Pro gradu -tutkielma Fysiikan opettajan suuntautumisvaihtoehto ...

Pro gradu ­tutkielmaFysiikan opettajan suuntautumisvaihtoehtoLÄMPÖOPIN KURSSIN SUUNNITTELU, TOTEUTUS JA ANALYSOINTIHAHMOTTAVAN LÄHESTYMISTAVAN NÄKÖKULMASTA PERUSASTEENYLÄLUOKILLEHellevi Mäkinen16.5.2008Ohjaaja(t): Prof. emer. Kaarle Kurki­SuonioProf. Heimo SaarikkoTarkastajat: Prof. emer. Kaarle Kurki­SuonioProf. Heimo SaarikkoHELSINGIN YLIOPISTOFYSIIKAN LAITOSPL 64 (Gustaf Hällströmin katu 2)00014 Helsingin yliopisto

SISÄLLYS1. Johdanto.........................................................................................................................12. Teoreettinen lähtökohta ................................................................................................32.1. Hahmottava lähestymistapa .................................................................................................. 32.2. Käsitteenmuodostus ja suureet.............................................................................................. 42.3. Oppimiskäsitys..................................................................................................................... 52.4. Opetuksen kieli..................................................................................................................... 63. Lämpöopin kurssin suunnittelun lähtökohdat ............................................................83.1. Yleiset perusteet ................................................................................................................... 83.2. Opetussuunnitelman yleiset tavoitteet................................................................................... 83.3. Kurssin sisältö .................................................................................................................... 103.4. Työtavat ............................................................................................................................. 114. Lämpöopin kurssin rakenne ja toteutus....................................................................144.1. Johdanto............................................................................................................................. 144.2. Hahmottava kokeellisuus.................................................................................................... 144.2.1. Lämpötila .................................................................................................................... 154.2.1.1. Lämpötila­asteikot ................................................................................................ 174.2.2. Lämpölaajeneminen..................................................................................................... 174.2.2.1. Veden poikkeava tilavuuden muutos..................................................................... 204.2.2.2. Lämpötilakertoimet............................................................................................... 204.2.3. Lämpöenergia.............................................................................................................. 214.2.3.1. Lämpöenergian varastoituminen ........................................................................... 224.2.3.2. Ominaislämpökapasiteetti ..................................................................................... 234.2.4. Olomuodon muutokset................................................................................................. 254.2.4.1. Eri olomuodot ja muutospisteet............................................................................. 254.2.4.2. Energia olomuodon muuttuessa............................................................................. 264.2.4.3. Olomuodonmuutosten ominaislämmöt .................................................................. 274.2.4.4. Malli olomuodon muutoksista............................................................................... 284.2.5. Energian säilyminen ja huononeminen......................................................................... 294.2.5.1. Kokonaisenergian säilyminen................................................................................ 304.2.5.2. Ilmiöiden suunta ................................................................................................... 304.2.6. Lämpöenergian siirtyminen ......................................................................................... 314.2.6.1. Johtuminen ........................................................................................................... 324.2.6.2. Kulkeutuminen ..................................................................................................... 334.2.6.3. Säteily................................................................................................................... 334.2.6.4. Sovellus ................................................................................................................ 354.3. Kurssin aikataulu................................................................................................................ 355. Oppilaiden käsitykset ja niiden kehittyminen ...........................................................375.1. Ennakkokäsitystestin toteutus............................................................................................. 375.2. Kysymykset ja esimerkkejä vastauksista............................................................................. 375.3. Ennakkokäsitysten analysointi............................................................................................ 435.4. Kysymykset kurssin jälkeen ............................................................................................... 456. Loppupäätelmät ...........................................................................................................51Lähteet..............................................................................................................................53Liite 1. ...............................................................................................................................54Liite 2. ...............................................................................................................................552

1. JohdantoTämä tutkimus kuuluu didaktisen fysiikan piiriin. Didaktisen fysiikan tutkimuksenkohteena tai lähtökohtana on fysiikan opetus ja fysiikan tiedollis­käsitteellinen jametodis­prosessuaalinen rakenne. Didaktinen fysiikka tutkii tiedon rakenteita jaluonnetta sekä sen luomista ja kehittymistä. Fysiikan opiskelun prosessuaalisenamallina käytetään tieteen etenemisen rakennetta. Didaktisen fysiikan tutkimuksentavoitteena on mm. fysiikan opetuksen kehittäminen. (Kurki­Suonio, K. ja Kurki­Suonio, R. 1998)Tutkimuksen tavoitteena on suunnitella ja toteuttaa lämpöopinkurssi peruskoulunyläluokille. Kurssin suunnittelu ja toteutus perustuu hahmottavaan lähestymistapaan,johon tutkimuksen tekijä on tutustunut didaktisen fysiikan cum laude –kurssilla vuonna1996. Tutkimuksen tekijä oli kokenut aiemmin fysiikkaa opettaessaan ristiriitaisenaoppikirjojen tavan esitellä suureet ja määritellä ne matemaattisina suureyhtälöinä ennenkuin niille oli käyttöä tai ennen kuin suureiden välisiä riippuvuuksia oli hahmotettu.Lisäksi ristiriitaa aiheutti se, että fysiikan oppikirjojen ehdottama opetusjärjestys ei ainatukenut oppimisprosessia. Tutkimusongelmana oli siis, voidaanko kurssi rakentaa jatoteuttaa siten, että huomioidaan sekä oppilaan kehitysvaihe, oppimisen ongelmat, ettäfysiikan rakenteellisuus. Saadaanko fysiikan opetuksesta mielekäs rakenteellinenkokonaisuus, joka noudattaa tieteen ja oppimisen yhteisiä prosessuaalisia jakäsitteellisiä rakenteita? Lisäksi kurssin suunnittelussa on huomioitava sekävaltakunnallinen, että koulukohtainen opetussuunnitelma ja käytössä oleva fysiikanoppikirja. Suunnittelussa ja erityisesti toteutuksessa on lisäksi huomioitava se, ettäkoulussa neljä muuta 9. luokan ryhmää opiskelee samanaikaisesti samaa kurssia, jonkajälkeen on yksi yhteinen summatiivinen koe. Koulussa on vain kaksilaboratorioluokkaa, joihin saattaa olla pyrkimässä viisikin ryhmää, jotenopetuskokonaisuuksien toteutusjärjestykseen saattaa vaikuttaa myös käytössä oleva tila.Kurssin suunnittelussa otettiin huomioon oppilaiden aiemmat opinnot, heidänajattelunsa kehitysvaihe sekä fysiikan käsitteiden asteittainen rakentuminen jahierarkkinen järjestys. Hahmottava lähestymistapa toteuttaa konstruktivististaoppimiskäsitystä. Sen mukainen opetus on ”vahvasti ohjattua konstruktivismia”,1

konstruktivismin spesifinen sovellus, jossa ohjaavana periaatteena on fysiikankäsitteellinen ja prosessuaalinen rakenne. Tutkimuksen kohteena olevan, jo toteutetunlämpöopinkurssin sisällön ja työtavat määritteli valtakunnallinen, kunnallinen jakoulukohtainen opetussuunnitelma. Kurssin sisältö rakennettiin siten, että kurssinetenemisjärjestys ja kokeellisuus tukisi oppilaan omaa hahmotusprosessia ja senvaiheita mahdollisimman hyvin. Opetussuunnitelmat huomioiden kurssin suunnittelunja toteutuksen pohjana on osittain käytetty vuosien 1996–1997 DFCL –täydennyskoulutuksessa ”Hahmottavan kokeellisuuden suunnittelukurssin” opintosuorituksinalaadittuja raportteja. Kurssin rakenteeseen ja toteutukseen vaikutti myöskoulussa käytössä oleva fysiikan oppikirja ”Aine ja energia”(Aspholm et. al. 2001).Kurssi toteutettiin Tampereella Kaarilan koulussa lukuvuonna 2005–2006. Koulussa olitällöin 9. luokkia kuusi kappaletta, joista kaksi osallistui tähän tutkimukseen. Oppilaitanäillä kahdella luokalla oli yhteensä 30. Kummallakin luokalla oli 15 oppilasta, joistatyttöjä 7 ja poikia 8. Kurssin alussa kartoitettiin ennakkokäsityskysymysten avullaoppilaiden käsityksiä lämmittämiseen, lämpöenergian siirtymiseen ja energialajienmuuntumiseen liittyvistä asioista. Oppilaat vastasivat myös kurssin jälkeensamantapaisiin kysymyksiin. Kurssin päätteeksi oli summatiivinen koe koulun kokoikäluokalle.2

2. Teoreettinen lähtökohta2.1. Hahmottava lähestymistapaHahmottava lähestymistapa korostaa empirian primaarisuutta käsitteenmuodostuksenperustana. Aito ymmärtäminen on mahdollista vain, jos opetuksen lähtökohtana onluonto ja havaitseminen. Käsitteet hahmotetaan itse. Näin oppilas luo itselleenoivallettua, ymmärrettyä ja omaksuttua tietoa.Opetuksen ensisijainen tehtävä on auttaa oppilaan luonnollisen havaitsemisen jahahmottamisen prosesseja kehittymään. Opetuksen perustavoitteet ovat prosessuaalisia,eivät tiedollisia. Hahmottaminen on kunkin yksilön oma prosessi. Opettajan tehtävänäei ole niinkään antaa vastauksia kuin herättää kysymyksiä.Luonnollinen oppiminen etenee havainnoista lähtien hahmottamalla kohti yhäyleisempiä jäsentäviä käsitteitä. Käsitteet samaistuvat hahmotusprosessiin, joka luoniiden merkitykset ja sulauttaa empirian ja teorian yhdeksi kokonaisuudeksi. Seperustuu luonnon havaitsemiseen ja tutkimiseen, ja sen tavoitteena on ymmärtäminen,tietoisuus luonnon lainalaisuuksista, ilmiöiden syistä ja seurauksista.Konstruktivistisen oppimiskäsityksen mukaan oppiminen on oppilaan oma prosessi,johon vaikuttaa aiemmin opittu, mielikuvat ja kokemukset. Hahmottavanlähestymistavan kannalta on olennaista, että oppilaiden luontaiset ajatusmallit edustavatoppilaan hahmotusprosessin saavuttamaa kehitysvaihetta. Näiden luontaistenajatusmallien tunteminen on välttämätöntä, jotta tätä prosessia voidaan auttaakehittymään. Hahmo on merkitys, joka syntyy ennen käsitettä. Kaikkien käsitteidenmerkityksen luo suunnattu prosessi, joka alkaa havainnosta ja etenee kohti teoriaa.Käsitteenmuodostusprosessi antaa käsitteille uusia merkityksiä, tällöin myös fysiikankieli kehittyy. Hahmottava lähestymistapa ja käsitteenmuodostusprosessi on tässätutkielmassa esitetty Kaarle ja Riitta Kurki­Suonion kirjan Fysiikan merkitykset jarakenteet (1994) mukaan.3

2.2. Käsitteenmuodostus ja suureet”Fysiikassa tieto ja ymmärtäminen merkitsevät ensi sijassa luonnon käsitteellistähallintaa, joka perustuu käsitteiden ja käsiterakenteiden merkityksiin.Käsitteenmuodostus eli merkitysten syntyminen, käsitteistäminen, rakenteistuminen jayleistyminen, on siten fysiikanopetuksen tärkeä kysymys. Se on myös tieteen historiankeskeinen kysymys, sillä merkitysten ja niihin perustuvien käsitteiden asteittainenrakentuminen on historiassa toteutunut kehityskulku. Samalla se yhdistää tieteenhistorian opetukseen, sillä historiassa toteutuneen merkitysten rakentumisen tulisi voidatoteutua oppimisessa.”(Kurki­Suonio, K. 2006)Kaikkien käsitteiden merkityksen luo suunnattu prosessi, joka alkaa havainnosta jaetenee kohti teoriaa. Käsitettä ei voi erottaa merkityksestä eikä merkitystä sitä luovastaprosessista. Hahmo on merkitys, joka syntyy ennen käsitettä. Uudet hahmot rakentuvataikaisemmille, oppiminen perustuu aikaisemmin opittuun.Kaikki fysiikan käsitteenmuodostus alkaa perushahmotuksesta, jossa rakennetaanhahmokokonaisuuksia tunnistamalla, luokittelemalla ilmiöalueen perushahmoja jajäsentämällä niiden keskinäisiä suhteita. Perushahmoihin kuuluvat erityisesti oliot ­luonnon subjektit, ilmiöt ­ luonnon tapahtumiset sekä ilmiöihin liittyvät ominaisuuksienpysyvyyden ja muuttumisen, keskinäisen riippuvuuden, aiheuttamisen ja vaikuttamisenhahmot. Tämän tason empiria on havaitsemista, tarkkailua ja kvalitatiivisia kokeita.Kvalitatiivisen tason opetus ei voi kuitenkaan olla riippumaton kvantitatiivisen tasonopetuksesta, koska ominaisuuksien väliset riippuvuudet ennakoivat kvantitatiivisiarakenteita.Esikvantifioinnissa ominaisuuksiin, niiden muuttumiseen, vaikutuksiin ja keskinäisiinriippuvuuksiin liitetään astetta tai voimakkuutta luonnehtivia mielikuvia. Huomiokiinnitetään ilmiön sellaisiin ominaisuuksiin, joita esittämään suuretta tarvitaan.Ominaisuuksien kvantitatiiviset vastineet ovat suureita. Ilmiöiden kvantitatiivisetvastineet ovat lakeja.4

