5-6 -LUOKKALAISTEN OPPILAIDEN KÄSITYKSIÄ MAGNETISMISTA JA KIINNOSTUNEISUUDEN YHTEYDESTÄ KÄSITTEELLISEEN MUUTOKSEEN Tapaustutkimus magnetismin oppimisesta intervention avulla
ITÄ-SUOMEN YLIOPISTO Filosofinen tiedekunta
Kasvatustieteen pro gradu -tutkielma Kesäkuu 2018
ITÄ-SUOMEN YLIOPISTO – UNIVERSITY OF EASTERN FINLAND Tiedekunta – Faculty
Filosofinen tiedekunta Osasto – School
Kasvatustieteiden ja opettajankoulutuksen osasto Tekijät – Author
Ollikainen, Samuli Työn nimi – Title
5-6 -luokkalaisten oppilaiden käsityksiä magnetismista ja kiinnostuksen yhteydestä käsitteelliseen muutokseen
Pääaine – Main
subject Työn laji – Level Päivämäärä
– Date Sivumäärä – Number of pages Kasvatustiede Pro gradu -
tutkielma x 1.6.2018 58
Sivuainetutkielma Kandidaatin tutkielma Aineopintojen tutkielma Tiivistelmä – Abstract
Käsitteellisellä muutoksella tarkoitetaan pysyvää oppimista, jolloin vanhat virheelliset arkikäsitykset muuttuvat tieteellisesti oikeiksi käsityksiksi. Aiempien tutkimusten perusteella käsitteellinen muutos voi tapahtua perusteellisen ja oikeanlaisen opetuksen jälkeen, ja kiinnostus asiaa kohtaan lisää käsitteellisen muutoksen tapahtumista.
Käsitteellistä muutosta on tutkittu suomalaisessa magnetismin opiskelussa toistaiseksi vähän.
Tässä tutkielmassa selvitettiin oppilaiden ennakkokäsityksiä magneeteista ja magnetismista, sekä tutkittiin millä tavoin käsitteellinen muutos ilmeni magnetismin oppimisessa opetusintervention jälkeen. Lisäksi tutkittiin kiinnostuksen yhteyttä käsitteelliseen muutokseen 5-6 -luokkalaisilla oppilailla. Tutkielman teoreettisena lähtökohtana olivat aiemmat tutkimukset magnetismin oppimisesta sekä käsitteellistä muutosta kuvaavat oppimisen teoriat. Tutkielman tutkimusote oli kvalitatiivinen.
Tutkielmassa analysoitiin kahdesta Itä-Suomalaisen koulun 5-6-luokasta kerättyä aineistoa. Aineisto koostui 39 oppilaan alku- ja loppumittauksesta, sekä viiden tunnin mittaisesta opetusinterventiosta mittausten välissä. Mittauksilla selvitettiin oppilaiden lähtötasoa magnetismista, sekä ennakkotietämystä. Mittari oli alku- ja loppumittauksessa sama, ja oli laadittu aiempia tutkimuksia mallintaen. Mittarit pisteytettiin, jonka perusteella oppilaiden vastaukset kategorisoitiin luokkiin oppimisen havainnoimiseksi. Opetusinterventiossa opiskeltiin magneettisia ilmiöitä viiden tunnin ajan tutkivan oppimisen avulla.
Tulosten mukaan oppilailla oli paljon erilaisia, osin virheellisiä käsityksiä magneeteista, sekä niiden toimintaperiaatteista. Käsitteellinen muutos ilmeni oppilaiden arkikäsitysten muuttumisella tieteellisimpään suuntaan, muttei tapahtunut kaikilla oppilailla täydellisesti. Kuitenkin merkittävää käsitteellistä muutosta tapahtui oppilaiden saamien pistemäärien perusteella lähes jokaisella oppilaalla, sillä vain muutama oppilaista jäi käsitteellisen muutoksen ulkopuolelle. Kiinnostuneisuuden yhteys käsitteelliseen muutokseen ilmeni innostuneisuutena opetustunneilla, motivoituneena vastaamisena alku- ja loppumittareihin, sekä esimerkiksi pidempinä vastauksina ja kysymysten esittämisenä. Kiinnostuneisuudella vaikutti olevan positiivisia vaikutuksia käsitteellisen muutoksen tapahtumiseen.
Avainsanat – Keywords
Ennakkokäsitys, magnetismi, oppiminen, opetus, käsitteellinen muutos, kiinnostuneisuus
ITÄ-SUOMEN YLIOPISTO – UNIVERSITY OF EASTERN FINLAND Tiedekunta – Faculty
Filosofinen tiedekunta Osasto – School
Kasvatustieteiden ja opettajankoulutuksen osasto Tekijät – Author
Ollikainen, Samuli Työn nimi – Title
5-6 -class student’s concepts about magnetism and how interest have share in conceptual change
Pääaine – Main
subject Työn laji – Level Päivämäärä
– Date Sivumäärä – Number of pages Kasvatustiede Pro gradu -
tutkielma x 1.6.2018 58
Sivuainetutkielma Kandidaatin tutkielma Aineopintojen tutkielma Tiivistelmä – Abstract
Conceptual change means shortly explained stable learning when student’s old, faulty concepts change to new, scientific ones. Grounding to previous study conceptual change can appear when students get right concepts thorough teaching and right methods. The interest of students in study seems to increase learning and that way makes it possible to gain conceptual change. Conceptual change in magnetism has been investigated poorly in Finland so far.
The purpose of is thesis was to examine student’s preconcepts about magnets, magnetism and which way conceptual change appear in student’s concepts after intervention of teaching. This thesis was also studying how 5-6-grade student’s interest about magnetism may increase chances for conceptual change. Theoretical framework of this thesis is from previous studies about studying magnets and theories about conceptual chance. This thesis was qualitative study.
Analysis of this thesis concern 39 students from two 5-6-grades in two Eastern Finland schools. Material was gathered during five normal school lessons and it has pre- and posttest with five lessons about magnets between tests. Pretests was created to explore student’s preconceptions about magnetism and posttest enabled to gain information about student’s conceptual change. Both tests had same questions. Tests were created by modeling previous studies. Tests were scored to compare them and then they were categorized to observe student’s learning. In intervention researcher taught students about magnets and magnetism for five hours with inquiry-based learning method.
According the results, students have a plenty of different and often faulty concepts about magnetism and how they work. Conceptual change revealed itself with student’s changing casual concepts for more scientific ones. Significant conceptual change occurred most of students, but conceptual change was – however uncomplete with some students. Interest association to conceptual change appeared enthusiasm for teaching, magnets and motivated answering to both tests. Also answers of those interested students were longer and they were willingly known more about magnets. Interest seems to affect positively to conceptual change.
Avainsanat – Keywords
Preconcept, magnetism, learning, teaching, conceptual change, interest
Sisällys
1 JOHDANTO ... 1
2 MIKSI MAGNETISMIA OPISKELLAAN? ... 3
2.1 Käsitteellisen muutoksen kognitiotutkimus ... 4
2.2 Mallit ja käsitteellinen muutos ... 6
2.3 Käsitteellinen muutos ja oppimisen motivaatio ... 8
3 MAGNETISMI KÄSITTEENÄ ... 11
3.1 Magnetismin käsite... 11
3.2 Magnetismin mallit ... 13
4 TUTKIMUSONGELMAT ... 17
Tutkimusongelmat ... 17
4.1 Tutkimuksen toteutus ... 18
4.1.1 Tutkimusjoukko ... 18
4.1.2 Tutkimusmenetelmät ... 18
4.1.3 Aineiston analyysimenetelmät ... 20
4.1.4 Tutkimuksen eettiset periaatteet ... 21
5 TUTKIMUKSEN TULOKSET ... 22
5.1 Millaisia käsityksiä lapsilla on magnetismista ennen opetusinterventiota? ... 22
5.2. Miten käsitteellinen muutos ilmenee opetusintervention jälkeen magnetismin oppimisessa? ... 28
5.3 Kiinnostuksen yhteys magnetismin käsitteelliseen muutokseen ... 37
6 POHDINTA ... 39
6.1 Tutkimustulosten tarkastelu ... 39
6.2 Tutkimuksen luotettavuus ... 42
6.3 Tutkimustulosten merkitys ... 44
Lähteet... 46
LIITTEET (2KPL) ... i
1 JOHDANTO
Monia ihmisiä ja useita sukupolvia ennen meitä on kiinnostanut magnetismin salaisuus.
Magnetismia on selitetty jo varhaisesta Kreikan filosofi Thales Miletuksesta 634-546 eKr.
lähtien. Magnetismia on siten tutkittu jo reilut 2500 vuotta, sitä on käytetty voimanlähteenä ja apuna navigoinnissa, mutta sen tutkimus on edennyt huimasti vasta viimeisen sadan vuoden aikana. (Stöhr & Siegmann 2006.) Magnetismi on keskeinen asia ymmärtää nykyihmisellekin. Ilmiönä se kiinnostaa kaikenikäisiä, mutta erityisesti lapsia. Magnetismi on tärkeä ilmiö, joka on syytä ymmärtää, sillä se vaikuttaa niin moniin asioihin maapallollamme, kuten esimerkiksi suojaa auringon haitallisilta hiukkasilta sekä kosmiselta säteilyltä, pitää kompassin toiminnassa ja ylläpitää elämää maapallollamme. Magneettikenttä auttaa myös eläimiä, kuten esimerkiksi kaloja suunnistamaan ja lintuja muuttamaan talveksi lämpimiin maihin. (Belova & Acosta- Avalos 2015; Trémolet 2005.)
Magneettisuus ja magneettiset voimat ovat tuttuja meille jokaiselle tavallisesta arjesta, mutta ilmiön tarkempi selittäminen jää unhoon monilta. (Bar, Zinn & Rubin 1997; Hickey
& Schibeci 1999; Maloney 1985.) Magneettiset ilmiöt tunnetaan ylipäätään melko huonosti, vaikka nykypäivän ihmiset tarvitsevat ilmiön aikaansaannoksia lähes koko ajan. Magneettisiin voimiin perustuvat paitsi kompassin toiminta, myös sähkömagneettinen induktio ja sitä kautta kaikki sähköllä toimivat laitteet, kuten kaiuttimet, kovalevyt, generaattorit, puhelimet, kamerat ja monet muut elektroniset laitteet (Trémolet 2005, 21, 25-27). Monet laitteet sisältävät magneetteja komponenteissaan ja hyödyntävät niitä toiminnassaan. Yhtenä tunnetuimmista välineistä voidaan pitää kompassia, sillä se on itsessään pieni magneetti, joka vapaasti kelluen asettuu maan magneettikentän suuntaisesti. Magnetismia on selitetty aikoinaan taikuudella tai noituudella. Vielä ollaan kuitenkin vasta perehtymässä aiheeseen, sillä nykypäivän ihmiselläkin on vaikeuksia vastata kysymykseen, miksi magneetti
houkuttaa rautaa puoleensa. (Stöhr & Siegmann 2006.) Magnetismia aikoinaan tutkinut Thales Miletus huomasi magneettisen malmin, magnetiitin houkuttavan rautaa puoleensa (Stöhr & Siegmann 2006).
