Kokeellisuus ja aktiivinen opiskelu

Modernin oppimiskäsityksen mukaisesti opiskelu ja oppiminen nähdään oppilaan aktiivisena osallistuvana toimintana ja tiedon rakentamisena. Tähän tarkoituksen on kehitetty erilaisia oppimisympäristöjä, joissa tuetaan oppilaan oppimisprosessia. Näissä oppimisympäristöissä painotetaan oppilaskeskeisyyttä, oppilaan aktiivista toimintaa, sosiaalista vuorovaikutusta ja keskustelua, ymmärtämistä ulkoa opettelun sijaan, sekä ajattelutaitojen ja oppimisen taitojen kehittämistä tietojen ja taitojen oppimisen yhteydessä. Samalla pyritään muuttamaan opiskeluympäristöjä 'todellisen elämän ympäristöjen kaltaisiksi. (ks. esim. Bentley & Watts 1989; Tynjälä 1999)

Oppimisympäristössä oppimista tukevat tehtävät voivat sisältää mm. oppilaiden omien aikaisempien käsitysten ja tietojen aktivointia, näiden vertailua oppikirjoissa esitettyihin tietoihin, kirjoissa esitettyjen eri teorioiden vertailua toisiinsa, omien oppimiskokemusten tarkastelua teorioiden avulla, teorioiden soveltamista kuviteltuihin käytännön tilanteisiin, kritiikin esittämistä ja tiivistelmän kirjoittamista. Tehtävät voidaan purkaa esimerkiksi viikoittain ryhmäkeskusteluissa. (Bentley & Watts 1989, 39) esittävät, että opettajan tulisi kiinnittää erityisesti huomiota seuraaviin seikkoihin, kun hän suunnittelee oppimisympäristöjä, jossa työskennellään kokeellisesti: aktiivinen oppiminen, suunnittelu ja organisointi.

Kokeellinen työskentely ja ohjeet sitä varten on suunniteltava siten, että oppilailla on mahdollisuus aloitteellisuuteen ja vastuunottoon omasta työstään. Esimerkiksi luonnontieteellisen tutkimuksen tai projektityön kuluessa oppilaat ottavat mielellään vastuuta työskentelystään, tekevät suunnitelmia ja ratkaisevat ongelmia. Aktiiviseen oppimiseen kuuluu myös omien tuotosten ja työskentelyn arviointi, joten oppilaita on ohjattava myös arvioimaan omaa työskentelyään.

Kaikenlainen kokeellinen työskentely edellyttää suunnittelua! Suunnitteluun ja kokeellisen työskentelyn esivalmisteluun kuuluu ainakin tarvittavien välineiden noutaminen, työohjeisiin ja laitteiden käyttöohjeisiin tutustuminen. Esimerkiksi mittausautomaation käyttö edellyttää laitteiston toimintaan paneutumista. Mitä avoimempi kokeellisen työskentelyn tehtäväksianto on sitä enemmän suunnittelua tarvitaan.

Suunnittelun määrää voidaan säädellä myös käytettävissä olevien tutkimusvälineiden määrällä. Esimerkiksi, jos käytettävissä on hyvin vähän välineitä, oppilaat joutuvat suunnittelemaan koejärjestelyä huomattavan paljon. Tällainen tilanne tulee vastaan esimerkiksi kotona tehtävien kokeiden suunnittelussa. Myös koulussa voidaan toisinaan pitäytyä esimerkiksi nk. keittiökemian välineistöön ja aineisiin. Tällaista välineistöltään "köyhää" oppimisympäristöä voidaan lähestyä esimerkiksi sopivan kehyskertomuksen avulla: Opettaja ilmoittaa olevansa yrityksen talousjohtaja ja saaneensa määräyksen supistaa aineiden kulutusta ja laitteiden hankintaa. Toisaalta tutkimusohjelma pitää viedä läpi supistuvin resurssein. Opettaja ilmoittaa oppilaille, että tällä kertaa kokeellisen työskentelyn tavoitteena on lisäksi luoda uusia ainetta säästäviä tutkimusmenetelmiä. Toinen kiitollinen lähestymistapa suunnittelun ohjailuun on ympäristökysymysten esille otto. Tällöin sopivan kehyskertomuksen alku voisi olla: "Tutkimuksessa käytettävät aineet ovat haitallisia, joten niitä ei pidä laskea vesistöjä pilaamaan. …".