Fysiikan suurejärjestelmän ainutlaatuinen kvantitatiivinen järjestys sitoo käsitteidenkäyttöönoton järjestystä. Kvalitatiivisen tason opetus on tässä suhteessa paljonvapaampaa, mutta siinä tulisi kuitenkin kiinnittää huomiota ilmiömaailman sellaisiinhahmoihin, jotka vastaavat fysiikan kvantitatiivisia käsitteitä ja lakeja. Tämä merkitsee”oikeaa ennakointia” eli kvalitatiivisella tasolla on kussakin tilanteessa erikseenhahmotettava kvantitatiivisten lakien kannalta olennaisia ominaisuuksia jariippuvuuksia.Fysiikan ymmärtäminen nojautuu suureiden merkityksen ymmärtämiseen. Suureidenmäärittelyn vaiheet ovat siten myös luonnollisesti etenevän oppimisen –ja opetuksen –vaiheita. Perushahmotus, esikvantifiointi, idealisointi ja pelkistys, kvantifiointi, yleistysja laajennus muodostavat oppimisen ja opetuksen prosessien ketjun, joka on ainoamahdollinen tie aitoon ymmärtämiseen.2.3. OppimiskäsitysKonstruktivistisen oppimiskäsityksen mukaan tiedon rakentumiseen jamuokkautumiseen vaikuttavat oppilaan ennakkokäsitykset, sosiaalinen vuorovaikutus jakokeellinen toiminta. Ymmärtäminen on aktiivinen tapahtuma ja sillä on tarkoitus.Opettaja voi ohjata tätä prosessia ja olla kannustajana, mutta tiedon voi omaksua vainoman prosessin kautta.Yksilön valikoiva tarkkaavaisuus liittyy myös konstruktivistiseen oppimiskäsitykseen.Oppija voi kohdistaa tarkkaavaisuutensa yleensä yhteen asiaan kerrallaan. Oppimisenedellytyksenä on tarkkaavaisuuden kohdistaminen oppimisen kohteeseen. Tyypillisestitarkkaavaisuuden valintaa säätelevät yksilön tarpeet sekä odotukset, ja siihenvaikuttavat myös yksilön uskomukset, käsitykset ja arvostukset.Luennoiva opetustapa on oppilaan valikoivan tarkkaavaisuuden kannalta erityisenongelmallinen. Heterogeenisen sosiaalisen ryhmän (luokan) oppilaiden tarkkaavaisuuskohdistuu tällaisessa oppimistilanteessa oletettavasti eri asioihin. Opetuksessa olisisyytä korostaa luokan kielellistä vuorovaikutusta. Oppilaan oppimisen kohdetta koskevapuhuminen on merkitysten konstruoimisessa tärkeää. Samalla aktivoituu oppilaiden5

valikoiva tarkkaavaisuus. Oppilaiden tehdessä omia tutkimuksiaan puhumisen osuuskasvaa ja samalla lisääntyy myös oppimiseen käytettävä aika.Kokemuksellisuus ja toiminnallisuus korostuvat kasvatusfilosofi John Deweyn (1859­1952) käsitysten mukaan silloin, kun oppiminen ymmärretäänongelmanratkaisuprosessina. Oppiminen on yksilölle merkityksellistä silloin, kunlähtökohtana ovat hänen itsensä asettamat kysymykset tai ongelmat. Deweyn käsitysoppimisesta on lähellä konstruktivistista näkemystä: oppimisessa korostuvat yksilönoma aktiivisuus ja tietojen hankkiminen sekä niiden tulkitseminen. (Sahlberg, P. 1996)Konstruktivistinen oppiminen edellyttää subjektiivisten tulkintojen tekemistäkäytettävissä olevan tietoaineiston ja informaation perusteella. Tulkintojenkorostaminen oppimisessa tarkoittaa sitä, että oppilaan olisi opittava kysymään,etsimään tietoa sekä analysoimaan sitä omien käsitystensä ja aikaisempien kokemustenperusteella. Tulkinta liittää uuden tiedon aikaisempiin tietorakenteisiin. (Sahlberg, P.1996)2.4. Opetuksen kieliFysiikan opetus on aina myös kielen kehittämistä. Kielen välityksellä luodaan sekäoikeita, että vääriä mielikuvia. Yleiskieli tukee ja vahvistaa tiedostamattamme moniaennakkokäsityksiä, joita oppikirjojen ja opetuksen kielenkäytöllä pitäisi pyrkiämuuttamaan. Käsitteenmuodostusprosessi antaa käsitteille uusia merkityksiä, tällöinmyös fysiikan kieli kehittyy. Mielikuvia luodaan sosiaalisessa prosessissa, joka kehittääja muokkaa myös havaitsemista ja niistä puhumisen kieltä. Oppilaan fysikaalisenkielenkäytön olisi saatava laajentua ja rikastua vähitellen ja loogisesti. (Kurki­Suonio,K. ja Kurki­Suonio, R. 1998)Oliot ovat luonnon subjekteja, käsitteiden kielellisen käytön puolesta olioita ovat myösolioiden mallit. Ilmiöt ovat luonnon tapahtumisia ja niiden malleja. Kaikkiin olioita jailmiöitä tarkoittaviin fysikaalisiin käsitteisiin liittyy idealisointia, joka jo onmallintamista. Ominaisuudet ovat olioiden ja ilmiöiden havaittavia piirteitä,kvaliteetteja. Suureet ovat kvantiteetteja. Niillä on lukuarvo ja yksikkö, joita6

ominaisuuksilla ei ole. Kieli voi hämärtää perushahmotusta, jonka pitäisi olla oppimisenlähtökohta. Opetuksen on tarjottava riittävästi käsitteiden oikean käytön kielellisiämalleja. Kielenkäytön tulee vastata perushahmojen luonnetta ja heijastaakvantitatiivisten käsitteiden merkitystä ja eriasteisuutta. (Kurki­Suonio, K. ja Kurki­Suonio, R. 1994)7

3. Lämpöopin kurssin suunnittelun lähtökohdat3.1. Yleiset perusteetKurssin suunnittelussa huomioidaan opetettavan aineen luonne sekä käsityksetoppimisesta, lisäksi opetussuunnitelma määrittelee sisällön ja antaa tavoitteet. Opettajavoi asettaa myös muita tavoitteita.Fysiikassa tieto ja ymmärtäminen perustuvat käsitteiden ja käsiterakenteidenmerkitysten hallintaan. Opetuksen vaiheet ja eteneminen on sovitettava fysiikankäsitteenmuodostuksen hierarkkiseen kehitykseen ja prosessirakenteeseen sekäoppilaiden tasoon ja oppimisen eri vaiheisiin. ”Opetuksen punaisena lankana tulisi ollahavaintoihin nojautuva, systemaattisesti etenevä empiiristen merkitysten luominen jakäsitteistäminen.”(Kurki­Suonio, K. 2006)Opetuksen tulisi tukea ja auttaa luonnollisen havaitsemisen ja hahmottamisen prosessejakehittymään. Merkitysten hahmotus syntyy havaintojen ja mielikuvienyhteisvaikutuksesta. Käsitteistäminen on näiden merkitysten nimeämistä.Käsitteenmuodostus alkaa perushahmotuksesta, joka sisältää havaitsemista, tarkkailua jakvalitatiivisia kokeita. Esikvantifioinnissa ominaisuuksiin ja niiden muuttumiseenliitetään astetta tai voimakkuutta luonnehtivia mielikuvia. Kvantifiointi tarkoittaasiirtymistä laadullisesta tunnistamisesta määrälliseen mittaamiseen. Olioiden jailmiöiden ominaisuudet muuntuvat kvantifioinnin kautta suureiksi, ne saavat yksikön jalukuarvon. Ominaisuuksien välisiä riippuvuuksia eli suureiden noudattamia lakejavoidaan ilmaista matemaattisessa muodossa.3.2. Opetussuunnitelman yleiset tavoitteetPeruskoulun opetussuunnitelman perusteissa (1994) sanotaan:8

"Fysiikan ja kemian opetuksen tehtävänä on ohjata luonnontieteille ominaiseenajatteluun, tiedonhankintaan ja tietojen käyttämiseen elämän eri tilanteissa. Opetusantaa oppilaalle persoonallisuuden kehittymisen ja nykyaikaisen maailmankuvanmuodostumisen kannalta välttämättömiä aineksia ja se auttaa ymmärtämäänluonnontieteiden ja teknologian merkityksen osana kulttuuria. Opetuksen tulee ollainnostavaa ja mielekästä ja sen tulee lähteä siltä menetelmälliseltä ja tiedolliselta tasolta,jonka oppilaat ovat aikaisemmissa opinnoissaan saavuttaneet.""Fysiikan opiskelussa voidaan erottaa kaksi yleistä tavoitetasoa:Kvalitatiivisella tasolla on tavoitteena, että oppilas­ osaa tehdä havaintoja, luokitella ja tulkita niitä sekä tehdä niistäasianmukaisia johtopäätöksiä,­ oppii fysikaalisiin ilmiöihin liittyviä peruskäsitteitä, periaatteita, lakejaja malleja ja­ osaa keskustella fysiikan alaan kuuluvista asioista ja ilmiöistä sekäsoveltaa fysikaalista tietoa luontoa ja ympäristöä koskevissakysymyksissä, ongelmien ratkaisemisessa ja päätöksenteossa.Kvantitatiivisella tasolla on tavoitteena, että oppilas­ osaa tehdä mittauksia ja vertailla suuruusluokkia, esittää, tulkita jatehdä johtopäätöksiä,­ osaa muodostaa yksinkertaisia malleja, erityisesti graafisen esityksenpohjalta, sekä käyttää niitä fysiikan ilmiöiden selittämisessä ja­ osaa suunnitella ja tehdä yksinkertaisia tutkimuksia myös itse tehdyillävälineillä sekä arvioida tutkimusprosessia ja saatujen tulostenluotettavuutta.Fysiikan ja kemian opetuksen yhteisenä tavoitteena on lisäksi, että oppilas oppiitoimimaan yhdessä toisten kanssa, innostuu fysiikan ja kemian opiskelusta sekäomaksuu turvalliset työskentelytavat." (Peruskoulun opetussuunnitelman perusteet1994)9

Hahmottava lähestymistapa tähtää käsitteiden oppimiseen ja niiden merkityksienhahmottamiseen luonnollisena prosessina. Oppilaiden toimivaa, kokemuspohjaistahahmotusprosessia on autettava kehittymään. Aidon oppimisen perustana on oppilaidenomat tiedot, kokemukset ja mielikuvat. Hahmottava lähestymistapa perustuu fysiikankäsiterakenteeseen ja sen hierarkkiseen kerroksellisuuteen ja näin tukeeopetussuunnitelman tavoitteita. Käsitteiden käyttöönotossa on noudatettava oikeaajärjestystä. Kvalitatiivisen tason perushahmotuksessa luodaan hahmokokonaisuuksiatunnistamalla ja luokittelemalla perushahmoja ­ olioita, ilmiöitä ja niiden ominaisuuksia­ sekä jäsentämällä näiden välisiä riippuvuuksia. Avainasemassa ovat oppilaan omathavainnot ja oivallukset. Esikvantifioinnissa ominaisuuksiin liitetään voimakkuudenmielikuva. Tällöin tehdään mittauksia ja suuruusluokkien vertailua. Kvantifiointi luoominaisuuksista suureita. Suureiden määrittelyn vaiheet ovat myös oppimisen jaopetuksen vaiheita.Opetus perustuu aikaisemmin opetettuun ja tähtää tulevaisuudessa opetettavaan.Opetuksen on edettävä oppilaan kehityksen mukaisesti ja sitä kannustavasti. Opettajanon tunnettava kurssin sisällön rakenne ja käsitteiden syntymisen prosessi. Opetuksentulee seurata käsitteenmuodostuksen suuntaa ja vaiheita, havainnoista käsitteisiin jakokeista teoriaan. Oppilaiden ennakkokäsitysten tunteminen auttaa opettajaa ohjaamaanoppilaan omaa hahmotusprosessia ja itsenäistä ajattelua sekä edesauttaa oppilastaluottamaan omiin havaintoihinsa. Terminologia, fysiikan kieli rakentuu ymmärretyillemerkityksille ja on ensin opittava empirian kautta. Tavoitteena on oppia tekemäänhavaintoja, mittaamaan, järjestämään kokeita, osallistumaan tutkimusprojektiin,keskustelemaan havainnoista, jäsentämään, käsitteistämään, tulkitsemaan jamallintamaan niitä sekä testaamaan hypoteeseja, tarkentamaan malleja ja luopumaanniistä. Kokeellisuus merkitsee kokeellista lähestymistapaa, jossa joskus on tyydyttävämyös kerrottuun empiriaan. Opetusmenetelmien monipuolisuus motivoi oppilastaaktiiviseen työskentelyyn itsenäisesti tai ryhmässä.3.3. Kurssin sisältöOpetussuunnitelma määrittelee lämpöopinkurssin keskeiseksi sisällöksi kappaleiden jaaineiden lämpenemiseen ja jäähtymiseen liittyvät ilmiöt sekä niiden merkityksen ja10

sovellukset. Opetussuunnitelman mukaan ilmiöitä tulisi kuvata tarkoituksenmukaisillakäsitteillä ja laeilla. Sisältöön kuuluvat myös lämpö energiamuotona sekä energiansäilymisen ja huononemisen lait.Toteutetun kurssin sisällöksi valittiin tutkimuksen koulun opetussuunnitelmassa nimetytaihealueet:• lämpötila• lämpölaajeneminen• lämpöenergian varastoituminen• olomuodon muutokset• energian säilyminen ja huononeminen• lämpöenergian siirtyminenNämä aihealueet vastaavat myös opetussuunnitelman keskeisiä sisältöjä sekä löytyvätopetuksessa käytössä olevasta oppikirjasta. Hahmottava lähestymistapa sopii tähänsisältökokonaisuuteen sekä sen etenemisjärjestykseen. Luvun 4 ”Lämpöopinkurssinrakenne ja toteutus” hahmottavan kokeellisuuden osuus on otsikoitu samoin kuinkurssin sisällön aihealueet.3.4. TyötavatValtakunnallisessa opetussuunnitelmassa sanotaan, että opetuksessa tulee käyttääoppiaineelle ominaisia menetelmiä ja monipuolisia työtapoja. Näiden tarkoituksena ontukea ja ohjata oppilaan oppimista. Työtapojen tehtävänä on kehittää oppimisen,ajattelun ja ongelmanratkaisun taitoja, työskentelytaitoja ja sosiaalisia taitoja sekäaktiivista osallistumista. Koulun opetussuunnitelma sisältää opetussuunnitelmanvaltakunnallisen ja kunnallisen opetussuunnitelman täydennettynä koulun omallapainotuksella.Koulun opetussuunnitelmassa on eritelty seuraavat työtavat:11

• opettajajohtoinen työskentely• yksilötyöskentely• parityönä tehtävät oppilastyöt• ryhmätyöt• opettajan tekemät demonstraatiot• opetuskeskustelutLisäksi kyseisessä koulussa pyritään järjestämään opintokäyntejä esim. lähiseudunyrityksiin. Mahdollisuuksien mukaan käytetään kokeellista lähestymistapaa uuden asianoppimisessa. Oppilasta kannustetaan omatoimiseen havaintojen tekoon sekä luokassaettä luokan ulkopuolella arkielämän eri tilanteissa.Opettaja valitsee työtavat oppilasaineksen, ryhmän koon, käytössä olevan tilan javälineistön sekä opetettavan aineiston mukaan. Hänen tehtävänään on opettaa ja ohjatasekä yksittäisen oppilaan että koko ryhmän oppimista ja työskentelyä.Opetuksen kokeellisuuden tulisi olla oppimista aidosti tukeva hahmottavalähestymistapa. Tavoitteena on oppia tekemään havaintoja, mittaamaan, järjestämäänkokeita, keskustelemaan havainnoista, käsitteistämään ja mallintamaan sekäkvalitatiivisesti että kvantitatiivisesti, ennustamaan ja testaamaan malleja jne. Tällöinopitaan näkemään fysiikan käsitteet epätarkkoina malleina ja tarkastelemaan tarjottuatietoa kriittisesti. Didaktinen konstruktivismi painottaa oppimisen rakentumista oppilaanomille tiedoille, kokemuksille ja mielikuville. Oppilaan tulisi oppia luottamaanhavaintoonsa niin vahvasti, että hän voi sen perusteella muuttaa omia mielikuviaan.Hahmoja voi opastaa havaitsemaan, mutta opettaja ei voi hahmottaa oppilaan puolesta.Hahmottavaan lähestymistapaan sopivat koulun opetussuunnitelmassa esitetyt työtavat.Kokeellinen työskentely voi olla opettajan ja oppilaiden yhdessä tekemää, parityönätehtyjä kokeita, ryhmätöitä tai kotona suoritettuja pieniä kokeiluja. Opetuksessakäytetään myös puhuttua empiriaa. Opettajan suorittamat demonstraatiot aktivoivattekemään ennusteita ja havaintoja sekä niiden avulla voidaan testata tehtyjä hypoteeseja.Työtavan valintaan vaikuttaa oppilasryhmä ja opetettava kurssin kohta. Myös koulun12

tarjoamat resurssit, erityisesti käytössä oleva luokkatila vaikuttavat valittuihintyötapoihin. Kurssilla käytetään ennakkokäsityskysymyksiä. Näitä kysymyksiä on tässätutkielmassa liitteenä kaksi sarjaa, joita voidaan käyttää myös testaamaan opetettuaainesta. Oppilaat voivat harjoitella tiedon hakemista ja tiivistämistä tekemällä pieniäesitelmiä tai seinälehtiä. Kotitehtävät ovat yleensä kirjallisia joko sanallisia, liittyenopetettuun asiaan sekä ennakkokäsityksiin tai matemaattisia tehtäviä.13