Tässä tutkielmassa on tavoitteena selvittää, miten lapset ymmärtävät magnetismin käsitteen ja kuinka se muuttuu opetusintervention aikana. Selvitän myös lasten kiinnostuneisuutta magnetismista, sekä sen yhteyttä oppimiseen. Tutkielmani pohjautuu olettamukselle, että magnetismia opetetaan edelleen perusopetuksen alaluokilla liian vähän. Esimerkiksi opetushallituksen julkaisemassa opetussuunnitelman perusteissa kerrotaan magnetismia opetettavan seitsemännellä luokalla (Opetussuunnitelman perusteet 2014). Aihetta sivutaan alakoulussa myös ainakin kuudennella luokalla, ja samassa yhteydessä opiskellaan kompassin toimintaa.
Bradamante ja Viennot (2007, 350) ovat esittäneet, että oppilailla ei juurikaan ole käsitystä magneetin ominaisuuksista, magneetin sisäisestä rakenteesta tai magneettikentän monipuolisesta hyödyntämisestä ja mallintamisesta. Kuten ei juuri muunkaan ikäisillä ihmisillä, tai ainakaan siitä ei juuri ole tutkittua tietoa (Haupt 1952;
Hickey & Schibeci 1999; Maloney 1985). Pienellä lapsella on kuitenkin joku käsitys magneettikentästä, mistä on mainittu useissa tutkimuksissa (Bar ym. 1997;
Bradamante & Viennot 2007). Pieni lapsi pystyy magneetilla leikkiessään havainnoimaan magneetin voimat, sekä sen, että se jollakin tapaa vaikuttaa toisiin magneetteihin ja tiettyihin metalleihin (Bradamante & Viennot 2007). Ymmärrys saattaa jäädä kuitenkin helposti arkisien kokemuksien varaan, sillä lapsi ei välttämättä osaa yhdistää magneetin napojen erilaisuutta tai erilaisten metallien ominaisuuksia siihen, ettei magneetti ”toimi oikein” kun se hylkiikin muita magneetteja toisinpäin käännettynä. Näinpä magneetin syvin olemus jää monelta pienen lapsen lailla piiloon.
(Haupt 1952; Bradamante & Viennot 2007) Tutkimusten mukaan yliopistotason opiskelijoillekin magnetismin tarkka tuntemus on vierasta, eikä esimerkiksi magneetin kenttää osata erottaa magneetin voimasta (Guisasola, Almudi & Zubimendi 2003;
Raison & Viennot 1992). Myös käsitykset magneettikentästä vaihtelevat (Bradamante &
Viennot 2005; Törnqvist ym. 1993). Mikä on magneettinen voima, mihin se perustuu?
Kysymys on edelleen monille ihmisille vaikea vastattava.
2 MIKSI MAGNETISMIA OPISKELLAAN?
Miksi magnetismia opiskellaan? Magneetit ovat tavattoman mielenkiintoisia (Hickey &
Schibeci, 1999). Magnetismia on useiden tutkimusten mukaan tutkittu varsin vähän.
(Hickey & Schibeci 1999; Maloney 1985; Haupt 1952.) Opetuksen perustiedot, kuten oppimisesta oppiminen on jokaiselle opettajalle jatkuva pohtimisen ja oppimisen aihe.
Tutkielmani tavoitteena on ottaa selvää oppilaiden ehkä virheellisistäkin käsityksistä magneettien suhteen. Aiemmissa tutkimuksissa on tutkittu paljon korkeakoulutasolla olevien opiskelijoiden käsityksiä magneeteista. (Cheng & Brown 2015; Guisasola ym.
2003; Saarelainen, Laaksonen & Hirvonen 2006; Taşoğlu & Bakaç, 2014.) Haluaisin myös tietoa siitä, millaisia käsityksiä lapsilla liittyy magnetismiin, mitä he tietävät aiheesta ennalta, sekä millaisia ajatuksia heille tulee saatuaan opetusta aiheeseen liittyen. Myös magneetin sisäiset rakenteet otetaan huomioon tutkimuksessa, eli miltä magneetista tehty malli näyttää sisältä katsottuna? Millainen on magneetin aikaansaama voimakenttä lapsen silmin? Saatua tietoa voidaan hyödyntää opetuksen kehittämisessä, sekä oppilaiden ymmärryksen syventämisessä.
Tämän tutkielman onkin tarkoitus hyödyttää opettajia oppimateriaalin suunnittelussa ja opetuksen kohdentamisessa esimerkiksi siinä, kuinka lapset ymmärtävät magnetismin käsitteen. Lasten käsitykset voidaan oletettavasti jakaa muutamiin peruskäsityksiin, jotka vaikuttaisivat olevan yleismaailmallisia ja kaikille ryhmille samoja.
2.1 Käsitteellisen muutoksen kognitiotutkimus
Kerro minulle, niin unohdan, opeta minua niin muistan, osallista minut, niin opin.
- Benjamin Franklin 1706-1790 –
Tässä luvussa tarkastelen käsitteellistä muutosta, magnetismia osana fysiikan opiskelua ja magnetismin malleja ja mallintamista. Tiede on abstraktia, irrallaan arjesta. Tieteen tuottamiseen ja oppimiseen tarvitaan erityisjärjestelyjä toisin kuin tavallisen, arkisen tiedon omaksumiseen. Tieteelliset käsitteet perustuvat ideoihin ja abstrakteihin käsitteisiin, eikä niitä välttämättä voi suoraan havainnoida ja siten ymmärtää.
(Lehtinen, Kuusinen, Vauras 2007.) Tieteen yksi perustavanlaatuisista eroista arkitietoon nähden on sen puolueettomuus, tarkkuus, sekä rakenne (Hestenes 2015,1- 2). Tieteellisten käsitteiden oppiminen ei siis ole itsestään selvää tai arkeen sidottua.
Käsitteellinen muutos tarkoittaa lyhyesti arkiolettamusten muuttumista tieteellisiksi käsityksiksi oikeiden tieteellisten käsitteiden avulla samalla, kun vanhat arkikäsitykset kumoutuvat (Lehtinen ym. 2007). Opetussuunnitelman perusteissa (2014, 245) kuvataan oppilaan oppimistavoitteita, kuten käsitteiden harjoittelua ja kehittymistä, sekä mallien käyttöä alakoulussa. (Opetushallitus 2014, 245)
Käsitteellinen muutos on ollut jo useita vuosikymmeniä esillä tieteellisessä kirjallisuudessa (Lehtinen ym. 2007; Treagust & Duit 2008; Vosniadou 1994a, 2007).
Siitä tuli tarkastelun kohde jo 1980-luvulla, kun alettiin tarkastella lähemmin tieteellisten käsitteiden oppimista. Käsitteellistä muutosta kuvataan paljon teorioilla, joita ovat muun muassa (Carey & Spelke 1994 169-170; diSessa & Sherin 1998; diSessa Gillespie, & Esterly 2004, 844-846; Dega, Kriek, & Mogese, 2013; Pintrich 1999, 2000 Vosniadou 1994a & b).
Käsitteellisessä muutoksessa oppilaiden aiemmat vaihtoehtoiset käsitykset tarkentuvat tai muuttuvat tieteellisiksi näkökulmiksi. (Vosniadou 2007; diSessa & Sherin 1998, 1160-1162.) Vosniadou toteutti kuuluisan tutkimuksen käsitteellisestä muutoksesta Brewerin kanssa vuonna 1992. Tutkimuksessaan he opettivat lapsille maan muodon olevan tieteellisen käsityksen mukaan pallo lasten oman, litteän arkikäsityksen sijaan.
(Vosniadou & Brewer 1992.) Käsitteellisellä muutoksella tarkoitetaan siis opetettavan vaihtuvaa ymmärrystä jonkin asian suhteen (Sinatra & Pintrich 2003, 376). Esimerkiksi lapsi, joka ymmärtää eläimen hankkivan ruokansa syöden ja juoden, yhdistää sen virheellisesti arkikokemustensa perusteella myös kasveihin: ”vesi on kasvin ruokaa”.
Käsitteellinen muutos tapahtuisi esimerkkitapauksessa silloin, kun lapsi ymmärtäisi kasvin saavan ravintonsa fotosynteesin avulla, täysin eri tavalla kuin eläin. (Mikkilä-
Erdmann 2001, 246.) Käsitteellistä muutosta voidaan helpottaa esittämällä asiat analogioina, eli rinnastamalla opiskeltava asia johonkin toiseen, samankaltaiseen asiaan. Analogioita magnetismin opetuksessa ovat hyödyntäneet esimerkiksi Lemmer ja Morabe (2017). Metakäsitteellinen tietoisuus on hiljattain vakiintunut käsite, joka kuvaa oppijan tietoisuutta omista virheellisistä käsityksistään sekä niiden rajoituksista uusien käsitysten oppimisessa (Lehtinen ym. 2007, 139).
Käsitteellisen muutoksen opetuksessa lasten käsityksiä on selvitetty siten, että he saavat esittää ja tutkia omat käsityksensä tutkittavasta aiheesta (Bruce & Kopnicek 1990, 680-684). Esimerkiksi O’Brien opetti vuonna 1990 oppilailleen lämmön käsitettä siten, että antoi oppilaiden mitata ”kuumia vaatteitaan” lämpömittarilla ensin yön yli (Bruce & Kopnicek 1990, 680-684). Kun oppilaat luulivat lämmön kohoavan hatussa, matossa ja puserossa yli kahdensadan asteen, he pettyivät havaitessaan lämpötilan pysyneen ennallaan huoneenlämpöisenä. Koe toistettiin paranneltuna, jolloin kukin koeasetelma oli paranneltu siten, ettei kylmä ilma päässyt vaatteisiin sisään. Tulosten ollessa samat kuin edellä oppilaat hämmentyivät, mutteivat suostuneet uskomaan lämpömittarin lukemia, vaan ajattelivat sen olevan esimerkiksi rikki. Tässä havaitaan lasten virheellinen käsitys lämpötilasta. Opettaja jatkoi kuitenkin opetustaan ja yhdisti uudet, oikeat käsitteet lasten arkielämään. O’Brien salli oppilaiden tehdä ennustuksia, eli hypoteeseja siitä, mitä tulee tapahtumaan. Johdonmukaisuutta korostetaan käsitteellisen muutoksen edetessä. Vanha käsitys haastetaan uudella ja ilmiötä selitetään, oikeat käsitteet ovat tärkeitä, samoin johdonmukainen vanhojen käsitteiden raivaaminen uusien tieltä selkeällä testauksella, jolloin uusi käsitys korvaa vanhan.