Ajan ja paikan organisointi on aina tärkeää kokeellisessa työskentelyssä. Etenkin projektityön suunnittelussa on otettava huomioon se, että keskeneräisiä projektitöitä on kyettävä säilyttämään kenties useita viikkoja. Mitä avoimempaa ongelmanasetettu on sitä todennäköisemmin oppilaat työskentelevät projektin aikana eri paikoissa (kirjastossa, haastattelumatkalla, aineistonkeruumatkalla,…). Projektin läpivienti saattaa edellyttää sellaisia laitteita, välineitä, materiaaleja tai aineita, joita koululta ei löydy. Siksi opettajan on syytä pohtia etukäteen projektin organisointiin liittyviä seikkoja ja pyytää myös oppilaita pohtimaan näitä asioita projektin suunnitteluvaiheessa. Oppilaita on siis hyvä ohjata kirjaamaan projektisuunnitelmaansa aikataulu, suorituspaikka/paikat sekä tarvittavat välineet kokeellisessa ja tiedon julkistamisvaiheessa jne.

Ei siis ole samantekevää, millä tavalla asioita opiskellaan. On tärkeää, että oppilaat oppivat sisältöjen ohella myös niitä sosiaalisia käytäntöjä, joihin opiskelutilanteet perustuvat. Oppikirjaa pänttäämällä oppilaasta kehittyy hyvä oppikirjan lukija ja koevastausten kirjoittaja, mutta harvoilla työpaikoilla tarvitaan tämänkaltaisia taitoja. Oppikirjan pänttäämisen sijasta onkin hyödyllisempää harjaannuttaa oppilaita käsittelemään tietoa, arvioimaan sitä kriittisesti, soveltamaan ja kehittelemään sitä edelleen ja luomaan uutta tietoa aikaisemman pohjalta. Tällaisia taitoja tarvitaan myös tietoyhteiskunnan asiantuntijatehtävissä. Kokeellinen työskentely tarjoaa sellaisen oppimisympäristön, jossa voidaan kehittää em. tietoyhteiskunnan asiantuntijalta edellytettäviä taitoja.

Kokeellisuuden ja kokeellisen työskentelyn merkitystä voidaan perustella mm. luonnontieteiden käsitteiden ja periaatteiden omaksumisella, oppimaan oppimisella, taitojen harjaantumisella, asenteiden kehittämisellä ja laajemminkin koko oppilaan persoonallisuuden kehittymisellä. Opetuksen kokeellisuus korostaa opetus-oppimistapahtuman prosessiluonnetta.

Kokeellisuudesta ja sen vaikutuksesta oppimiseen on ilmestynyt lukuisia tutkimuksia ja tutkimustiedon pohjalta laadittuja opetuksen ja oppimisen kehittämisstrategioita (esim. Bradley 1968; Hegarty-Hazel 1990). Ongelmana tällaisissa tutkimuksissa ja kehittämishankkeissa on usein se, että niissä arvioidaan kokeellisuuden merkitystä lähinnä tietojen oppimisen kannalta eikä riittävän laaja-alaisesti esimerkiksi motivoitumisen, taitojen ja oppilaan persoonallisuuden osa-alueiden kehittymisen kannalta. Ei liene hedelmällistä vertailla esimerkiksi eri opetusmenetelmillä tai tietotekniikkaa hyödyntämällä saavutettavissa olevia oppimistuloksia, vaan tarkoituksenmukaisempaa on vertailla erilaisten lähestymistapojen monipuolisuutta ja niiden tarjoamia mahdollisuuksia kehittää oppilaan persoonallisuutta monipuolisesti. Kun kokeellisuuden merkitystä tarkastellaan oppimisen kannalta, korostuvat seuraavissa luvuissa esitetyt näkökulmat.

Perinteisesti luonnontieteiden kouluopetus painottuu luonnon perusrakenteiden ja luonnon toimintaa selittävien periaatteiden ymmärtämiseen ja muistamiseen. Kun tiettyä periaatetta opetetaan, asian tueksi tehdään usein ajan puutteessa vain yksi demonstraatio tai oppilastyö, jos sitäkään. Ongelmallista kokeellisuudessa on se, että luonnontieteelliset lait ja teoriat ovat kehittyneet ja tarkentuneet pitkän ajan kuluessa. Vaikkakaan peruskoulussa ei voida varsinaisesti opettaa luonnontieteellistä teoriaa, tulee omaksuttujen tietojen kytkeytyä laajahkoiksi yhtenäisiksi tietorakenteiksi, jotka eivät ole ristiriidassa yleisesti hyväksytyn teorian kanssa.

