Kurssin suunnittelun lähtökohdat

Helsingin yliopiston fysikaalisten tieteiden laitoksella on opettajalinjan opintoihin jo useiden vuosien ajan kuulunut kurssi, jonka tavoitteena on vahvistaa opettajaopiskelijoiden kvanttifysiikan aiheiden ymmärrystä ja antaa valmiuksia niiden opettamiseen. Kurssin laajuus ja fysikaalinen sisältö on todettu tarkoituksenmukaiseksi, joten perustaltaan saman tyyppinen kurssi päätettiin sisällyttää myös Joensuun fysiikan laitoksen kurssitarjontaan. Lisäksi kurssin alkuun lisättiin mallien tarkastelua fysiikan ja fysiikan opetuksen näkökulmasta ja loppuun hieman hiukkasfysiikan perusteita. Kurssin keskeistä sisältöä kuvaa taulukko 4.1 (s. 65). Kurssin sisältö vastaa hyvin myös lukion modernin fysiikan kurssin kvanttifysiikan osa-alueen opetussuunnitelman sisältöä (Opetushallitus 2003). Kurssin suunnittelussa pyrittiin sovittamaan käsiteltävien aiheiden laajuus opettajien tarpeita vastaavaksi. Tutkimukseen liittyvää kurssin fysikaalista sisältöä kuvataan tarkemmin luvussa 4.3 (s. 70).

Taulukko 4.1. Modernia fysiikkaa opettajille -kurssin sisällys.

Kurssin sisällys

Mallit fysiikassa ja fysiikan opetuksessa

Kaasujen moolisten lämpökapasiteettien lämpötilariippuvuus Mustan kappaleen säteily

Valosähköinen ilmiö Comptonin ilmiö Dualismi

Atomien spektrit ja atomimallit

Schrödingerin yhtälö ja Bornin tulkinta Zeemanin ilmiö ja elektronin spin Hiukkasfysiikan perusteita

4.1.2 Opetuksen lähestymistapa

Opetuksen lähestymistavalla tarkoitetaan tietyn suunnitelman tai strategian noudattamista opetuksen tavoitteisiin pyrittäessä. Tiettyä lähestymistapaa noudattavan opetuksen sisällöt ja metodit muodostavat harkitun ja suunnitelmallisen kokonaisuuden.

Lähestymistavan valinnan tulisi olla opettajan tietoinen didaktinen valinta, jossa hänen tulisi huomioida opetettavan aineksen, oppilaiden tason ja opetustavoitteiden lisäksi oma opetustyylinsä ja persoonallisuutensa. (Kurki-Suonio & Kurki-Suonio 1998)

Tässä tutkimuksessa tarkasteltavalla kurssilla pääpaino on kvanttifysiikan syntyyn johtaneiden ilmiöiden tarkastelussa, joten sillä on samoja piirteitä empiiris-induktiivisen lähestymistavan kanssa (Kurki-Suonio & Kurki-Suonio 1998). Kurssilla on myös mukana tieteen historiaa, koska historiallisten lähtökohtien tarkastelu tarjoaa oivan tavan ymmärtää tieteen käsitteitä ja prosesseja sekä on edellytys luonnontieteen luonteen ymmärtämiselle (Matthews 1994; Justi & Gilbert 2002). On myös esitetty, että tieteen historian integroiminen osaksi luonnontieteen opetusta auttaa oppijoita huomaamaan, että suuresti arvostetuilla ja älykkäillä tiedemiehillä on ollut samanlaisia käsityksiä kuin heillä, joten käsitykset eivät ole typeriä. Samalla oppijat myös ymmärtävät käsitysten historiallisuuden ja sen, että opetuksessa tavoiteltava käsitys on historiallista käsitystä arvokkaampi. (Monk & Osborne 1996) Täten historia voi myös edesauttaa käsitteellistä muutosta.

Kurssin alussa tarkastellaan mallien teoriaa kurssilla käsiteltävien mallien luonteen ymmärtämisen helpottamiseksi. Mallit ovat tärkeitä luonnontieteen oppimisen ja opettamisen työkaluja; ovathan ne myös luonnontieteen saavutuksia, ja mallintaminen on osa tieteellistä metodologiaa (Gilbert ym. 2000; Halloun 2004).

Harrison (2001) perustelee mallintamisen käyttöä luonnontieteen opetuksessa sillä, että monet luonnontieteen oliot ovat abstrakteja ja aistein havaitsemattomia tai niiden selittäminen muutoin kuin analogiaa käyttäen ei ole mahdollista. Kvanttifysiikassa mallit kuvaavatkin usein abstrakteja käsitteitä ja olioita, jotka voidaan havaita vain epäsuorasti (Johnston ym. 1998; Mashhadi & Woolnough 1999). Kvanttifysiikka itsessään sisältää lukuisia malleja, joten mallien malliluonteen ymmärtäminen nousee erityisen tärkeään asemaan. Esimerkkeinä eritasoisista malleista mainittakoon Einsteinin vuonna 1905 esittämä valokvanttihypoteesille perustuva valon rakenneosamalli (Pais 1982) ja Einsteinin 1916 tulkinta fotonista säteilykentän tilaa kuvaavana oliona (Pais 1982) sekä elektronin käyttäytymistä kuvaava de Broglien hypoteeseille nojaava aineaaltoteoria (de Broglie 1965) ja Bornin tulkinta (Born 1964).