Käsitteiden ristiriita aiheuttaa lisää koeasetelmia, jolloin uusi käsitys täydentyy.
Huomattavaa on, että käsitteellinen muutos vaatii kognitiivista pohdintaa ja konstruktivistisia opetusmenetelmiä. Käsitteellinen muutos on pitkä prosessi, jossa omaa käsitystään testataan jonkinlaisella koeasetelmalla. Tällöin oppilas kumoaa itse edellisen käsityksensä todeten sen vääräksi kokeidensa perusteella ja luo hiljalleen uuden teorian. Teorian keksimistä voidaan helpottaa esimerkiksi antamalla oppilaalle joitakin väitteitä, joiden joukosta hän valitsee itse, mikä kuvaa parhaiten hänen käsitystään asiasta. (Bruce & Kopnicek 1990.) Myös Carey (1999) tutki oppilaidensa käsitteellistä muutosta testaamalla massan ja tilavuuden suhdetta siten, ymmärtääkö oppilas niitä vertaamalla tiheyden käsitteen.
Käsitteellinen konflikti on käsitteellisen muutoksen läheinen käsite. Useissa tutkimuksissa on havaittu, ettei fysiikan oppimisessa yksistään perinteisellä opetuksella saada aikaiseksi käsitteellistä konfliktia ja siten syvempää oppimista (Dykstra, Boyle &
Monarch. 1992). Käsitteellisellä konfliktilla tarkoitetaan yleisesti ristiriitaa uuden
oppimisessa, jolloin vanha virheellinen käsitys on riidassa uuden, tieteellisesti oikean käsityksen kanssa. Termistä käytetään toisinaan nimitystä kognitiivinen konflikti, jolloin se liittyy laajempiin kognitiivisiin prosesseihin. (Lehtinen ym. 2007; Vosniadou 1991;
Diakidoy & Kendeou 2001.)
2.2 Mallit ja käsitteellinen muutos
Tässä luvussa tarkastellaan oppimisen näkökulmasta oleellisia malleja, joiden avulla voidaan paremmin ymmärtämää oppilaiden ajatuksia. Malleja on erilaisia, joista olen rajannut tärkeimmät ja joista selitän tämän tutkimuksen kannalta olennaisimmat.
Mallilla kuvataan sellaista asiaa tai ilmiötä, joka on helpompi ymmärtää yksinkertaistetun mallin avulla. (Hestenes 1987,4; Waltner, Heran-Doerr, Rachel &
Wiesner 2011, 259.) David Hestenes aloitti mallien hyödyntämisen fysiikassa noin kolmekymmentä vuotta sitten ja hänen mukaansa malli on suurpiirteinen esine, joka havainnollistaa kohdetta tehden sen eri osat helposti hahmotettavaksi (Hestenes 1987,4-5). Harrisonin ja Treagustin (2000) sekä Saaren ja Viirin (1998, 12) mukaan kaikilla malleilla ei voi esittää samaa asiaa kaikille ikäryhmille, ja kaikki mallit sisältävät omat rajoituksensa. (Saari & Viiri 1988; Harrison & Treagust 2000, 1022) Voitaisiin siis ajatella mallin olevan yhtäältä todellisuutta, mutta toisaalta muunnos siitä. Mallin avulla voi hälventää todellisuuden rajaa ja saada mallinnuksen kohteen näyttämään yksinkertaisemmalta kuin mitä se todellisuudessa on. Mallin tarkoitus onkin havainnollistaa ja yksinkertaistaa tutkittavaa kohdetta. (Saari 2000, 32.) Malli auttaa ymmärtämään todellisuuden asioita ja ilmiöitä tuomalla ne helpommin ymmärrettävään muotoon. Mallin tehtävänä on myös tuoda ihmissilmälle näkymättömät ilmiöt nähtäviksi ja helposti hahmotettaviksi (Harrison & Treagust 2000, 1022). Malli toimii analogiana, joka yksinkertaistaa kohdetta, ja saa sen vaikuttamaan helposti ymmärrettävältä (Lemmer & Morabe, 2017,1-2) Monista malleista on hahmoteltu ymmärrettäväksi myös oppilaan omia, sisäisiä malleja, joita on kolmenlaisia, spontaani- mentaali- ja opetusmalli.
Spontaani malli Limónin mukaan Piaget ajatteli spontaanien mallien olevan ensimmäinen askel käsitteellisen muutoksen prosessissa. (Piaget Limónin 2001, 359) mukaan. Oppilaalla on aina olemassa joitakin, usein virheellisiä käsityksiä käsiteltävänä olevasta asiasta, mikäli se on arjesta tuttu. Spontaanit mallit ovat toisaalta hyvä oppimisen apuväline oikein hyödynnettävä, mutta saattavat helposti johtaa oppijan harhaan ilman kunnollista ohjausta (Akpınara, Erol & Aydoğdu 2009; Aslan &
Demircioğlu 2014, 3118). Spontaanin mallin hyväksyminen ja sen hyödyntäminen oppimisessa auttaa luomaan oppilaalle käsitteellisen konfliktin, joka puolestaan auttaa oppilasta käsitteellisen muutoksen syntymisessä. (Limón 2001, 359.) Spontaani malli pohjautuu konstruktivismin periaatteeseen, jossa uutta tietoa rakennetaan ikään kuin palikoista vanhan tiedon päälle (Haapasalo 1997). Vosniadoun mukaan lapsi yhdistelee ja ymmärtää asioita siten eri tavoin rakentaen tiedolle uusia yhteyksiä ja oppien aina uutta (Vosniadou 2007, 59). Pieni lapsi saattaa esimerkiksi spontaanisti ajatella hyttysen olevan ötökkä. Käsitteellisen muutoksen tapahduttua lapsi osaa tarkentaa
”ötökän” olevan hyttynen. Spontaanit mallit ovat siis lapselle ominainen tapa kuvata maailmaa omista lähtökohdista käsin (Vygotsky 1934/1986 Nelsonin 1995, 229-231 mukaan).
Mentaalimalli määritellään sellaiseksi mentaaliseksi esitykseksi, joka ei välttämättä ole teknisesti oikea, mutta joka toimii (Norman 1983, 7-8). Harrison ja Treagust (2000,1017) viittavat Klinen 1985 julkaistuun tutkimukseen, jonka mukaan mentaalimallia ei ole tarkoitettu visualisoitavaksi, sillä se rakentuu aineksista, joita on vain ihmisaivoissa (Kline, Harrisonin & Treagustin 2000, 1017 mukaan). Mentaalimalli eli ajatusmalli on siis kullekin ajattelijalle omanlaisensa esitys, tapa hahmottaa tietty asia. Tämän takia mentaalimalli on epätäydellinen, ja aina erilainen. Mentaalimaleille on yhteistä niiden epävakaus, ne muuttuvat ajan kuluessa ihmisen unohtaessa asioita ja oppiessa uutta, sekä sekoittaessa eri asioita toisiinsa. Mentaalimalleja on hankala tutkia, sillä ne yleensä muuttuvat erilaisiksi vaikkapa paperille piirrettyinä. Muuttuminen johtuu siitä, ettei niitä voi visualisoida täysin samanlaisina, kuin ne ovat aivossa ajatuksina.
(Norman 1983; Kline, 179 Harrisonin ja Treagustin 2000) mukaan. Ennakkotieto voidaan katsoa liittyväksi mentaalimallin ja skeeman käsitteisiin, ja sillä viitataan jo oppilaalla olevaan tietoon eli siihen, mitä hän tietää aiheesta jo ennalta, ennen varsinaista opetusta. (Lehtinen ym. 2007, 97-99.)
Skeemalla tarkoitetaan yleistynyttä mielen rakennetta, eli toisin sanoen mentaalisia representaatioita tai sisäistä mallia, mentaalimallia. Jo filosofi Immanuel Kant havaitsi skeemojen olemassaolon ja totesi, etteivät ihmisen puhtaat havaintokäsitteet perustu varsinaisiin fyysisiin kuviin esineistä, vaan skeemoihin eli mielikuviin. Ajatus skeemasta perustuu olettamukselle, jonka mukaan samasta skeemasta voidaan tuottaa erilaisia esineitä, jotka mahtuvat samaan kategoriaan. (Kant, Lehtisen ym. 2007 mukaan.) Kant selitti skeeman konstruktioprosessina tai syntetisointisääntönä, jolloin sen avulla voitaisiin esimerkiksi tuottaa ja tunnistaa useita erilaisia kolmioita yhden ainoan perusteella (Kant Lehtisen ym. 2007 mukaan.) Ulric Neisser määrittelee skeeman havaintotapahtuman osaksi, jolloin kokemus voi muuttaa skeemaa itseään. Neisserin
(1981,51) mukaan skeema ohjaa käyttäytymistä ja mukautuu ulkoisten tapahtumien vaikutuksesta. ”Vaikka havaitseminen ei muutakaan maailmaa, se kuitenkin muuttaa havaitsijaa …” (Neisser 1981,51.)
Erityisesti tieteellisten käsitteiden kuvaamiseen käytetään käsitettä mentaalinen malli.
(Norman 1983, 8-9.) Mentaaliselle mallille ei ole varsinaisesti yhtä määritelmää, sillä nimitetään useita mielen prosesseja, joilla kuvataan laajoja kognitiivisia skeemoja ja uskomuksia. Mentaalisten mallien tuntemus on hyödyllistä varsinkin, kun kuvataan laajoja esityksiä mielen prosesseista, kuten arkipäivän kokemuksia. Kuitenkin mentaaliset mallit ovat epätäydellisiä kokonaisuuksia arjen tilanteista, juuri siksi ne ovatkin niin hyödyllisiä nykytutkimukselle, koska ne selittävät ihmisen epäloogista ajattelua. (Norman 1983, 9-11; Lehtinen ym. 2007.)