Oppiminen on sitä helpompaa ja syvempää, mitä enemmän tietoa oppilailla on tarkasteltavista ilmiöistä ja luonnontieteiden menetelmästä. Oppilaille on osoitettava heidän omien selitystensä ja käsityksiensä ristiriitaisuudet ja riittämättömyys sekä luonnontieteiden periaatteiden ja käsitteiden sopivuus ja ylivoimaisuus monenlaisissa ilmiöissä. Yksinkertaisena esimerkkinä voidaan mainita, että jos palamisen yhteydessä poltetaan vain puuta, oppilaille jää käsitys, että ainetta häviää palamisessa. Puun palamisen lisäksi tulisi tarkastella myös metallien palamista, vedyn palamista jne. Oppilaille tulisi antaa runsaasti tilaisuuksia omien käsitystensä esittämiseen.

Kemiassa kokeellisuuden toivotaan tukevan tiedon rakentamista järjestelmäksi, jossa aineen ominaisuuksia ja reaktioita selitetään atomin rakenteesta lähtien. Tästä kemian rakenteeseen pohjautuvasta kemian opetuksesta on pyritty eroon mm. Chemistry in Community -projektissa. Lähtökohtana tässä amerikkalaisessa kokeilussa on ollut opettaa kemiaa keskiasteella lähtemällä liikkeelle arkipäivään, kemian teollisuuteen ja käytäntöön liittyvistä lähtökohdista. Tähän on sidottu mukaan kemian perustiedot ja kokeellinen työskentely. Suomessa "kemia yhteiskunnassa" aineistoa ovat ansiokkaasti tuottaneet mm. Kemianteollisuus ry ja TaT. Vastaavasti fysiikassa voitaisiin lähestyä periaatteita ja lakeja lähtemällä liikkeelle arkipäivän tilanteista tai analysoimalla vaikkapa laitteiden toimintaa. Opiskeltiinpa luonnontieteitä perinteisen lähestymistavan mukaisesti tai lähtemällä liikkeelle arkipäivän tilanteista lähtökohtana oppimisessa ovat aina luonnon rakenteet ja ilmiöt sekä niistä tehtävät monipuoliset havainnot. Vain havaintojen kautta on mahdollista ymmärtää ja jäsentää luonnon rakenteita ja ilmiöitä. Toisaalta havainnosta lähteminen johtaa helposti siihen, että omaksutut tiedot jäävät irralliseksi sirpaletiedoksi. Tästä syystä luonnontieteille tyypillinen työskentelytapa perustuu induktion ja deduktion vuorotteluun.

Biologiassa lähtökohtana voivat olla esimerkiksi tietyt eläin- ja kasvilajit ja näiden ryhmät tai tietty elinympäristön kokonaisuus.

Teknologiakasvatuksessa ja tekniikan opettamisessa yleissivistävässä koulussa on pitkään ollut lähestymistapana laitteiden rakentelu joko suoraan perusraaka-aineista tai valmiista rakennussarjoista. Näin on laitteen toiminta tai jokin ihmisen aikaansaama prosessi tullut tutuksi omakohtaisen rakentelun kautta. Empirica Control-järjestelmällä voidaan luoda mittaus- ja säätöohjelmistoja, joilla ohjataan esimerkiksi lego-palikoista koottuja laitteita. Tällaisia toimivia kokonaisuuksia ovat esimeriksi erilaiset nosturit, hissit, autot sekä ohjaus ja säätöjärjestelmät.

Opetussuunnitelman perusteissa määritellään opetuksen kokeellisuus toiminnaksi, jossa nojaudutaan empiriaan hankittaessa tietoa luonnosta. Kun oppitunneilla otetaan käyttöön käsitteitä, suureita, periaatteita, lakeja ja teoreettisia malleja, lähtökohtana on havainto, mittaus, koe tai tutkimus. Kokeellisuus voi olla oppilaiden kehitystasosta, aihepiiristä, opetuksen vaiheesta ja välineistä riippuen oppilaiden omakohtaista työskentelyä, opettajan esittämiä demonstraatioita, vierailujen, videoiden tai vain kerronnan kautta tapahtuvaa toimintaa.