4. Lämpöopin kurssin rakenne ja toteutus4.1. JohdantoLämpöopinkurssin aloitukseksi on laadittu kaksi sarjaa ennakkokäsityskysymyksiä,jotka ovat tämän tutkimuksen liitteenä. (Liitteet 1, 2) Tässä tutkimuksessa toteutetunkurssin alussa oppilaat vastasivat A­sarjan kysymyksiin molemmilla luokilla, joilla oliyhteensä 28 oppilasta. Myöhemmin keväällä lukuvuoden loppupuolella 26 oppilastanäiltä luokilta vastasi B­sarjan kysymyksiin. Ennakkokäsityskysymysten sisältämätongelmat ja ilmiöt sekä oppilaiden niihin antamat vastaukset huomioitiin ja niihinviitattiin opetuksen edetessä. Oppilaiden ennakkokäsityskysymyksiin antamatvastaukset sekä tutkimuksen tekijän pohdinnat ja johtopäätökset on esitetty tässätutkimuksessa kappaleessa 5 ”Oppilaiden käsitykset ja niiden kehittyminen”.Opetuksen yhtenä tavoitteena on ympäristön ilmiömaailman käsitteellinen hallinta.Tällöin kokeellisessa lähestymistavassa hahmotetaan käsitteiden merkityksiähavaittavien ilmiöiden kautta. Havainnot ja mielikuvat, empiria ja teoria rakentuvat jakehittyvät yhtä aikaa, koko ajan toisiaan tukien. Hahmottavan kokeellisuuden osiossaon esitetty kurssin suunniteltu sisältö täydennettynä tutkimuksen tekijän huomioilla jakommenteilla toteutuksesta.Kurssin päätteeksi koulun koko ikäluokalle eli kuudelle 9. luokalle pidettiinsummatiivinen koe.4.2. Hahmottava kokeellisuusLämpöopinkurssin hahmottava kokeellisuus on rakennettu siten, että kurssin aikanatutkitaan lämmittämisen ja jäähdyttämisen vaikutuksia aineiden ominaisuuksiin sekälämpöenergian siirtymistä. Hahmottava kokeellisuus sisältää kurssin aihealueidenperushahmotusta, esikvantifiointia ja kvantifiointia. Seuraavassa on tiivistelmä kurssin14

aihealueista ja niiden liittymisestä luontoon ja ilmiöihin, joiden kanssa ihmiset ovattekemisissä jokapäiväisessä elämässä. Tiivistelmä voi olla opettajan esipuhe kurssinaloitukseksi tai se voi olla kurssin loppusanat. Tutkimuksen tekijä on käyttänyt sitäennakkokäsitysten selvittämisessä sekä esittänyt tiivistelmän asioita oppilaillekysymysten muodossa tai väittäminä, joiden totuudenmukaisuutta on yhdessä pohdittu.Tarkoituksena on ollut koko aihealueen perushahmotus.Kappaleet lämpenevät ja jäähtyvät, laajenevat ja kutistuvat, kun ympäristön lämpötilatai paine muuttuu. Myös aineen olomuoto voi muuttua. Ainetta voidaan lämmittäämonella eri tavalla. Lämpötilan muuttuminen on ilmiö, joka perustuu siihen, että lämpöon energiaa. Kun kuuma ja kylmä ovat kosketuksissa, kuuma jäähtyy ja kylmälämpenee. Lämpöä siirtyy kuumasta kylmään. Auringon paisteessa kaikki aineetlämpenevät – säteily lämmittää. Aineen palaessa vapautuu lämpöä. Hankauksessasyntyy lämpöä. Sähkövirta lämmittää vastuslankaa. Kappale lämpenee, kun siihensiirtyy lämpöenergiaa tai kun jokin muu energialaji muuttuu kappaleessa lämmöksi.4.2.1. LämpötilaLämpötilaa perushahmotettaessa asiaa lähestyttiin ihmisen lämpöaistin kautta.Aistimme jonkin kappaleen kuumaksi ja toisen viileäksi tai kylmäksi, niidenlämpötilojen sanotaan olevan erilaiset. Lämpöaistin perusteella ei kuitenkaan voidasanoa, kuinka kuuma tai kylmä jokin kappale on. Sama asia voidaan havaita seuraavankokeen avulla. Kaadetaan kolmeen laakeaan astiaan vettä, ensimmäiseen kylmää,keskimmäiseen haaleaa ja viimeiseen kuumaa. Pidetään toista kättä kylmässä ja toistakuumassa vedessä noin puoli minuuttia. Sen jälkeen siirretään molemmat kädethaaleaan veteen. Huomataan kylmässä vedessä olleen käden aistivan haalean vedenlämpimäksi, mutta kuumassa vedessä ollut käsi tuntee sen viileäksi. Havaitaan, ettäihminen kyllä aistii kylmän ja kuuman eri asteita. Lämpöaisti tarjoaa lähtökohdanlämpimyysominaisuuden hahmottamiseen, mutta ei ilmaise luotettavasti lämpötilaa jalämpötilaeroja. Lämpötilan mittaamisen tarvitaan laite, lämpömittari, jonka jokinmitattava ominaisuus riippuu lämpötilasta niin, että se ilmaisee oman lämpötilansa.15

Ihmisen tuntemukseen palattiin myöhemmin lämpöenergian siirtymisen yhteydessä,koska asia vaati tarkennusta. Oppilaat ottivat toisella kädellä kiinni pöydän metallisestajalasta ja toisella kädellä he koskettivat pöydän puista pintaa. Pintojen lämpötilojenollessa sama, huoneen lämpötila, ne kuitenkin tuntuivat erilämpöisiltä. Toisenaesimerkkinä käytettiin saunaa: puinen laude ei polta ihoa, mutta lauteissa oleva naulapolttaa. Todettiin lämpöenergian siirtymisen tehon ja suunnan vaikuttavantuntemukseen.Lämpötilan perusominaisuutta, lämpötilojen tasoittumista voidaan havainnoidasekoittamalla erilämpöisiä vesiä. Lämpötilan perushahmotus ja esikvantifiointi tehtiinseuraavalla kokeella. Kalorimetriin laitettiin vesipussit, joissa oli erilämpöistä vettä.Toisessa muovipussissa oli kylmää ja toisessa kuumaa vettä. Muovipussit laitettiinstyrox­astiaan ja mitattiin lämpötilan muuttumista. Havaittiin, että kuuma vesi jäähtyi jakylmä vesi lämpeni, kunnes niillä oli sama lämpötila. Lämpötilaerot tasoittuivat.Oppilaat piirsivät vihkoonsa samaan (aika, lämpötila)­koordinaatistoon kuvaajat kylmänja kuuman veden lämpötilojen muuttumisesta. Käyrien havaittiin lähestyvän toisiaan jalopulta kulkevan päällekkäin. Erilämpöiset kappaleet saavuttavat lopulta samanlämpötilan ollessaan kosketuksissa. Tämä on lämpötilan perusominaisuus, johonlämpötilan mittaaminen perustuu. Lämpömittari asettuu samaan lämpötilaan kuin aine,johon se upotetaan tai kappale, jota sillä kosketetaan. Lämpötila on yksi SI­järjestelmänmäärittelemästä seitsemästä perussuureesta.Lämpömittarimallina voidaan käyttää öljyllä täytettyä keittopulloa, jonka korkin läpi onviety toisesta päästä avoin lasiputki. Kun öljyä lämmitetään, sen pinta lasiputkessa nousee.Jos lämmitys saadaan tasaiseksi, havaitaan öljyn tilavuudenkin kasvavan tasaisesti. Öljyntilavuus riippuu siis siitä, kuinka lämmintä öljy on. Edellä esitetty koe on ajateltuesikvantifioivaksi. Kvantifioivaksi kokeeksi sopii seuraavassa esitetty työ. Otetaan yhtäsuuret määrät selvästi eri lämpöisiä vesiä. Upotetaan pullo, jossa on öljyä(lämpömittarimalli) vuorotellen kumpaankin veteen ja merkitään lasiputkeen merkit öljynpintojen tasalle. Tämän jälkeen vedet sekoitetaan. Sekoituksen lämpötila on alkuperäistenlämpötilojen keskiarvo. Upotetaan öljypullo tähän veteen ja havaitaan, että öljyn pintaputkessa asettuu alkuperäisten merkkien puoliväliin. Lämpömittarimalli toimii ja osoittaa,että nesteen lämpölaajenemista voi käyttää lämpötilan mittaamiseen.16

4.2.1.1. Lämpötila­asteikotCelsiusasteikko määritellään jään sulamislämpötilan ja veden kiehumislämpötilanavulla. Ne ovat celsiusasteikon peruspisteet: jään sulamispiste 0o C ja vedenkiehumispiste 100 o C, molemmat normaalipaineessa. Näiden väli on jaettu sataanyksikköön. Tämä asteikko on käytössä meillä, ja silloin lämpötilan tunnus on t jayksikkö celsiusaste, 1 o C.Absoluuttisen lämpötila­asteikon nollakohta on absoluuttinen nollapiste, lämpötilojenehdoton ja saavuttamaton alaraja. Lämpötilan tunnus on tällöin T ja yksikkö kelvin, 1 K.Absoluuttisen lämpötilan yksikkö on määritelty siten, että veden kolmoispisteenlämpötila on tasan 273,16 K (= 0,01 o C). Kolmoispisteessä vesi esiintyy samanaikaisestijäänä, vetenä ja vesihöyrynä. Sekä celsius­ että kelvinasteikon yksiköiden väli on yhtäsuuri. Absoluuttisen lämpötilan T ja celsiuslämpötilan t välillä on yhteysT/K = t / o C + 273,15Celsius­asteikon peruspisteet olivat oppilaille tuttuja jo ala­asteelta, mutta vedenjäätyminen ja jään sulaminen samassa lämpötilassa tuntui kuitenkin vieraaltaajatukselta. Monet oppilaat ilmoittavat, että vesi jäätyy hieman alle nollassa ja jää sulaa,kun lämpötila on vähän yli nollan celsiusasteen. Jäämurskan ja veden seoksenlämpötilan (0 o C) mittaaminen auttoi asian ymmärtämisessä. Absoluuttisen nollapisteen”löytymisestä”ja määrittämisestä käytiin myös keskustelua.4.2.2. LämpölaajeneminenLämpölaajenemisen perushahmotus ja esikvantifiointi voidaan tehdä opettajansuorittamilla pienillä kokeilla. Opettajalla on huoneenlämpöinen metallikuula jasamanaineinen metallilevy, jonka läpi kuula juuri ja juuri sopii. Oppilaat voivat esittäähypoteeseja, mitä tapahtuu, kun lämmitetään kuulaa tai vaihtoehtoisesti lämmitetäänpelkkää levyä tai sekä kuulaa, että levyä. Lämmitetyn metallikuulan laajeneminen oli17

useimmille etukäteen tuttu asia. Reikälevyä lämmitettäessä osan mielestä aukkolaajenee, osan mielestä aukko pienenee. Jälleen oli oppilaita, jotka eivät osanneet taiuskaltaneet sanoa mitään, vaikka pyydettiin vain veikkaamaan. Metallisen reikälevynreiän laajenemista lämmitettäessä verrattiin valokuvan suurentamiseen. Havaitaan, ettäkun kuulaa lämmitetään, se ei enää mahdu reiän läpi. Jos kuula jätetään levyn reiälle,jäähdyttyään se solahtaa reiän läpi. Havaitaan, että lämmitettäessä kiinteä aine laajeneeja jäähdytettäessä kiinteästä aineesta valmistetun kappaleen koko pienenee. Kiinteidenaineiden lämpölaajeneminen on aineelle ominaista. Tätä voidaan havainnollistaakäyttämällä kaksoismetalliliuskaa. Kaksoismetalliliuskaa lämmitettäessä liuska taipuuaina samaan suuntaan. Kun liuskaa jäähdytetään, se taipuu toiseen suuntaan kuinlämmitettäessä. Lämmitettäessä kaksoismetalliliuskaa toinen liuskan metalleista piteneeenemmän kuin toinen. Kun liuskaa jäähdytetään, lämmitettäessä enemmän piteneväliuska myös lyhenee enemmän. Kaksoismetalliliuskaa voidaan käyttää termostaateissa,jolloin se on osa virtapiiriä. Sähkövirta lämmittää liuskaa, jolloin se taipuu ja virtakatkeaa. Liuskan jäähtyessä se oikenee ja sulkee virtapiirin.Nesteen lämpölaajeneminen on tullut jo esille käytettäessä lämpömittarimallia. Sen voikuitenkin esitellä uudelleen lämpölaajenemisen ja sen sovellusten yhteydessä. Värjätyllävedellä piripintaan täytettyä keittopulloa, jonka suulla on onton lasiputken lävistämäkorkki, lämmitetään ja havaitaan vesipatsaan nousevan ylös putkeen. Lasiputkessaolevan vesipatsaan pinta laskee, kun vesi jäähtyy. Päätellään, että lämmitettäessä nestelaajenee ja jäähdytettäessä sen tilavuus pienenee. Ilmiöstä keskusteltiin ennen kokeentekemistä ja oppilaat osasivat kuvailla tulevat havainnot.Aiemmin oli tullut esille lämpötilan mittaamisen perustuvan mitattavan kohteen jalämpömittarin lämpötilaeron tasaantumiseen. Lämpötilan mittaaminen neste­ jakaksoismetallilämpömittareilla perustuu myös lämpölaajenemiseen. Lämpömittarinvalinta riippuu tutkittavasta kohteesta, lämpötila­alueesta ja halutustamittaustarkkuudesta. Tässä yhteydessä käytiin myös keskustelua siitä, mitkä nesteetsopivat ulko­ ja sisälämpömittareihin.Nestelämpömittarin malli esiteltiin lämpölaajenemisen yhteydessä ja sen toiminta olikinuseimmille oppilaille ennestään tuttu. Kaksoismetallilämpömittari oli kyllä ulkonäöltääntuttu saunan lämpömittarina, mutta sen toimintaperiaate oli tuntematon. Mittari kiersi18

luokassa kädestä käteen, jotta jokainen näki sen piilossa olevan spiraaliksi kierretynkaksoismetalliliuskan.Lämpölaajenemisen perushahmotus voitiin toteuttaa melko yksinkertaisin ja arkisinkinvälinein. Tunnilla keskusteltiin arkielämän tilanteista, joissa on huomioitavalämpölaajeneminen sekä sovelluksista, joissa hyödynnetään lämpölaajenemista. Siltojarakennettaessa on jätettävä liikkumisvara talven pakkasten ja kesähelteiden välillä.Sähköradan johtimet pidetään kireällä betonipainojen avulla. Pitkiä putkistojarakennettaessa niihin on tehtävä mutkia, jolloin putket antavat periksilämpölaajenemiselle. Erilaisten materiaalien yhdistämisessä on huomioitavalämpölaajeneminen, esim. teräs ja betoni. Keskuslämmitysjärjestelmässä janestejäähdytteisessä autossa on paisuntasäiliö.Kiinteiden kappaleiden ja nesteiden tilavuuksia voidaan muuttaa vain vähänlämmittämällä ja puristamalla. Kaasut taas pyrkivät laajenemaan itsestään. Tässäyhteydessä voidaan havainnoida kaasun laajenemispyrkimystä, joka voimistuu kaasunlämmetessä ja viittaa paineen käsitteeseen. Laitetaan tyhjä ilmapallo keittopullon suulleja lämmitetään pulloa. Havaitaan, että pallo täyttyy ilmalla. Kun pulloa jäähdytetään,pullossa oleva ilma jäähtyy eikä enää täytä palloa, joka siis kutistuu. Pallon täyttyminenilmalla oli useamman oppilaan mielestä seurausta siitä, että lämmin ilma nouseeylöspäin, ikään kuin keittopullo jäisi tyhjäksi. Todettiin ilman täyttävän sekä pallon ettäpullon. Ilmiön tutkimista voidaan jatkaa seuraavalla oppilaiden tekemällä kokeella.Ilmaa täynnä olevaa avointa muovipulloa lämmitetään jonkin aikaa hanan alla kuumallavedellä. Lämmittämisen jälkeen pullon korkki suljetaan tiiviisti ja pullo viedäänkylmään veteen. Pullo painuu kasaan, koska pullossa olevan ilman tilavuus on pienempikuin alun perin. Lämmitettäessä avointa pulloa ilma laajenee ja osa siitä poistuupullosta. Jäähdytettäessä pullo painuu kasaan, koska pullossa on vähemmän ilmaa kuinalussa. Edellisen työn oppilaat tekivät pareittain.Kaasun laajenemispyrkimyksen havainnointiin liittyy myös seuraava koe. Asetetaanilmaa täynnä olevan lasipullon suulle onton lasiputken lävistämä korkki ja upotetaanlasiputken pää värjätyllä vedellä täytettyyn altaaseen. Lämmitetään pulloa käsillä.Havaitaan, että pullosta tulee kuplia. Kun pulloa jäähdytetään lasiputken ollessa vedenalla, pulloon suihkuaa värjättyä vettä. Päätellään, että lämmitettäessä osa kaasusta19