Opetusmalli on opetettavasta aiheesta rakennettu, yksinkertaistettu malli.
Opetusmallin ongelmana saattaa olla liian yksinkertaistettu versio asiasta, esimerkkinä kemian atomit, jotka esitetään usein palloina ja sidokset niihin liittyvinä tikkuina (Harrison & Treagust 2000, 1014). Liian yksinkertaistettu malli saattaa lisätä virheellisiä käsityksiä ja hankaloittaa siten oppimista ja ilmiön todellista ymmärtämistä. (Borges ym. 2011, 375; Harrison & Treagust 2000, 1022; Lemmer & Morabe 2017,1-2.)
Ilmaistu malli voi olla erilainen, kuin oppilaan mentaalimalli. Harmoisen tutkimuksen (2013, 24–26) mukaan malli voidaan ilmaista esimerkiksi piirtäen tai kirjoittaen.
Toisaalta malli voidaan ilmaista myös sanallisesti, esimerkiksi kertomalla ajatuksensa toisille. Ilmaistu malli voi erota oppilaan mentaalimallista siksikin, ettei hänellä välttämättä ole ilmaisuun riittäviä resursseja, tai hän ei välttämättä kykene hahmottamaan asiaa kunnolla muuten kuin ajatuksissaan olevassa mentaalimallissa.
(Harmoinen, 2013, 24-26) Tästä johtuu usein arkielämässäkin tuttu sanonta ”en osaa selittää”.
2.3 Käsitteellinen muutos ja oppimisen motivaatio
Mallien lisäksi käsittelen käsitteellisen muutoksen syntymisen ymmärtämisessä motivaatiota, josta käytän tässä tutkielmassa sanaa kiinnostuneisuus. Motivaatiolla tarkoitetaan kiinnostusta kulloinkin käsiteltävään asiaan, ja se voidaan määritellä oppijan sisäiseksi tilaksi, joka saa toiminnan aikaan, ohjaa ja ylläpitää sitä (Lehtinen ym. 2007, 177-179). Motivaatio määrittää sen, kirjoittaako oppija opinnäytetyötä, askarteleeko hän muiden asioiden parissa tai lähteekö hän mieluummin ulos.
Motivaatiota on erilaista, kuten sisäinen- ulkoinen ja oppimiskohtainen motivaatio (Lehtinen ym. 2007, 179-182). Pintrich, Marx ja Boyle (1993) liittivät motivaation käsitteen käsitteellisen muutoksen teoriaan myöhemmin, kun havaitsivat sen unohtuneen kokonaan tai jääneen ainakin vähemmälle huomiolle aiemmissa tutkimuksissa (Pintrich ym. 1993). Oppilaiden kiinnostuneisuus liittyy luonnollisena osana oppimiseen ja siten myös käsitteellisen muutoksen tapahtumiseen.
Motivoitunutta oppilasta aihe kiinnostaa, ja hän jo alkujaan paremman tietämyksensä kautta pystyy omaksumaan enemmän kuin aiheeseen välinpitämättömämmin suhtautuva oppija (Sinatra 2005, 109). Motivaatio voi muuttua oppimisen edetessä, ja motivaatioteorioita onkin lukuisia, jopa parikymmentä. Lukuisten motivaatioteorioiden lähempi tarkastelu jää vähemmälle huomiolle tässä tutkimuksessa muun muassa niiden käsitteiden päällekkäisyyksien vuoksi. Pintrich ja deGroodt (1990) tutkivat motivaation vaikutusta oppimiseen ja havaitsivat, että motivoitunut oppilas arvostaa työskentelyään enemmän ja siten oppii paremmin (Pintrich & deGroodt 1990, 34). Samoin Pintrich kollegoineen (Pintrich ym. 1993) ehdotti, että motivaatiota tulisi pitää ehdottoman tärkeässä asemassa käsitteellisen muutoksen tapahtumiseksi.
Motivaation ohella olennaista on tarkastella oppijan minäpystyvyyttä samalla, kun tarkastellaan oppijan oppimista ja käsitteellistä muutosta. Banduran (2001) tutkiman sosiaalisen käyttäytymisen tutkimus luo pohjaa minäpystyvyydelle. Ihmisen käsitys itsestään ja omista valmiuksistaan määrittelee osaltaan ihmisen kykyjä ja motivaatiota erilaisiin asioihin. Kyky oppia uusi kieli tai vaikeita fyysisiä liikkeitä sisältävä harrastus voi olla toiselle helppoa ja toiselle tavattoman vaikeaa. Bandura (2001, 2015) viittaa näillä uskomuksilla käsitteeseen self efficacy, joka on vakiintunut suomennettuna käsitteisiin minäpystyvyys tai tehokkuususkomus. (Bandura 2001, 10; 2015, 1028- 1029; Lehtinen ym. 2007, 192-194.) Lehtisen ym. (2007) mukaan Bandura ajattelee sosiaalisen oppimisen vaikuttavan minäpystyvyyden kokemukseen. Ihminen osaa paremmin asiat, joissa muut pitävät häntä hyvänä ja karttaa helposti asioita, joissa toiset pitävät häntä heikkolahjaisena. (Bandura 1989, 1997, Lehtisen ym. 2007, 192- 194) mukaan.
Minäpystyvyys vaikuttaa siis niihin käsityksiin, joissa ihminen kokee olevansa hyvä, joista hän pystyy suoriutumaan. Pintrich (1999) tunnisti motivaation yhtenä tärkeimmistä tekijöistä minäpystyvyyden käsitteessä. Pintrich on myös tutkinut kollegoineen käsitteellistä muutosta ja havainnut motivaation olevan siinäkin olennainen osa. (Pitrich 1999, 462; Pintrich & deGroodt 1990; Pintrich ym. 1993) Pintrich (2000) kuvaa tutkimuksessaan kaksi motivaation tasoa, joista ensimmäinen, lähestymisorientaatio kuvaa hyvää oppijaa, joka yrittää suoriutua kaikesta parhain
arvosanoin ja oppia uutta. Vastaavasti välttämisorientoitunut oppija yrittää opiskella vain sen verran, ettei ole kaikkein huonoin opiskelija ja pääsee kohtuullisille arvosanoille. (Pintrich 2000,100)
3 MAGNETISMI KÄSITTEENÄ
Tässä luvussa selvitetään magnetismiin ja magnetismin malleihin liittyviä käsitteitä.
Magnetismiin ja sen mallintamiseen liittyy luonnollisesti paljon käsitteitä. Osa käsitteistä on varsin loogisia, osa abstraktimpia, kuten tieteessä ylipäätään. Ensiksi selvennetään, mitä magnetismi itsessään on.
3.1 Magnetismin käsite
Magnetismilla tarkoitetaan arkikielessä usein kaikkea, mikä liittyy magneetteihin tai magneettisiin ilmiöihin. Magnetismia on kolmenlaista: ferromagneettinen, paramagneettinen ja diamagneettinen. Ferromagneettinen magnetismin muoto on yleisimmin tunnettu ja tarkoittaa tavallisen magneetin veto- ja hylkimisvoimaa. Kun tällainen kappale poistetaan ulkoisesta magneettikentästä, siinä säilyy vielä jonkin aikaa magneettisuutta, ellei se ole itsessään kestomagneetti. Esimerkiksi magnetiitti on ferromagneettinen aine, samoin rauta. Magneettisuus siis säilyy ferromagneettisessa materiaalissa toisin kuin paramagneettisessa kappaleessa. Paramagneettinen kappale ei taas hylji ollenkaan. Esimerkiksi mineraalit ilmeniitti FeTiO₃, sideriitti FeCO₃ ja kaikki ferromagneettiset silikaatit, kuten oliviini (Mg,Fe)₂SiO₄ ovat paramagneettista ainetta.
(Trémolet 2005, 397.) Diamagneettinen kappale pyrkii aina hylkimään ulkoista magneettikenttää, mikä ilmenee käytännössä ikään kuin aineen liukkautena magneetin alla. Diamagneettisia aineita ovat esimerkiksi pyrolyyttinen hiili, vismutti ja kupari.
Diamagneettisella aineella ja voimakkaalla magneetilla on mahdollista toteuttaa jatkuvasti leijuva, levitoiva rakennelma. Myös suprajohteet ovat voimakkaasti diamagneettisia. Suprajohteita löytyy paljon yksinkertaisista alkuaineista, pois lukien
magneettiset, jalot- ja alkalimetallit, usein kuitenkin suprajohteet ovat metallittomia yhdisteitä ja lejeerinkejä. (Trémolet 2005, 251.)
Magneetti on kappale, jonka ympärillä on magneettikenttä, joka vetää puoleensa rautaa, muita magneettisia metalleja tai mineraaleja sisältäviä kappaleita. Magneetin ominaisuuksia on edelleenkin vaikea selittää, vaikka sitä on tutkittu satoja vuosia.
Filosofi Thales Miletus selitti reilu 2500 vuotta sitten hematiitin palasen avulla magneetin olevan rautaa puoleensa vetävä kappale. (Stöhr & Siegmann 2006.) Maapallo itsessään on suuri magneetti, mutta myös luonnosta löytyy magneetteja, kuten rautapitoista, oksideista muodostunutta kiveä, jota kutsutaan joko hematiitiksi α-Fe₂O₃, maghemiitiksi γ-Fe₂O₃, magnetiitiksi Fe₃O₄ tai englanniksi lodestoneksi. (Maxwell & Pickart 1954;
Trémolet 2005, 394-395.)
