KOKEELLISEN OPETUKSEN UUDISTAMINEN

© Lavonen, Meisalo & al.

Tiivistelmä

Luonnontieteet tutkivat ihmistä ympäröivän luonnon rakenteita, ilmiöitä ja niiden selityksiä tai malleja. Luonnontieteissä ollaan kiinnostuneita siitä, mikä ilmiössä säilyy muuttumattomana ja miten ilmiöön voidaan vaikuttaa. Näihin kysymyksiin etsitään täsmällisiä vastauksia mm. havaitsemalla ja mittaamalla sekä tekemällä hyvin suunniteltuja kokeita, eksperimenttejä. Luonnontieteiden todellisuuskäsityksen mukaan todella olemassa olevaa ovat vain luonnontieteellisin menetelmin havaittavissa ja tutkittavissa olevat oliot ja ilmiöt (katso lisää esim. Kurki-Suonio K. & Kurki-Suonio R., 1994, 106 - 121; 304).

Samoin kuin luonnontieteissä myös luonnontieteiden opetuksessa kohteena ovat luonnon ilmiöt ja rakenteet. Opetuksen kokeellisuus eroaa tieteen kokeellisuudesta sekä tavoitteenasettelun että vaatimustason suhteen. Tieteessä kokeellisuus liittyy uuden tiedon löytämiseen ja hyväksymiseen. Uusi luonnontieteellinen tieto voidaan hyväksyä vasta, kun se on kokeellisesti todennettu ja tulokset on kansainvälinen tiedeyhteisö hyväksynyt. Opetuksen kokeellisuuden tavoitteena on tukea oppilasta oppimaan eli konstruoimaan uutta tietoa tai kehittämään oppilaan taitoja. Opetuksen kokeellisuudella on myös monia muita tavoitteita, kuten oppilaan persoonallisuuden monipuolinen kehittäminen. Yhtenä tavoitteena on  sen osoittaminen, että luonnontieteellisen tiedon keskeisenä kriteerinä on luonto itse. Näin opetuksen kokeellisuudella voidaan  osoittaa luonnontieteiden luonne kokeellisina tieteinä. 

Luonnon tutkija ei suinpäin ryntää kohteen "äärelle" ihmettelemään rakenteita ja ilmiöitä, vaan suunnittelee kokeet aina aikaisempien tietojensa pohjalta. Yleensä kokeita edeltää laaja alan aikaisempaan tutkimukseen perehtyminen muiden kirjoittamia julkaisuja lukemalla. Tutkijan kokeet ovat siis hyvin suunniteltuja ja niillä pyritään vahvistamaan tai kumoamaan aikaisemman tiedon pohjalta muotoillut hypoteesit. Myös oppilas tarkastelee luonnon rakenteita ja ilmiöitä omien aikaisempien tietojensa pohjalta. Tutkimusten mukaan oppilaan aikaisemmat tiedot eli ennakkokäsitykset ovat usein ristiriidassa tieteen käsitysten kanssa.

Opetuksen kokeellisuus on ollut monella tavalla avainasemassa, kun on pyritty kehittämään luonnontieteiden opetusta. Perustelut kokeellisuuden lisäämiseksi vain ovat vaihdelleet suuresti eri uudistuksissa. Esimerkiksi Suomessa vuoden 1994 opetussuunnitelmauudistuksessa kokeellisen työskentelyn uudistamisella haluttiin tehostaa kokeellisen työskentelyn laatua ja saada se tukemaan tiedon luomisen prosesseja. Käytännössä kokeellinen toiminta ei kuitenkaan aina johda aktiiviseen tiedon käsittelyyn ja oppilaan omakohtaiseen tiedon konstruointiin. Kokeellinen toiminta voi olla pelkästään motorista, esimerkiksi virtapiirien rakentelua kytkemällä johtimien avulla erilaisia komponentteja mekaanisesti peräkkäin.

Luonnontieteiden kohde ja menetelmä

Luonnontieteissä tutkija joutuu pelkistämään ja kontrolloimaan tutkimuskohdetta suunnitellessaan eksperimenttiä ilmiön tai olion tutkimiseksi laboratorio-olosuhteissa. Ennen eksperimenttiä asetetaan hypoteesi aikaisemman tutkimustiedon ja teorioiden perusteella. Eksperimentillä tarkoitetaan hyvin suunniteltua luonnontieteellistä koetta, jolla pyritään saamaan asetettua hypoteesia tukeva tai sen hylkäävä tulos. Eksperimentissä pystytään esimerkiksi tarkkailemaan erikseen eri muuttujien vaikutuksia ilmiöön, jolloin useiden mittausten tuloksena saadaan selville riippuvuudet ilmiötä kuvaavien muuttujien välille. Kun riippuvuudet esitetään graafisesti tai matemaattisesti, saadaan ilmiötä esittävä malli tai luonnonlaki. Eksperimentissä saatuja tuloksia siis esitetään ja käsitellään sekä pyritään rakentamaan malleja, joilla ilmiö voidaan ymmärtää. Tuloksia käsiteltäessä ja johtopäätöksiä tehtäessä käytetään päättelymenetelmiä, joita ovat mm. induktio, deduktio, analogiapäättely, hypoteesin esittäminen, todistus, verifiointi ja mallinnus. Näin saatua tietoa käytetään ja sovelletaan jatkotutkimuksissa sekä mm. teknologiassa. Uusi tutkimustieto tarkentaa ja avartaa maailmankuvaa. Yhteiskunta pyrkii monin tavoin vaikuttamaan etenkin tiedon käyttöön ja soveltamiseen ja on toisaalta niistä riippuvainen (ks. lisää esim. Yager, 1996).

Luonnontieteelliset teoriat ovat yhteenkuuluvia malleja tai peruslakeja, jotka selittävät tietyn luonnonilmiöiden luokan. Teoriat pätevät tietyissä olosuhteissa tietyllä tarkkuudella. Esimerkiksi Newtonin lait ovat klassisen mekaniikan peruslakeja. Ne pätevät makrofysiikan ilmiöihin, joihin ei liity suuria nopeuksia tai energioita. Luonnontieteiden tavoitteena on mahdollisimman yleinen ja eksakti teoria, joka selittää kaikki luonnonilmiöt mahdollisimman laajalti ja tarkasti. Kun mallien ja teorioiden pätevyysalueet tunnetaan, niitä voidaan käyttää hallitusti uusien ilmiöiden ennustamiseen. Luonnontieteiden edistyminen perustuu kokeellisen ja teoreettisen tutkimuksen vuorovaikutukseen. Tämä vuorovaikutus tuottaa rakenteellista, edistyvää ja itseään korjaavaa tietoa. Kokeellisuus ja teoreettisuus liittyvät siten molemmat luonnontieteelliseen menetelmään ja tietoon. Luonnontieteiden luonteeseen tieteenä kuuluu pyrkimys liittää uusi tieto tunnettuun yhtenäiseen tietorakenteeseen ja pyrkimys teorian pätevyysalueen laajentamiseen. Uuden tiedon syntyessä vanha jää voimaan tietyissä olosuhteissa paikkansa pitävänä raja-arvona tai approksimaationa.

Kuvio 1. Luonnontieteiden tutkimuksen kohde ja menetelmä (vrt. Kurki-Suonio K. & Kurki-Suonio R. 1994, 108).

Ihminen on aina pyrkinyt käyttämään tietoisesti hyväkseen luonnonilmiöitä. Tästä pyrkimyksestä on alkanut tekniikan kehitys. Fysiikan ja tekniikan kehitys ovat olleet voimakkaassa vuorovaikutuksessa keskenään eikä niitä voi toisistaan erottaa. Newtonin mekaniikkaa voidaan käyttää hyväksi koneiden ja rakenteiden suunnittelussa. Sähködynamiikka teki mahdolliseksi 1860-luvulta alkaen halvan energiansiirron ja energian tuotannon keskittämisen voimalaitoksiin. Keskeisin ero teknologian ja luonnontieteiden välillä on tavoitteessa. Luonnontieteilijän tavoitteena on tieto sinänsä ja tekniikan tutkijalla tieto jotakin varten.  Luonnontieteilijä esittää kysymyksen miksi ja teknologian/tekniikan tutkija kysymyksen miten (saadaan) tai mitä hyötyä. Miten-kysymyksen esittämisen tavoitteena on teknologisen sovelluksen aikaansaaminen ja hyöty. Miksi-kysymyksen esittämisen tavoitteena on ymmärtäminen ja maailmankuvan laajentaminen. Molemmat kysymykset johtavat erilaiseen vuorovaikutukseen tai prosessiin ympäristön kanssa. Luonnontieteellinen ja teknologinen prosessi eroavat toisistaan siis tavoitteen perusteella (vrt. Bunge 1983; Kurki-Suonio & Kurki-Suonio 1994, 144–153; Herschbach 1996; Yager 1996). Luonnontieteellisen tutkimusprosessin tavoitteena on ymmärtää ilmiöitä ja lakeja sekä luoda havainnoista ja mittauksista käsin lakeja ja teorioita. Tämä ymmärtäminen alkaa ilmiön kuvailulla, tieteen miten-kysymyksillä.  Teknologinen prosessi suuntautuu teoriasta luontoon ja sen tavoitteena on tehokkaasti ja luovasti soveltaa luonnonlakeja ja malleja sekä kontrolloida maailmaa eli saada aikaan tai ohjata olioita (laitteita) ja prosesseja. Teknologisen prosessin tuloksia ovat kaupalliset tuotteet, yleensäkin tieteen sovellukset ja sosiaalis-kulttuurinen ympäristö.

Teknologista tietoa ovat kuvaileva (descreptive), ohjaava (normatiivinen) (prescriptive) ja sanaton (tacit). Kuvailevaa tietoa ovat mm. laitteiden käyttöohjeet, materiaalien käsittelyohjeet ja tekniset manuaalit. Vaikka ne saattavat muistuttaa esimerkiksi luonnonlakeja, ne eivät ole samalla tavalla tieteellisiä. Ohjaavaa tietoa syntyy muun muassa yrityksen ja erehdyksen kautta. Perimätieto ja tapakulttuuri sisältävät paljon ohjaavaa tietoa. Sanaton tieto on implisiittistä tietoa ja taitoa eikä sitä esitetä useinkaan formaalisti, sillä se opitaan tekemällä (Herschbach 1996). Nykyaikaiselle teknologialle on tyypillistä, että kaikkea kuvailevaa, ohjailevaa ja sanatonta tietoa käytetään yhtä aikaa hyväksi, esimerkiksi käytettäessä hyväksi tieto- ja viestintätekniikkaa.

Kaikki teknologian ja teknologiakasvatuksen tutkijat eivät ole samaa mieltä teknologisen tiedon luonteesta. Esimerkiksi Erekson (1992, 7–16) esittää, että teknologian alan tietämys on samankaltaista kuin minkä tahansa tieteenalan tietämys. Tämä tietämys voidaan mm. pelkistää opetussuunnitelman elementeiksi. Siksi teknologian opiskelu on samantapaista kuin minkä tahansa muunkin koulun oppiaineen kuten matematiikan tai luonnontieteiden opiskelu. Myös Niiniluoto (1984, 275) esittää, että teknologiaa ei pidä nähdä pelkästään tieteen sovelluksena, vaikka sen tavoitteena onkin parhaan mahdollisen käytännön ratkaisun löytäminen (vrt. Layton, 1988, 367–371). Herschbach (1996) sitävastoin perustelee epistemologisesti ja etymologisesti, että teknologinen tietämys ei ole siinä mielessä tieteellistä tietoa kuin on esimerkiksi luonnontieteellinen, tieto eikä sitä voi opettaa samalla tavalla kuin esimerkiksi luonnontieteitä. Myös Kurki-Suonio K. ja Kurki-Suonio R. (1994, 152) esittävät, että teknologian päämääränä ei varsinaisesti ole tieto, vaan tuote ja sitä kautta ihmisen elämän helpottaminen, elintason parantaminen ja mukavuuden lisääminen luontoa hyväksikäyttäen, luonnontieteellistä tietoa soveltaen, luonnonilmiöitä säätämällä ja elinympäristöä muokkaamalla.

Tutkimuksen kohteeksi valittavien olioiden ja ilmiöiden valintaa ohjaavat yhteiskunnassa pinnalla olevat arvot ja toisaalta poliittisesta päätöksenteosta riippuva rahoitus. Ne ohjaavat myös tiedon soveltamista ja hyödyn tavoittelua. Sitävastoin tutkimuksen rahoittajien ei toivota vaikuttavan perustutkimuksen kohteiden valintaan, tutkimusmenetelmiin tai tutkimuksen laadun kriteereihin. Tieteen pitäisi olla autonomista. Leikola (1986, 150–151) korostaa tieteen itseisarvoa ja arvostelee tieteen ja teknologian kiinteää suhdetta sekä kantaa huolta siitä, että luonnontieteilijät joutuvat usein syntipukeiksi, vaikka oikeita syyllisiä olisivat teknologian tuottajat ja käyttäjät. Yksittäisen kansalaisen tai kuluttajan näkökulmasta yhteiskunta ja elinkeinoelämä käyttävät hyödykseen luonnontieteellistä ja teknologista tietoa palvelujen tuottamisessa sekä tuotantotoiminnassa ja kansalaiset myös käyttävät niitä hyväkseen päivittäin.