Oppilas ymmärtää luonnontieteiden käsitteitä ja periaatteita parhaiten, kun niiden oppiminen on luonnontieteille ominaisen kokeellisen tiedonhankinnan suuntaista. Tässäkään pelkkä toiminta ei vielä riitä, vaan oppilasta tulee ohjata toiminnan pohjalta itse hahmottamaan uusia käsitteitä ja periaatteita. Oppiminen on oppilaan prosessi, jossa hän luo ja käsittelee tietoa kognitiivisten prosessien avulla. Kognitiiviset prosessit ovat henkisiä prosesseja, jotka ovat mukana havaitsemisessa, ymmärtämisessä, tietämisessä ja tiedostamisessa.

Kun otetaan huomioon tiedot oppilaiden ennakkokäsityksistä, oppiminen edellyttää opettajan ohjausta. Sitä tarvitaan työskentelevätpä oppilaat yksin, ryhmässä tai seuratessaan opettajan tekemää demonstraatiota.

Koska oppiminen heijastaa oppilaan toimintaprosesseja, toiminnan säätely ja salliminen on samalla oppimisen säätelyä ja sallimista. Oppimisen kannalta toiminnaksi ei välttämättä vielä riitä esimerkiksi elektroniikan kytkentäalustan kanssa toimiminen, sillä se saattaa olla pelkkää mallin jäljittelyä. Sen tähden konkreettiin toimintaan tulee aina liittyä myös henkinen toiminta. On myös muistettava, että tottuneetkaan oppijat eivät välttämättä osaa valita toimintastrategioitaan tarkoituksenmukaisella tavalla itsenäisesti ilman ohjausta.

Tiedon määrä on niin suuri, että kaikkea ei kuitenkaan voida opettaa koulussa, jolloin koulussa tehtävien kokeiden valintaan vaikuttaa se, miten ne kehittävät oppimaan oppimisen taitoja. Oppimaan oppimisen taitojen oppiminen on tullut selvästi koulun keskeiseksi tavoitteeksi.

Oppilastöiden tekeminen lisää oppilaan vastuuta oppimisesta ja kehittää oppilasta itse suunnittelemaan, ohjaamaan ja arvioimaan omaa oppimistaan. Oppilastyöt kehittävät siten voimakkaasti oppilaan metakognitioita. Kokeellisuus kehittää myös oppilaiden tiedon käsittelytaitoja. Esimerkiksi Adey (1992) on osoittanut, että systemaattisella harjoittelulla voidaan kehittää luonnontieteellisessä kontekstissa luokittelun taitoja.

Uuden oppiminen perustuu aina aikaisemmin opittuun, oppilaalla oleviin tieto- ja taitorakenteisiin. Hyvän oppimisen kannalta on tärkeää, että opettaja tuntee nämä rakenteet. Kun oppilas tutkii luontoa, oppiminen on luontaisesti kumulatiivista. Uudet havainnot tehdään automaattisesti aikaisempien havaintojen pohjalta. Oppilailla voi olla myös virhekäsityksiä, jotka estävät oppimista. Virhekäsitykset on tunnistettava ja "poisopittava" ennenkuin uuden oppiminen onnistuu menestyksellisesti.

Kokeellisuus edellyttää mm. oman toiminnan suunnittelua, hallintaa ja arviointia. Itseohjautuvuus kokeellisuudessa tarkoittaa sitä, että oppilas ymmärtää ja hallitsee omaa toimintaansa. Tämä merkitsee sitä, että oppilas kykenee suunnittelemaan omaa oppimistaan ja ohjaamaan sen etenemistä kohti tavoitteita. Hän haluaa oppia ja osaa arvioida sekä kokeellisen toiminnan että oman oppimisensa tuloksia.

Kokeellisuus edellyttää, että oppilas on ymmärtänyt ja sisäistänyt oppimisen merkityksen ja sen tavoitteet. Oppimisen tavoitteet annetaan opetussuunnitelmassa yleisellä tasolla. On tärkeää, että opettaja yhdessä oppilaitten kanssa täsmentää ja konkretisoi tavoitteet. Oppilaita voidaan ottaa suunnittelemaan kokeita ja luonnontutkimustehtäviä. Kokeiden tavoitteiden asettaminen on elimellinen osa kokeellisuutta.