Magneetti valmistetaan tavallisimmin ferriiteistä XO-6Fe₂O₃, eli raudan oksideista ja joistakin raskaista alkuaineista, kuten kaavassa X= bariumista tai strontiumista (Trémolet 2005, 18). Yleisimmin teollisuudessa käytetyt ferriitikompleksit ovat NiₓZn₁₋ₓFe₂O₄ ja MnₓZn₁₋ₓFe₂O₄. Ferriitit ovat halpoja kompensoiden verrattain heikkoa magneettista voimaa. Ne ovat lisäksi kovaa ainetta, mutta siksi hauraita iskuille, toisaalta magneettisuus säilyy myös pienissä paloissa. Ferriittimagneetit kestävät korroosiota hyvin, koska ovat itsessään oksideja. Ferriitit ovat heikoimpia magneettisilta ominaisuuksiltaan, mutta silti ne kattavat yhä noin 90% kaikista maailmassa myydyistä magneeteista, vaikka ne keksittiin jo 1950-luvulla. Ferriittimagneettien koersiviteetti eli magneettisuuden pysyvyys ulkoisen magneettikentän poistuttua on suhteellisen hyvä, samoin lämmönkesto, noin 200°C mikä tekee niistä monikäyttöisiä. (Trémolet 2005, 3- 18, 25-26, 112.) Ferriiteillä on paljon hyviä ominaisuuksia, mutta vastapainoksi niiden magneettisuus hiipuu ajan myötä. Magneetti voidaan myös valmistaa erilaisista alkuaineiden yhdistelmistä, kuten NdFeB, AlNiCo tai SmCo⁵, SmCo¹⁷, sekä SmCoFeCuZn. (Rossignol & Yonnet 2005; Trémolet 2005, 24-27.) Uusi tehokas tekniikka neodyymirautaboorimagneettien valmistuksessa on hiljalleen syrjäyttämässä kalliit samariumkobolttimagneetit, joilla on vielä paikkansa korkean lämmönkestävyytensä jopa 150-200°C ja pysyvämmän magneettisuutensa, koersiivisuutensa ansiosta. Samariumkobolttimagneetti keksittiin 1960-luvulla ja paranneltiin 1970-luvulla, mutta sen hintaa nostaa harvinaisen siirtymämetallin, koboltin kova maailmanmarkkinahinta. Sen hyviin ominaisuuksiin kuuluu kuitenkin kestävä magneettisuus, jota on erittäin vaikea poistaa. (Trémolet 2005, 26.) NdFeB- magneetit keksittiin 1980-luvulla, mutta nykyään nämä magneetit voidaan valmistaa uudella tekniikalla eri tavoin ja saada siten halvempia, pienempiä, mutta silti vahvempia magneetteja kuin ferriitit, mikä tekee niistä ensi kertaa kilpailukykyisen vastustajan
ferriittimagneettien rinnalle. NdFeB magneetit ovat alttiina korroosiolle, mikä tekee niiden pinnoittamisesta välttämätöntä. AlNiCo magneetit keksittiin 1930-luvulla, ja ovat materiaaliensa vuoksi verrattain kalliita, mutta ne kestävät lämpöä Samariumkobolttimagneetteja enemmän, jopa 450-500°C ja ovat rakenteeltaan kestävimpiä magneetteja, vaikkakin niiden huono koersiivisuus eli magneettisten ominaisuuksien pysyvyys ilman ulkoisesta magneettikenttää heikentää niiden laajempaa käyttöä. (Trémolet 2005, 24-27.)
Magneettisten ominaisuuksiensa ansiosta magneetti paitsi vetää, myös hylkii toisia magneetteja (Waltner, ym. 2011, 259). Magneetilla on aina (ainakin ennen monoliitin keksimistä ollut) kaksi napaa, pohjois- ja etelänapa, joita kutsutaan myös kohtioiksi.
Magneetin vuorovaikutus toisiin magneetteihin tai esimerkiksi rautaa sisältäviin esineisiin perustuu magneetin sisärakenteeseen, pieniin alkeismagneettialueisiin,
’domain’, jotka ovat järjestäytyneet pohjois- ja eteläkohtioiden mukaan. (Waltner ym.
2011, 260-261; Trémolet 2005.)
3.2 Magnetismin mallit
Maan magneettikenttä muodostuu sulan raudan aaltoillessa maankuoren alla. Maata voisikin kuvata dynamoksi, joka tuottaa liikkeellään magneettikentän. (Trémolet 2005, 415.) Maapallolla on kaksi napaa, pohjois- ja etelänavat. Näitä maantieteellisiä napoja vastaavat magneettiset pohjois- ja etelänavat, jotka ovat päinvastaiset kuin maantieteelliset navat, eivätkä magneettiset navat sijaitse aivan navoilla, vaan ne liikkuvat koko ajan. Näin ollen magneettinen pohjoisnapa sijaitsee lähellä maantieteellistä etelänapaa ja magneettinen etelänapa vastaavasti lähellä maantieteellistä pohjoisnapaa. Magneetin pohjoiskohtio magnetisoituu näin osoittamaan pohjoiseen, kohti magneettista etelänapaa. Myös arkielämästä tutun kompassin suunnannäyttö perustuu tähän magneettisuuden ilmiöön, koska kompassin neula on magnetisoitunut ja se kääntyy maan magneettikentän mukaisesti osoittamaan pohjoiseen. (Waltner ym. 2011, 261.)
KUVIO 1. Magneettikenttä ylhäältä kuvattuna. (Thompson S. P. -Dynamo-Electricity Machinery 1888/2011, 27)
KUVIO 2. Magneettikenttä rautajauheen avulla ilmaistuna.
Magneettikenttä on magneetin pohjois- ja eteläkohtioiden eli napojen ympärille ja magneetin sivuille kuvattu ”kenttä” tai ”pilvi”, jota merkitään usein piirroksissa (KUVIO 4) magneetin kuvitteellisilla kenttäviivoilla tai rautajauheen avulla. (Borges ym. 1998, 375.) Magneettikenttä on vain malli todellisuudesta, eikä sitä voi havaita paljain silmin ilman apuvälineitä (Borges ym. 1998, 367). Magneettikentän voi havaita kuitenkin esimerkiksi rautajauheen tai ferrofluidin kautta, (KUVIOT 1 ja 2). Ferrofluidi on nestemäistä ainetta, johon on integroitu rautapartikkeleita magneettisuuden
aikaansaamiseksi. (Herreman, Molho & Neveu 2005; Trémolet 2005, 337-340.) Pohjois- ja eteläkohtiot ovat magneetin kaksi päätä, jotka kahden magneetin vuorovaikutuksessa käyttäytyvät niin, että kummankin magneetin pohjoiskohtiot vetävät toisen magneetin eteläkohtioita puoleensa ja kummankin magneetin eteläkohtiot vetävät pohjoiskohtioita puoleensa. (Borges ym. 1998, 365; Waltner ym.
2011, 260.) Samanlaiset kohtiot hylkivät toisiaan magneettien vuorovaikutuksessa.
Kohtiot voidaan merkitä myös värein, jolloin pohjoiskohtio on tavallisimmin punainen tai valkoinen ja eteläkohtio vihreä. Kirjaimin voidaan merkitä pohjoiskohtioon N ja eteläkohtioon S. (Waltner ym. 2011, 260-261.)
KUVIO 3. Magneetin toinen kohtio, N magneettisen nesteen eli ferrofluidin avulla havainnollistettuna.
KUVIO 4. Magneetin merkitseminen kirjaimin ja värein sekä alkeismagneettialueet järjestäytyneenä (Waltner ym. 2011, 260)
Alkeismagneettialueet mallinnetaan magneetissa pieninä neuloina, joilla on pohjois- ja eteläsuunta. Alkeismagneettialueet ovat magnetisoitumassa raudassa sikin sokin, mutta esimerkiksi magnetisoidussa raudassa ja magneetissa ne ovat järjestäytyneet kohtioiden suuntaisiksi. Alkeismagneettialueita voidaan kutsua Weissin alueiksi. Niillä mallinnetaan magneetin sisärakennetta, ja niiden avulla on helpompi havaita magnetisoitumisen eteneminen vaikkapa rautanaulaan. (Waltner ym. 2011, 260;
Trémolet 2005, 14-15.)
KUVIO 5. Rautanaulan magnetisoitumisen mallintaminen alkeismagneettialueiden avulla (Waltner ym. 2011, 260)
4 TUTKIMUSONGELMAT
Käsityksiä magnetismista on tutkittu melko vähän (Preston 2016, 858) ja suomalaista tutkimusta aiheesta on niukalti. Tutkielmani tavoitteena on selvittää miten lapset ymmärtävät magnetismin käsitteen ja miten se muuttuu opetuskokeilun aikana.
Selvitän myös kiinnostuneisuuden yhteyttä käsitteelliseen muutokseen.
Tutkimusongelmat
1. Millaisia käsityksiä lapsilla on magnetismista ennen opetusinterventiota? Oletan oppilaiden tietävän jotakin maan magneettikentästä, magneeteista ja niiden merkityksestä ihmiskunnalle. Luultavasti suurimmalla osalla ei ole mitään käsitystä magneetin sisärakenteesta tai lähemmän tarkastelun aikana paljastuvista magneettisista mekanismeista. En oleta lasten heti ymmärtävän maan magneettikentän merkitystä tai sitä, kuinka tärkeää magneettisten ilmiöiden ymmärtäminen nykypäivänä on (Bradamante & Viennot 2007;
Guisasola, ym. 2003; Hickey & Schibeci 1999; Maloney 1985).
2. Miten käsitteellinen muutos ilmenee opetusintervention jälkeen magnetismin oppimisessa? Oletan, että suurin osa oppilaista oppii magneettikentän, magnetismin perusteet, ja osaa kuvata magneettia tieteellisesti oikein termein.
Oletan käsitteellisen muutoksen auttavan oppilaita hylkäämään aiemmat, väärät käsityksensä magneeteista, joita väistämättä on (Pintrich 1999; Yin, Shavelson, Ayala, Ruiz-Primo, Brandon, Furtak, & Young 2008).
3. Miten kiinnostuneisuus on yhteydessä magnetismin käsitteelliseen muutokseen?
Oletan magnetismista kiinnostuneiden oppilaiden tietävän magneeteista jo aluksi
paljon enemmän muihin oppilaisiin verraten. Samalla oletan kiinnostuneiden oppilaiden opiskelevan magnetismia halukkaammin ja oletan asioiden jäävän myös paremmin mieleen kiinnostuneisuuden ansiosta. Oletan kiinnostuneisuuden saavan aikaan parempia oppimistuloksia ja syvempiä oppimisstrategioita.
4.1 Tutkimuksen toteutus
4.1.1 Tutkimusjoukko
Tutkimusaineisto koottiin kahdesta Itä-Suomalaisesta 5.-6. vuosiluokasta (n=39 oppilasta), jotka valittiin saatavilla olevien luokkien joukosta sattumanvaraisesti.
Opetuskokeilu toteutettiin kevään 2018 aikana. Ennen opetusta selvitettiin oppilaiden ennakkotietämys magnetismin käsitteestä alkumittauksen avulla ja opetusintervention lopuksi oppilaille suoritettiin loppumittaus. Oppilaat luokiteltiin alkumittauksen perusteella eri tasoryhmiin, joiden perusteella seurattiin käsitteellisen muutoksen tapahtumista. Tutkimusluokkien opettajilta saatiin taustatietoa tutkielmaa varten siitä mitä oppilaille on opetettu aiemmin magnetismista. Ennen tutkimuksen toteuttamista kirjalliset tutkimusluvat pyydettiin oppilaiden vanhemmilta, opettajalta sekä koulun rehtorilta.