Luonnon olioiden ja ilmiöiden tutkija sekä teknologian tutkija tai kehittäjä kuuluu tiedeyhteisöön, joka hyväksyy ja jakaa tutkijan tai tutkijaryhmän hankkiman uuden tiedon. Tieteellisen tutkimuksen tulokset on aina julkaistava ja asetettava kritiikille alttiiksi. Kaikkia teknologisia oivalluksia ei kuitenkaan julkaista, koska niihin liittyy usein huomattava kaupallinen intressi. Myös opiskelulle on luonteenomaista se, että opiskelijayhteisö jakaa uuden tiedon keskenään. Siksi opiskelijoita ohjataan keskustelemaan kokeellisesti hankitusta tiedosta tai aineistosta, sen käsittelystä ja mallintamisesta sekä sen luotettavuuden arvioimisesta. 

Luonnontieteiden opetus ja teknologiakasvatus

Kuvio 1 kuvaa luonnontieteiden ja teknologian opetusta, sisältöjä ja opetusmenetelmiä, jos korvataan tutkija oppilaalla ja tiedeyhteisö luokkayhteisöllä. Tällöin saadaan kuvio, jonka perusteella on mielenkiintoista analysoida, miten toiminta oppitunnilla eroaa tutkijan toiminnasta ja toisaalta nähdä niissä samoja piirteitä. Luonnollisesti on muistettava, että perusluonnontieteiden ja tekniikan tutkimuksen parissa työskentelee vain pieni osa kansalaisista, mutta yleissivistävän koulun käyvät meillä lähes kaikki. Toisaalta on muistettava, että tekniikan/teknologian alalle on jatkuvasti tullut lisää työpaikkoja ja sen parissa työskentelee tulevaisuudessa todennäköisesti yhä suurempi joukko kansalaisista. Opiskelijoista näille aloille on huutava pula, vaikka työpaikkoja olisi valmistuville runsaasti tarjolla. Ilmeisesti koko yleissivistävän koulun luonnontieteiden opetuksen tavoitteet olisi arvioitava uudelleen ja pohdittava luonnontieteiden opetuksen merkitystä yhteiskunnan kannalta (vrt. Macaskill ja Ogborn, 1996, 55).

Opetuksen kohde ja menetelmät ilmaistaan opetussuunnitelman perusteissa. Perusopetuksen opetussuunnitelman (POPS 2004, 191, 195) ja lukion opetussuunnitelman (LOPS 2003, 144, 152) perusteiden mukaan fysiikan ja kemian opetuksen tehtävänä on laajentaa oppilaan luonnontieteellistä perussivistystä, käsitystä luonnontieteellisen tiedon luonteesta, vahvistaa kokeellisen tiedonhankinnan taitoja sekä ohjata luonnontieteille ominaiseen ajatteluun, tiedonhankintaan ja tietojen käyttämiseen elämän eri tilanteissa. Vuoden 2003 lukion opetussuunnitelmien perusteissa luonnehditaan fysiikkaa ja kemiaa empiirisenä luonnontieteenä ja korostetaan luonnehdintojen pohjalta opetukselle luonteenomaista kokeellisuutta ja kokeellisuudelle asetettavia tavoitteita (LOPS 2003, 144, 152). Fysiikan ja kemian opetuksen kohdetta ja opetuksessa käytettäviä työtapoja voidaan analysoida kuvion 1 pohjalta. Tällöin saadaan kuvio 2, jonka perusteella on mielenkiintoista analysoida, miten toiminta oppitunnilla eroaa tutkijan toiminnasta ja toisaalta nähdä niissä samoja piirteitä.

Yhteisö. Kuvion 1 voidaan muuntaa kuvaamaan luonnontieteiden opetusta, sisältöjä ja opetusmenetelmiä, kun korvataan tutkija oppilaalla ja tiedeyhteisö luokkayhteisöllä. Tieteessä tiedeyhteisö jakaa uuden tiedon keskenään. Myös luokassa oppilaita ohjataan keskustelemaan kokeellisesti hankitusta aineistosta, sen käsittelystä ja mallintamisesta sekä arvioimaan sen luotettavuutta (vrt. Solomon, 1987). Oppitunneilla on läsnä opettaja, joka on monella tavalla auktoriteetti. Tieteestä auktoriteetit puuttuvat.

Kohde. Luonnontieteissä kuten niiden opetuksessa kohteena ovat luonnon tai ihmisen aikaansaamat rakenteet, ilmiöt ja prosessit. Tämä on ilmaistu myös opetussuunnitelmien perusteissa. Vuosiluokilla 7–9 fysiikan opetuksen ydintehtävänä on laajentaa oppilaan tietämystä fysiikasta. Vastaavasti kemian opetuksen tehtävänä on laajentaa oppilaan tietämystä kemiasta (POPS 2004, 191, 195). Vuoden 2003 lukion opetussuunnitelmien perusteissa todetaan, että kemian opetuksen tarkoituksena on tukea opiskelijan luonnontieteellisen ajattelun ja nykyaikaisen maailmankuvan kehittymistä osana monipuolista yleissivistystä (LOPS 2003, 144, 152). Lukion opetussuunnitelmien perusteissa kuvaillaan myös, miksi opetuksen sisällöiksi on valittu tietyt sisällöt. Esimerkiksi lukion kemian osalta todetaan, että kemian opetus välittää kuvaa kemiasta yhtenä keskeisenä perusluonnontieteenä, joka tutkii ja kehittää materiaaleja, tuotteita, menetelmiä ja prosesseja kestävän kehityksen edistämiseksi (LOPS 2003, 152).

Menetelmä. Opetuksen kokeellisuus on ollut monella tavalla avainasemassa, kun on pyritty kehittämään luonnontieteiden opetusta. Kokeellisuudelle asetetut tavoitteet vain ovat vaihdelleet suuresti eri uudistuksissa (ks. tarkemmin luku 4). Esimerkiksi Suomessa vuoden 1994 opetussuunnitelmauudistuksessa (POPS 1994) kokeellisen työskentelyn uudistamisella haluttiin saada se tukemaan tiedon luomisen prosesseja. Vuoden 2004 perusopetuksen ja lukion opetussuunnitelmien perusteissa (POPS 2004, 191, 195; LOPS 2003, 144) todetaan, että kokeellisuuden tehtävänä on auttaa oppilasta hahmottamaan luonnontieteiden luonnetta ja omaksumaan uusia luonnontieteellisiä käsitteitä, periaatteita ja malleja sekä kehittää kokeellisen työskentelyn ja yhteistyön taitoja ja innostaa oppilasta fysiikan opiskeluun. Sekä perusopetuksessa että lukiossa edellytetään, että opiskelija oppii suunnittelemaan kokeita yhdessä ja keskustelemaan kokeellisesti hankitusta tiedosta tai aineistosta, sen käsittelystä ja mallintamisesta sekä sen luotettavuuden arvioimisesta. Lukion tavoitteissa mainitaan myös matemaattinen mallintaminen sekä fysiikassa että kemiassa: Tavoitteena on löytää luonnossa yleispäteviä lainalaisuuksia ja esittää ne matemaattisina malleina. Vaikka luonnontieteellisen tiedon lähteenä korostetaan luontoa, on selvää, että koulussa luonnontieteellisen tiedon lähteinä ovat lisäksi oppi- ja tietokirjat, digitaaliset tietovarannot ja alan asiantuntijat. Jollei opettaja valitse huolella työtapoja ja sisältöjä, kokeellinen toiminta ei välttämättä aina johda aktiiviseen tiedon käsittelyyn ja oppilaan omakohtaiseen tiedon konstruointiin ja se voi olla vain motorista toimintaa, esimerkiksi virtapiirien rakentelua.

Opetuksen kokeellisuus eroaa tieteen kokeellisuudesta sekä tavoitteenasettelun että vaatimustason suhteen. Tieteessä kokeellisuus liittyy uuden tiedon hankkimiseen ja hyväksymiseen. Uusi luonnontieteellinen tieto voidaan hyväksyä vasta, kun se on kokeellisesti todennettu ja tulokset on kansainvälinen tiedeyhteisö hyväksynyt. Opetuksen kokeellisuuden tavoitteena on tukea oppilasta oppimaan eli konstruoimaan uutta tietoa tai kehittämään oppilaan taitoja. Opetuksen kokeellisuudella on myös monia muita tavoitteita, kuten oppilaan motivoiminen ja persoonallisuuden monipuolinen kehittäminen. Yhtenä kokeellisuuden tavoitteena on sen osoittaminen, että luonnontieteellisen tiedon keskeisenä kriteerinä on luonto itse. Opetuksen kokeellisuudella voidaan siis osoittaa luonnontieteiden luonne kokeellisina tieteinä.

Luonnonilmiöiden tutkija ei ryntää kohteen "äärelle" ihmettelemään olioita ja ilmiöitä, vaan suunnittelee kokeet olemassa olevan tieteellisen tiedon pohjalta. Yleensä kokeita edeltää laaja alan aikaisempaan tutkimukseen perehtyminen muiden kirjoittamia julkaisuja lukemalla. Tutkijan kokeet ovat siis hyvin suunniteltuja ja niillä pyritään vahvistamaan tai kumoamaan aikaisemman tiedon pohjalta muotoillut hypoteesit. Myös oppilas tarkastelee luonnon rakenteita ja ilmiöitä omien aikaisempien tietojensa pohjalta. Tutkimusten mukaan oppilaan aikaisemmat tiedot eli ennakkokäsitykset ovat usein ristiriidassa tieteen käsitysten kanssa. Nämä oppilaan ennakkokäsitykset on otettava huomion opetuksessa (Driver, 1983; Pfundt & Duit, 1993). Kuviossa 3 on vertailtu tieteen ja opetuksen kohdetta ja menetelmää.

Kuvio 3. Luonnontieteen ja luonnontieteiden opiskelun vertailua.

Tieto ja ennakkokäsitykset. Ennakkokäsitysten huomioon ottaminen on todettu myös uusissa opetussuunnitelmien perusteissa. Esimerkiksi perusopetuksen opetussuunnitelmien perusteissa nimetään ala-luokilla fysiikan ja kemian opetuksen lähtökohdaksi oppilaan aikaisemmat tiedot, taidot ja kokemukset sekä ympäristön kappaleista, aineista ja ilmiöistä tehdyt havainnot ja tutkimukset, joista edetään kohti fysiikan ja kemian peruskäsitteitä ja periaatteita (POPS 2004, 188). Lukion fysiikan opetussuunnitelmien perusteissa todetaan, että opiskelija oppii tarkastelemaan luonnon rakenteita ja ilmiöitä omien aikaisempien tietojensa ja käsitystensä valossa (LOPS 2003, 144).

Yleistavoitteet. Yleissivistävän koulun opetussuunnitelmat ovat kehittyneet peruskoulu-uudistuksesta lähtien tavoitepainotteisiksi. Samalla oppiainekohtaisissa tavoitteissa on otettu huomioon myös yleistavoitteita. Tavoitteiden hierarkiassa ylimpänä ja yleisimpänä ovat koulutusjärjestelmälle yhteiskunnan taholta asetetut tavoitteet ja alimpana mm. eri työtavoille, oppilastöille ja demonstraatioille asetettavat tavoitteet (ks. lisää Meisalo & Erätuuli 1985, 59).  Luonnontieteellisissä oppiaineissa opetuksen tavoitteiksi asetetaan yleisesti oppiaineiden luonteen mukaisesti luonnontieteellisen tiedon ja menetelmän oppiminen sekä luonnontieteiden luonteen hahmottaminen. (Hodson 1996; Gott & Duggan 1996; Millar et al. 1999: 42–47). Luonnontieteellisen menetelmän käyttö opetuksessa voi olla aihepiiristä, opetuksen tavoitteesta, vaiheesta ja välineistä riippuen oppilaiden omakohtaista työskentelyä, opettajan esittämiä demonstraatioita, vierailujen, videoiden tai vain kerronnan kautta tapahtuvaa toimintaa.

Fysiikan ja kemian opetus antaa myös oppilaalle persoonallisuuden kehittymisen ja nykyaikaisen maailmankuvan muodostamisen kannalta välttämättömiä tietoja ja valmiuksia tehdä jokapäiväisiä valintoja ja keskustella mm. energiavarojen käyttöön ja ympäristön suojeluun ja teollisuuteen liittyvistä asioista sekä ohjata oppilasta ottamaan vastuuta ympäristöstään. Lukion opetussuunnitelmien perusteissa korostuvat yleissivistyksen laajentamiseen liittyvien tavoitteiden rinnalla opiskeluvalmiuksien kehittämiseen liittyvät tavoitteet: ”Kemian opetuksen toteutuksessa otetaan huomioon opiskelijoiden opiskeluvalmiudet ja luodaan myönteinen kuva kemiaa sekä sen opiskelua kohtaan.” (LOPS 2003, 152).

