />
konkreettisia käsitteitä. 2) Käsitteet eriytetään asteittaisesti kognitiivisessa rakenteessa,<br />
jolloin laaja-alaisemmat käsitteet erotellaan kohteiden tai ilmiöiden säännönmukaisuuksien<br />
luonteen mukaan suppea-alaisemmista käsitteistä. 3) Integratiivinen yhteensovittelu<br />
tapahtuu, kun kaksi tai useampi käsite mielletään suhteessa uuteen<br />
propositionaaliseen merkitykseen tai kun käsitteiden ristiriitaiset merkitykset<br />
ratkaistaan. Novakin ja Gowinin (1993, 55) käsityksen mukaan saavutustaso, oppimisen<br />
taso, parantuisi miltei jokaisella inhimillisen pyrkimyksen alueella, jos aloitettaisiin<br />
keskeisistä käsitteistä ja niiden ymmärtämisestä, ja jos niiden avulla tulkittaisiin ilmiöitä<br />
ja kohteita.<br />
Ausubel (1968) näkee mielekkään oppimisen teoriassa samanaikaisesti kolme<br />
kohdetta: oppimäärän sisältö, oppilas ja opettaja. Opettajan tehtävänä on opetettavan<br />
aineksen jäsentäminen käsitehierarkioiden mukaisesti niin, että otetaan huomioon<br />
oppilaan tietorakenne ja tavat, joilla oppilas prosessoi tietoa sekä oppiaineksen sisältö.<br />
Opettajan kannalta on tärkeää tietää, miten hyvin tieto on oppilaalle jäsentynyt, kuinka<br />
selkeää ja miten pysyvää se on. Etenkin luonnontieteiden opetuksessa on tärkeää<br />
tiedostaa oppilaan vaihtoehtoiset tietorakenteet ja väärät ennakkokäsitykset opetettavista<br />
asioista. Oppilaan tietorakenne on tietoa varastoiva ja prosessoiva. Siinä on oltava<br />
jäsenneltyjä ajatusrakennelmia, jotta uudet käsitteet voisivat assimiloitua jo olemassa<br />
oleviin käsitteisiin.<br />
Novak ja Gowin (1993, 9-12) puolestaan viittaavat opetuksen perustekijöistä<br />
kirjoittaessaan Schwabiin, jonka mukaan opetustapahtuma sisältää neljä eri tekijää:<br />
opettajan, oppilaan, opetussuunnitelman ja ympäristön, jotka kaikki on otettava<br />
opetuksessa huomioon ja esittävät painokkaasti näkemyksensä, joka korostaa opettajien<br />
velvollisuutta auttaa oppilaita ymmärtämään tiedon rakennetta ja tuottamista. Mielekäs<br />
oppiminen vaatii myös oppilaan omia ponnisteluja: hänen täytyy itse päättää, että hän<br />
liittää uuden käsitteen jollakin mielekkäällä tavalla siihen merkitykselliseen tietoon,<br />
joka jo on hänen tiedollisessa rakenteessaan (Novak 1998, suom. Åhlberg 2002, 71).<br />
12
Mielekkään oppimisen teoria korostaa myös oppiaineen loogista rakennetta ja<br />
opettajan merkitystä tämän rakenteen välittäjänä (Lavonen & al. 2001b).<br />
Luonnontieteiden opettamisen kannalta Ausubel’in teoriassa on mielenkiintoisinta<br />
oppiaineen sisältöjen looginen järjestäminen ja opettajan merkitys oppimistilanteessa<br />
(Lavonen & al. 2001b). Teoriaa voidaan soveltaa tilanteisiin, joissa opettaja toimii<br />
luennoijana tai selittäjänä (Joyce & Weil 1986, 72). Teoria korostaa mielekkyyden<br />
osuutta oppimisessa soveltaen jaottelun loogisesta ja psykologisesta johdonmukaisuudesta<br />
oppimisen tarkasteluun, mutta teorian mukaan pelkkä oppiaineksen<br />
johdonmukaisuus ei kuitenkaan tuota oppimiseen riittävää mielekkyyden elämystä, vaan<br />
johdonmukaisuuden täytyy olla myös psyykkisesti elämyksellistä (Novak ja Gowin<br />
1993, VI-VII). Mielekäs oppiminen mahdollistuu, kun oppilas tunnistaa uusia suhteita<br />
toisiinsa liittyvien käsitekimppujen välillä, ja mielekäs oppiminen vaatii entisen ja<br />
uuden käsitejärjestelmän välisen suhteen tiedostamista (Novak ja Gowin 1993, 114).<br />
Ausubel’in teorian etuna on pidetty sitä, että se on mahdollistanut monien oppimista<br />
koskevien havaintojen eheyttämisen yhdeksi yhtenäiseksi teoriaksi.<br />
3.2.4 Mayer’in ja Derry’n tulkinnat Ausubel’in esijärjestinperiaatteesta<br />
Vaikka Ausubel’in (Ausubel 1960; Ausubel ja Fitzgerald 1962) ensimmäiset<br />
esijärjestimiä koskeneet tutkimukset olivatkin antaneet lupaavia tuloksia, testeissä<br />
esijärjestimiä käyttäneille osallistujille niistä oli ollut vain vähäistä hyötyä siihen<br />
nähden mitä muistamista testanneen monivalintakokeen perusteella olisi olettanut.<br />
Ausubel’in työtä onkin myöhemmin kritisoitu kunnollisen kokeellisen kontrollin<br />
puuttumisesta (esimerkiksi siitä, että joillekin tutkittaville testimateriaali oli<br />
merkittävästi tutumpaa kuin toisille tutkittaville) sekä ärsykemuuttujien objektiivisen<br />
mittaamisen puuttumisesta (Frase 1975; McEneany 1990). Samoin Gagne ja Wiegand<br />
(1970) arvostelivat sitä, että Ausubel’in esijärjestimissä saattoi olla kyseessä<br />
ennemminkin mieleen palauttamisen helpottuminen kuin asioiden sisäistäminen ja<br />
tietojen omaksuminen. Lawton ja Wanska (1977) ovat lisäksi korostaneet, että<br />
Ausubel’in esijärjestimet nostavat esiin niiden omat kognitiiviset rakenteet, joihin uusi<br />
tieto kenties liitettäisiin. Heidän mielestään ne eivät toimi kognitiivisen rakenteen ja<br />
uuden tiedon välisenä siltana. Oppilaat voivat kuitenkin kaikesta huolimatta käyttää<br />
esijärjestimiä uuden tiedon ja olemassa olevien käsitteiden integroimiseen. Edellä<br />
esitetty kritiikki on johtanut Ausubel’in teorian ja esijärjestimien käytön tarkennuksiin<br />
ja laajennuksiin. Näistä modi<strong>fi</strong>kaatioista merkittävimmät ovat esittäneet toisaalta Mayer<br />
(1979, 1987) ja toisaalta Derry (1984).<br />
Mayer’in ehdottama assimilaatio-koodaus –hypoteesi esijärjestimistä on<br />
Ausubel’in teoriaa yksinkertaisempi kuvaus oppimisesta. Siinä Mayer esittää, että<br />
mielekästä oppimista tapahtuu, kun oppilaassa on havaittavissa seuraavia kognitiivisia<br />
piirteitä: (a) tieto ja strategiat ovat säilyneet pitkäkestoisessa muistissa, (b)<br />
tarkkaavaisuuden muuttunutta terävyyttä, (c) uudelleenjärjestäytynyttä tietoa<br />
työmuistissa niin, että se on yhdenmukaista, (d) jo olemassa olevan tiedon siirtämistä<br />
pitkäkestoisesta muistista työmuistiin ja (e) vanhaan tietoon integroitua uutta tietoa.<br />
Mayer ehdotti, että esijärjestimet auttavat oppijaa aktivoimaan muistissa jo olemassa<br />
olevat ankkuroivat käsitteet sekä rohkaisevat muodostamaan ulkoisia kytkentöjä uuden<br />
tiedon ja aiemman tiedon välille. Tässä suhteessa Mayer’in esitys eroaa jonkin verran<br />
Ausubel’in kognitiivisesta ’alistamisesta’ (subsumption), koska esijärjestimet<br />
helpottavat ennemminkin assimilaatiota kuin uusien kognitiivisten rakenteiden, jonka<br />
alle uusi tieto voidaan luokitella, muodostumista. Mayer’in assimilaatio-koodaus –<br />
hypoteesi ottaa huomioon uuden materiaalin aktiivisen integroinnin aiempaan tietoon.<br />
13
Derry laajensi Mayer’in assimilaatio-koodaus –hypoteesia siten, että luettavassa<br />
tekstissä esitetyt skeeman kanssa yhdenmukaiset ajatukset assimiloidaan aiemman<br />
aktiivisen tiedon kanssa. Uusi ja yhteen sopimaton tieto saa sitten aikaan yksilössä<br />
tarpeen muokata tai korjata olemassa olevaa skeemaa. Tästä näkökulmasta katsottuna<br />
esijärjestimet toimivat ”assimilaatio + korjaus” -prosessin kautta (Derry 1984, 99). Jos<br />
esijärjestin auttaa oppilasta etsimään merkityksellisiä skeemoja, niin itse skeema<br />
voidaan kehittää ja sitä voidaan muokata oppilaan ja luettavan tekstin välisessä<br />
vuorovaikutustilanteessa.<br />
3.3 Periaatteen tiedollinen ja käsitteellinen perusta<br />
3.3.1 Ausubel’in tiedonkäsitys<br />
Ausubel’illa tieto on pääasiallisesti kielellis-käsitteellisessä muodossa, se edustaa jotain<br />
tiedon aluetta (oppiaine tai tieteen ala) ja se ’sulautuu’, löytää paikkansa tiedon<br />
hierarkkisessa rakenteessa, jossa rakennetta luovina tekijöinä ovat kaikkein<br />
abstrakteimmat ja selitysvoimaisimmat käsitteet ja lainalaisuudet (Miettinen 1995, 78).<br />
Tieto assimiloidaan, ’sulautetaan’, oppilaan olemassa olevaan tietorakenteeseen,<br />
kognitiiviseen struktuuriin.<br />
Ausubel kuvailee ihmismieltä informaatiota prosessoivana ja varastoivana<br />
järjestelmänä, jota voidaan verrata akateemisten tiedonalojen käsiterakenteisiin (Joyce<br />
& Weil 1986, 75). Aivan kuten akateemiset tiedonalat, ihmismielikin on hierarkkisesti<br />
organisoitunut käsitejoukko, joka tarjoaa ankkurointikohtia informaatiolle ja ajatuksille<br />
toimien samalla niiden varastona (Joyce & Weil 1986, 75). Ausubel’in teorian<br />
kaikenkattava ajatus on, että tieto on hierarkkisesti järjestäytynyttä. Hän on myös<br />
esittänyt, että jokaisella akateemisella tiedonalalla on hierarkkisesti organisoitunut<br />
käsiterakenne (Ausubel 1963, 18).<br />
Kunkin tiedonalan huipulla on siten joukko hyvin laajoja, abstrakteja käsitteitä,<br />
jotka pitävät sisällään konkreettisempia alemman hierarkiatason käsitteitä. Ausubel<br />
uskoo, että jokaisen tiedonalan rakenteiset käsitteet voidaan tunnistaa ja opettaa<br />
oppilaille, mistä sitten tulee oppilaiden tietojenkäsittelysysteemi. Toisin sanoen<br />
käsiterakenteista tulee ”älyllinen” kartta, jota oppilaat voivat käyttää analysoidessaan<br />
tiettyjä tietoalueita ja ratkoessaan näiden tietoalueiden ongelmatehtäviä. Tällainen<br />
organisoitunut tieto voisi helpottaa uutta oppimista ja luovaa ongelmanratkaisua (Novak<br />
1998, suom. Åhlberg 2002).<br />
Ausubel erottaa toisistaan loogisen eli potentiaalisen merkityksen ja psykologisen<br />
merkityksen (1968, 223). Opittavalla aineksella on potentiaalista merkitystä, jos se on<br />
”ei mielivaltaisella tavalla liitettävissä hypoteettiseen, kehittyneen yksilön<br />
kognitiiviseen rakenteeseen”. Psykologinen merkitys on taas ainutkertainen<br />
fenomenaalinen tulos yksilön mielekkäästä oppimisprosessista. (Miettinen 1995, 80)<br />
Ausubel’ille loogisen merkityksen kriteeri on psykologinen, suhteutettavuus<br />
johonkin yksilölliseen kognitiiviseen rakenteeseen. Hän sanoo, etteivät ”kysymykset<br />
asiallisesta ja loogisesta pätevyydestä” yksinkertaisesti liity loogisen merkityksen<br />
määrittelyyn (1968, 224). Ausubel torjuu näin tietojen ja käsitteiden varsinaisen<br />
tietoteoreettisen ulottuvuuden ja korostaa, että tietorakenne on olemukseltaan aina<br />
ainutkertainen ja subjektiivinen ilmiö. Tämä käsitys heijastuu itse assimilaatioteoriassa.<br />
Kognitiivisen rakenteen sisältö jää toissijaiseksi. Teorian oppimista selittävät käsitteet,<br />
”kognitiiviset rakennevariaabelit” ovat luonteeltaan muodollisia. (Miettinen 1995, 80)<br />
14
15<br />
Käsitteet ja käsitteenmuodostus Ausubel’in ajattelussa<br />
Ausubel’in mukaan oppimisen ja opetuksen tutkimisen pääkysymys on juuri<br />
kognitiivisten struktuureiden muodostuminen ja muuttuminen. Tämä tapahtuu kahdella<br />
tavalla. Lapsuudessa, eritoten ennen kouluikää, käsitteiden muodostuminen tapahtuu<br />
induktiivisesti, välittömien kokemusten, esimerkkien vertailun ja niiden yhteisten<br />
ominaisuuksien löytämisen kautta. Tämä on päämenetelmä siihen saakka kunnes lapsi<br />
on omaksunut noin 1000-2000 käsitettä kattavan funktionaalisen sanavaraston. Tämän<br />
jälkeen käsitteiden muodostuminen perustuu pääasiassa assimilaation muodossa. Tällä<br />
tarkoitetaan ”uusien käsitemerkitysten omaksumista vastaanottavan oppimisprosessin<br />
kautta; oppijalle esitetään käsitteen kriteeriominaisuudet määritelmän tai viitekehyksen<br />
avulla” (Ausubel & al. 1978, 625). Kun induktiivinen lähestymistapa ohjaa oppilaat<br />
keksimään käsitteitä, tarjoavat esijärjestimet käsitteet ja periaatteet oppilaiden käyttöön<br />
suoraan (Joyce & Weil 1986, 72).<br />
1970-luvun lopussa julkaistussa Ausubel’in ja hänen työtoveriensa<br />
”Kasvatuspsykologiassa” yksi luku on omistettu käsitteenmuodostukselle. Siinä esitetty<br />
käsitys käsitteenmuodostuksesta on brittiläisen empirismin muotoiluja uskollisesti<br />
noudattava kuvaus empiirisestä, luokittelevasta yleistämisestä. Käsitteenmuodostuksen<br />
ydinprosessi on Ausubel’in mukaan esineiden yhteisten ”kriteeritunnusmerkkien”<br />
määrittely (abstrahointi). Näin muodostettujen esineiden luokalle annetaan<br />
sopimuksenvarainen, keksitty nimitys, jolla ei ole vastinetta ulkoisessa todellisuudessa<br />
(nominalismi). (Miettinen 1995, 79)<br />
Käsitteet ovat siis ilmiötä määrittelevien tuntomerkkien kokoelmia. Siksi<br />
keskeiseksi muodostuu näiden käsitteiden ja väittämien luonteen tarkastelu. Tähän<br />
liittyy Ausubel’in varhaisen tuotannon suuri paradoksi. Vaikka käsitteet ovat<br />
kognitiivisen rakenteen perustana, ei Ausubel 60-luvun tuotannossaan käsittele lainkaan<br />
käsitteenmuodostuksen tai abstrahoinnin luonnetta ja mekanismia. (Miettinen 1995, 79)<br />
Ausubel’in teoksessa ”The Psychology of Meaningful Verbal Learning” ei ole lainkaan<br />
käsitteenmuodostusta tai abstraktiota koskevaa tarkastelua eikä kumpaakaan näistä<br />
käsitteistä ole kirjan laajassa asiahakemistossa (Miettinen 1995, huomautus sivun 79<br />
alalaidassa).<br />
Ausubel ja hänen työtoverinsa määrittelevät käsitteen seuraavasti (1978, 89):<br />
”Määrittelemme käsitteet esineiksi, tapahtumiksi, tilanteiksi, ja<br />
ominaisuuksiksi, joilla on yhteiset kriteeritunnusmerkit ja joita<br />
merkitään tietyssä kulttuurissa jollakin hyväksytyllä merkillä tai<br />
symbolilla.”<br />
Tämän empiristisen tulkinnan mukaan Ausubel pyrkii luonnehtimaan<br />
käsitteenmuodostusta kognitiiviseen rakenteeseen assimiloimisena. Käsitteiden<br />
luokittelu yhteisten tunnusmerkkien avulla on keskeistä (1978, 99). Miettinen on<br />
esittänyt (ks. edellä), ettei Ausubel ole 60-luvun tuotannossaan käsitellyt lainkaan<br />
käsitteenmuodostuksen luonnetta. Tähän on kuitenkin todettava, että kirjassaan<br />
Edcucational Psychology: A Cognitive View (1968), Ausubel tarkastelee<br />
käsitteenmuodostusta keksivän oppimisen (discovery learning) yhteydessä. Käsitteiden<br />
hankkimista ja käyttöä käsittelevässä luvussa 15 hän pohtii sekä käsitteiden luonnetta (s.<br />
505) että käsitteenmuodostuksen strategioita (s. 520). Se seikka, että Ausubel pitää<br />
vastaanottavaa oppimista kouluoppimisen pääasiallisena muotona eikä keksivää<br />
oppimista, jättää kyllä käsitteenmuodostuksen luonteen tarkastelun, pitäessään käsitteitä<br />
valmiiksi annettuina, kokonaan pois.
16<br />
3.4 Periaatteen tukema oppiminen ja opetus<br />
3.4.1 Oppimisen prosessuaalisuus<br />
Oppiminen on siis ennen kaikkea uusien käsitteiden assimiloitumista, suhteutumista tai<br />
jäsentymistä oppijan kognitiivisiin rakenteisiin (Engeström 1984, 28). Ausubel on<br />
kiinnittänyt huomionsa opetusta ja oppimista tutkiessaan ylä-, väli- ja alatason<br />
käsitteiden muuttumiseen. Oppiminen tapahtuu hänen mukaansa deduktiivisesti<br />
yläkäsitteistä alakäsitteisiin. Tässä prosessissa uudet käsitteet tulevat alistetuiksi jo<br />
omaksutuille yläkäsitteille ja samalla tapahtuu omaksutun kognitiivisen rakenteen<br />
muuntumista (Engeström 1984, 28). Uusien käsitteiden oikean paikan sijoittumista<br />
oppilaan käsiterakenteeseen, niiden ’alistamista’ eli ’subsumointia’ yläkäsitteiden alle,<br />
Ausubel tarkastelee ’alistaja’ –teoriassaan (subsumption theory). Hän korostaa, että<br />
’alistaminen’ koskee olemassa olevien kognitiivisten rakenteiden uudelleenjärjestelyä,<br />
ei uusien rakenteiden muodostamista kuten konstruktivistissa teorioissa oletetaan.<br />
Ausubel on nostanut esiin neljä prosessia, joilla mielekäs oppiminen hänen<br />
mielestään voi tapahtua: 1) Jäljittelevässä alistamisessa (tekijän suomennos, derivative<br />
subsumption) kuvaillaan tilannetta, jossa opittava informaatio on jo aiemmin opitun<br />
yläkäsitteen uusi tapaus tai esimerkki. Aiemmin opitulla yläkäsitteellä on<br />
ominaisuuksia, joiden perusteella kyseinen käsite on saanut merkityksensä. Uudella,<br />
opittavaksi aiotulla informaatiolla on yhdenmukaisia ominaisuuksia jo opitun käsitteen<br />
kanssa, jolloin uusi tieto kiinnittyy tuttuun yläkäsitteeseen muuttamatta sitä oleellisesti<br />
millään tavalla. 2) Suhteuttavassa alistamisessa (tekijän suomennos, correlative<br />
subsumption) uusi informaatio poikkeaa joltain ominaisuudeltaan aiemmin opitusta<br />
yläkäsitteestä. Mukauttaakseen uuden tiedon aiemmin opittuun, täytyy oppilaan muuttaa<br />
tai laajentaa aiemman tiedon merkitystä vastaamaan uutta tietoa. Suhteuttava<br />
alistaminen rikastaa ylätason käsitettä laajentaen käsitteen yleisyyttä ja tarkentaen sen<br />
merkitystä. 3) Yläkäsitteen oppimisessa (tekijän suomennos, superordinate learning)<br />
oppilaalla on jo yksityiskohtaisia tietoja, mutta kattavampi ylemmän tason käsite on<br />
vielä tuntematon. Oppiminen etenee käsitehierarkiassa silloin alhaalta ylöspäin<br />
induktiivista käsitteenmuodostuksen periaatetta noudattaen. 4) Yhdentävässä<br />
oppimisessa (tekijän suomennos, combinatorial learning) on kysymyksessä prosessi,<br />
jossa uusi idea johdetaan samalla hierarkiatasolla olevasta, toisesta käsitejoukosta.<br />
Ideoita ei siis johdeta ylemmältä tai alemmalta hierarkiatasolta. Tätä oppimisprosessia<br />
voidaan pitää analogioiden avulla tapahtuvaksi oppimiseksi.<br />
Ausubel’in mielekäs oppiminen on ennen kaikkea prosessi, jossa uusi informaatio<br />
yhdistyy olennaiseksi osaksi yksilön olemassa olevan tiedon rakennetta (Novak 1998,<br />
suom. Åhlberg 2002, 68). Kysymys on uuden informaation sulauttamisesta,<br />
assimilaatioprosessista, yksilöllisiin tietorakenteisiin.<br />
Ausubel’illa on yksiselitteinen käsitys siitä, mikä tässä oppimisprosessissa on<br />
ratkaiseva tekijä. ”Jos minun olisi pelkistettävä koko kasvatuspsykologia vain yhteen<br />
periaatteeseen, sanoisin tämän: Tärkein yksittäinen oppimiseen vaikuttava tekijä on se,<br />
mitä oppija jo tietää. Ota se selville ja opeta häntä sen mukaisesti.” (Ausubel 1968,<br />
Ausubel & al. 1978, iv) Toisien sanoen oppimisen kannalta määräävässä asemassa on<br />
oppilaan aiemmin omaksuma kognitiivinen rakenne. Oppimisen onnistuminen riippuu<br />
siitä, kuinka uudet käsitteet kyetään sulauttamaan ja suhteuttamaan siihen. Näin ollen on<br />
tärkeää löytää aikaisemman rakenteen keskeiset yläkäsitteet, subsumoijat (alistajat) aina<br />
kulloinkin opetettavan tiedon alalta. (Engeström 1984, 28)<br />
Oppimisprosessi etenee Ausubel’in mukaan pääsääntöisesti deduktiivisesti, toisin<br />
kuin varhainen spontaani käsitteiden muodostaminen. Oppimisessa edetään<br />
yläkäsitteistä yksittäistapauksiin, abstrakteista ja yleisistä määritelmistä niiden
konkreetteihin ilmenemismuotoihin ja variaatioihin. Tätä Ausubel nimittää käsitteen<br />
’progressiiviseksi eriytymiseksi’ (progressive differentiation). (Engeström 1984, 28)<br />
Oppimisprosessi etenee näin oppilaalle tutuista, kattavista käsitteistä, eriyttämällä<br />
yksityiskohtien ja tarkkuuden mukaan uusiin ennestään tuntemattomiin käsitteisiin.<br />
Tämän ’edistyvän eriytymisen’ periaatteen mukaan mielekäs oppiminen on jatkuva<br />
prosessi, jossa uudet käsitteet saavat laajempaa merkitystä sitä mukaa kun uudet suhteet<br />
omaksutaan eivätkä käsitteet tule koskaan lopullisesti opituiksi tarkentuen jatkuvasti<br />
yhä selvemmiksi ja kattavammaksi käsitteiksi (Novak ja Gowin 1993, 109).<br />
Uusien käsitteiden lisääminen kognitiiviseen rakenteeseen tai olemassa olevan<br />
kognitiivisen rakenteen uudelleen järjestäminen mielekkäässä oppimisessa, tuottaa<br />
myös ’edistyvää eriytymistä’ oppijan kognitiivisessa rakenteessa (Novak 1998, suom<br />
Åhlberg 2002, 78-79). Ausubel’in mukaan ’edistyvän eriytymisen’ tarkoitus on lisätä<br />
ankkuroivien ideoiden pysyvyyttä ja selkeyttä, jolloin opetuksen perusidea on<br />
tutustuttaa oppilaat ensin eri aiheiden samankaltaisuuksiin tai ”suuriin” ajatuksiin,<br />
yläkäsitteisiin, ja vasta sen jälkeen pureutua aiheiden yksityiskohtaisiin tarkasteluihin.<br />
Toisaalta oppimisprosessissa tulee tapahtua jatkuvasti myös alakäsitteiden<br />
kytkemistä takaisin ’ylöspäin’ (integrative reconciliation). Toisien sanoen alakäsitteitä<br />
on tietoisesti liitettävä aikaisempiin yläkäsitteisiin. (Engeström 1984, 28) Tällä<br />
vältetään uusien opittavien asioiden jääminen pelkästään irralliseksi pintatiedoksi.<br />
Suunta on näin spesi<strong>fi</strong>sistä käsitteistä yleisiin, kattaviin käsitteisiin noudattaen selkeästi<br />
induktiivista etenemisprosessia. Tarkoituksena on siis rakentaa silta oppilaan olemassa<br />
olevan tiedon ja uuden tiedon välille. Ausubel kutsuu tätä käsitteen tai käsiterakenteen<br />
’integratiiviseksi yhteensovittamiseksi’ tai ’eheyttäväksi yhteensovittamiseksi’. Tämä<br />
edellyttää, että oppilaalle osoitetaan uusien käsitteiden yhteydessä, mitä eroja tai<br />
yhtäläisyyksiä niillä on aiemmin opittuihin käsitteisiin verrattuna (vrt. komparatiiviset<br />
ennakkojäsentäjät) Näin pyritään estämään uusien käsitteiden erkaantuminen muusta<br />
rakenteesta irrallisiksi fragmenteiksi. (Engeström 1984, 29)<br />
Novak (1998) toteaa, että käsitteiden liittyminen hierarkkisiksi rakenteiksi ja<br />
’edistyvä eriytyminen’ johtavat paljon muuhunkin kuin pelkän tiedon määrän<br />
lisääntymiseen käsitteellisessä rakenteessa. Hän jatkaa edelleen toteamalla, että<br />
laadullinen muutos tapahtuu jokaisen asiaankuuluvassa rakenteessa olevan käsitteen<br />
muuttaessa merkitystään. Kun käsitteet liittyvät hierarkkiseen rakenteeseen, kaikkien<br />
käsitteiden merkitykset muuttuvat ainakin hiukan (Novak 1998, suom Åhlberg 2002).<br />
Yrittäessään käsitteellisesti eheyttää käsiterakennettaan (mikä usein edellyttää<br />
vastauksia miksi- ja miten -kysymyksiin), oppilas muodostaa yhden tai useamman<br />
uuden käsitteen ja eheyttäen sovittaa uusien ja vanhojen käsitteiden merkitykset<br />
toisiinsa (Novak 1998, suom. Åhlberg 2002, 81).<br />
Joyce ja Weil (1986, 76) toteavat Ausubel’in käyttävän progressiivista eriytymistä<br />
ja integratiivista yhteensovittamista ohjaamaan aihealueiden sisältöjen organisointia<br />
sillä tavalla, että käsitteistä tulee pysyvä osa oppilaiden kognitiivista rakennetta ja<br />
samalla kuvailemaan oppilaiden älyllistä roolia. Mikäli koko opiskeltava tietoaines on<br />
käsitteellistetty ja esitetty progressiivisen eriytymisen periaatteen mukaisesti, niin<br />
luonnollisena vaiheena on integratiivinen yhteensovittaminen, vaikka se vaatii<br />
oppilaiden aktiivista yhteistoimintaa (Joyce & Weil 1986, 76). Sekä opiskeltava<br />
tietoaines että tuleva opetusjakso on rakennettava ylhäältä alas siten, että laajaalaisimmat<br />
käsitteet ja periaatteet esitetään ensimmäiseksi. Ausubel on tähdentänyt, että<br />
useimpien kirjojen teksti on järjestetty aiheen mukaan erillisiksi luvuiksi, jotka kaikki<br />
ovat samalla abstraktio- ja yleisyystasolla. ”Kuitenkin, useimmissa tapauksissa oppilaita<br />
vaaditaan opettelemaan uuden ja vieraan tiedonalan yksityiskohtia ennen kuin he ovat<br />
omaksuneet riittävän määrän ’alistajia’, jotka ovat sopivan laaja-alaisia” (Ausubel 1968,<br />
17
153). Käsitteiden integratiivinen yhteensovittaminen tuottaa samalla ainakin jonkin<br />
verran käsitteiden eriytymistä (Novak ja Gowin 1993, 115).<br />
Kolmas oppimisprosessin tärkeä osatekijä on Ausubel’in opitun vakiinnuttaminen<br />
eli ’konsolidaatio’. Tämä merkitsee yksinkertaisesti kertaamista, harjoitusta ja palautetta<br />
oppilaalle. Konsolidaation käsite on lähellä perinteistä ylioppimisen ideaa. (Engeström<br />
1984, 29)<br />
Ausubel’in, Novakin ja Hanesianin (1978) mukaan mielekäs oppiminen eli tiedon<br />
konstruoiminen paranee, kun oppilaat tajuavat (1) että uusi informaatio liittyy ja on<br />
alistettavissa yleisempien ja kattavampien käsitteiden alle (hierarkkisten rakenteiden<br />
periaate), (2) että uusia käsitteitä hankitaan ja eriytetään koko ajan (progressiivisen<br />
eriytymisen periaate) sekä (3) että käsite- tai väittämäkokonaisuuksien väliset uudet<br />
suhteet ovat liitettävissä toisiinsa (integratiivisen yhteensovittamisen periaate). Kun<br />
oppija pyrkii mielekkääseen oppimiseen, tapahtuu samanaikaisesti sekä käsitteiden<br />
toisiinsa liittämistä, ’edistyvää eriytymistä’ että ’eheyttävää yhteensovittamista’ (Novak<br />
1998, suom. Åhlberg 2002, 81-82).<br />
3.4.2 Oppimisen tukeminen<br />
Mielekkään oppimisen teoria ei ole ollut viime vuosina kovin suuressa ”muodissa” ehkä<br />
sen vuoksi, että se jättää oppilaan melko passiiviseen osaan opetus-oppimis –<br />
tapahtumassa. Ausubel’in teoriaan sisältyvistä ideoista kestävimpänä näyttää kuitenkin<br />
säilyneen esijärjestin (ennakkojäsentäjä) –periaate, vaikkakin sitä on pidetty jossain<br />
määrin hankalana toteuttaa. Esijärjestintä on luonnehdittu ”karkeaksi yleiskuvaksi tai<br />
kokonaiskuvaksi” opetettavasta aiheesta ennen varsinaisiin yksityiskohtiin<br />
paneutumista. Esijärjestintä voidaan pitää Ausubel’in käsityksenä siitä, miten tällainen<br />
”iso kuva (big picture)” hahmotetaan oppilaan mieleen.<br />
Ausubel esitteli esijärjestimien idean kognitiivisena opetuksellisena<br />
lähestymistapana ”alistaja” –teoriassaan (Subsumption Theory). Oppimista voidaan<br />
hänen mielestään ratkaisevasti tehostaa nostamalla opittavasta aineksesta esille<br />
keskeiset yläkäsitteet ja suhteuttamalla ne vastaaviin yläkäsitteisiin oppilaan aiemmassa<br />
kognitiivisessa rakenteessa. Tätä opetuksellista ratkaisumallia nimitetään<br />
ennakkojäsentäjien laatimiseksi ja käytöksi. (Engeström 1984, 29)<br />
Alun perin Ausubel (1960) esitteli esijärjestimet välineenä, jolla hän oikeastaan<br />
testasi kognitiivista ”alistaja” –teoriaansa: sitä, että suorasanaisessa muodossa esitetyn<br />
materiaalin mielekäs oppiminen sisältää uuden oppiaineksen ”alistamisen” keskeisten<br />
olemassa olevien käsitteiden alapuolelle. Tässä hän oletti, että kognitiiviset rakenteet<br />
ovat järjestäytyneet hierarkkiseen muotoon kattavimpien käsitteiden eli ankkureiden<br />
sijaitessa ylimmällä tasolla ja vähemmän kattavien hierarkkisesti alemmilla tasoilla.<br />
Hän ajatteli, että esijärjestimet auttavat muodostamaan sellaisia uusia tiedollisia<br />
rakenteita, jotka helpottavat uusien asioiden ankkurointia. Ausubel’in teorian<br />
oppimistulosta määräävät rakennetekijät voidaankin jakaa kolmeen kohtaan: 1) uuden<br />
tiedon suhteuttamisen mahdollistavien ankkuroivien ideoiden saatavuus kognitiivisessa<br />
rakenteessa, 2) uuden aineksen erotettavuus siitä rakenteesta, johon se assimiloidaan<br />
sekä 3) ankkuroivien ideoiden pysyvyys ja selvyys.<br />
Esijärjestinperiaate perustuu mielekkään oppimisen teoriaan. Sitä käyttävä<br />
opetusmalli on keskittynyt sekä oppiaineen että oppilaan päähän syntyvän tiedon<br />
rakenteeseen. Esijärjestimessä on kyse asian aktivoimisesta mielessä ennen sen<br />
opettamista niin, että uusi tieto liittyy vanhaan helpommin. Esijärjestin voi olla<br />
oppilaalle myös jokin tuttu asia, johon uutta asiaa verrataan tarkastelemalla<br />
yhtäläisyyksiä ja eroavaisuuksia. Uusi tieto saa näin esijärjestimen avulla jo olemassa<br />
olevia ankkuroitumiskohtia. Perinteisesti esijärjestimellä on ymmärretty koulutettaville<br />
18
etukäteen esitettävää kaaviota tai orientoivaa materiaalia, jossa ajatusmallin rakenne on<br />
esitetty. Se voidaan ymmärtää myös laajemmin sellaisiksi tehtäviksi, joiden avulla<br />
voidaan aikaisempaa tietämystä ko. asiasta aktivoida. Tällaisia tehtäviä voivat olla<br />
esimerkiksi virittävät kysymykset, aktivoivat kirjoitustehtävät tai vaikka alkukoe.<br />
Ausubel (1963, 81) on itse määritellyt esijärjestimet muun muassa seuraavasti:<br />
”These organizers are introduced in advance of learning itself, and are also presented<br />
at a higher level of abstraction, generality, and inclusiveness; and since the substantive<br />
content of a given organizer or series of organizers is selected on the basis of its<br />
suitability for explaining, integrating, and interrelating the material they precede, this<br />
strategy simultaneously satis<strong>fi</strong>es the substantive as well as the programming criteria for<br />
enhancing the organization strength of cognitive structure.”<br />
Ausubel kuvailee esijärjestimiä johdantomateriaaliksi, joka esitellään juuri ennen<br />
varsinaista tunnin aihetta. Niiden tarkoitus on selittää, integroida ja yhdistää tunnin<br />
aiheena oleva tietoaines aikaisemmin opittuun tietoainekseen (ja myös auttaa oppilasta<br />
erottamaan uusi tietoaines aiemmin opitusta tietoaineksesta) (Ausubel 1968, 148).<br />
Ausubel’in mukaan koulutuksen tavoitteena tulee olla muodostettavien tietorakenteiden<br />
tunnistaminen ja järjestäminen jokaisen oppiaineen sisällä ja näiden rakenteiden<br />
välittäminen mielekkäällä tavalla oppilaille.<br />
Esijärjestimet perustuvat yleensä käsiteltävän tiedonalan keskeisiin käsitteisiin,<br />
väittämiin, yleistyksiin, periaatteisiin ja lakeihin (Joyce & Weil 1986, 77). Joyce ja Weil<br />
(1986, 77) nostavat esille myös itse esijärjestimen sisällön tärkeyden ja sen opettamisen<br />
tarpeen, jolloin opettamisen kohteena voisi olla käsite tai vaikka suhdeilmaisu. He<br />
tarkoittavat tällä yksinkertaisesti sitä, että oppilaiden täytyy ymmärtää ensin<br />
täydellisesti esijärjestimessä esiintyvät käsitteet, koska vain silloin esijärjestin voi<br />
palvella opiskelun kohteena olevan varsinaisen tietoaineksen organisointia.<br />
Koska jo olemassa olevan tietovarannon ”rakenteelliset tekijät” ovat uuden<br />
oppimisen pääkysymys, nousee opetuksen pääkysymykseksi uuden tiedon ja<br />
aikaisempien käsitysten välisen kuilun ”umpeen kurominen”. Tätä tehtävää varten<br />
Ausubel esittää opetuksessa käytettäväksi ”ennakkojäsentäjiä”. Näiden ennakkojäsentäjien<br />
on oltava korkeammalla abstraktio- ja yleisyystasolla kuin opetettavan<br />
oppiaineksen. Toisaalta niiden on oltava oppijan ymmärrettävissä ja esitetty tutuin<br />
termein. (Miettinen 1995, 78)<br />
Ennaltajäsentämisellä (=ennakkojäsentäjät=esijärjestimet, oma lisäys) tarkoitetaan<br />
sellaista ennen varsinaista opetusjakson alkamista tapahtuvaa opetusjakson rakenteen<br />
selventämistä, jossa oppilaille selvitetään kokonaisuudessaan, mihin kokonaisuuteen<br />
opetettavat asiat liittyvät ja kuinka ne suhtautuvat toisiinsa. Ennen opetusta annetun<br />
yleiskuvan siitä, mitä tullaan opettamaan, on nähty edistävän oppimista. Tällöin ennalta<br />
esitetty yleiskuva herättää oppilaissa relevantteja aikaisempia tietoja ja oppilailla on<br />
mahdollisuus luoda odotuksia tulevasta oppimateriaalista. (Kuusinen 1991, 46-47).<br />
Esijärjestin on määritelty muun muassa keinoksi, jolla pyritään auttamaan<br />
oppilasta muodostamaan asioiden rakenteesta kuva, jonka päälle pystytään rakentamaan<br />
yksityiskohtaisempaa tietoa ja joka toimii asianomaisten skeemojen aktivoijana (Lähde:<br />
Adage Oy). Esijärjestimien etuina voidaan pitää, että ne aktivoivat vanhat tietorakenteet<br />
uusiin opittaviin käsitteisiin, opittavalle tiedolle syntyy ankkuroitumiskohtia ja asioiden<br />
ulkoa opetteleminen vähenee. Esijärjestimen tulisi ravistella oppilaan tietorakennetta<br />
niin, että se olisi valmis vastaanottamaan uutta tietoa (Sahlberg 1989).<br />
Esijärjestimet toimivat siltana aiemman rakenteen ja opittavan uuden tiedon<br />
välillä. Niiden avulla uusi tieto ankkuroidaan aiemman tiedon soveltuviin kohtiin<br />
selkeästi ja tehokkaasti. Ennakkojäsentäjä on siis opittavaa uutta tekstiä tai muuta<br />
kielellisesti esitettyä tietoainesta edeltävä tiivistelmä, joka on yleisempi, abstraktimpi ja<br />
tiiviimpi kuin sitä seuraava aineisto. Toisin sanoen ennakkojäsentäjät ovat tiivistettyjä,<br />
19
systemaattisia ennakkokuvauksia tai jäsennyksiä tulevasta aineistosta. (Engeström 1984,<br />
29)<br />
Esijärjestin antaa oppijalle mahdollisuuden palauttaa mieleen ja siirtää aiemmin<br />
opittu tieto uuden käsiteltävänä olevan tiedon osaksi. ”Alistaja” –teoria perustuu<br />