4.1.2 Tutkimusmenetelmät
Tutkimus sisälsi oppilaiden spontaaneja malleja magnetismista keräävän alkumittauksen (LIITE 1), viiden tunnin opetusintervention ja loppumittauksen (LIITE 2). Tutkimus toteutettiin kahden tavallisen koulupäivän aikana, perättäisinä päivinä.
Taustatiedoiksi sain opettajilta koulussa aiemmin opetetut asiat magnetismiin liittyen, jotka vaikuttivat tietenkin oppilaiden ennakkotietoihin. Ensimmäisen koulun oppilaille oli opetettu maan magneettikenttä tavallisen opetuksen yhteydessä sen kummemmin siihen juurtumatta. Toiselle ryhmälle kirjan kappale tehtävineen oli annettu lukuläksynä kotiin, eikä sitä oltu erikseen käyty oppitunnilla läpi ennen interventiota. Oppikirjan kappale sivusi sauvamagneetin toimintaa ja kävi läpi maan magneettikentän vaikutusta kompassin toimintaan.
Alkumittaus toteutettiin luokassa aivan aluksi, joista saatuja vastauksia hyödynnettiin opetusintervention oppituntien valmistelussa. Opetusinterventio aloitettiin magnetismin
perusasioista ja siinä käytiin yksityiskohtaisesti läpi magnetismin teoriaa.
Opetusinterventio sisälsi yhteensä viisi tuntia tutkivaa oppimista, jossa oppilaat saivat pienissä ryhmissä ennustaa kokeiden tuloksia, kirjata niitä muistiin, tehdä kokeita ja pohtia ennakkotietojensa oikeellisuutta. Toimintaa täydennettiin opetuskeskustelulla ja taululle piirretyillä kuvilla sekä teoriaopetuksella. Opettaja kiersi luokassa tekemisen aikana ja kaikista kokeista käytiin yhteisesti läpi oikeat vastaukset, jotka oppilaat piirsivät ja kirjoittivat vihkoihinsa. Lerkkasen, Kiurun Pakarisen, Viljarannan, Poikkeuksen, Rasku-Puttosen, ja Siekkisen (2012, 276) mukaan lapsikeskeisyys on opettajajohtoista työtapaa parempi ratkaisu oppilaiden luovuuden lisäämiseksi.
Loppumittaus toteutettiin vastaavanlaisella lomakkeella kuin alkumittaus, ja oppilaat tekivät sen heti opetusintervention jälkeen.
Opetusintervention alkumittauksessa kartoitettiin oppilaiden pohjatietoja, ennakkotietämystä ja yleistä kiinnostuneisuutta magnetismista (LIITE 1).
Opetusinterventionsisällöt suunniteltiin oppilaille perustuen heidän ennakkotietämykseensä magnetismista soveltaen havainnollistavaa opetusta. Tutkijan pitämät opetustunnit koostuivat magnetismin perusteista taululle selitettyinä, jotka piti kirjoittaa vihkoon. Opetusinterventiot sisälsivät myös käytännön harjoitteita kunkin oppitunnin asioihin liittyen, jolloin magnetismia voitiin kokeilla käytännössä.
Opetusinterventio sisälsi viisi tuntia opetusta, puolentoista tunnin verran keskittyen kuhunkin aiheeseen: 1. magneetin toiminta, veto- ja hylkimisvoimat sekä magneettikenttä 2. kompassin toiminta ja maan magneettikenttä 3.
alkeismagneettialueet, voimanuolet, sekä sähkömagnetismin perusteet.
Opetusintervention lopuksi suoritettiin loppumittaus, jonka tarkoituksena oli selvittää oppilaiden oppimista.
Alku- ja loppumittauksen tehtävät sisälsivät opetusinterventioon liittyen avoimia kysymyksiä magneetin olemuksesta (kysymykset 1,3 ja 9), käyttötarkoituksesta (kysymys 2), ja vuorovaikutuksesta (kysymykset 4 ja 5) sekä puoliavoimia kysymyksiä, joissa valmiiksi annetulle magneetille piti piirtää magneettikenttä (kysymys 7), halkaistulle magneetille sisäistä rakennetta (kysymys 6) tai magneettien väliset vuorovaikutusvoimat (kysymys 8). Kysymyksiä oli yhteensä yksitoista ja niissä selvitettiin myös lisätiedon tarvetta (kysymys 10) ja kiinnostuneisuutta (kysymys 11).
Kysymyksenasettelu tässä tutkielmassa pyrkii painottamaan tasapuolisesti tietämystä magnetismista, mutta pisteytyksessä on pyritty huomioimaan esimerkiksi oppilaiden puutteellinen tietämys voimanuolten teoriaan (kysymys 8) alkumittauksen aikana.
Kysymyksenasettelu pyrittiin pitämään havainnollisena ja avoimena, ja on osin mukailtu aiemmista tutkimuksista. Suurin osa alku- ja loppumittarin kysymyksistä on mukailtu
aiempien tutkimusten tulosten avulla. Muutamat kysymykset perustuvat suoraan (kysymys 1 ja intro) ja mukaillen (kysymykset 4 ja 9) Harmoisen (2013,195) tutkimukseen, ja ne ovat Harmoisen (2013) mukaan alun perin Sederbergin vuonna 2010 laatimista oppimateriaaleista suomennetut (Harmoinen 2013,45). Magneetin malleja selittävä tehtävä (kysymys 7) on mukaillen toteutettu Borgesin ja Gilbertin (1998) tutkimuksen avulla. Magnetoidun rautanaulan takomista selittävä tehtävä (kysymys 9) on taas mukailtu Harmoisen (2013,179, 197), sekä Sederbergin ja Bryanin (2010) tutkimuksista. Mittarin kaikkiin kysymyksiin on otettu vaikutteita lukuisista aiemmista tutkimuksista, esimerkiksi Haupt’in (1952) tutkimuksessa kysyttiin samalla tavoin, mitä oppilaat tahtoisivat tietää lisää magnetismista (kysymys 10) Loput kysymykset (kysymykset 2,3,5,6,8 ja 11) on tehty yhteistyössä Itä-Suomen yliopistonlehtori Kari Sormusen kanssa vuonna 2018.
4.1.3 Aineiston analyysimenetelmät
Tutkielmassa käytetään analyysimenetelmänä fenomenografiaa oppilaiden magneettisuuden käsitteiden kehittymisen tutkimisessa. Fenomenografia tutkii arkikäsityksiä, sekä erilaisia tapoja ymmärtää asioita, joten se sopii tähän tutkimukseen hyvin, sillä juuri oppilaiden arkikäsitykset ja niiden muuttuminen ovat tutkimuksessa olennaisia. (Cibangu & Hepworth 2016; Huusko & Paloniemi 2006.) Fenomenografian kehittäjänä pidetyn Martonin mukaan fenomenografialla kuvataan ja tutkitaan ihmisten käsityksiä, joita on rajallinen määrä. Samankaltaista analyysitapaa on sovellettu Saarelaisen ym. (2006) artikkelissa “Students' initial knowledge of electric and magnetic fields—more profound explanations and reasoning models for undesired conceptions”.
Tutkittavien vastaukset kategorisoitiin luokkiin kunkin tehtävän (kysymykset 1-11) kohdalla edellä mainittujen aiempien tutkimusten avulla. Oppilaiden vastaukset koodattiin numeroiksi, tutkimusvastaukset skannattiin ja siirrettiin kysymyksittäin eri tiedostoihin, jossa niitä voitiin vertailla samanaikaisesti keskenään ja muodostaa kategorioita osaamisen mukaan. Saatuja tietoja verrattiin keskenään ja tehtävät pisteytettiin. Osaamisen tasoista muodostettiin neljä luokkaa: edistyneet, hyvät, keskiverrot ja heikot. Käsitteellisen muutoksen tapahtumista analysoitiin oppilaskohtaisten alku- ja loppupistemäärien avulla. Samankaltaista kategorisointia on käytetty Sederbergin ja Bryanin (2010) tutkimuksessa, jossa koodattiin myös oppilaiden piirrokset, kuten myös tässä tutkielmassa. Samoin Guisasolan ym. (2003) tutkimuksessa käytettiin fenomenografiaa analysoidessa aineistoa ja kategorisoidessa sitä luokkiin tutkimuksen tarkoitukseen sopivalla tavalla.
Tutkimuksen tuloksia tarkastellessa on syytä huomioida, että tutkimukseen osallistuneita oppilaita oli 39, joista 38 oppilasta vastasi myös loppumittaukseen. Yhden puuttuvan oppilaan vastaukset on luettu mukaan tutkimukseen siltä osin, kun se on ollut mahdollista. Tällä menettelyllä maksimoitiin tutkittavien määrä ja varmistettiin kaikkien oppilaiden tasapuolinen kohtelu.
Prosentteina ilmaistut tulokset ylittävät toisinaan 100%, mikä johtuu arvojen pyöristyksestä, sekä usean vastauksen yhdistämisestä, jos oppilas on vastannut kysymykseen usealla sanalla, jotka kuuluvat eri kategorioihin.
4.1.4 Tutkimuksen eettiset periaatteet
Tämä tutkimus noudattaa hyvää tieteellistä käytäntöä olemalla eettisesti oikein toteutettu, esimerkiksi sillä, ettei tutkimus ole arkaluontoinen tai loukkaava, eikä tässä tutkielmassa esitetä tuloksia siten, että yksittäistä vastaajaa voitaisiin tunnistaa.
Tutkimuksessa ei käsitellä tutkimuseettisesti arveluttavaa materiaalia, ja tutkimuskohteiden tietoturvasta ja oikeuksista on huolehdittu, sekä tarvittavat luvat tutkimusta varten on hankittu. Tutkimuksesta saadut tiedot raportoidaan oikeellisesti aiempiin tutkimuksiin viitaten, sekä tutkimusmateriaaleja (tutkimusluvat, alku- ja loppumittaukset) käsitellään, sekä säilytetään asianmukaisesti. Tutkimuseettisen neuvottelukunnan (2012) mukaan hyvän tieteellisen käytännön noudattaminen tarkoittaa myös tutkimuksen raportoinnin tarkkuutta ja oikeellisuutta, sekä oikeanlaisia lähdeviittauksia. Itä-Suomen yliopiston tutkimuseettisissä ohjeissa todetaan hyvän tieteellisen käytännön olevan linjassa tutkimuseettisen neuvottelukunnan (2012) ohjeiden kanssa.