Monissa maissa luonnontieteitä ja teknologiaa opetetaan toisistaan erillään, jolloin asioiden käsittely on päällekkäistä ja oppilaan on vaikeaa muodostaa asioista kokonaiskuvaa (Waddington 1987 ,44; Black & Atkin 1996, 53–60). Teknologian asemaa erillisenä oppiaineena voidaan perustella mm. sen tarjoamilla mahdollisuuksilla kehittää oppilaan erilaisia ongelmanratkaisutaitoja erilaisissa ympäristöissä (Black & Atkin 1996, 88). Suomessa ei ole katsottu erillistä teknologia-oppiainetta yleissivistävässä koulussa tarkoituksenmukaiseksi. Erilaisia yrityksiä tähän suuntaan on kuitenkin ollut. Esimerkiksi 1970-luvulla lukioon suunniteltiin "työkasvatus ja teknologia" -nimistä oppiainetta, mutta valtioneuvosto katsoi kuitenkin tarkoituksenmukaisemmaksi jakaa työkasvatuksen ja teknologian kuuluvaksi eri oppiaineiden sisältöihin. Nykyisin puhutaan teknologiakasvatuksesta ja sen sisällyttämisestä fysiikkaan ja käsityöhön. Vaikka tilanne periaatteessa voisi olla ihanteellinen teknologian opetuksen ja opiskelun kannalta, käytännössä teknologian asema suomalaisessa koulussa on ongelmallinen. Sitä opettavat mm. fysiikan ja teknisen työn opettaja omista lähtökohdistaan käsin. Tällä tavalla teknologian opetusta lähestyttäessä tulee helposti päällekkäisyyttä ja toisaalta teknologian tiedonala saattaa kokonaan jäädä opiskelematta, koska se ei oikein kuulu minkään oppiaineen keskeisiin sisältöihin tai tavoitteisiin. Esimerkiksi käsityön sisällä teknologian määrä ja painotukset voivat vaihdella suuresti (ks. lisää Autio 1997). 

Suomessa ei ole katsottu erillistä teknologia-oppiainetta tarkoituksenmukaiseksi ratkaisuksi järjestää yleissivistävän koulun teknologiaopetusta. Erilaisia yrityksiä tähän suuntaan on kuitenkin ollut jatkuvasti. Esimerkiksi 1970-luvulla lukioon suunniteltiin "työkasvatus ja teknologia" -nimistä oppiainetta, mutta valtioneuvosto katsoi kuitenkin tarkoituksenmukaisemmaksi jakaa työkasvatuksen ja teknologian kuuluvaksi eri oppiaineiden sisältöihin. Vastaava linjaus on tehty myöhemmissäkin opetussuunnitelmauudistuksissa. 2000-luvulla Suomessa puhutaan yleisesti teknologiaopetuksesta tai –kasvatuksesta tai teknologian opetuksesta ja sen sisällyttämisestä mm fysiikkaan, kemiaan ja käsityöhön. Suomessa teknologian opetusta ja teknologiakasvatuksen kehittämistä on ajanut Teknologiakasvatuksen tutkimusyhdistys, joka perustettiin vuonna 1996 kehittämään alan tutkimusta, pitämään yllä kansainvälisiä yhteyksiä ja tiedottamaan alan kehittämisestä (http://www.cc.jyu.fi/~ziggy/tekninen/TEKA/teka.html). Yhdistys on mm. käynnistänyt keskustelua teknologia oppiaineesta ja sen yhteyksistä muihin oppiaineisiin ja aihekokonaisuuksiin sekä mm. yrittäjyyteen (ks. lisää Kananoja, 2000).

Vuoden 2004 perusopetuksen opetussuunnitelmassa nimetään 7 aihekokonaisuutta (POPS 2004, 38) ja lukion opetussuunnitelman perusteissa 6 aihekokonaisuutta (LOPS 2003, 25), joita luonnehditaan sellaisiksi kasvatus- ja opetustyön keskeisiksi painoalueiksi, joiden tavoitteet ja sisällöt sisältyvät useisiin oppiaineisiin. Näiden aihekokonaisuuksien mainitaan olevan samalla eheyttäviä teemoja. Aihekokonaisuudet kuvataan erikseen, mutta niiden toteuttaminen on jätetty eri oppiaineisiin niille luonteenomaisista lähtökohdista.

Perusopetuksessa (POPS 2004, 42-43) Ihminen ja teknologia -aihekokonaisuuden päämääränä on auttaa oppilasta ymmärtämään ihmisen suhdetta teknologiaan ja auttaa näkemään teknologian merkitys arkielämässä. Lukion opetussuunnitelmien perusteissa (LOPS 2003, 28) todetaan, että teknologian perustana on luonnossa vallitsevien lainalaisuuksien tunteminen ja, että teknologia sisältää tiedon ja taidon suunnitella, valmistaa ja käyttää teknologisia tuotteita, prosesseja ja järjestelmiä. Oppilaalle on siis taattava mahdollisuus opiskella perustietoa teknologiasta, sen kehittämisestä ja vaikutuksista mm. yhteiskunnan kehittymiseen, opastaa järkeviin valintoihin ja johdattaa pohtimaan teknologiaan liittyviä eettisiä, moraalisia ja tasa-arvokysymyksiä. Siksi on luonnollista, että teknologiaa opettavat mm. fysiikan, kemian ja teknisen työn tai tekstiilityön opettaja omista lähtökohdistaan käsin. Vaikka tilanne teknologian opiskelulle periaatteessa voisi olla ihanteellinen teknologian opetuksen ja opiskelun kannalta, voi teknologian alaan kuuluva tieto ja taito jäädä kokonaan opiskelematta koulussa, jos opettajat eivät tee yhteistyötä opetuksen suunnittelussa koulun tasolla.

Kokeellisen opetuksen uudistamisen lähestymistapoja

Lukuisia kertoja ollaan uudistettu opetussuunnitelmia tai käynnistetty kehittämishankkeita, kun ollaan oltu huolestuneita siitä, että oppilaat eivät opi luonnontieteitä, tai ne eivät kiinnosta oppilaita (ks.johdanto). Uudistuksia on perusteltu mm. filosofian (miten tieteellinen tieto syntyy ja perustellaan; epistemologian) ja oppimisen psykologian tutkimustuloksilla (miten uusi tieto opitaan). Uudistamisen lähestymistapoja on esimerkiksi johdettu tarkastelemalla luonnontieteitä ja niiden edistymistä ja vertaamalla oppilasta jollain tavalla tutkijaan (Pupils as scientist ?). Seuraavksi tarkastellaan ensin yleisesti opetuksen uudistamista ja siihen liittyvää tutkimustietoa ja sitten esimerkkejä luonnontieteiden opetuksen uudistamisen lähestymistavoista ja arvioidaan kutakin uudistamispyrkimystä tutkimustiedon valossa.

Uudistusten leviäminen ja käyttöönotto

Koulun kehittämistä ja opetuksen uudistamista on tarkasteltu yleisellä tasolla mm. innovaatioiden ja niiden leviämisen teorioiden (esim. Kuitunen 1996, 27–66) sekä postmodernismin ja kompleksisten systeemien näkökulmasta (esim. Sahlberg 1996). Koulua ja opetusta voidaan kehittää mm.:
– kehittämällä opetuksen strategioita ja niiden toimeenpanosuunnitelmia;
– uudistamalla opetussuunnitelmia joko painottamalla tavoitteita tai sisältöjä uudella tavalla, järjestämällä niitä, karsimalla tai tuomalla uusia sisältöjä ja tavoitteita;
– laatimalla uudentyyppisiä oppimateriaaleja;
– kehittämällä opetus- ja opiskelumenetelmiä, työtapoja;
– kehittämällä opettajien perus-, jatko- ja täydennyskoulutusta;
– kehittämällä tieto- ja viestintätekniikan käyttöä opetuksessa (Fullan 1991; Treagust, Duit & Fraser, 1996; Willis, 1997).

Luonnontieteiden opetuksen tutkimuksen käsikirjassa Tobin, Tippins ja Gallard (1994, 64) esittävät keskeiseksi syyksi opetuksen hitaalle uudistumiselle opettajien opetusta ja oppimista koskevien uskomusten muuttamisen vaikeuden: ” Many of the reform attempts of the past have ignored the role of teacher beliefs in sustaining the status quo. The studies ... suggest that teacher beliefs are a critical ingredient in the factors that determine what happens in classrooms”.

Uudistuksen käyttöönotolla tarkoitetaan prosessia, jossa uudistuksen omaksuja on tullut tietoiseksi uudistuksen sisällöstä ja ottaa sitä käyttöönsä omassa työyhteisössään. Rogersin (2003) kuvaamassa uudistuksen omaksumisprosessissa yksilö etenee tutustumisvaiheesta joko uudistuksen ottamiseen osaksi omaa työtä tai uudistuksen hylkäämiseen. Prosessin vaiheet ovat:
1. Tullaan tietoiseksi uudistuksesta ja sen ominaisuuksista sekä toiminnasta.
2. Vakuuttumisvaiheessa muodostetaan persoonallinen tai professionaalinen käsitys uudistuksesta.
3. Päätöksentekovaiheessa päätetään joko hylätä tai omaksua uudistus ainakin osittain, jotta sen käyttökelpoisuutta voidaan arvioida.
4. Käyttöönottovaiheessa otetaan uudistus käyttöön, kohdataan sen toteuttamiseen liittyvää epävarmuutta, keksitään sitä uudelleen useista eri syistä ja integroidaan olemassa oleviin käytäntöihin.
5. Vahvistamisvaiheessa etsitään vahvistusta käyttöönottopäätöksille ja tarvittaessa muutetaan niitä.

Fullan (1991, 68) on ryhmitellyt kasvatuksen alueen uudistusten leviämiseen ja käyttöönottoon vaikuttavat tekijät kolmeen ryhmään:
1. Uudistuksen ominaisuudet, kuten sen omaksumisprosessia edeltävät tarpeet, selkeys, rakenteen monimutkaisuus ja laatu sekä käytännöllisyys suhteessa omaan kouluyhteisöön.
2. Paikalliset olosuhteet joita ovat paikalliset tai alueelliset olosuhteet, koulu yhteisönä; koulun resurssit ja käytössä olevat opetusvälineet; opettajien yhteistyö koulun tasolla; opettajien aikaisemmat tiedot taidot ja uskomukset; rehtorin tai koulunjohtajan rooli työyhteisön johtajana; sekä opettajien tarve ja halu sitoutua uudistuksen käyttöönottoon ja siihen kuuluvaan muutosprosessiin.
3. Koulun ulkoiset tekijät, kuten alueellinen ja valtakunnallinen koulutuspolitiikka ja siihen kuuluvat rahoitussäädökset; kansalliset strategiat ja opetussuunnitelmat; sekä saatavilla oleva täydennyskoulutus.
Edellä luetellun kolmen tekijän lisäksi monet tutkijat pitävät neljäntenä uudistusten leviämiseen vaikuttavana tekijänä koulujen välistä verkostoitumista ja sen tuomaa tukea. Erityisesti tieto- ja viestintätekniikan kehittyminen mahdollistaa vuorovaikutteisen asiantuntijuuden ja materiaalien jakamisen myös oman koulun ulkopuolella. Fullanin (1994, 71) mukaan uudistuspyrkimysten yhteydessä useimmissa kouluissa tapahtuu käytännössä muutosaaltoilua, koska uudistamiseen tähtäävät projektit ovat lyhytkestoisia ja hajanaisia ja saavat aikaan koulun kehittymisen asemasta painostavaa ylikuormitusta.

Riippumatta uudistuksesta, sen leviämisen tai käyttöönoton on havaittu noudattavan Rogersin (2003) kuvailemaa yleistä uudistusten leviämisen mallia. Rogersin mukaan uudistuksen tai innovaation leviäminen on prosessi, jonka avulla innovaatio välittyy joidenkin tiettyjen kanavien kautta jollakin aikavälillä jonkin sosiaalisen järjestelmän jäsenille. Itse uudistus, välittymisen kanava, aika ja sosiaalinen järjestelmä ovat Rogersin mukaan keskeiset tekijät kaikkien innovaatioiden leviämisessä. Välittäessään uusia ideoita osallistujat luovat ja jakavat tietoa keskenään saavuttaakseen yhteisymmärryksen. Leviäminen ei ole yksisuuntainen eikä suoraviivainen prosessi, vaan moneen suuntaan etenevien ja risteilevien polkujen kudelma.

Rogers (2003) luokittelee uudistuksen omaksujat tai käyttöönottajat viiteen kategoriaan: innovaattorit, varhaiset omaksujat, aikainen enemmistö, myöhäinen enemmistö ja vitkastelijat (innovators, early adopters, early majority, late majority and laggards). Kuhunkin omaksujaluokkaan kuuluvilla yksilöillä on yleensä useita samankaltaisia piirteitä. Uudistuksen ottaa ensin käyttönsä pieni innovaatoreiden edelläkävijäryhmä ja seuraavana ovat vuorossa varhaisten omaksujien ryhmä jne. Uudistus leviää yhteisössä vaiheittain, jolloin yhteisön yksilöt ovat eri vaiheissa uudistuksen vastaanottamisessa.

Black ja Atkin (1996) analysoivat eri OECD-maissa toimeenpantuja 23 matematiikan, luonnontieteiden ja teknologian opetuksen uudistamishanketta ja havaitsivat, että koulun kehittäminen ja innovaatioiden levittäminen opetussuunnitelmauudistuksen, tutkimuksen tai kehittämishankkeen keinoin on huomattavasti monimutkaisempaa kuin se näyttää olevan. Jos innovaatio onnistutaan levittämään, sillä on usein odottamattomia seurauksia. Oppilaat saattavat olla esimerkiksi paremmin motivoituneita, mutta oppivat vähemmän. Innovaatio saattaa saada opettajat innostumaan, mutta oppilaat vastustamaan sitä. Kaikille em. kehittämishankkeilla oli Blackin ja Atkinin (1996, 50) mukaan pyrkimyksenä opettaa sellaisia käsitteitä ja periaatteita, joilla voidaan jäsentää ja ymmärtää luonnonilmiöitä (how the world works) ja ratkaista henkilökohtaisia ja sosiaalisia ongelmia. Kolmantena yhteisenä piirteenä kehittämishankkeilla oli osoittaa, kuinka luonnontieteellinen menetelmä ja matematiikka ovat avainasemassa hankittaessa tietoa luonnosta.