poistuu pullosta ja jäähdytettäessä poistuneen kaasumäärän tilalle tulee vettä, jolloinpaineet tasoittuvat.Kappaleessa ”Malli olomuodon muutoksista”esitellään simulaatioroolipelimallia, jotakäytettiin myös lämpöliikkeen lisääntymisen ja aineen lämpölaajenemisenselittämiseen. Tämä opetustapa poikkesi selvästi tavanomaisesta fysiikan tunnista,mutta hyvällä tavalla. Kaikki oppilaat pääsivät mukaan, kukaan ei halunnut jäädä pois.4.2.2.1. Veden poikkeava tilavuuden muutosVeden poikkeava lämpölaajeneminen käsitellään oppikirjassa lämpölaajenemisenyhteydessä kyseisessä kappaleessa, joten se on tutkimuksessakin otettu tähän kohtaan.Asiaa käsiteltiin lyhyesti myös silloin, kun oppilaiden kanssa pohdittiin, mitkä nesteetolisivat sopivia nestelämpömittareihin. Veden poikkeava tilavuuden muutos tulee esillemyös maantiedon opetuksessa.Useimmat kiinteät aineet, nesteet ja kaasut laajenevat lämpötilan noustessa. Vedentilavuuden muutos on poikkeava: veden tilavuus pienenee lämpötilavälillä 0 o C:sta + 4o C:een ja alkaa kasvaa lämpötilan noustessa yli + 4 o C. Veden tiheys on siis suurin + 4o C:ssa. Tällä on tärkeä merkitys luonnossa. Järvet jäätyvät vain pinnalta ja elämävedessä voi jatkua myös talvella. Syksyisin ja keväisin pinta­ ja pohjavesi sekoittuvat.Järvien pohjalla vesi on pysyvästi + 4 ­asteista.4.2.2.2. LämpötilakertoimetNesteiden ja kiinteiden aineiden lämpölaajenemisen kvantifiointi voidaan tehdäseuraavassa esitellyillä kokeilla. Täytetään ruokaöljyllä kolme erikokoista keittopulloa.Suljetaan pullot korkilla, jonka läpi on viety ontto lasiputki. Lämmitetään pullojasamassa vesihauteessa. Mitataan, kuinka paljon öljyn tilavuus muuttuu kussakinpullossa lämpötilan muuttuessa. Suoritetaan useampia mittauksia. Havaitaan, että öljyntilavuuden suhteellinen muutos on verrannollinen lämpötilan muutokseen, V / V ~ t.20

Saadaan tilavuuden lämpötilakerroin, joka ilmaisee, kuinka paljon öljy laajenee jokaistalämpenemäänsä astetta kohti.Tutkitaan eri metalleista valmistettujen putkien pituuksien muuttumista, kun putkialämmitetään. Havaitaan, että pituuden suhteellinen muutos on verrannollinen lämpötilanmuutokseen, l / l ~ t. Saadaan pituuden lämpötilakerroin, joka ilmaisee, kuinkapaljon tietystä aineesta valmistettu kappale pitenee lämpötilan muuttuessa yhden asteen.Lämpötilakertoimiin liittyvät laskennalliset tehtävät tuottivat joillekin oppilaillevaikeuksia. Yhtälön ratkaiseminen oli opetettu matematiikassa 8. vuosiluokalla jafysiikan tunneilla 9. luokalla suurelaskentaa oli ollut vain linssien taittokykyäratkaistaessa. Lämpötilakertoimiin liittyvät suureyhtälöt ovat kuitenkin useammansuureen yhtälöitä, joten osa vaikeuksista johtuu varmaan tästä. Kirjainlaskenta onmonille oppilaille hankalaa. Suurin osa matemaattisista tehtävistä tässä yhteydessä olipituuden muutoksen ratkaisemista.Tutkimuksen koulussa on 8. ja 9. vuosiluokilla matematiikassa joustavatoppimisedellytysten mukaiset ryhmät. Oppilaat on jaettu kolmeen ryhmään, joissaedetään ryhmän edellytysten tahdissa. Matematiikan opetuksen sisältö onopetussuunnitelman mukainen, syventämisen tason määrää ryhmä. Matematiikan koeon sama koko vuosiluokalle. Fysiikassa on heterogeeniset ryhmät.Likiarvoilla laskettaessa oppilaat osaavat kiinnittää huomiota vastauksen tarkkuuteen.Matematiikassa 7. luokan kurssissa käsitellään, miten vastauksen tarkkuus määräytyy,kun lasketaan likiarvoilla. Tästä on hyötyä, kun fysiikan tunneilla tehdään mittauksia jatarkastellaan saatuja tuloksia.4.2.3. LämpöenergiaLämpöenergian tuottamisen, havaitsemisen ja siirtymisen perushahmotus tapahtuikeskustelemalla oppilaiden kanssa heidän kokemuksistaan ja ennakkokäsityksistäänseuraavan osion sisällön pohjalta. Ainetta voidaan lämmittää monella eri tavalla.Lämpötilan muuttuminen on ilmiö, joka perustuu siihen, että lämpö on energiaa. Kun21

kuuma ja kylmä kappale ovat kosketuksissa, kuuma jäähtyy ja kylmä lämpenee.Lämpöä siirtyy kuumasta kylmään. Auringonpaisteessa kaikki kappaleet lämpenevät –säteily lämmittää. Palamisessa syntyy lämpöä. Hankauksessa syntyy lämpöä. Sähkövirtalämmittää vastuslankaa. Kappale lämpenee, kun siihen siirtyy lämpöenergiaa tai kunjokin muu energialaji kappaleessa muuttuu lämmöksi.Lämpöä syntyy hangattaessa ja puristettaessa. Oppilaat hankasivat käsiään yhteen jahavaitsivat niiden tuntuvan selvästi lämpimämmiltä. Huoneenlämpöistä hiekkaaravisteltiin suljetussa astiassa. Ravistelun jälkeen mitattiin hiekan lämpötila. Havaittiinlämpötilan kohonneen.Ennakkokäsityskysymykset paljastivat, että käsitteet lämpötila, lämpö ja lämpöenergiasekoittuvat. Aineen lämmittämiseen kaikki keksivät jonkin keinon. Lämpöenergiansiirtyminen lieden levystä kattilaan ja edelleen ruokaan on arkielämästä tuttu esimerkki.Ruoka on lämmintä, koska siihen on siirtynyt energiaa. Ymmärrettävämpää oli, ettälämpöenergian vieminen aineeseen eli lämmittäminen voi nostaa aineen lämpötilaa,mutta lämpötilan aleneminen lämpöenergian siirtymisen seurauksena ei ollut yhtäselvää.4.2.3.1. Lämpöenergian varastoituminenEnnakkokäsityskysymysten vastauksista kävi ilmi, että meriveden kyky varastoidalämpöenergiaa oli monella tiedossa. Tiedettiin, että vesi luovuttaa varastoimaansalämpöenergiaa pitkään ja siksi talvi tulee rannikolle hitaammin. Toisaalta kiuaskivienhyväksi ominaisuudeksi vain noin kolmasosa vastaajista osasi sanoa hyvänlämmönvarastoimiskyvyn.Perushahmotus tehtiin opetuskeskustelun avulla. Oppilaat osasivat kertoa, että suurenvesimäärän lämmittäminen liedellä kiehuvaksi kestää kauemmin kuin pienen määrän,kun lämmitystilanteet ovat samanlaiset. Lisäksi veden alkulämpötila vaikuttaalämpenemisen kestoon. Mitä kauemmin vesikattila on liedellä, sitä enemmän siihensiirtyy lämpöenergiaa ja sitä enemmän veden lämpötila kohoaa. Pieni määrä vettälämpiää tiettyyn lämpötilaan nopeammin eli vähäisemmällä energiamäärällä kuin22

suurempi määrä. Alkulämpötilaltaan alhaisempi vesi vaatii enemmän lämmittämistätiettyyn lämpötilaan kuin korkeammassa lämpötilassa oleva vesi. Etanoli lämpiäänopeammin kuin vesi samaan lämpötilaan samanlaisessa astiassa. Kappaleenlämmittämiseen tarvittavan energian määrä riippuu kappaleen massasta, kappaleenlämpötilan muutoksesta ja kappaleen materiaalista.Lämpöenergian varastoitumisen esikvantifioinnissa pohdittiin ja tutkittiin oppilaidenkanssa, miten eri aineita ja kappaleita voitaisiin lämmittää ja miten ne lämpenevät.Kappaleen lämpötilan noustessa kappaleen sisältämän lämpöenergian määrä kasvaa.Tällöin kappaleen massa ei kuitenkaan kasva. Energia ei siis ole ainetta.Lämpöenergian määrän ja aineen ominaislämpökapasiteetin kvantifioinnissalähtökohtana on lämmön säilymisen ja siirtymisen intuitiivinen mielikuva sekä ajatus,että n –kertainen määrä ainetta vaatii n –kertaisen määrän lämpöä lämmetäkseen yhtäpaljon. (Kurki­Suonio K. 2006)Sekoitetaan samat määrät erilämpöisiä vesiä, joiden alku­ ja loppulämpötilat merkitäänmuistiin. Esim. 1 litra 20­asteista ja 1 litra 60­asteista vettä sekoitetaan ja saadaan vettä,jonka lämpötila on 40­asteista. Vaihdellaan alkulämpötiloja ja havaitaan, että vesienlämpötilat muuttuvat aina yhtä paljon. Lämpötilan muutos ilmaisee siirtyvänlämpöenergian määrän, Q ~ t. Toistetaan koe niin, että vesiä on eri määrät, esim. 2litraa 20­asteista ja 1 litra 60­asteista vettä. Havaitaan, että lämpötilojen muutokset ovatkääntäen verrannolliset vesimääriin. Lämpöenergian määrät, jotka tarvitaan muuttamaansamaa ainetta olevien kappaleiden lämpötiloja yhtä paljon, ovat suoraan verrannollisiakappaleiden massoihin, Q ~ m.4.2.3.2. OminaislämpökapasiteettiOminaislämpökapasiteetin kvantifiointiin sopii seuraavanlainen koe. Upotetaan.kiehuvassa vedessä 100­asteiseksi lämmitetty kuparikappale veteen, jonkaalkulämpötila tunnetaan ja jonka massa on sama kuin kuparikappaleen. Mitataan vedenja kuparikappaleen yhteinen loppulämpötila. Havaitaan, että kuparin lämpötila on23

muuttunut enemmän kuin veden. Toistetaan koe eri alkulämpötiloilla. Todetaan, ettälämpötilojen muutosten suhde on aina sama.1. Mitä enemmän kappaleen lämpötila nousee tai laskee, sitä enemmänlämpöenergiaa se saa tai luovuttaa.2. Sama määrä lämpöenergiaa lämmittää suurta kappaletta vähemmän kuinpientä.3. Eri aineet lämpenevät eri tavoin.Seuraavassa esitellyllä koejärjestelyllä voidaan määrittää tietyn aineenominaislämpökapasiteetti. Tutkimuksen koulussa on käytettävissä ainakin kupari­,rauta­ ja alumiinikappaleita seuraavan kokeen tekemiseen. Massaltaan erilaisiasamanaineisia kappaleita lämmitetään erilämpöisissä vesissä. Kappaleet upotetaanvuorotellen veteen, jonka massa, alkulämpötila ja lämmönvaraamiskyky tunnetaan.Mitataan metallikappaleen ja veden yhteinen loppulämpötila. Piirretään kuvaajakoordinaatistoon, jossa vaaka­akselilla on mittaustulokset m t ja pystyakselilla vedensaama lämpöenergian määrä Q. Kuvaaja on suora. Päätellään, että kappaleenvastaanottama tai luovuttama lämpöenergian määrä on suoraan verrannollinenkappaleen massaan ja lämpötilan muutokseen. Suoran kulmakerroin on aineelleominainen verrannollisuuskerroin, ominaislämpökapasiteetti.Toisen ryhmän kanssa määritettiin eri aineiden ominaislämpökapasiteetit seuraavasti.Opettaja laittoi jo välitunnilla vesikattilan keittolevylle. Kun vesi kiehui, kattilaanlaitettiin metallikappaleita, jotka olivat kuparia, alumiinia ja rautaa. Kappaleet olipunnittu etukäteen. Jonkin ajan kuluttua, kun vesi oli kiehunut, kappaleet nostettiinkalorimetriin, jossa oli tunnettu määrä huoneenlämpöistä vettä. Tämän veden oppilaatolivat ottaneet yhteisestä altaasta, johon opettaja oli sen jo aikaisemmin laittanut.Mittaukset tehtiin pareittain, pari määritti yhden aineen ominaislämpökapasiteetinarvon. Kappaleiden ja veden massat sekä lämpötilojen arvot ja muutokset kirjattiintaulukkoon. Saatujen arvojen ja veden tunnetun ominaislämpökapasiteetin avullatyöparit laskivat tutkittavan aineen ominaislämpökapasiteetin. Tulokset esiteltiin kokoluokalle. Havaittiin, että eri aineilla on erilainen kyky varastoida ja luovuttaa lämpöä.24

4.2.4. Olomuodon muutokset4.2.4.1. Eri olomuodot ja muutospisteetAineet ovat huoneenlämmössä yhdessä olomuodossa, joten niille ei mielletä useitaolomuotoja. Voimme havaita veden esiintyvän kaikissa kolmessa olomuodossa: talvellakiinteänä jäänä, järvissä nestemäisenä vetenä ja ilmassa kaasumaisena vesihöyrynä.Huoneenlämmössä olevat aineet ovat eri olomuodoissa, esim. ilman happi, hengityksenhiilidioksidi, bensiini, elohopea, rikki, rauta, jne.Opetuskeskustelun avulla palautettiin mieliin aineen eri olomuodot ja pohdittiinhuoneenlämpöisten aineiden olomuotoja. Oppilaiden vastauksissa vesi ja nesteesiintyivät usein toistensa synonyymeinä. Myöhemminkin opetuksessa täytyi korostaa,että on olemassa muitakin nesteitä kuin vesi. Vesi on kuitenkin vaivattomin jaturvallisin oppituntien tutkimuksissa käytettävä aine.Olomuodon muutoksia voidaan havainnoida seuraavalla kokeella. Tutkitaanlämmittämisen vaikutusta jäähän. Kun jäätä lämmitetään riittävästi normaalipaineessa,se sulaa vedeksi ja vettä edelleen lämmitettäessä vesi höyrystyy vesihöyryksi.Jäähdytettäessä vesihöyryä esim. tislauslaitteistossa se tiivistyy vedeksi. Jos vedenlaittaa jäähtymään pakastimeen, se lopulta jäätyy. Avoimeen astiaan jätetty vesi haihtuukaikissa lämpötiloissa.Taulukoista löytyvät eri aineiden sulamis­ ja kiehumispisteet, jotka ovat siis aineilleominaisia olomuodonmuutoslämpötiloja. Olosuhteet vaikuttavat sulamis­ jakiehumispisteisiin. Aineen lämpötila ei muutu olomuodonmuutoksen aikana.Perushahmotuksessa tutkittiin jään sulamista ja veden kiehumista. Tässä kohdassa pitiuudelleen korostaa, että aine täytyy ensin lämmittää sulamis­ tai kiehumispisteeseensäennen kuin sulaminen tai kiehuminen alkaa.25