ajatukseen, että oppiminen helpottuu, mikäli oppilas kykenee löytämään uuteen tietoon<br />
liittyvät merkitykset. Jos uuden tiedon ja aiemmin opitun tiedon välille kyetään luomaan<br />
kytkentä, oppimiskokemus on oppilaan kannalta mielekkäämpi. Siitä puolestaan seuraa<br />
uuden tiedon oppiminen. Novakin (1998) mukaan ennakkojäsentäjien täytyy täyttää<br />
kaksi vaatimusta ollakseen tehokkaita: 1) Oppilaan erityinen ja relevantti olemassa<br />
oleva käsitteellinen ja propositionaalinen tieto täytyy tunnistaa ja 2) Uuden opittavan<br />
tiedon tarkoituksenmukainen organisointi ja järjestäminen on suunniteltava sellaisella<br />
tavalla, että se optimoi oppijan kyvyn liittää uutta tietoa käsitteisiin ja propositioihin,<br />
joita hänellä jo on.<br />
Ennen kuin uusi tieto voidaan esittää oppilaille tehokkaasti, täytyy oppilaiden<br />
aiemman tiedon pysyvyyttä ja selvyyttä lisätä (Joyce & Weil 1986, 72). Joyce ja Weil<br />
toteavat edelleen, että oppilaiden kognitiivisen rakenteen vahvistaminen tällä tavalla<br />
helpottaa uuden tiedon omaksumista ja mieleen palauttamista ja on yksi esijärjestin–<br />
periaatteen keskeisistä tavoitteista (Joyce & Weil 1986, 72). Esijärjestimet ovat<br />
ensisijaisia keinoja kognitiivisen rakenteen vahvistamiseksi ja uuden tiedon muistissa<br />
säilyttämisen parantamiseksi (Joyce & Weil 1986, 75). Ennakkojäsentäjäperiaatetta<br />
pidetään lähinnä opetusstrategiana ei varsinaisena opetuksellisena työtapana (Novak<br />
1998, Sahlberg 1987).<br />
3.4.3 Esijärjestimet opetuksessa<br />
Esijärjestimen laatiminen on ensisijaisesti opettajan tehtävä eikä niiden laatimista<br />
tavallisesti suositella annettavaksi oppilaiden tehtäväksi osaksi heidän omaa<br />
oppimistaan. Opettajan tehtävä esijärjestintä käytettäessä on hyvin tärkeä. Hänen tulee<br />
valita sopiva esijärjestin, jäsennellä opetettava aines mielekkäästi ja loogisesti,<br />
pohdittava uuden ja aikaisemmin opitun välisiä yhtäläisyyksiä, eroavaisuuksia ja<br />
ristiriitaisuuksia. Opettajan on myös esitettävä asia oppilaan omaksumiskyvylle<br />
sopivassa muodossa niin, että oppilaan kokemukset ja aikaisemmat tiedot otetaan<br />
huomioon.<br />
Lavonen ja muut ovat esittäneet esijärjestimien opetuskäytöstä nelivaiheisen<br />
mallin, jossa ensimmäiseksi esijärjestimen laatimisvaiheessa opettaja etsii yksin tai<br />
yhdessä oppilaiden kanssa oppiaineksesta ylä-, väli- ja alatason käsitteet oppiaineen<br />
tietorakenteen pohjalta tarkastelemalla samalla niiden välisiä yhteyksiä (Lavonen & al.<br />
2001b). Esijärjestimien opetuksellinen käyttö jaetaan kuitenkin yleensä kolmeen<br />
vaiheeseen. Ensimmäinen vaihe on esijärjestimen esittäminen, toisena vaiheena on<br />
varsinainen oppimistilanne ja kolmannen vaiheen muodostaa oppilaan tietorakenteen<br />
vahvistaminen.<br />
Ensimmäisessä vaiheessa, jossa esijärjestin esitellään, selvitetään oppitunnin<br />
tavoitteet sekä pyritään kohottamaan oppilaiden tietoisuutta merkityksellisestä tiedosta.<br />
Oppilaat yritetään saada kiinnostumaan käsiteltävästä asiasta ja ajatukset pyritään<br />
suuntaamaan keskeisiin käsitteisiin. Esijärjestimen avulla oppilaille esitellään<br />
käsiteltävän aiheen pääkäsitteet ja niiden keskinäiset riippuvuudet ennen varsinaisen<br />
opetuksen aloittamista pyrkien samalla suuntaamaan oppilaiden ajatukset näihin<br />
pääkäsitteisiin, jolloin myös voidaan herätellä olemassa olevia tietoja uuden tiedon<br />
ankkuroitumiskohdiksi (Lavonen & al. 2001b).<br />
Toisessa vaiheessa esitetään opetettava aihe, jolloin opetettava asia on niin<br />
jäsennelty, että siitä näkyy asioiden eteneminen ja uusien käsitteiden liittyminen<br />
20
toisiinsa ja oppilaalle tuttuihin käsitteisiin. Tätä tehostamaan esijärjestin voidaan ottaa<br />
opetuksen aikana esille aina tarvittaessa, jolloin oppilaille voidaan näyttää, missä<br />
vaiheessa milloinkin ollaan käsiteltäessä isompaa käsitekokonaisuutta (Lavonen & al.<br />
2001b). Opetusmenetelmänä voi olla opettajan esitys, keskustelu, opetuselokuva, jokin<br />
kokeellisuuden työtapa tai oppilaiden itsenäinen lukeminen. Joyce’n ja Weil’n mukaan<br />
tähän vaiheeseen liittyy kaksi tärkeää toimintoa: oppilaiden mielenkiintoa on pidettävä<br />
jatkuvasti yllä ja oppiaineksen loogisesta rakenteesta on tehtävä oppilaille ”näkyvä”,<br />
jotta heillä olisi koko ajan yleiskuva opetuksen etenemisen suunnasta ja siitä miten<br />
käsiteltävät asiat liittyvät toisiinsa (Joyce & Weil 1986, 81).<br />
Kolmannessa vaiheessa vahvistetaan kognitiivista rakennetta. Uusi tieto<br />
ankkuroidaan oppilaiden tietorakenteisiin mahdollisimman pysyvästi. Oppilaat voivat<br />
esittää tässä vaiheessa yhteenvedon uuden asian tärkeimmistä ominaisuuksista sekä<br />
kuvata käsitteiden oleellisia eroja. Mielekkään oppimisen teorian mukaan on tärkeää<br />
korostaa aktiivisen vastaanottamisen osuutta oppimisessa. Oppilaat voivat kuvitella<br />
sellaisia tapauksia, joissa uusi asia liittyy jotenkin aiemmin opittuun. He voivat esittää<br />
lisäesimerkkejä tai selittää uuden asian omin sanoin. Opetuksen tässä vaiheessa opettaja<br />
myös selvittää oppilaille epäselviksi jääneet asiat ja käsittelee ne uudestaan. Joyce ja<br />
Weil (1986, 25) ovat esittäneet, että kolmannessa vaiheessa lisäksi testataan<br />
oppiaineksen suhdetta olemassa oleviin ideoihin aktiivisen oppimisprosessin esiin<br />
nostamiseksi.<br />
Advance organizer –periaate voidaan Joyce’n ja Weil’n (1986, 88) tavoin esittää<br />
tiivistettynä seuraavasti:<br />
Vaihe 1:<br />
Esijärjestimen esittäminen<br />
Selvitä oppitunnin tavoitteet.<br />
Esitä esijärjestin:<br />
Tunnista määrittelevät ominaisuudet.<br />
Anna esimerkkejä.<br />
Huolehdi (Tue) asiayhteydestä.<br />
Toista.<br />
Kannusta oppilaita muistelemaan omia asiaan liittyviä tietojaan ja kokemuksiaan.<br />
Vaihe 2:<br />
Oppiaineksen esittäminen/oppiminen<br />
Esitä oppiaines.<br />
Ylläpidä mielenkiintoa.<br />
Tee rakenteesta näkyvä.<br />
Tee oppiaineksen loogisesta järjestyksestä näkyvä.<br />
Vaihe 3:<br />
Tietorakenteen vahvistaminen<br />
Käytä integratiivisen yhteensovittamisen periaatteita.<br />
Tue aktiivista vastaanottavaa oppimista.<br />
Korosta kriittistä suhtautumista oppiainekseen.<br />
Selvennä.<br />
21<br />
Ennakkojäsentäjien vaikutus perustuu Engeströmin (1984, 30) mukaan seuraaviin<br />
seikkoihin: 1) Ennakkojäsentäjät aktivoivat jo omaksutut yläkäsitteet eli alistajat<br />
oppilaan kognitiivisessa rakenteessa, 2) Ennakkojäsentäjät luovat ankkurointipisteitä
uudelle tiedolle ja 3) Ennakkojäsentäjät tekevät tarpeettomaksi suuren osan<br />
mekaanisesta mieleen painamisesta.<br />
3.4.4 Esijärjestimien muodostamisen ja kehittämisen näkökohtia<br />
Tämä kappale perustuu Langan-Fox’in ym. (2000) artikkeliin, joka käsittelee lineaarisia<br />
ja graa<strong>fi</strong>sia esijärjestimiä.<br />
Esijärjestimien oppimiseen vaikuttavien tekijöiden lisäksi on kirjallisuudessa<br />
käyty keskustelua myös niiden muodostamisesta ja kehittämisestä. Clark ja Bean (1982)<br />
ovat todenneet, että sen parinkymmenen vuoden aikana, jona esijärjestinvaikutuksia on<br />
tutkittu, ei esijärjestimien käytölle ole esitetty kovinkaan paljon varsinaista empiiristä<br />
tukea. Syyksi he näkevät pääasiassa määritelmien ja objektiivisten kuvausten<br />
puuttumisen sekä niiden konstruoimiseen ja kehittämiseen liittyvän heikon ohjauksen.<br />
Ausubel’in esittämiä esijärjestimien määritelmiä on pidetty vaikeina operationalisoida,<br />
ja sen lisäksi on ollut epävarmaa miten niitä on konstruoitu. Clark ja Bean (1982) ovat<br />
huomauttaneet, että alkuperäiset määritelmät selittävät käsitteellisesti mitä esijärjestimet<br />
’tekevät’, mutta määritelmät eivät tarkenna täsmällisesti miten niitä pitäisi konstruoida –<br />
”use…appropriately relevant and inclusive introductory materials” (Ausubel 1968,<br />
148).<br />
Clark’in ja Bean’in tutkimusten jälkeen on edelleen valinnut ’sekava’ tilanne.<br />
Esijärjestintutkimusten kyseenalaisiin tutkimustuloksiin voidaan pitää syynä yhä<br />
edelleen, ainakin osaksi, eri tutkijoiden vaihtelevia esijärjestinmääritelmiä ja niiden<br />
epäjohdonmukaisia konstruoimistapoja (Corkhill 1992; McEneany 1990). Esijärjestintutkimukseen<br />
onkin pitkään kaivattu yleisesti hyväksyttyä tunnusmerkistöä<br />
esijärjestimen määritelmän perustaksi. Silloin olisi mahdollista vertailla rinnakkaisten<br />
tutkimusten tuloksista tehtyjä johtopäätöksiä. Muutamat tutkijat ovatkin esittäneet<br />
määritelmiään ’järjestyksen’ aikaan saamiseksi esijärjestintutkimuksen rintamalle.<br />
Mayer ja Bromage (1980) määrittelevät esijärjestimen virikkeeksi (yleensä<br />
suorasanainen tekstikappale), joka (a) esitetään ennen varsinaisen asian<br />
yksityiskohtaista opettamista, (b) sisältää tulevan tiedon loogisen organisoinnin<br />
käsittävän systeemin yhdenmukaiseksi rakenteeksi.<br />
Corkhill (1992) toisti kirjallisuudessa esiintyneen näkemyksen, että esijärjestin<br />
tulee esittää ennen varsinaista opetettavaksi aiottua materiaalia. Hän kehitteli eteenpäin<br />
Mayer’in määritelmää toteamalla, että esijärjestin pitää (a) kirjoittaa omana<br />
kappaleenaan tekstimuotoon, (b) kirjoittaa konkreettisuutta korostavalla tavalla, ja (c)<br />
sisällään esimerkin, joka rohkaisee lukijaa huomaamaan yhteneväisyydet<br />
esijärjestimessä esitettyjen ajatusten ja opittavaksi aiotun materiaalin ajatusten välillä.<br />
Edellä esitettyjen muutamien tutkijoiden kehittelemiä määritelmiä on kuitenkin<br />
joissain tapauksissa pidetty ristiriitaisina. Esimerkiksi Ausubel (1968) määritteli<br />
esijärjestimet ainoastaan ja vain tekstiä sisältäviksi kappaleiksi, kun taas jotkut muut<br />
tutkijat ovat ottaneet määritelmiinsä mukaan myös diagrammit ja erilaisia graa<strong>fi</strong>sia<br />
esityksiä sisältävät kuviot. Åhlberg (1990, 2-5) esittelee kirjassaan sekä Jones’in ym.<br />
graa<strong>fi</strong>sen taksonomian, joka sisältää yhdeksän (9) erilaista graa<strong>fi</strong>sta muotoa että Fry’n<br />
esittämän kuuden (6) erilaisen graa<strong>fi</strong>sen tekniikan taksonomian, joka sisältää lisäksi<br />
useita päämuotojen alatyyppejä. Kaikkia näitä voisi periaatteessa käyttää<br />
esijärjestinmuotona. Koska selkeää operationaalista esijärjestimen määritelmää ei ole<br />
ollut (McEneany 1990), on ollut vaikeaa kuvailla sitä mikä tekee niistä ”tehokkaita”.<br />
Niinpä onkin ollut suuri tarve kehittää esijärjestimien piirteitä kuvaileva taksonomia,<br />
jotta voitaisiin saavuttaa edes jonkinlainen yksimielisyyden aste esijärjestimiä apunaan<br />
käyttävän opetuksen vaikuttavuudesta oppimiseen.<br />
22
Åhlbergin esittelemät graa<strong>fi</strong>sten tekniikoiden taksonomiat eivät kuitenkaan tarjoa<br />
riittävän yksinkertaista luokittelua, joka tarjoaisi selkeän ja havainnollisen kuvauksen<br />
tämän tutkielman empiirisen osan perustaksi. Tähän tarkoitukseen kirjallisuudesta<br />
löytyy luonnehdinnat kahdesta yleismuotoisesta esijärjestimestä: lineaarisista<br />
esijärjestimista ja graa<strong>fi</strong>sista esijärjestimistä (Robinson ja Kiewra 1995), joilla<br />
molemmilla on myös alamuotonsa.<br />
3.5 Esijärjestimien tyypit<br />
3.5.1 Esittävät esijärjestimet<br />
Toisen ryhmän Ausubel’in luonnehtimista esijärjestintyypeistä muodostavat esittävät<br />
esijärjestimet (expository organizers). Esittävää esijärjestintä käytetään, kun oppiaines<br />
on kokonaan oppilaille uutta tai kun on tarpeellista esittää oppilaille keskeinen<br />
opetuksen edellytyksenä oleva tieto (alistajat, yläkäsitteet). Tällaiset yläkäsitteet antavat<br />
parhaat mahdolliset ankkurointikohdat oppilaille tutussa muodossa. Uuden aineksen<br />
tärkeimmät ideat ja yläkäsitteet esitetään pelkistettyinä ja tutuin termein selitettyinä.<br />
Esittävät esijärjestimet tarjoavat luokkasuhteiden perusmallin yleisenä ’alistajana’<br />
uudelle luokalle, alaluokalle ja lajeille ennen kuin rajatumpia ’alistajia’ annetaan tietylle<br />
alaluokalle tai lajeille (Joyce & Weil 1986, 78).<br />
Esittävää esijärjestintä Ausubel (1960) käytti testissä, jossa hän antoi toiselle<br />
opiskelijaryhmälle ensin luettavaksi 500 sanan pituisen aiheen keskeisimmät käsitteet<br />
sisältävän tekstikappaleen. Toiselle, vertailuryhmälle, annettiin 500 sanan pituinen<br />
aihetta käsittelevä historiallinen tekstikappale. Näiden jälkeen molemmille<br />
opiskelijaryhmille annettiin 2500 sanaa sisältävä, opiskelijoille tuntemattomaksi<br />
oletettu, metallurgiaa käsittelevä teksti. Kokeessa esijärjestinryhmä menestyi paremmin,<br />
koska he pystyivät toisen ryhmän opiskelijoita selkeämmin sitomaan varsinaisessa<br />
tekstissä olleen tiedon esijärjestimessä esitettyihin tietorakenteisiin, jotka näin tarjosivat<br />
sopivia tiedon ankkurointikohtia.<br />
Esimerkiksi ennen kuin esitellään mekaanisen energian tiettyjä lajeja, vaikkapa<br />
potentiaalienergiaa ja kineettistä energiaa, voisi esittävän esijärjestimen laatia käsitteen<br />
mekaaninen energia varaan kuvailemalla mitä se on, miten se toimii ja esittämällä useita<br />
esimerkkejä mekaanisesta energiasta. Esittävät esijärjestimet ovat erityisen hyödyllisiä,<br />
koska ne tarjoavat sopivia rakenteita tuntematonta oppiainesta varten (Joyce & Weil<br />
1986, 78).<br />
3.5.2 Vertailevat esijärjestimet<br />
Vertailevat esijärjestimet (comparative organizers) muodostavat toisen ryhmän<br />
Ausubel’in luonnehtimista tyypeistä. Hänen mukaansa vertaileva esijärjestin on tapa<br />
korostaa ideoiden (käsitteiden) eroavaisuuksia, toisin sanoen antaa oppilaalle<br />
mahdollisuus huomata toisiaan lähellä olevien käsitteiden erot. Samalla oppilaalla on<br />
tilaisuus havaita aiheen käsittelyyn liittyvien asioiden samankaltaisuudet.<br />
Vertailevaa esijärjestintä taas käytetään, kun oppilailla on uuden aineksen<br />
omaksumisen kannalta jo selkeitä pohjatietoja. Esijärjestimessä vertaillaan aiemman<br />
pohjatiedon ja uuden tiedon keskeisiä yläkäsitteitä. (Engeström 1984, 29)<br />
Joyce ja Weil toteavat, että enimmäkseen vertailevia esijärjestimiä käytetään<br />
oppilaille suhteellisen tuttujen oppiainesten omaksumisen helpottamiseksi (Joyce &<br />
Weil 1986, 78). He jatkavat edelleen sanomalla, että ne on suunniteltu integroimaan<br />
uusia käsitteitä oppilaan kognitiivisessa rakenteessa jo olemassa oleviin perusteiltaan<br />
vastaaviin käsitteisiin ja että ne on myös suunniteltu tekemään ero uusien ja vanhojen<br />
23
käsitteiden välille tarkoituksenaan estää niiden samankaltaisuudesta aiheutuvaa<br />
sekaannusta (Joyce & Weil 1986, 78).<br />
Vertailevan esijärjestimen vaikutusta oppimiseen Ausubel ja Fitzgerald (1961)<br />
testasivat käyttämällä kolmea opiskelijaryhmää antamalla kullekin testiryhmälle<br />
luettavaksi buddhalaisuutta käsittelevän tekstikappaleen. Muutamaa päivää ennen<br />
varsinaista testiä jokainen ryhmä sai luettavakseen ’tiivistelmän’ aiheesta. Yhden<br />
ryhmän tiivistelmä oli laadittu vertailevan esijärjestimen periaatteen mukaisesti niin,<br />
että siinä tuotiin esille buddhalaisuuden ja kristinuskon oppien eroavaisuudet. Toiselle<br />
testiryhmälle oli laadittu tiivistelmä esittävän esijärjestimen periaatetta noudattaen niin,<br />
että se esitteli buddhalaisuuden keskeiset opinkappaleet abstraktilla tasolla viittaamatta<br />
millään tavalla kristinuskoon. Kolmannen ryhmän tiivistelmä oli historiallinen johdanto<br />
ilman käsitteellistä organisointia. Vertailevaa esijärjestintä käyttänyt ryhmä menestyi<br />
muistissa säilyttämistä testanneessa monivalintakokeessa kahta muuta ryhmää<br />
merkitsevästi paremmin.<br />
Esimerkiksi ennen varsinaista jäykän kappaleen dynamiikan tarkastelua<br />
vertailevana esijärjestimenä voidaan käyttää massapisteen liikettä, josta oppilailla on<br />
(pitäisi olla) tässä vaiheessa jo riittävä määrä jäsentynyttä esitietoa. Esijärjestimen<br />
tarkoitus on integroida uutena asiana jäykän kappaleen dynamiikka perusteiltaan<br />
samankaltaiseen massapisteen liikettä koskevaan tietoon, joka on opittu (pitäisi olla<br />
opittu) jo aikaisemmin.<br />
3.6 Langan-Fox’in, Waycott’in ja Albert’in esittelemä esijärjestintaksonomia<br />
Ausubel’in käyttämä tyyppijako esittäviin ja vertaileviin soveltuu hyvin pelkkiin<br />
tekstimuotoisiin esijärjestimiin. Fysikaalisen tiedon esittämiseen Ausubel’in jaon<br />
täydentäjänä tai lisänä sopinee toisenlainenkin jako. Sellaisen tarjoaa Langan-Fox’in,<br />
Waycott’in ja Albert’in (2000) artikkelissaan esittelemä esijärjestimien jako lineaarisiin<br />
ja graa<strong>fi</strong>siin muotoihin, joista edellisiin kuuluvat tekstimuotoiset ja jäsentelymuotoiset<br />
sekä jälkimmäisiin rakenteiset yleiskatsaukset, käsitekartat, tietokartat, tietoverkot,<br />
matriisit ja käsitteelliset mallit. Langan-Foxin ja muiden taksonomiaa (kuva 3)<br />
täydentämään mukaan otettiin myös kaaviot ja kuvat, joista varsinkin kaaviot<br />
soveltunevat hyvin fysiikan periaatteiden keskeisten ajatusten esittämiseen. Edellä<br />
mainitun taksonomian mukaisiin järjestimiin voitaneen helposti soveltaa Ausubel’in<br />
tyyppijakoa esittävä - vertaileva.<br />
24
25<br />
Esijärjestimet<br />
Lineaariset<br />
Graa<strong>fi</strong>set<br />
Teksti<br />
(+kuv(i)a)<br />
Luettelo/<br />
Jäsentely<br />
Käsitekartta<br />
Verkko<br />
Rakenteinen<br />
yleiskatsaus<br />
Tietokartta<br />
Langan-Fox ym.<br />
Käsitteellinen<br />
malli<br />
Kuva<br />
+ kuvateksti<br />
Matriisi<br />
Kaavio<br />
Kuva 3. Esijärjestimet graa<strong>fi</strong>sen rakenteisen yleiskatsausmuotoisen esijärjestimen<br />
avulla esitettynä (kaavio ja kuva omia lisäyksiä).<br />
3.6.1 Lineaariset esijärjestimet<br />
Perinteinen teksti esittää jatkuvaa lineaarista tietovuota. Laajassa tekstiaineistossa<br />
esitetyt asiat voidaan organisoida hierarkkisesti erilaisten merkityssuhteiden mukaan<br />
(Anderson 1995). Muisti on herkkä tekstimuotoisessa materiaalissa ilmenevälle tekstin<br />
hierarkkiselle rakenteelle (Anderson 1995) ja muistaminen pyrkii lisääntymään ihmisen<br />
yrittäessä seurata tätä rakennetta (Anderson 1995). Lukijoiden ajatellaan prosessoivan<br />
tekstiä asia kerrallaan yrittäen liittää uudet tai alemman tason asiat tärkeimpien ja<br />
tuoreimpien asioiden ”johtoajatuksiin” (Kintsch ja van-Dijk 1978). Ihmisellä on<br />
kuitenkin rajallinen prosessointikyky, mutta mitä kauemmin asia pidetään aktiivisena<br />
sitä voimakkaammin se vaikuttaa pitkäkestoiseen mieleen painamiseen ja suurempaan<br />
mieleen palautumisen todennäköisyyteen. Koska muistissa aktiivisena säilyvän tiedon<br />
määrälle on olemassa raja, yksilö joutuu valitsemaan mitä kannattaa pitää aktiivisena.<br />
Kaikkein viimeisimmät prosessoidut asiat ja ne, jotka ovat keskeisimpiä (esim. tosiasiat,<br />
yleiset merkitykset) tekstissä, muistetaan paremmin (Anderson 1995).<br />
3.6.1.1 Teksti (+kuv(i)a)<br />
Ausubel’in (1960) kehittämät ja tutkimuksissaan käyttämät esijärjestimet olivat<br />
muodoltaan yksinomaan tekstiä sisältäviä kappaleita. Hänen mukaansa esijärjestimet<br />
eroavat yhteenvedoista, jotka ovat tyypillisiä useimmille kirjoille. Yhteenvedoissa<br />
käytetään käsitteitä Ausubel’in mukaan samalla yleisyyden ja abstraktisuuden tasolla<br />
kuin mitä varsinaisessa tekstissä olevat ajatukset on esitetty. Yhteenvedot muodostetaan<br />
pelkästään poistamalla vähemmän tärkeä informaatio ja niiden vaikutus perustuu
toistoon sekä keskeisten käsitteiden valikointiin. Ausubel suositteli käyttämään<br />
abstrakteja esijärjestimiä, jotka on ”esitetty korkealla abstraktisuuden, yleisyyden ja<br />
kattavuuden tasolla” (1968, 148). Myös Corkhill (1992) kannattaa tekstikappaleen<br />
käyttöä oikean muotoisena esijärjestimenä.<br />
Corkhill (1992) ja Mayer (1979) korostavat kuitenkin, että esijärjestimen tulee<br />
olla konkreettinen eikä abstrakti. Heidän mielestään toimivan esijärjestimen täytyy<br />
sisältää oppijalle entuudestaan tuttuja asioita, jotta se tarjoaisi lukijalle sopivia tiedon<br />
ankkurointikohtia. Konkreettisuus voitaisiin saavuttaa käyttämällä esijärjestimessä<br />
esimerkkejä tai analogioita (Corkhill 1992).<br />
Mayer (1987) ja Corkhill (1992) ovat esittäneet, että konkreettisella<br />
esijärjestimellä on mahdollista tarjota yhtä lailla tarkoituksenmukaisia esitietoja kuin<br />
todeta ja selventää lukijan jo hallitseman tiedon sekä varsinaisessa tekstissä<br />
vastaantulevan tiedon suhdetta. Sfu (1986) on varoittanut myös siitä, että mikäli<br />
esijärjestimen abstraktiotaso on oppijan käsityskyvyn yläpuolella, esijärjestin saattaa<br />
ennemminkin haitata kuin helpottaa tiedon integrointia.<br />
3.6.1.2 Luettelo/Jäsentely<br />
Toinen lineaaristen esijärjestinten muoto on jäsennys, joka tarkoittaa käsitteiden<br />
järjestelmällistä listaamista tai luettelointia. Käsitteet esitetään alakäsitteineen ja niitä<br />
kuvailevine ominaisuuksineen (Robinson ja Kiewra 1995). Joskus jäsentelymuotoinen<br />
esijärjestin voi olla myös pelkkä allekkainen luettelo eri tasoille kuuluvia alakäsitteitä<br />
ilman minkäänlaista viittausta niitä kuvaileviin ominaisuuksiin. Jäsentelyt ovat<br />
hyödyllisiä apuvälineitä, koska ne sisältävät ainoastaan tärkeimmän tekstitiedon ja<br />
koska ne ilmaisevat käsitteiden hierarkkiset suhteet (Larkin ja Simon 1987).<br />
Esimerkkinä jäsentelymuotoisesta esijärjestimestä käy vaikka kirjan sisällysluettelo.<br />
Vaikka jäsentelyt välittävät hierarkkiset, käsitteiden alisteiset ja sisäiset suhteet,<br />
niiden lineaarisesta esitystavasta saattaa olla seurauksena tärkeiden rinnasteisten,<br />
käsitteiden välisten suhteiden, jääminen pimentoon. Tämän ongelman välttämiseksi on<br />
käyttöön otettu graa<strong>fi</strong>set esijärjestimet.<br />
3.6.2 Graa<strong>fi</strong>set esijärjestimet<br />
Graa<strong>fi</strong>silla esijärjestimillä on selvä esikuva Ausubel’in esittämissä esijärjestimissä. Ne<br />
poikkeavat kuitenkin esikuviensa lineaarisesta tyylistä käyttämällä avaruudellista,<br />
visuaalista rakennetta käsitteiden välisten suhteiden havainnollistamiseksi. Graa<strong>fi</strong>set<br />
esijärjestimet hyödyntävät ihmisen näköhavaintoon perustuvaa avaruuskuvioiden<br />
hahmottamisen erityiskykyä (Schnotz 1993). Graa<strong>fi</strong>sten kuvioiden hahmottaminen<br />
ylittää pelkän havainnon analysoinnin.<br />
Jotkin graa<strong>fi</strong>set esitystavat välittävät hierarkkisen tiedon Ausubel’in<br />
esijärjestinmääritelmän mukaisella tavalla, missä alemman tason käsite ”alistetaan”<br />
laajemman ja kattavamman ylemmän tason käsitteen alle. Muun muassa Besissner,<br />
Jonassen, Grabowski (1993) sekä Robinson ja Kiewra (1995) ovat kuvanneet<br />
hierarkkisista rakenteista monia erilaisia visuaalisia muotoja.<br />
3.6.2.1 Rakenteinen yleiskatsaus<br />
Rakenteinen yleiskatsaus muistuttaa muodoltaan ehkä eniten sitä, millaisena Ausubel<br />
itse näki yksilön kognitiivisen rakenteen. Hierarkkisessa rakenteessa ylimpänä on<br />
kaikkien tärkein, laaja-alaisin ja kattavin käsite. Sen alla on seuraavan tason alakäsitteet<br />
ja näiden alapuolella edelleen seuraavan, alemman tason käsitteet päätyen lopulta<br />
alimman tason käsitteisiin (esim. Besissner ym. 1993; Robinson ja Kiewra 1995).<br />
26
Termien väliset hierarkkiset suhteet tuodaan esiin nimeämättömien linkkiviivojen<br />
avulla. Rakenteisia yleiskatsauksia on myös verrattu skeemoihin ja puukaavioihin<br />
(esim. Robinson ja Kiewra 1995).<br />
3.6.2.2 Käsitekartta/tietokartta/tietoverkko<br />
Käsitekartat (esim Novak ja Gowin 1993; Väisänen 1999; Åhlberg 1990), tietokartat<br />
(esim. Besissner ym. 1993) ja tietoverkot (esim. Rewey ym. 1992) esittävät rakenteisten<br />
yleiskatsausten tavoin opittavaksi aiotusta aiheesta avainkäsitteet ja muut keskeiset<br />
käsitteet, joita kuvaavat käsitenimet on usein kirjoitettu ympyröiden tai suorakaiteiden<br />
sisälle. Käsitteiden välisiä suhteita esitetään linkkisanoilla tai nimetyillä linkkiviivoilla.<br />
Alverman (1981) on havainnut, että tietokartoilla on kompensoiva vaikutus<br />
oppimiseen käytettäessä kuvailevaa tekstiä. Rewey ym. (1992) ovat todenneet<br />
tietokarttojen tukevan pääajatusten tai keskeisten asioiden oppimista, mutta ei<br />
yksityiskohtaisten asioiden oppimista.<br />
3.6.2.3 Matriisi<br />
Matriisi on toisenlainen hierarkkinen graa<strong>fi</strong>nen menetelmä, joka käyttää rivi- ja<br />
sarakejärjestelyä havainnollistamaan käsitteiden ja alakäsitteiden välisiä suhteita sekä<br />
käsitteiden ominaisuuksia.<br />
Vaikka matriisin esittämä hierarkkinen informaatio onkin sisältö- tai<br />
tietorakenteen osa, se kykenee vain rajoitetusti kuvailemaan kyseistä rakennetta. Toisen<br />
tyyppiset graa<strong>fi</strong>set kuvaustyylit sen sijaan sallivat käsitteiden rinnasteisten ja alisteisten<br />
suhteiden laajemman ja monipuolisemman esittämisen.<br />
3.6.2.4 Käsitteellinen malli<br />
Käsitteellistä mallia voidaan pitää yhtenä komparatiivisten esijärjestimien lajina. Siinä<br />
esitetään sanoin ja/tai kaavioin systeemin keskeiset objektit ja systeemiin vaikuttavat<br />
tekijät sekä myös systeemiin kuuluvien eri tekijöiden keskinäiset vaikutussuhteet.<br />
Käsitteellisen mallin opetuskäytöllä pyritään (a) ohjaamaan oppilaita kiinnittämään<br />
huomiota oppitunnilla esitettävään käsitteelliseen tietoon, (b) organisoimaan tieto<br />
yhtenäisiksi selityksiksi (ts. muodostamaan tiedonpalasten välisiä sisäisiä kytkentöjä), ja<br />
(c) liittämään tieto jo olemassa olevaan merkitykselliseen tietoon (ts. muodostamaan<br />
ulkoisia kytkentöjä uuden ja aiemman tiedon välille).<br />
Käsitteellisten mallien hyödyntäminen oppimisen edistämiseksi tähtää ennen<br />
kaikkea ymmärtämisen lisäämiseen rakentamalla opiskeltavaa asiaa kuvaavia systeemin<br />
mentaalisia malleja.<br />
Mayer’in (1989) näkemyksen mukaan hyvän käsitteellisen mallin pitää olla<br />
tyhjentävä, yksinkertainen, johdonmukainen, konkreettinen, käsitteellinen, tarkka ja<br />
harkittu. Mainitsemiensa määritteiden pohjalta pitäisi Mayer’in mielestä kuitenkin saada<br />
aikaan käsitteellistä mallia kuvaava parempi operationaalinen määritelmä.<br />
Esimerkkinä käsitteellisen mallin käytöstä esijärjestimenä on Mayer (1987)<br />
esittänyt Ohm’in lain, jossa mallin keskeisinä käsitteinä ovat lähteen jännite, johtimen<br />
resistanssi ja lähteen synnyttämä ja ylläpitämä johtimessa kulkeva sähkövirta.<br />
3.6.2.5 Kaavio<br />
Kaaviota voidaan pitää yleisnimityksenä monille erilaisille, varsinkin graa<strong>fi</strong>sille tiedon<br />
esitysmuodoille mukaan lukien muun muassa edellä mainittu rakenteinen yleiskatsaus –<br />
muotoinen ilmaisutapa, jonka oleellinen piirre on esitettyjen käsitteiden hierarkkisuus.<br />
27
Koska Langan-Foxin ja muiden taksonomiassa hierarkkisuutta korostaville kaavioille<br />
on annettu nimi rakenteinen yleiskatsaus, katsottiin tarpeelliseksi luokitella fysiikalle<br />
ominaista prosessuaalisuutta ja/tai periaatteita korostavat kaaviot omaksi ryhmäkseen ja<br />
lisätä ne Langan-Foxin ja muiden taksonomiaan nimellä kaavio. Niitä voitaisiin kutsua<br />
myös prosessikaavioiksi, periaatekaavioiksi tai vaikka prosessuaalisiksi yleiskatsauksiksi.<br />
Tässä tutkielmassa ne esiintyvät yksinkertaisesti nimellä kaavio.<br />
Hyvän esimerkin kaavioista tarjoavat erilaiset energian muuntumista, siirtymistä<br />
ja säilymistä kuvaavat energiakaaviot. Niillä voidaan kuvata muun muassa mekaniikan<br />
energiaperiaatetta havainnollistamalla voiman tekemän työn tai voimaa vastaan tehdyn<br />
työn merkitystä kappaleen energianmuutoksessa (ks. esim. Galilei 3, s.40, 53, 66).<br />
3.6.2.6 Kuva +kuvateksti<br />
Vaikka kuva ei täytä niitä edellytyksiä, jotka Ausubel on asettanut esijärjestimelle, ja<br />
vaikka Langan-Fox ja muut eivät ole sisällyttäneet kuvaa taksonomiaansa, voidaan<br />
kuvaakin käyttää esijärjestimenä. Pelkkä kuva ei yksinään kuitenkaan riitä, vaan sen<br />
yhteydessä on selvästi ilmaistava ne keskeiset käsitteet, joista kuvalla on tarkoitus luoda<br />
alustavaa ja yleistä mielikuvaa käsiteltävästä aiheesta. Käsite tai käsitteet voidaan<br />
sijoittaa itse kuvaan tai ilmaista varsinaisessa kuvatekstissä. Kuva voi olla piirros tai<br />
valokuva. Siinä on oltava selkeästi erottuvia aineellisia olioita kuvaelementteinä, joita<br />
esimerkiksi kaavioissa ei ole.<br />
Joskus erottelu kuvamuotoisen ja jonkin muun muodon välillä voi olla vaikeaa.<br />
Galilei 3:ssa sivulla 9 oleva vuorovaikutusten luokittelu on tulkittu rakenteiseksi<br />
yleiskatsaus –muotoiseksi esijärjestimeksi eikä kuvamuotoiseksi, vaikka mukana onkin<br />
kuvaelementtejä. Siinä keskeistä on sanallinen luokittelu, jossa kuvaelementeillä<br />
konkretisoidaan kutakin luokkaa. Tämän tutkielman kirjatarkastelussa sellaiset kuvat,<br />
joihin liittyy pelkkä kuvallinen informaatio ilman minkäänlaista kuvatekstiä, ja kuvat,<br />
joiden kuvatekstissä ei ole selvästi ilmaistua kuvaan liittyvää käsitettä, on katsottu<br />
kuvaan viittaavaan tekstimuotoiseen esijärjestimeen kuuluviksi.<br />
3.8 Hyvälle esijärjestimelle asetettavat vaatimukset<br />
Hyvältä esijärjestimeltä edellytetään Ausubel’in mukaan ennen muuta:<br />
- abstraktisuutta ja yleisyyttä suhteessa opittavaan ainekseen,<br />
- sisällöllistä tiiviyttä ja kattavuutta,<br />
- selkeyttä ja yksikäsitteisyyttä,<br />
- kytkentää oppijan aikaisempiin tietorakenteisiin, jo omaksuttuihin ankkuroiviin<br />
ideoihin eli alistajiin. (Engeström 1984, 30)<br />
Strickland’in (1997) mielestä oleellista on, että esijärjestin on lyhyt, ennen<br />
varsinaiseen opiskeltavaan materiaaliin perehtymistä esitetty, opettajan valmistelema<br />
yleiskäsitteinen oppituntiin johdattelu. Strickland listaa hyvän esijärjestimen piirteet<br />
seitsemään kohtaan:<br />
28<br />
1. Se on lyhyt, abstrakti ja suorasanainen.<br />
2. Se on silta, joka toimii yhdyssiteenä tuntemattoman ja tunnetun<br />
samankaltaisuuksien välillä.<br />
3. Sitä käytetään johdatteluna uuteen opiskeltavaan aiheeseen.<br />
4. Se on uuden tiedon abstrakti yleiskuvaus ja jo opitun tiedon uudelleenilmaus.<br />
5. Se auttaa uuden tiedon rakentamisessa.
29<br />
6. Se rohkaisee oppilaita siirtämään ja soveltamaan aiemmin opittua tietoa.<br />
7. Se koostuu konkreettisesta, ymmärrettävästä tiedosta.<br />
Jotta esijärjestin toimisi menestyksekkäästi, on Joyce’n ja Weil’in (2000, 252)<br />
mielestä ratkaisevaa olemassa olevien kognitiivisten rakenteiden toimiminen<br />
tarkoituksenmukaisina ankkureina niin, että uudet esitellyt ajatukset voidaan<br />
hyödyllisesti oppia ja pitää mielessä ainoastaan siinä laajuudessa, jossa ne voidaan<br />
kytkeä jo käytettävissä oleviin käsitteisiin.<br />
Joyce ja Weil asettavat hyvälle esijärjestimelle kaksi vaatimusta: ensiksikin,<br />
esijärjestin täytyy muodostaa niin, että oppilas kykenee hahmottamaan sen avulla<br />
varsinaisesta oppiaineksesta erottuvan, laaja-alaisemman ajatuksen tai periaatteen, ja<br />
toiseksi, esijärjestimen tyypistä (muodosta) riippumatta käsitteiden tai periaatteiden<br />
oleelliset piirteet on nostettava selkeästi esille ja selitettävä huolellisesti (Joyce & Weil<br />
1986, 80-81).<br />
Kurki-Suoniot (1998, 248) asettavat esijärjestimen toimivuuden edellytyksiksi<br />
yksinkertaisuuden, sen lyhyen ja selkeän esittelyn sekä siihen vetoamisen jatkuvasti<br />
opetuksen edetessä. He toteavat myös, että esijärjestimen avulla luotua yleistä<br />
mielikuvaa on vahvistettava ja eri yhteyksissä on osoitettava yksityiskohtaisesti, miten<br />
opetettavat asiat kytkeytyvät siihen.