5 TUTKIMUKSEN TULOKSET
Tässä luvussa käsittelen tutkimusongelmieni mukaisessa järjestyksessä tutkimukseni tuloksia alku- ja loppumittarin avulla, tehtävä kerrallaan (LIITTEET 1 ja 2). Käsittelen oppilaiden käsityksiä ennen opetusinterventiota, oppilaiden oppimia asioita sekä motivaation suhdetta käsitteellisen muutoksen syntymiseen.
5.1 Millaisia käsityksiä lapsilla on magnetismista ennen opetusinterventiota?
Alkumittauksessa oppilailla oli mahdollisuus kirjoittaa ja piirtää omia käsityksiään magneetista ennen opetusta. Magnetismin mentaalisia representaatioita oli joidenkin oppilaiden kohdalla hankala muuttaa sanoiksi tai kuviksi, mikä näkyikin useassa lomakkeessa tyhjiksi jätettyinä vastauksina. Osalle oppilaista oli myös hankala ilmaista käsityksiään uudesta ja jopa vieraasta käsitteestä, jonka vuoksi useissa vastauksissa esiintyikin vastauksena ”en tiedä”. Magnetismi on arjen tilanteissa ja esineissä jokapäiväinen, mutta käsitteenä se on edelleen monelle tuntematon.
Magnetismin käsitettä selvitettiin kysymyksellä, jossa pyydettiin oppilasta kuvailemaan magneettia mahdollisimman tarkasti. Kuvia magneetista piirrettiin melko vähän, vain 21% tutkituista oppilaista piirsi kuvan. Sikäli kun piirroksia oli, ne olivat hyvin selkeitä ja havainnollisia (KUVIO 6). Magneetin kuvaileminen oli haasteellista, sillä 33 % oppilasta jätti kokonaan vastaamatta. (Liite 1, tehtävä 1) Voi olla, ettei oppilailla ollut minkäänlaista käsitystä magneetin olemuksesta, ja siksi he jättivät kysymykseen
vastaamisen sikseen ensimmäisen tehtävän osalta. Monissa alkumittauksen vastauksissa (21 %) esiintyi sama ajatus: ”Magneetti vetää puoleensa metallia.”
Oppilaiden vastauksissa oli mielenkiintoista se, että niissä mainittiin metalli. Ehkä oppilaiden mielestä metalli merkitsi rautaa. Joissakin vastauksissa (13 %) metallia pidettiin synonyyminä raudalle. Heidän mielestään magneetti vetää puoleensa metallia.
KUVIO 6. Oppilaan OP-23 piirros magneetista alkumittauksessa.
KUVIO 7. Jäsentyneempi, oikea käsitys magneetista piirroksena alku- ja loppumittauksessa. Selitys loppumittauksesta: ”Magneetti on esine, joka vetää esimerkiksi rautaisia esineitä puoleensa. Magneetissa on kaksi päätä, toinen valkoinen ja toinen punainen. Punainen osa on pohjoinen puoli ja valkoinen etelä.”
Bradamante ja Viennot (2007) ovat tutkineet lasten käsityksiä maan magneettikentästä ja painovoimasta. Vain yksi oppilas mainitsi vastauksessaan maan ilmakehän olevan magneettinen. Toinen oppilas OP-11 oli sitä mieltä, että maa on kuin magneetti, joka vetää meitä puoleensa. Tutkimuksen vastauksissa on samankaltaisuutta, tai kyse voi olla myös oppilaiden väärinymmärryksestä ja siten pelkästään virheellisistä vastauksista, kun asiat ovat sekoittuneet oppilaan mielessä. Selkeitä virheellisiä käsityksiä alkumittauksessa oli seitsemällä oppilaalla.
Oppilaiden piti pohtia mihin magneetteja käytetään. Selkeimmin vastauksista paljastuivat oppilaiden arkikäsitykset: magneetteja käytetään lähinnä jääkapin ovessa pitämään lappuja, kuvia ja muuta sellaista esillä (44 %). Muutama oppilas mainitsi magneetteja käytettävän kaiuttimissa ja jokunen maininta tuli myös tavaroiden
etsimiseen, kuljettamiseen tai nostamiseen käytettävistä magneeteista. Vain kaksi oppilasta, tiesivät alkumittauksessa kertoa, että magneetteja tarvitaan sähkömoottoreissa.
Tutkittaessa millaisia esineitä tai kappaleita kestomagneetti vetää puoleensa, saatiin eniten vastauksia, jonka mukaan magneetti vetää puoleensa metallia (51 %). Toiseksi eniten magneetin ajateltiin vetävän puoleensa rautaa (41 %). Virheellisiäkin käsityksiä esiintyi, 18% oppilaista vastasi alkumittauksessa jollakin tavoin virheellisesti, mutta kuitenkin oman, senhetkisen käsityksensä mukaan. Oppilaiden vastauksista saa kuitenkin sen kuvan, että raudan lisäksi magneetin sanotaan vetävän metallia puoleensa, aivan kuin se tarkoittaisi raudan lisäksi jotakin tiettyä metallilaatua.
Magneetti vetää oppilaiden mukaan puoleensa myös keittiövälineitä, kuten haarukoita, lusikoita ja veitsiä, kattiloita ynnä muuta sellaista, mikä muistuttaakin oppilaiden käytännönläheisestä ajattelutavasta. Pari oppilasta muisti myös mainita magneetin vetävän puoleensa toisia magneetteja, sekä muun muassa autoja.
Magneetin ja tavallisen rautanaulan vuorovaikutusta kontrolloivassa tehtävässä alkumittauksen suurin osa (87 %) tiesi, että naula tarttuu kiinni magneettiin, ne menevät kiinni toisiinsa tai ne tarttuvat yhteen, mikä voidaan tulkita oikeaksi vastaukseksi. Loput vastaajista kuvasi, ettei tapahdu mitään, tai ei tiennyt vastausta, koska ei ollut ikinä kokeillut.
Kysymyksen tarkan lukemisen kontrollointitehtävässä selvitettiin, mitä mahtaisi tapahtua kahden tavallisen rautanaulan välillä. Useimmat, 85% ymmärsivät asian oikein jo alkumittauksessa ja vastasivat, ettei mitään tapahdu, ne eivät yhdisty tai että naulat pysyvät paikallaan. Oppilas OP-02 vastasi näin: ”Ne eivät jää toisiinsa kiinni, koska kummassakaan ei ole magneettia. Eli ei mitään.” Muutama vastaus koski naulojen pyörimistä tai naulojen tarttumista toisiinsa. Pari oppilasta oli myös jättänyt tämän kysymyksen huomiotta alkumittauksessa.
Magneetin sisärakennetta selvitettiin tehtävällä, jossa oppilaiden piti piirtää kuva katkaistusta magneetista. Alkumittaus sisälsi paljon eriäviä käsityksiä siitä, mitä mahdollisesti tapahtuu. Tyhjiä ja en tiedä -vastauksia oli eniten (36 %). Magneetin ajateltiin menevän rikki kymmenessä vastauksessa niin, etteivät puolikkaat enää yhdisty toisiinsa. Muita virheellisiä käsityksiä esiintyi kahdeksan oppilaan vastauksissa.
Seitsemän oppilaan mukaan magneetti toimisi yhä katkaisemisen jälkeenkin, kuten erään oppilaan piirros, kuvio 14 ilmentää. Kahdessa vastauksessa oli jo ihan oikea tulkinta siitä, että katkaistusta magneetista tulee kaksi pienempää magneettia.
KUVIO 8. Oppilaan käsitys magneetin puolittamisen vaikutuksista alkumittauksessa.
OP-31: ”Luultavasti puolitettu magneetti kiinnittää itseensä esineitä. ”
Myös piirroksia oli useita, jotka tukivat selitettyjä asioita. Muutamissa vastauksissa epäiltiin magneetin puolikkaista tulevan niin sanotut magneettiset monopolit, eli kokonaan omat, erilliset magneettiset navat, joista toinen hylkii ja toinen vetää puoleensa. Tämä on kuitenkin todellisuudessa mahdollista toistaiseksi vain laboratorio-olosuhteissa. (Rajantie A. 2012, 196.)
Oppilaiden käsityksiä magneettikentistä valotettiin piirrättämällä magneettikenttä valmiin magneetin ympärille. Kenttäviiva ei sanana ollut tuttu, mikä osaltaan selitti alkumittauksessa esiintyvää magneettikenttien moninaisuutta. Magneettikenttä nähtiin vuoroin puoleensavetävänä kohteena, vuoroin pilvenä, joka vetää puoleensa kaikkia sen vetovoiman alueelle eksyviä kappaleita. Borges ja Gilbert (1998) ovat kuvanneet tutkimuksessaan lasten käsityksiä magnetismista jo vuonna 1998.
Oppilaan käsitystä magneettikentästä selvittävässä tehtävässä suurin osa oppilaista (49%), piirsi ennakkokäsityksensä mukaan magneetin ympärille kentän eräänlaisen pilven muotoon. Magneetin nähtiin houkuttavan esineitä puoleensa parissa vastauksessa (5%) ja kenttäviivoilla varustettuna (5%). Erilaiset päät magneetille oli piirretty kuuden oppilaan (15%) vastauksessa. Muita piirroksia oli 5 (13%) ja tyhjiä oli 4 kappaletta (10%). Vastaukset luokiteltiin Borgesin ja Gilbertin (1998) tutkimuksen mallien mukaan siten, että tulkinnoissa otettiin huomioon oppilaan aiemmat käsitykset, joita verrattiin malliin, kuten tehtiin myös loppumittarin vastauksille. Parin oppilaan alkumittaus paljasti heidän ymmärtävän magneetin esineitä puoleensavetävänä kappaleena (kuviot 6 ja 11). Toisissa piirroksissa magneetilla havaittiin jonkinlaista erilaisuutta päissä (15 %). Vain muutama oppilas oli osannut piirtää jonkinlaisia kenttäviivoja magneetin ympärille. Kymmenisen oppilasta (26 %) oli joko jättänyt
piirtämättä yhtään mitään, tai piirtänyt vain muutaman viivan. Vain muutaman (8 %) oppilaan piirroksessa magneettikenttä oli edes jakautunut puoliskoihin, muttei yksikään ollut vielä tässä vaiheessa piirretty aivan oikein.