Seuraavassa tarkastellaan lyhyesti nk. perinteisen opetuksen olemusta ja sen jälkeen omissa luvuissaan erilaisia lähestymistapoja, joita on kehitetty opetuksen uudistamiseksi. 

”Perinteisen” opetuksen uudistaminen

Luonnontieteiden opetusta ja erityisesti opetuksen kokeellisuutta on pyritty uudistamaan eri aikakausina eri tavoin, kuten sisältöjä uudelleen järjestämällä, uusia sisältöalueita mukaan ottamalla ja opetusmenetelmiä uudistamalla (ks. lisää. Hodson, 1996a, 1996b; Gil-Pérez, 1996; Lavonen & Meisalo, 1997, 17–25). Uudistuksia käynnistettäessä on usein moitittu, että opetus perustuu liiaksi lähestymistapaan, jonka mukaan hyvin jäsenneltyä ”valmista tietoa” pyritään siirtämään oppilaan ajatuksiin (esim. Treagust, Duit & Fraser 1996, 5). Käytännössä oppilaita voidaan esimerkiksi pyytää jäljentämään taululta tekstiä, kuten komponenttien piirrosmerkkejä ja kuvauksia niiden toiminnasta vihkoihinsa. Oppilaiden tehtävänä on siis kopioida tieto ja samalla hyväksyä ja omaksua tämä tieto. Tällainen "perinteinen" opetuksen lähestymistapa pyrkii nopeaan ja tehokkaaseen tiedon siirtoon. Ikävä kyllä, Oppimisesta ja siirtovaikutuksesta tehtyjen tutkimusten mukaan tällainen lähestymistapa ei tue merkitysten syntymistä ja sellaisten tietorakenteiden kehittymistä, joista olisi hyötyä ongelmien ratkaisemisessa (Bransford, Brown & Cocking, 2000). Oppilas ei pysty liittämään uutta tietoa aikaisempiin tietoihinsa ja oppiminen tällä lähestymistavalla on pinnallista. (Novak & Gowin, 1993, 3-5; Roth & Roychoudhury, 1993; Lijnse, 1997)

Toisaalta on hyvä muistaa, että opettaja on ainut luokassa, joka hallitsee fysiikan ja kemian sisällöt ja menetelmät eli on ekspertti. Opettaja tuntee myös oppilaiden ennakkokäsitykset, tietää, kuinka oppilaat oppivat, ja tuntee luokan oppilaat, heidän odotuksensa ja ”tavat”. Opettaja tuntee myös opetussuunnitelman ja tietää mikä on olennaista. Sen tähden opettajan johdolla eteneminen voi olla hyvinkin tarkoituksenmukaista.

Keksivä oppiminen

Sekä Yhdysvalloissa että Englannissa huolestuttiin fysiikan ja kemian opetuksen tasosta, kun tieto neuvostoliittolaisten laukaisemasta Sputnik tekokuusta tavoitti länsimaat vuonna 1957. Molemmissa maissa käynnistettiin laajamittaisia opetuksen uudistamishankkeita tavoitteena saada fysiikasta ja kemiasta aiempaa kiinnostavampia ja helpommin omaksuttavampia. Englannissa Nuffield säätiö käynnisti laajamittaisen luonnontieteiden opetuksen uudistamishankkeen ja Yhdysvalloissa Massachusetts Institute of Technology (M.I.T.) perusti komitean Physical Science Study Committee (PSSC) kehittämään luonnontieteiden opetusta.

Nuffield säätiön käynnistämä hanke johti 1960-luvulla innovatiiviseksi ajateltuun fysiikan ja kemian opetuksen lähestymistapaan, jossa oppilaat samaistettiin naivisti tutkijoihin. Lähestymistavassa korostettiin, että oppilas oppii luonnontieteitä parhaiten tekemällä havaintoja ja johtamalla niistä induktiivisia yleistyksiä sekä testaamalla yleistyksiä uusissa tilanteissa (Hodson, 1996). Tätä luonnontieteiden opetuksen lähestymistapaa kutsutaan keksiväksi oppimiseksi (discovery learning). Nuffield säätiö julkaisi huomattavan määrän oppimateriaaleja ja organisoi mittavan täydennyskoulutusohjelman. Keksivän oppimisen lähestymistapa puettiin mm iskulauseen mutoon: ”hands on best”. Vanha kiinalainen runo saatiin myös palvelemaan lähestymistapaa:
  Kuulen, ja unohdan (I listen and I forget)
  Näen, niin muistan (I look and I remember)
  Teen ja ymmärrän  (I do and I understand,
                             by Nuffield foundfation project of the 1960

Induktiivisella päättelyllä tarkoitetaan yleisen lainalaisuuden johtamista yksittäisistä tapauksista. Induktiivisen tiedonhankintamenetelmän kehittäjänä pidetty Francis Bacon (1561 - 1626) loi aistihavainnoista lähtevän tieteellisen tutkimuksen perustan. Tämän ajattelun mukaan tietoa syntyy luonnontieteissä systemaattisella induktiivisella päättelyllä eli tekemällä havaintoja ja merkitsemällä muistiin mahdollisimman monia tosiasioita, luokittelemalla näitä ja johtamalla niistä induktiivisia yleistyksiä sekä testaamalla yleistyksiä uusien tosiasioiden avulla (Niiniluoto 1983, 23 - 32, 118-125).

Rosalind Driver (1983) kuvaa kirjassaan ”The Pupils as Scientists?”, kuinka oppilaat toimivat näennäisesti hyvin aktiivisesti Nuffield oppimateriaalien kanssa, opettajan vetäytyessä taka-alalle. Driver kiinnostui aktiivisen toiminnan vaikutuksesta luonnontieteellisten käsitteiden oppimiseen. Hän oli käynnistämässä 1970-luvun lopulla Leedsin yliopistossa tutkimushanketta, jossa tutkittiin käsitteiden oppimista keksivän oppimisen viitekehyksessä. Tutkimustulosten perusteella Driver muotoili Nuffield säätiön kirjojen sisäkannessa olleen keksivän oppimisen ideologiaa kuvaavan vanhan kiinalaisen sananlaskun viimeisen rivin uuteen muotoon:

Kuulen, ja unohdan
Näen, niin muistan
Teen ja ymmärrän,
                            by Nuffield foundfation project,1960

Teen ja menen enemmän sekaisin
                           Rosalind Driver, Leeds, 1980

Ongelmaksi keksivän oppimisen lähestymistavassa osoittautui, ettei oppilas pystynyt tekemään itsenäisesti havaintojensa pohjalta yleistyksiä. Tällaiseen yleistykseen pystyi aikakautensa nero, joka sai kyseistä yleistystä tehdessään nk. neronleimauksen. Luonnontieteellisten käsitteiden merkityksen oivaltaminen muutaman käsitteen alaan kuluvan ilmiön havaitsemisen jälkeen on mahdoton tehtävä (Wellington 1989, 85; Millar & Driver 1987; Gil-Pérez 1996). Oppiminen edellyttää taitavan opettajan ohjausta.

Ongelmia oppimiselle tuottaa myös lähestymistavan virheellinen käsitys havaintojen luonteesta. Havainnot eivät ole riippumattomia, vaan niihin vaikuttavat ja niitä ohjaavat havaitsijan aikaisemmat tiedot ja käsitykset. Millar (2004) tarkastelee edellisten syiden lisäksi vielä kokeellisen työskentelyn tilanteiden ongelmallisuutta oppilaan kannalta: tilanteet ovat outoja, välineet uusia ja aikaa oppilastöiden tekemiseen on vähän.

Hypoteettis-deduktiivinen lähestymistapa

Erityisesti filosofi Karl Popper (1902-1994) arvosteli Nuffield-projektia voimakkaasti sen induktiolle pohjautuvasta opettamisen strategiasta (Wellington 1989, 85). Popper perusteli kritiikkiään sillä, että mitään teoriaa ei voida tieteessäkään osoittaa oikeaksi. Sitä vastoin tieteellinen teoria voidaan osoittaa vääräksi havaintojen ja kokemusten kautta eli falsifioida se. Päättely etenee tällöin hypoteettis-deduktiivisesti. Tieto tai hypoteesi on otaksuma tai arvaus, joka altistetaan kokeelliselle koettelulle. Hypoteesia testataan kunnes se on osoitettu vääräksi. Popperin mukaan hyväksytty teoria on sellainen, jota ei ole voitu osoittaa vääräksi. (Niiniluoto 1983, 125 - 142)

Kun teoriaa käytetään tai sitä pyritään osoittamaan vääräksi, on otettava huomioon sen pätevyysalue. Vaikka Popperilaisittain esimerkiksi Newtonin mekaniikka on osoitettu vääräksi (se on falsifioitu), on se hyväksyttävä teoria omalla pätevyysalueellaan.  Se ei sovellu kuitenkaan esimerkiksi atomin rakenteen kuvaamiseen.

Kun Popperin esittämiä ajatuksia sovelletaan luonnontieteiden opetukseen, oppilaita ohjataan arvelemaan tai esittämään hypoteeseja ennen kokeellista työskentelyä. Näin kokeellisella työskentelyllä koetellaan oppilaiden arvauksia ja hypoteeseja. (Niiniluoto 1983, 125 - 142, Wellington 1989, 47 - 51)

Mallit ja mallintaminen

Edellä hypoteettisdeduktiivisen lähestymistavan yhteydessä tarkasteltiin Popperin esittämää kritiikkiä induktiolle pohjautuvasta opettamisen strategiasta (Wellington 1989, 85). Popperin lisäksi useimmat valtavirtaa kulkevat tieteenfilosofit ovat esittäneet että luonnontieteet edistyvät hypotteettis-deduktiivisesti siten, että aineiston hankkiminen ja sen analysoiminen tai tulkinta ovat omia erillisiä prosesseja. Aineistoa analysoitaessa aikaisempien tietojen ja mielessä olevien mentaalimallien pojalta tehdään ennusteita siitä, miten aineisto voitaisiin tulkita. Kuvio 9 havainnollistaa edellä kuvatun kaltaisen tieteellisen päättelyn rakennetta (Giere, 1991).

Kuvio 9. Tieteellisen päättelyn rakenne: mallien ja reaalimaailman vuorovaikutus.

Kuviossa 9 oleva ”malli” käsite voi tarkoittaa tieteen mallia, oppilaan mentaalimallia tai opetusmallia sen mukaan missä yhteydessä päättelyn rakennetta tarkastellaan. Mallien ja teorioiden välinen ero on häilyvä ja usein teoria ajatellaan hierarkkisesti korkeimman tason mallina. Hestenesin (1992) mukaan malli itsessään on selitys ja päämääränä on ymmärtää miten se konstruoidaan teoriasta. Teoriasta johdettua mallia testataan reaalimaailmassa, joka antaa mallin rakenteelle tukea tai osoittaa sen vääräksi. Tätä prosessia Hestenes kutsuu mallintamiseksi. Käsitteen ”malli” käyttö tässä yhteydessä korostaa teorian hypoteettista luonnetta. (http://modeling.la.asu.edu/modeling.html )

Justi ja Gilbert (2002) luokittelevat mallit kahdeksaan luokkaan niiden ontologisen luonteen perusteella. Tässä tarkastellaan neljää luokkaa. Tieteen mallilla eli konsensusmallilla tarkoitetaan teoriaa kuvaavaa rakennetta (teksti, kuvio tai lauseke), jota käytetään teorian ymmärtämiseen ja tulkitsemiseen (Bunge 1998). Konsensusmalli on looginen ja sen pohjalta voidaan päättelemällä tehdä hyvin reaalimaailmaa kuvaavia ennusteita. Tieteen edistyessä uudet tulokset syrjäyttävät vanhat mallit, jolloin syrjäytetyistä malleista tulee historiallisia malleja.

1900-luvun lopulla alettiin käyttää aktiivisesti mallin käsitettä myös opetuksen ja oppimisen tarkastelussa ja tutkimuksessa. Oppilaan käsityksiä alettiin kutsua oppilaan mentaalimalleiksi ja opetuksessa käytettäviä malleja opetusmalleiksi (Gilbert ja Boulter 1998). Mentaalimalli tarkoittaa todellisuuden vastineita, representaatiota, eli edustuksia ihmisen mielessä. Representaatiolla tarkoitetaan yleisesti ulkoisesti havaittavaa tai mentaalista eli uudelleen esitystä jostakin asiasta ja ne ovat useimmiten kielellisiä tai visuaalisia. Kielellinen representaatio on esimerkiksi kertomus jostakin aikaisemmasta tapahtumasta. Ihmiset luovat mentaalimalleja selittääkseen ja ymmärtääkseen luonnon ilmiöitä ja rakenteita. Mentaalimalli vaikuttaa siihen, mitkä asiat havaitaan ja minkä oletetaan olevan merkityksellinen. Mentaalimalli asettaa myös ne ehdot, joiden vallitessa yksilössä muodostuu kuva eli representaatio todellisuudesta.

Opetusmalli on opettajan suunnittelema malli opetusta varten, jolla tavoitellaan yleensä konsensusmallin omaksumista tai ainakin sen yksinkertaistuksen omaksumista. Oppikirja on kirjan tehneen ryhmän opetusmalli, joka on tehty heidän tuntemansa konsensusmallin opettamiseksi. Opetusmallien suunnittelussa on otettava huomioon oppilaan mentaalimallit ja miten ne suhtautuvat konsensusmalliin. Opetusmallin tehtävänä on välittää kuva opetettavan käsitteen tai lain merkityksestä. Gilbert ja Boulter (1998) esittävät, että hyvä opetusmalli on opetusta varten yksinkertaistettu malli konsensusmalleista ja mahdollisista historiallisista malleista.