30<br />
4 HAHMOTTAVA LÄHESTYMISTAPA<br />
Tämä luku perustuu kokonaisuudessaan jokseenkin sanatarkasti Kaarle ja Riitta Kurki-<br />
Suonion kirjoittamaan kirjaan Fysiikan merkitykset ja rakenteet. Luvun teksti koostuu<br />
miltei yksinomaan suorista lainauksista heidän kirjastaan. Tätä menettelyä olen yrittänyt<br />
perustella tutkielman johdannossa sivulla 5 viimeisessä kappaleessa. Koko luku voisi<br />
siis olla ”sitaateissa” ja lähdeviitteenä olisi edellä mainittu teos. Teen tässä kuitenkin<br />
niin, että mainitsen luvun jokaisen alakohdan osalta ne sivut tai alueet, joilta kyseessä<br />
olevaan alakohtaan olen lainauksia poiminut.<br />
Kappale 4.1.1 (s. 141 – 143), kappale 4.1.2 (s. 143, 146, 148 - 151), kappale 4.1.3<br />
(s. 144 – 145, 152 – 153), kappale 4.1.4 (s.158 – 161, 163 – 164), kappale 4.1.5 (s. 169<br />
– 171, 173 – 174, 176 – 180), kappale 4.1.6 (s. 181 – 183, 186 – 187, 199), kappale<br />
4.2.1 (s. 264 – 266), kappale 4.2.2 (s. 266 – 270), kappale 4.2.3 (s. 271 – 274).<br />
4.1 Fysiikan käsitteenmuodostus ja käsiterakenne<br />
4.1.1 Empiria ja teoria<br />
Fysiikkaan tieteenä kuuluvat erottamattomasti empiria ja teoria. Empiria on tieteen<br />
kokeellisuutta: havaintoja, mittauksia, kokeita tai kokeellisia tutkimuksia. Teorian<br />
peruselementteinä ovat käsitteet – termit, suureet, lait ja teoriat. Termit voivat merkitä<br />
olioiksi, ilmiöiksi ja niiden ominaisuuksiksi luokiteltuja mielikuvia. Suureet kuvaavat<br />
mitattuja ominaisuuksia. Lait ovat suureiden välisiä relaatioita. Teoriat merkitsevät<br />
yhteen kuuluvien lakien muodostamia rakenteita. Fysiikka on empirian näkökulmasta<br />
tarkasteltuna luonnonilmiöiden kokeellista tutkimusta, teorian puolelta katsottuna<br />
fysiikka näyttäytyy matemaattisena struktuurina.<br />
Empiria ja teoria ovat erottamattomat: toinen saa merkityksen vain toisen kautta,<br />
kumpikin yksinään on merkityksetön – tieteen koko edistyminen perustuu niiden<br />
vuorovaikutukseen. Ongelmaksi on niin fysiikan tutkimuksessa kuin fysiikan<br />
opetuksessakin noussut kysymys empirian ja teorian suhteesta. Tähän maailmankuvan<br />
<strong>fi</strong>loso<strong>fi</strong>seen, dualistiseen, peruskysymykseen jokaisen tutkijan ja opettajan on otettava<br />
kantaa toteuttaessaan omaa työtään. Erottavan dualismin hengen mukaisesti fysiikan<br />
käsitteistö jakaantuu havaintotermeihin ja teoreettisiin termeihin, kokeellisiin ja<br />
teoreettisiin käsitteisiin.<br />
Yhdistävän dualismin hengessä työskentelevät katsovat, ettei fysiikassa ole<br />
mitään puhtaasti kokeellista eikä mitään puhtaasti teoreettista: ei ole kokeellisia ja<br />
teoreettisia termejä, vaan kaikki fysiikan käsitteet, termit, suureet, lait ja teoriat ovat<br />
perusolemukseltaan empiiris-teoreettisia. Empiria ja teoria tarvitsevat toisiaan, ne ovat<br />
jatkuvassa vuorovaikutuksessa keskenään edistäen fysikaalisen tiedon ja ymmärryksen<br />
täsmentyvää ja yleistyvää rakenteellisuutta. Jako kokeelliseen fysiikkaan ja teoreettiseen<br />
fysiikkaan jää kokonaan tarkoituksettomaksi ja merkityksettömäksi fysiikan<br />
käsitteenmuodostuksen kannalta.<br />
4.1.2 Merkitysten hahmottaminen käsitteiksi<br />
Yhdistävän dualismin hengen mukaisesti kaikkien fysikaalisten käsitteiden merkityksen<br />
luo prosessi, joka sulauttaa empirian ja teorian yhdeksi kokonaisuudeksi. Prosessi alkaa<br />
havainnosta ja suuntautuu kohti teoriaa, jonka perustan havainnot muodostavat.<br />
Luonnontieteissä kaikki käsitteenmuodostus on siksi pohjimmiltaan empiiristä. Jokaisen<br />
fysikaalisen käsitteen osalta tämä prosessi on päättymätön mistä seuraa, että käsitteet<br />
ovat avoimia, koska niiden merkitykset ovat jatkuvan kehityksen alaisia. Tällaisia<br />
käsitteitä, joilla on jatkuvalle empirialle rakentuva dynaamisesti kehittyvä teoreettinen
merkitys, kutsutaan hahmoiksi. Fysikaalinen käsite on hahmo, prosessi, jossa empiria ja<br />
teoria yhdistyvät yhdeksi, jatkuvasti kehittyväksi merkitykseksi yhdistävän dualismin<br />
perusnäkemyksen mukaisesti.<br />
Ymmärtämisen kannalta on välttämätöntä, että käsite kytketään empiriaan,<br />
havaintoon. Havaintojen avulla luodaan käsitteelle ensin merkitys, joka syntyy<br />
empiirisenä hahmona havainnosta ennen käsitettä. Käsite saa näin ymmärrettävän ja<br />
järkevän merkityksen, koska ilman havaintoon sitomista käyttöön otettu käsite olisi<br />
tyhjä ja turha. Käsitettä ei voi erottaa merkityksestään eikä merkitystä sitä luovasta<br />
prosessista. Näin hahmo samastuu sen luoneeseen ja sitä jatkuvasti luovaan<br />
hahmotusprosessiin. Ymmärtäminen on ensin ja se perustuu ilmiöiden empiiriseen<br />
hahmottamiseen. Käsitteet otetaan käyttöön tunnistettujen tai oivallettujen hahmojen<br />
abstrakteina vastineina esittämään jo ymmärrettyä, jonka täsmennettyä esittämistä<br />
edustaa teoria. Käsitteet voidaan siis ymmärtää vain sen synty- ja kehitysprosessin<br />
kautta, joka luo niille merkityksen. Tämä prosessi on fysiikan empiirisen<br />
käsitteenmuodostuksen perusta.<br />
Käsitteistä tulee kielen ja teorian elementtejä, edelleen hahmottamisen ja<br />
ymmärryksen syventämisen välineitä. Näin käsitteistäminen palvelee jatkuvasti<br />
yleistyvää rakenteellista hahmotusta, jossa uudet hahmot rakentuvat aikaisemmille.<br />
Oppiminen perustuu aikaisemmin opittuun, tutkimus ennen tutkittuun. Oppimisen<br />
voidaan rinnastaa tieteeseen fysiikan käsitteenmuodostusta tarkasteltaessa sen tähden,<br />
että tutkimus ja oppiminen ovat perusolemukseltaan sama tiedon luomisen prosessi.<br />
Tutkimus on tiedon yleistä luomista. Oppiminen on tiedon henkilökohtaista luomista.<br />
Yleisesti tunnetun tiedon voi omaksua vain luomalla sen itselleen.<br />
Hahmottaminen johtaa hierarkkisesti kerrostuvaan rakenteelliseen tietoon,<br />
kehittyvään ja täydentyvään kokonaiskuvaan, jossa uudet kerrokset rakentuvat<br />
aikaisempien varaan. Ylemmän kerroksen käsitteenmuodostus on alemman tason<br />
käsitteistön rakenteiden kertalukua laajamittaisempaa ja abstraktimpaa hahmotusta.<br />
Yleistyminen merkitsee aina samalla abstrahoitumista, etääntymistä suorasta<br />
havainnosta.<br />
Hahmottava käsitteenmuodostus etenee yhteen suuntaan – ilmiöstä teoriaan, mutta<br />
sen dynamiikka on fraktaalisesti kaksisuuntaista muodostuen vastakkaissuuntaisista<br />
esittämisen ja selittämisen prosesseista (kuva 4). Tämä kaksisuuntainen induktiodeduktio<br />
–sykli kuvaa valmiutta yhä uudelleen tarkistaa ja täsmentää ajattelua ja<br />
käsitteitä sekä empirian että teorian keinoin. Hahmottamista luonnehditaan havainnon ja<br />
mielikuvien vuorovaikutukseksi, jossa käsitteiden kehittymistä ohjaavat intuitiiviset<br />
mielikuvat. Kaikki syntyvät mielikuvat ovat kuitenkin havainnolle alistettuja, ja luova<br />
intuitio antaa käyttövoimaa tieteelliselle hahmotusprosessille.<br />
31
32<br />
Kuva 4. Hahmottamisen kaksisuuntainen dynamiikka (s. 149).<br />
Malli kuvaa luonnontieteellisen menetelmän loogista komponenttia. Siitä on nähtävissä<br />
tapa, jolla empiirisyys ja eksaktisuus kytkeytyvät yhteen metodiseksi kokonaisuudeksi.<br />
Se havainnollistaa kokeellisen ja teoreettisen tutkimuksen erottamattomuutta, niiden<br />
hedelmällistä yhteistyötä. Kokeellinen tutkimus tuottaa primaarista tietoa<br />
luonnonilmiöistä ja testaa ennusteita. Teoreettinen tutkimus etsii kokeellisen tiedon<br />
rakenteita, esittää niitä matemaattisin mallein ja pyrkii niiden perusteella johtamaan<br />
ennusteita.<br />
Jatkuva kiertoprosessi käyttää raaka-aineenaan havaintotietoa jalostaen sen<br />
käsitteiksi ja käsitteellisiksi rakenteiksi, suureiksi, laeiksi ja teorioiksi. Nämä alkavat<br />
hypoteeseina, johtavat deduktion kautta ennusteisiin, joita testataan kokeellisesti.<br />
Testikokeet joko hyväksyvät tai hylkäävät ennusteen. Ne voivat näin tukea hypoteesia<br />
tai kumota sen taikka vaatia sen tarkentamista. Uuden ja täydentävän kokeellisen<br />
aineiston perusteella tehdään induktiopäätelmiä, joilla voidaan korjata, täsmentää ja<br />
yleistää hypoteeseja ja niiden pohjalta vähitellen syntyvää käsiterakennetta sekä<br />
täydentää niitä uusilla hypoteeseilla, käsitteillä tai rakenteellisilla piirteillä. Nämä<br />
johtavat uusiin ennusteisiin, uusiin kiertoprosessin silmukoihin. Tällainen malli<br />
kuitenkin unohtaa käsitteenmuodostuksen perusluonteen hahmotusprosessina, jossa<br />
intuitiolla on keskeinen merkitys.<br />
Sama perusdynamiikka ilmenee käsitteenmuodostuksen kaikissa vaiheissa. Se on<br />
aina samalla tavalla luonnon ja ihmismielen, teorian ja empirian yhteen sulauttavaa<br />
vuorovaikutusta. Sen tähden tieteellinen hahmottamisprosessi, joka perustuu<br />
ihmismielen hahmottamiskykyyn, on perusolemukseltaan intuitiivinen - ei looginen.<br />
Fysikaalinen käsitteenmuodostus ei ole siksi missään vaiheessa sitovaa loogista<br />
päättelyä vaan intuitiivista hahmottamista. Sen omat sisäiset lait pyrkivät ohjaamaan sitä<br />
kohti loogis-rakenteellisia hahmokokonaisuuksia. Hahmottamisen kaksisuuntaisen<br />
dynamiikan mallin kuvaileman prosessin syklisyys esittää havainnollisesti tieteen
päättymättömyyttä, missä tulokset kytkeytyvät tieteeseen vasta käytyään läpi riittävän<br />
moninkertaisen kiertoprosessin.<br />
4.1.3 Tieteellinen ja teknologinen prosessi<br />
Tiedon luomisen prosessin käynnistää ja sitä ylläpitää kaksi perusmotiivia,<br />
ymmärtäminen ja hyöty. Kysymykset ”miksi” ja ”mitä hyötyä” jakavat prosessin<br />
kahteen haaraan, tieteelliseen ja teknologiseen prosessiin, kuva 5. Molemmat ovat yhtä<br />
hyvin tutkijan kuin oppilaankin kysymyksiä. Ne vaikuttavat aina ja kaikkialla<br />
tutkimuksessa ja opetuksessa, niiden historiassa, tavoitteenasettelussa ja toteutuksessa.<br />
Niistä ovat saaneet alkunsa ja niistä elävät tiede ja teknologia.<br />
33<br />
Kuva 5. Empiirisen tieteen perusprosessit (s. 145).<br />
Tieteellisen ja teknologisen prosessin osapuolina ovat luonto ja tieto tai empiria ja<br />
teoria, joten molemmilla on osansa empiirisen tieteen perusdualismissa ja niitä voidaan<br />
tarkastella perinteisen erottavan tai modernin yhdistävän dualismin pohjalta. Kumpikin<br />
on yhteen suuntaan etenevä prosessi, mutta kummankin eteneminen perustuu kahden<br />
vastakkaisen osaprosessin ylläpitämään fraktaalisesti kaksisuuntaiseen dynamiikkaan.<br />
Yhdessä ne muodostavat tiedon luomisen fraktaalisesti syklisen perusdynamiikan, jolla<br />
on tietty primaarinen kiertosuunta. Siksi koko prosessista tulee spiraalisesti etenevä.<br />
Tieteellinen prosessi suuntautuu luonnosta teoriaan. Se on empiirisen<br />
käsitteenmuodostuksen ydinprosessi, joka perustuu empiriaan, luonnon havaitsemiseen<br />
ja tutkimiseen, ja sen tavoitteena on luonnon ymmärtäminen, tietoisuus luonnon<br />
lainalaisuuksista, ilmiöiden syistä ja seurauksista, luonnon käsitteelliset mallit. Se on<br />
tiedon luomisen primaariprosessi, ”miten – miksi” –prosessi, jota ylläpitää<br />
primaarisuuntaisen esittämisen ja sekundaarisuuntaisen selittämisen välinen jännitys.<br />
Edellinen merkitsee empiiristen hahmojen tunnistamista ja käsitteistämistä,
jälkimmäinen niiden tulkitsemista teoreettisten mallien avulla. ”Miten – miksi” –<br />
prosessi on yhdistävän dualismin mukainen empirian galileinen perusoivallus ilmaisten<br />
samalla ymmärtämiseen johtavan tieteellisen prosessin luonteen empiriaan nojautuvana<br />
hahmotusprosessina.<br />
Tieteellisen käsitteen- ja teorianmuodostuksen prosessien avulla tiede on yltänyt<br />
moniin saavutuksiin, ilmiöalueita yhdistäviin käsitteellisiin perusoivalluksiin.<br />
Hahmotusprosessiin perustuvaa tieteen edistymistä kuvaa ”yhtyvien purojen malli”.<br />
Kuvan 6 kaavio esittää esimerkkinä fysiikan kehitystä klassisella kaudella. Siinä<br />
haarojen yhtymäkohdat vastaavat käsitteellisiä perusoivalluksia, joiden ansiosta<br />
aikaisemmin riippumattomina pidetyt osa-alueet kytkeytyvät yhteen yleisempien<br />
perusilmiöiden ja peruslakien eri ilmenemismuodoiksi.<br />
34<br />
Kuva 6. Tieteen saavutukset ovat yhdentäviä oivalluksia (s. 147).<br />
Fysiikan koko tietorakenne perustuu yhtenäistäviin oivalluksiin, yhä laajempien<br />
rakenteellisten hahmojen tunnistamiseen ja yhä yleisempien ja abstraktimpien<br />
käsitteiden luomiseen. Hahmottamalla luotu tieto on pysyvää. Samalla tavalla kerran<br />
hahmotetut vuorovaikutusten ja liikeilmiöiden väliset syy-yhteydet tai varauksen,<br />
sähkövirran, sähköisten ja magneettisten vaikutusten ja niiden välisten yhteyksien<br />
hahmot jäävät osaksi hahmottajan rakentuvaa maailmankuvaa ja muodostuvat sen<br />
edelleen rakentamisen aineksiksi.<br />
Fysiikka ei tarjoa lopullisia selityksiä vaan johtaa yhä yleisempien ja<br />
syvällisempien selitysten hierarkkiseen ketjuun. Toistamalla kysymystä ”miten” yhä<br />
uudelleen ja yhä yleisempänä saadaan vastauksia, jotka yhä enemmän näyttävät<br />
kertovan ”miksi”. Näin tieteellinen prosessi johtaa fysiikan tutkimuksessa ja<br />
oppimisessa asteittain kohti ympäristön ja sen ilmiöiden yhä laajenevaa ja syvenevää<br />
käsitteellistä hallintaa. Eteneminen sen primaarisuuntaan luo edellytyksiä ja voimistaa<br />
sekundaarisuuntaista selitysprosessia. Mitä vahvemmaksi teoria tulee käsitteenmuodostuksen<br />
tuloksena, sitä voimakkaammaksi muodostuu tässä prosessissa selittämisen<br />
suuntainen logiikka. Luonnon havainnoimisesta ja tutkimisesta lähtevä tieteellinen<br />
tiedon luomisen prosessi rakentaa ihmismieleen hierarkkista ja jäsentynyttä<br />
kokonaiskuvaa, maailmankuvaa!
Teknologinen prosessi suuntautuu teoriasta luontoon. Se perustuu tieteellisen<br />
prosessin luomaan käsitteelliseen tietoon, luonnonilmiöiden tunnettuihin lakeihin ja<br />
teoreettisiin malleihin. Se toimii vain, jos on tietoa, jota voidaan soveltaa. Teknologinen<br />
prosessi käyttää tieteellisen prosessin luomaa ajatonta, pysyvää ja rakenteellista tietoa<br />
luodakseen ajankohtaista, mutta nopeasti vanhenevaa detaljitietoa. Sitä hallitsee hyödyn<br />
ja tarpeen kaksisuuntainen logiikka. Sen vastakkaiset osaprosessit ovat primaarisuuntainen<br />
tiedon soveltaminen ja ympäristön asettamista tarpeista lähtevä<br />
sekundaarisuuntainen keksiminen ja kokeilu. Teknologian saavutukset ovat keksintöjä,<br />
uusia laitteita tai laiteideoita, ”hyödyllisiä” tuotteita ja menetelmiä. Hyödyn ja tarpeen<br />
tyydyttämiseen perustuva teknologinen prosessi muuttaa maailmaa, ei ihmismieleen<br />
hierarkkisesti jäsentynyttä maailmankuvaa.<br />
Tiede ja teknologia ovat aina sillä lailla erottamattomia, että tiede ruokkii<br />
teknologiaa luomalla käsitteellistä perustietoa, jonka avulla luonnonilmiöitä voidaan<br />
ymmärtää ja sen tähden myös käyttää hyväksi. Teknologinen prosessi kuitenkin<br />
kytkeytyy takaisin tieteelliseen prosessiin kahdellakin tavalla. Ensiksikään teknologista<br />
ympäristöä ei voi erottaa luonnosta. Teknologisen prosessin sivutuotteena on opittu<br />
tuntemaan, tuottamaan ja kontrolloimaan uusia ilmiöitä, jotka kuuluvat fysiikan<br />
tutkimaan luonnon pysyvään rakenteeseen. Toiseksi, kokeellisen tutkimuksen<br />
suunnittelu ja toteuttaminen johtavat aina ongelmiin, jotka kuuluvat luonteeltaan<br />
teknologisen prosessin piiriin samalla tavalla kuin muillakin elämän alueilla kohdatut<br />
käytännölliset ongelmat. Niiden ratkaiseminen on johtanut uusiin ja tarkempiin<br />
mittausmenetelmiin ja tehnyt siten mahdolliseksi yhä tarkemman kvantitatiivisen<br />
tutkimuksen ja kokonaan uudenlaiset kontrolloidut kokeet.<br />
Näin teknologia ruokkii tiedettä kehittämällä uusia ja parempia kokeellisen<br />
tutkimuksen menetelmiä ja paljastamalla tai luomalla siinä ohessa myös aikaisemmin<br />
kohtaamattomia ilmiöitä. Tieteellinen ja teknologinen prosessi kytkeytyvät fysiikassa<br />
erottamattomasti yhteen. Ne muodostavat silmukan, jolla on tietty kiertosuunta, kuvan 4<br />
mukaisesti. Sen määräävät näiden prosessien primaarisuunnat. Tämä syklisyys ei ole<br />
pelkästään suuren mittakaavan rakenne, joka solmii yhteen tieteen ja teknologian, vaan<br />
se on fysiikan dynamiikan fraktaalinen peruspiirre.<br />
Kaikilla käsitteillä on sekä ympäristöä jäsentävä maailmankuvallinen tieteellinen<br />
merkitys että välineellinen ja käytännöllinen teknologinen merkitys. Teknologinen<br />
prosessi on aina läsnä empiirisessä käsitteenmuodostuksessa. Sen tähden sitä ei voi<br />
myöskään sivuuttaa, vaikka se ei osallistukaan aktiivisesti varsinaiseen hahmojen<br />
käsitteistämiseen. Käsitteenmuodostuksen luonteesta ei voi saada oikeata kuvaa<br />
ottamatta sitä huomioon.<br />
4.1.4 Fysiikan hierarkkinen käsiterakenne<br />
Yleistä käsitteenmuodostusta voidaan tarkastella kuvien 4, 5 ja 6 esittämien kaavioiden<br />
pohjalta. Kaikki reaalitieteet esittävät, selittävät, keksivät, soveltavat, syventävät<br />
ymmärtämistä hierarkkisesti yleistyvän muutosprosessin kautta ja alistavat loogiset<br />
prosessit intuitiolle. Havaintomaailman käsitteistäminen on jatkuva prosessi ja se johtaa<br />
käsitteen yleistymiseen ja abstrahoitumiseen. Hahmottaminen puolestaan johtaa<br />
hierarkkisesti kerrostuvaan rakenteelliseen tietoon. Ylemmän tason käsitteenmuodostus<br />
on alemman tason käsitteiden rakenteita laajamittaisempaa ja abstraktimpaa<br />
hahmottamista. Käsitteistämisen suunta on aina empiriasta teoriaan, havainnoista<br />
käsitteisiin, konkreettisesta abstraktiin ja yksinkertaisesta rakenteelliseen. Fysiikalle<br />
ominaisia piirteitä esittää kuvan 7 kaavio, joka havainnollistaa erityisesti<br />
35
36<br />
Kuva 7. Fysiikan käsitteiden hierarkkiset tasot (s. 159).<br />
fysiikalle tieteenä kuuluvaa siirtymistä kvalitatiiviselta tasolta kvantitatiivisille tasoille.<br />
Käsitteenmuodostuksen luonne säilyy samanlaisena eri tasoilla ja tasolta toiselle<br />
siirryttäessä. Sen perusluonne kuvan 4 kaavion havainnollistamana hahmotusprosessina<br />
pysyy ennallaan. Induktio-deduktio –askeleet toteutuvat syklisesti niin tasojen sisällä<br />
kuin tasojen välillä tapahtuvissa prosesseissa intuition liittäessä ne tiukasti toisiinsa.<br />
Kullakin tasolla käsitteistö yleistyy ja abstrahoituu hierarkkisesti. Prosessi etenee<br />
kielellisistä termeistä, suureiden ja lakien kautta teorioihin. Ylemmän tason<br />
käsitteenmuodostus perustuu alemman tason käsitteenmuodostukseen tarjoten samalla<br />
lisää aineksia alempien tasojen prosesseille, jotka puolestaan muodostavat uusia<br />
hahmotusprosesseja ylempien tasojen käsitteenmuodostusprosesseille. Koko tasorakenne<br />
vaikuttaa näin jokaisen tason sisäiseen hierarkkiseen rakenteeseen, mikä<br />
puolestaan luo uusia mahdollisuuksia alemmalta tasolta ylemmälle tasolle siirryttäessä.<br />
Kvanti<strong>fi</strong>ointi ja strukturointi ovat tasojen välisinä prosesseina suuria harppauksia<br />
verrattuna tasojen sisäisiin prosesseihin. Niissä käsitteiden rakenteellisuus ja
abstraktioaste kasvavat hyppäyksittäin. Ne ovatkin fysiikan käsitteenmuodostuksen<br />
avainkohtia, joista hienoimpina saavutuksina ovat kuvan 6 esittämät fysiikan<br />
yhdentävät oivallukset.<br />
Fysiikan käsitteellisessä rakenteessa (kuva 7) voidaan erottaa 1. kielen 2.<br />
suureiden ja lakien sekä 3. teorioiden eriasteiset tasot, missä ylemmän tason käsitteet<br />
ovat alemman tason käsitteellisiä hahmoja.<br />
1. Kvalitatiivisen tiedon, kielen ja mielikuvien, tasolla kaikki fysiikan<br />
käsitteenmuodostus alkaa perushahmotuksesta, jossa rakennetaan hahmokokonaisuuksia<br />
tunnistamalla ja luokittelemalla ilmiöalueen perushahmoja ja jäsentämällä niiden<br />
keskinäisiä suhteita. Perushahmoihin kuuluvat erityisesti oliot, ilmiöt ja niiden<br />
ominaisuudet sekä ilmiöihin liittyvät ominaisuuksien pysyvyyden tai muuttumisen,<br />
keskinäisen riippuvuuden, aiheuttamisen ja vaikuttamisen hahmot.<br />
Olion tunnistaminen perustuu sen pysyviin ominaisuuksiin. Ilmiö on olion<br />
ominaisuuksien muuttumista. Sen tunnistamiseen kuuluu, että todetaan siinä säilyvät ja<br />
muuttuvat systeemin ominaisuudet ja muuttumisen luonne sekä ympäristön<br />
ominaisuudet, jotka aiheuttavat tämän muuttumisen tai vaikuttavat sen luonteeseen.<br />
Tämän tason empiria on havaitsemista, tarkkailua ja kvalitatiivisia kokeita,<br />
jolloin tunnistamista ja luokittelua voidaan edistää muuntelemalla systeemiä ja<br />
ympäristöä. Ilmiön tunnistaminen edellyttää havaintojen sellaista jäsentämistä, että<br />
ilmiön kvalitatiiviset ominaispiirteet saadaan määritellyiksi. Tämä tekee mahdolliseksi<br />
tunnistuskokeen, jonka perusteella voidaan todeta, kuuluuko jokin ilmiö määriteltyyn<br />
ilmiöluokkaan, ( vrt. sähkön, magnetismin ja sähkövirran tunnistus).<br />
Kvalitatiivisen tiedon tason teoria ja mallit ovat näiden hahmojen käsitteistämistä,<br />
niitä kuvaavan ja jäsentävän terminologian ja sitä käyttävän kielen luomista sekä niihin<br />
liittyviä mielikuvia. Mielikuvat luovat odotuksia, kvalitatiivisia ennusteita, ilmiöiden<br />
luonteesta ja niitä korjataan, elleivät havainnot vastaa näitä odotuksia. Ylempien tasojen<br />
käsitteiden hahmottaminen vaikuttaa takaisin kieleen ja mielikuviin. Lait ja teoriat<br />
tarjoavat uusia luokitteluperusteita ilmiöille. Fysiikan perusteoriat kuuluvat olennaisesti<br />
nykyaikaisen fysiikan ”kvalitatiivisen” käsitteistön hahmoperustaan. Uudet teoriat ovat<br />
aina muuttaneet myös mielikuvia luonnon olioista ja ilmiöistä. Tähän juuri perustuu<br />
niiden yleinen maailmankuvallinen merkitys. Tieteellistä prosessia palveleva jäsentävä<br />
luokitus voi nojautua rinnasteiseksi koettuihin ominaisuuksiin tai saman ominaisuuden<br />
eri asteisiin ja olla sellaisena esikvanti<strong>fi</strong>oiva. Hedelmällisten luokitteluperusteiden<br />
löytäminen on sekä opetuksessa että tutkimuksessa edistymisen edellytys.<br />
2. Kvantitatiivisen esityksen tasolla kvanti<strong>fi</strong>ointi eli metritys nostaa<br />
käsitteenmuodostuksen kvalitatiiviselta kvantitatiiviselle tasolle. Se luo kvaliteeteista<br />
kvantiteetteja. Se rakentaa kvantitatiivisen käsitejärjestelmän ilmiöalueen kvalitatiivisen<br />
hahmokokonaisuuden varaan.<br />
Kvantitatiivista maailmaa hallitsee ankaran hierarkkisesti rakentuva fysikaalinen<br />
suurejärjestelmä. Tutkittavia kvaliteetteja kuvataan suureilla, joilla on lukuarvot ja<br />
yksiköt. Korrelaatiot kvanti<strong>fi</strong>oituvat laeiksi, joita voidaan esittää suureyhtälöinä. Nämä<br />
seikat erottavat fysiikan tieteenalana muista tieteenaloista. Kvanti<strong>fi</strong>ointi on avain<br />
fysiikan käsitteistöön ja sen ymmärtämiseen. Se on fysiikan käsitteenmuodostuksen<br />
ensimmäinen suuri perusabstraktio.<br />
Kvalitatiivisen tason esikvanti<strong>fi</strong>ointi valmistaa kvanti<strong>fi</strong>oinnille tietä. Tämä<br />
merkitsee komparatiivisten hahmojen luomista. Ominaisuuksiin, niiden muuttumiseen,<br />
vaikutuksiin ja keskinäisiin riippuvuuksiin liitetään niiden astetta tai voimakkuutta<br />
luonnehtivia mielikuvia, jotka tekevät mahdolliseksi vertailun. Systeemin ominaisuuden<br />
voimakkuuksia eri tilanteissa ja eri hetkinä, ja eri olioiden saman ominaisuuden<br />
37
voimakkuuksia voidaan tällöin verrata toisiinsa. Ilmiöihin saadaan näin liitetyksi<br />
suunnan ja voimakkuuden tai nopeuden mielikuvia.<br />
Ominaisuuksien kvantitatiiviset vastineet ovat suureita. Ilmiöiden kvantitatiiviset<br />
vastineet ovat lakeja. Lait ovat suureiden välisiä relaatioita, mutta kaikkien suureiden<br />
määrittely perustuu lakeihin. Näin suureiden ja lakien tasot kietoutuvat portaattomasti<br />
yhteen.<br />
Suureiden ja lakien tason empiria on mittaamista suureiden arvojen<br />
määrittämiseksi ja kontrolloituja kokeita ja suureiden välisten riippuvuuksien,<br />
empiiristen lakien löytämiseksi. Sen teoria on lakien matemaattisten esitysten<br />
muodostamista ja niiden kytkemistä kvalitatiivisen tason mielikuviin. Esitysten<br />
abstraktisuusaste lisääntyy yhteen kuuluvien mittaustulosten numeerisesta<br />
taulukkoesityksestä graa<strong>fi</strong>sen esityksen kautta suureiden välisiin algebrallisiin<br />
relaatioihin. Nämä esitykset ovat ilmiöiden yksinkertaisia malleja. Malli tekee<br />
mahdolliseksi ilmiötä koskevat kvantitatiiviset suure-ennusteet, jotka koskevat<br />
tarkasteltavaan ilmiöön kuuluvien suureiden arvoja tutkituissa tai samantapaisissa<br />
olosuhteissa. Kun ilmiöön vaikuttavilla suureilla on tietyt arvot, ilmiölle ominaisten<br />
suureiden ennustetaan saavan lain ilmaisemat arvot. Testaamalla ennusteita kokeellisesti<br />
saadaan selville alin pätevyysalue, joka tekee vasta laista valmiin käsitteen.<br />
Tällä tasolla edetään määrittämällä asteittain yhä yleisempiä empiirisiä lakeja,<br />
joilla on yhä laajempi pätevyysalue ja jotka esittävät ilmiötä yhä tarkemmin<br />
pätevyysalueellaan. Suureet ja lait saavat uusia yleisempiä merkityksiä, ja niiden käyttö<br />
laajentuu uusille alueille sen mukaan, mikä asema niillä on uusissa teorioissa. Näin<br />
niille muodostuu omat hierarkkiset järjestelmänsä.<br />
3. Kvantitatiivisen selittämisen, teorioiden ja mallien, taso edustaa fysiikan<br />
tietorakenteen ylintä hierarkkista tasoa. Se on ilmiöiden kvantitatiivisen ymmärtämisen<br />
ja selittävien mallien taso, jonka hahmot ovat lakien muodostamia loogis-rakenteellisia<br />
kokonaisuuksia. Tälle tasolle johtavaa kynnysprosessia voidaan kutsua loogiseksi<br />
strukturoinniksi. Sen perustaksi voidaan nähdä perushahmotukseen ja esikvanti<strong>fi</strong>ointiin<br />
aina liittyvä mallintaminen, joka luo mielikuvia ilmiöalueen relaatioista ja<br />
kausaalisuhteista, ja se voidaan tulkita näiden kvanti<strong>fi</strong>oinniksi.<br />
Teorian määrittelevät systeemin yleinen perusmalli ja peruslait, jotka ovat<br />
perusmallin käyttäytymissäännöt. Perusmallia rajoittamalla on mahdollista muodostaa<br />
erityisiä malleja, jotka vastaava erilaisia todellisia ilmiöitä ja systeemejä eri<br />
olosuhteissa. Tällöin peruslaeista seuraa tutkittavaa ilmiötä koskevia lakiennusteita.<br />
Tämän mallintamiskapasiteettinsa perusteella teoriasta muodostuu erilaisten<br />
kokeellisten lakien ymmärtämisen perusta.<br />
Myös teoriat kehittyvät vastaavalla tavalla kuin alempien tasojen käsitteistöt.<br />
Nekin yleistyvät ja abstrahoituvat. Niissä erottuu myös eriasteisia hierarkkisia tasoja.<br />
Eteneminen teorioiden tasolla vaatii tiedeyhteisön laajaa yhteistyötä. Teorioiden tason<br />
rakenteellisuuden aste on fysiikalle ominainen piirre, jota muilla tieteenaloilla ei ole.<br />
4.1.5 Fysiikan kieli<br />
Ihmiset ilmaisevat ajatuksiaan ja välittävät niitä toisille ihmisille kielen avulla. Uusia<br />
käsitteitä voidaan ottaa käyttöön liittämällä niitä kieleen. Ajatukset ja mielikuvat on<br />
kuitenkin ensin hahmotettava antamalla niille merkityksiä. Kvalitatiivisen tason<br />
perushahmotuksessa jäsentyneiden hahmojen käsitteistäminen luo sen perusterminologian<br />
ja kielen, joilla fysiikka puhuu luonnonilmiöistä. Samalla päästään siirtymään<br />
fysikaalisen kielen ensimmäiselle tasolle, jossa mielikuvat on kielellistetty. Näin<br />
syntyvässä kielen tason perusterminologiassa keskeisessä osassa ovat hahmotuksen<br />
38
akennetta vastaavasti olioita, ilmiöitä ja ominaisuuksia merkitsevät termit.<br />
Kvanti<strong>fi</strong>ointi johtaa käsitteenmuodostuksen hierarkkisesti korkeammalle tasolle ja luo<br />
ominaisuuksista suureet, (kuva 7). Näin fysiikan perusterminologiassa voidaan erottaa<br />
neljä luokkaa. Kunkin luokan käsitteillä on luokalle ominaiset kielelliset käyttötavat,<br />
jotka ilmaisevat niiden yleisen luonteen. Vastaavasti kielenkäyttö paljastaa mihin<br />
luokkaan kuuluvaksi käsite mielletään.<br />
Oliot ovat luonnon subjekteja, toimijoita. Olioita ovat käsitteiden kielellisen<br />
käytön puolesta myös olioiden mallit sekä erilaiset käsitteiden olioitumat. Ilmiöitä ovat<br />