Mallien merkitystä kvanttifysiikan oppimisessa ei ole tunnetusti tutkittu Eulerin ym. (1999) pilottitutkimusta lukuun ottamatta. Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella suoritetun tutkimustyön pohjalta näyttää kuitenkin siltä, että kvanttifysiikan opetuksessa hyvin keskeinen asema on selittävillä malleilla ja niiden episteemisen aseman ymmärtämisellä teorian kokonaisrakenteessa (Heikkinen 2005; Heikkinen & Koponen 2005). Tämän vuoksi mallien asema ja niiden konstruointi ovat opetuksen onnistumisen keskeisiä tekijöitä. Mallien ymmärtämisen ongelmiin voidaan pyrkiä vaikuttamaan käsittelemällä niitä korostetusti opetuksessa ja tekemällä eksplisiittiseksi niiden pätevyysalueet ja ominaisuudet (Duit 1991).

Oppijan hypoteettista, ymmärtämiseen tähtäävää, hermeneuttista oppimisprosessia esittää kuvio 4.1 (s. 67). Kurssin aikana oppijat analysoivat tiettyjen ilmiöiden kokeellisia tuloksia pyrkien ymmärtämään, miksi klassisen fysiikan teoriat ja mallit eivät pysty kattavasti selittämään tehtyjä havaintoja. Kokeellisista havainnoista liikkeelle lähtevä opetus voi tehdä kvanttifysiikan opiskelusta mielenkiintoisempaa ja helpommin omaksuttavampaa. Samalla oppijat joutuvat tarkastelemaan oman tietämyksensä syvyyttä ja laajuutta. (Asikainen 2003; Asikainen, Koponen & Hirvonen 2006b) Tämän tyyppisen menetelmän on todettu tekevän fysiikan oppimisesta mielekästä (Steinberg ym. 1996; Wittmann ym. 2002).

Oppijan klassista hypoteesia testatessaan kohtaama ristiriita ei välttämättä tarkoita kognitiivista ristiriitaa, vaan ristiriitaa klassiseen fysiikan teoriaan pohjautuvan ennusteen ja kvantti-ilmiöiden kokeellisten tulosten välillä. Kurssin opetuksessa pikemminkin pyrittiin rakentamaan uutta tietoa oppijoiden aiemmalle, opetettavan tiedon kanssa ristiriidattomalle tiedolle.

Kuvio 4.1. Oppijan hypoteettinen oppimisprosessi.

Kurssia varten laadittiin luentomoniste ja tehtävämateriaalia. Koska tutkimuksen tavoitteena oli oppimisprosessien seuraaminen kurssin kuluessa, luento- ja kurssimateriaalia ei jaettu etukäteen. Kurssia ei haluttu sitoa mihinkään oppikirjaan, vaan opiskelijoita kehotettiin tutustumaan eri oppikirjojen esityksiin sen sijaan, että he olisivat seuranneet vain yhtä oppikirjaa kurssin aikana. Kirjasidonnaisuus olisi myös vaikeuttanut valitun opetuksen lähestymistavan toteuttamista sellaisena kuin se oli suunniteltu. Kurssimateriaalin lähdeluettelo on löydettävissä liitteestä 6 (s. 254).

Vaikka kurssi tähtää kvantti-ilmiöiden käsitteelliseen hallintaan, kurssin sisällön teoreettinen hallinta on myös tärkeässä asemassa. Tavoitteena on, että oppija pystyy kuvaamaan kvanttifysiikan kehittymistä kokeellisen havaintojen kautta, pystyy selittämään tehdyt havainnot ja hallitsee niiden selittämiseen tarvittavan teorian.

4.1.3 Opiskelumenetelmät

Perinteiset yliopisto-opetuksen muodot, jotka usein keskittyvät tiedon toistamiseen, esittämiseen ja hallintaan, voivat tuottaa inerttiä tietoa, jota oppijat eivät pysty soveltamaan työelämän monimutkaisissa ongelmissa (Tynjälä 1999). Tähän epäkohtaan pyrittiin puuttumaan suunnittelemalla kurssin opetus luvussa II esitettyjen käsitteiden muuttumista edistävän opetuksen periaatteiden mukaiseksi.

Opetus rakentuu eri tyyppisille tehtäville: taustatehtäville, luentotehtäville ja kotitehtäville (kuvio 4.2), ja se käynnistyy tarkasteltavan ilmiön klassisesta taustateoriasta. Oppijoiden ennakkotiedon esille tuomiseksi ja aktivoimiseksi käytetään ilmiöiden klassiseen taustaan liittyviä käsitteellisiä taustatehtäviä, joita oppijat pohtivat pareittain tai kolmisin ennen aiheen varsinaista opetusta. Taustatehtävät käsitellään opetuksessa samalla tarpeen mukaan tietoa syventäen.

Klassiseen taustateoriaan perehtymisen jälkeen siirrytään luentotehtäviin, jotka on suunniteltu tietoa rakentaviksi: tehtäviä pohtimalla ymmärrys tarkasteltavasta aiheesta kehittyy vaiheittain. Kurssilla käytettyjen luentotehtävien pohjana toimivat Helsingin fysikaalisten tieteiden laitoksella kehitetyt kvalitatiiviset tehtävät (ks. Heikkinen 2005).

Luentotehtävissä tarkastellaan ilmiöön liittyviä kokeellisia tuloksia, jotka pyritään selittämään muodostamalla klassisen fysiikan mukainen ennuste. Verrattaessa muodostettua ennustetta ja kokeellisia tuloksia toisiinsa päädytään ristiriitaan, jolloin syntyy tarve uudelle tulkinnalle.

Kotitehtävissä opiskeltuja asioita tarkastellaan käsitteellisten ja laskutehtävien avulla.

Kuvio 4.2. Opiskelumenetelmät kurssilla (mukaillen Asikainen 2005, Asikainen ym. 2006b).