KUVIO 9. Magneettikenttä pilvenä. (Borges & Gilbert 1998)
KUVIO 10. Oppilaan OP-23 piirros magneettikentästä intervention jälkeen.
KUVIO 11. Oppilaan OP-31 käsitys magneettikentästä ennen interventiota.
Magneettien vuorovaikutussuhteita selvitettiin tehtävällä, jossa valmiiksi annettujen magneettien välille tuli piirtää vuorovaikutussuhteet, eli voimanuolet. Voimanuolet piirrettiin tehtävässä värein erotettujen magneettien välille. Kaikkien muiden, paitsi tehtävän e magneetit olivat piirroksissa samankokoisia, ja voimanuolien vaadittiin oikeassa vastauksessa olevan kumpaankin suuntaan yhtä pitkiä. Ennakkotietämys oli tämän tehtävän osalta heikkoa, mutta täysin ymmärrettävää, sillä harva edes tiesi, mikä voimanuoli on, tai kuinka se merkitään. 13 % oppilaista oli kuitenkin saanut tehtävän oikein jo alkumittauksessa, ilman muuta ohjeistusta. Lähes oikein, eli voimanuolet olivat puutteellisesti, mutta ymmärrettävästi merkitty, oli tehtävän saanut 18% oppilaista ennen interventiota. Muuten kuin tehtävän e oli oikein saanut 8%
oppilaista.
Rautanaulan takomista, eli alkeismagneettialueiden järjestäytymistä kuvaava tehtävä osoittautui erittäin haasteelliseksi alkumittauksen osalta, sillä yksikään oppilas ei ollut osannut piirtää naulan sisäistä rakennetta oikein ennen opetusinterventiota. Oppilaiden ennakkokäsitykset paljastivat sen suuren tiedon puutteen, mikä esti heitä ymmärtämästä koko kysymystä ennen interventiota. Suurimmaksi osaksi (33 %) alkumittauksen vastaukset koostuivat pelkistä naulan kuvista, kysymys- tai muista epäymmärrystä tarkoittavista merkeistä, (28 %). Lopuissa vastauksista (18
%)esiintyivät naula ja alasin yhdessä, joitain sekalaisia piirroksia, tai pelkkää tekstiä 20
%. Oppilas, OP-14 oli esittänyt asian aivan oikein jo alkumittauksessa, kuitenkin vain sitä piirtämättä tehtävänannon vastaisesti: ”Kun magnetoitua rautanaulaa takoo, sen magneettisuus pienenee.” Vastaus on oikein, mutta selittävä, vaadittu piirros puuttuu.
5.2. Miten käsitteellinen muutos ilmenee opetusintervention jälkeen magnetismin oppimisessa?
Kuten oletinkin, kaikilla käsitteellistä muutosta ei tapahtunut aivan täydellisesti magneetin kuvailemisen suhteen, sillä osa oppilaista tyytyi kirjoittamaan tai piirtämään saman käsityksen kuin alkumittauksessa muuttamatta sitä millään tavoin. Näin oli esimerkiksi oppilaiden OP-17, OP-18, OP-20 ja OP-21 vastauksissa. Myös se, että metallia pidettiin synonyyminä raudalle puoltaa sitä käsitystä, ettei tämä tehtävä ollut helppo. Asiat olivat sekoittuneet keskenään lasten mielessä, kuten useimmiten virheellinen käsitys koski magneetin vetävän puoleensa metallia. Loppumittauksesta voitiin havaita käsitysten muuttuneen, sillä magneetteja mainittiin käytettävän pelkästään jääkaapin ovessa yhä vähemmän, se ajatus esiintyi enää vain seitsemässä (18 %) vastauksessa. Kaikkein yleisin vastaus koski magneettien käyttöä moottoreissa, puhelimissa, tietokoneissa ja kompasseissa. Kompassineula on itsessään pieni magneetti, joka pyörii vapaasti ja asettuu maan magneettikentän mukaisesti. Joitakin vastauksia tuli koskien edelleen kaiuttimia sekä muutama ei tiennyt tai muistanut yhtään käyttötarkoitusta magneetille. Tästä voidaan päätellä oppilailla olleen aiemmin kokemusta lähinnä koristekäyttöön soveltuvista magneeteista. Opetusintervention jälkeen yhä useampi osasi vastata tarkemmin ja yksityiskohtaisemmin kysymykseen magneettien käyttötarkoituksesta, mikä olikin yksi painotetuimmista osa-alueista opetuksessa. Yllättävän vähän vastauksia tuli koskien erilaisia sähkölaitteita, vaikka oppitunnilla tutkimme esimerkiksi oppilaiden puhelimia erityisellä magneettikentänpaljastuskalvolla. Fyysisen sähkömoottorin tuominen luokkaan olisi luultavasti lisännyt vastausten lukumäärää, kun magneetin olisi voinut nähdä sähkömoottorin sisällä. Nyt opetus perustui muutaman malliesineen, kuten kaiuttimen ja kiintolevyn magneetteihin, sekä magneettikentänpaljastuskalvoon.
Käsitteellinen muutos näyttää tapahtuneen magneettien käyttötarkoituksen löytämisen suhteen melko hyvin koko joukossa, sillä loppumittauksen puolessa vastauksista (50
%) oli mainittu ainakin kaksi asiaa, joissa on magneetteja. Samalla, kun jääkaappien frekvenssi vastauksissa on pienentynyt loppumittauksen myötä, kompassien mainitseminen vastauksissa on lisääntynyt huimasti. Alkumittauksessa kompassi mainittiin kerran ja loppumittauksessa peräti 13 kertaa (34 %). Muutamat oppilaat mainitsivat jostakin syystä alkumittauksessa metallinpaljastimissa olevan magneetteja.
Vääriä vastauksia ei ollut lainkaan.
KUVIO 12. Oppilaan OP-32 piirros magneetista loppumittauksessa. Oppilaan piirros kuvaa hyvin hänen senhetkistä käsitystään magneetista. Piirros on hyvin jäsentynyt ja lähes oikein, alkeismagneeteista puuttuvat vain dipolisuutta osoittavat merkinnät.
Magneetin puoleensa vetämien esineiden ja materiaalien kohdalla käsitteellistä muutosta ei vaikuta tapahtuneen lainkaan viidellä oppilaalla (13 %) tämän tehtävän osalta. Luultavasti oppilailla on vain mennyt asiat sekaisin ja he ovat käyttäneet metallia synonyymina raudalle. Neljä samaan tapaan vastannutta oppilasta (11 %) ovat alku- ja loppumittauksessa eri henkilöitä, jonka uskon olevan sattumaa ja virheellisiä tulkintoja.
Loppumittaus osoittaa, että oppilaat ymmärsivät magneettien moninaiset käyttötarkoitukset ja mainitsivat jääkaappimagneetit entistä harvemmissa vastauksissa pelkästään. Sen tilalle olivat tulleet kompassi, koneet ja puhelimet, sekä muut magneettia hyödyntävät laitteet.
KUVIO 13. Oppilas vastasi loppumittauksessa näin: ”Magneetti on semmoinen juttu, minkä sisällä on alkumagneettihiukkasia, jotka on kaikki punainen ylöspäin. Magneetti tarttuu rautaan ja johonkin muuhun, jota en muista. Magneetilla voi sekoittaa esim.
kompassin.”
Magneetti vetää suurimman osan mielestä puoleensa rautaa, mutta jotkin oppilaista muistivat mainita lisäksi nikkelin tai oppitunnilla käytetyn hematiitin, eli rautapitoisen kiven. Joitakin virheellisiäkin käsityksiä oli yhä, sillä useat oppilaat, 26 % väittivät yhä magneetin vetävän puoleensa metallia, minkä voisi päätellä tarkoittavan kaikkia metalleja, eikä vain rautaa.
Naulan ja magneetin vuorovaikutusta tutkivassa tehtävässä 82 % oppilaista vastasi naulan tarttuvan magneettiin. Lisäksi muutama oppilas oli ymmärtänyt asian perusteellisesti ja selitti tämän kysymyksen vastauksena sen, että magneetti magnetisoi naulan ja saa sen alkeismagneettialueet järjestäytymään. Se on täysin oikea vastaus, mutta vain harva, (16 %) ymmärsi vastata näin perusteellisesti. Lisäksi loppukyselyn kohdalla oli muutama tyhjäksi jäänyt kohta. Tämän kysymyksen kohdalla opetus näyttää menneen perille suurimmalle osalle (95 %), mikä voidaan tulkita käsitteellisen muutoksen tapahtumiseksi ainakin niillä oppilailla, jotka eivät tienneet kysymykseen oikeaa vastausta jo alkumittauksessa. Esimerkiksi oppilas OP-26 vastasi alkumittauksessa näin: Rautanaula tarttuu magneettiin, kun ne laitetaan lähekkäin.
Sama oppilas vastasi loppumittauksessa vielä paremmin: Rautanaulassa olevat ”pienet magneetit” suoristuvat ja rautanaulalla voi häiritä kompassia.
Kysymyksenlukua kontrolloiva tehtävä, jossa tutkittiin oppilaiden käsityksiä kahden tavallisen naulan vuorovaikutuksesta, tuotti mielenkiintoisia tuloksia. Useimmat vastaukset, (74 %) olivat yhä oikein, eivätkä naulat tarttuneet vastausten mukaan toisiinsa. Jotkut oppilaista, 11% olivat kuitenkin käsittäneet jotakin väärin ja vastanneet naulojen hylkivän toisiaan. Myös muita virheellisiä käsityksiä esiintyi nyt hiukan enemmän kuin alkumittauksessa saman kysymyksen kohdalla. Eriävät vastaukset johtuivat todennäköisesti siitä, ettei kysymystä oltu luettu, tai ymmärretty kunnolla, tai siitä, että oppilailla oli kiire välitunnille. Mahdollisesti syynä saattoi myös se, että oppilaat eivät uskoneet parin sanan riittävän vastaukseksi, vaan hakivat mielestään parempaa selitystä, saattoi johtaa hämmennykseen ja virheellisiin vastauksiin. Toisaalta sekin, että kyselylomakkeissa käsiteltiin magneetteja ja niiden ominaisuuksia kaikissa muissa kohdissa, saattoi saada oppilaan luulemaan, että tavalliset rautanaulat hylkivät toisiaan, koska ne eivät tartu toisiinsa kiinni. Oppilas saattoi siis ajatella hylkimisen olevan synonyymi sille, ettei rauta tartu rautaan. Käsitteellistä muutosta ilmeisesti tapahtui, mutta eri suuntaan, kuin olin olettanut.