luonnon tapahtumiset ja niiden mallit, kaikki olioiden tekemiset ja käyttäytymiset.<br />
Ominaisuudet ovat olioiden ja ilmiöiden havaittavia laadullisia piirteitä, kvaliteetteja.<br />
Suureet ovat ominaisuuksien abstrakteja määrällisiä vastineita, kvantiteetteja.<br />
Käsitteen ymmärtämiseen kuuluu olennaisesti tietoisuus siitä, mihin luokkaan se<br />
kuuluu. Tämä on käsitteen oikean kielellisen käytön perusedellytys. Toisaalta tämä<br />
tietoisuus voi kehittyä vain kielenkäytön välityksellä. Käsite voidaan oppia oikein vain,<br />
jos sen käyttö opetuksen kielessä johdonmukaisesti kuvastaa sen luokalle kuuluvaa<br />
merkityssisältöä. Käsitteet ilmentävät täsmällistä ja jäsentynyttä ajattelua. Käsitteiden<br />
oikea kielellinen hallinta näkyy kielellisestä esityksestä. Virheellinen käyttö ilmentää<br />
aina väärinkäsityksiä käsitteiden merkityksestä. Kielenkäytön tulee vastata perushahmojen<br />
luonnetta ja sen tulee tehdä selväksi kvantitatiivisten käsitteiden eriasteisuus.<br />
Fysiikan kielenkäytössä tapahtuu usein käsiteluokkien sekoittumista. Oliot ja<br />
ilmiöt sekoittuvat helposti suureisiin. Suureita käsitellään olioina, ja suureilla voi olla<br />
ominaisuuksia. Päinvastaistakin voi tapahtua, olioita ja ilmiöitä käsitellään suureina.<br />
Ilmiökin voidaan nimetä ominaisuudeksi ja puhua siitä oliona. Fysiikan kielenkäyttöä<br />
eivät yhtään helpota siinä esiintyvät kaksimerkityksiset termit, joilla on sekä olion tai<br />
ilmiön että suureen merkitys. Hämmennystä lisäävät myös esimerkiksi olioiden omaa<br />
ominaisuutta esittävät tautologiset termit, jotka toistavat oman kiinnityksensä.<br />
Suureiden ja ominaisuuksien välisen rajan hämärtyminen on yleistä, ja usein ne jopa<br />
samaistetaan. Suureiden ja ominaisuuksien käsiteluokkien luonne kuitenkin edellyttää,<br />
että voidaan todeta, mitä ominaisuutta suure esittää. Jos suureista puhutaan olioina,<br />
ilmiöinä ja ominaisuuksina, sekoitetaan kahden hierarkkisesti eriasteisen tason<br />
käsitteitä. Kun käsitteiden käyttö on ristiriidassa niiden merkityksen perusluonteen<br />
kanssa, kieli hämärtää havaintojen perushahmotusta, jonka pitäisi olla oppimisen<br />
perusta.<br />
Fysiikan käsitteenmuodostusprosessit ja niihin perustuva todellisuuskuvan<br />
kehitys johtavat toisaalta ajattelutapaa, jossa suureet todella korvaavat ilmiöitä ja olioita<br />
todellisuuden elementteinä. Suureiden ”olioituminen” ja ”ilmiöityminen” on luontevaa<br />
ja hyväksyttävää, koska se perustuu fysiikan käsitteelliseen ja tieto-opilliseen<br />
kehitykseen. Tämän kehitysprosessin on tapahduttava tietoisen hallitusti niin, että se<br />
tukee käsitteiden merkityksen selkeää hahmotusta. Fysiikan opetuksessa pitäisi pyrkiä<br />
johdonmukaisesti jäsentävään kielenkäyttöön. Opettajan aloittaessa uuden aihepiirin<br />
käsittelyä hänen kannattaa kiinnittää huomiota tarvittaviin uusiin käsitteisiin, niiden<br />
jäsentelyyn ilmiöitä, olioita, ominaisuuksia ja suureita tarkoittaviin luokkiin, luokille<br />
ominaisiin kielellisiin käyttötapoihin sekä ongelmiin, joita perinteinen sanasto aiheuttaa<br />
tällaiselle jäsentelylle. Käsitteenmuodostukseen kuuluva jatkuva yleistysprosessi antaa<br />
käsitteille uusia merkityksiä. Sen tähden myös fysiikan kieli kehittyy. Tämä kehitys<br />
tapahtuu ja sen kuuluu tapahtua myös fysiikan opiskelussa. Sen vain on oltava –<br />
kaikkine olioitumisineen ja ilmiöitymisineen – tietoista ja hallittua. Kussakin opiskelun<br />
vaiheessa käsitteiden käytön on oltava sopusoinnussa niiden siihen mennessä tunnetun<br />
ja määritellyn merkityksen kanssa.<br />
Suuretta ei voi käyttää toteamatta, mihin olioon ja ilmiöön se liittyy ja millä<br />
tavalla. Tämä on suureen kiinnitys, joka kulkee aina suureen mukana.<br />
39
Kiinnittämättömyys jättää suureen leijumaan salaamalla sen merkityksen<br />
hahmottamiseen kuuluvan olennaisen piirteen, että se esittää joidenkin olioiden tai<br />
ilmiöiden ominaisuutta. Väärä kiinnitys puolestaan antaa suureelle väärän merkityksen.<br />
Käsitteiden yleistysprosessi johtaa aina kiinnitysten yleistymiseen. Opetuksessa on<br />
tällöin varottava ennenaikaisia kiinnityksiä, ts. kiinnityksiä, jotka ovat vääriä oppilaan<br />
tunteman merkityksen kannalta. Käsitteen käyttö väärällä hierarkkisella tasolla, jossa<br />
niillä ei ole mitään merkitystä, edustaa kiinnitysvirheiden yhtenä tyyppinä<br />
hierarkiavirhettä. Omatekoisia termejä keksitään usein korvaamaan oikeita suurenimiä<br />
tai ilmiö- ja olioluokkia tarkoittavia käsitteitä. Fysiikan kvantitatiiviseen esitykseen<br />
kuuluva tunnusten ja yhtälöiden käyttö ”kangistuu” helposti kaavakieleksi tai jopa<br />
kaavataudiksi, jos fysiikkaa opetetaan, opitaan, puhutaan tai kirjoitetaan pelkkinä<br />
kaavoina irrallaan mitattavista suureista ja havaittavista luonnonlaeista. Monia muitakin<br />
fysiikan käsitteiden täsmälliseen kielenkäyttöön kuuluvia kieliasuongelmia esiintyy,<br />
esimerkiksi yksiköiden sijapäätteiden virheellisiä merkintöjä suureiden lukuarvojen<br />
yhteydessä.<br />
4.1.6 Suureet prosesseina ja suureiden hierarkia<br />
Suureet ovat fysiikan käsitteenmuodostuksen perusta. Luonnonilmiöiden kvantitatiivinen<br />
esittäminen perustuu suureisiin. Ne ovat silta havainnosta teoreettisiin malleihin.<br />
Suureet solmivat yhteen fysiikan empirian ja eksaktisuuden. Kokeellinen tieto<br />
ilmaistaan niiden avulla. Teoriat käsittelevät niiden välisiä relaatioita. Suureiden<br />
merkityksen ymmärtäminen on sen tähden koko fysiikan ymmärtämisen avainkysymys.<br />
Suureet ovat siten avainasemassa myös fysiikan opetuksessa, ja tapa jolla niitä otetaan<br />
käyttöön tai määritellään, on ratkaiseva.<br />
Suureen määrittely merkitsee sen fysikaalisen merkityksen toteamista.<br />
Hahmotusprosessi, joka luo suureen, merkitsee empiirisen ja teoreettisen komponentin<br />
intuitiivista yhdistämistä. Sen tähden kaikki suureet ovat samanaikaisesti sekä<br />
kokeellisia että teoreettisia. Niillä on aina sekä empiirinen että teoreettinen merkitys.<br />
Suureen merkitys syntyy ennen suuretta. Suure otetaan käyttöön pelkästään siitä syystä,<br />
että sitä tarvitaan esittämään täsmällisesti jotakin luonnon olioiden tai ilmiöiden<br />
havaittavaa ominaisuutta ja siitä tulee teorian rakenteellinen peruselementti.<br />
Suureen ”määrittely” edellyttää koko sen prosessin selvittämistä, johon suureen<br />
merkitys perustuu. Tämä voidaan jäsentää vaiheisiin, jotka vastaavat prosessin<br />
etenemistä fysiikan käsitteiden hierarkkisten tasojen kaaviossa (kuva 7:<br />
1. Suureen empiirinen merkitys on hahmo ennen suuretta. Se syntyy kvalitatiivisen<br />
tason perushahmotuksessa ja käsitteistyy joidenkin olioiden tai ilmiöiden<br />
ominaisuudeksi, kvaliteetiksi. Esikvanti<strong>fi</strong>ointi liittää ominaisuuteen komparatiivisia<br />
hahmoja, eriasteisuutta, pysyvyyttä, muuttumista sekä riippuvuuksia.<br />
Suureen käyttöönottoa tukemaan tarvitaan opetuksessa kokeellisuutta, käsitteenmuodostusta<br />
tukevaa empiriaa. Perushahmotusta ohjaavilla havainnoilla ja kokeilla on<br />
kvalitatiivinen tehtävä. Niiden tarkoituksena on huomion kiinnittäminen ilmiön<br />
sellaisiin ominaisuuksiin, joita esittämään suuretta tarvitaan. Tämän vaiheen on oltava<br />
kartoittavaa, monipuolista, riittävän yleistä ja kattavaa. Yleisestä ominaisuuden<br />
hahmottamisesta on kuitenkin päädyttävä selvään pelkistys – rajaus -vaiheeseen,<br />
sellaisen erityistilanteen löytämiseen, jossa ominaisuus voidaan muuntaa mitattavaksi,<br />
ja siihen liittyvän idealisoinnin merkityksen oivaltamiseen.<br />
2. Kvanti<strong>fi</strong>ointi rakentaa suureen sen empiirisestä merkityksestä, luo ominaisuudesta<br />
sitä vastaavan suureen, kvaliteetista kvantiteetin. Se vaatii aina rajauksia, pelkistystä ja<br />
40
idealisointia, ja se johtaa suureen suppeaan perusmääritelmään, joka koskee vain tiettyä<br />
yksinkertaista perustilannetta. Se sitoo suureen automaattisesti olioihin ja ilmiöihin,<br />
joihin se liittyy, sekä ominaisuuteen, jota se esittää. Se nojautuu kokeeseen, jossa<br />
todennetaan suureen määrittelylaki. Koe ilmaisee samalla, miten suure voidaan mitata ja<br />
miten sille valitaan yksikkö. Usein, mutta ei aina, määrittelylaki johtaa myös suureen<br />
algebralliseen määrittelylausekkeeseen. Määrittelylaki ja mittausmenetelmä muodostavat<br />
suureen määritelmän ytimen. Monet valemääritelmät paljastuvat kysymällä, miten<br />
suure niiden perusteella mitataan. Kvanti<strong>fi</strong>ointi luo suureiden hierarkkisen verkon, jossa<br />
jokainen suure on solmupiste. Suureen määrittelylain empiirinen todentaminen<br />
edellyttää joidenkin, hierarkiassa alempien suureiden mittaamista, ja määriteltyä<br />
suuretta voidaan tarvita joidenkin hierarkiassa ylempien suureiden määrittelyyn.<br />
Jokainen suure kytkeytyy eri tavoin moniin muihin suureisiin, ja kaikki suureet<br />
kytkeytyvät verkon välityksellä toisiinsa monia eri reittejä pitkin.<br />
Perushahmotuksen nojalla on löydettävä sellainen ideaalinen koetilanne, jossa<br />
kvanti<strong>fi</strong>oitava ominaisuus esiintyy mahdollisimman pelkistettynä ja jossa ominaisuutta<br />
koskeville komparatiivisille hahmoille voidaan antaa kvantitatiivinen merkitys niin, että<br />
ominaisuuden eri asteiden määrällinen vertailu tulee mahdolliseksi. Kvanti<strong>fi</strong>oiva koe<br />
vaatii yleensä tilanteen ankaraa rajausta, esimerkiksi tiettyä geometriaa, tiettyjä<br />
olosuhteita, homogeenisuutta, isotrooppisuutta, tyhjiötä, kitkattomuutta, kappaleiden<br />
pienuutta tai jäykkyyttä tahi rajoittumista pieniin poikkeamiin tasapainoasemasta tms.<br />
Rajausten on oltava luonteeltaan empiirisiä siinä mielessä, että niiden mukaisia<br />
ideaalitilanteita voidaan huolellisesti suunnitelluissa kokeissa lähestyä.<br />
Tarvittavien idealisointien ja rajausten etsimistä ohjaa periaate, jonka mukaan<br />
jokainen suure syntyy invarianttina. Suuretta vastaavan ominaisuuden on oltava<br />
ideaalisessa koetilanteessa tarkasteltavan olion tai ilmiön pysyvä, olosuhteista riippuva,<br />
perusominaisuus. Määrittelevässä kokeessa on voitava todeta ominaisuuden säilymistä<br />
vastaava kvantitatiivinen invarianssi, ja sen perusteella on voitava verrata suureen<br />
arvoja rajausten puitteissa varioiduissa kokeissa. Näin saatu määrittelylaki on siis aina<br />
suureen säilymislaki, hyvin määritelty riippumattomuus joistakin ilmiöön vaikuttavista<br />
tekijöistä. Sanat invariantti ja vakio ilman tällaista täsmennystä ovat tyhjiä.<br />
Riippumattomuuden luonne määrää samalla suureen kiinnittymisen, sen osapuolen,<br />
jolle suure nähdään ominaiseksi. Samalla koe tarjoaa menetelmän yksikön<br />
valitsemiseksi ja invariantin arvon määrittämiseksi valituissa yksiköissä. Kvanti<strong>fi</strong>ointi<br />
on ahdas portti, josta tulevan suureen käyttöalue on suppea. Se rajoittuu määrittelylain<br />
pätevyysalueelle, tilanteisiin, joissa suure on invariantti.<br />
Kvanti<strong>fi</strong>oivan koesarjan on oltava demonstraationakin kvantitatiivinen, koska sen<br />
on todennettava kokeellisesti suureen määrittelylaki. Tällöin on tärkeätä erottaa<br />
varsinainen laki, esimerkiksi verrannollisuus, jonka perusteella määrittelevä invarianssi<br />
vahvistetaan, yksikön valinnasta, joka vasta tekee mahdolliseksi lain kirjoittamisen<br />
yhtälöksi. Kokeiden on tuotava ilmi invarianssin merkitys riippumattomuutena tietyistä<br />
tekijöistä. Näitä tekijöitä on sen tähden varioitava kokeessa riittävästi, jotta suureen<br />
kiinnittymisen luonne kävisi selväksi ja jotta huomio kiinnittyisi myös lain<br />
pätevyysalueeseen.<br />
3. Teoreettisen merkityksen suure saa strukturoinnin kautta. Sen ilmaisee suureen asema<br />
fysiikan teorioiden rakenteessa. Sen perusteella tulee mahdolliseksi muodostaa suureen<br />
arvojen teoreettisia ennusteita eri tilanteissa. Tämä on suureen määrittelyssä täydentävä<br />
näkökulma, jonka tärkeys riippuu olennaisesti siitä, miten korkealla suure on<br />
käsitehierarkiassa. Sen sijaan teoreettiset ennustelausekkeet, joita useimmin esitetyt<br />
valemääritelmät ovat, eivät olennaisesti kuulu määrittelyyn, Ne ovat aina tiettyyn<br />
41
malliin sidottuja, ja niiden muodostaminen on mahdollista vain, jos suureen merkitys jo<br />
tunnetaan.<br />
Kun suureen määrittelylaki strukturointiprosessissa tulee osaksi teorian<br />
rakennetta, sen määrittelemän suureen merkitys yleistyy ja sen käyttöalue laajenee.<br />
Tämä seuraa lain asemasta siinä perusmallissa, jonka mukaan teoria tulkitsee<br />
luonnonilmiöitä. Teoria liittää suureen samalla tavalla kaikkiin niihin olioihin ja<br />
ilmiöihin, joihin tätä mallia sovelletaan. Samalla suureen arvoalue laajenee. Teorian<br />
peruslait muodostavat sillan kaikkien erilaisten kokeellisten menetelmien välille, joilla<br />
suuretta voidaan tämän jälkeen määrittää. Tähän perustuu esimerkiksi massan yleistys<br />
kaikkiin hiukkasiin ja kappaleisiin suuruusluokasta riippumatta. Teorian sisällä tapahtuu<br />
myös abstrahoivaa yleistystä, joka liittää suureen uusiin yleisempiin olio- ja<br />
ilmiöluokkiin. Esimerkiksi Newtonin mekaniikan peruslaeista, jotka koskevat yhden<br />
hiukkasen liikettä, seuraa mekaanisten systeemien ulkoista ja sisäistä liikettä koskevia<br />
yleisiä lakeja. Samalla yhtä hiukkasta ja yhden hiukkasen liikettä koskevat kinemaattiset<br />
ja dynaamiset suureet saavat systeemin liikkeen eri vapausasteisiin liittyviä uusia<br />
merkityksiä<br />
4. Yleistyminen merkitsee suureen merkitysten jatkuvaa laajenemista, rakenteistumista<br />
ja abstrahoitumista. Yleistysprosessissa suureen käyttöaluetta laajennetaan ja sen<br />
merkitystä yleistetään väljentämällä ja poistamalla perustilanteen rajoituksia. Tällöin<br />
prosessi palaa spiraalisesti kaikkiin aikaisempiin vaiheisiinsa ja tekee niistä<br />
hierarkkisesti kerrostuvia. Monet sen aspektit kuuluvat olennaisena osana suureen<br />
määrittelyyn. Tämä korostaa suureiden luonnetta prosesseina ja tekee niiden<br />
määritelmät avoimiksi. Yleistysprosessin täydentävät ja yhdentävät määrittelylait luovat<br />
uusia verkkokytkentöjä, jotka tekevät verkosta monikerroksisen.<br />
Suureen määrittely ei siis ole yksi askel konkreettisesta abstraktiin vaan jatkuva<br />
prosessi tai prosessikimppu. Suure sikiää perushahmotuksessa hahmona, luonnonilmiöiden<br />
havaittavana ominaisuutena, se syntyy kvanti<strong>fi</strong>oinnissa, varttuu jatkuvassa<br />
moninkertaisessa spiraalisessa yleistysprosessissa ja sijoittuu yhä uudelleen ja eri tavoin<br />
fysiikan tietorakenteen käsitteelliseksi rakenneosaksi. Suureella on näin hierarkkisesti<br />
eriasteisia merkityksiä, jotka rakentuvat toisilleen niin että vasta ne kaikki yhdessä ovat<br />
suureen merkitys. Empiirisen lähestymistavan luoma hierarkkinen verkko on fysiikan<br />
suurejärjestelmälle ominainen rakenteellinen piirre.<br />
4.2 Lähestymistavan tunnusmerkit opetuksessa<br />
4.2.1 Merkitykset ovat ensin<br />
Erottavan dualismin <strong>fi</strong>loso<strong>fi</strong>an mukaan ilmiöt ja teoria edustavat kahta eri<br />
tietorakennetta, jotka on opittava erikseen. Ilmiöiden tuntemista pidetään<br />
vähempiarvoisena kuin teorian tuntemista.<br />
Hahmottava lähestymistapa tarkastelee empirian ja teorian suhdetta yhdistävän<br />
dualismin näkökulmasta. Sen mukaan merkitykset luodaan ensin. Terminologia ja sitä<br />
käyttävä kieli rakennetaan ymmärretyille merkityksille. Käsitteistöä rakentaa<br />
merkityksiä luova hahmotusprosessi, joka kerrostuu hierarkkisesti ja abstrahoituu<br />
asteittain. Se etenee havainnoista lähtien hahmottamalla kohti yleisempiä jäsentäviä<br />
käsitteitä. Se on perusolemukseltaan intuitiivinen prosessi, jossa mielikuvat (teoria)<br />
kytkeytyvät erottamattomasti havaintoihin (empiriaan).<br />
Empiria ja teoria nähdään välttämättöminä, mutta samalla riittämättöminä, koska<br />
kaikki käsitteet ovat hahmoja, joissa luova intuitio yhdistää teoreettiset ja empiiriset<br />
elementit erottamattomaksi kokonaisuudeksi. Oppiminen ei ole kokeellisen ja<br />
42
teoreettisen rakenteen välisen vastaavuuden selvittämistä vaan hahmojen muodostaman<br />
rakenteen luomista. Rakenteen loogisuus muodostuu vasta kehityksen kiteytyneenä<br />
tuloksena, se ei ole käsitteitä luova periaate eikä siten oppimisen välitön käyttövoima –<br />
niin kuin teoreettisessa lähestymistavassa uskotellaan.<br />
Myös hahmottava lähestymistapa tähtää ensi sijassa käsitteiden oppimiseen.<br />
Mutta käsitteiden perustana eivät ole niiden väliset relaatiot, vaan niiden hahmotetut<br />
merkitykset. Käsitteet samastuvat sen tähden hahmotusprosessiin, joka luo niiden<br />
merkitykset.<br />
Hahmottava lähestymistapa korostaa empirian primaarisuutta käsitteenmuodostuksen<br />
perustana. Aito ymmärtäminen on mahdollista vain, jos opetuksen lähtökohtana<br />
on luonto ja havaitseminen. Käsitteet hahmotetaan itse. Opettaja voi vain opastaa: katso,<br />
näe, huomaa, kiinnitä huomiota. Kasvattaminen omakohtaiseen empiriaan opettaa<br />
kysymään tiedon perusteita ja arvioimaan sen luotettavuutta. Se on kasvatusta<br />
itsenäiseen ajatteluun.<br />
Hahmottavaa lähestymistapaa ei voi kaavoittaa joukoksi opetuksessa<br />
noudatettavia sääntöjä. Luova hahmotus intuitiivisena prosessina ei alistu sääntöihin.<br />
Hahmottava lähestymistapa merkitsee ensi sijassa empiirisen käsitteenmuodostuksen<br />
periaatteiden noudattamista. Sen tähden kaikki tätä koskevat tarkastelut luvussa 3.1 ovat<br />
hahmottavan lähestymistavan tutkimista. Erityisesti peruskaaviot (kuvat 4, 5, 6 ja 7)<br />
pyrkivät kuvaamaan sen eri ulottuvuuksia ja jäsentämään siinä erottuvia osaprosesseja.<br />
Intuition korostus kytkee sen loogisen luonteen puolesta läheisesti geneettiseen<br />
lähestymistapaan. Sen eteneminen käsitehierarkiassa noudattaa kokeellista lähestymistapaa.<br />
Yhdistävän dualismin <strong>fi</strong>loso<strong>fi</strong>assa tiede ja oppiminen ovat saman prosessin eri<br />
vaiheita tai tasoja. Tutkimus on primaarista yleistä, oppiminen sekundaarista ja<br />
henkilökohtaista tiedon luomista. Tiedon voi luoda vain luomalla sen itselleen.<br />
Yhdistävän dualismin hengen mukaisesti hahmottava lähestymistapa pitää oppimista<br />
tutkimisena ja tutkimista oppimisena. Jos tieteen käsitteet ymmärretään hahmoiksi ja<br />
hahmotusprosesseiksi, oppilaan ja tieteen näkökulmat osoittautuvatkin samoiksi tai<br />
ainakin samansuuntaisiksi. Fysiikan käsitteistön rakentuminen voidaankin ymmärtää<br />
luonnollisen hahmottamisen ja sen tieteellinen metodi luonnollisen ajattelun jatkoksi.<br />
4.2.2 Empiirisen tieteen prosessit opetuksessa<br />
Käsitteet ovat prosesseja eivätkä tuotteita. Opetuksen ensi sijainen tehtävä on auttaa<br />
oppilaan luonnollisen havaitsemisen ja hahmottamisen prosesseja kehittymään.<br />
Opetuksen perustavoitteet ovat prosessuaalisia, eivät tiedollisia. Sen tähden on tärkeätä<br />
tarkastella hahmottamisprosessia ja sen kehittymisen vaiheita ja nähdä, miten<br />
tieteellisen prosessin ja tieteellisen ajattelun kaikki peruselementit itävät ihmisen<br />
luonnollisessa havaitsemisessa, ajattelussa ja oppimisessa.<br />
Didaktinen konstruktivismi painottaa oppimisen rakentumista oppilaan omille<br />
tiedoille, kokemuksille ja mielikuville. Hahmottavan lähestymistavan perus<strong>fi</strong>loso<strong>fi</strong>a<br />
pitää tätä itsestään selvästi ainoana mahdollisen aidon oppimisen perustana.<br />
Hahmottaminen on kunkin yksilön oma prosessi. Opettaja voi auttaa ja opastaa<br />
oppilasta havaitsemaan, mutta ei voi hahmottaa oppilaan puolesta.<br />
Oppilaiden luontaiset ajatusmallit on usein nähty tieteenvastaisina päähänpinttyminä,<br />
jotka on karsittava oppilaista ja korvattava tieteellisillä malleilla.<br />
Hahmottavan lähestymistavan kannalta on olennaista, että mallit edustavat oppilaan<br />
hahmotusprosessin saavuttamaa kehitysvaihetta. Ne merkitsevät, että oppilaalla on<br />
toimiva empiirispohjainen prosessi, jota ei voi katkaista vaan jota on autettava<br />
kehittymään ja suuntautumaan eteenpäin. Tieteenvastaiset mielikuvat kuuluvat<br />
43
prosessiin niin kuin tieteessä vanhentuneet mallit. Niiden tunteminen on välttämätöntä,<br />
jotta niiden pohjalta voi ponnistaa eteenpäin. Tavoitteena on luonnollisen oppimisen ja<br />
ajattelun tieteellisten peruselementtien vahvistaminen niin, että oppilas voi kehittää<br />
mallejaan yhä paremmin havaintojaan vastaaviksi.<br />
Jotta opetuksen kokeellisuudesta voisi tulla oppimista aidosti tukeva hahmottava<br />
lähestymistapa, sen on tähdättävä siihen, että opitaan tekemään havaintoja , mittaamaan,<br />
järjestämään kokeita, osallistumaan tutkimusprojekteihin, keskustelemaan havainnoista,<br />
jäsentämään, käsitteistämään ja niin edelleen. Oppilaiden tulee oppia luottamaan<br />
havaintoonsa niin vahvasti, että hän pystyy sen perusteella kehittämään ja muuttamaan<br />
omia mielikuviaan ja omaa ajatteluaan.<br />
Oppiminen alkaa aistihavaintojen hahmottamisesta. Kvalitatiivisen tason perushahmotuksessa<br />
luonnon ilmiöistä tehdyt havainnot jäsentyvät ihmismielen luontaisen<br />
hahmottamismallin mukaisesti olioiksi, ilmiöiksi ja näiden ominaisuuksiksi sekä niihin<br />
liittyviksi vaikuttamisen ja aiheuttamisen hahmoiksi. Näistä muodostuu hahmokokonaisuus,<br />
joka on ilmiön mentaalinen kausaalimalli. Tämän rakentaminen on fysiikan<br />
opetuksen ensimmäinen perustehtävä, jonka onnistumisesta kaikki muu riippuu.<br />
Kvanti<strong>fi</strong>ointi on fysiikan käsitteenmuodostuksen ensimmäinen suuri kynnysprosessi.<br />
Se tulisi ymmärtää sellaiseksi myös opetuksessa. Se luo ominaisuuksista<br />
suureita, kvaliteeteista kvantiteetteja ja rakentaa näin kvantitatiivisen käsitejärjestelmän<br />
kvalitatiivisen hahmokokonaisuuden varaan. Teorioiden tasolle johtava strukturointi<br />
nojautuu ratkaisevasti kausaalisen mentaalimallin kvanti<strong>fi</strong>ointiin.<br />
Myös fysiikan opetuksen ja oppimisen perusongelmat ovat luonteeltaan<br />
prosessuaalisia. Sen tähden ne eivät ole lokaalisia, tiettyihin käsitteisiin tai aiheisiin<br />
sidottuja, vaan kaiken läpäiseviä. Käsitteenmuodostuksen kumuloituvuus, joka johtaa<br />
käsitehierarkian muodostumiseen, merkitsee opetuksessa, jokainen uusi käsite rakentuu<br />
aikaisemmille. Oppiminen rakentuu koko ajan aikaisemmin opitulle. Jos uuden<br />
käsitteen merkitystä ei ymmärretä, jää käsitehierarkiaan aukko, jonka jälkeen joudutaan<br />
rakentamaan tyhjän päälle ulkoluvun varassa. Käsitteiden tapaan myös aukot<br />
kumuloituvat. Kumuloituminen tekee muistettavien detaljien määrän kiihtyvästi<br />
kasvavaksi, muistikapasiteetin raja tulee vastaan.<br />
Oppimääräsuunnitelman kannalta tämä merkitsee välttämättömyyttä noudattaa<br />
käsitteiden käyttöönotossa oikeaa järjestystä. Opetuksessa siitä seuraa, että jokainen<br />
kurssin kohta perustuu kaikkeen aikaisemmin opetettuun ja tähtää kaikkeen<br />
myöhemmin opetettavaan. Käsitteiden prosessiluonteesta seuraa, ettei fysiikassa voi<br />
mitään opettaa kerralla valmiiksi, eikä ylimalkaan valmiiksi lainkaan. Kaikki käsitteet<br />
ovat avoimia, jatkuvan kehityksen alaisia. Tämä merkitsee, että opettajien ja oppilaiden<br />
rakastamat lyhyet, täsmälliset ja tyhjentävät ’määritelmät’ muodostuvat kanonisiksi<br />
puolitotuuksiksi, jotka johtavat oppilaan vääriin mielikuviin ja johtopäätöksiin, ja<br />
estävät häntä oppimasta empiirisen tiedon perusteita.<br />
Hahmottavassa lähestymistavassa on ensi sijassa kysymys empiirisen tieteen<br />
prosessien soveltamisesta opetukseen. Sen ulottuvuuksia ovat sen tähden teoreettisuus<br />
ja kokeellisuus sen mukaan, miten teoria ja luonnon havaitseminen painottuvat sen<br />
lähtökohtina, sekä tieteellisyys ja teknologisuus sen mukaan, painotetaanko tieteellistä<br />
vai teknologista prosessia. Se ei sitoudu yhteen prosessiin. Esittämisellä, selittämisellä,<br />
soveltamisella ja keksimisellä on siinä omat tehtävänsä niin kuin tutkimuksessakin. Ne<br />
edustavat erilaisia prosessuaalisia tavoitevalmiuksia. Opetuksen kokonaisuudessa ne<br />
ovat hahmottamiselle alistettuja. Tämä merkitsee erityisesti esittämisprosessin<br />
primaarisuutta. Muiden osuus voi kasvaa vain sitä mukaa kuin käsitteellinen hallinta<br />
etenee.<br />
Esittämisprosessin empiria on merkityksiä luovaa kokeellisuutta. Siihen kuuluu<br />
huomion kiinnittäminen kaikkiin sellaisiin havaittaviin ilmiöihin ja ilmiöiden piirteisiin<br />
44
ja sellaisten kokeiden tekeminen, jotka voivat edistää ja tukea perushahmotusta. Sitä<br />
ovat erityisesti kaikki kvanti<strong>fi</strong>oivat kokeet.<br />
Selittämisprosessin empiria on todentavaa tai testaavaa kokeellisuutta, jonka<br />
tehtävänä on osoittaa, kuinka hyvin luonto noudattaa tarkastellun teoreettisen mallin<br />
mukaisia ennusteita. Testauksen idean kannalta on luontevampaa johtaa ennuste ensin,<br />
mutta muista didaktisista syistä – esimerkiksi mielenkiinnon herättämiseksi – voi olla<br />
parempi alkaa kokeella. Ajattelun suunnan kannalta on olennaista vain se, että teoriaa<br />
käytetään tässä kokeen selittämiseen eikä koetta teorian peruskäsitteiden merkitysten<br />
empiiriseen hahmottamiseen.<br />
Teknologisesti painottuvassa opetuksessa teoreettinen lähestyminen nojautuu<br />
soveltamisprosessiin. Sen empiria on soveltavaa kokeellisuutta, jossa tarkastellaan<br />
esitetyn teorian sovelluksia käytäntöön, esimerkiksi erilaisia koneita ja niiden<br />
toimintaperiaatteita.<br />
Käytännön ongelma opetuksen lähtökohtana painottaa keksimisprosessia. Ilman<br />
muiden prosessien tukea opetuksen empiria jää yrityksen ja erehdyksen tieksi, missä<br />
sen käyttövoimana toimii oppilaan luova mielikuvitus. Se osoittaa tiedon tarpeen ja<br />
motivoi etsimään tarvittavia tietoja, mutta se ei luo käsitteellistä tietoa.<br />
4.2.3 Suurehierarkian merkitys opetuksessa<br />
Hahmottavan lähestymistavan perusnäkemyksestä lähtien fysiikan oppimisen<br />
probleema samastuu pitkälti suureiden määrittelyn ongelmaan. Suureet ovat<br />
peruskäsitteitä, joilla fysiikka esittää luontoa. Fysiikan ymmärtäminen nojautuu<br />
suureiden merkityksen ymmärtämiseen. Suureen määrittelyn vaiheet ovat siten myös<br />
luonnollisesti etenevän oppimisen ja opetuksen vaiheita. Opetuksen tulisi edetä<br />
ilmiöiden kvalitatiiviselta tasolta, suureiden ja lakien kvantitatiivisen tason kautta<br />
teorian selittävien mallien tasolle, eikä malleista ilmiöihin. Perushahmotus –<br />
esikvanti<strong>fi</strong>ointi – idealisointi ja pelkistys – kvanti<strong>fi</strong>ointi – yleistys ja laajennus<br />
muodostavat oppimisen ja opetuksen prosessien ketjun, joka on ainoa mahdollinen tie<br />
aitoon ymmärtämiseen.<br />
Suureiden hierarkkinen verkko sitoo käsitteiden käyttöönoton järjestystä. Se<br />
seuraa siitä, että suureen määrittely nojautuu aina lakiin, jota jotkin kvanti<strong>fi</strong>oinnin<br />
yhteydessä mitattavat suureet noudattavat. Suureen käyttöönotto on mahdollista vain,<br />
jos nämä hierarkiassa alemmat suureet jo tunnetaan.<br />
Tämä johtaa suoraan kysymykseen käsitteiden oikeasta opetusjärjestyksestä. Jos<br />
suureen määrittely on oppilaan ajattelun tasolle ja omaksumiskyvylle liian vaikea<br />
abstrahoitumisaskel, sen opettamista on lykättävä tuonnemmaksi ja abstraktioastetta on<br />
kehitettävä hitaammin. Suuretta ei voida opettaa lainkaan, ellei ensin opeteta niitä<br />
käsitteitä, joihin sen perusmäärittely nojautuu.<br />
Fysiikan suurejärjestelmän ainutlaatuinen kvantitatiivinen rakenteellisuus<br />
merkitsee, että suureiden verkossa vallitsee ehdoton kova hierarkia, jonka suureiden<br />
kvantitatiiviset relaatiot määräävät. Se ei salli paljon vaihtoehtoja suureiden opetusjärjestyksessä.<br />