Yhdessä oppimisella on merkitystä oppilaan tietojen, persoonallisuuden ja sosiaalisuuden kehittymiselle. Oppimisen teoriat on usein johdettu tarkkailemalla yksilön oppimista ja yksilön oppimisessa olevia vaikeuksia. Oppiminen ja tiedon soveltaminen sekä luokassa että yhteiskunnassa ovat kuitenkin sosiaalisia tapahtuma. Sen tähden kokeellisuuteen kuuluu myös tiedon sosiaalinen konstruointi. Tässä konstruoinnissa kielellä on keskeinen asema. Sen tähden oppilaita tulee kannustaa oppilastöitä tehdessä keskustelemaan uusilla käsitteillä ja soveltamaan periaatteita käytännön tilanteisiin. Puheella on myös suuri merkitys metakognitioiden kehittymiselle.

Oppilaiden asenteet fysiikkaa ja kemiaa kohtaan ovat kielteisiä. Asenteet biologiaa ja maantiedettä kohtaan ovat olleet myönteisempiä. Asenteet eivät muutu hetkessä, eikä oppiaineen tuntimäärän kasvattaminen johda välttämättä hyvään tulokseen. Motivoiminen ja asenteisiin vaikuttaminen on osa opettajan ammattitaitoa. Ei ole yhdentekevää, miten oppilaat suhtautuvat tiettyyn oppiaineeseen. Oppiaineiden herättämät tunnereaktiot ilmaisevat paitsi oppilaan koulussa saamia omia kokemuksia, myös yhteiskunnan yleistä asennoitumista eri tieteenaloja kohtaan. Yhteiskunnan asennoituminen heijastuu mm. oppiaineelle annettaviin ajallisiin ja aineellisiin resursseihin. Kokeellinen työskentely ei kehitä pelkästään oppilaiden kognitiivista tai psykomotorista puolta, vaan sillä on havaittu olevan myönteinen merkitys oppilaiden asenteiden kehittymiseen ja luonnontieteiden opiskelusta saatavaan mielihyvään.

Oppiminen on tilannesidonnaista eli kontekstuaalista, sillä tapahtumat jäävät muistiin siinä muodossa kuin ne tulkittiin. Mieleen palauttamisen vihjeenä toimii asiayhteys, konteksti, jossa oppiminen alunperin tapahtui. Oppiminen on siis mielen, kehon, ympäristön ja tilanteen prosessien yhdistelmä.

Kontekstuaalisuutta voidaan pitää omana opetuksen epistemologiana tai oppimisnäkemyksenä. Kun kokeellisuutta tarkastellaan tästä näkökulmasta, huomiota kiinnitetään kontekstiin, siihen ympäristöön, jossa uutta tietoa hankitaan. Kontekstuaalisesti orientoituneessa tutkimuksessa ollaan kiinnostuneita oppimiskäytäntöjen ja toiminnan sekä toiminta- tai oppimisympäristöjen suhteiden tarkastelusta ja niiden kehittämisestä. Tältä pohjalta suunnitellussa opetuksessa kiinnitetään erityistä huomiota siihen, miten reaalielämää ja kouluelämää voidaan lähentää. Tällöin luonnontieteiden opetus lähtee arkielämän ilmiöistä ja tilanteista ja toisaalta luonnontieteellistä tietoa sovelletaan aktiivisesti arkielämän tilanteisiin.

Opetuksen kokeellisuus on keino välittää oppilaille kuva luonnontieteiden luonteesta kokeellisena tieteenä. Oppilaat tutustuvat oppilaslaboratoriossa luonnontieteilijän työskentelytapoihin. Parhaiten luonnontieteiden luonne välittyy luonnontieteellisen tutkimuksen ja projektien välityksellä. Taitava opettaja kytkee luonnontieteiden historian laboratorio-opetukseen. Esimerkiksi, jos oppitunnin aiheena on heiluri, opettaja ottaa esille Galilein tekemät kokeet heilureilla. Pinnallista historiallisen kokeen kytkentää voidaan ehkäistä tarkastelemalla Galilein esittämää kokeellista lakia, jonka mukaan samanlaiset rauta- ja korkkipainosta rakennetut heilurit heiluvat synkronissa yli 1000 heilahdusta. Kun oppilas tekee vastaavan kokeen, hän havaitsee melko nopeasti, että korkkiheiluri jää rautaheilurista jälkeen. Oppilaan oman ja Galilein tekemän havainnon välillä on siis ristiriita, joka ratkeaa, kun aletaan vertailla oppilaan koejärjestelyä Galilein käyttämään koejärjestelyyn. Historian kytkemisellä, oppilas saa luonnontieteisiin persoonallisemman otteen. Oppilas ymmärtää, että luonnontieteiden lait ovat oikeiden henkilöiden luomia ja ne ovat kokeellisia lakeja.

UUSI OTSIKKO