Kun jodia lämmitetään koeputkessa, se muuttuu suoraan kiinteästä kaasuksi elisublimoituu. Oppilaille annettiin koeputken pohjalle pieni jodikide. Koeputken suullelaitettiin pumpulituppo. Oppilaat lämmittivät koeputkea varovasti kaasupolttimenliekissä ja havaitsivat jodista haihtuvan värillisen kaasun, joka värjäsi koeputkenseinämän ja pumpulin.Nestekaasupolttimen säiliötä heiluteltaessa kuuluu loisketta, säiliössä on nestettä. Kunpolttimen hana avataan, pihisee suuttimesta kaasua. Kun kaasu puristetaan säiliöön, senesteytyy, koska paine kasvaa. Kaasuhanaa avattaessa ulos virtaavan aineen painepienenee, jolloin polttimen aine muuttuu kaasuksi.Jääpalan päälle kiristetään ohut metallilanka painojen avulla. Lanka painuu jään läpi,mutta jääpala on lopulta kuitenkin ehjä. Jään lämpötila on alle 0 o C, mutta suuremmanpaineen vuoksi jää sulaa langan alta alhaisemmassa lämpötilassa. Langan yläpuolella onalhaisempi paine, joten jääpala jäätyy yhtenäiseksi. Edellä kuvattu koe kannattaa tehdäriittävän suurella jääpalalla, pieni jääkuutio ei riitä. Kokeen tekemiseen on myös syytävarata riittävästi aikaa, että rautalanka ehtii painua jääpalan läpi kokonaan. Lopuksioppilaat voivat ottaa jääkimpaleen käsiinsä ja havaita, että se ei edes taivutettaessamurru kahdeksi erilliseksi palaksi.Jos jäämurska­vesi seokseen lisätään suolaa, seoksen lämpötila laskee alle 0 o C:n, muttaseos ei jäädy. Jos astian ja alustan välissä on vettä, astia jäätyy kiinni alustaansa.Epäpuhtaudet vaikuttavat aineiden olomuodonmuutospisteisiin. Yli puoletennakkokysymyksiin vastaajista kertoi glykolin estävän auton jäähdytinvedenjäätymisen, mutta vain yksi vastasi, ettei vesi jäädy 0 o C:ssa. Veden sulamispisteenmuutosta ei osannut kukaan perustella.4.2.4.2. Energia olomuodon muuttuessaSulaminen, höyrystyminen ja sublimoituminen vaativat energiaa. Jähmettyminen,tiivistyminen ja härmistyminen vapauttavat energiaa. Toiset aineet sulavat jahöyrystyvät vähemmällä lämmittämisellä kuin toiset.26

Lämpimänä kesäpäivänä uinnin jälkeen palelee, koska veden haihtuminen iholtakuluttaa lämpöä. Juoman saa rannalla viileäksi, kun käärii pullon märkään pyyheliinaan,jolloin tuuli ja aurinko haihduttavat kosteutta.Lämpöenergian siirtymisen ja olomuodon muuttumisen välisen yhteydenesikvantifioinniksi voidaan tehdä seuraavanlainen koe. Huoneenlämmössä olevanlämpömittarin nestesäiliön ympärille kääritään asetoniin kastettu kangaspala. Havaitaanlämpötilan alenevan, kun asetoni haihtuu kankaasta. Haihtuminen kuluttaa energiaa.Aineen olomuodon muuttuessa lämpötila ei muutu. Aineeseen tuotu energia ei nostaaineen lämpötilaa, vaan kaikki lämpöenergia kuluu aineen olomuodon muuttamiseen.Perushahmotuksessa tehtiin kaksi seuraavassa esiteltyä koetta.Keitinlasissa olevaan veteen kaadetaan jäämurskaa. Seoksen lämpötila pysyy 0 o C:ssa,kunnes kaikki jää on sulanut.Avoimessa kattilassa keitetään vettä, kunnes kaikki vesi on muuttunut vesihöyryksi.Kiehuvan veden lämpötila säilyy samana koko kiehumisen ajan. Mitä enemmän vettäon, sitä kauemmin sitä on pidettävä liedellä.4.2.4.3. Olomuodonmuutosten ominaislämmötKurssilla käytössä olleessa oppikirjassa ”Aine ja energia” ei esiinny termiä”latenttilämpö”, joten tässä tutkimuksessa käytetään termiä ”olomuodonmuutoksenominaislämpö”.Veden ominaishöyrystymislämmön kvantifiointiin sopii seuraavassa esitelty koe.Tislattua vettä kuumennetaan uppokuumentimella ja veden höyrystymistä seurataantasaisin välein kirjaamalla ylös haihtuneen veden määrä sekä kulunut sähköenergianmäärä. Veteen sitoutunut energia höyrystyneen veden massan funktiona esitetäänkoordinaatistossa, jolloin kuvaajaksi saadaan suora. Veden höyrystämiseen kuluvalämpöenergian määrä on suoraan verrannollinen höyrystyneen veden massaan,27

Q ~ m. Suoran kulmakerroin Q / m antaa kuluneen lämpöenergian määränhöyrystyneen veden massayksikköä kohden eli veden ominaishöyrystymislämmön h.Vastaavasti aineen sulattamiseen kuluva lämpöenergian määrä aineen massayksikköäkohden on aineen ominaissulamislämpö s.Oppitunnilla käytiin läpi ns. energiaportaat eli tutkittiin esimerkin avulla energiansitoutumista aineeseen lämpötilan funktiona. Vastaava esimerkki on Aine ja energia ­kirjassa s. 90.4.2.4.4. Malli olomuodon muutoksistaOlomuotojen ja niiden muutosten malli ei hahmotu empirian kautta, mutta se voidaantarjota valmiina tähdäten myöhemmin tapahtuvaa syventämistä varten. Lähestymistavankannalta selitysprosessi on teorialähtöinen. Oppimisen hierarkioissa ylempi tasoperustuu alempiin. Alemman tason elementit ovat ylemmän tason elementtien osia.Alemmat käsitteet, taidot ja tiedot on opittava ennen kuin ylemmän tason oppiminentulee mahdolliseksi. (Kurki­Suonio, K. 2006)Eri olomuotojen ja olomuodon muuttumisen mallina käytettävä hiukkasrakennemalli onoppilaille tuttu entuudestaan. Se on myös oppikirjassa ”Aine ja energia”(Aspholm et.al.2001) s. 89.Oppikirjassa ”Yläasteen fysiikka ja kemia”(Härmä et.al. 1983), s. 140 on seuraavamekaaninen mallikoe aineen olomuodon muutoksista. Tässä mallissa herneet edustavataineen rakennehiukkasia.Muovirasiaan kaadetaan herneitä. Kun herneet ovat paikallaan, kuvaa hernekasa aineenkiinteää olomuotoa, jossa rakenneosien välillä on jatkuva vuorovaikutus ja tietty paikkamuiden rakenneosien suhteen. Kun astiaa tärytetään sähköhieromakoneella, herneetliikehtivät vapaasti astian pohjalla. Vuorovaikutus rakenneosien välillä säilyy, muttaniiden paikka muuttuu. Täryttäminen kuvaa energian tuomista aineeseen. Malli kuvaasulamista ja nestemäistä olomuotoa. Kun värähtelyä lisätään eli energiaa tuodaan lisää28

aineeseen, herneet pomppivat vilkkaasti, voivat jopa hypätä yli astian laidan. Mallikuvaa kaasua, jossa rakenneosaset liikkuvat satunnaisiin suuntiin ja vuorovaikuttavatvain törmätessään.Roolipelimallissa oppilaat ovat rakennehiukkasia. Kiinteän aineen mallissa esim.seitsemän (tai enemmän) oppilasta pitävät tiukasti kiinni toisistaan ristikkäisin käsin.Oppilaan liike on värähtelyä. Opettaja lämmittää kuvainnollisesti ainettakaasupolttimella. Lämmittäminen lisää rakenneosien liikettä, jolloin käsien ristikkäinenote irtoaa ja oppilaat asettuvat riviin edelleen käsikkäin. Vuorovaikutus säilyy jaetäisyys rakenneosien välillä on pieni, mutta jono pääsee luikertelemaan käsien alta.Malli kuvaa jäykän kiinteän aineen muuttumista herkkäliikkeiseksi nesteeksi. Edelleenlämmitettäessä eli tuotaessa aineeseen lisää energiaa neste höyrystyy ja muuttuukaasuksi. Rakennehiukkasten/oppilaiden väliset sidokset katkeavat. Liike on satunnaistaja vuorovaikutus tapahtuu vain törmäyksissä. Oppilaat liikkuvat vapaasti, ja josluokkatilan ovi (kaasupurkin kansi) on auki, kaasu karkaa.Heikki Saaren väitöskirjassa Oppilaiden käsitykset malleista ja mallintaminen fysiikanperuskouluopetuksessa (Joensuu 2000) on esitetty analogia opetusmallina käytettävänsimulaatioroolipelimallin ja ideaalikaasumallin sekä hiukkasmallin ydinkohtien välillä.4.2.5. Energian säilyminen ja huononeminenEnergia liittyy kaikkiin luonnonilmiöihin. Luonnontieteiden ja niiden sovellustentärkein peruskäsite on energia. Se on yleisimmin käytetty ja tunnetuin fysiikan käsitejulkisessa keskustelussa. Energia sanaa käytetään monessa merkityksessä, kun kuvataanympäristön ja ihmisen ilmiöitä.Luonnonilmiöissä energiaa siirtyy tai muuntuu lajista toiseen. Energiaa kulkeutuukappaleiden ja aineen mukana niiden liikkuessa, aaltoliike ja säteily kuljettavat energiaaja lämpöenergiaa siirtyy johtumalla siihen suuntaan, missä on kylmempää. Energiankokonaismäärä kuitenkin säilyy muuttumattomana kaikissa ilmiöissä. Tämä on kaikkialuonnon ilmiöitä koskeva energian säilymislaki. Energiaa ei synny eikä häviä. (LavonenJ. et. al. 1994)29

Ennakkokäsityskysymyksissä suurin osa oppilaista vastasi kuuman veden sisältävänenemmän energiaa kuin kylmän. Vajaa kolmannes vastaajista ei osannut päätelläsekoitettujen vesien loppulämpötilaa, vaikka vesiä oli yhtä paljon.Energian säilymistä ja huononemista käsiteltiin keskustelemalla ja seuraavinesimerkein. Hehkulampun kuluttamasta sähköenergiasta suurin osa muuttuu lämmöksija vain pieni osa valoksi. Lieden kuluttamasta energiasta vain osa menee ruuanlämmittämiseen. Posliinikupin särkyessä sen energia huononee. Kupin saattaminenehjäksi kuluttaa energiaa.4.2.5.1. Kokonaisenergian säilyminenKokonaisenergian säilymistä voidaan hahmottaa kokeella, joka on esitelty jokappaleessa 2. Lämpötila. Silloin hahmotettiin lämpötilojen tasoittumista, johonlämpötilan mittaaminen perustuu. Siinä yhteydessä koetta ei ole selitetty yhtäyksityiskohtaisesti kuin nyt. Koe voidaan uusia kokonaisenergian säilymisen yhteydessätai palata aiemmin tehdyn kokeen tuloksiin.Mitataan kahteen pieneen pakastepussiin 1 dl vettä kumpaankin. Toiseen kuumaa (n.80­asteista) ja toiseen kylmää. Asetetaan molempiin pusseihin lämpömittari ja suljetaanpussit kuminauhalla. Asetetaan pussit kalorimetriin ja luetaan vesien alkulämpötilat.Mitataan vesien lämpötilat minuutin välein ja merkitään ne taulukkoon. Lopuksimerkitään (aika, lämpötila) – koordinaatistoon saadut tulokset ja piirretään kuvaajat.Havaitaan lämpötilojen tasoittuneen. Kylmä vesi on vastaanottanut saman määränenergiaa, jonka lämmin vesi on luovuttanut. Energian kokonaismäärä on säilynytsamana koko tapahtuman ajan.4.2.5.2. Ilmiöiden suuntaPalataan vielä kokeeseen, jossa muovipusseissa oli erilämpöiset vedet. Kokeen alussavallitsee suuri järjestys, koska energia ei ole jakautunut tasaisesti pusseissa oleviin30

vesiin. Kuuma vesi on toisessa ja kylmä vesi toisessa pussissa. Kokeen lopussaepäjärjestys on kasvanut, koska pussien välillä ei ole enää lämpötilaeroa. Energia onjakautunut tasaisesti molempien pussien vesiin. Sanotaan, että energia on huonontunut,koska sitä ei voi enää käyttää hyödyksi. Jotta lämpöenergiaa voitaisiin hyödyntää,tarvitaan lämpötilaero. Kaikilla itsestään tapahtuvilla ilmiöillä on suunta kohtisuurempaa epäjärjestystä.Kuuma mehu jäähtyy lasissa. Mehun lämmittäminen vaatii energiaa. Jos halutaankylmää juomaa, niin juoman sekaan laitetaan jääkuutioita. Juomasta siirtyylämpöenergiaa jäähän, juoma jäähtyy. Samalla jääkuutioiden lämpötila nousee, jääsulaa. Veden jäädyttäminen vaatii energiaa. Kahviin liuennut sokeri ei kiteydy itsestäänpaloiksi.Oppitunnilla käytiin keskustelua ilmiöiden luonnollisesta suunnasta. Kirjoituspöydänjärjestetyt paperit menevät epäjärjestykseen, kun työskennellään. Tiskipöydällä astioillaon epäjärjestys. Joku perheessä tekee työn, tiskaa astiat ja järjestää ne astiakaappiin.Lasipurkkiin laitetaan herneitä ja pippureita. Kun purkki kulkee kassissa mukana,pippurit ja herneet sekoittuvat. Tarvitaan joku tekemään työtä ja järjestämään ne.Erilämpöiset vedet sekoittuvat ja lämpötilat tasoittuvat. Tällöin energian sanotaanhuononevan, ilmiöiden suunta on kohti tasapainoa.4.2.6. Lämpöenergian siirtyminenLiedellä kattilassa oleva vesi lämpenee, koska lieden levystä lämpöä siirtyy kattilankautta veteen. Keskuslämmitysjärjestelmässä kuuma vesi kuljettaa lämpöä mukanaan.Kynttilän liekin yläpuolella aika korkealla liekki lämmittää kättä.Lämpö voi siirtyä­ johtumalla kuumasta kylmään, kun kappaleet ovat kosketuksissa­ kulkeutumalla lämpimän aineen mukana, kun aine siirtyy­ säteilyn välityksellä ilman väliainetta­ kuumien kappaleiden kuten lämpöpullojen tai kuumien kivien mukana31