Havaintomaailmaan kuuluvien ominaisuuksien relaatiot johtavat olennaisesti<br />
väljempään rakenteeseen ja pehmeämpään hierarkiaan. Kvaliteettien käsiteverkon<br />
hierarkkiset suhteet ovat sellaisenaan paljon epämääräisemmät eivätkä sido<br />
opetusjärjestystä yhtä voimakkaasti. Kvalitatiivisen tason opetus, joka johtaa<br />
ilmiöalueiden perushahmotukseen ja esikvanti<strong>fi</strong>ointiin, on tässä suhteessa paljonkin<br />
vapaampaa.<br />
Kvalitatiivisen tason opetus ei kuitenkaan voi olla kvantitatiivisen tason<br />
opetuksesta riippumatonta. Ominaisuuksien väliset relaatiot ennakoivat kvantitatiivisia<br />
45
akenteita. Perushahmotuksen on luotava mentaalimalli, jolle kvantitatiivisen tason<br />
käsitteistö voidaan rakentaa. Tämä johtaa oikean ennakoinnin probleemaan. Miten<br />
kvalitatiivisen tason opetus voi tähdätä myöhempään kvantitatiivisen tason opetukseen?<br />
Kvalitatiivisella tasolla ei ole niinkään kysymys ’asioiden’ oppimisjärjestyksestä<br />
kuin siitä, että tietoa opitaan lähestymään havainnoista käsin ja että kussakin tilanteessa<br />
erikseen hahmotetaan kvantitatiivisten lakien kannalta olennaisia ominaisuuksia ja<br />
riippuvuuksia. Oikea ennakointi merkitsee, että kvalitatiivisen tason opetuksen tulisi<br />
kiinnittää huomiota ilmiömaailman sellaisiin hahmoihin, jotka vastaavat fysiikan<br />
kvantitatiivisia käsitteitä ja lakeja. Silloin fysiikan käsitteistön rakenteellisille<br />
relaatioille kylvetään siemen jo kvalitatiivisessa opetuksessa.<br />
Suureet ovat hierarkkisesti toisiinsa kytkettyjä empirian – opetuksessa<br />
hahmottavan lähestymistavan – määräämässä järjestyksessä, jota ei voi kiertää<br />
kiertämättä samalla aidon oppimisen mahdollisuutta.<br />
46
47<br />
4 ADVANCE ORGANIZER –PERIAATTEEN JA HAHMOTTAVAN<br />
LÄHESTYMISTAVAN SUHTEEN TARKASTELU (rinnastus ja vertailu)<br />
Ausubel’in advance organizer –periaatteen ja hahmottavan lähestymistavan rinnastusten<br />
ja vertailujen perusteella voidaan niihin kuuluvista keskeisimmistä piirteistä koota<br />
matriisi (taulukko 1), joka yrittää havainnollistaa nimenomaan hahmottavan lähestymistavan<br />
teoriaan tyypillisesti liitettävien ominaisuuksien esiintymistä esijärjestinteoriassa.<br />
Näiden piirteiden ilmenemisten tarkempi vertailu esitetään seuraavissa<br />
Taulukko 1. Keskeiset yhdistävät ja erottavat piirteet (vertaileva graa<strong>fi</strong>nen matriisimuotoinen<br />
esijärjestin).<br />
Advance organizer Hahmottava<br />
-periaate<br />
lähestymistapa<br />
Merkitykset on on<br />
Käsitteiden<br />
oppiminen<br />
Empiirinen<br />
käsitteenmuodostus<br />
Oppijan aiemmat<br />
kokemukset ja tiedot<br />
Didaktinen<br />
konstruktivismi<br />
Induktiivinen<br />
ajattelu<br />
Deduktiivinen<br />
ajattelu<br />
Kokonaisuuksien<br />
hahmottaminen<br />
Hierarkkinen<br />
käsiterakenne<br />
on<br />
ei<br />
on<br />
on<br />
ei tyypillistä<br />
on<br />
on<br />
on<br />
on<br />
on<br />
on<br />
on<br />
on<br />
on<br />
on<br />
on<br />
kappaleissa. Tarkastelu aloitetaan kielen merkityksen pohdinnalla. Kieltä ei ole erikseen<br />
mainittu matriisissa, koska sen merkitys on niin esijärjestinperiaatteen, hahmottavan<br />
lähestymistavan kuin kaiken sosiaalisen kanssakäymisen ja kommunikoinnin kannalta<br />
oleellinen.<br />
5.1 Kieli<br />
Kurki-Suonioiden mielestä kieli on yksi ihmiskunnan henkisen sivistyksen kolmesta<br />
suurimmasta keksinnöstä. Kaksi muuta ovat logiikka ja tiede. He toteavat edelleen, että<br />
tiedettä ei voi olla ilman logiikkaa eikä logiikkaa ilman kieltä. Hahmottavan<br />
lähestymistavan perustana olevassa fysiikan käsitteiden hierarkkisessa rakenteessa<br />
kielen taso muodostaa ensimmäisen vaiheen, kvalitatiivisen tiedon tason, jolla on<br />
keskeinen asema perushahmojen merkitysten ’kielellistämisessä’. Mielikuvista<br />
rakennetaan kielen avulla hahmokokonaisuuksia, joiden hahmojen käsitteistämisellä<br />
luodaan kuvaileva ja jäsentävä terminologia. Kieli ja mielikuvat ovat jatkuvassa<br />
muutosprosessissa ylempien tasojen käsitteiden vaikuttaessa niihin. Kurki-Suoniot<br />
pitävät fysiikkaa yhtenä kielenä muiden kielten joukossa, se on luonnonilmiöistä<br />
puhumisen kieli. Fysiikassakin ajatuksia on mahdollista ilmaista ja välittää vain kielen
avulla, eikä uusien käsitteiden käyttöön otto ole enempää eikä vähempää kuin niiden<br />
liittämistä kieleen. Heidän mielestään oppilasta ei ohjata koulussa riittävästi<br />
hahmottamaan niitä merkityksiä, jotka fysiikan kielen oikealla käytöllä voitaisiin tuoda<br />
esille. Kurki-Suoniot toteavat, että hahmottava lähestymistapa on ainoa mahdollinen<br />
äidinkielen oppimiseksi ja jatkavat edelleen, että samoin fysiikan kieli on ensin opittava<br />
empirian kautta.<br />
Ausubel puolestaan toteaa, että kieli myötävaikuttaa kahdella tärkeällä tavalla<br />
käsitteiden muodostamiseen. Ensinnäkin, sanojen kuvailevat ominaisuudet helpottavat<br />
ajatteluun liittyviä muutosprosesseja. Toiseksi, näiden prosessien tuloksena syntyvien<br />
ei-kielellisten hahmojen ”kielellistäminen” selkiyttää ja lisää käsitteiden merkityksiä.<br />
Ausubel pitää kieltä välineenä, joka mahdollistaa ihmisyksilölle omaksua ja käyttää<br />
suuren määrän erilaisia käsitteitä ja periaatteita niin vastaanottavan oppimisen kuin<br />
keksivänkin oppimisen kautta. Kielellä onkin hänen ajattelunsa mukaan keskeinen<br />
asema käsitteiden hankkimisen edistämisessä. Ausubel’in mukaan kieli yhtälailla sekä<br />
määrittelee että heijastelee abstraktien ja korkeamman asteisten käsitteiden<br />
omaksumista. Ratkaisevana apuna aikaan saaduille käsitteistämisprosesseille on niin<br />
symbolien esitysvoima kuin kielellistämisen selkiyttävä vaikutus. Hänen mielestään<br />
käsitteiden assimilaatioprosessi määritelmien ja merkitysyhteyksien kautta ilman niiden<br />
liittämistä kieleen olisikin täysin käsittämätöntä. Ausubel’kin esittää, että käsitteiden<br />
sisältöjä ja ajatuksia voidaan ilmaista, niistä voidaan keskustella ja niitä voidaan välittää<br />
ainoastaan kielen avulla. Äidinkielen oppiminen tapahtuu myös Ausubel’in mielestä<br />
luonnollisen hahmottamisprosessin avulla, mutta fysiikan kielen oppiminen näyttäisi<br />
tapahtuvan advance organizer –periaatteen mukaisesti lähinnä teorian kautta.<br />
5.2 Merkitykset ja käsitteet<br />
Kurki-Suonioiden mukaan kaikkien käsitteiden merkityksen luo suunnattu, havainnosta<br />
alkava ja teoriaa kohti etenevä, päättymätön prosessi, jossa empiria ja teoria sulautuvat<br />
yhdeksi kokonaisuudeksi. Käsitteitä Kurki-Suoniot pitävät avoimina, sillä niiden<br />
merkitykset ovat jatkuvan kehityksen alaisia. Hahmottavan lähestymistavan<br />
perus<strong>fi</strong>loso<strong>fi</strong>an, yhdistävän dualismin, näkemyksen mukaan jokainen fysikaalinen käsite<br />
on hahmo, Gestalt, prosessi, jossa empiria ja teoria yhdistyvät yhdeksi, jatkuvasti<br />
kehittyväksi merkitykseksi. Kurki-Suoniot korostavat, ettei käsitettä voi erottaa<br />
merkityksestään eikä merkitystä sitä luovasta prosessista. Hahmottavan lähestymistavan<br />
juuret ovat syvällä tieteen<strong>fi</strong>loso<strong>fi</strong>an ja käsitteenmuodostuksen hedelmällisessä<br />
maaperässä.<br />
Ausubel puolestaan tarkastelee merkityksiä ja merkitysten luonnetta oppimisen<br />
kautta. Hänen mielestään kouluopetuksen tarkoitus ja kouluoppimisen päämäärä on<br />
ensisijaisesti saada oppilaat omaksumaan laajoja merkityskokonaisuuksia. Ausubel’in<br />
mukaan mielekäs oppiminen pitää sisällään uusien merkitysten omaksumisen, ja<br />
toisaalta uudet merkitykset ovat tulosta mielekkäästä oppimisesta. Uusien merkitysten<br />
ilmaantuminen oppilaan ajatteluun heijastelee Ausubel’in mielestä mielekkään<br />
oppimisprosessin toteutumista. Mielekkääseen oppimiseen perustuva advance organizer<br />
–periaate luotaa peruslähtökohtansa hahmottavasta lähestymistavasta täysin poiketen<br />
oppimispsykologian moniulotteisesta avaruudesta.<br />
Sekä hahmottavan lähestymistavan että advance organizer –periaatteen kohdalla<br />
käsitteiden merkitysten merkitys on kuitenkin keskeisellä sijalla. Edellinen korostaa<br />
empirian primaarisuutta käsitteenmuodostuksessa, jälkimmäiselle on tyypillistä<br />
käsitteiden antaminen valmiina teoreettisina entiteetteina ilman empiriaan nojaavaa<br />
käsitteenmuodostusta. Hahmottavassa lähestymistavssa käsitteitä ei pidetä pelkästään<br />
joko kokeellisina tai teoreettisina vaan hahmoina, joilla on sekä empiirinen että<br />
48
teoreettinen merkitys. Advance organizer –periaatteessa huolimatta siitä, että käsitteillä<br />
on siinä kuvaileva empiirinen tausta, ei käsitteillä ole kuitenkaan vankkaa empiiristä<br />
perustaa vaan käsitteet kuljettavat mukanaan lähes pelkästään vain niiden teoreettista<br />
merkitystä. Ausubel’in mielestä ei-kielelliseen, konkreettis-empiiriseen ongelmanratkaisuun<br />
perustuva käsitteenmuodostus on tyypillistä informaation prosessoinnissa<br />
varhaisten ikäkausien kehitysvaiheille, kun taas myöhempien ikäkausien kehitysvaiheille<br />
on tyypillistä yksinkertainen mielekkään kielellisen vastaanottavan oppimisen<br />
kautta tapahtuva käsitteiden assimilointi. Myöhemmillä ikäkausilla hän tarkoittanee jo<br />
lukioiän saavuttaneita oppilaita.<br />
Ausubel’in esittävän opetuksen apuvälineeksi ja vastaanottavan oppimisen<br />
(käsitteiden assimiloinnin) tukemiseksi kehittämää advance organizer –periaatetta<br />
leimaa selvästi staattisuus, muuttumattomuus, kun taas hahmottavalle lähestymistavalle<br />
on luonteenomaista dynaamisuus, jatkuva käsitteellinen kehittyminen ja edistyminen.<br />
Advance organizer –periaatteen kannalta tarkasteltuna käsitteet ovatkin jo olemassa<br />
olevia tuotteita, kun sen sijaan hahmottavan lähestymistavan näkökulmasta katsottuna<br />
käsitteet ovat prosesseja.<br />
Kurki-Suonioiden mukaan merkitykset muodostuvat rakenteiden kautta, ne luovat<br />
rakenteita ja ne kehittyvät luomiensa rakenteiden välityksellä. Vaikka advance organizer<br />
–periaatetta leimaakin staattisuus saavat merkitykset oppilaan kognitiivisessa<br />
rakenteessa uusia, entistä täsmällisempiä ja laaja-alaisempia merkityksiä<br />
assimilaatioprosessin seurauksena. Erona hahmottavan lähestymistavan kyvylle luoda<br />
uusia merkitysrakenteita on se, että advance organizer –periaate pyrkii ainoastaan<br />
muuntamaan, täsmentämään ja täydentämään jo olemassa olevia kognitiivisen rakenteen<br />
sisältämiä merkityskokonaisuuksia.<br />
5.3 Konstruktivismi<br />
Konstruktiivisen ajattelun yhteydessä tuntuu luonnolliselta puhua hahmottamisen<br />
prosesseista, koska konstruktivismi tutkii muun muassa sitä, miten yksilö konstruoi<br />
todellisuuttaan ja rakentaa mentaalisia malleja, skeemoja, ympäristön ilmiöistä.<br />
Hahmottavan lähestymistavan perus<strong>fi</strong>loso<strong>fi</strong>a pitää ainoana mahdollisena aidon<br />
oppimisen perustana oppimisen rakentumista oppilaan omille tiedoille, taidoille,<br />
kokemuksille ja mielikuville. Tämä näkemys viittaa selkeästi Ausubel’in toteamukseen:<br />
Jos minun täytyisi tiivistää koko kasvatuspsykologia vain yhdeksi periaatteeksi, sanoisin<br />
näin: Kaikkein tärkein yksittäinen opetukseen vaikuttava tekijä on se mitä oppija jo<br />
tietää. Ota se selville ja opeta häntä sen mukaisesti.<br />
Hahmottamista Kurki-Suoniot tarkastelevat ensisijaisesti oppilaan omana<br />
prosessina, jossa hän luo omat hahmonsa. Hahmottava lähestymistapa pitää oppilaan<br />
luontaisia ajatusmalleja oppimisen luonnollisina ”alkuarvoina”. Ne edustavat oppilaan<br />
hahmotusprosessin saavuttamaa kehitysvaihetta, jota voidaan hyvällä syyllä verrata<br />
oppilaan ’ausubeliläiseen’ kognitiiviseen struktuuriin. Hahmottava lähestymistapa nojaa<br />
tukevasti konstruktivistisen oppimiskäsityksen keskeiseen teesiin, jonka mukaan uutta<br />
tietoa opitaan aina aikaisemman tiedon pohjalta. Vähintään yhtä perustellusti voidaan<br />
väittää Ausubel’in kulkeneen yhtenä konstruktiivisen oppimisajattelun edelläkävijöistä,<br />
jos tarkastellaan edellä olevaa häneltä lainattua toteamusta, jonka mukaan oppilaalla jo<br />
olemassa olevan tiedon varaan uutta tietoa konstruoidaan<br />
5.4 Induktio - deduktio<br />
Ausubel’in mukaan oppimisprosessi etenee deduktiivisesti, pääosin assimilaation<br />
muodossa, toisin kuin varhainen, erityisesti ennen kouluikää tapahtuva, välittömien<br />
49
kokemusten kautta tapahtuva, käsitteiden induktiivinen muodostuminen. Hän toteaa<br />
lisäksi, että oppiminen on ennen kaikkea uusien käsitteiden assimiloitumista, liittämistä,<br />
oppijan kognitiiviseen rakenteeseen. Oppimisessa edetään abstrakteista ja yleisistä<br />
määritelmistä niiden konkreetteihin ilmenemismuotoihin. Toisaalta Ausubel’in<br />
näkemyksen mukaan oppimisprosessin tulee tapahtua tietoisesti myös yksittäistapauksista<br />
kohti abstraktia ja yleistä. Hän pitää kuitenkin tällaista induktiivista<br />
’lisäprosessia’ deduktiiviselle lähestymistavalle alisteisena.<br />
Oppiminen ei ole Ausubel’inkään ajattelussa pelkkää deduktiota tai induktiota,<br />
vaan oppimisen etenemissuunnat voivat vaihdella tilanteen mukaan ’ylhäältä alas’ tai<br />
’alhaalta ylös’. Suunnat ovat kuitenkin selvästi lineaarisia eikä ’ausubeliläinen’ opetusoppimis<br />
–ajattelu ilmennä samanlaista syklisyyttä ja dynaamisuutta kuin Kurki-<br />
Suonioiden edustama opetuksen ja oppimisen hahmottava prosessuaalisuus, jossa<br />
induktio ja deduktio ovat jatkuvassa hedelmällisessä vuorovaikutussuhteessa luovan<br />
intuitiivisen oivalluksen toimiessa prosessin käyttövoimana.<br />
Vaikka Ausubel’in advance organizer –periaate perustuu assimilaatioprosessiin<br />
nojautuvaan, vahvasti deduktiiviseen, teoriapainotteiseen opetukselliseen strategiaan, on<br />
siinä mukana myös induktiivinen elementti. Siksi Ausubel’in advance organizer –<br />
periaatetta voisi hyvällä syyllä kutsua semi-teoreettiseksi opetukselliseksi lähestymistavaksi.<br />
Kurki-Suonioiden hahmottavassa lähestymistavassa perustana oleva monipuolinen<br />
kokeellisuus välttämättömän teoreettisen näkökulman täydentämänä ilmaisee<br />
oleellisen eron Ausubel’in advance organizer –periaatteeseen verrattuna.<br />
On myös huomattava, että esijärjestinperiaate on lähinnä opetuksellinen<br />
lähestymistapa ei varsinainen opetuksessa noudatettava työtapa, jollaisena hahmottavaa<br />
lähestymistapaa vahvasti kokeellisuuteen nojaavana sen sijaan voidaan pitää.<br />
Opetuksessa molemmat menetelmät voitaneen kuitenkin luontevasti yhdistää yhdeksi<br />
opetukselliseksi kokonaisuudeksi.<br />
5.5 Oppilas - opettaja<br />
Hahmottava lähestymistapa painottaa oppilaan omaa roolia hahmotusprosessin eri<br />
vaiheissa. Kurki-Suoniot toteavat, että jokainen luo omat hahmonsa. Tässä kehittymisprosessissa<br />
on heidän mukaansa kysymys oppilaan omien havaintojen ja hänen oman<br />
mielensä vuorovaikutusprosessista, joka kehittyy oppilaan hallussa olevista rakennusaineksista<br />
ja työkaluista. Opettaja voi opastaa oppilasta havaitsemaan hahmoja. Opettaja<br />
ei voi kuitenkaan hahmottaa oppilaan puolesta. Opettajan tehtävänä on oppilaan<br />
oppimisen tukeminen mutta oppiminen jää oppilaan omaksi mielensisäiseksi<br />
prosessiksi. Kurki-Suoniot eivät pidä opettajan roolia niinkään vastausten antajana vaan<br />
oppilaan omien kysymysten herättelijänä.<br />
Saman suuntaisia ajatuksia on Ausubel esittänyt koulun ja opettajan roolista<br />
oppilaan oppimisprosessin yhteydessä. Hänen mielestään koulun ei voi milloinkaan<br />
olettaa ottavan koko vastuuta oppilaan oppimisesta. Oppilaan on itse oltava aktiivinen ja<br />
kriittinen. Hänen täytyy päättäväisesti pyrkiä ymmärtämään ja säilyttämään mielessä<br />
mitä hänelle on opetettu. Ausubel’in mukaan oppilaan on itse yritettävä yhdistää uudet<br />
oppimistehtävät aiemmin omaksumaansa tietoon ja omakohtaisiin kokemuksiin. Hänen<br />
on ’käännettävä’ uudet opittavat asiat ’omalle kielelleen’. Hänen on riittävästi<br />
ponnistettava voimiaan hallitakseen uusia asiasisältöjä. Oppilaan on osattava esittää<br />
mielekkäitä kysymyksiä ja pyrittävä tunnollisesti ratkaisemaan hänelle esitettyjä<br />
ongelmia. Vaikka Ausubel näkee oppilaan oman roolin keskeiseksi oppimistapahtumassa,<br />
ei hän kuitenkaan vaadi oppilastakaan ottamaan kokonaan vastuuta oppimisestaan.<br />
50
Niin Ausubel’in kuin Kurki-Suonioidenkaan mielestä ei voida olettaa, että oppilas<br />
itse ’keksii uudelleen’ kaiken opittavaksi tarkoitetun tiedon. He näkevätkin opettajan<br />
ohjaavan roolin tärkeänä keskeisen oppiaineksen valinnassa, organisoinnissa, tulkitsemisessa<br />
ja jäsentämisessä oppilaalle mielekkäiksi kokonaisuuksiksi.<br />
5.6 Käsiterakenteet ja kokonaisuudet<br />
Kurki-Suoniot toteavat, että tiedolla ja oppimisella on tietty biologinen perustansa:<br />
niiden tiedetään muodostavan aivoihin verkkorakenteita minkä pitäisi sen tähden olla<br />
fysiikan valmiin kiinteän ja laajan tietorakenteen oppimisen kannalta edullinen. Ausubel<br />
puolestaan rinnasti tavan, jolla tieteellinen tieto järjestyy tietojärjestelmiksi ja tavan,<br />
miten ihminen rakentaa omaa tiedon struktuuriaan (ks. 3.2.2). Ausubel’in mukaan eri<br />
tieteenalojen käsitejärjestelmät muodostavat hierarkkisia rakenteita, joiden huipulla on<br />
abstrakteja yläkäsitteitä ja alapäässä hyvinkin konkreettisia, arkipäivän elämään liittyviä<br />
käsitteitä. Ausubel näki oppimisteoriansa kohteena mm. oppimäärän sisällön: tieto<br />
järjestäytyy opetettavan oppiaineen käsitehierarkian mukaisesti.<br />
Kurki-Suoniot toteavat edelleen, että fysiikan opetuksen tavoitteissa pääpaino on<br />
maailmankuvalla ja ajattelutavalla, joilla on keskeinen merkitys lukion yleisten<br />
tavoitteiden kannalta. He nostavatkin tiedon rakenteellisten kokonaisuuksien<br />
hahmottamisen tärkeämmäksi kuin pirstaleisen detaljitiedon opettamisen.<br />
Kokonaisuuden hahmottamisen ja ajattelutavan ohjaamisen fysikaaliseen suuntaan<br />
pitäisikin heidän mielestään olla opetuksen ensisijaisia pyrkimyksiä. Niiden tulisi<br />
leimata kaikkea opetusta. Hahmottava lähestymistapa pitää detaljitietoja kuitenkin<br />
välttämättöminä, mutta niillä ei ole siinäkään itseisarvoa. Ne ovat ainoastaan<br />
kokonaisuuksien hahmottamisen materiaalia. Tiedon palaset asettuvat kohdalleen,<br />
kokonaisuus hahmottuu, sen osat ymmärretään rakenteen kautta eivätkä detaljit enää ole<br />
raskaita ja muistia rasittavia.<br />
Suurena ongelmana fysiikan opetuksessa Kurki-Suoniot näkevät rakenteellisten<br />
kokonaisuuksien hahmottamisen puutteen. Fysiikan varsinaiset ”asiat” ovatkin<br />
yhdentäviä käsitteitä, peruslakeja ja yleisiä periaatteita. Detaljien mukaan ottaminen tai<br />
pois jättäminen on paljolti didaktinen valinta sen perusteella, miten opettaja katsoo sen<br />
palvelevan näiden opettamista. Opetuksellaan opettaja itse määrittelee ”asian”. Mitä<br />
selvemmin opetus kokoaa detaljit rakenteiksi, sitä vähemmän näyttää ”asioita” olevan.<br />
Ausubel’in näkemys on, että järjestimet epäilemättä helpottavat enemmän<br />
tosiasioihin perustuvan materiaalin kuin abstraktin materiaalin oppimista, koska<br />
abstraktiot eräässä mielessä kantavat mukanaan omia sisäisiä järjestimiään. Niinpä<br />
Ausubel pitääkin suositeltavana rajoittaa järjestimien käyttö sellaiseen oppimateriaaliin,<br />
joka käsittää helposti luokiteltavien tai tosiasioihin perustuvien sisältöjen konkreettisia<br />
kokonaisuuksia. Mielenkiintoinen kysymys onkin nyt advance organizer –periaatteen<br />
soveltuvuus ja käyttökelpoisuus fysiikan hierarkkisen käsitejärjestelmän kannalta,<br />
erityisesti sen eriasteisten hierarkiatasojen näkökulmasta (ks. 4.1.4). Fysiikan<br />
käsitejärjestelmässä harppaus alemmalta hierarkiatasolta seuraavalle, ylemmälle tasolle<br />
kvanti<strong>fi</strong>oinnein ja strukturoinnein merkitsee jyrkkiä abstraktioportaita. Suureiden tason<br />
käsitteiden abstraktioaste on jo selvästi korkeampi kuin olioiden ja ilmiöiden tason.<br />
Ausubel on myös esittänyt, että ennakkojäsentäjien käytöstä opetuksessa ja<br />
oppimisessa saatu hyöty riippuu siitä kuinka organisoitua itse oppimateriaali on. Mikäli<br />
se on jo hyvin organisoitua, sisältää materiaali omat sisäänrakennetut järjestimensä.<br />
Silloin suuri osa esijärjestimien tarjoamista mahdollisista eduista jäävät toteutumatta.<br />
Mikä on tässä suhteessa esimerkiksi lukion fysiikan oppikirjojen tilanne? Fysiikan<br />
hierarkkinen käsiterakenne pakottaa oppikirjat etenemään asioiden käsittelyssä tarkkaan<br />
organisoidussa järjestyksessä. Ainoan poikkeuksen tähän ’kovaan hierarkiaan’ tekee<br />
51
kvalitatiivisen tason perushahmotuksen ’pehmeä hierarkia’, joka antaa mahdollisuuden<br />
edetä opetuksessa tarkkaan organisoitua järjestystä vapaammin tunnistamisineen ja<br />
luokitteluineen. Kvantitatiivinen, suureiden ja lakien, taso ei sen hierarkian ja korkean<br />
abstraktioasteen takia olisikaan Ausubel’in ajattelun mukaan enää esijärjestimien<br />
opetukselliselle käytölle yhtä hyödyllinen kuin kvalitatiivinen taso. Joskin hän kyllä<br />
huomauttaa, että huolimatta oppimateriaalin organisoinnin asteesta ja käsitteiden<br />
abstraktioasteesta esijärjestimien käytöllä voidaan tukea oppimista ja mieleen<br />
painamista.<br />
Hahmottava lähestymistapa nojaa vankasti fysiikan käsitehierarkiaan, jonka<br />
ensimmäisen tason, kvalitatiivisen kielen tason, keskeisenä empiirisenä elementtinä on<br />
aistihavaintojen, kokemusten ja mielikuvien tunnistava hahmottaminen. Tämän<br />
olioiden, ilmiöiden ja niiden ominaisuuksien perushahmottavan tason konkretia<br />
vastannee parhaiten Ausubel’in tarkoittamaa tosiasioihin perustuvaa materiaalia. Vaikka<br />
tämän tason käsitteet ovatkin havaintotodellisuuden abstrakteja vastineita, voidaan<br />
perushahmojen luokitteluja esittää ’ausubeliläisen’ käsitehierarkian (ks. 3.2.2, kuva 1)<br />
periaatteiden mukaisesti. Näyttääkin siltä, että advance organizer –periaate sopii<br />
parhaiten juuri kvalitatiivisen tason tunnistavaan luokitteluun, jonka<br />
havainnollistamiseksi soveltuvat yhtä hyvin erilaiset graa<strong>fi</strong>set kuin kuvin varustetut<br />
lineaarisetkin esijärjestimet.<br />
5.7 Yleisarviot<br />
Vaikka tässä esitettävä advance organizer –periaatteen ja hahmottavan lähestymistavan<br />
yleisarvioiden tarkastelu ei kenties teekään niille sellaista oikeutta minkä ne epäilemättä<br />
ansaitsisivat, olen sen kuitenkin päättänyt liittää mukaan. Perusteena on selkeä<br />
näkemykseni niin advance organizer –periaatteen kuin hahmottavan lähestymistavankin<br />
osalta se, että molempia voidaan pitää opetuksellisina strategioina, joiden tarkoituksena<br />
on auttaa oppilasta ympäristön ilmiöitä havainnoimalla luomaan mielikuvia ja<br />
konstruoimaan omaa tietorakennettaan vastaamaan mahdollisimman hyvin tieteellisen<br />
(tässä fysikaalisen) tiedon rakentumista ja samalla tarjoamaan hänelle entistä<br />
selkeämpiä ymmärtämisen elementtejä.<br />
Hahmottavan lähestymistavan ’teorian’ arvioinnin pohjana on Engeströmin<br />
(1984) esittämä arvio Ausubel’in ennakkojäsentäjien teoriasta. Tässä yhteydessä<br />
Engeström puhuu orientoinnista, tarkoittaen orientoitumisella suunnitelmien tai<br />
ohjelmien luomista välittömästi niitä seuraavia tekoja varten. Hän pitää<br />
orientoitumiselle ominaisena sitä, että syntynyt suunnitelma tai ohjelma muodostuu<br />
’sisäisenä kuvana’. Tällainen kuva on pelkistys tilanteesta ja suoritettavasta teosta.<br />
Muodostunutta kuvaa Engeström kutsuu orientaatioperustaksi.<br />
Engeström (1984) kiteyttää orientoinnin keskeisen ajatuksen seuraavasti:<br />
tavoiteorientoinnissa on kyse oppilaiden oppimistoiminnan tietoisuuden ja laadun<br />
kohottamisesta; tavoiteorientoinnissa pyritään jo oppimistyöskentelyn alkuvaiheessa<br />
paljastamaan oppilaille opittavan aineksen tai asian kokonaisrakenne ja periaatteet,<br />
johtoajatukset, joilla on mahdollisimman suuri selitysvoima, sovellettavuus ja<br />
siirtovaikutus aineksen yksityiskohtien ja sovellusten suhteen; tavoiteorientointi ei<br />
rajoitu opetuksen alkuun, vaan muodostettua orientaatiota käytetään systemaattisesti<br />
omaksumisen ja soveltamisen pohjana ja apuneuvona opetus-oppimis –prosessin eri<br />
vaiheissa.<br />
Esijärjestinteorian arviointiperusteina, arvioinnin kriteereinä, Engeström käyttää<br />
seuraavia kysymyksiä: 1) Mistä ja miten johdetaan orientaation sisältö ja rakenne? 2)<br />
Miten taataan oppimisen suuri siirtovaikutus? 3) Mikä on tiedon ja toiminnan suhde? ja<br />
52
4) Miten orientointia käytetään opetus-oppimis –prosessissa? Arvioinnin<br />
havainnollistamisessa Engeström käyttää kuvan 8 sisältämää perusmallia.<br />
53<br />
OPITTAVA<br />
TIETOAINES<br />
OPPILAS<br />
KÄYTÄNTÖ,<br />
TODELLISUUS<br />
Kuva 8. Arvioinnin perusmalli.<br />
Perusmalli lähtee siitä yksinkertaisesta ajatuksesta, että oppimiseen ja opetukseen<br />
vaikuttaa ensisijaisesti kolme osatekijää: oppilasyksilö, se todellisuus ja käytäntö, jonka<br />
ympäröimänä oppilasyksilö elää ja toimii sekä tietoaines, jonka avulla tuota<br />
todellisuutta ja käytäntöä pyritään ymmärtämään ja hallitsemaan. Engeström toteaa, että<br />
arvioinnissa on kyse viime kädessä siitä, kuinka näiden kolmen tekijän väliset suhteet<br />
on esijärjestinteoriassa hahmotettu ja selitetty.<br />
Vastauksena ensimmäiseen kysymykseen Engeström toteaa, että esijärjestimien<br />
sisältö johdetaan kahdesta lähteestä: (a) oppilaiden aiemman tietorakenteen analyysista<br />
ja (b) opittavan tekstin tai vastaavan materiaalin yläkäsitteiden analyysista. Oppilaiden<br />
lapsuudessa spontaanisti omaksuma käsitevarasto kohotetaan kaiken oppimisen<br />
ratkaisevaksi säätelijäksi. Hän jatkaa edelleen, että esijärjestimien lähtökohtana on<br />
niiden sisäinen loogisuus, mutta niiden laadun kriteerinä ei ole kuitenkaan<br />
todenmukaisuus, selityskyky suhteessa ympäröivään todellisuuteen ja käytäntöön. Tieto<br />
on näin irrotettu todellisuudesta ja käytännöstä. Samalla on menetetty mahdollisuus<br />
erottaa toisistaan aito teoreettinen, selittävä tieto ja empiirinen, kuvaileva ja luokitteleva<br />
tieto. Tieto muodostuu kuolleeksi muistivarastoksi, jonka ei tarvitse syntyä selityksenä<br />
käytännön ongelmiin eikä toimia käytännön hallinnan ja muuttamisen välineenä. Tiedon<br />
aineellinen ja reaalinen alkuperä häviää, tiedosta tulee kirjatietoa. Ausubel ei vaadi<br />
’yläkäsitteiltä’ muuta kuin formaalia yleisyyttä. Engeström esittää niin ikään, etteivät<br />
tällaiset empiiriset yläkäsitteet pysty vastaamaan ’miksi?’ –tyyppisiin kysymyksiin. Ne<br />
eivät myöskään kerro ilmiöiden alkuperästä ja sisäisistä suhteista, jotka määräävät<br />
ilmiöiden kehitystä ja toimintaa. Lyhyesti sanottuna sisältö ja rakenne johdetaan<br />
oppilaan kognitiivisesta struktuurista ja opittavan tekstin empiirisistä yläkäsitteistä.<br />
Vastauksena toiseen kysymykseen Engeström toteaa, että samalla kun Ausubel<br />
tavallaan sulkee luokkahuoneen ulkopuolisen todellisuuden ja käytännön teoriansa<br />
ulkopuolelle, hän joutuu myös määrittelemään siirtovaikutuksen hieman erikoisella<br />
tavalla. Kun siirtovaikutuksen käsite rajataan ennen kaikkea uuden tiedon jäsentämiseen<br />
ja varastoimiseen, voidaan esijärjestimellä epäilemättä suuresti edistää siirtovaikutusta.<br />
Engeströmin mielestä tällainen siirtovaikutus ei välttämättä ulotu luokkahuoneen<br />
ulkopuolelle. Siirtovaikutus rajataan näin entisen struktuurin vaikutukseksi uuden<br />
tekstin omaksumiseen.<br />
Vastauksena kolmanteen kysymykseen Engeström toteaa, että Ausubel erottaa<br />
tietämisen jyrkästi esineellisestä toiminnasta eikä hän ylipäänsäkään käsittele<br />
teoksissaan toimintaa, vaan tieto on ikään kuin toiminnan ylä- ja ulkopuolella.