Kuvio 9 voidaan tulkita siis kuvaamaan myös oppilaan päättelyä, kun hän pyrkii ymmärtämään havaintojaan tai tulkitsemaan tekemiään mittaustuloksia olemassa olevien mentaalimallien pohjalta. Tulkinta voi mennä harhaan, jos oppilaan mentaalimalli on ristiriidassa konsensusmallin kanssa. Oppilasta on siis ohjattava koettelemaan mentaalimalliaan aidosti luonnosta kerättyyn aineistoon tukeutuen ja perustelemaan, miksi empiirinen aineisto antaa tukea/ei anna tukea mallin toimivuudelle. Kun oppilas esittää perusteluja, keskustelu muiden oppilaiden ja opettajan kanssa on keskeistä, sillä tällöin käsitteiden merkitykset, ymmärrys, kehittyy. Opettajan on hyvä ohjata oppilaita esittämää laadultaan korkeatasoisia perusteluja. Yksinkertaisin perustelu on luonteeltaan yksinkertainen väite, vaade tai mielipide. Seuraavalla tasolla perustelussa tukeudutaan tarkoituksenmukaisesti kerättyyn empiiriseen aineistoon (dataan). Laadukkain perustelu on sellainen, että siinä tukeudutaan tarkoituksenmukaisesti aineistoon ja kumotaan vasta-argumentit (perustelut).

Opetusmallin ja konsensusmallin tai opetusmallin ja sen kohteen välillä on analogia. Analogia kuvaa mallin ja kohteen rakenteiden ja prosessien välistä oletettua samankaltaisuutta (Duit 1991, 651). Juuri analogia tekee mallista mallin, sillä kohteen ja sitä esittävän mallin välillä on oltava riittävä määrä analogioita (Saari 2000, 24-34). Duitin (1991) mielestä myös esimerkkejä voidaan käyttää analogioiden tavoin tukemaan oppimisprosessia. Esimerkissä, joilla kuvataan jonkin kohteen ominaisuuksia, voidaan nähdä analoginen yhteys kuvattavaan käsitteeseen.

Duit (1991) määrittelee analogian yleisesti kahden esityksen, esim. kohde ja malli tai opittava asia ja sen vastine, tiettyjen osien rakenteelliseksi samankaltaisuudeksi. Analogia selittää kohdetta, kun sen avulla lähestytään kohdetta (opittavaa asiaa) mallista (vastine) tuttujen termien avulla. Vastineen ja opittavan asian muoto voi olla joko konkreettinen tai abstrakti. Analogia voi olla yksinkertainen sisältäen vain kolme pääosaa: vastineen, opittavan asian ja vertailusanat ”on kuin” tai ”voidaan verrata” (esim. Maapallon ympärillä oleva ilmakehä on kuin valtava kasvihuone…”. Analogia velvoittaa siis oppilaan selvittämään sekä vastineen ja opittavan käsitteen väliset yhdenmukaisuudet että erot. Jos analogiassa esiintyvä vastinekin on oppilaalle täysin tuntematon, osittain epäselvä tai liian abstrakti, ei analogiasta ole mitään hyötyä.

Täydennetty analogia sisältää vastineen ja opittavan käsitteen lisäksi perusteet näiden analogiselle suhteelle (positiiviset piirteet), sekä mahdollisesti rajoitteita (negatiiviset piirteet) ja se antaa oppilaalle valmiiksi vihjeet analogian ymmärtämiseksi (Saari 2000, 33) (esim. nuotio saadaan syttymään nopeammin, kun käytetään sytykkeinä lastuja ja pieniä puita. Isoja halkoja on vaikea saada syttymään. Hienoksi pureskeltu ruokakin imeytyy nopeammin elimistöön kuin huonosti pureskeltu… Mitä suurempi on kokonaispinta-ala, sitä nopeammin aineet reagoivat, Aine ja energia: kemian tietokirja s. 57). Laajennetussa analogiassa yhdellä vastineella voi olla eri perustein analoginen yhteys useampaan kuin yhteen opittavaan käsitteeseen tai vastaavasti yhdelle opittavalle käsitteelle voidaan antaa monta eri vastinetta. (Curtis & Reigeluth 1984, 111).

Mallintamiseen liittyy monia ongelmia kouluopetuksessa. Oppilaat selittävät havaintojaan helposti mentaalimalliensa avulla ja heitä on vaikea ohjata käyttämään selittämisessä tieteen mallia tai siitä johdettua opetusmallia. Oppilailla on myös erilaisia käsityksiä malleista. Saari ja Viiri (2003) ovat koonneet yhteen tyypilliset oppilaiden käsitykset malleista:
– malli on todellinen kappale tai teko (oikeasti malli esittää tunnettua tai tuntematonta kohdetta)
– mallin tarkoitus on olla todellisen kohteen kopio (oikeasti mallin tarkoituksena on edustaa kohdetta ja auttaa kohteen käsitteellistämisessä)
– mallin kelvollisuus riippuu siitä, kuka sen on tehnyt ja siitä, kuinka tarkasti se esittää kohdetta (oikeasti mallin käyttö tarjoaa mahdollisuuden keskustella kohteesta ja sen ominaisuuksista)
– malli vaihdetaan, jos siinä on virheitä tai jos sen esittäjä haluaa vaihtaa sen (oikeasti malleja testataan tai koetellaan ja vaihdetaan, jos testaus antaa siihen aihetta).

Prosessilähestymistapa

Perinteisesti fysiikan ja kemian opetussuunnitelmat ja oppimateriaalit painottavat käsitteiden ja luonnonlakien merkitysten ymmärtämistä. Lopputuloksen eli käsitteiden korostamisen rinnalle syntyi 1980-luvulla luonnontieteiden prosessia korostava lähestymistapa, nk. prosessilähestymistapa (process approach) (Adey, 1992). Lähestymistavan taustalla on uskomus, jonka mukaan kokeellisen tiedonhankintamenetelmän oppiminen ja menetelmän luonteen ymmärtäminen on hyödyllisempää kuin yksittäisten tietojen muistaminen. Lähestymistavan kehittäjät esittivät, että sisältö ja menetelmä voidaan erottaa toisistaan ja menetelmä voidaan pilkkoa hyvin määritellyiksi osamenetelmiksi, kuten havaitseminen, luokittelu ja tieteellinen kysymyksenasettelu, ja harjoitella sekä arvioida kutakin osamenetelmää erikseen (ks. esim. Peacock 1986). Uudistajat esittivät, että sisällöistä käsin suunniteltu opetussuunnitelma johtaa raskaaseen ja laajaan opetussuunnitelmaan, joka tulee aina vain raskaammaksi, koska tiedon määrä kasvaa koko ajan. (Hodson, 1996, 120)

Prosessilähestymistavan kehittäjät esittivät että osamenetelmät olvat yleisiä ja siirrettävissä sisällöstä toiseen, tästä nimitys: content-free science, ja niiden harjoittelun esitettiin kehittävän myös ajattelun taitoja. Lähestymistavan hyödyllisyyttä perusteltiin myös siten, että luonnon tutkiminen pienessä ryhmässä lisää oppilaan autonomian tunnetta ja saa oppilaan uteliaaksi. Nämä ovat tärkeitä oppilaan kiinnostukseen ja motivaatioon vaikuttavia tekijöitä. (Roth & Roychoudhury, 1993; Deci & Ryan, 1985, 245)

Esimerkiksi Englannin ja Walesin opetussuunnitelmat uudistettiin prosessilähestymistavan mukaisiksi 80-luvulla (Wellington, 1989). Lähestymistapaa varten kehitettiin erilaisia oppimateriaaleja mm. Science - A Process Approach ja Science Curriculum Improvement Project hankkeissa (Yager, 1996, 59).

Korostettuna prosessilähestymistapa ilmenee, kun luonnontieteiden opetuksen työtapana käytetään nk. luonnontieteellistä tai avointa tutkimusta (investigation)  (Levävaara 1997). Tällaisessa tutkimuksellisessa lähestymistavassa oppilas oppii mm. asettamaan ongelmia, tunnistamaan ongelman alaan kuuluvia tosiasioita, ideoimaan lähestymistapoja ongelman ratkaisemiseksi, keräämään luonnosta aineiston, käsittelemään aineistoa ja esittämään sitä, ratkaisemaan ongelmia, arvioimaan ratkaisua, sekä käsittelemään mittalaitteita ja käyttämään tieto- ja viestintätekniikkaa apuna. Ongelmanasettelun avoimuutta tai työskentelyn itsenäisyyttä voidaan pohtia esimerkiksi seuraavan taulukon avulla. Jokaiseen taulukon ruutuun voi ajatella esimerkiksi jonkun seuraavista käsitteistä: korostetusti esillä, jonkin verran esillä, ... ei lainkaan esillä. Tutkimuksellista lähestymistapaa on korostettu esimerkiksi 1980-luvun opetussuunnitelmauudistuksen yhteydessä Englannissa ja Walesissa, jolloin siellä "määrättiin" tutkimuksellinen lähestymistapa luonnontieteiden opetukseen eli ohjattiin oppilaita operoimaan muuttujien kanssa, kontrolloimaan niitä, esittämään ja tulkitsemaan koetuloksia. Nykyään myös Englannissa ajatellaan, että utkimuksellinen lähestymistapa on hyvä malli, mutta vain yksi mahdollinen malli (Wellington 1998, 4)

Kuvio 10. Avoimuuden aste tutkimuksellisessa työskentelyssä.

Prosessilähestymistapaa kriittisesti tutkinet tutkijat havaitsivat 1990-luvulla, että tiedon hankkimisen ja käsittelyn menetelmät ovat tilannesidonnaisia ja yksilön on vaikea siirtää niitä tilanteesta toiseen (Wellington, 1998). Oppimista ja siirtovaikutusta koskeva tutkimus osoittaa pikemminkin, että oppiminen ja menestyksekäs ongelmien ratkaiseminen riippuu siitä, miten tiedot ovat tallentuneet yksilön pitkäkestoiseen muistiin (Bransford, Brown & Cocking, 2000). Sisältöä ja prosessia ei voida suoraviivaisesti erottaa toisistaan. Yksimielisyttä ei ole siitä, onko edes olemassa yleisiä ajattelun taitoja. Vallitsevana on käsitys, jonka mukaan ajattelun taidot ovat sidoksissa voimakkaasti kontekstiin, jolloin esimerkiksi tietyllä tiedon alueella omaksuttu ongelmanratkaisustrategia on vaikea siirtää toiselle tiedon alueelle. (McPeck 1990, 10–12)

Toisaalta suoraviivaisten päätelmien teko prosessilähestymistavan eduista ja ongelmista ei ole yksinkertaista. On selvää, että prosessilähestymistavan mukaisessa opetuksessa ainakin oppilaiden kokeellisen työskentelyn taidot ja proseduraalinen ajattelu kehittyvät.

Adey, Shayer ja Yates (1989) kehittivät 1980-luvun lopulla laajan ajattelun taitoja (luokittelu, kysely, verrannollisen päättelyn …) luonnontieteiden opetuksessa kehittävän Thinking Science-oppimateriaalikokonaisuuden osana Cognitive Acceleration through Science Education, (CASE) hanketta. Kehitetyssä oppimateriaalissa on runsaasti erilaisia luonnontieteellisen kokeen suunnitteluun ja muuttujien tunnistamiseen, niiden variointiin ja vakiointiin sekä tiedon käsittelyyn, graafiseen esittämiseen ja tulosten tulkitsemiseen valmiuksia antavia tehtäviä. Adey (1992, 140 - 141) ositti, että systemaattisella harjoittelulla voidaan kehittää luonnontieteellisissä kontekstissa ajattelun taitoja.

Konstruktivismi

Konstruktivistisen suuntauksen tai oppimiskäsityksen mukaan tietoa ei voida siirtää suoraan ihmiseltä toiselle. Luonnontieteellinen tieto, käsitteet ja mallit rakentuvat omakohtaisten kokemusten, havaintojen ja niiden tulkintojen sekä päättelyn pohjalta, konstruoimalla. Tällöin tieto ei ole objektiivista, tietäjästä riippumatonta, vaan aina yksilön tai yhteisöjen rakentamaa. Havaitseminen ja havaintojen tulkitseminen on mukautuvaa ja riippuu ympäristöstä, missä havaintoja tehdään. Havaintojen tulkitseminen riippuu myös yksilön aikaisemmista käsityksistä, ennakkokäsityksistä, ja johtaa elinvoimaisten uusien käsitysten syntymiseen. Sosiaalinen konstruktivismi korostaa ihmistä sosiaalisena olentona, jolla on tarve jakaa omaa ymmärrystään muiden kanssa ja ymmärtää toisia. Konstruktivismin perusta on oppimisen psykologiassa ja epistemologiassa: tietoa ei voi vastaanottaa, vaan yksilö itse rakentaa aktiivisesti omaa ymmärrystään ja tulkintojaan.