4.2.6.1. JohtuminenLämpöenergian siirtymistä johtumalla voidaan hahmottaa jo aiemmin selitetylläkokeella. Otetaan kahteen muovipussiin sama määrä (esim. 1 dl) selvästi erilämpöistävettä. Asetetaan muovipussit samaan kalorimetriin. Seurataan vesien lämpötiloja esim.minuutin välein noin 15 –20 minuutin ajan. Esitetään mittaustulokset (lämpötila, aika)– koordinaatistossa. Havaitaan käyrien lähestyvän toisiaan, ts. lämpötilat tasoittuvat.Ainetta ei siirry, mutta lämpöenergiaa siirtyy kuumasta kylmään.Eri aineiden erilaista lämmönjohtokykyä on helppo hahmottaa yksinkertaisella laitteella,jonka voi vaikka itse rakentaa. Pakasterasiaan on kiinnitetty eri materiaaleista (puu,muovi, alumiini, rauta, kupari) valmistettuja tankoja, joihin on liimattulämpömittariliuskat. Kun rasiaan kaadetaan kuumaa vettä, havaitaan eri aineidenlämpötilojen nousevan eri tavalla. Päätellään lämmönjohtokyvyn riippuvan aineesta.Havaitaan kuparin olevan hyvä lämmönjohde. Havaitaan myös, että metalleilla onparempi lämmönjohtokyky kuin muovilla tai puulla.Laattalattia tuntuu kylmältä jalkapohjaan, mutta samassa huoneessa oleva puuvillamattoon miellyttävän lämmin. Naulan kuumuus saunan lauteissa ja polkupyörän metalliosanviileys johtavat myös harhaan ihmisen aistimusta kohteen lämpötilasta.Ennakkotehtävien 9 ja 10 vastaukset osoittivat myös nämä virhekäsitykset.Oppilaat ottavat toisella kädellä kiinni pöydän metallisesta jalasta ja laittavat toisenkäden pöydän puiselle pinnalle. Havaitaan metallisen jalan tuntuvan kylmemmältä kuinpöydän pinnan. Tiedetään huoneessa olevien esineiden lämpötilan olevan saman. Ihostasiirtyy lämpöä metalliseen pöydänjalkaan tehokkaammin kuin pöydän puiseen pintaan.Todetaan jälleen ihmisen lämpöaistin epäluotettavuus. Tässä täsmentyy aikaisempitoteamus ihmisen lämpöaistista. Se ei ilmaise lämpötilaa vaan aistii lämpöenergiansiirtymisen tehon tai intensiteetin ja suunnan kosketuskohdassa. Lämpöenergiansiirtymisen suunta määrää, tuntuuko kylmältä vai kuumalta.32

Joskus ei haluta lämpöenergian siirtyvän johtumalla. Tällöin käytetään lämmöneristeitä,jotka siis johtavat lämpöenergiaa huonosti. Talvella pukeudutaan untuvatakkiin, jossauntuvien väliin jäävä ilma toimii eristeenä. Kuumaa mehua juodaan styrox­mukista.Styrox on eriste, joka estää kuuman juoman polttamasta käsiä. Untuvatakin ja styroxineristävä eli lämpöä huonosti johtava ominaisuus oli monille oppilaille tuttu asia. Myöseläinten turkin ja rasvakerroksen sekä lintujen höyhenpeitteen merkitys tiedettiin.4.2.6.2. KulkeutuminenLämpöpatterin yläpuolelle kiinnitetty kevyt, paperista leikattu spiraali pyörii. Havaitaanilman liikkuvan ja pyörittävän spiraalia. Lämpö johtuu patterista sitä koskettavaanilmaan. Lämmennyt ilma virtaa kevyempänä ylöspäin ja kuljettaa lämpöä mukanaan.Lämmön kulkeutumista veden mukana hahmotettiin keskuslämmitysjärjestelmänmallilla. Neliön muotoon käännettyyn lasiputkeen (keskuslämmitysjärjestelmän malli)laitetaan vettä ja kaliumpermanganaattikide. Putkea lämmitetään alanurkasta.Kaliumpermanganaatin värin kulkeutuminen paljastaa veden virtauksen. Lämpökulkeutuu veden mukana. Oppilaat osasivat antaa esimerkkinä Golf­virran lämmittävänvaikutuksen Norjan rannikolla.4.2.6.3. SäteilyLämmön siirtymistä säteilemällä voidaan hahmottaa seuraavalla tavalla. Oppilaatasettuvat pareittain vastakkain. Parista toinen nostaa kädet kämmenet avoimina rinnankorkeudelle ja sulkee silmänsä. Parista toinen hieroo kämmeniään voimakkaasti yhteenja asettaa tämän jälkeen oman avoimen kämmenensä parinsa jomman kummankämmenen eteen. Silmät suljettuna oleva oppilas yrittää arvata, kumman kämmenenedessä parin käsi on.Koe oli mukava ja innostava. Oppilaat halusivat aina uudestaan yrittää arvata, kummankämmenen edessä oppilastoverin käsi on. Oppilaat halusivat myös kokeilla, vaikuttaakoparin vaihtaminen havaintoon. Oppilaat kertoivat havaitsevansa toisten oppilaiden33

käsien säteilevän lämpöä enemmän kuin toisten. Oppilaat antoivat esimerkkejä ilmiöstä.Nuotiossa palavista puista lämpö siirtyy säteilemällä nuotion ympärillä istuviinihmisiin. Lämpöpatteri ja kuuma uuni säteilevät lämpöä.Lähellä oleva lämmin kappale aistitaan lämpimäksi, koska siitä siirtyy ihoon lämpöäsäteilyn välityksellä. Kosketettaessa se tuntuu lämpimältä, koska siitä johtuu ihoonlämpöä. Vastaavasti kylmä kappale aistitaan kylmäksi, koska se säteilee ihoonvähemmän lämpöä kuin iho sen suuntaan, ja koska kosketettaessa siihen siirtyy ihostalämpöä.Kahden seuraavassa esitellyn koejärjestelyn avulla hahmotetaan pinnan vaikutustalämmön siirtymiseen säteilemällä. Kokeissa käytetään lieriönmuotoisia astioita, joistatoiset ovat mustia mattapintaisia ja toiset kirkkaita sileäpintaisia.Kahteen lieriön muotoiseen astiaan, joista toinen on pinnaltaan kiiltävä ja kirkas sekätoinen musta ja mattapintainen, kaadetaan samasta astiasta saman verran lämmintävettä. Lieriöihin asetetaan lämpömittarit. Vesien lämpötilat luetaan joka kolmasminuutti noin 25 minuutin ajan. Tulokset voidaan kirjata yhteiseen (aika, lämpötila)­koordinaatistoon. Havaitaan mustapintaisessa lieriössä veden lämpötilan laskevansamassa ajassa enemmän kuin kiiltävässä astiassa. Päätellään mustan kappaleensäteilevän ympäristöönsä enemmän lämpöä kuin kiiltävän kappaleen.Toisessa kokeessa kaadetaan mustaan ja kiiltävään lieriöön yhtä paljonhuoneenlämpöistä vettä ja asetetaan astioihin lämpömittarit. Astiat laitetaan päälläolevan piirtoheittimen lasilevylle. Havaitaan veden lämpötilan kohoavan, muttamustassa astiassa enemmän kuin kiiltävässä. Päätellään mustan mattapintaisen astianimevän eli absorboivan lämpöä enemmän kuin sileän, kiiltävän pinnan. Lämpösäteilynkohdatessa aineen tämä lämpenee.Oppilaat tekivät ensimmäisen tutkimuksen pareittain, lämpötilat jokainen kirjasivihkoonsa. Toinen tutkimus tehtiin yhteisesti siten, että piirtoheitintä lähinnä istunutoppilaspari luki lämpötilat tietyn ajan välein ja kaikki kirjoittivat ne ylös. Havaintojenjälkeen pohdittiin aiheen sovelluksia. Esille tulivat mm. mustien ja valkoisten vaatteidenkäyttäminen kesällä, suklaalevyn tai ­konvehtien pakkaaminen folioon tai34

kiiltäväpintaiseen muovikääreeseen, kuparipannujen kiillottaminen, kattiloiden kiiltäväteräspinta ja mustat muovikahvat sekä seuraavassa kappaleessa esitelty termospullo.4.2.6.4. SovellusTutkitaan termospullon tarkoituksenmukaista rakennetta lämmönsiirtymistapojenkannalta. Koska termospullon sisällä olevan kuuman tai kylmän juoman halutaansäilyttävän lämpötilansa mahdollisimman hyvin, on se huomioitava termospullonrakenteessa ja käytetyissä materiaaleissa.Lämpöenergian johtuminen estyy, kun lasisen sisäkuoren kahden kerroksen väliinsaadaan aikaan mahdollisimman hyvä tyhjiö. Lisäksi sisä­ ja ulkokuoren välinenilmakerros on hyvä eriste. Jos ulkokuori on muovinen ja korkin materiaali muovi taikorkki, nämäkin toimivat eristeinä. Termospullon sisäkuoren peilipinta heijastaalämpösäteet takaisin. Kulkeutumisen estämiseksi pullon on oltava tiivis ja korkkipidettävä suljettuna.Oppilaat piirsivät vihkoonsa termospullon poikkileikkauksen. Termospullon rakennelämpöenergian siirtymisen kannalta käytiin läpi kerraten lämmönsiirtymistavat jatäydentäen kuvaan vastaavat termospullon osat.4.3. Kurssin aikatauluFysiikan aihealueiden runsaus tekee opetuksesta aina melko kiireisen. Koulussatapahtuu muutakin kuin opetusta, joten opetukseen käytettävä tuntimäärä voi vaihdellapaljonkin eri ryhmien välillä.Molemmilla tutkimuksen ryhmillä oli kaksi fysiikan tuntia viikossa, tunnit olivatyksöistunteja. 9. D luokan toinen viikkotunti oli laboratoriossa ja toinen tavallisessaluokassa. 9. F luokan molemmat tunnit olivat laboratoriossa.Kurssi ehdittiin aloittaa viikolla 49, juuri ennen joululomaa. 9.D:llä tunteja oli 18 ja9.F:llä 13. Viiden oppitunnin ero johtui siitä, että 9.F:n tunteja kului35

laillisuuskasvatukseen (poliisin vierailu), ”Oppimaan oppiminen” – kyselyyn,”Vanhojen päivän”tanssien seuraamiseen ja osallistumiseen ”Taitaja 2006”­ messuillePirkkahallissa. Kurssin summatiivinen koe oli viikolla 10 eli heti hiihtoloman jälkeen.Koe oli kummallakin ryhmällä samana päivänä, joten joustoon ei ollut varaa.9.F:llä tunnit olivat koko ajan laboratoriossa, joten luokkatila ei aiheuttanut soveltamistatoteutuksessa. 9.D:llä viikon toinen tunti oli laboratoriossa ja toinen tunti tavallisessaluokkatilassa. Tavallisessa luokassa opettaja pystyy demonstroimaan, jos välineistöä eitarvita paljon. Luokassa on vesipiste. Jos opettaja käyttää kaasupoltinta tai kynttilää,mukaan on otettava alkusammutusvälineitä, esim. sammutuspeite, koska sellaisia ei oletavallisessa luokassa.36

5. Oppilaiden käsitykset ja niiden kehittyminen5.1. Ennakkokäsitystestin toteutusEnnen varsinaisen kurssin alkua oppilaat vastasivat ennakkokäsityskysymysten A­sarjankysymyksiin (Liite 1). Vastausaikaa oli noin 25 minuuttia. Etukäteen ilmoitettiin, ettävastauksia ei arvioida numeerisesti ja vastauspaperin saa palauttaa nimettömänä. Näihinkysymyksiin vastasi yhteensä 28 oppilasta. Kahdessa opetusryhmässä oppilaita oliyhteensä 30, mutta kaksi oppilasta oli pois koulusta. Myöhemmin keväällä lukuvuodenloppupuolella 26 oppilasta vastasi B­sarjan kysymyksiin (Liite 2).5.2. Kysymykset ja esimerkkejä vastauksistaSeuraavassa on esitetty ennakkokäsitystestin A­sarjan kysymykset. Kursiivilla onmerkitty joitain oppilaiden vastauksia. Samanlaisia vastaustyyppejä on yhdistetty jasulkeissa on ilmoitettu niiden määrä. Vastaajia oli kahdessa ryhmässä yhteensä 28.1. Mitä lämpö mielestäsi on?­ "lämpö liittyy ainakin siihen, mitä ihminen tuntee, ja se on myös ilmanlämpötilaan kuuluvaa"­ "lämpö vaikuttaa siihen, että onko kylmä vai lämmin"­ "voimavara, olotila, jossa ihminen hikoilee"­ "säteilyä"­ "sähköä, tulta"­ "energiaa"Vast. ­ energiaa (12), lämpötilaa (5), ilmaa (3), kylmän vastakohta, lämmittää (4), eivastausta (4)2. Millä eri tavoin voisit lämmittää jotain ainetta?37

­ "liekillä tai sähköllä"­ "tulella, levyllä, uunissa, mikrossa"­ "hiustenkuivaaja, kuuma vesi"­ "valolla"­ "säteilyttämällä, liikuttamalla, polttamalla"Vast. ­ keittämällä, kuumentamalla, tulella, auringossa, hieromalla käsien välissä,sähköllä…3. Mitä energia on?­ "liikunta kuluttaa energiaa, energiasta saa voimaa"­ "liikettä, esim. tuulimylly pyörii tuulen vaikutuksesta"­ "hiukan kaikkea, esim. lämpö­ ja sähköenergiaa"Vast. ­ lämpöä (3), sähköä (3), liikettä (2), voimaa (3), hiukkasia (1), ei vastausta (16)4. Sekoitetaan litra 50­asteista ja litra 40­asteista vettä.a) Kumpaan veteen on varastoitunut enemmän energiaa?b) Mikä on veden loppulämpötila?­ "loppulämpötila 90 o C, 80 o C, 20 o C tai 10 o C "Vast. ­ a­kohtaan vastasi 23 oikein, 4 väärin ja 1 ei vastannutVast. ­ b­kohtaan vastasi 20 oikein, 6 väärin (loppulämpötila 90, 80, 20 tai 10 ­asteista)ja 2 ei vastannut5. Miksi talvi tulee rannikolla yleensä hitaammin kuin sisämaassa?­ "koska siellä on kosteampi ilmasto, tuulee paljon"­ "johtuu merestä tai järvistä"­ "rannikkoilma on lämmintä"38

­ "rannikolla on kylmempää"­ "koska järvet lämmittävät rantoja"­ "vesi jäätyy hitaammin kuin maa"­ "mitä isompi rannikko, sitä kauemmin kestää jäätyä"­ "rannikolla on meri­ilmasto ja tuulee"­ "koska Golf­virta tuo lämmintä ilmaa rannikolle ja merituulet lämmittävät"­ "koska meri varastoi lämpöä"­ "koska meri lämmittää ympäristöä rannikkoalueilla"­ "vesi voi lämmittää ja ilmasto on erilainen"Vast. ­ vesi tai ilma lämmittää (14), rannikolla on kylmää, kosteaa, siellä tuulee (7), eivastausta (7)6. Minkälaisia ovat hyvät kiuaskivet?­ "aidot, erimuotoiset kivet"­ "imevät lämpöä itseensä"­ "teräväreunaset"­ "pysyy kauan lämpiminä"­ "pyöreät, tulee pehmeät löylyt"­ "kestää lämpöä"­ "semmottet, jotka eivät halkeile tai kulu nopeasti"­ "uudet, ei kuluneet"­ "suunnilleen samankokoiset, koska lämpiävät silloin tasaisesti"­ "karheapintaiset"­ "lämpöä johtavat"­ "kalliokivet"­ "varaa lämpöä tehokkaasti"­ "sellaisia, jotka kuumenevat nopeasti"­ "jotka eivät laajene paljon"Vast. ­ pitävät lämmön hyvin, kuumenevat hyvin (8), tietyn muotoiset/kokoiset (9),kestävät, eivät laajene (5), ei vastausta (6)39