Esijärjestin -teoriassa ei nähdä esineellistä käytännön toimintaa yhteydessä oppimiseen<br />
eikä siinä myöskään käsitellä motoristen taitojen oppimista.<br />
Vastauksena neljänteen kysymykseen Engeström toteaa, että Ausubel ei esitä<br />
selkeää teoriaa opetus-oppimis –prosessin vaiheistamisesta. Lähtökohdaksi hän kylläkin<br />
asettaa etenemisen yleisistä ja abstrakteista käsitteistä yksityiskohtiin ja konkreetteihin<br />
esimerkkeihin, mihin liittyvät Ausubel’in esittämät kolme oppimisen perusprosessia:<br />
käsitteiden progressiivinen eriytyminen, integratiivinen yhteensovittaminen sekä<br />
konsolidaatio, vakiintuminen. Esijärjestin on nimensä mukaisesti opetus-oppimis –<br />
prosessin alkupiste, mutta Ausubel ei erikseen pohdi mahdollisuutta käyttää<br />
esijärjestintä systemaattisesti opetus-oppimis –prosessin eri vaiheissa. Engeström<br />
mukaan orientoinnin rajoittaminen oppimisprosessin alkuun seuraa loogisesti<br />
Ausubel’in assimilaationäkemyksestä, jonka mukaan oppimista ei nähdä todellisten,<br />
käytännöllisten tehtävien ratkaisemisena, vaan valmiiden tekstien omaksumisena.<br />
Silloin ei nouse esiin edes kysymys, voisiko järjestimestä olla hyötyä tehtävien<br />
ratkaisemisessa ja voisiko vastaavasti tehtävien suorittaminen edistää järjestimen<br />
muodostamista ja sisäistämistä. Lyhyesti sanottuna esijärjestin rajoittuu<br />
oppimisprosessin alkuun eikä tehtävien ratkaiseminen ole oleellinen osa tätä prosessia.<br />
Ausubel’in teorian pääoivalluksena Engeström (1984, s. 35) pitää selkeää<br />
näkemystä siitä, että uuden tiedon omaksumista voidaan merkittävästi edistää<br />
kohottamalla tästä tiedosta ennakolta, oppimisprosessin alussa, esiin keskeiset<br />
yläkäsitteet. Nimenomaan tavanomaista kouluopetusta hallitsevassa vastaanottavassa,<br />
tekstien mieleen painamiseen tähtäävässä oppimisessa onkin tällä tavoin voitu saavuttaa<br />
huomattavaa tulosten paranemista. Esijärjestimet tekevät parhaimmillaan runsaasti<br />
yksityiskohtaista fakta-aineistoa sisältävän materiaalin omaksumisen mielekkääksi ja<br />
auttavat sen muistissa säilyttämistä suuresti. Perusmallin (kuva 8) valossa Ausubel’in<br />
teorian perusheikkoudeksi voidaan todeta todellisuuden (käytännön) puuttuva kytkentä<br />
oppilaaseen ja oppiainekseen, mistä seuraa myös rajoittuminen lähinnä empiiriskuvailevaan<br />
tietoon sekä motoristen taitojen oppimisen sivuuttaminen (kuva 9).<br />
Esijärjestin on siten luonteeltaan teoreettinen.<br />
54<br />
Esijärjestimet<br />
ASSIMILAATIO<br />
OPITTAVA<br />
TIETOAINES,<br />
uudet empiiriskuvailevat<br />
käsitteet<br />
OPPILAS,<br />
kognitiivinen<br />
rakenne<br />
(aikaisemmat<br />
yläkäsitteet)<br />
KÄYTÄNTÖ,<br />
TODELLISUUS<br />
Kuva 9. Yleisarvio Ausubel’in teoriasta Engeströmin (1984, 37) mukaan.<br />
Eräät Ausubel’in teorian pohjalta työskentelevät tutkijat ovat kuitenkin<br />
suorittaneet kokeiluja, joissa itse asiassa on merkittävästi edetty Ausubel’in teoreettisen<br />
järjestelmän rajoitusten yli. Tällaisia kokeiluja ovat tehneet mm. Mayer (1975; 1976),
Mayer ja Bromage (1980) ja Beeson (1981). Staattisen, kuvailevan ja luokittelevan<br />
lähestymistavan vaihtoehtona eräät tutkijat kognitiivisen psykologian piirissä ovat<br />
kehitelleet dynaamisia, ongelmanratkaisu-, ajattelu ja toimintaprosesseja ilmaisevia<br />
kuvaustapoja. Tällainen yksinkertaisesta monimutkaiseen, osista kokonaisuuteen<br />
etenevä ajattelutapa on hyvin perinteinen didaktiikassa. Opetuksellisen orientoinnin<br />
perusidea on, että opittavan asian kokonaisrakenne ja periaatteet paljastetaan oppilaille<br />
jo oppimisen alkuvaiheessa, selittäväksi ja ohjaavaksi viitekehykseksi myöhemmälle<br />
työskentelylle. Orientoinnin perusajatus on juuri eteneminen kokonaisuudesta osiin.<br />
Verrattuna Ausubel’in teoriaan joidenkin suuntauksien (ehkä myös hahmottavan<br />
lähestymistavan) etuna on pyrkimys tiedon toiminnalliseen käsittämiseen. Tieto<br />
nähdään ongelmanratkaisuprosessina (hahmottavassa lähestymistavassa hahmotusprosessina)<br />
eikä faktavarastona. Näin ollen tiedolla on myös yhteys käytäntöön ja<br />
todellisuuteen opetustilanteen ulkopuolella. (poimintoja Engeströmistä sivuilta 35, 39,<br />
58 ja 59).<br />
Hahmottavan lähestymistavan osalta vastaaminen Engeströmin esittämiin<br />
kysymyksiin ei ole aivan yhtä ’helppoa’ kuin esijärjestinteorian kohdalla. Jo pelkästään<br />
se, että hahmottavassa lähestymistavassa empiria ja teoria kytkeytyvät erottamattomaksi<br />
kokonaisuudeksi tekee siitä laaja-alaisemman kuin pelkästään teoreettiseksi<br />
lähestymistavaksi tulkittavissa oleva esijärjestinperiaate. Kun tähän lisää vielä sen, että<br />
hahmottavassa lähestymistavassa tietoa tarkastellaan hahmotusprosessina eikä valmiina<br />
tuotteena niin kuin esijärjestinperiaatteessa, eivät Engeströmin muotoilemat<br />
kysymykset kenties ole ’oikeita’ hahmottavan lähestymistavan kannalta! Jonkinlaisen<br />
karkean yleisarvion luominen niidenkin perusteella lienee kuitenkin mahdollista! Kuva<br />
10 yrittää havainnollistaa Engeströmin perusmallin pohjalta luotua yleisarviota<br />
hahmottavasta lähestymistavasta.<br />
Vastauksena ensimmäiseen kysymykseen voidaan lyhyesti todeta, että<br />
hahmottavan lähestymistavan sisältö johdetaan luonnosta ja siinä havaittavista olioista<br />
ja ilmiöistä. Luonto on tiedon alkuperäisenä lähteenä ja tietoa etsitään luonnosta.<br />
Hahmotusprosessin kautta tiedot saavat merkityksensä, joiden käsitteistämisellä luodaan<br />
hierarkkisesti kerrostuva ja asteittain abstrahoituva merkitysverkko. Perusolemukseltaan<br />
kysymyksessä on intuitiivinen prosessi, jossa mielikuvat (teoria) kytkeytyvät<br />
erottamattomasti havaintoihin (empiriaan). Tiedolla on näin vahva kytkentä<br />
todellisuuteen ja käytäntöön. Minkäänlaista tarvetta erottaa toisistaan teoreettinen,<br />
selittävä tieto ja empiirinen, kuvaileva ja luokitteleva tieto ei hahmottavassa<br />
lähestymistavassa pidetä hyväksyttävänä. Intuitio yhdistää teoreettiset ja empiiriset<br />
elementit erottamattomaksi kokonaisuudeksi, rakenteeksi, jonka loogisuus muodostuu<br />
vasta kehityksen kiteytyneenä tuloksena.<br />
Vastauksena toiseen kysymykseen voidaan esittää, että hahmottava<br />
lähestymistapa painottaa oppimisen rakentumista oppilaan omille tiedoille,<br />
kokemuksille ja mielikuville. Hahmottaminen on kunkin yksilön oma prosessi.<br />
Hahmottavan lähestymistavan kannalta on olennaista, että oppilaan luontaiset<br />
ajatusmallit edustavat hänen yksilöllisen hahmotusprosessinsa saavuttamaa<br />
kehitysvaihetta ja ne ovat syntyneet havainnon ja mielikuvien vuorovaikutuksen<br />
tuloksena. Tavoitteena on luonnollisen oppimisen ja ajattelun tieteellisten<br />
peruselementtien vahvistaminen niin, että oppilas voi kehittää mallejaan yhä paremmin<br />
havaintojaan vastaaviksi pääpainon ollessa oppilaan maailmankuvan ja ajattelutavan<br />
kehittymisellä. Hahmottavassa lähestymistavassa pyritään ensisijaisesti kokonaisuuksien<br />
hahmottamiseen ja ajattelutavan ohjaamiseen fysikaaliseen suuntaan. Näin<br />
varmistetaan aito, ymmärtämiseen nojaava, oppiminen, joka takaa opitun soveltamisen<br />
uusissa ongelmanratkaisutilanteissa niin luokassa kuin luokan ulkopuolisessa<br />
55
todellisuudessa ja käytännössä. Siirtovaikutukselle luodaan tällä tavoin mahdollisimman<br />
kestävä ja pysyvä perusta. Hahmottamisprosessi nojaa silloin tukevasti oppilaan omaan<br />
ajatustyöhön.<br />
Vastauksena kolmanteen kysymykseen on aiheellista tarkastella oppilaan<br />
tietämistä toimintana, jolla on kohteena luonto ja välineenä tieto (empiiriset ja<br />
teoreettiset käsitteet, mallit). Teoreettista käsitettä voidaan pitää menettelytapana,<br />
prosessina, tietyn ilmiön olemuksen määrittelemiseksi ja sen ilmenemismuotojen<br />
johtamiseksi olemuksesta. Luonnontieteiden jäsentyneet tiedonalat voidaan käsittää<br />
toimintajärjestelmiksi, eikä fysiikkaa voi käsittää faktojen, lakien ja määritelmien<br />
kokoelmiksi, vaan tutkijoiden ja soveltajien kehittämäksi ja ylläpitämäksi<br />
toimintajärjestelmäksi. Teoreettisen tiedon erityisiä muotoja ovatkin tutkimustoiminta ja<br />
kehittynyt oppimistoiminta. Mallit puolestaan ovat toiminnan välineitä: teoreettisen<br />
tiedon muodostaminen ja hallinta edellyttävät oppimistoimintaa, jolla on kehittynyt<br />
rakenne. Tieto synnytetään käytännöstä ja se palaa siihen yhä uudelleen. Hahmottavaa<br />
lähestymistapaa noudattavassa opetuksessa esittäminen, selittäminen, soveltaminen ja<br />
keksiminen on alistettu hahmottamiselle, mikä merkitsee erityisesti esittämisprosessin<br />
primaarisuutta muihin prosesseihin nähden. Esittämisprosessin empiria on silloin<br />
merkityksiä luovaa, perushahmotusta tukevaa, kokeellista toimintaa, erityisesti kaikki<br />
kvanti<strong>fi</strong>oivat kokeet. Selittämisprosessin empiria on puolestaan todentavaa tai testaavaa<br />
kokeellista toimintaa, esimerkkinä opettajan esittämät demonstraatiot. Teknologisesti<br />
painottuvassa opetuksessa teoreettinen lähestyminen nojautuu soveltamisprosessiin,<br />
jonka empiria on soveltavaa kokeellista toimintaa. Siinä tarkastellaan esitetyn teorian<br />
sovelluksia käytäntöön, esimerkiksi erilaisia koneita ja niiden toimintaperiaatteita.<br />
Teknologisesti painottuvassa opetuksessa käytännön ongelmiin keskittyvä<br />
lähestyminen nojautuu keksimisprosessiin, jonka empiria on keksijän kokeellista<br />
toimintaa. Hahmottavassa lähestymistavassa tieto ja toiminta yhdistyvät yhdeksi<br />
tiedonluomisen dynaamiseksi toiminnaksi, joka on jatkuvassa empirian ja teorian<br />
sisäänsä sulkemassa hahmotusprosessissa.<br />
Vastauksena neljänteen kysymykseen voisi ensimmäiseksi todeta, että hahmottava<br />
lähestymistapa kattaa koko opetus-oppimis -prosessin. Oppiminen alkaa<br />
aistihavaintojen hahmottamisesta. Syntyvistä hahmoista, mielikuvista, rakentuu<br />
vähitellen se ajatusmaailma, jonka kuvaamiseen ja välittämiseen tarvitaan kieltä.<br />
Ensimmäisessä vaiheessa, kvalitatiivisen tason perushahmotuksessa, syntyvät<br />
mielikuvat olioista, ilmiöistä ja niiden ominaisuuksista luonnon ilmiöistä tehtyjen<br />
havaintojen jäsentyneinä hahmoina. Liittämällä niihin vaikuttamisen ja aiheuttamisen<br />
hahmot, muodostuu hahmokokonaisuus – ilmiön mentaalinen kausaalimalli. Sen<br />
rakentamista pidetään hahmottavassakin lähestymistavassa fysiikan opetuksen<br />
ensimmäisenä perustehtävänä. Seuraavalla, kvantitatiivisella tasolla, luodaan<br />
ominaisuuksista suureita kvanti<strong>fi</strong>oinnin rakentaessa kvantitatiivisen käsitejärjestelmän<br />
kvalitatiivisen hahmokokonaisuuden varaan. Kausaalisen mentaalimallin kvanti<strong>fi</strong>ointiin<br />
nojautuva strukturointi johtaa viimein teorioiden tasolle. Näin hahmottavaa<br />
lähestymistapaa noudattavassa fysiikan opetuksessa edetään kohti yhä abstraktimpia<br />
käsitteitä ottamalla huomioon erityisesti kvantitatiivisella tasolla ’asioiden’<br />
oppimisjärjestys. Opetus-oppimis -prosessi lähtee kvalitatiiviselta tasolta,<br />
perushahmotuksesta ja esikvanti<strong>fi</strong>oinnista, tähdäten kvantitatiiviselle tasolle, suureisiin<br />
ja lakeihin.<br />
56
57<br />
OPITTAVA<br />
TIETOAINES<br />
uudet empiiriset ja<br />
teoreettiset käsitteet/<br />
fysiikan tietorakenne<br />
hahmottaminen<br />
tieto<br />
merkitysten luominen<br />
synnytetään<br />
ajattelu<br />
todellisuudesta,<br />
, ymmärtäminen empiirinen käsitteenmuodostus<br />
OPPILAS<br />
oppilaan omaksuma<br />
käsite- ja tietorakenne,<br />
ajattelumalli,<br />
mielikuvat<br />
havainnointi,<br />
kokeellinen<br />
toiminta<br />
TODELLISUUS,<br />
KÄYTÄNTÖ:<br />
empiria,<br />
kokeellisuus<br />
Kuva 10. Yleisarvio Kurki-Suonioiden teoriasta (oma hahmotelmani Engeströmin<br />
esittämän yleisarvioinnin pohjalta).<br />
5.8 Oppikirjatarkastelu/mekaniikka<br />
Ausubel’in esijärjestinperiaatteen ja Kurki-Suonioiden hahmottavan lähestymistavan<br />
suhteen selvittelyssä mahdollista lisävalaistusta antanee lukion fysiikanopetukseen<br />
tarkoitettujen kirjasarjojen Galilei, Fysiikka ja Lukion fysiikka tarkastelu, joka<br />
kohdistuu mekaniikan kursseihin. Mainituista kirjasarjoista kohteena ovat Galilein<br />
osalta Galilei 3 (Mekaniikka 1) ja Galilei 4 (Mekaniikka 2), Fysiikka –sarjan osalta<br />
Fysiikka 1 (Fysiikka luonnontieteenä, s. 51-94) ja Fysiikka 3 (Mekaniikka, s. 5-110),<br />
Lukion fysiikka –sarjan osalta voima ja liike 1 sekä voima ja liike 2. Fysiikka –sarjan<br />
tarkasteluun otettiin mukaan kaikille oppilaille yhteisen kurssin Fysiikka<br />
luonnontieteenä mekaniikkaa käsittelevä osuus, koska Fysiikka –sarjassa on vain yksi<br />
suppeahko mekaniikan syventävä kurssi. Galileissa ja Lukion fysiikka –sarjassa on sen<br />
sijaan mekaniikka jaettu kahdeksi syventäväksi kurssiksi. Tällä menettelyllä saataneen<br />
totuudenmukaisempi kuva kirjatarkastelusta kuin ottamalla mukaan pelkästään kirjan<br />
Fysiikka 3 mekaniikan kurssi, jonka alku nojaa vahvasti Fysiikka 1:n mekaniikan<br />
käsittelyyn.<br />
Galilei valittiin siksi, että se on kirjoitettu hahmottavan lähestymistavan periaatteita<br />
noudattaen. Fysiikka –sarja siksi, että se on maamme lukioissa edelleen laajalti käytetty<br />
fysiikan oppikirja. Lukion fysiikka valittiin sen tähden, että se on uudehko ja<br />
lähestymistavaltaan (humanistis-historiallinen) Galileista (kokeellinen, hahmottava) ja<br />
Fysiikka –sarjasta (teoreettinen) poikkeava. Kirjasarjojen vertailu tehtiin ensin<br />
kvantitatiivisesti ja sen jälkeen tarkasteltiin kutakin kirjasarjaa erikseen kvalitatiivisesti<br />
ja sisällöllisesti.<br />
5.8.1 Kvantitatiivinen tarkastelu.<br />
Kirjasarjojen tarkastelussa käytettiin kappaleessa 3.6 esiteltyä esijärjestintaksonomiaa.<br />
Sen luokittelua noudattaen etsittiin kustakin kirjasarjasta vastaavat esijärjestimet, jotka<br />
merkittiin sivunumeroviittein taulukkoon (liite 1). Koska alkuperäinen ’ausubeliläinen’
esijärjestin on ennen varsinaista asiatekstiä sijaitseva esitysmuodoltaan suorasanainen<br />
tekstikappale, ovat taulukossa ylimpänä tekstimuotoiset esijärjestimet.<br />
Kirjoja tarkasteltaessa ilmeni jo alkuvaiheessa, ettei tekstin tulkinta esijärjestimeksi<br />
olekaan aivan yksiselitteistä. Periaatteeksi otettiin kuitenkin väljä tulkinta sen suhteen,<br />
loiko kyseessä oleva teksti yleistä mielikuvaa sitä seuraavassa perustekstissä käsitellystä<br />
aiheesta. Mikäli näin oli, tulkittiin perustekstin alussa ollut tekstikappale(et)<br />
esijärjestimeksi. Tätä tapaa noudattaen käytiin jokainen kirja läpi ja merkittiin kaikkien<br />
’esijärjestinehdokkaiden’ sivunumerot taulukkoon. Sivunumeroviitteitä kertyi<br />
taulukkoon lopulta niin paljon, että heräsi epäily käytetyn tulkinnan liiallisesta<br />
väljyydestä ’esijärjestinehdokkaiden’ antamasta yleisestä mielikuvasta suhteessa<br />
perustekstiin. Kirjat käytiinkin toiseen kertaan läpi ja ’ehdokkaiden’ joukosta poistettiin<br />
ne, jotka eivät selvästi eronneet yleisyydellään asiaa käsittelevästä perustekstistä.<br />
Lisäksi hylättiin sellaiset, joihin liittyvän perustekstin määrä oli niin vähäinen, ettei niitä<br />
ollut aihetta pitää esijärjestiminä.<br />
Kahden tarkastelukierroksen jälkeen ehdokkaista jäi jäljelle vielä iso osa, joka on<br />
taulukkoon merkitty lihavoiduin sivunumeroviittein. Tekstimuotoisten esijärjestimien<br />
yhteydessä oli joissakin tapauksissa myös kuva ilman kuvatekstiä (Teksti (+kuva)).<br />
Tällainen kuva katsottiin kuuluvaksi kyseiseen tekstimuotoiseen esijärjestimeen,<br />
esimerkiksi Lukion fysiikka 1:n sivulla 8 lohen hyppy koskessa. Monien hyväksyttyjen<br />
esijärjestimien, muiden kuin tekstimuotoisten, kohdalla on käytetty alleviivausta<br />
osoittamaan sitä, että kyseisen esijärjestimen katsottiin muodostavan samoilla<br />
sivuilla olevien muiden esijärjestimien kanssa yhden esijärjestinkokonaisuuden.<br />
Näin esimerkiksi Galilei 3:n sivujen 6-9 esijärjestinkokonaisuuteen kuuluu<br />
tekstimuotoisen ohella sivun 9 rakenteinen yleiskatsaus -muotoinen, sivun 7<br />
käsitteellinen malli –muotoinen ja sivujen 6, 7, 8 ja 9 kuva (+kuvateksti) –muotoiset<br />
esijärjestimet. Tällainen samoilla sivuilla sijaitsevien esijärjestimien yhdistäminen<br />
tehtiin siksi, että oppikirjan lukijan oletetaan tarkastelevan niitä yhtenä kokonaisuutena.<br />
Tässä vaiheessa hyväksytyille esijärjestimille tehtiin vielä kolmas tarkastelukierros,<br />
jonka tarkoituksena oli löytää ’ausubeliläisessä’ hengessä kirjoitetut esijärjestimet.<br />
Niiltä vaadittiin nimenomaan abstraktisuutta, yleisyyttä ja kattavuutta suhteessa<br />
käsiteltävään aiheeseen (ks. kappale 3.8). Erityisesti pyrittiin kiinnittämään huomiota<br />
Ausubel’in esijärjestinperiaatteelle tyypillisen luokitteluun tähtäävän tavoitteen<br />
ilmenemiseen esijärjestimessä. Edellä mainittuja kriteerejä käyttäen karsiutui kahden<br />
tarkastelukierroksen jälkeen hyväksytyistä esijärjestimistä suuri osa pois. Jäljelle jääneet<br />
on merkitty liitteen 1 taulukkoon kaksoisalleviivauksella (esim. G3, 6-9).<br />
Liitteen 1 taulukossa merkintä (G3 ) tarkoittaa Galilei 3:n esijärjestimiä, merkintä<br />
(G4 ) Galilei 4:n esijärjestimiä, merkintä (F1 ) Fysiikka 1:n esijärjestimiä, merkintä<br />
(F3 ) Fysiikka 3:n esijärjestimiä, merkintä (Lf1 ) Lukion fysiikka –sarjan voima ja<br />
liike 1:n esijärjestimiä ja merkintä (Lf2 ) Lukion fysiikka –sarjan voima ja liike 2:n<br />
esijärjestimiä.<br />
Taulukon perusteella laskettiin kunkin kirjasarjan kohdalta hyväksyttyjen<br />
esijärjestimien (lihavoitujen sivunumeroviitteiden) lukumäärät, jotka taulukoitiin<br />
vastaavien esijärjestinmuotojen kohdalle taulukkoon 2. Saman taulukon alimmalle<br />
riville laskettiin yhteen kaikkien saman kirjasarjan esijärjestimien lukumäärät.<br />
58
59<br />
Taulukko 2. Esijärjestimien lukumäärät kirjasarjoissa.<br />
Galilei<br />
Fysiikka<br />
Lukion<br />
fysiikka<br />
Tunnus<br />
Teksti (+kuva(t)) 22 14 27 A<br />
Luettelo/Jäsentely 3 5 4 B<br />
Rakenteinen yleiskatsaus 2 1 0 C<br />
Käsitekartta 0 0 0 D<br />
Tietokartta 0 0 0 E<br />
Tietoverkko 0 0 0 F<br />
Matriisi 0 0 1 G<br />
Käsitteellinen malli 6 0 0 H<br />
Kaavio 2 0 0 I<br />
Kuva +kuvateksti 23 14 10 J<br />
Yhteensä 58 34 42<br />
Taulukon 2 perusteella piirrettiin Excel –taulukkolaskentaohjelman avulla<br />
pylväsdiagrammi (kuva 8) havainnollistamaan esijärjestimien määriä kussakin<br />
kirjasarjassa. Pylväiden korkeudet kuvaavat kunkin kirjasarjan esijärjestimien<br />
yhteenlaskettuja lukumääriä (ks. taulukko 2 alin rivi). Pylväässä eri kerrokset<br />
puolestaan kuvaavat kustakin tarkastellusta kirjasarjasta löytyneiden eri esijärjestinmuotojen<br />
(tunnuksin A,B,C,….) lukumääriä.<br />
60<br />
J<br />
I<br />
Lukumäärä [kpl]<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Galilei Fysiikka Lukion fysiikka<br />
H<br />
G<br />
F<br />
E<br />
D<br />
C<br />
B<br />
A<br />
Kirjasarja<br />
Kuva 11. Esijärjestimien lukumäärät.<br />
Kuvan 11 perusteella voidaan todeta, että Galilei –sarjassa järjestinmuodoista<br />
käsitteellisten mallien (valkoinen kerros pylväässä) ja kuvien (ylin kerros kaikissa<br />
pylväissä) osuus erottuu selvästi kahdesta muusta kirjasarjasta. Käsitteellisiä malleja ei<br />
löytynyt Fysiikka –sarjasta eikä Lukion fysiikka –sarjasta lainkaan. Lukion fysiikka –<br />
sarjan lähestymistapa selittänee tekstimuotoisten esijärjestimien (pylvään alin kerros)<br />
määrällisen ’voiton’ kahdesta muusta kirjasarjasta. Kuvan 11 perusteella voidaan myös
todeta, että Galileista löytyi kuusi (6) erilaista järjestinmuotoa, kun Fysiikka –sarjasta ja<br />
Lukion fysiikka –sarjasta löytyi molemmista neljä (4) muotoa.<br />
Sen jälkeen, kun esijärjestinkokonaisuuksien (ks. edellä) tarkastelu oli tehty, jäi<br />
esijärjestimiä jäljelle taulukon 3 osoittamat lukumäärät. Tässä siis tekstimuotoisen<br />
esijärjestimen yhteydessä olleiden muun muotoisten esijärjestimien katsottiin<br />
muodostavan yhden kokonaisuuden.<br />
Taulukko 3. Esijärjestimien lukumäärät kokonaisuustarkastelun jälkeen.<br />
Lukion<br />
Galilei Fysiikka fysiikka<br />
Tunnus<br />
Teksti (+kuv(i)a) 22 14 27 A<br />
Luettelo/Jäsentely 1 2 3 B<br />
Rakenteinen yleiskatsaus 0 0 0 C<br />
Käsitekartta 0 0 0 D<br />
Tietokartta 0 0 0 E<br />
Tietoverkko 0 0 0 F<br />
Matriisi 0 0 0 G<br />
Käsitteellinen malli 1 0 0 H<br />
Kaavio 0 0 0 I<br />
Kuva +kuvateksti 0 4 0 J<br />
Yhteensä 24 20 30<br />
Taulukon 3 perusteella piirrettiin taas Excel –taulukkolaskentaohjelman avulla<br />
pylväsdiagrammi (kuva 12) havainnollistamaan esijärjestimien määriä kokonaisuustarkastelujen<br />
jälkeen kussakin kirjasarjassa.<br />
60<br />
Lukumäärä [kpl]<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Galilei Fysiikka Lukion fysiikka<br />
J<br />
I<br />
H<br />
G<br />
F<br />
E<br />
D<br />
C<br />
B<br />
A<br />
Kirjasarja<br />
Kuva 12. Esijärjestimien lukumäärät kokonaisuustarkastelun jälkeen.
Kuvan 12 perusteella voidaan todeta, että kokonaisuustarkastelu vaikutti suhteellisesti<br />
eniten Galilein esijärjestimien määrään. Tulos seuraa luonnollisesti siitä, että Galileissa<br />
on kirjasarjoista kaikkein laajin esijärjestinmuotojen valikoima. Tulokseen vaikuttaa<br />
myös se, että Galileissa käsiteltävän aiheen hahmotuksessa käytetään erilaisia<br />
esijärjestinmuotoja yhdessä kahta muuta kirjasarjaa monipuolisemmin. Esimerkiksi<br />
Galilein kaikki kuvamuotoiset esijärjestimet (vrt. taulukossa 2 23 kpl ja taulukossa 3 0<br />
kpl) ja käsitteellinen malli –muotoisista esijärjestimistä yhtä lukuun ottamatta muut<br />
(vrt. taulukossa 2 6 kpl ja taulukossa 3 1 kpl) katsottiin kuuluviksi johonkin<br />
esijärjestinkokonaisuuteen, jonka runkona on tekstimuotoinen esijärjestin. Kuva 9<br />
havainnollistaa selkeästi ’kokoamisen’ vaikutusta esijärjestimien lukumääriin, erityisesti<br />
Galilein osalta.<br />
Kolmannen tarkastelukierroksen jälkeen esijärjestimiä jäi jäljelle taulukon 4<br />
osoittamat määrät. Tavoitteena tarkastelussa pidettiin, että voitaisiin erottaa Ausubel’in<br />
ajattelun mukaiset esijärjestimet sellaisista tavanomaisista johdannoista, joiden<br />
abstraktisuuden, yleisyyden ja kattavuuden taso ei nouse eikä ulotu käsiteltävien<br />
aiheiden perustekstin tasoa korkeammalle ja laajemmalle. Hylätyksi joutui moni sekä<br />
historiallista lähestymistapaa noudattava että perustekstin abstraktisuuden tasoa<br />
mukaileva esijärjestimeksi aiemmin tulkittu johdanto. Suhteellisesti suurin vaikutus<br />
kolmannella tarkastelukerralla oli Lukion fysiikka –sarjan tekstimuotoisiksi tulkittujen<br />
määrään (vrt. taulukossa 3 27 kpl ja taulukossa 4 8 kpl). Huomattava on myös se, että<br />
järjestinmuodoista putosivat pois kaikki muut paitsi tekstimuotoiset, joita Ausubel’in<br />
alkuperäinen esijärjestinteoriakin tarkastelee niiden ainoana ilmaisullisena muotona.<br />
61<br />
Taulukko 4. Esijärjestimien lukumäärät kolmannen tarkastelun jälkeen.<br />
Lukion<br />
Galilei Fysiikka fysiikka<br />
Tunnus<br />
Teksti (+kuv(i)a) 15 8 8 A<br />
Luettelo/Jäsentely 0 0 0 B<br />
Rakenteinen yleiskatsaus 0 0 0 C<br />
Käsitekartta 0 0 0 D<br />
Tietokartta 0 0 0 E<br />
Tietoverkko 0 0 0 F<br />
Matriisi 0 0 0 G<br />
Käsitteellinen malli 0 0 0 H<br />
Kaavio 0 0 0 I<br />
Kuva +kuvateksti 0 0 0 J<br />
Yhteensä 15 8 8<br />
Taulukon 4 perusteella piirrettiin jälleen Excel –taulukkolaskentaohjelman ohjattua<br />
kaavion luontia hyväksi käyttäen pylväsdiagrammi (kuva 13) havainnollistamaan<br />
esijärjestimien lukumääriä kussakin tarkastellussa kirjasarjassa..
62<br />
Lukumäärä [kpl]<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Galilei Fysiikka Lukion fysiikka<br />
Kirjasarja<br />
Kuva 13. Esijärjestimien lukumäärät abstraktio ym. tarkastelujen jälkeen.<br />
J<br />
I<br />
H<br />
G<br />
F<br />
E<br />
D<br />
C<br />
B<br />
A<br />
Kuvasta 13 on selkeästi nähtävissä, ettei eri kirjasarjojen välillä ole mitään<br />
’dramaattisia’ eroja, ellei sellaisena sitten pidetä Galilei –sarjan lähes kaksinkertaista<br />
määrää verrattuna kahteen muuhun kirjasarjaan (ks. taulukko 4). Galilei –sarja on<br />
kuitenkin hienoisessa ’johdossa’ Fysiikka –sarjaan ja Lukion fysiikka –sarjaan nähden.<br />
Se viitannee Galilein kirjoittamisessa käytetyn hahmottavan lähestymistavan<br />
läheisempään suhteeseen ja lukuisampiin yhtymäkohtiin Ausubel’in esijärjestin -<br />
periaatteeseen Fysiikka – ja Lukion fysiikka –sarjoihin verrattuna.<br />
5.8.2 Kvalitatiivinen tarkastelu.<br />
Tämän tutkielman varsinaisena tarkoituksena ei ole selvittää Ausubel’in advance<br />
organizer –periaatteen ja sen piirteiden ilmenemistä lukion fysiikanopetuksessa<br />
käytetyissä oppikirjoissa ja näin vertailla eri kirjasarjoja, vaan selvitellä nimenomaan<br />
mahdollisia yhtäläisyyksiä ja eroavuuksia hahmottavan lähestymistavan ja advance<br />
organizer –periaatteen välillä. Sen tähden kvalitatiivisessa tarkastelussa ei katsottu<br />
tarpeelliseksi ’ruotia’ kaikkia kvantitatiivisessa tarkastelussa hyväksytyiksi tulleita<br />
esijärjestimiä. Koska tavoitteena ei ole painottaa eri kirjasarjoja, pidettiin riittävänä<br />
tutkia kunkin kirjasarjan osalta yhtä esijärjestintä.<br />
Mukaan päätettiin ottaa jokaisesta kirjasarjasta mekaniikan ensimmäisessä<br />
syventävässä kurssissa käytetty oppikirja. Galilein osalta se merkitsi Galilei 3:a,<br />
Fysiikka –sarjan osalta Fysiikka 3:a ja Lukion fysiikka –sarjan osalta voima ja liike 1:tä.<br />
Niistä otettiin analyysin kohteiksi liitteen 1 taulukon mukaan ensimmäiset<br />
esijärjestimet, jotka oli hyväksytty kokonaisuustarkastelun (ks. edellä) jälkeen.<br />
Lihavoiduilla sivunumeroviitteillä merkityistä tekstimuotoisista esijärjestimistä valittiin<br />
Galilei 3:sta sivujen 6-9, Fysiikka 3:sta sivujen 5-9 sekä voima ja liike 1:stä sivujen 8-<br />
14 muodostamat esijärjestinkokonaisuudet, joilla pyritään luomaan yleistä mielikuvaa<br />
mekaniikasta ja mekaniikan keskeisistä käsitteistä ja periaatteista.<br />
Syy miksi voima ja liike 1:n sivujen 8-14 esijärjestin pääsi tähän tarkasteluun,<br />
vaikka se ei olekaan ’ausubeliläisen’ hengen mukainen (ei kuulunut kvantitatiivisen<br />
tarkastelun viimeiseen vaiheeseen), perustellaan sen tavoitteella yleisen mielikuvan
luomiseksi mekaniikan sisällöstä ja erityisesti mielikuvan luomiseksi sekä itse ihmistä<br />
että hänen ympäristönsä ilmiöitä koskevista mekaniikan periaatteista.<br />
Tavoitteena ei ole niinkään esijärjestinkokonaisuuksien tarkka sisällönanalyysi,<br />
vaan pikemminkin pyrkimys kuvailla yleisellä tasolla eri oppikirjasarjojen tapaa luoda<br />
mekaniikasta jäsentynyttä kokonaiskuvaa lukijan mieleen. Kokonaisuudet on pilkottu<br />
osiin tarkastelemalla erikseen kaikkia kyseiseen kokonaisuuteen (taulukko 5) liittyviä<br />
esijärjestinmuotoja (esim. G3 sivujen 6-9 teksti, sivun 9 rakenteinen yleiskatsaus, sivun<br />
7 käsitteellinen malli ja sivujen 6, 7, 8 ja 9 kuva+kuvateksti). Niistä etsitään kaikki<br />
mekaniikkaan kuuluvat käsitteet, joista edelleen pyritään poimimaan keskeiset<br />
yläkäsitteet. Suorilla lainauksilla on tarkoitus tuoda esiin kyseisen esijärjestimen<br />
mahdollista abstraktisuutta, yleisyyttä ja kattavuutta ilmentävä ominaisuus. Kaikki<br />
kolme esijärjestinkokonaisuutta on kopioitu liitteisiin 3, 4 ja 5 sellaisina kuin ne ovat<br />
kyseisissä oppikirjoissa.<br />
Taulukko 5. Tarkasteltavat esijärjestinkokonaisuudet.<br />
Kirja Galilei 3<br />
Mekaniikka 1<br />
Järjestinmuoto<br />
Teksti<br />
(+kuva)<br />
Rakenteinen<br />
yleiskatsaus<br />
Käsitteellinen<br />
malli<br />
Kuva<br />
+kuvateksti<br />
Fysiikka 3<br />
Mekaniikka<br />
6-9 5-9 8-14<br />
9 6-7 ei yhtään<br />
7 ei yhtään ei yhtään<br />
6,7,8,9(?) 5,8 8,10,13<br />
Lukion fysiikka<br />
voima ja liike 1<br />
63<br />
Taulukon 5 runkoa käyttäen kirjattiin kaikki vastaavassa järjestinmuodossa esiintyneet<br />
käsitteet ja mainitut periaatteet liitteen 2 taulukkoon. Esijärjestinkokonaisuuksien<br />
tarkastelun kannalta pidettiin tarpeellisena koota yhteen (taulukko 6) kunkin oppikirjan<br />
kokonaisuuteen kuuluvat käsitteet ja periaatteet (myös lait ja teoriat). Sama käsite, joka<br />
esiintyy mahdollisesti useammassa kuin yhdessä järjestinmuodossa, on merkitty<br />
taulukkoon 6 vain yhden kerran.
Taulukko 6. Esijärjestinkokonaisuuksissa esiintyneet fysiikan käsitteet.<br />
Galilei 3:n käsitteet ja<br />
periaatteet (myös lait ja<br />
teoriat)<br />
Fysiikka 3:n käsitteet ja<br />
periaatteet (myös lait ja<br />
teoriat)<br />
Voima ja liike 1:n käsitteet<br />
ja periaatteet (myös lait ja<br />
teoriat)<br />
64<br />
mekaniikka<br />
kappale<br />
aineellinen olio<br />
liike<br />
eteneminen<br />
pyöriminen<br />
värähtely<br />
hiukkanen<br />
alkeishiukkanen<br />
jäykkä kappale<br />
sisäinen liike<br />
vuorovaikutus<br />
jatkavuuden laki<br />
törmääminen<br />
vetäminen<br />
työntäminen<br />
hankaaminen<br />
liiketilan muuttuminen<br />
liikkeelle lähtö<br />
kiihdytys<br />
suunnan muuttuminen<br />
hidastuminen<br />
pysähtyminen<br />
kitka (ilmiönä)<br />
ulkoinen vuorovaikutus<br />
syyilmiö<br />
olio<br />
liiketila, seurausilmiö<br />
muuttumaton liike<br />
vapaa kappale<br />
nopeus<br />
etävuorovaikutus<br />
kosketusvuorovaikutus<br />
malli<br />
vuorovaikutusten yhteisvaikutus<br />
vuorovaikutusten kumoutuminen<br />
gravitaatio<br />
magneettinen vuorovaikutus<br />
sähköinen vuorovaikutus<br />
tukivuorovaikutus<br />
väliaineen vastus (ilmiö)<br />
noste (ilmiönä)<br />
mekaniikka<br />
kappale<br />
liike<br />
tasapaino<br />
voima<br />
mikromaailma<br />
makromaailma<br />
kinematiikka<br />
dynamiikka<br />
rata<br />
liiketilan muutos<br />
statiikka<br />
tasapainoehto<br />
jäykkä kappale<br />
massapiste<br />
suoraviivainen liike<br />
massapisteen liike<br />
värähtely<br />
eteneminen<br />
pyöriminen<br />
voimien summa<br />
kiertovaikutus<br />
liiketila<br />
liikeoppi ?<br />
tasapaino-oppi<br />
tukeminen<br />
jännitys<br />
mekaniikan peruslaki<br />
jatkavuuden laki<br />
tasainen liike<br />
dynamiikan peruslaki<br />
kokonaisvoima<br />
massa<br />
kiihtyvyys<br />
liikeyhtälö<br />
voiman ja vastavoiman laki<br />
vastakkaissuuntainen voima<br />
vapaakappalekuva<br />
paino<br />
painopiste<br />
komponentti<br />
koordinaatisto<br />
vektorisuure<br />
mekaniikka<br />
liike<br />
voima, painovoima<br />
putoamiskiihtyvyys<br />
putoamisnopeus<br />
nopeus<br />
liike-energia<br />
jousivoima<br />
mekaanisen energian<br />
säilyminen<br />
potentiaalienergia<br />
liikemäärän säilyminen<br />
noste (ilmiönä)<br />
ilmanvastus (ilmiönä)<br />
Newtonin lait<br />
lentorata<br />
kitkakerroin<br />
kitka (ilmiönä)<br />
kimmoinen törmäys<br />
kimmoton törmäys<br />
impulssiperiaate<br />
jatkavuus<br />
voimien yhteisvaikutus<br />
mekaniikan periaate<br />
liikeoppi<br />
mekatroniikka<br />
taivaankappaleet<br />
maanpäälliset kappaleet<br />
klassinen mekaniikka<br />
alkeishiukkanen<br />
massa, energia<br />
mittaaminen<br />
lukumäärä, pituus, pinta-ala,<br />
tilavuus, aika<br />
ilmiö<br />
ominaisuus<br />
suure<br />
matemaattinen malli<br />
yhtälö, graa<strong>fi</strong><br />
ennuste, koe<br />
vuorovaikutus<br />
suureyhtälö<br />
Edellä olevista listoista etsittiin mahdolliset ylä-, väli- ja alatason käsitteet (ks. 3.2.2<br />
kuva 1) jokaisen oppikirjan osalta Ausubel’in esijärjestin –periaatteeseen tyypillisesti<br />
kuuluvan luokitteluun tähtäävän jäsentämisen mukaisesti. Perusvaatimuksena pidettiin
sellaisen yläkäsitteen löytymistä, johon voitiin selvästi liittää väli- ja alakäsitteitä.<br />
Mikäli yläkäsitettä ei löytynyt, vaikka väli- tai alakäsitteitä olisikin ollut, ei niitä<br />
hyväksytty luokittelukaavioon. Esimerkiksi Fysiikka 3:ssa välikäsitteiksi tulkituilla<br />
käsitteillä mikromaailma ja makromaailma ei ole yhdistävää yläkäsitettä, eikä niitä sen<br />
vuoksi kelpuutettu kaavioon. Samoin Voima ja liike 1:n alakäsitteiksi tulkituilla liikeenergialla<br />
ja potentiaalienergialla ei ole selvästi ilmaistua yhdistävää ylemmän tason<br />
käsitettä, joten niitäkään ei hyväksytty luokittelukaavioon.<br />
Galilei 3<br />
Galilei 3:ssa keskeiset yläkäsitteet ovat kappale, liike ja vuorovaikutus. Niillä on myös<br />
jäsennellyt väli- ja alakäsitteet (kaavio 1). Kappaleiksi Galileissa ’määritellään’<br />
65<br />
yläkäsite<br />
kappale<br />
liike<br />
vuorovaikutus<br />
välikäsite<br />
hiukkanen<br />
jäykkä kappale<br />
eteneminen<br />
pyöriminen<br />
värähtely<br />
muut sisäiset liikkeet<br />
etävuorovaikutus<br />
kosketusvuorovaikutus<br />
alakäsite<br />
alkeishiukkanen<br />
gravitaatio<br />
magneettinen vuorovaikutus<br />
sähköinen vuorovaikutus<br />
tukivuorovaikutus<br />
väliaineen vastus<br />
noste<br />
kitka<br />
Kaavio 1. Galilei 3:n esijärjestinkokonaisuuden luokittelukaavio.<br />
kaikenlaiset aineelliset oliot atomista galakseihin saakka. Liikkeiden luokittelu<br />
kytketään kappaleiden paikan, asennon ja muodon muuttumiseen, kappaleiden<br />
luokittelu niiden liikkumistapoihin, sekä vuorovaikutusten luokittelu vaikutustapaan.<br />
Kappale, liike ja vuorovaikutus kiteytyvät yhteen koko mekaniikan sisällölliseksi<br />
perustaksi.<br />
Kappale etenee, kun sen paikka muuttuu, ja pyörii, kun se kääntyy.<br />
Esimerkiksi värähtely on liikettä, jossa kappaleen muoto muuttuu.<br />
Kappaleet luokitellaan sen mukaan, millä eri tavoilla ne voivat liikkua.<br />
Mekaniikassa tutkitaan kappaleiden liikkeitä ja kappaleiden välisiä<br />
vuorovaikutuksia.<br />
Kappaleen liiketilan muuttuminen, esimerkiksi liikkeellelähtö, kiihdytys, suunnan<br />
muuttuminen, hidastuminen ja pysähtyminen, liitetään kahden kappaleen keskinäiseen
vuorovaikutukseen, esimerkiksi törmäykseen, vetämiseen, työntämiseen tai hankaamiseen.<br />
Vain vuorovaikutus toisen kappaleen kanssa voi muuttaa kappaleen<br />
etenemisen liiketilaa.<br />
Edellä olevaan sisältyy ajatus jo iduillaan olevasta, kappaleen liiketilan muuttumisen<br />
syitä ja seurauksia koskevasta hahmosta, dynamiikan peruslaista. Vuorovaikutukseen<br />
syyilmiönä voidaan liittää jo tässä vaiheessa vahva mielikuva ilmiön voimakkuudesta ja<br />
sen merkityksestä seurausilmiölle, kappaleen liiketilan muuttumiselle ja sen muutoksen<br />
suuruudelle. Vuorovaikutukseen osallistuvien kappaleiden ominaisuuksien merkityksestä<br />
niiden liiketilojen muuttumiseen ja muutokseen suuruuteen on liitettävissä myös<br />
vahva mielikuva. Galileissa luodaan myös yleistä mielikuvaa vuorovaikutuksen<br />
molemmissa osapuolissa samanaikaisesti havaittavista vaikutuksista ennakoiden<br />
liikemäärän säilymislain sekä voiman ja vastavoiman lain tulevaa käsittelyä.<br />
Vuorovaikutuksessa on aina kaksi osapuolta ja sen vaikutukset voidaan<br />
havaita molemmissa samanaikaisesti.<br />
Vuorovaikutuksettomien kappaleiden mielikuvasta päästään luonnollisella tavalla<br />
vapaan kappaleen käsitteeseen ja sen liikettä koskevaan jatkavuuden lakiin.<br />
Vapaa kappale jatkaa liikettään suoraviivaisesti muuttumattomalla<br />
nopeudella tai pysyy levossa.<br />
Vuorovaikutuksista luodaan yleistä mielikuvaa hyvin yleisenä käsitteenä, jonka yhtenä<br />
merkityksenä on ihmisten kesken tapahtuva, sosiaalinen vuorovaikutus. Fysiikan<br />
kannalta tarkoituksenmukaisempi merkitys kuitenkin saadaan luokittelemalla<br />
vuorovaikutukset mekaniikassa niiden luonteen perusteella etä- ja kosketusvuorovaikutuksiin.<br />
Kevyt jousi ja vaijeri esitetään hyviksi etävuorovaikutuksen malleiksi.<br />
Mielikuvaa laajennetaan vielä vuorovaikutusten yhteisvaikutuksella, kappaleen<br />
vuorovaikutuksista useamman kuin yhden kappaleen kanssa sekä samaan kappaleeseen<br />
kohdistuvien eri vuorovaikutusten kumoutumisella.<br />
Fysiikka 3<br />
Fysiikka 3:ssa keskeisiä yläkäsitteitä on kaksi: kappale ja liike (kaavio 2). Kappaleella<br />
on myös välikäsite ja alakäsitteitä. Yläkäsitteen liike välitason käsitteelle eteneminen on<br />
merkitty<br />
66<br />
yläkäsite<br />
kappale<br />
liike<br />
välikäsite<br />
jäykkä kappale<br />
eteneminen<br />
pyöriminen<br />
värähtely<br />
alakäsite<br />
kivi<br />
keihäs<br />
suoraviivainen liike<br />
Kaavio 2. Fysiikka 3:n esijärjestinkokonaisuuden luokittelukaavio.