Konstruktivismia ei yleensä pidetä yhtenäisenä oppimista kuvaavana teoriana. Pikemminkin sen alle kootaan yhteen useita samansuuntaisia käsityksiä oppimisesta (Prawatt & Floden,1994, 37–48; Treagust, Duit & Fraser 1996, 4). Toisaalta erilaisille konstruktivistisille suuntauksille on myös annettu niitä kuvaavia nimiä. Radikaalin konstruktivismin mukaan tieto on ainutkertaista eikä sitä ole olemassa yleisellä tasolla, silla radikaalin tulkinnan mukaan kaikki tieto on yksilöllisesti konstruoituvaa ja siten ainutkertaista (von Glasersfeld, 1998, 23–28). Sosiokognitiivinen suuntaus korostaa yksilön osuutta tiedon konstruointiprosessissa, mutta edellyttää sosiaalista vuorovaikutusta tiedon konstruoinnissa. Sosiokulturaalinen suuntaus (situated cognition) korostaa yhteisöllisyyden ja kulttuurin jatkamisen merkitystä oppimisprosessissa (Solomon 1987; Björkqvist 1994).

Yksi konstruktivismin laji on Novakin (1998, 5-27) esittelemä "Human konstruktivism", jonka lähtökohtana on Ausubelin mielekkään oppimisen teoria. Ausubel kuvaa oppimista teoriassaan kahdella toisistaan riippumattomalla dimensiolla kaksiulotteisessa kentässä, jonka toisena akselina on käsitepari mielekäs oppiminen (oppilaalle jäsentynyttä) - mekaaninen oppiminen (koneellinen, ulkoa oppiminen), ja toisena akselina käsitepari vastaanottava oppiminen - keksivä oppiminen. Keksivässä oppimisessa yksilön itse on löydettävä opittavan sisältö, ennen kuin hän voi liittää sen kognitiiviseen struktuuriin. Mielekkään oppimisen teoriassa painottuu mielekäs vastaanottava oppiminen, joka on edellytys kaikelle keksivälle oppimiselle. Ausubelin tarkoittama mielekäs oppiminen on sellaista oppimista, jossa oppilas on valmiina vastaanottamaan tietoa ja ymmärtää vastaanottamansa tiedon. Tällöin uusi tieto niveltyy oppilaan aikaisempiin tietoihin, jolloin sitä ei tarvitse muistaa "ulkoa". Tämä merkitsee sitä, että uutta tietoa ei voi jakaa, vaan opettajan on tiedettävä oppilaan ennakkokäsitykset ja ohjattava oppilasta konstruoimaan uusia tietorakenteita. Oppiminen on siis oppilaan prosessi, jossa hänen tietorakenteensa on vuorovaikutuksessa uuden tiedon kanssa. Mielekkään oppimisen teoriassa painotetaan oppilaan aikaisemman tiedon merkitystä oppimisessa ja sitä, että oppilas tarvitsee ohjausta opiskelussa.

Riippumatta konstruktivistisesta suuntauksesta, sen perusperiaatteiden mukaan oppilaan tieto hänen ympäristöstään on hänen oma subjektiivinen konstruktionsa, johon vaikuttavat hänen aikaisemmat tietonsa ja ympäristö, jossa opiskellaan. Sen tähden opettajan ei pidä tarjoilla uutta tietoa valmiina, vaan hänen on tiedettävä opiskelijoiden ennakkokäsitykset ja ohjattava heitä korvaamaan virheelliset tietorakenteet tai luomaan uusia tietorakenteita tiedoista ja toiminnasta. Konstruktivistisessa opetuksessa opiskelun lähtökohtana ovat siis opiskelijoiden ennakkokäsitykset. Opettajan tehtävänä on tarjota heille mahdollisuus koetella käsityksiään erilaisissa tilanteissa/laboratoriokokeissa. Opiskelijat olisi johdatettava kriittisesti tarkkailemaan eikä näkemään laboratoriotöissä tai demonstraatioissa vain sitä, mitä he haluavat nähdä ennakkokäsitystensä perusteella. Opettajan tehtävänä on myös kannustaa pohtimaan asioita uudelleen ja uudelleen sekä koettelemaan heidän käsityksiään uusissa tilanteissa.

Konstruktivistiset uudistukset

Konstruktivismin keskeisiä ohjeita kokeellisen luonnontieteen opetuksen uudistamiseksi on opiskelun vaiheistaminen. Kokeellisen työskentelyn suunnitteluvaiheessa oppilaita kannustetaan keskustelemaan ja esittämään arveluita tai hypoteeseja opiskelun kohteeksi valitusta aihepiiristä. Kokeen tekemisen vaiheessa tehdään havaintoja ja mittauksia sekä esitetään mittaustulokset. Reflektointivaiheessa keskustellaan ja tehdään johtopäätöksiä sekä verrataan saatuja tuloksia teoriaan. Opiskelijoilta ei voi vaatia samoja päättelyketjuja, mitä luonnonlakien esittäjät ovat aikoinaan tehneet. He eivät löydä malleja ja lakeja pelkästään työskentelemällä itsenäisesti tai seuraamalla opettajan demonstraatiota ja tekemällä päätelmiä havainnoistaan. Heille on myös annettava neuvoja tai vihjeitä siitä, miten havaittu ilmiö tulisi ymmärtää. Raportointivaiheessa esitetään tuloksia kirjallisesti ja suullisesti, keskustellaan niistä ja arvioidaan niitä. Aiheiden käsittelyyn tulisi varata myös riittävästi aikaa, jotta opiskelijat tottuisivat pohtimaan ilmiöitä monipuolisesti ja perusteellisesti. Tällöin joudutaan tarkoin pohtimaan, mitkä käsitteet ja periaatteet on tarkoituksenmukaista opettaa esimerkiksi kullakin luokka-asteella. (ks. lisää esim. Osbornen & Freyberg 1989; Hegarty-Hazel 1990; Treagust, Duit & Fraser 1996, 3–11)

Duit ja Confrey (1996, 79–93) ovat analysoineet lukuisia konstruktivismin viitekehyksessä toteutettuja luonnontieteiden opetuksen ja opiskelun kehittämiseen tähtääviä tutkimushankkeita ja esittäneet viisi periaatetta, jotka vaikuttavat kehittämishankkeen onnistumiseen. Näyttää siltä, että luonnontieteitä pitäisi opiskella sellaisten ilmiöiden ja olioiden yhteydessä, jotka ovat jokapäiväisestä elämästä tuttuja, sillä näin oppilaan on helpompi kytkeä uusia asioita aikaisempiin tietoihinsa. Toiseksi, luonnontieteitä opiskeltaessa oppilaalle pitäisi syntyä kuva siitä, että luonnontieteellistä tietoa syntyy vuorovaikutuksessa luonnon kanssa ja tieto on dynaamista. Lisäksi, koska oppilaiden virheellisten ennakkokäsitysten muuttaminen on hyvin hankalaa, tieteen määritelmien ja lakien ylivertaisuutta on demonstroitava eri tilanteissa, jotta niiden laaja-alaisuus ja selityskyky hahmottuisivat. Neljänneksi, opiskelun on hyvä olla oppilaskeskeistä ja yhteistoiminnallista, sillä sosiaalinen vuorovaikutus, neuvottelu ja väittely pakottavat oppilaan testaamaan ja kokeilemaan ajatuksiaan ja käsityksiään. Viidenneksi, tutkijat ovat havainneet, että normeilla, rutiineilla ja vuorovaikutuksen kanavoimisen muodoilla on huomattava vaikutus tehokkaaseen muutosten aikaansaamiseen. Duit ja Confrey (1996, 86–87) ehdottavat, että käytännössä opetusta ja opiskelua voidaan kehittää edellä esitettyyn suuntaan mm. oppimateriaaleja ja kokeellisuuden muotoja kehittämällä sekä etenkin hyödyntämällä tieto- ja viestintätekniikkaa opiskelussa monipuolisesti. Toinen käytännössä hyväksi havaittu lähestymistapa on kehittää jollekin traditionaaliselle kokonaisuudelle, kuten energialle, kokonaan uusi struktuuri ja rakenne.

Käsitteellinen muutos

Posner, Strike, Hewson ja Gertzog (1982) ovat esittäneet nk. käsitteellisen muutoksen mallin oppilaiden käsitysten tai mentaalimallien muuttumisesta. Tavoitteena käsitteellisen muutoksen mallin pohjalta suunnitellussa opetuksessa on se, että oppilaat tulevat tyytymättömiksi omiin käsityksiinsä ja vastaanottavat siten paremmin muotoillun käsitteen. Ongelmana käsitteellisen muutoksen tapahtumiselle on Vosniadoun (1999, 12) mukaan se, että oppilaat eivät tule tietoisiksi oppitunneilla omista käsityksistään, vaan esittävät tai selittävät ilmiöitä, muodostamallaan kompromissimallilla ilmiöstä. Tässä kompromissimallissa esiintyy opetuksesta peräisin olevaa terminologiaa ja selitysmalleja, joita sekä ilmiöiden ilmenemisestä peräisin olevia initiaalisia malleja. Onkin osoittautunut, että kognitiivisen ristiriita ei saa helposti aikaan käsitysten muutosta (Sinatra & Pintrich, 2003, 2). Oppilaan näkökulmasta kognitiivinen ristiriita saattaa olla liian suuri ja johtaa Gilbert, Osborne ja Fensham (1982) kuvailemaan kahden perspektiivin tuotoksena hybridimalliin. Näyttää siis siltä, että Posnerin ym. malli käsitysten muuttumiselle on aivan liian suoraviivainen ja olettaa käsitysten muutoksen tapahtuvan rationaalisemmin kuin mitä tutkimuksissa on havaittu. Ainakin oppilaan motivaatio, affektiivinen vastustus sekä uskomukset ja taustaoletukset vaikuttavat käsitysten muuttumiseen (Sinatra ja Pintrich, 2003).

Käsitteellisiä muutoksia esitetään olevan kahdenlaisia, heikkoja ja voimakkaita. Heiko muutos on heikkoa tiedon uudelleenjärjestelyä (weak knowledge restructuring) tai käsitteen kaappausta (conceptual cap-ture). Voimakkaassa käsitteellisessä muutoksessa järjestellään tietoja radikaalilla tavalla uudelleen (strong/radical knowledge restructuring), tai vaihdetaan käsite (conceptual exchange). Piaget’n terminologiassa käsitteellinen muutos tapahtuu kognitiivisen konfliktin kautta ja heikossa käsitteellisessä muutoksessa, assimilaatiossa, oppilas tulkitsee opiskeltavia asioita oman tietorakenteensa avulla. Voimakkaassa käsitteellisessä muutoksessa, akkommodaatiossa, oppilaan oma tietorakenne muuttuu uuden asian ymmärtämisen edellytyksenä (Ginsburg & Opper, 1969, 172). Duitin ja Treagustin (2003, 672-3) mukaan käsitteellinen muutos on perustavanlaatuinen muutos ennen opetusta olleisiin käsityksiin ja tarkoittaa tietorakenteen uudelleenjärjestäytymistä, jolloin oppilas ymmärtää opittavan asian.

Tynjälän (1999) mukaan käsitteellinen muutos voi tapahtua neljällä eri tavalla: 1) Yksittäisten käsitteiden merkitykset muuttuvat tai uusia käsitteitä opitaan (tietyn fysikaalisen ilmiön selityksessä käytetään tieteellisempiä käsitteitä kuin aiemmin). 2) Käsitteiden väliset suhteet muuttuvat (mekaniikan suureiden voima, nopeus ja kiihtyvyys yhteys ymmärretään uudella tavalla). 3) Käsitteen ontologinen kategoria vaihtuu toiseen (gravitaatio ymmärretään aluksi Maan sisäiseksi ominaisuudeksi, aineeksi, ja muutoksen jälkeen gravitaatio ymmärretään vuorovaikutukseksi (prosessiksi). 4) Käsitteellinen muutos tapahtuu käsitteen teoreettisessa viitekehyksessä.

Yleisesti käsitteelliseen muutokseen tähtäävät opetuksen ja opiskleun lähestymistavat ovat osoittautuneet perinteistä opetusta tehokkaammiksi. Kuitenkin lähestymistavoissa on Duitin ja Treagustin (2003, 674-675) mukaan ongelmia. Käsitteelliset muutokset merkitsevät käsitteiden merkityksissä tapahtuvien muutosten lisäksi myös muutoksia käsityksissä tieteen luonteesta ja käsitteenmuodostuksesta. Siksi käsitteenmuodostus pitäisi nostaa esille käsitteellistä muutosta tutkittaessa. Lisäksi Duit ja Treagust moittivat sitä, että käsitteellisen muutoksen tutkimuksissa ja opetuskokeiluissa ei kiinnitetä riittävästi huomiota opiskelun sosiaaliseen luonteeseen ja konteksteihin, joissa opiskellaan. Chi ja Roscoe (2002) ovat arvostelleet käsitteen ”käsitteellinen muutos” epämääräisyyttä. Heidän mukaansa tutkimuksissa ei riittävästi argumentoida, mikä aiheuttaa käsitteellisen muutoksen ja miksi käsitteellinen muutos on niin vaikeaa. He ehdottavat, että ennakkokäsitykset (misconceptions) pitäisi ajatella käsitteiden väärinä ontologisina luokitteluna ja ymmärtää käsitteellinen muutos muutoksena ontologisten kategorioitten välillä.