7. Hillopurkin kansi on juuttunut kiinni. Kannattako kannen päälle laskea kylmää vaikuumaa vettä? Perustele.­ "kuumaa, jotta korkki laajenisi"­ "kuumaa, koska se ns. "sulattaa" sitä"­ "lämmintä, koska lämpölaajenee"­ "kylmää, se supistaa"­ "kuumaa, koska kuuma vesi lämmittää purkkia ja se aukeaa"­ "kuumaa, jos se on jäässä"­ "kuumaa, koska astia pienenee kuumetessa"­ "kylmää vettä, koska kansi on jotain metallia, se pienenee"Vast. ­ kuumaa (26), kylmää (2)Kaksi vastasi laskevansa kylmää vettä, koska kansi tällöin pienenee.Lämpölaajenemisilmiö tiedettiin, mutta kannen ehkä ajateltiin pienetessään nousevanylöspäin ja purkin aukeavan. Kuumaa vettä laskevat ajattelivat kannen tai jään”sulavan”tai purkin pienentyvän. Tällöin oppilas ehkä ajatteli, että hillopurkki on otettupakastimesta, jolloin kansi on jäätynyt kiinni ja sisältö laajentunut jäätyessään. Suurinosa vastaajista sanoi (metalli)kannen laajentuvan kuuman veden vaikutuksesta.Kysymyksessä ei kerrottu kannen materiaalia.8. Miksi suljettua koeputkea ei saa lämmittää?­ "koeputki räjähtää liiasta kuumudesta"­ "se halkeaisi"­ "se voi räjähtää"­ "koska se laajenee ja menee rikki"­ "koska ilma tiivistyy sisällä ja hajottaa koeputken"­ "koska siellä ei ole happiaukkoja"­ "koeputki voi räjähtää, koska happi ei pääse pois koeputkesta"­ "se räjähtää, koska sen sisällä oleva ilma laajenee lämmitessään"40

Vast. ­ koeputki räjähtää, koska ilma/happi/aine sisällä laajenee (13), koeputkipoksahtaa, räjähtää, menee rikki ilman perusteluita (6), koeputki menee rikkikuumennettaessa liikaa (6), ilma sisällä tiivistyy ja rikkoo koeputken (1), ei vastausta(2)9. Miksi saunan lauteissa oleva naula polttaa ihoa, mutta lauteet eivät?­ "koska rauta kerää enemmän lämpöä kuin puu"­ "koska lauteet ovat puuta ja se ei tule niin kuumaksi kuin metalli"­ "naula on rautaa ja se kuumenee enemmän kuin puu"­ "naulat kuumenevat nopeammin kuin puu"­ "metalli johtaa lämpöä"­ "naula johtaa lämpöä paljon enemmän kuin puu"­ "koska rauta ottaa lämpöä enemmän vastaan kuin puu"­ "metallin pinta kuumenee, puun ei"Vast. ­ metalli johtaa lämpöä ihoon (5), metalli on lämpimämpi / lämpenee nopeammin(19), naula on rautaa, tiheys suurempi (2), puu ei tunnu kuumalta (1), lauteet polttaamyös (1)10. Kun Anne pyöräili kouluun kylmänä syysaamuna, hän huomasi, että ohjaustangonmetalliosat tuntuivat kylmemmiltä kuin muoviset kädensijat. Miksi näin?­ "koska metalli reagoi lämpötilaan voimakkaammin"­ "koska kylmä ilma kylmentää pyörän metalliosia hyvin, muttei niinkään muovia"­ "muovi hylkii kylmää, mutta rauta vetää puoleensa"­ "koska metalliosa kerää enempi kylmyyttä"­ "koska metalli johtaa myös kylmyyttä paremmin kuin muovi"­ "metalli kylmenee nopeammin, kun se on tiheämpää"­ "metalli johtaa lämpöä"Vast. ­ metalli johtaa lämpöä paremmin (2), johtaa kylmää (1), metalli reagoikylmyyteen / kerää kylmyyttä / kylmenee (20), ei vastausta (6)41

11. Miksi kirkas yö on kylmempi kuin pilvinen?­ "pilvet estävät lämmön haihtumisen"­ "kun on pilviä, niin ilma ei pääse nousemaan avaruuteen"­ "pilvet pitää lämmön maassa"­ "koska pilvet ottavat kylmää ilmaa itseensä"­ "silloin on korkeapaine"­ "avaruudesta pääsee kylmää ilmaa"­ "pilvet tuovat lämpöä"Vast. – pilvet pitää lämmön maassa, suojaavat (11), on korkeapaine (1), pilvet ottaakylmää itseensä (2), kirkkaana yönä avaruudesta tulee kylmää (2), ei vastausta (12)12. Miksi kauppojen pakastearkut voivat olla ylhäältä avoimia?­ "kylmyys pyrkii aina alaspäin"­ "koska kylmä ilma on lämmintä ilmaa painavampaa ja pysyy siksipakastearkussa"­ "kylmä ilma laskeutuu aina lämpimän alle"­ "koska kylmä ilma ei nouse ylöspäin"­ "koska ne ovat pohjalla, joka on jäässä"­ "koska ne ovat niin kylmiä"­ "koska ei kaupassa ole niin kauhean kuuma, että ne sulaisi pakastearkussa,vaikka se olisi avoin"­ "siksi koska se laite, joka jäähdyttää, on siellä alhaalla"Vast. ­ kylmä pysyy alhaalla, jäähdytys alhaalla (17), kaupassa on kylmä (2), eivastausta (9)13. Vaikuttaako tuuli lämpötilaan?­ "kyllä"­ "ei"­ ”ei, riippuu lämpötilasta, onko tuuli kylmä / kuuma”42

­ "ei lämpötilaan mittarissa, mutta muuten kyllä"­ ”ei pysty lämpömittarilla mitata, mutta jos tuulee, niin ilma tuntuukylmemmältä"­ ”kyllä, jos tuulee paljon niin ilma kylmenee"­ "kyllä, koska tuuli voi olla kylmä tai kuuma"­ "se vain tuntuu, että vaikuttaa, mutta ei oikeasti"­ "vaikuttaa hetkellisesti"Vast. ­ vaikuttaa (17), ei vaikuta, ei lämpömittariin, ilma tuntuu kylmemmältä (9), eivastausta (2)14. Miksi auton jäähdyttäjään lisätään veden sekaan glykolia?­ "ettei se jäädy"­ "että vesi ei haihtuisi"­ "vesi jäätyisi 0 o C, mutta glykoli estää veden jäätymisen"­ "ettei vesi kiehu / jäädy, glykolin kiehumispiste / jäätymispiste ovat eri kuinveden"­ "koska alkoholi ei jäädy"­ "ettei jäähdyttäjä jäätyisi pakkaspäivinä"­ "koska siinä pitää olla alkoholia, ettei se kokonaan jäädy"Vast. ­ ettei vesi jäätyisi (17), ettei vesi kiehu / haihdu (2), ei vastausta (9)5.3. Ennakkokäsitysten analysointiOppilaat vastasivat ennakkokäsityskysymyksiin ennen varsinaisen lämpöopinkurssinalkua edellisellä fysiikantunnilla. Aikaa kysymysten vastaamiseen toisella ryhmällä olioppitunnin verran, toisella hieman vähemmän. Ohjeistuksessa sanottiin, että voi vastatanimettömänä ja vastauksia ei arvioida, silti vastaamisen ja ”mustaa valkoiselle”laittamisen arkuus näkyi monessa vastauspaperissa. Usein kysymyksen perään olihahmoteltu ensin jotain, sitten laitettu kolme pistettä tai ”en osaa selittää”. Pelätään,”mitä opettajakin ajattelee, jos vastaan ihan hassuja”. Tätä arkuutta ja tietämättömyyden43

paljastumisen pelkoa on aika vaikea saada pois oppilaista. Oppilaat toisaaltakiinnostuivat kysymysten tilanteista ja joku oppilaista varmistikin, että ”kai ne sittenmyöhemmin selitetään”.Suurimmalla osalla oppilaista oli jonkinlainen mielikuva esitellyistä ilmiöistä, muttaoikeita käsitteitä ei vielä osattu vastauksissa käyttää. Monista vastauksista välittyi oikeaajatus, vaikka ilmiön kuvaileminen tarkasti olikin vaikeaa. Usein vastaukset annettiinkysymyksen sanoin ja perustelua ei ollut. Oppilaat pyrkivät vastaamaan fysiikankäsittein, jotka olivat aiemmilta kursseilta tulleet tutuiksi, vaikka käsite ei liittynytkäänkysymyksen ilmiöön. Osa kysymyksistä oli melko avoimia. Vastauksen antaja eiyleensä esitellyt mielikuvaansa tehtävän tilanteesta tai antanut useita vaihtoehtoja.Vastaaminen useimpien kohdalla oli aika niukkaa.Käsite lämpö tulkittiin lämpötilaksi tai aistimukseksi, jossa kylmyys ja lämpö olivatvastakohtia. Kylmyyttä ja lämpöä tulkittiin myös ainemaisesti, esimerkiksi "metalliimee kylmää enemmän kuin muovi", "metalli reagoi kylmyyteen ja kuumuuteenhelpommin" tai "muovi hylkii kylmää, mutta rauta vetää puoleensa". Lämpöenergiansiirtymisen suunnan ja lämpötilan aistimuksen välinen yhteys näkyi kyllä vastauksissa.Kysymykset oli laadittu siten, että kurssi sisälsi kaikki ne aihealueet, joita kysymyksetkäsittelivät. Tässä mielessä kurssi siis antoi vastaukset kaikkiin näihin kysymyksiin.Ennakkokysymysten vastausten perusteella kurssin aikana korostettiin ja toistettiinerityisesti niitä asioita, joissa vastaukset paljastivat selviä virhekäsityksiä. Toisaaltaopettaja jo aiemman kokemuksensa perusteella osasi varautua tietynlaisiin vastauksiinja ennakkokäsityksiin.Jos kysymys sisälsi vertailun tai sama tehtävä sisälsi useita kysymyksiä, oppilas vastasiusein vain yhteen osaan kysymyksestä. Lisäksi perustelut puuttuivat useistavastauksista, vaikka niitä pyydettiin.Kysymykset olisi voinut laatia myös siten, että valmiista vastausvaihtoehdoista oppilaatolisivat rastittaneet mielestään oikean tai oikeat. Tällöin vastausten analysointi olisiollut yksinkertaisempaa, ja olisi saanut selvästi erotettua oikeat ja väärät vastaukset.Toisaalta vaarana olisi ollut myös se, että oppilas olisi vain rastittanut vastauksia44

miettimättä tai edes lukematta kysymyksiä. Tutkimuksen tekijä halusi kuitenkin nähdä,miten oppilaat vastaavat sanallisesti ja miten he osaavat käyttää fysiikan käsitteitä.5.4. Kysymykset kurssin jälkeenKurssin jälkeen oppilaat vastasivat ennakkokäsityskysymysten B­sarjaan (Liite 2).Näihin kysymyksiin vastasi 26 oppilasta. Kysymykset olivat samantyyppiset kuin A­sarjankin kysymykset, mutta vain 6. tehtävä oli sama kuin A­sarjassa. Ohjeistus olisamanlainen kuin ennen kurssiakin. Oppilaat vastasivat kysymyksiin vastakevätlukukauden loppupuolella, jolloin aikaa lämpöopinkurssin päättymisestä olikulunut jonkin verran. Tehtävätyypit ovat ennakkokäsityskysymysten kaltaisia eikä niitämuutettu, vaikka vastausten analysoinnin hankaluus tiedostettiin.Seuraavassa on esitelty kysymykset ja jokaisen kysymyksen jälkeen on kirjoitettuotteita oppilaiden vastauksista. Kysymyksen jälkeen on ryhmitelty erilaisiavastaustyyppejä ja merkitty sulkuihin niiden lukumäärät. Vastauksia ja niiden määriä onlisäksi vertailtu ennen kurssia saatuihin tuloksiin.1. Luettele viisi eri energiamuotoa.­ "liike­, sähkö­, potentiaali­, lämpö­, ydinenergia"­ "tuuli, vesi, aurinko, öljy, turve"Vastaukset jakautuivat melko selkeästi niin, että oppilas oli luetellut joko pelkästäänenergiamuotoja tai pelkästään energialähteitä.Vast. ­ energiamuotoja (13), energialähteitä (10), ei vast. (3)Lämpö tiedettiin energiaksi yhtä hyvin kuin ennen kurssiakin.2. Miksi pakkaspäivänä uloshengitetty ”ilma”näkyy?­ "ilma on lämpimämpää" (12)45

­ "se höyrystyy" (4)­ "se tiivistyy" (2)­ "hengityksessä on vettä (höyryä)" (5)­ "on kylmä" (1)­ "se jäätyy" (3)Niukat vastaukset uloshengitysilman näkymisestä pakkaspäivänä eivät ihan tarkastipaljastaneet vastaajan ajatuksia, mutta useista vastauksista löytyi kyllä oikea ilmiö.3. Voiko olla nolla­asteista vettä, entä jäätä?­ "voi olla 0­asteista vettä" (21)­ "ei voi olla 0­asteista vettä" (4)­ "voi olla 0­asteista jäätä" (15)­ "ei voi olla 0­asteista jäätä" (7)­ "voi olla 0­asteista vettä ja jäätä" (14)­ "voi, jos vedessä on suolaa"­ "vesi jäätyy alle nollassa"Noin puolet oppilaista tiesi veden voivan olla sekä kiinteänä, että nesteenäsulamispisteessään. Ennalta tunnettu virhekäsitys on seurausta siitä, ettähavainnoidaan ympäristön lämpötilaa. Tulkitaan veden jäätyvän hieman alle 0o C:ssa ja jään sulavan vähän yli 0 o C:ssa.4. Sekoitetaan litra 30­asteista ja kaksi litraa 60­asteista vettä. Mikä on vedenloppulämpötila?­ "loppulämpötila on 50 o C" (17)­ joku muu (2)­ ei vastausta (7)Sekoitettujen erilämpöisten vesien loppulämpötilan osasi laskea melkein yhtä monikuin kurssin alussakin. Tehtävä oli hieman vaikeampi, kuin ensimmäisessäkyselyssä, koska sekoitettavia vesiä oli eri määrät.46

5. Mitä vedelle tapahtuu, kun se haihtuu?­ "höyrystyy, muuttuu vesihöyryksi" (18)­ "katoaa" (2)­ "muuttuu" (2)­ "tiivistyy" (1)­ ei vastausta (3)Veden haihtuminen ilmoitettiin useimmiten höyrystymisilmiöksi. Tämän laajemminasiaa ei selitetty, vaikka tehtävän avoimuus olisi sen sallinutkin.6. Minkälaisia ovat hyvät kiuaskivet?­ "varaa hyvin lämpöä" (2)­ "lämpenevät nopeasti" (3)­ "lämpöä johtavat, säteilevät" (2)­ "kestävät" (2)­ "isot, samankokoiset, sileät, puhtaat, mustat, ruttuiset" (8)­ ei vastausta (8)Hyvien kiuaskivien tärkeäksi ominaisuudeksi ilmoitti melkein yhtä moni oppilas (8)kuin ennen kurssiakin (9) jonkin ulkonäköön eli muotoon, kokoon ja pintaanliittyvän asian. Jokunen oppilas nyt, kuten ennen kurssiakin ilmoitti hyvänlämmönvaraamiskyvyn olevan hyvien kiuaskivien ominaisuus.7. Teräsmittanauha näyttää oikein huoneenlämpötilassa. Näyttääkö se liikaa vailiian vähän ulkona pakkasessa? Perustele!­ "näyttää liikaa” (5)­ "näyttää liian vähän" (11)­ ei vastausta (10)­ oikea perustelu (10)­ väärä perustelu (6)47