katkonuolella alakäsite suoraviivainen liike siksi, että se jäykän kappaleen liikkeenä<br />
noudattaa samoja lakeja kuin massapisteen liike, joka voi olla vain etenemisliikettä.<br />
Yläkäsitteelle liike on niin ikään merkitty katkonuolella välitason käsite värähtely, jota<br />
ei suoraan mainita liikkeen yhdeksi perusmuodoksi. Sen voi kuitenkin kirjan esityksen<br />
perusteella käsittää sellaiseksi (…vaikka keihään värähtely heiton aikana onkin selvästi<br />
havaittavissa.).<br />
Yleistä mielikuvaa luodaan mekaniikan perinteisellä jaolla kinematiikkaan,<br />
dynamiikkaan ja statiikkaan. Jokaiselle niistä annetaan tutkimuskohteen perusteella<br />
’määritelmä’.<br />
Mekaniikka…. Sen tutkimuskohteina ovat kappaleiden liikkeet ja<br />
tasapainot sekä voimat.<br />
Kinematiikan tutkimuskohteena ovat kappaleiden radat ja liikkeet.<br />
Dynamiikka tutkii kappaleiden liikkeiden ja liikkeiden aiheuttajien välisiä<br />
suhteita.<br />
Useasti mekaniikan itsenäiseksi osaksi katsotaan statiikka, joka tutkii<br />
tasapainossa olevia kappaleita ja tasapainoehtoja.<br />
Eteneminen ja pyöriminen esitetään jäykän kappaleen liikkeen kahdeksi<br />
perusmuodoksi. Mielikuvaa voima- ja momenttiehdoista ja niiden käytöstä jäykän<br />
kappaleen tasapainotarkastelujen yhteydessä luodaan seuraavasti:<br />
…jäykkä kappale on tasapainossa silloin, kun kappaleeseen vaikuttavien<br />
voimien summa on nolla ja kun kappaleeseen vaikuttavien voimien<br />
kiertovaikutus on nolla.<br />
Kirjan tekijät ovat nostaneet keskeiseksi voiman käsitteen, jolla kuvaillaan ympäristön<br />
vaikutusta kappaleen liiketilaan.<br />
Voiman vaikutus ilmenee dynamiikassa eli liikeopissa! (po. voimaopissa,<br />
oma huomautus) kappaleen liiketilan muutoksena ja statiikassa eli<br />
tasapaino-opissa kappaleen tukemisena sekä kappaleen jännityksenä ja<br />
muodonmuutoksen aiheuttamisena ja ylläpitämisenä.<br />
Mielikuvaa voimista ja voimien keskeisestä merkityksestä kappaleen liiketilan<br />
muutoksessa vahvistetaan vielä sivulla 8 palauttamalla mieleen mekaniikan peruslait ja<br />
avaruussukkulakuvan kuvatekstillä, jossa jatkavuuden lain ja dynamiikan peruslain<br />
hahmot ovat vahvasti näkyvillä.<br />
Raketin nopeuden suunta ja suuruus voivat tällöin muuttua vain, jos<br />
ulkoiset voimat aiheuttavat muutoksen.<br />
Lopuksi annetaan vielä sivulla 9 dynamiikan ja statiikan tehtävien käsittelyä varten<br />
jäsennelty kahdeksankohtainen ohje, jonka katsottiin muodostavan sivujen 5-8 kanssa<br />
yhtenäisen esijärjestinkokonaisuuteen. Sivun 5 kuvan, Iso-Ylläksen hiihtohissi, avulla<br />
kirjan tekijät yrittävät luoda mielikuvaa mekaniikan läheisestä liittymisestä ihmisen<br />
jokapäiväiseen elämään ja teknisiin sovelluksiin, joita ihminen toiminnassaan käyttää<br />
hyväkseen. Hissin ominaisuuksia ja toimintaa kuvaavina mekaniikan käsitteinä<br />
67
esiintyvät muun muassa köysivoima, vääntömomentti, laskettelijan massa, lumen ja<br />
suksen välinen kitkakerroin sekä hissin moottorin teho.<br />
Voima ja liike 1<br />
Voima ja liike 1:ssä keskeisiä yläkäsitteitä on kaksi: liike ja vuorovaikutus (kaavio 3).<br />
Kummallakaan käsitteellä ei ole selkeästi ja jäsennellysti esitettyjä ’ausubeliläisen’<br />
luokitteluperiaatteen mukaisia väli- ja alakäsitteitä. Käsitteitä liike-energia, liikemäärän<br />
säilyminen ja liikeoppi ei voida sellaisina pitää. Alakäsitteitä noste, ilmanvastus ja kitka<br />
ei ole selvästi kytketty yläkäsitteeseen vuorovaikutus välikäsitteen puuttuessa kokonaan.<br />
Välikäsitteinä pidettäville käsitteille taivaankappale ja maanpäällinen kappale ei ole<br />
mainittu yläkäsitettä. Vaikka yläkäsite törmäys onkin luokiteltu välikäsittein kimmoinen<br />
ja kimmoton, ei sitä ole katsottu keskeiseksi yläkäsitteeksi.<br />
68<br />
yläkäsite<br />
liike<br />
vuorovaikutus<br />
välikäsite<br />
alakäsite<br />
Kaavio 3. Voima ja liike 1:n esijärjestinkokonaisuuden luokittelukaavio.<br />
Yleistä mielikuvaa mekaniikasta luodaan määritelmänluonteisesti tutkimuskohteiden<br />
avulla.<br />
Mekaniikka tutkii liikettä, voimia ja voiman vaikutusta liikkeeseen.<br />
Yleisen mielikuvan luomista jatketaan mekaniikan periaatteiden ilmenemisellä,<br />
hyväksikäytöllä ja soveltamisella niin eläinkunnan toiminnoissa kuin ihmisen<br />
jokapäiväisessä olemisessa ja tekemisessä. Eläinten vaistonvaraisesti<br />
hyväksikäyttämistä mekaniikan lainalaisuuksista annetaan monia esimerkkejä.<br />
Monet linnut toimivat pesää rakentaessaan kuin tuntisivat painovoiman<br />
aiheuttaman putoamiskiihtyvyyden.<br />
Kun lohet … vastavirtaan … ponkaisevat … korkealle käyttäen hyväkseen<br />
omaa ja virtaavan veden nopeutta ja liike-energiaa.<br />
Hyppivät eläimet … käyttävät hyväkseen jousivoimaa ja mekaanisen<br />
energia säilymistä. Alas tullessaan ne varastoivat potentiaalienergiaa …<br />
ja hypätessään ne muuttavat sen liike-energiaksi.<br />
Puuta hakkaava tikka hyödyntää liikemäärän säilymistä.<br />
Meduusat ja mustekalat osaavat soveltaa rakettiperiaatetta, joka perustuu<br />
liikemäärän säilymiseen.<br />
Ihmisen vaistomaisesta mekaniikan soveltamisesta mainitaan Newtonin lakien<br />
’tiedostamaton’ käyttö juoksemisessa, kävelemisessä, hyppäämisessä ja uimisessa.<br />
Lentoratojen laskemiseen viitataan tikan-, koripallon ja löylyn heitoilla sekä tenniksen
peluulla ja pesäpallon lyömisellä. Kitka liitetään luontevasti talvikenkien valintaan<br />
vaikuttavaksi tekijäksi ja nosteen hyväksikäyttö liitetään luonnollisella tavalla uimiseen.<br />
Mekaniikan varsinaisiin periaatteisiin viitataan esimerkeillä kivikirveen keksimisestä,<br />
vihannesten pilkkomisesta, naulojen vasaroinnista, uistimen heittämisestä, muinaisesta<br />
kivilingolla metsästämisestä, pyykkilingolla kuivaamisesta ja hedelmien linkoamisesta<br />
mehulingolla aina purjehdukseen saakka.<br />
Jo kivikirveen keksijä osasi käyttää liikemäärän säilymistä.<br />
… , että naulatessa ja kirveellä hakatessa alustan on syytä olla tukeva.<br />
Selityksen tälle tarjoaa impulssiperiaate.<br />
Uistimen heittäjä käyttää hyväkseen jatkavuutta, samoin muinainen<br />
lingolla metsästäjä. Pyykin kuivuminen lingossa perustuu jatkavuuteen,<br />
samoin mehun irtoaminen hedelmästä mehulingossa.<br />
Purjehtija käyttää hyväkseen erisuuntaisten voimien yhdistämistä.<br />
Yleistä mielikuvaa laajennetaan korostamalla mekaniikan roolia ihmisen toimintaa<br />
palvelevan tekniikan perustana. Esimerkkejä annetaan ihmisen varhaisimmista<br />
työkaluista teollisen yhteiskunnan kehittymiseen saakka.<br />
Mekaniikka on aina ollut ja on edelleenkin tekniikan perusta.<br />
Mielikuva mekaniikan merkityksestä ulotetaan laajalle lähtemällä mekaniikan<br />
lainalaisuuksien varhaisesta soveltamisesta almanakan laadinnassa, kitkan tutkimukseen<br />
urheilussa ja pakkausteollisuudessa, päätyen nykyaikaiseen huipputekniikkaan, jossa<br />
mekaniikka ja elektroniikka yhdistyvät mekatroniikaksi. Mekaniikan merkitystä<br />
ihmisen maailmankuvan kehittymiselle painotetaan toteamalla, että samat lait koskevat<br />
niin taivaankappaleiden kuin maanpäällistenkin kappaleiden liikettä. Käsitteellä<br />
klassinen mekaniikka tai newtonilainen mekaniikka pyritään luomaan mielikuvaa<br />
sellaisesta mekaniikasta, jonka pätevyysalueella massat ja nopeudet ovat samaa<br />
suuruusluokkaa kuin ihmisen elinympäristössä. Mekaniikan merkityksestä koko<br />
fysiikalle muistutetaan, että:<br />
Mekaniikka on edelleen koko fysiikan eräänlainen ”kivijalka”.<br />
Mekaniikassa opittavia käsitteitä, kuten voimaa, nopeutta ja energiaa<br />
tarvitaan fysiikan jokaisella osa-alueella.<br />
Esijärjestinkokonaisuuteen katsottiin kuuluvaksi myös sivut 12-14, koska siinä luodaan<br />
yleistä mielikuvaa mittaamisesta fysiikan perustana. Ilmiöiden tutkiminen tapahtuu juuri<br />
mittaamalla. Alaotsikossa sivulla 12 julistetaan, että suureita voidaan mitata. Samalla<br />
kerrotaan, että varhaisimpiin mitattuihin suureisiin kuuluvat lukumäärä, pituus, pintaala,<br />
tilavuus, massa ja aika. Lyhyen historiallisen johdatuksen jälkeen suureille<br />
annetaan määrittelevä luonnehdinta:<br />
Ominaisuuksia, joita voidaan mitata, sanotaan suureiksi.<br />
69
Suureiden merkityksestä ja asemasta koko fysiikan tietorakenteen kannalta luodaan<br />
mielikuvaa niiden keskeisellä roolilla luonnonilmiöitä kuvaavissa matemaattisissa<br />
malleissa, jotka esittävät tutkitun ilmiön ominaisuuksien keskinäistä riippuvuutta.<br />
Kirjassa muistutetaan mallien rajallisesta kyvystä kuvata todellisuutta ja siinä<br />
vaikuttavia tekijöitä:<br />
Ne vähintäänkin yksinkertaistavat todellisia tilanteita jättäen ottamatta<br />
huomioon osan vuorovaikutuksista.<br />
Mielikuvaa matematiikan ’välttämättömyydestä’ fysiikassa korostetaan suureyhtälöiden<br />
käytöllä apuvälineinä luonnon lainalaisuuksien täsmällisessä esittämisessä ja<br />
käsittelyssä. Matematiikkaa pidetään työkalupakkina, jota penkomalla löydetään<br />
tarpeelliset ja tehokkaat välineet unohtamatta pohtia yhtälöiden kuvaamaa todellisuutta.<br />
Aina on pyrittävä ymmärtämään todellisuus, jota yhtälöt kuvaavat, ja se,<br />
mitä saadut tulokset tarkoittavat.<br />
Kirjassa annetaan lopuksi pohdittavaa siitä, miksi matematiikan tarjoamat työkalut ovat<br />
osoittautuneet tehokkaiksi juuri fysiikan apuvälineinä. Mielikuvilla sattuman logiikasta,<br />
aineellisen maailman lainalaisuuksien noudattamasta logiikasta, matematiikan perustana<br />
olevasta logiikasta ja ihmisen kysymystenasettelun ja ajattelun logiikasta nostetaan<br />
erilaiset näkökannat lukijankin punnittaviksi.<br />
70
71<br />
6 ESIMERKKEJÄ ESIJÄRJESTIMISTÄ FYSIIKAN OPETUKSESSA/<br />
MEKANIIKKA<br />
Tässä luvussa on tarkoitus esitellä esimerkein fysiikan opetuksessa ja nimenomaan<br />
mekaniikan opetuksessa käytettäviä esijärjestimiä, jotka voivat toimia rakenteellisen<br />
fysiikan opetuksen apuvälineinä. Esijärjestimet nojautuvat fysiikan tietorakenteeseen<br />
ollen ensisijaisesti opettajan välineitä. Niiden avulla yritetään luoda opetusjakson alussa<br />
yleistä mielikuvaa, kokonaiskuvaa, alkavan jakson käsitteiden välisistä suhteista.<br />
Esijäsentelyä voisi verrata palapelin kokoamiseen, jossa työskentelyä helpottaa suuresti,<br />
jos näkee ensin valmiin kuvan. Jonkinlaista esijäsentelyä opettajat lienevät harjoittaneen<br />
kautta aikain joko tietoisesti tai tiedostamattaan opetusjakson alussa erilaisilla<br />
orientaatiomenetelmillä.<br />
Kohdassa 3.6 esitellyn taksonomian mukaisesta luokittelusta annetaan jokaisesta<br />
esijärjestinmuodosta ainakin yksi esimerkki. Ne on poimittu kirjallisuudesta, internetin<br />
verkkosivuilta tai ne voivat myös olla tutkielman tekijän omia kehitelmiä. Jokaista<br />
esimerkkiä pyritään luonnehtimaan lyhyesti. Esimerkkien tarkoitus ei ole luoda mitään<br />
valmista mallia tai pohjaa esijärjestimien laatimiselle, vaan niillä yritetään tuoda esiin<br />
esijärjestimien ulkoisen asun runsas vaihtelevuus. Käytetty taksonomia asettaa<br />
luonnollisesti jokaiselle esijärjestinmuodolle omat rakenteelliset vaatimuksensa, mutta<br />
ulkoisen asun luomiseen voi järjestimen laatija käyttää vapaasti omaa mielikuvitustaan.<br />
Useimmat esimerkeistä on tehty tietokoneen avulla yksinkertaisesti pelkällä<br />
tekstinkäsittelyohjelmalla erilaisia piirtotyökaluja hyödyntäen. Mahdollista on myös<br />
käyttää erilaisia piirto-ohjelmia tai visuaalisuuden korostamiseksi esitysgra<strong>fi</strong>ikkaohjelmia.<br />
Monet esimerkeistä edustavat ’ausubeliläistä’ esittävää esijärjestintyyppiä,<br />
mutta mukaan on yritetty mahduttaa vertaileviakin esijärjestimiä.<br />
6.1 Lineaariset esijärjestimet<br />
6.1.1 Teksti (+kuv(i)a)<br />
Esimerkki (Lehto ja Luoma, Fysiikka 3, sivu 33).<br />
Statiikka (kreik. statike, tasapainotus) on<br />
mekaniikan osa, joka tutkii tasapainossa<br />
olevia kappaleita ja kappaleiden tasapainoon<br />
liittyviä ehtoja. Tasapainokysymykset<br />
ovatkin statiikan tyypillisiä ongelmia.<br />
Sillat, rakennukset ja padot ovat tasapainossa<br />
olevia kappaleita, joiden osiin<br />
kohdistuu mitä moninaisimpia voimia. Statiikka<br />
tutkii kappaleiden sisäistä ja ulkoista<br />
tasapainoa. Sillan tukipylväiden ja vaijereiden<br />
rakenteet on suunniteltava siten, että<br />
silta kestää sekä liikenteen että luonnonvoimien<br />
aiheuttamat rasitukset. Jotta rakenteet,<br />
esimerkiksi lentokoneen siivet,<br />
voitaisiin tehdä kestäviksi, on pystyttävä<br />
tekemään lujuuslaskelmat oikein. Urheilulääketieteen<br />
tutkimuksissa sovelletaan<br />
statiikan lakeja, kun tutkitaan esimerkiksi<br />
jalkaan kohdistuvia rasitusvoimia erilaisissa<br />
rasitustilanteissa.<br />
Statiikassa voimat voidaan jakaa kuormittaviin<br />
ja tasapainottaviin voimiin. Kuormittavia<br />
voimia ovat kappaleen oma paino<br />
ja mahdolliset ulkoiset voimat. Kappaleen<br />
oman painon ajatellaan vaikuttavan kappaleen<br />
painopisteeseen. Sillalla kulkevien<br />
ajoneuvojen painot sekä esimerkiksi tuulesta<br />
aiheutuvat voimat ovat myös kuormittavia<br />
voimia. Tasapainottavia voimia ovat<br />
esimerkiksi henkilöauton kaikkiin renkaisiin<br />
kohdistuvat tien tukivoimat<br />
Statiikan mekaniikan osaksi jäsentävä esijärjestin virittelee mielikuvaa<br />
tasapainoilmiöistä ja tasapainoehdoista. Esimerkeillä rakentamisesta ja rakenteisiin<br />
vaikuttavista rasituksista mielikuvaa syvennetään viittaamalla tasapainon lakeihin.<br />
’Ausubeliläisen’ luokitteluperiaatteen mukaisesti tasapainoilmiöissä esiintyvät voimat
(yläkäsite) jaetaan kuormittaviin ja tasapainottaviin (välitason käsitteet). Kuormittavat<br />
jaetaan edelleen kappaleiden painoihin ja ulkoisiin voimiin (esim. tuulen aiheuttama).<br />
Tasapainottaviin kuuluvat puolestaan muun muassa tukivoimat. Näin on päästy alatason<br />
käsitteisiin asti. Tämä tekstimuotoinen esijärjestin yrittää luoda oppilaiden mieliin<br />
ankkuroitumiskohtia uuden asian opiskelua varten ollen siten tyypiltään esittävä.<br />
6.1.2 Luettelo/Jäsentely<br />
Esimerkki (Lavonen, Kurki-Suonio ja Hakulinen, Galilei 4, sivu 9).<br />
Pyörimisessä on kiinnitettävä huomiota kolmeen osapuoleen<br />
kuten etenemisessäkin:<br />
1. kappaleeseen, joka pyörii,<br />
2. vääntövaikutukseen, joka aiheutuu kappaleen vuorovaikutuksista<br />
ympäristön kanssa, ja<br />
3. itse pyörimisen liiketilaan.<br />
72<br />
Tällä esijärjestimellä luodaan mielikuvaa pyörimisen mekaniikan kolmesta osapuolesta.<br />
Siinä viitataan etenemisen käsittelyn yhteydessä ilmenneisiin vastaaviin osapuoliin,<br />
joten sitä voitaneen pitää tyypiltään vertailevana esijärjestimenä. Se jäsentää ennalta<br />
pyörivän kappaleen kinemaattista tarkastelua koskien tasaisen pyörimisliikkeen<br />
kulmanopeutta, vuorovaikutuksettoman kappaleen pyörimistä ja muuttuvaa pyörimisliikettä.<br />
Esimerkki (Lehto ja Luoma, Fysiikka 3, sivu 11).<br />
Fysiikan tehtävän ratkaiseminen<br />
• Pohdi tehtävään liittyvän ilmiön syyt ennen laskemista.<br />
• Ilmoita tehtävän alussa annetut lähtöarvot ja mahdolliset<br />
taulukosta saatavat (vakio)arvot.<br />
• Esitä ja selitä tehtävässä käyttämäsi lait ennen tehtävän<br />
laskuosuutta; kirjoita käyttämäsi lait vektorimuodossa.<br />
• Kirjoita vektorimuotoinen yhtälö skalaarimuotoon ottamalla<br />
huomioon suuntasopimus.<br />
• Ratkaise yhtälö tuntemattoman suureen suhteen ja sijoita<br />
numeroarvot.<br />
• Käytä laskuissa vähintään yksi merkitsevä numero enemmän<br />
kuin lopputuloksessa.<br />
• Muista merkitä yksiköt mukaan; oikea yksikkö vastauksessa<br />
on hyvä tuloksen oikeellisuuden tarkistuskeino.<br />
• Ilmoita tulos niin monen merkitsevän numeron tarkkuudella<br />
kuin on epätarkin lähtöarvo.<br />
• Vektorisuuretta, kuten voima ja nopeus, kysyttäessä tulee<br />
vastauksessa ilmoittaa aina sen suuruus eli itseisarvo ja<br />
vaikutussuunta (esimerkiksi kyseisen suunnan ja vaakaakselin<br />
välinen kulma).<br />
Ennen varsinaisia fysiikan tehtävien esimerkkiratkaisuja tällä esijärjestimellä selvitetään<br />
ne yleiset menettelytavat ja periaatteet, joita laskennallisen fysiikan tehtävän<br />
ratkaiseminen edellyttää. Siinä on ennalta jäsennelty tehtävän eteneminen alusta
loppuun vaihe vaiheelta. Esijärjestintä voidaan pitää esittävänä, koska sen tavoitteena on<br />
uusien ankkurointikohtien luominen oppilaan kognitiiviseen rakenteeseen.<br />
6.1 Graa<strong>fi</strong>set esijärjestimet<br />
6.2.1 Rakenteinen yleiskatsaus<br />
Esimerkki (Lavonen, Kurki-Suonio ja Hakulinen, Galilei 1, sivu 7).<br />
73<br />
TIETEET<br />
REAALITIETEET<br />
KÄSITTEELLISET<br />
TIETEET<br />
- logiikka<br />
- matematiikka<br />
HUMANISTISET<br />
TIETEET<br />
- historia<br />
- psykologia<br />
- kielitiede<br />
- taidehistoria<br />
- yhteiskuntatieteet<br />
- …<br />
LUONNONTIETEET<br />
SOVELTAVAT<br />
- lääketiede<br />
- farmasia<br />
- maatalous- ja<br />
metsätieteet<br />
- tekniikka<br />
- …<br />
PUHTAAT<br />
- fysiikka<br />
- biologia<br />
- kemia<br />
- tähtitiede<br />
- …<br />
Esijärjestin esittelee fysiikan asemaa puhtaana reaalitieteisiin kuuluvana<br />
luonnontieteenä. Sen avulla voidaan hahmottaa fysiikan asemaa ja tehtävää<br />
tieteenalojen joukossa (Galilei 1, Opettajan materiaali, s. 28). Se vastaa hyvin<br />
’ausubeliläistä’ luokitteluun perustuvaa esijärjestinperiaatetta. Se on yksinkertainen ja<br />
selkeä luoden samalla ymmärrettävän käsityksen fysiikan asemasta tieteiden kentässä.<br />
Esimerkki (Lavonen, Meisalo & al. 2001b).<br />
Kappaleiden<br />
liike<br />
Eteneminen<br />
Pyöriminen<br />
Värähtely<br />
Tasainen<br />
eteneminen<br />
Tasainen<br />
pyöriminen<br />
Harmoninen<br />
värähtely<br />
Tasaisesti muuttuva<br />
eteneminen<br />
Tasaisesti muuttuva<br />
pyöriminen<br />
Liikkeiden mallit
Mekaniikan opiskelu koulussa alkaa tavallisesti tutustumalla kappaleiden liikkeisiin,<br />
sillä liike tai liikkuminen on yksi helpoimmin havaittavia ympäristön ilmiöitä.<br />
Opetuksen alussa voidaan esijärjestimellä rakentaa mielikuvaa liikkeestä luokittelemalla<br />
liike (yläkäsite) pääluokkiin eteneminen, pyöriminen ja värähtely (välitason<br />
käsitteet). Eteneminen ja pyöriminen voidaan edelleen luokitella tasaiseen ja tasaisesti<br />
muuttuvaan liikkeeseen (alakäsitteet), joilla niilläkin voisi olla vielä alemman tason<br />
käsitteitä. Esijärjestimellä voidaan myös tuoda esille tasaisten ja tasaisesti muuttuvien<br />
liikkeiden malliluonne, koska kappaleiden nopeus yleensä vaihtelee. Värähdysliike ei<br />
kuulu yleensä mekaniikan kurssien aihepiireihin, mutta liikkeen yhtenä pääluokkana se<br />
on hyvä esijärjestimessä tuoda esille kokonaiskuvan kannalta.<br />
Esimerkki<br />
Kappaleiden väliset<br />
vuorovaikutukset<br />
74<br />
Etävuorovaikutukset<br />
Kosketusvuorovaikutukset<br />
Gravitaatiovv.<br />
Sähköinen<br />
vv.<br />
Tukivuorovaikutus<br />
Noste<br />
Magneettinen<br />
vv.<br />
Induktiovv.<br />
Väliaineen<br />
vastus<br />
Kitka<br />
Ilmanvastus<br />
Vierimisvastus<br />
Vuorovaikutus kuuluu fysiikan keskeisiin käsitteisiin. Vuorovaikutukset (yläkäsite)<br />
voidaan luokitella niiden luonteen perusteella etä- ja kosketusvuorovaikutuksiin<br />
(välitason käsitteet). Etävuorovaikutuksista vain gravitaatio (alakäsite) kuuluu<br />
mekaniikan sisältöalueeseen. Kosketusvuorovaikutuksen alakäsitteistä väliaineen<br />
vastuksella on alemman tason käsitteitä. Esijärjestimellä voidaan luoda alustavaa<br />
mielikuvaa vuorovaikutusten luonteesta ja vuorovaikutuksista kappaleiden liiketilojen<br />
muutosten syyilmiöinä.
75<br />
Esimerkki (Lavonen, Kurki-Suonio ja Hakulinen, Galilei 3, sivu 48).<br />
VOIMAT<br />
ETÄVOIMAT<br />
KOSKETUSVOIMAT<br />
Sähköinen<br />
voima<br />
Magneettinen<br />
voima<br />
Paino<br />
Tukivoima<br />
Kitkavoima<br />
Ilmanvastus<br />
Vuorovaikutuksen voimakkuuden kuvaamiseen käytetään suuretta voima. Voimien<br />
tunnistamiseksi ja toteamiseksi pitää ensin tarkastella kappaleen vuorovaikutuksia ja<br />
niiden luonnetta. Ennen varsinaisten voimien lakien opetusta voidaan esitellä voimien<br />
esijärjestin, joka noudattelee luonnollisesti vuorovaikutusten luokittelua. Mekaniikan<br />
tarkastelujen kannalta paino on yleensä ainoa kappaleeseen vaikuttava etävoima.<br />
Esimerkkiin voisi vielä lisätä kosketusvoimiksi ainakin langan jännitysvoiman ja<br />
nosteen. Koska voima on suure, tulee tämän esijärjestimen käyttö hahmottavassa<br />
lähestymistavassa kysymykseen vasta kvantitatiiviselle tasolle siirryttäessä. Voimien<br />
esijärjestin on tyypiltään liikkeiden ja vuorovaikutusten esijärjestinten tapaan esittävä.
76<br />
6.2.2 Käsitekartta/Tietokartta/Tietoverkko<br />
Esimerkki (Åhlberg 1990, sivu 18, mukaillen).<br />
Mekaniikan periaatteet<br />
Energian säilyminen<br />
Newtonin voimalait<br />
Sovellusehdot<br />
kalteva taso<br />
Vaihtoehtoiset<br />
koordinaattiakselit<br />
Jos<br />
kiihtyvyyttä<br />
N II:<br />
F = ma<br />
Jos<br />
tasapaino<br />
ΣF = 0<br />
taso<br />
voimat<br />
kappale<br />
pinnan laatu<br />
painovoima<br />
tukivoima<br />
kitka<br />
Tällä verkkomuotoisella esijärjestimellä lähestytään kaltevan tason ongelmaa. Siinä<br />
keskeisinä asioina näyttäytyvät tasolla olevaan kappaleeseen vaikuttavat voimat,<br />
energian säilymisen periaate ja dynamiikan peruslain soveltaminen tiettyjen ehtojen<br />
vallitessa. Esijärjestimellä luodaan yleistä mielikuvaa niistä seikoista, joihin kaltevaa<br />
tasoa koskevissa tehtävissä on kiinnitettävä huomiota. Esimerkki edustaa yhteen<br />
mekaniikan aiheeseen kohdistuvaa esijärjestintä. Se on tyypiltään esittävä.
77<br />
Esimerkki<br />
impulssimomentti (I M = ∆L)<br />
pyörimismäärä (L = Jω)<br />
hitausmomentti (J)<br />
teho (P)<br />
momentti (M)<br />
työ (W)<br />
kineettinen energia (E k )<br />
potentiaalienergia (E p )<br />
voima (N II: F = ma)<br />
painava massa (m g )<br />
impulssi (I = ∆p)<br />
liikemäärä (p = mv)<br />
kulmakiihtyvyys (∆ω/∆t)<br />
kiihtyvyys (∆v/∆t)<br />
hidas massa (m)<br />
kulmanopeus (∆φ/∆t)<br />
nopeus (∆s/∆t)<br />
kulma (φ =s/r)<br />
tilavuus (V)<br />
pinta-ala (A)<br />
aikaväli (∆t)<br />
pituus (l), matka (s)<br />
lukumäärä (1,2,3,…)<br />
mekaniikan suureiden verkko esittelee etenemis- ja pyörimisliikkeisiin liittyvät<br />
Tämä mekaniikan suureiden verkko esittelee etenemis- ja pyörimisliikkeisiin liittyvät<br />
kinemaattiset ja dynaamiset suureet, joiden lähtökohtana on lukumäärä sekä<br />
geometriset suureet (vrt. aiempi esimerkki). Sitäkin voitaneen käyttää esijärjestimenä<br />
kuvailemaan mekaniikan suurejärjestelmää. Hahmottavassa lähestymistavassa tällaisen<br />
esijärjestimen esittely tapahtuu luonnollisesti vasta kvantitatiivisella tasolla. Tyyppinä<br />
se on esittävä.
78<br />
Esimerkki (Rahikka, Mikko).<br />
ESIJÄRJESTIN<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
! <br />
<br />
Liikeyhtälö<br />
F = ma<br />
a = F/m<br />
" <br />
#<br />
$%<br />
&'&'&'%<br />
Aika ja avaruus (paikka)<br />
Mikko Rahikka<br />
Edellä oleva esijärjestin jäsentää koko mekaniikkaa lakien ja periaatteiden tasolla. Se on<br />
lähes yksinomaan sanalliseen asuun puettu, yksinkertainen ja selkeä, tyypiltään esittävä<br />
sekä muodoltaan tietokarttamainen, esijärjestin, jonka esittely ajoittuu aivan mekaniikan<br />
opiskelun alkuun.
79<br />
Esimerkki (Väisänen, Jukka, Pro <strong>gradu</strong>, sivu 17 , pienin muutoksin ja lisäyksin).<br />
Koska käsitekarttaakin voidaan käyttää esijärjestimenä, on esimerkkeihin mukaan otettu<br />
Jukka Väisäsen Pro <strong>gradu</strong> tutkielman sivulla 17 esitelty mekaniikan käsitekartta.<br />
Tutkielmassa luonnehditaan käsitekarttaa seuraavasti ( s. 28 ):<br />
… avulla voidaan havainnollistaa hyvin tietoa, sen peruselementtejä, luonteenomaisia<br />
piirteitä ja niistä muodostuvaa kokonaisuutta.<br />
… mekaniikan käsitekarttaan on valittu käsitteellisen rakenteen kannalta keskeiset<br />
käsitteet, jotka on jaoteltu hierarkkisiin luokkiin eri värien avulla ja lisäksi käsitelokerot<br />
on sijoitettu luokkien mukaisesti. Mekaniikan kokonaisuus on jaettu pyörimisen<br />
(alhaalla) ja etenemisen (ylhäällä) käsitteistöihin. Näin kartassa kokonaisrakenteesta<br />
hahmottuu sen tiedollis-käsitteellinen aspekti.<br />
… mekaniikan käsitekartassa yleinen käsitteenmuodostuksen suunta (havainnoista<br />
teoriaan eli kvalitatiivisesta kvantitatiiviseen) on esitetty nuolin. Valituilla käsitteillä<br />
sekä käsitteiden järjestyksellä on esitetty keskeisten suureiden syntyprosessi,<br />
kvanti<strong>fi</strong>oinnin periaatteet ja vaiheet (esim. eteneminen vapaan kappaleen idean ja<br />
tasaisen liikkeen kautta nopeuden käsitteeseen). Prosessuaaliseen rakenteeseen kuuluva<br />
yleistymiskehitys näkyy esim. etenemisessä koko vuorovaikutustapahtuman<br />
voimakkuutta kuvaavan liikemäärän muutoksen ja impulssin kautta vuorovaikutuksen<br />
hetkellistä ja paikallista voimakkuutta kuvaavaan voiman käsitteeseen.<br />
Kartasta hahmottuvat hierarkiarakenteeseen erottamattomasti kietoutuvat<br />
prosessuaalisen rakenteen piirteet, käsitteenmuodostuksen eteneminen kvalitatiivisesta<br />
kvantitatiiviseen sekä käsitteiden yleistymiskehitys.<br />
Alkuperäiseen käsitekarttaan katsottiin aiheelliseksi tehdä muutamia muutoksia. Näin<br />
vuorovaikutus korvattiin tasaisella vuorovaikutuksella. Etenemisen puolella liike<br />
korvattiin tasaisesti kiihtyvän liikkeen käsitteellä, matka korvattiin siirtymän käsitteellä,<br />
vuorovaikutuksen voimakkuus työnnön voimakkuudella ja lakeihin lisättiin Galilein<br />
putoamislaki ja Galilein painovoimalaki. Pyörimisen puolella (alapuoli) pyörimisliike<br />
korvattiin tasaisesti kiihtyvän pyörimisen käsitteellä, matka korvattiin kiertymällä,<br />
impulssi korvattiin impulssimomentin käsitteellä ja samalla sen paikka siirrettiin<br />
väännön kokonaisvoimakkuutta kuvaavaksi suureeksi ennen momenttia. Tätä<br />
mekaniikan käsitekarttaa voi käyttää esittävänä esijärjestimenä yleisen mielikuvan<br />
luomiseksi keskeisistä käsitteistä mekaniikan opiskelun alussa. Se havainnollistaa<br />
etenemis- ja pyörimisliikkeen käsitteellistä analogiaa. Käsitekartan yläosaa voidaan<br />
käyttää yksinään massapisteen liikkeen tarkastelujen alussa ja yläosaa puolestaan<br />
voidaan käyttää yksinään jäykän kappaleen tarkastelujen alustamiseksi esittävän<br />
esijärjestimen tapaan. Sitä voidaan myös käyttää vertailevana esijärjestimenä<br />
aloitettaessa pyörimisliikkeen käsittely etenemis- ja pyörimisliikkeiden analogian<br />
pohjalta. Tämä mekaniikan käsitekartta esijärjestimenä kattaa hahmottavan lähestymistavan<br />
kvalitatiiviset ja kvantitatiiviset tasot sisältäen käsiteluokkina oliot, ilmiöt,<br />
ominaisuudet, suureet ja lait.
80<br />
systeemin kokonaisliikemäärä<br />
säilyy<br />
liikemäärä<br />
putoamislaki<br />
G = mg<br />
N II<br />
F = ma<br />
painava<br />
massa<br />
kiihtyvyys<br />
liikemäärän<br />
muutos<br />
voima<br />
nopeus<br />
nopeuden<br />
muutos<br />
impulssi<br />
aikaväli<br />
siirtymä<br />
aikaväli<br />
massa<br />
liikkeen<br />
määrä<br />
tasainen liike<br />
kappale<br />
muuttuva<br />
liike<br />
hitaus<br />
vuorovaikutuksen<br />
voimakkuus<br />
muuttuva<br />
liike<br />
ei vuorovaikutusta<br />
N I<br />
kappale<br />
vuorovaikutus<br />
kappale<br />
N III<br />
kappale<br />
muuttuva<br />
pyörimisliike<br />
pyörimishitaus<br />
väännön<br />
voimakkuus<br />
tasainen pyörimisliike<br />
pyörimisen<br />
määrä<br />
kiertymä<br />
aikaväli<br />
hitausmomentti<br />
impulssimomentti<br />
kulmanopeus<br />
kulmanopeuden<br />
muutos<br />
aikaväli<br />
kulmakiihtyvyys<br />
pyörimismäärän<br />
muutos<br />
momentti<br />
laki<br />
suure<br />
ominaisuus<br />
olio ilmiö<br />
pyörimismäärä<br />
systeemin<br />
kokonaispyörimismäärä<br />
säilyy<br />
pyörimisen<br />
peruslaki<br />
M = J
¤<br />
¥<br />
¤<br />
81<br />
6.2.3 Matriisi<br />
Esimerkki (Lavonen, Kurki-Suonio ja Hakulinen, Galilei 1, Opettajan opas, sivu 30).<br />
Eteneminen Pyöriminen Energia<br />
kappaleen<br />
liiketila<br />
liikemäärä pyörimismäärä liike-energia<br />
vuorovaikutuksen<br />
voimakkuus<br />
impulssi,<br />
voima<br />
momentti<br />
työ,<br />
potentiaalienergia,<br />
sidosenergia<br />
Tämä matriisimuotoinen esijärjestin jaottelee kappaleen liiketilaa ja vuorovaikutuksen<br />
voimakkuutta kuvaavat suureet, jotka liittyvät etenemiseen, pyörimiseen ja energiaan.<br />
Opettajan oppaassa todetaan, että tällä jaottelulla on tärkeä merkitys lukion fysiikan<br />
opetuksen kannalta (s. 29). Esijärjestintä voidaan käyttää niin esittävänä kuin<br />
vertailevana etenemisliikkeen ja pyörimisliikkeen dynaamisten tarkastelujen<br />
yhteydessä. Hahmottavassa lähestymistavassa sen käyttö sijoittuu kvantitatiiviselle<br />
suureiden tasolle.<br />
Esimerkki (Lavonen, Kurki-Suonio ja Hakulinen, Galilei 1, sivu 76).<br />
Etenemisliike<br />
Pyörimisliike<br />
siirtymä<br />
s<br />
s<br />
kiertymä<br />
¢¡<br />
£¡<br />
nopeus v = s/ t kulmanopeus<br />
= ¢¡ / t<br />
kiihtyvyys a = v/ t kulmakiihtyvyys<br />
=<br />
/ t<br />
massa kuvaa<br />
kappaleen etenemishitautta<br />
m<br />
hitausmomentti<br />
kuvaa kappaleen<br />
pyörimishitautta<br />
akselin suhteen<br />
J<br />
kappaleen nopeuden<br />
muuttamiseen tarvitaan<br />
voimaa<br />
F = ma<br />
kappaleen kulmanopeuden<br />
muuttamiseen<br />
tarvitaan (vääntö)<br />
momenttia akselin<br />
suhteen<br />
M = J ¥<br />
liikemäärä<br />
p = mv<br />
pyörimismäärä<br />
akselin suhteen L = J ¤
Edellä oleva matriisimuotoinen, tyypiltään vertaileva, esijärjestin rinnastaa etenemisen<br />
ja pyörimisen suureiden ja lakien tasolla. Vastaavuus on sen rakenteellinen periaate ja<br />
tekee siitä järjestimen, joka ennakoi mekaniikan kurssien pyörimisliikkeen käsittelyä<br />
(Galilei 1, Opettajan opas, s. 30).<br />
6.2.4 Käsitteellinen malli<br />
Esimerkki (Helsingin yliopisto, fysiikan laitos, didaktinen fysiikka, mukaillen).<br />
82<br />
Kappale<br />
Liike<br />
Aristoteelinen mielikuva<br />
Newtonilainen mielikuva<br />
Vuorovaikutus<br />
Kappale<br />
Kappale<br />
Liike<br />
Tällä esittävällä esijärjestimellä voidaan rakentaa mielikuvaa Newtonin mekaniikan<br />
kolmesta osapuolesta. Mekaniikan käsitteenmuodostuksen lähtökohtana oleva<br />
Aristoteelinen perusmielikuva yhdestä liikkuvasta kappaleesta vaihtuu kahden<br />
kappaleen väliseksi vuorovaikutustilanteeksi, jossa molempien liikkeet muuttuvat.<br />
Ainoastaan vuorovaikutus erillisenä syyilmiönä aiheuttaa seurausilmiöitä, kappaleiden<br />
liiketilojen muutoksia.
83<br />
Esimerkki (Lavonen, Kurki-Suonio ja Hakulinen, Galilei 3, sivut 7, 17 ja 18).<br />
Vuorovaikutus Kappale<br />
SYYILMIÖ<br />
OLIO<br />
Liiketila<br />
SEURAUSILMIÖ<br />
Viereinen ja kaksi alempana olevaa<br />
käsitteellistä mallia hahmottavat koko<br />
mekaniikan aluetta. Ylintä voidaan käyttää<br />
esijärjestimenä esittelemään mekaniikan<br />
ilmiöiden kolmea osapuolta ja niiden suhteita<br />
kvalitatiivisella ilmiöiden tasolla. Kappaleet,<br />
liikkeet ja vuorovaikutukset voidaan edelleen<br />
luokitella erikseen ja esittää niistä omat<br />
esijärjestimensä (ks. aiemmat esimerkit).<br />
Vuorovaikutus Kappale<br />
VOIMAKKUUS HITAUS<br />
Liiketila<br />
MUUTOKSEN SUURUUS<br />
Mekaniikan kolmeen osapuoleen liittyvät<br />
ominaisuudet voidaan puolestaan esitellä<br />
tällä kvalitatiivisen tason esijärjestimellä.<br />
Jokaista osapuolta kuvailee ominaisuus, joka<br />
hahmottaa osapuolten fysikaalista luonnetta.<br />
Erityisesti kappaleen hitaus merkitsee<br />
kappaleen kykyä vastustaa liiketilan<br />
muutosta. Tämä esijärjestin laajentaa<br />
mielikuvaa vuorovaikutustapahtumasta ja<br />
siihen osallistuvista osapuolista.<br />
Vuorovaikutus Kappale<br />
VOIMA<br />
MASSA<br />
Liiketila<br />
LIIKEMÄÄRÄ<br />
Perusominaisuuksien täsmentyminen niitä<br />
esittäviksi suureiksi esitellään tällä<br />
kvantitatiivisen tason esijärjestimellä. Siinä<br />
vuorovaikutuksen voimakkuutta kuvaa suure<br />
voima, kappaleen hitautta suure massa ja<br />
vuorovaikutukseen osallistuvien kappaleiden<br />
liiketilojen muutoksien suuruuksia suure<br />
liikemäärä. Syntyy vahva mielikuva, jossa<br />
vuorovaikutuksella on keskeinen merkitys<br />
kappaleiden liikkeiden muutoksen syynä.<br />
Vuorovaikutus Kappaleet<br />
VOIMAKKUUS HITAUS<br />
voima F massa m<br />
Liiketilat<br />
MUUTOKSEN SUURUUS<br />
liikemäärä p<br />
Yllä olevat kolme esijärjestintä voitaneen<br />
tilan säästämiseksi yhdistää yhdeksi<br />
esijärjestimeksi. Sillä luodaan ennalta<br />
kokonaiskuvaa vuorovaikutustapahtumasta<br />
syyilmiönä, kappaleesta oliona, liiketilojen<br />
muutoksista seurausilmiöinä ja niiden<br />
ominaisuuksista sekä ominaisuuksia<br />
kuvaavista suureista, esijärjestinvaikutuksen<br />
siitä liiemmin kärsimättä.