Kontekstuaalinen lähestymistapa

Useat tutkimukset osoittavat, että oppilaiden kiinnostus opiskeltavia asioita kohtaan johtaa nk. syväoppimiseen, jolloin opittuja tietoja voidaan käyttää uusissa tilanteissa (transfer) (Krapp 2002). Kun oppilas on kiinnostunut, hänelle syntyy tiivis suhde opiskeltaviin asioihin Tähän suhteeseen vaikuttaa myös oppilaan käsitys omasta pätevyydestä ja selviytymisen mahdollisuuksista: Kun oppilas ajattelee ”mä en tajuu fysiikkaa”, ei hän sitä myöskään opi. Useimmat tutkijat erottavat toisistaan yksilökohtaisen tai yksilön kiinnostuksen ja tilannekohtaisen kiinnostuksen (Krapp, Hidi, and Renninger 1992). Yksilön kiinnostus johonkin aiheeseen syntyy vähitellen ja se vaikuttaa yksilön tietoihin ja arvoihin ja se on luonteeltaan pysyvää. Tilannekohtainen kiinnostus voi syntyä hyvinkin nopeasti tietyssä tilanteessa ja on luonteeltaan emotionaalista ja se saattaa olla lyhytkestoista (Hidi 1990). Oppilaan sukupuoli vaikuttaa oppilaiden kiinnostuksen kohteisiin. Esimerkiksi pojat ovat tyttöjä kiinnostuneempia fysiikasta ja teknologiasta (Fairbrother 2000, Osborne 2003b).

Lasten vanhemmat, opettajat, tutkijat ja koulutuspolitiikan harjoittajat ovat olleet ainakin 1920-luvulta lähtien huolestuneita siitä, että fysiikka ja kemia eivät kiinnosta nuoria, he eivät valitse lukiossa näiden oppiaineiden kursseja eivätkä hakeudu matemaattis- luonnontieteellisille ja niitä soveltaville aloille lukion jälkeisiin opintoihin (Black & Atkin, 1996; Bennett, Hogarth & Lubben, 2003). Vaikka ilmiöön on lukuisia erilaisia syitä, yhtenä keskeisenä syynä pidetään itse oppiaineita, niissä käsiteltäviä asioita ja tapoja, joilla asioita käsitellään. Oppilaiden kiinnostuksella ja asenteella on yhteys oppilaiden motivaatioon opiskella ja oppia oppiainetta sekä siihen, kuinka he luottavat omiin kykyihinsä (Fairbrother, 2000).

Vastauksia siihen, mikä herättäisi nuorten kiinnostuksen, on etsitty kartoittamalla oppilaiden kiinnostusta (i) yleisesti luonnontieteitä ja teknologiaa kohtaan, (ii) fysiikassa ja kemiassa opiskeltavia aiheita kohtaan, (iii) niitä konteksteja kohtaan, joissa fysiikan ja kemian käsitteitä kohdataan (esim. teknologinen tai ympäristö konteksti) sekä (iv) työtapoja, ja tieto- ja viestintätekniikan käyttöä kohtaan (Simon, 2000; Hoffman, 2002; Osborne 2003b; Bennett & Holman, 2003). Oppilaan kiinnostukseen opiskella fysiikkaa ja kemiaa vaikuttaa myös oppiaineiden merkitys jatko-opinnoille, käsitys toiveammatista, opettajan toiminta luokassa, oppiaineen työmäärä ja oppilaan sukupuoli (Simon, 2000, 114-116).

Käytännössä, kun pohditaan oppilaan kiinnostukseen liittyviä kysymyksiä, esitetään kolme kysymystä:
1. Kenelle luonnontieteitä pitäisi opettaa (kaikille vai luonnontieteellisille ja teknisille aloille suuntautuville henkilöille)?
2. Minkälaista luonnontietoa/tiedettä pitäisi opettaa (arkipäivän asioita, luonnon rakenteita, kosmologiaa, päätöksenteossa tarvittavia tietoja, luonnon tutkimisen taitoja, humanistisesti tai kulttuurisesti orientoitunutta luonnontiedettä, …)?
3. Millä tavalla luonnontieteitä pitäisi opettaa (oppilastöitä tehden, laajoja projekteja organisoiden, tieto- ja viestintätekniikkaa käyttäen, suosimalla ryhmätöitä, …)?
Tässä kohtaa esitellään kohtaan 2 liittyviä opetuksen uudistamisen lähestymistapoja.

Kun edellä esitettyyn kysymykseen 2 on esitetty ratkaisuja, on fysiikan ja kemian opetuksessa pyritty niiden tietorakennetta ja tiedon syntyprosessia korostavasta, perinteisestä, opetuksesta eroon tarkastelemalla fysiikan ja kemian ilmiöitä sellaisissa konteksteissa, joiden tiedetään (tai uskotaan) olevan oppilaita kiinnostavia. Esimerkiksi englantilaisessa Science and Technology in Society (SATIS) -projektissa tai lyhyemmin erilaisissa STS-projekteissa (Lenton, 1990; Solomon & Aikenhead, 1994; Yager 1996) ja yhdysvaltalaisessa Chemistry in the Community -projektissa (ChemCom 1988) on laadittu oppimateriaaleja, joissa lähdetään liikkeelle arkipäivän teknologiaan ja käytäntöön, teollisuuteen sekä yhteiskuntaan liittyvistä tilanteista (Black & Atkin 1996, 49, 87).

Campbell, Lazonby, Millar, Nicolson, Ramsden ja Waddington (1994) kuvaavat kuinka Salters-hankeessa kehitettiin kokonainen opetussuunnitelma ja siihen liittyvät oppimateriaalit siten, että oppimateriaaleissa on paljon sellaisia konteksteja, jotka pyrkivät herättämään kiinnostusta luonnontieteisiin. 2000-luvun AS Science – hankkeessa kehitettiin oppimateriaalikokonaisuus, jonka tavoitteena on ohjata oppilaat opiskelemaan todellisen elämän tilanteissa luonnontieteitä: ”AS Science for Public Understanding uses interesting and relevant topics from the life sciences and physical sciences to help students understand key science explanations and important ideas about Science. Topics include: medical ethics; genetic engineering; use of energy resources; sources and effects of radiation” (Hunt & Millaar, 2000).

On luonnollista, että kontekstuaalisissa lähestymistavoissa on eroja. Vähäisin kontekstuaalisuuden muoto on sellainen, missä perinteisen opetuksen yhteydessä otetaan esille sovelluksia ja esimerkkejä muilta kuin puhtaan fysiikan ja kemian aloilta (Context-based approach). Solomon ja Aikenhead (1994, 52-53) määrittelevät STS-lähestymistavat sellaisiksi luonnontieteiden opetuksen lähestymistavaksi, jossa rakennetaan yhteyksiä luonnontieteiden, teknologian ja yhteiskunnan välille korostamalla ainakin yhtä seuraavista piirteistä: teknologiset tuotteet tai prosessit, teknologian ja yhteiskunnan väliset kytkennät sekä yhteiskunnalliset, historialliset, filosofiset ja sosiologiset kysymykset luonnontieteissä tai teknologiassa. Kontekstuaalisten lähestymistapojen yhteydessä puhutaan myös luonnontieteellisestä lukutaidosta tai sivistyksestä (scientific literacy). Tällä halutaan korostaa sitä, että luonnontieteet on tarkoitettu kaikille. Tämä puolestaan pitää sisällään ajatuksen, jonka mukaan luonnontieteissä olisi opiskeltava sellaisia tietoja ja taitoja, joita tarvitaan paikallisissa, kansallisissa ja kansainvälisissä yhteisöissä tai modernissa yhteiskunnassa.

Useimmat kontekstuaalisten lähestymistapojen kehittämishankkeet on toteutettu 11- 16 vuotiaille oppilaille Yhdysvalloissa, Isossa Britanniassa, Kanadassa, Australiassa ja Hollannissa. Kun kontekstuaalisia lähestymistapoja ensimmäistä kertaa esiteltiin 1980 luvun alkupuolella, paino oli kaikilla kolmella kirjaimella S, T ja S. Vähitellen teknologina osuus on vähentynyt kontekstuaalisuutata painottavista oppimateriaaleista ja kytkentää on pyritty löytämään ensisijaisesti luonnontieteen (science) ja yhteiskunnan (society) välille (esim. Yhdysvaltalainen Chemistry in Community -hanke). Perusteluna teknologian osuuden vähentämiselle on esitetty, että teknologiaa kohtaan tunnettu kiinnostus riippuu voimakkaasti oppilaan sukupuolesta.

Keskeisenä päämääränä edellä kuvattujen materiaalien käytössä on se, että ne pyrkivät herättämään nuorten kiinnostuksen luonnontieteisiin ja ne pyrkivät osoittamaan, kuinka luonnontieteet liittyvät arkipäivään. Esimerkiksi Yager (1996) esittää perustellen, että tällainen lähestymistapa on puhdasta luonnontieteellistä lähestymistapaa tarkoituksenmukaisempi, koska yhteiskunnassa käytetään luonnontieteitä ja teknologiaa hyväksi jatkuvasti. Samalla oppilaat oppivat muutakin kuin fysiikka tai kemiaa, kuten historiaan ja yhteiskuntaoppiin kuuluvia asioita. Bennettin, Hogarthin ja Lubbenin (2003) tekemän laajan meta-analyysin perusteella on olemassa tutkimusperäistä evidenssiä siitä, että kontekstuaaliset lähestymistavat vaikuttavat hieman oppilaiden motivaatioon opiskella luonnontieteitä. Hieman vahvempaa evidenssiä on siitä, että oppilaiden asenne tulee positiivisemmaksi yleisesti luonnontieteitä kohtaan.

Edellä mainittu meta-analyysin perusteella kontekstuaaliset lähestymistavat eivät haittaa luonnontieteellisen tiedon oppimista. Irrallisista havainnosta tai jokapäiväisen ympäristön sovelluksista liikkeelle lähteminen voi johtaa kuitenkin siihen, että omaksutut tiedot jäävät irralliseksi sirpaletiedoksi. Sovelluksiin liittyvä teoria saattaa olla tavattoman vaikea. Jos kontekstuaalinen oppimateriaali ei ole valmiina, vie sen laatiminen luonnollisesti opettajalta aikaa ja opiskelu myös.

Yhdessä oppiminen

Pienessä ryhmässä opiskelulla tarkoitetaan opiskelua, jossa kahdesta kuuteen oppilaasta opiskelee yhdessä. Opiskelun muotoja eli työtapoja voivat olla perinteisen ryhmätyön lisäksi yhteistoiminnallinen ryhmätyö, yhteisöllinen opiskelu ja erilaiset pienessä ryhmässä tehtävät harjoitukset. Pienessä ryhmässä työskentelyn teoreettinen tausta liittyy Vygotskyn’in (1978) sosio-konstruktiviseen ja Piaget’in (1932) sosiokognitiiviseen teoriaan, jossa molemmissa korostetaan oppilaiden oppimista keskinäisessä vuorovaikutuksessa. Myös filosofi John Dewey (1940) korosti oppilaiden ohjaamista mielekkääseen vuorovaikutukseen pienessä ryhmässä. Seuraavassa tarkastellaan ensin pienessä ryhmässä opiskelun filosofista ja sitten oppimisen psykologista taustaa. Seuraavaksi tarkastellaan pienessä ryhmässä opiskeluun liittyviä didaktisia perusteluja ja lopuksi tutkimustietoa pienessä ryhmässä opiskelun eduista.

Filosofista taustaa pienessä ryhmässä opiskelulle

Aikaisemmissa luvuissa on sivuttu kahta luonnontieteiden opettamisen ja oppimisen taustalla olevaa filosofista suuntausta: loogista positivismia ja hypoteettis-deduktiivista suuntausta. Jos opettaja etenee oppitunnilla loogisen positivismin suuntaisesti, hän uskoo, että ympäröivästä maailmasta on olemassa absoluuttista tietoa. Hypoteettis-deduktiivisen suuntauksen pohjalta opetettaessa uskotaan, että kaikki luonnontieteelliset lait ovat otaksumia, jotka voivat olla tosia tai epätosia, mutta ovat tämänhetkisen käsityksen mukaan parhaita. Pienessä ryhmässä opiskelun taustalla olevana filosofisena suuntauksena voidaan pitää ainakin jossain määrin relativismia. Relativistisesti suuntautunut opettaja pyrkii hyväksyttämään luonnonlait sosiaalisen vuorovaikutuksen kautta. Relativismi on filosofinen suuntaus, jossa tieto, totuus tai arvo ovat suhteellisia ja riippuvat esimerkiksi yhteisöstä, jossa tietoa käytetään (Niiniluoto 1983, 220).

Thomas Kuhn esitti 1960-luvulla kritiikkiä sekä Popperin esittämää falsifiointikriteeriä että positivismia/empirismiä kohtaan. Hänen mukaansa kaikki väitteet, myös tieteelliset, ovat sidoksissa kieleen ja samalla tiedeyhteisön uskomuksiin ja arvostuksiin, jolloin havainnot ja kokeet ovat sidoksissa käytettyihin käsitteisiin ja teoriaan (Niiniluoto 1983, 206 - 228). Kuhn otti käyttöön normaalitieteen käsitteen, jolla hän tarkoitti kumulatiivisesti kehittyvää tiedettä vastakohtana vallankumouksellisesti etenevälle kehitykselle. Normaalitiede toimii paradigmojen mukaan tiettyyn rajaan saakka, jolloin tiede joutuu kriisiin. Uusi normaalitieteen aika alkaa, kun useiden kilpailevien paradigmojen joukosta jokin on kukistanut muut. Kuhnin käsitys tieteellisestä käsitteenmuodostuksesta voidaan esittää Ekstigin (1990, 14 - 16) mukaan:
1. Teoriat määräytyvät tosiasioiden pohjalta.
2. Tosiasiat (havainnot) ovat sidoksissa teoriaan.
3. Kriteerit ovat sidoksissa kontekstiin.
4. Teorioita, jotka sisältävät erilaisia paradigmoja, ei voi vertailla.