Oppilaista kymmenen ei vastannut kysymykseen, mitä teräsmittanauhalle tapahtuupakkasessa. Kymmenen tiesi mittanauhan lyhenevän, ts. lämpötilan alenemisenvaikutus mittanauhan pituuteen tunnettiin, mutta 11 päätteli virheellisestimittanauhan antavan liian pienen tuloksen.8. Miksi kannattaa valita ruuan valmistukseen lieden levyn kokoinen kattila? Miksikansi on hyvä pitää kattilan päällä?­ "kuumenee nopeammin" (5)­ "lämpö ei mene hukkaan" (14)­ "ei kiehu yli" (1)­ ei vastausta (6)Vähän yli puolet oppilaista tiesi, miksi kannattaa valita kattilan kanssasamankokoinen lieden levy ja pitää kattilassa kansi päällä. Sen tarkempiaperusteluita ei tässäkään tehtävässä juuri kerrottu.9. Miksi pelti­ ja styrox­mukit eivät ole käytännöllisiä, kun juot kuumaa juomaa?­ "juoma ei jäähdy" (2)­ "pelti kuumenee, styrox sulaa" (10)­ "eivät pidä lämpöä, jäähtyy" (4)­ "juoma polttaa" (1)­ "vuotaa" (1)­ ei vastausta (8)Pelti­ ja styrox­mukien epäkäytännöllisyyttä kuumien juomien juomiseen ei osattujoissakin vastauksissa eritellä, vaan oppilaat antoivat yhden vastauksen. Tällöin eivoinut päätellä, tarkoitettiinko molempia materiaaleja, vaan ainoastaan toista.Peltimukin kuumeneminen kyllä tiedettiin, mutta styroxin epäiltiin sulavan. Joskysymys olisi ollut erikseen peltimukin käytännöllisyydestä ja erikseen styroxmukinkäytännöllisyydestä, vastaukset olisivat kohdistuneet vain yhteen ilmiöön.48

10. Miksi kivilattia tuntuu kylmältä paljaassa jalassa, mutta samalla lattialla olevamatto tuntuu mukavan lämpimältä?­ "kivilattia johtaa lämpöä paremmin kuin matto"­ "ne johtaa erilailla lämpöä"­ "lämpö siirtyy hitaammin kivilattiaan"­ "lämpö siirtyy jalkaan eri tavalla"­ "kivet imevät lämmön jalasta"­ "matto on lämmin"­ "koska kylmä ei mene jalkaan, se menee mattoon"­ "lattia saa jalasta enemmän lämpöenergiaa kuin matto"Vast. ­oikeita (tai oikeaksi tulkittavia) (12), virheellisiä (3), ei vastattu (11)Ihmisen lämpöaistin epäluotettavuus lämpötilan määrittämisessä tuli esilleuseampaan kertaan oppitunneilla. Syy kivilattian ja puuvillamaton tuntumiseenerilämpöisiltä jalan alla oli selvinnyt 12 oppilaalle. Ennen kurssia 20 oppilastavastasi saunan lauteiden naulan lämpötilan olevan korkeamman kuin puun jametallisen ohjaustangon ”keräävän kylmyyttä” enemmän kuin muovinenohjaustangon kahva.11. Millaisessa astiassa vesi jäähtyy nopeammin?­ "joka johtaa lämpöä hyvin" (8)­ "lämpöä varastoivassa"­ "joka imee lämpöä hyvin"­ "suuressa ja matalassa" (2), ”avonaisessa”(1)­ "metallisessa" (3)­ "kirkkaassa, läpinäkyvässä", "muovisessa" (5)­ ei vastausta (7)Lämpöenergian siirtymiseen liittyviä käsitteitä tarjottiin vastauksissa. Useimmatajattelivat lämmön siirtyvän astiaan, eikä ympäristöön.49

12. Mistä johtuu, että kosteissa vaatteissa vilustuu helposti?­ "lämpö otetaan iholta" (9)­ "ei pidä lämpöä" (1)­ ”vesi on kylmää", "ne on kylmät", "niissä ei ole lämpöä", "kylmä ilma tarttuusiihen nopeammin" (7)­ ei vastausta (9)Kukaan ei vastannut haihtumisen kuluttavan lämpöenergiaa, mutta yhdeksän tiesilämmön siirtyvän iholta.13. Mitä hyötyä on painekattilan käytöstä ruuan laitossa?­ "voidaan nostaa veden lämpötila yli kiehumispisteen, jolloin ruoka kypsyynopeammin" (1)­ "vesi kiehuu ylemmässä lämpötilassa, jolloin ruoka kypsyy nopeammin" (1)­ "ruoka valmistuu nopeammin" (7)­ "höyry pysyy sisällä" (1)­ ei vastausta (16)Vain kaksi selitti, miksi ruoka valmistuu nopeammin painekattilassa kuin tavallisessakattilassa.Kurssin jälkeen kysymyksiin annettiin vastauksia vieläkin niukemmin kuin kurssinalussa. Ennen kurssia vastausta vaille jäi yhteensä 75 kysymystä (28 oppilasta), kun taaskurssin lopussa ilman vastausta oli 88 (26 oppilasta) kysymystä. Peruskoulun viimeisillätunneilla oppilaita kiinnosti jo enemmän tulevaisuus kuin ”vanhat”fysiikan asiat. Neoppilaat, jotka malttoivat paneutua vastaamiseen, antoivat kyllä perustellumpia jaenemmän oikeita käsitteitä sisältäviä vastauksia, kuin kurssin alussa.50

6. LoppupäätelmätLämpöopinkurssi suunniteltiin siten, että opetus etenisi huomioiden oppilaidenoppimisen tason ja fysiikan käsitteenmuodostuksen prosessirakenteen. Kurssinrakentaminen hahmottavan lähestymistavan periaatteita noudattaen onnistui hyvin.Oppilaiden aiemmat opinnot tai puutteet niissä, valtakunnallinen ja koulukohtainenopetussuunnitelma, oppikirja, muut opetusryhmät tai koulun käytänteet eivätaiheuttaneet ristiriitoja tai rajoituksia kurssin rakenteeseen tai sisältöön. Tutkimuksentekijän aiemmin kokemat ristiriitaisuudet oppikirjojen ja myös oman opetuksenlähestymistavoissa poistuivat hahmottavalla lähestymistavalla, jossa havainnot jamielikuvat, kokeellisuus ja teoria tukevat toisiaan ja kehittyvät yhdessä.Käsitteenmuodostuksen ja oppimisen prosessit aloitettiin havainnoista ja ympäristöstälaajentaen asteittain. Tällä tavalla oppilas käy läpi oman oppimisprosessinsa ja jokainentavoittelee itselle mahdollista oppimisen ja osaamisen tasoa. Tutkimuksen tekijänomaan aikaisempaan opetuskokemukseen verrattuna fysiikan opetus näin toteutettuna,sekä sen opiskelu ei tuntunut oppilaista niin vieraalta tai jopa pelottavalta kuin aiemmin.Opetuksen lähtökohtana olevat ympäristön ja luonnon tutut ilmiöt, niidenhavaitsemiseen ohjaaminen kunkin oppilaan omista lähtökohdista käsin teki kurssistamonella lailla antoisamman ja kiinnostavamman, sekä opettajalle, että oppilaille.Hahmottava lähestymistapa antaa varmasti jokaiselle oppijalle jotain, mitä hän voi sittenmyöhemmissä opinnoissaan syventää ja laajentaa.Tunnistettujen hahmojen nimeäminen on käsitteistämistä, mikä rakentaa kieltä ja tekeehavainnoista keskustelemisen mahdolliseksi. Opettajalle iso haaste on saada luotuaryhmään sellainen ilmapiiri, joka mahdollistaa keskustelun ja luontevan yhteistyönoppilaiden keskuudessa. Tutkimuksessa mukana olleista ryhmistä toisessa keskustelu jatekeillä olevista tutkimuksista käydyt pohdinnat sujuivat luontevammin kuin toisessa.Käsitteet otettiin käyttöön siten, että opetus tarjosi perustan käsitteiden myöhemmälletäsmentävälle kehitykselle. Hankalimmaksi ja vaativimmaksi osoittautui, kuten odottaasaattoikin, kvantifiointi eli kvalitatiivisen käsitteistön muuntaminen kvantitatiiviseksi.Ominaisuuksista tulee suureita, joilla on yksikkö ja lukuarvo, niistä tulee laskennallisiaelementtejä. Yläluokilla rakennetaan pohjaa tuleville opinnoille, joten kvantifiointia onoltava jossakin määrin. Myös opetussuunnitelma asettaa kvantitatiivisen tason51

tavoitteita. Oppikirja ei tarjonnut kovinkaan paljon fysikaalisten laskutehtävienharjoitusta, joten opettajan piti antaa lisäharjoituksia monisteina. Lisäksi oppilaidenvalmiudet suureyhtälöiden ratkaisemiseen olivat kovin erilaiset. Tässä kohdassaeriyttäminen on välttämätöntä.Kurssin jälkeen saadut vastaukset ennakkokäsityskysymyksiä vastaaviin tehtäviin eivätehkä ihan vastanneet opettajan odotuksia, mutta kurssin etenemiseen ja sen vaiheisiinopettaja oli kyllä tyytyväinen. Opettajalle jäi se käsitys koko kurssista, että oppilaatpääsivät lähemmäksi sekä luontoa että fysiikan olemusta, ja saivat enemmän irtiopetuksesta, kun se toteutettiin hahmottavaa lähestymistapaa noudattaen. Tavoitteenaolisi saada oppilaat kaiken kaikkiaan keskustelemaan enemmän havainnoistaan jakäsityksistään. Minkälaiseksi luokan henki ja ilmipiiri kulloinkin muodostuu, on monenasian summa. Kiireettömyys olisi myös yksi tavoite. Laboratoriotilojen, välineiden sekätuntien vähyys aiheuttaa aina kiirettä, ja tietysti laaja opetettava aines. Enemmän aikaatuntitöille ja kokeellisuudelle sekä oppilaiden keskusteluille saataisiin siten, ettäkurssilla tarjottaisiin oppilaille kotona suoritettavia ennakkotehtäviä, joihin sisältyisihavaintoja ja pieniä mittauksia. Tämä voisi myös tuoda enemmän keskustelualuokkatilanteessa, sillä varmasti oppilaat keskustelevat jo etukäteen toistensa kanssatekemistään kotitehtävistä.Tutkimuksessa osoittautui kaikkiaan, ettei fysiikan rakenteen huomioonottaminen jahahmottava lähestymistapa aiheuta ongelmia peruskoulun tasoon sopivan jaopetussuunnitelmaa noudattavan lämpöopin kurssin suunnittelussa sen paremmin kuinsen käytännön toteutuksessakaan.52

LähteetAnon. (2000) Peruskoulun opetussuunnitelman perusteet 1994. Opetushallitus, 4. korjattupainos. Edita Oy., HelsinkiAspholm S., Hirvonen H., Lavonen J., Penttilä A., Saari H., Viiri J. & Hongisto J. (2001)Aine ja energia ­ Fysiikan tietokirja. WSOY.Härmä H., Nurmi U., Tiilikainen M. (1983) Yläasteen fysiikka ja kemia. WSOY. Porvoo.Kurki­Suonio K. & Kurki­Suonio R. (1994)Fysiikan merkitykset ja rakenteet. Limes ry., HelsinkiKurki­Suonio Kaarle ja Riitta. (1998) Ajatuksia didaktisesta fysiikasta. Teoksessa ”Tuultapurjeisiin”, toim. Jari Lavonen ja Matti Erätuuli. Atena Kustannus. JyväskyläKurki­Suonio, K. (2006) Kolme luentoa käsitteenmuodostuksesta. Fysiikantäydennyskoulutuskurssi. Fysiikan historia ja filosofia. Helsingin yliopisto,Fysikaalisten tieteiden laitos, HelsinkiLavonen J., Kurki­Suonio K., Hakulinen H. (1994)Galilei 2. Weilin+GöösSaari H. (2000) Oppilaiden käsitykset malleista ja mallintaminen fysiikanperuskouluopetuksessa. University of Joensuu. Department of Physics. VäisäläLaboratory. Dissertations; 22.Sahlberg, P. (1996) Tutkiva oppilas –Tutkiva opettaja. Teoksessa Tutkiva opettaja 2,toim. S. Ojanen. Helsingin yliopiston Lahden tutkimus­ ja koulutuskeskus53

Liite 1.Lämpöopin ennakkokäsityskysymyksiä A1. Mitä lämpö mielestäsi on?2. Millä eri tavoin voisit lämmittää jotain ainetta?3. Mitä energia on?4. Sekoitetaan litra 50­asteista ja litra 40­asteista vettä.a) Kumpaan veteen on varastoitunut enemmän energiaa?b) Mikä on veden loppulämpötila?5. Miksi talvi tulee rannikolla yleensä hitaammin kuin sisämaassa?6. Minkälaisia ovat hyvät kiuaskivet?7. Hillopurkin kansi on juuttunut kiinni. Kannattako kannen päälle laskea kylmäävai kuumaa vettä? Perustele.8. Miksi suljettua koeputkea ei saa lämmittää?9. Miksi saunan lauteissa oleva naula polttaa ihoa, mutta lauteet eivät?10. Kun Anne pyöräili kouluun kylmänä syysaamuna, hän huomasi, ettäohjaustangon metalliosat tuntuivat kylmemmiltä kuin muoviset kädensijat.Miksi näin?11. Miksi kirkas yö on kylmempi kuin pilvinen?12. Miksi kauppojen pakastearkut voivat olla ylhäältä avoimia?13. Vaikuttaako tuuli lämpötilaan?14. Miksi auton jäähdyttäjään lisätään veden sekaan glykolia?54

Liite 2.Lämpöopin ennakkokäsityskysymyksiä B1. Luettele viisi eri energiamuotoa.2. Miksi pakkaspäivänä uloshengitetty ”ilma”näkyy?3. Voiko olla nolla­asteista vettä, entä jäätä?4. Sekoitetaan litra 30­asteista ja kaksi litraa 60­asteista vettä. Mikä on vedenloppulämpötila?5. Mitä vedelle tapahtuu, kun se haihtuu?6. Minkälaisia ovat hyvät kiuaskivet?7. Teräsmittanauha näyttää oikein huoneenlämpötilassa. Näyttääkö se liikaa vailiian vähän ulkona pakkasessa? Perustele!8. Miksi kannattaa valita ruuan valmistukseen lieden levyn kokoinen kattila? Miksikansi on hyvä pitää kattilan päällä?9. Miksi pelti­ ja styrox­mukit eivät ole käytännöllisiä, kun juot kuumaa juomaa?10. Miksi kivilattia tuntuu kylmältä paljaassa jalassa, mutta samalla lattialla olevamatto tuntuu mukavan lämpimältä?11. Millaisessa astiassa vesi jäähtyy nopeammin?12. Mistä johtuu, että kosteissa vaatteissa vilustuu helposti?13. Mitä hyötyä on painekattilan käytöstä ruuanlaitossa?55