84<br />
Esimerkki (Helsingin yliopisto, fysiikan laitos, didaktinen fysiikka).<br />
Liike<br />
tasainen<br />
nopeus v<br />
eteneminen<br />
tasaisesti muuttuva<br />
kiihtyvyys a<br />
Kappale<br />
hitaus<br />
massa m<br />
SYYILMIÖ<br />
Vuorovaikutus<br />
voimakkuus<br />
impulssi I<br />
voima F<br />
Kappale<br />
hitaus<br />
massa m<br />
SEURAUSILMIÖ<br />
Liiketilan muutos<br />
suuruus<br />
liikemäärän muutos p<br />
liikemäärän muuttumisnopeus dp/dt<br />
Etenemisliikkeen käsitteellinen malli voinee palvella esittävänä esijärjestimenä<br />
aloitettaessa massapisteen mekaniikan tarkastelu. Tässä mallissa keskeisenä on esillä<br />
Newtonin mekaniikassa avainasemassa oleva vuorovaikutuksen käsite.<br />
Vuorovaikutuksen ideaan kuuluu molemminpuolisuus ja samanaikaisuus. Se on<br />
osapuolten liiketilan muutosten yhteinen syy, joka vaikuttaa kumpaankin osapuoleen<br />
samalla tavalla, yhtä aikaa ja yhtä voimakkaasti. Vuorovaikutus muuttaa osapuolten<br />
liiketilaa yhtä paljon.<br />
Etenemisliikkeen mallin pohjalta voi muodostaa pyörimisliikkeen tarkastelun<br />
alkuun oman vastaavan esijärjestimen tekemällä seuraavat vaihdot: eteneminen →<br />
pyöriminen, nopeus → kulmanopeus, kiihtyvyys → kulmakiihtyvyys, kappale →<br />
jäykkä kappale, hitaus → pyörimishitaus, massa → hitausmomentti, impulssi →<br />
impulssimomentti, voima → momentti, liikemäärän muutos → pyörimismäärän muutos,<br />
liikemäärän muuttumisnopeus → pyörimismäärän muuttumisnopeus sekä asettamalla<br />
vuorovaikutukseksi väännön.<br />
Pyörimisliikkeen alustavan mielikuvan luomiseksi voi etenemisliikkeen mallin<br />
avulla laatia myös vertailevan esijärjestimen, josta näkyy etenemisen ja pyörimisen<br />
käsitteellinen analogia. Putoamisliikkeenkin esittelyyn mallia voitaneen soveltaa.
85<br />
Esimerkki<br />
Vuorovaikutus<br />
Kappale<br />
Vuorovaikutus<br />
Kappale<br />
SYYILMIÖ<br />
OLIO<br />
TYÖNTÖ<br />
VETO<br />
MASSAPISTE<br />
Liiketila<br />
SEURAUSILMIÖ<br />
Liiketila<br />
ETENEMINEN<br />
Vuorovaikutus<br />
Kappale<br />
Vuorovaikutus<br />
Kappale<br />
SYYILMIÖ<br />
OLIO<br />
VÄÄNTÖ<br />
JÄYKKÄ<br />
Liiketila<br />
Liiketila<br />
SEURAUSILMIÖ<br />
PYÖRIMINEN<br />
Vuorovaikutus<br />
Kappale<br />
Vuorovaikutus<br />
Kappale<br />
TYÖNTÖ<br />
VETO<br />
MASSAPISTE<br />
VÄÄNTÖ<br />
JÄYKKÄ<br />
Liiketila<br />
ETENEMINEN<br />
Liiketila<br />
PYÖRIMINEN<br />
Massapisteen ja jäykän kappaleen mekaniikan tarkastelujen alustuksiksi voidaan laatia<br />
yllä olevat vertailevat esijärjestimet. Ylimmässä esitellään etenemisliikettä koskevat<br />
ilmiöiden ja olioiden tason keskeiset käsitteet. Keskimmäisessä esitellään<br />
pyörimisliikkeeseen liittyvät ilmiöiden ja olioiden tason keskeiset käsitteet.<br />
Alimmaisessa, joka esitellään pyörimisliikkeen opetuksen alussa, vertaillaan keskenään<br />
etenemis- ja pyörimisliikkeitä keskeisten käsitteiden osalta. Pyörimisliikkeen<br />
osapuolten ominaisuuksia ja niitä kuvaavia suureita voidaan esitellä sivun 84<br />
etenemisliikettä vastaavalla esijärjestimellä.
86<br />
Esimerkki.<br />
Vuorovaikutus<br />
Kappaleet<br />
Vuorovaikutus<br />
Kappaleet<br />
SYYILMIÖ<br />
OLIO<br />
EI VUORO-<br />
VAIKUTUSTA<br />
VAPAAT<br />
Liiketilat<br />
Liiketilat<br />
LIIKETILAN MUUTOS<br />
SEURAUSILMIÖ<br />
LIIKETILAT EIVÄT MUUTU<br />
LEPO TAI TASAINEN LIIKE<br />
Alustavaa mielikuvaa jatkavuuden laista voidaan rakentaa esimerkiksi yllä olevalla<br />
esijärjestimellä, jossa vasen puoli vastaa perusmielikuvaa mekaniikan kolmesta<br />
osapuolesta. Oikean puolen tarkoitus on luoda mielikuvaa vuorovaikutuksettomista,<br />
vapaista kappaleista ja tällaisten kappaleiden liiketilojen muuttumattomuudesta. Tämä<br />
esijärjestin on tyypiltään vertaileva, ja se osaltaan korostaa vuorovaikutuksen keskeistä<br />
merkitystä mekaniikassa.<br />
Vastaavanlainen vertaileva esijärjestin voidaan laatia voiman ja vastavoiman lain<br />
tarkastelun alustamista varten:<br />
Vuorovaikutus<br />
Kappaleet<br />
Vuorovaikutus<br />
Kappaleet<br />
SYYILMIÖ<br />
OLIO<br />
SAMALLA TA-<br />
VALLA MOLEM-<br />
PIIN<br />
HITAUDET<br />
VAIKUTTAVAT<br />
Liiketilat<br />
LIIKETILAN MUUTOS<br />
SEURAUSILMIÖ<br />
Liiketilat<br />
LIIKETILAT MUUTTUVAT YHTÄ<br />
PALJON JA YHTÄ NOPEASTI<br />
Samantyylinen vertaileva esijärjestin voidaan laatia myös dynamiikan peruslain<br />
tarkastelun alustamiseksi:<br />
Vuorovaikutus<br />
Kappaleet<br />
Vuorovaikutus<br />
Kappaleet<br />
SYYILMIÖ<br />
OLIO<br />
VOIMAKKUUS<br />
VAIKUTTAA<br />
HITAUS<br />
VAIKUTTAA<br />
Liiketilat<br />
LIIKETILAN MUUTOS<br />
6.2.5 Kaavio SEURAUSILMIÖ<br />
Liiketilat<br />
LIIKETILOJEN MUUTOS-<br />
NOPEUS
¢<br />
¡<br />
¡<br />
87<br />
Esimerkki<br />
m<br />
s 2<br />
a<br />
m<br />
s<br />
v<br />
m<br />
s<br />
t<br />
t<br />
t<br />
s s s<br />
Tasainen eteneminen kuvattuna ta – , tv – ja ts –koordinaatistoissa.<br />
m<br />
a<br />
m<br />
s<br />
s 2 s s<br />
v<br />
m<br />
s<br />
t<br />
t<br />
s<br />
t<br />
Tasaisesti muuttuva eteneminen kuvattuna ta – , tv – ja ts –koordinaatistoissa.<br />
rad<br />
s 2 ¢<br />
rad<br />
s<br />
rad<br />
t<br />
t<br />
t<br />
s s s<br />
Tasainen pyöriminen kuvattuna t ¢ – , t ¡ – ja t –koordinaatistoissa.<br />
rad<br />
rad<br />
s<br />
s 2 s s<br />
rad<br />
t<br />
Tasaisesti muuttuva pyöriminen kuvattuna t ¢ – , t ¡ – ja t –koordinaatistoissa.<br />
t<br />
s<br />
t
Tasaisten ja tasaisesti muuttuvien etenemis- ja pyörimisliikkeiden alustavassa<br />
hahmottamisessa voitaneen käyttää edellä olevia graa<strong>fi</strong>sia kaavioita joko esittävinä tai<br />
vertailevina esijärjestiminä. Jokainen rivi yksinään, tasainen eteneminen, tasaisesti<br />
muuttuva eteneminen, tasainen pyöriminen ja tasaisesti muuttuva pyöriminen,<br />
muodostaa kyseisen aiheen esittävän esijärjestimen. Vertailevia esijärjestimiä voi koota<br />
tasaisesti muuttuvan etenemisen tarkastelun aluksi viittaamalla tasaiseen etenemiseen tai<br />
tasaisesti muuttuvan pyörimisen tarkastelun aluksi viittaamalla tasaiseen pyörimiseen<br />
tai tasaisen pyörimisen tarkastelun aluksi viittaamalla tasaiseen etenemiseen tai<br />
tasaisesti muuttuvan pyörimisen tarkastelun aluksi viittaamalla tasaisesti muuttuvaan<br />
etenemiseen.<br />
Esimerkki (Kurki-Suonio, Kervinen ja Korpela, Kvantti 1, sivu 78).<br />
88<br />
Dynaaminen perusprobleema<br />
Kinemaattinen perusprobleema<br />
Kappale ja<br />
sen ympäristö<br />
Voima F<br />
Massa m<br />
Kiihtyvyys<br />
a = a(t)<br />
Nopeus<br />
v = v(t)<br />
Paikka<br />
r = r(t)<br />
Punnitus<br />
Liikeyhtälö<br />
F = ma<br />
Alkunopeus<br />
v(0)<br />
Alkuasema<br />
r(0)<br />
Tällä esijärjestimellä esitellään kinemaattisten ja dynaamisten perusprobleemien<br />
ratkaisujen keskeiset tekijät ja probleemien ratkaisemisen etenemisprosessi.<br />
Kinemaattinen perusprobleema on kappaleen radan määrittäminen kiihtyvyyden<br />
perusteella tunnetun alkuaseman avulla, mikä onnistuu sen jälkeen, kun ensin on<br />
määritetty kappaleen nopeus kiihtyvyydestä tunnetun alkunopeuden avulla.<br />
Dynaamisessa perusprobleemassa määritetään kappaleeseen vaikuttavat voimat<br />
kappaleen ja sen ympäristön perusteella. ’Näin dynamiikan peruslaista tulee kappaleen<br />
liikeyhtälö eli periaate, jonka avulla kappaleen rata voidaan ennustaa’ (s. 79).<br />
Esimerkki (Lavonen ym., Galilei 2, sivut 65 ja 66; Galilei 3, sivu 40).<br />
voiman<br />
tekemä työ<br />
W<br />
E loppu<br />
voimaa<br />
vastaan<br />
tehty työ W<br />
E alku<br />
E alku<br />
E loppu<br />
ALKU LOPPU ALKU LOPPU<br />
Mekaniikan energiaperiaatteen tarkastelun aluksi voitaneen periaatetta havainnollistaa<br />
energiakaavioilla, jotka toimivat esittävinä esijärjestiminä. Energiaperiaatteen mukaan<br />
kappaleen lopputilan energia voidaan ennustaa alkutilan energian perusteella, kun<br />
kappaleeseen vaikuttavien voimien tekemät työt on ensin laskettu. Voiman tekemä työ<br />
lisää kappaleen energiaa ja voimaa vastaan tehty työ pienentää kappaleen energiaa.
89<br />
6.2.6 Kuva +kuvateksti<br />
Esimerkki (Lavonen ym., Galilei 3, sivu 88). Esimerkki (L. ja L. Fysiikka 3, sivu 64).<br />
Yllä oleva kuva kuvateksteineen<br />
voi toimia esittävänä esijärjestimenä<br />
luotaessa alustavaa mielikuvaa<br />
voiman vääntövaikutuksesta.<br />
Sellaisena se on kvalitatiivisen tason<br />
esijärjestin, jolla vuorovaikutus<br />
(syyilmiö) hahmottuu pyörimisen<br />
(seurausilmiö) aiheuttajaksi. Kuvassa<br />
on muutaman esimerkki tällaisista<br />
kosketusvuorovaikutuksista<br />
Keihäänheittokuvalla pohjustetaan painovoiman<br />
alaisten liikkeiden (putoaminen,<br />
pystysuora heittoliike ja vino heittoliike)<br />
tarkasteluja. Esittävänä esijärjestimenä se<br />
pyrkii luomaan mielikuvaa tällaisiin liikkeisiin<br />
vaikuttavista keskeisistä tekijöistä,<br />
lähinnä alkunopeudesta.<br />
Esimerkki (Hassi ym., Lukion fysiikka, voima ja liike 1, sivu 127).<br />
Ilotulitusraketin räjähdystä esittävällä<br />
kuvalla luodaan mielikuvaa kappaleen<br />
liikkeen määrästä, jota esittää<br />
suure liikemäärä, ja kokonaisliikemäärän<br />
säilymisestä törmäyksissä,<br />
jollaisena räjähdystäkin fysiikassa<br />
tarkastellaan. Näin synnytetään myös<br />
mielikuvaa räjähdyksestä vuorovaikutustapahtumana.<br />
Tässä esittävässä<br />
esijärjestimessä ilmenee sekä<br />
olioiden että ilmiöiden taso (raketti,<br />
räjähdys) ja suureiden ja lakien taso<br />
(liikemäärä, liikemäärän säilyminen).
90<br />
7 YHTEENVETO JA POHDINTA<br />
Tutkielman ylevänä tavoitteena oli selvittää Ausubel’in esijärjestinperiaatteen suhde<br />
Kurki-Suonioiden hahmottavaan lähestymistapaan käyttämällä vertailuja ja rinnastuksia,<br />
yhdistäviä ja erottavia tekijöitä. Molemmat ’teoriat’ esiteltiin jotakuinkin perusteellisesti,<br />
jotta niistä saatiin mahdollisimman syvällinen ja tarkka kuva. Näiden<br />
kuvausten pohjalta taulukkoon 1 koottiin ne elementit, joita pidettiin molempien<br />
’teorioiden’ kannalta huomion arvoisina.<br />
Yksi selvimmistä eroista esijärjestinperiaatteen ja hahmottavan lähestymistavan<br />
välillä on näkemys käsitteenmuodostuksen asemasta uusien käsitteiden oppimisessa.<br />
Ausubel pitää käsitteenmuodostusta tyypillisenä varhaisille ikäkausille ja myöhemmille<br />
ikäkausille käsitteiden assimilointia käsitteiden omaksumisessa ja oppimisessa. Kurki-<br />
Suoniot sen sijaan korostavat käsitteenmuodostuksen keskeistä asemaa ymmärtävän<br />
oppimisen perustana. Samoin näkemykset empirian ja teorian suhteesta poikkeavat<br />
toisistaan oleellisesti. Ausubel’in mukaan oppiminen etenee kouluiässä pääasiassa<br />
deduktiivisesti, kun taas Kurki-Suonioiden mukaan oppiminen on induktion ja<br />
deduktion vuorotteleva, toisiaan täydentävä hahmotusprosessi.<br />
Yleisarvionkin perusteella esijärjestinperiaate edustaa luonteeltaan teoreettista<br />
lähestymistapaa. Siitä puuttuu todellisuuden (käytännön) kytkentä oppilaaseen ja<br />
oppiaineeseen. Se rajoittuu melkein yksinomaan empiiris-kuvailevaan (teoreettisia<br />
merkityksiä kantavaan) tietoon, joka assimilaation avulla yritetään sulauttaa oppilaan<br />
kognitiivisessa rakenteessa jo olemassa oleviin yläkäsitteisiin. Hahmottavassa<br />
lähestymistavassa todellisuudella (empiria, kokeellisuus) on vahva kytkentä opittavaksi<br />
tarkoitettuun tietoainekseen ja oppilaaseen. Siinä tieto synnytetään todellisuudesta<br />
empiirisessä käsitteenmuodostusprosessissa. Käsitteet oppilas oppii hahmottamisen,<br />
merkitysten luomisen, ajattelun ja ymmärtämisen kautta, minkä seurauksena oppilaan<br />
omaksuma tietorakenne vähitellen kasvaa ja kehittyy vastaamaan fysiikan yhtenäistä<br />
tietorakennetta. Havainnoinnin ja kaikenlaisen kokeellisen toiminnan kautta oppilas on<br />
jatkuvassa vuorovaikutuksessa todellisuuden (empirian, käytännön) kanssa.<br />
Oppikirjatarkastelulla etsittiin vastausta kysymykseen, joka koski esijärjestimien<br />
ilmenemistä ja sisältöä erilaisia lähestymistapoja edustavissa kirjasarjoissa. Tavoitteena<br />
oli nimenomaan saada tietoa siitä, eroaako hahmottavaa lähestymistapaa noudattaen<br />
kirjoitettu Galilei -sarja tässä suhteessa teoreettista lähestymistapaa edustavasta<br />
Fysiikka –sarjasta ja humanistis-historiallista lähestymistapaa edustavasta Lukion<br />
fysiikka –sarjasta. Kvantitatiivisen tarkastelun perusteella kirjasarjoista ei löydetty<br />
oleellisia eroja. Galilei –sarjassa esijärjestimiä oli kuitenkin jonkin verran enemmän<br />
(15) kuin kahdessa muussa kirjasarjassa (8 ja 8). Galileissa myös esijärjestimien<br />
muotovalikoima oli hiukan runsaampi kuin muissa sarjoissa. Kvalitatiivisen tarkastelun<br />
perusteella kirjasarjoissa erot tulivat selkeämmin esiin. Galilei –sarjassa esijärjestin –<br />
periaatteeseen tyypillisesti kuuluvaa luokittelua esiintyi oleellisesti enemmän kuin<br />
Fysiikka –sarjassa ja Lukion fysiikka –sarjassa, vieläpä niin, että viimeksi mainitun<br />
luokittelukaavio jäi kokonaan tyhjäksi.<br />
Tässä on kuitenkin huomautettava, että kvalitatiivisessa tarkastelussa kohteeksi<br />
oli valittu kunkin kirjasarjan osalta vain yksi esijärjestinkokonaisuus. Niiden katsottiin<br />
joka tapauksessa edustavan parhaiten ko. kirjasarjaa. Muutoinkin kirjasarjojen tarkastelu<br />
osoittautui oletettua monisyisemmäksi. Erityisesti kysymys siitä mitä voidaan pitää<br />
esijärjestimenä nousi monta kertaa esille. Joissain kohdin subjektiivinen näkemys onkin<br />
saattanut saada liian vahvan otteen. Sen ei kuitenkaan uskota vaikuttaneen niin paljoa,<br />
etteikö suuntaa antavien johtopäätösten tekemiselle olisi hyväksyttäviä perusteita.<br />
Kvantitatiivisen ja kvalitatiivisen tarkastelun perusteella voitaneen kaikesta<br />
huolimatta todeta, että esijärjestinperiaatteen ominaispiirteet ilmenevät jonkin verran
laajemmin ja selkeämmin Galilei –sarjassa kuin Fysiikka –sarjassa ja Lukion fysiikka –<br />
sarjassa. Tästä voitaneen tehdä sellainen johtopäätös, että hahmottavassa lähestymistavassa<br />
ainakin perushahmotustasoon kuuluvalla tunnistavalla luokittelulla on<br />
yhtymäkohtia ’ausubeliläiseen’ progressiivista differentiaatiota (edistyvää eriytymistä)<br />
noudattavaan luokitteluun. Hahmottavan lähestymistavan perushahmotusvaiheessa<br />
olioiden, ilmiöiden ja ominaisuuksien kvalitatiivisella tasolla mielikuvien käsitteistäminen<br />
hahmottamisen kautta mielenrakenteiksi vastannee hyvin Ausubel’in<br />
tarkoittamaa oppimispsykologista kognitiivisen rakenteen muodostumista.<br />
Siirryttäessä fysiikan hierarkkisen käsiterakenteen portaita askelma ylemmäs,<br />
kvantitatiiviselle suureiden ja lakien tasolle, näyttäisi Ausubel’in alkuperäisellä vahvasti<br />
luokitteluun nojaavalla esijärjestinperiaatteella olevan vähemmän yhtymäkohtia<br />
hahmottavan lähestymistavan kanssa kuin mitä niillä on kvalitatiivisella kielen tasolla.<br />
Mayerin ja Derryn tulkintojen perusteella voidaan kuitenkin todeta, että Ausubel’in<br />
esijärjestinperiaate on laajennettavissa myös kvantitatiivisen tiedon tasolle.<br />
Hahmottavan lähestymistavan kannalta katsottuna tämä tarkoittanee sitä, että tällaista<br />
’laajennettua’ esijärjestinperiaatetta voidaan soveltaa hahmotusprosessin eri vaiheissa<br />
uusien mielikuvien, hahmojen, luomiseksi. Samalla Ausubel’in käyttämien pelkästään<br />
tekstimuotoisten esijärjestimien rinnalle voidaan ottaa monimuotoisempi valikoima, jota<br />
Langan-Foxin ym. esittämä taksonomia edustaa. Se soveltunee hyvin luomaan<br />
mielikuvia ja jäsentämään ennalta fysikaalista ilmiömaailmaa, sen lainalaisuuksia ja<br />
periaatteita.<br />
Kurki-Suonioiden hahmottavan lähestymistavan juuret ovat vankasti kiinni<br />
tieteen<strong>fi</strong>loso<strong>fi</strong>an hedelmällisessä maaperässä (ks. Vänni 2003), kun taas Ausubel’in<br />
esijärjestinperiaatteen juuret tunkeutuvat syvälle oppimispsykologiseen kasvualustaan.<br />
Huolimatta hyvin erilaisilta näyttävistä lähtökohdista, sisältyy molempiin ’teorioihin’<br />
niin tieteen<strong>fi</strong>loso<strong>fi</strong>aa kuin oppimispsykologiaakin painotusten ollessa kuitenkin selkeästi<br />
eri tahoilla. Ymmärtävään oppimiseen tähtäävässä hahmottavassa käsitteenmuodostusprosessissa<br />
on mukana vankka oppimispsykologinen elementti. Käsitteiden teoreettisia<br />
merkityksiä kantavassa assimilaatioprosessissa on mukana vahva tieteen<strong>fi</strong>loso<strong>fi</strong>nen<br />
elementti.<br />
Vaikka hahmottavan lähestymistavan ja advance organizer –periaatteen suhdetta<br />
onkin pystytty kuvailemaan vertailujen ja rinnastusten avulla, saataneen kuitenkin<br />
syvällisempi näkökulma suhteeseen, jos tarkastellaan molempia ’teorioita’ erilaisten<br />
rakenteitten (mielikuvarakenteet, kognitiiviset rakenteet, fysiikan tietorakenne ja<br />
oppilaan omaksuma rakenteellinen tieto) kautta. Mielikuvarakenteita Ausubel kuvaa<br />
kognitiivisilla rakenteilla. Kognitiiviset rakenteet edustavat Ausubel’in teorian keskeistä<br />
elementtiä, fysiikan tietorakenne Kurki-Suonioiden teorian. Molemmissa ’teorioissa’<br />
lähtökohtana ovat oppilaan kokemukset, mielikuvat, jo olemassa oleva tieto, joita<br />
edustavat enemmän tai vähemmän jäsentyneet ja ’kaoottiset’ mielikuvarakenteet.<br />
Tällaiset mielikuvarakenteet voivat liittyä mihin tahansa tiedonalaan, myös fysiikan<br />
hierarkkiseen tietorakenteeseen, johon hahmottava lähestymistapakin nojaa.<br />
Esijärjestimien tehtävänä voidaan pitää näiden kahden rakenteen, fysiikan tietorakenne<br />
ja kognitiivinen rakenne, saattamista toistensa kanssa kosketuksiin niin, että opetusoppimis<br />
-tapahtuman tuloksena on oppilaan omaksuma rakenteellinen, jäsentynyt tieto.<br />
Yleisesti voitaneen todeta, että esijärjestinperiaatteen käyttöä eivät ainakaan<br />
opetuksen erilaiset lähestymistavat sulje opetuksessa käytettävien työtapojen<br />
ulkopuolelle. Esijärjestimien käytön vaikutuksia oppimistuloksiin on tutkittu laajalti<br />
niin Suomessa kuin muuallakin. Näiden tutkimusten esittely rajattiin tästä tutkielmasta<br />
pois, koska tarkoituksena on ollut tarkastella nimenomaan advance organizer –<br />
periaatteen ja hahmottavan lähestymistavan suhdetta. Jatkossa olisikin mielenkiintoista<br />
tutkia tarkemmin esijärjestimien opetuskäytön laajuutta ja yleisyyttä fysiikan<br />
91
opetuksessa sekä vaikutuksia oppimistuloksiin, niin kuin myös erimuotoisten (ks.<br />
esijärjestintaksonomia) esijärjestimien vaikutuksia.<br />
92
93<br />
TARKASTELLUT OPPIKIRJAT<br />
Lavonen, J., Kurki-Suonio, K., Hakulinen, H. (1994) Galilei 3. WSOY-yhtymä Weilin+<br />
Göös. WSOY - Kirjapainoyksikkö Porvoo 1999.<br />
Lavonen, J., Kurki-Suonio, K., Hakulinen, H. (1994) Galilei 4. WSOY-yhtymä Weilin+<br />
Göös. WSOY:n graa<strong>fi</strong>set laitokset Porvoo 1996.<br />
Hassi, S., Hatakka, J., Saarikko, H., Valjakka, J. (1996) Lukion fysiikka. Voima ja liike<br />
1. Werner Söderström Osakeyhtiö. WSOY:n graa<strong>fi</strong>set laitokset Porvoo 1996.<br />
Hassi, S., Hatakka, J., Saarikko, H., Valjakka, J. (1996) Lukion fysiikka. Voima ja liike<br />
2. Werner Söderström Osakeyhtiö. WSOY:n graa<strong>fi</strong>set laitokset Porvoo 1996.<br />
Lehto, H., Luoma, T. (1994) Fysiikka 1, ss. 39-94. Kirjayhtymä Oy. Gummerus Kirjapaino<br />
Oy, Jyväskylä 1995.<br />
Lehto, H., Luoma, T. (1995) Fysiikka 3. Kirjayhtymä Oy. Gummerus Kirjapaino Oy,<br />
Jyväskylä 1995.
94<br />
KIRJALLISUUSLÄHTEET JA -VIITTEET<br />
Adage Oy. Saatavissa: http://www.adage.<strong>fi</strong>/artikkelit/kaytettavyyssanasto.html#e.<br />
Katsottu viimeksi 15.08.2003.<br />
Aksela, M. & Juvonen, R. Kemian opetus tänään. Opetushallitus. Moniste 27/99.<br />
Kemianteollisuus ry.<br />
Alverman, D. E. (1981) The compensatory effect of graphic organizers on descriptive<br />
text. Journal of Educational Research, 75, 44-48.<br />
Anderson, J. R. (1995) Cognitive psychology and its implications. New York: Freeman.<br />
Ausubel, D. P. The Use of Advance Organizers in the Learning and Retention of<br />
Meaningful Verbal Material. Journal of Educational Psychology, 1960, 51, 267-272.<br />
Uudelleen painettuna kirjassa Ausubel David, P. (1969), Readings in school learning,<br />
The City University of New York; Holt, Rinehart and Winston, Inc.<br />
Ausubel, D. P., [and D. Fitzgerald]. The role of discriminability in meaningful verbal<br />
learning and retention. Journal of Educational Psychology, 1961, 52, 267-272.<br />
Uudelleen painettuna kirjassa Ausubel David, P. (1969), Readings in school learning,<br />
The City University of New York; Holt, Rinehart and Winston, Inc.<br />
Ausubel, D. P. (1962) A Subsumption Theory of Meaningful Verbal Learning and<br />
Retention. The Journal of General Psychology, 66, 213-244.<br />
Ausubel, D. P., and D. Fitzgerald. Organizer, general background, and antecedent<br />
learning variables in sequential verbal learning. Journal of Educational Psychology,<br />
1962, 53, 243-249. Uudelleen painettuna kirjassa Ausubel David, P. (1969), Readings<br />
in school learning, The City University of New York; Holt, Rinehart and Winston, Inc.<br />
Ausubel, D. P. (1963) The Psychology of Meaningful Verbal Learning. New York.<br />
Grune and Stratton.<br />
Ausubel, D. P. (1968) Educational Psychology: A Cognitive View. New York. Holt,<br />
Rinehart and Winston.<br />
Ausubel, D. P., Novak, J. D. and Hanesian, H. (1978) Educational Psychology: A<br />
Cognitive View. Second edition. New York. Holt, Rinehart and Winston.<br />
Bartlett, F. (1932) Remembering. Cambridge. Cambridge University Press.<br />
Beeson, G. (1981) Influence of knowledge context on the learning of intellectual skills.<br />
American Educational Research Journal 18, 363-379.<br />
Besissner, K. L., Jonassen, D. H. & Grabowski, B. L. (1993) Using and selecting<br />
graphic techniques to acquire structural knowledge. Performance Improvement<br />
Quarterly, 7(4), 20-38.<br />
Clark, C. H. & Bean, T. W. (1982) Improving advance organizer research: Persistent<br />
problems and future directions. Reading World, 22(1), 2-10.
95<br />
Corkhill, A. J. (1992) Advance organizers: Facilitators of recall. Educational<br />
Psychology Review, 4, 33-37.<br />
Derry, S. J. (1984) Effects of an organizer on memory for prose. Journal of Educational<br />
Psychology, 76, 98-107.<br />
Engeström, Yrjö (1984) Orientointi opetuksessa. 1. painoksen muuttamaton lisä-painos.<br />
Valtion koulutuskeskus. Julkaisusarja B nro 29. Valtion painatuskeskus. <strong>Helsinki</strong> 1986.<br />
Frase, L.T. (1975) Prose prosessing. Teoksessa G.H. Bower (toim.), The psychology of<br />
learning and motivation (Vol. 9), New York: Academic.<br />
Gagne, R. M. & Wiegand, V. K. (1970) Effect of superordinate context on learning and<br />
retention of facts. Journal of Educational Psychology, 61, 406-409.<br />
Hassi, S., Hatakka, J., Saarikko, H., Valjakka, J. (1996) Lukion fysiikka, voima ja liike<br />
1. Werner Söderström Osakeyhtiö. WSOY:n graa<strong>fi</strong>set laitokset, Porvoo.<br />
Helsingin yliopisto, fysiikan laitos, didaktinen fysiikka, mukaillen.<br />
http://didactical.physics.helsinki.<strong>fi</strong>/kfr/materiaali/mekaniikka/mekaniikka.html.<br />
(www-osoite vanhentunut? Uutta ei tiedossa!).<br />
Joyce, Bruce and Weil, Marsha (1986) Models of Teaching. Third Edition. Prentice<br />
Hall, Inc. Englewood Cliffs, New Jersey.<br />
Joyce, Bruce and Weil, Marsha (2000) Models of Teaching. Sixth Edition. Boston:<br />
Allyn and Bacon.<br />
Kintsch, W. & Van-Dijk, T. A. (1978) Toward a model of text cmprehension and<br />
production. Psychological Review, 85(5), 363-394.<br />
Kurki-Suonio, K., Kervinen, M., Korpela, R. (1982) Kvantti 1. Weilin+Göös.<br />
Tampereen Kirjapaino Oy, Tamprint. Tampere.<br />
Kurki-Suonio, K. ja R. (1998) Fysiikan merkitykset ja rakenteet (3. muuttamaton<br />
painos). Limes ry, <strong>Helsinki</strong>.<br />
Kurki-Suonio, K. ja R. (1998) Ajatuksia didaktisesta fysiikasta. Teoksessa "Tuulta<br />
purjeisiin", toim. Jari Lavonen ja Matti Erätuuli. Atena Kustannus. Jyväskylä, 1998.<br />
Saatavissa myös: http://didactical.physics.helsinki.<strong>fi</strong>/didfys/ajatuksia.htm.<br />
Kurki-Suonio, K., Kurki-Suonio, R., Lavonen, J., Hakulinen, H. (1994) Opettajan<br />
materiaali: Galilei 1,2 ja 3. Weilin+Göös. Copy-Set Oy, <strong>Helsinki</strong>.<br />
Kuusinen, J. (toim. 1991) Kasvatuspsykologia. WSOY. Juva.<br />
Langan-Fox, Janice; Waycott, Jennifer, L; Albert, Kim (2000). Linear and Graphic<br />
Advance Organizers: Properties and Processing. International Journal of Cognitive<br />
Ergonomics, Vol. 4(1).
Larkin, J. H. & Simon, H. A. (1987) Why a diagram is (sometimes) worth ten thousand<br />
words. Cognitive Science, 11, 65-99.<br />
Lavonen, J., Kurki-Suonio, K., Hakulinen, H. (1995) Galilei 1. Weilin+Göös. WSOY:n<br />
graa<strong>fi</strong>set laitokset Porvoo 1995.<br />
Lavonen, J., Kurki-Suonio, K., Hakulinen, H. (1994) Galilei 2. WSOY-yhtymä Weilin+<br />
Göös. WSOY - Kirjapainoyksikkö Porvoo 1998.<br />
Lavonen, J., Kurki-Suonio, K., Hakulinen, H. (1994) Galilei 3. WSOY-yhtymä Weilin+<br />
Göös. WSOY - Kirjapainoyksikkö Porvoo 1999.<br />
Lavonen, J., Kurki-Suonio, K., Hakulinen, H. (1994) Galilei 4. WSOY-yhtymä Weilin+<br />
Göös. WSOY:n graa<strong>fi</strong>set laitokset Porvoo 1996.<br />
Lavonen, Meisalo & al. (2001a) Tieto ja prosessikeskeiset työtavat.<br />
Saatavissa: http://www.malux.edu.helsinki.<strong>fi</strong>/malu/kirjasto/tieto/index.htm.<br />
Katsottu viimeksi 25.09.2003.<br />
Lavonen, Meisalo & al. (2001b) Ennakkojäsentäjät.<br />
Saatavissa: http://www.edu.helsinki.<strong>fi</strong>/malu/kirjasto/tieto/ennakko/.<br />
Katsottu viimeksi 25.09.2003.<br />
Lawton, J. T. & Wanska, S. K. (1977) Advance organizers as teaching strategy: A reply<br />
to Barnes and Clawson. Review of Educational Research, 47, 233-244.<br />
Lehtinen, E. ym. (1989) Oppimiskäsitys. Kouluhallitus ja Valtion painatuskeskus.<br />
<strong>Helsinki</strong>.<br />
Lehto, H. ja Luoma, T. (1995) Fysiikka 3. Kirjayhtymä Oy. Gummerus Kirjapaino Oy,<br />
Jyväskylä 1995.<br />
Lukion opetussuunnitelman perusteet 2003 (käytössä 1.8.2005 lähtien). Nuorille<br />
tarkoitetun lukiokoulutuksen opetussuunnitelman perusteet. <strong>Helsinki</strong>: Opetushallitus,<br />
Valtion painatuskeskus.<br />
Mayer, R. E. (1979) Can advance organizers influence meaningful learning? Review of<br />
Educational Research, 49, 371-383.<br />
Mayer, R. E. & Bromage, B. K. (1980) Different recall protocols for technical texts due<br />
to advance organizers. Journal of Educational Psychology, 72, 209-225.<br />
Mayer, R. E. (1987) Educational Psychology: A cognitive approach. Boston: Little,<br />
Brown & Company.<br />
Mayer, R. E. (1989) Models for understanding. Review of Educational Research, 59,<br />
43-64.<br />
McEneany, J. E. (1990) Do advance organizers facilitate learning? A review of<br />
subsumption theory. Journal of Research and Development in Education, 23, 89-96.<br />
96
Miettinen, Reijo (1995) Kognitiivisen oppimisnäkemyksen tausta. 6. painoksen<br />
muuttamaton lisäpainos. Hallinnon kehittämiskeskus. Julkaisusarja B nro 24.<br />
Painatuskeskus Oy. <strong>Helsinki</strong>.<br />
Neisser, U. (1976) Cognition and reality. San Fransisco. Freeman. Suomentanut<br />
Jahnukainen, Helena (1982) Kognitio ja todellisuus. Weilin & Göös. Espoo.<br />
Novak, Joseph D. and Gowin, D. Bob (1993) Learning how to learn. Cambridge<br />
University Press. Suomentanut Lehto-Kaven, Pilke (1995) Opi oppimaan. Gaudeamus<br />
Kirja. Tammer-Paino Oy. Tampere.<br />
Novak, Joseph D. (1998) Learning, creating, and knowledge: concept maps as<br />
facilitative tools in schools and corporations. Lawrence Erlbaum Associates, Inc.,<br />
Publishers, New Jersey. Suomentanut Åhlberg Mauri (2002) Tiedon oppiminen,<br />
luominen ja käyttö. Otavan Kirjapaino Oy. Keuruu.<br />
Rahikka, M., Mikon fysiikan juttuja.<br />
Saatavissa: http://hyl.edu.hel.<strong>fi</strong>/sivut/Mikko/fysiikka/index.html<br />
Katsottu viimeksi 15.08.2003.<br />
Rewey, K.L., Dansereau, D.F., Dees, S. M., Skaggs, L. P. & Pitre, P. (1992) Scripted<br />
cooperation and knowledge map supplements: Effects on the recall of biological and<br />
statistical information. Journal of Experimental Education, 60, 93-107.<br />
Robinson, D. H. & Kiewra, K. A. (1995) Visual argument: Graphic organizers are<br />
superior to outlines in improving learning from text. Journal of Educational Psychology,<br />
87, 455-467.<br />
Sahlberg, Pasi (1987) Esijärjestimet luonnontieteiden opetuksessa. Dimensio vol. 51,<br />
no. 7.<br />
Sahlberg, Pasi (1989, toim.) Luonnontieteiden opetuksen työtapoja 1. Kouluhallitus.<br />
Valtion painatuskeskus. <strong>Helsinki</strong>.<br />
Sfu, P. K. (1986) Understanding Chinese prose: Effects of number of ideas, metaphor<br />
and advance organizer on comprehension. Journal of Educational Psychology, 78, 417-<br />
423.<br />
Schnotz, W. (1993) Introduction. Learning and Instruction, 3, 151-155.<br />
Strickland, H. (1997) Theory. Saatavissa:<br />
http://imet.csus.edu/imet1/denyer/AO%20assign/7%20Features%20of%20AO%20Theory.doc<br />
Katsottu viimeksi 15.08.2003.<br />
Vänni, J. (2003) Hahmottavan lähestymistavan <strong>fi</strong>loso<strong>fi</strong>set juuret. Pro <strong>gradu</strong>. Helsingin<br />
yliopisto. Fysikaalisten tieteiden laitos. <strong>Helsinki</strong>.<br />
Väisänen, J. (1999) Käsitekartat fysiikan tietorakenteen esittämisen välineenä. Pro<br />
<strong>gradu</strong>. Helsingin yliopisto, fysiikan laitos.<br />
Saatavissa: http://didactical.physics.helsinki.<strong>fi</strong>/kirjasto/ont/jv/index.html<br />
Katsottu viimeksi 15.08.2003.<br />
97
Åhlberg, Mauri (1990) Käsitekarttatekniikka ja muut vastaavat graa<strong>fi</strong>set tiedonesittämistekniikat<br />
opettajan ja oppilaiden työvälineinä. Joensuun yliopisto,<br />
Kasvatustieteiden tiedekunnan tutkimuksia n:o 30. Savonlinnan opettajankoulutuslaitos.<br />
98
Change language