Psykologista taustaa pienessä ryhmässä opiskelulle

Pienessä ryhmässä opiskelun ja siihen liittyvän sosiaalisen vuorovaikutuksen vaikutusta oppimiseen voidaan tarkastella venäläisen psykologin Lev Vygotskyn (1896-1934) käyttöön ottaman kulttuurihistoriallisen teorian eli sosiaalisen kehityksen teorian (social developement theory) pohjalta. Hän on Piaget´n ohella toinen merkittävä 1900 luvun alkupuolen oppimisen tutkija. Vygotsky tutki kielen, taitojen ja ajattelutapojen omaksumista ja havaitsi, että saman kulttuurin piirissä yksilöt ovat samankaltaisia mutta eri kulttuurien välillä on suuria eroja. Vygostkyn esittämän teoriaan mukaan yksilön tietoisuus rakentuu sosiaalisissa suhteissa, yhteiskunnan kulttuurin ja tradition pohjalta. Tiedollisen kehityksen päämääränä on tällöin yhteisöön sosiaalistuminen. Vygotskyn mukaan lapsen sosiaalisuus on synnynnäistä ja sosiaalisen vuorovaikutuksen kautta yksilön ajattelutoiminta itsenäistyy ja yksilölliset kognitiiviset prosessit kehittyvät. (Vygotski, 1982)

Vygotskyn oppimisen teoria liittyy siis sosiaalisen vuorovaikutuksen merkitykseen oppimisessa sekä kielen ja ajattelun väliseen yhteyteen. Hänen mukaansa lapsen kehityksessä kieli on ensin sosiaalisen vuorovaikutuksen väline, mutta kehityksen myötä siitä tulee myös ajattelun väline, jolloin kieli ”sisäistyy”. Vygotsky kuvaa ajattelua sisäiseksi puheeksi (inner speech) erotuksena sosiaalisessa vuorovaikutuksessa käytettävästä puheesta. Lapsen kulttuurisessa kehityksessä jokainen toimintamuoto (funktio) esiintyy siten kahdesti: ensin sosiaalisella (interpsykologisena tapahtumana) ja sitten psykologisella tasolla (intrapsykologisena tapahtumana). Sosiaalinen vuorovaikutus on kehityksellisesti kaikkein korkeampien toimintamuotojen ja niiden välisten suhteiden perustana. Keskeinen Vygostkyn teorian liittyvä ja oppimista kuvaava käsite on lähikehityksen vyöhyke (Zone of Proximal Development, ZPD). Sillä tarkoitetaan tiedollisen toiminnan aluetta tai tasoa, jolla oppilas pystyy toimimaan pätevän ohjaaja tuen avulla, mutta ei itsenäisesti. Vygotskyn mukaan opetuksen olisi suuntauduttava lähikehityksen vyöhykkeelle ja pyrittävä laajentamaan sitä. (Vygotski, 1982)

Didaktista taustaa pienessä ryhmässä opiskelulle

Luonnontieteiden opetuksen kehittämisohjelmissa ja opetussuunnitelmauudistuksen yhteydessä korostetaan oppilaiden pienessä ryhmässä opiskelun tärkeyttä (Lumpe & al. 1998). Samoihin korostuksiin päädytään myös useissa luonnontieteiden opetuksen, opiskelun ja oppimisen alaan kuuluvissa tutkimuksissa. Pienessä ryhmässä opiskelun on havaittu edistävän erityisesti luonnon tutkimisen, yhteistyötaitojen ja ajattelun taitojen oppimista sekä muuttavat oppilaiden asenteita positiivisemmiksi luonnontieteitä kohtaan (Lazarowitz & Tamir 1994). Lisäksi pienessä ryhmässä opiskeltaessa opitaan tietoja ainakin yhtä hyvin kuin muillakin opiskelutavoilla. Vaikka tutkimustulokset osoittavat, että pienessä ryhmässä opiskelu kehittää erilaisia taitoja ja valmiuksia, opettajien uskomusten ja opetuskäytäntöjen muuttaminen on hidasta ja oppikirja ohjaa työskentelyä luonnontieteiden oppitunnilla (Tobin, Tippins & Gallard 1994). 

Oppimisen teoriat on usein johdettu tarkkailemalla yksilön oppimista ja yksilön oppimisessa olevia vaikeuksia. Oppiminen ja tiedon soveltaminen sekä luokassa että yhteiskunnassa ovat kuitenkin sosiaalisia tapahtumia. Sen tähden myös luonnontieteiden opiskeluun kuuluu tiedon sosiaalinen konstruointi. Tässä konstruoinnissa kielellä on keskeinen asema. Opiskelijoita tulee esimerkiksi kannustaa laboratoriotöitä tehtäessä keskustelemaan uusilla käsitteillä ja soveltamaan periaatteita käytännön tilanteisiin. Tieto on olemassa vasta, kun yhteisö jakaa sen keskenään. Puheella on myös merkitys metakognitioiden kehittymiselle (vrt. Solomon 1987).

Käyttämällä luonnontieteiden opiskelussa työtapoja, jotka ohjaavat oppilaita työskentelemään pienissä ryhmissä, oppilaat ohjautuvat keskustelemaan keskenään, ratkaisemaan ongelmia, tulkitsemaan mittaustuloksia, sopimaan tavoitteista ja suunnittelemaan työskentelyään. Bentley ja Watts (1989, 74) ja Bennett, Lubben, Hogarth ja Campbell (2004)esittävät seuraavia syitä sille, miksi oppitunnilla pitäisi keskustella enemmän pienessä ryhmässä:
– Oppilaat tiedostavat ennakkokäsityksiään, kun niistä keskustellaan: oppilas rakentaa uusia tietoja aikaisempien tietojensa varaan. Myös opettaja pystyy paremmin ohjaamaan tässä uuden tiedon rakentamisessa, kun hän tietää, miten oppilaat ajattelevat opiskeltaviksi aiotuista asioista ennakolta.
– Merkityksiä käsitteille syntyy vain, kun käsitteen alaan kuuluvista asioista keskustellaan. Keskustelu auttaa oppilaita liittämään uudet käsitteet kieleen eli oppimaan käsitteiden merkityksen.
– Oppilaat tulkitsevat ja selittävät havaintoja ja mittauksia keskustelemalla sekä ja oppivat tulkitsemaan ja selittämään niitä.
– Kokeellinen toiminta ryhmässä on lähellä tutkijan tapaa työskennellä. Oppilaat joutuvat suunnittelemaan kokeita, tunnistamaan ja vakioimaan muuttujia, tekemään havaintoja ja mittauksia, esittämään muuttujien välisiä riippuvuuksia, mallintamaan, raportoimaan, arvioimaan ja muutenkin käsittelemään tietoa.
– Puhe (ääneen ajattelu) auttaa oppilaita järjestämään ajatuksiaan ja tekemään päätöksiä.
– Keskustelu pienessä ryhmässä siirtää huomion pois opettajasta opiskeltaviin asioihin: opiskelusta tulee aktiivista, yhteistoiminnallista ja oppilaat ottavat enemmän vastuuta omasta opiskelustaan.
– Oppilaat itse ja opettaja voivat arvioida edistymistä keskustelun perusteella.
– Ryhmässä oppiminen muistuttaa paljon toimintaa modernissa työyhteisössä. Ryhmässä otetaan vastuuta, jaetaan vastuuta, pyritään yhdessä päämäärään jne. Ryhmässä opitaan ryhmässä toimimisen taitoja.
– Yhdessä toimiminen kehittää ryhmän ihmissuhteita, vahvistaa oppilaiden itsetuntoa sekä vähentää työrauhaongelmia, jos aihe on opiskelijoista mielenkiintoinen ja heille merkityksellinen.

Pienessä ryhmässä opiskelun muotoja

Pienen ryhmän opiskelua kutsutaan usein ryhmätyöksi, tiimityöskentelyksi, projektityöskentelyksi, tutkivaksi oppimiseksi sekä yhteisölliseksi tai yhteistoiminnalliseksi opiskeluksi tai oppimiseksi. Ongelmana edellä mainittujen käsitteiden käytössä on se, että eri henkilöt tarkoittavat niillä eri asioita ja määrittelevät ne eri tavoin (Bennett, Lubben, Hogarth & Campbell 2004). Jopa tutkimuksissa käsitteitä käytetään löysästi.

Fysiikan ja kemian tunnilla tyypillinen pienessä ryhmässä työskentelyn muoto on oppilastyö. Oppilastyön aikana oppilaat mm. tekevät havaintoja, keskustelevat ja käsittelevät todellisia kappaleita tai materiaaleja pienessä ryhmässä. Oppilaat keskustelevat luonnollisesti luokassa myös monessa muussa yhteydessä ja eri tavoin ryhmiteltyinä pienessä ryhmässä.  

Perinteisessä ryhmätyössä 2 - 4 oppilasta työskentelee yhdessä oppitunnille asetettujen tavoitteiden suunnassa. Oppilaat toimivat ryhmässä päämäärään pyrkiessään itsenäisesti, jolloin työprosessit ovat oppilaiden käsissä, tehtävän ratkaisu vaatii työnjakoa ja oppilailta edellytetään sosiaalista vuorovaikutusta (Aebli 1991, 406 - 414). Ryhmätyöhön kuuluvat muodossa tai toisessa seuraavia vaiheita:
– Keskustellaan siitä, mihin ryhmätyöllä pyritään ja sovitaan raportointitavasta, aikataulusta, ryhmien sisäisestä ja ryhmien välisestä työnjaosta.
– Muodostetaan ryhmät, jaetaan materiaali ja apuvälineet.
– Oppilaat työskentelevät ja opettaja toimii asiantuntijana ja ohjaa ryhmien toimintaa.
– Tulokset raportoidaan luokalle esimerkiksi suullisesti, seinätaulun tai julisteen avulla, kirjallisella raportilla, videolla tai roolileikin avulla. Tuloksista keskustellaan ja ryhmien tuloksia mahdollisesti vertaillaan.
– Keskustellaan esiintyneistä vaikeuksista, analysoidaan syitä ja tehdään johtopäätöksiä seuraavia kertoja varten.

Yhteistoiminnallinen oppiminen on opetuksen työtapa, jossa sitoutetaan oppilaat opiskelemaan yhdessä ja pyritään kohottamaan heidän itsetuntoaan ja oppimistuloksiaan sekä opettamaan oppilaille yhteistoiminnan taitoja eli erilaisia ryhmätyö- ja vuorovaikutustaitoja ja vastuuta omasta ja toisten oppilaiden oppimisesta. Tavoitteena toiminnalle on ainakin välillisesti yhteisen tuotoksen aikaansaaminen. Ennen yhteistoiminnallista opiskelua opettaja suunnittelee ja järjestää oppimateriaalia, ryhmityksiä, luokan kalusteita jne. Yhteistoiminnalliselle oppimiselle on tyypillistä:
– positiivinen riippuvuus ryhmän jäsenten välillä (yksi kaikkien ja kaikki yhden puolesta!) (positive interdependence of the group members),
– jokainen ryhmän jäsen vastuussa opiskelusta ja tilivelvollinen muille (accountability),
– vuorovaikutus ryhmän jäsenten välillä (face-to-face interaction),
– opitaan vuorovaikutustaitoja, yhdessä toimimisen taitoja, … (development of social skills, e.g. communication, trust, leadership, decision-making, and assessment of collaborative efforts by the group members.) (Johnson & Johnson, 1991)

Yhteisöllinen opiskelu on pikemminkin toimintakulttuuri, työskentelyprosessi tai vuorovaikutuksen filosofia kuin työtapa. Opiskelun tavoitteena on pyrkiä synnyttämään keskusteleva ja pohtiva ilmapiiri ja selittämään ilmiö tai ratkaisemaan monimutkainen ongelma joko suuressa tai pienessä ryhmässä. Tavoitteena työskentelyssä ei ole useinkaan konkreettinen tuotos, vaan oppilaiden metakognitiivisten taitojen kehittäminen ja asiantuntijayhteisöille tyypillinen älyllinen toiminta kuten uuden tiedon rakentelu. Yhteisöllisessä opiskelussa oppilaat työskentelevät aktiivisesti vuorovaikutuksessa keskenään keskustellen, jakaen kognitiivisia resurssejaan, asettaessaan tavoitteita, pyrkiessään kohti tavoitetta, arvioidessaan lopputulosta, kehitellessään sitä edelleen (Hennessy & Murphy, 1999). Käsitettä ”yhteisöllinen opiskelu/oppiminen käytetään usein verkko-opiskelussa. Tällöin pääpaino on tiedonrakentelulla ja vuorovaikutuksella eli itse työskentelyprosessilla kuin yhteisellä tuotoksella ja työskentelyn lopputuloksella (Hakkarainen, Lonka & Lipponen, 2000). Tavoitteena on keskustelulla ja pyrkiä yhdessä ymmärtää ilmiöitä ja käsitteitä. Oppilaiden yhteisöllistä työskentelyä on tosin opettajan tuettava eri tavoin.

Tutkiva oppiminen on yhteisöllistä opiskelua, jossa tavoitteena on luoda luokkaan yhdessä keskustelun, tutkimisen, tiedon rakentelun ja jaetun asiantuntijuuden kulttuuri siten, että opiskelijat voivat työskennellä yhdessä toisiltaan oppien. Jaetulla asiantuntijuudella tarkoitetaan sitä, että ryhmän jäsenet yhdistävät tietonsa ja taitonsa ja rakentavat yhdessä uutta tietoa ja tiedon rakentelulla sitä, oppilaita rohkaistaan antamaan muille keskeneräisiä ideoita kommentoitavaksi (vrt. prosessikirjoittaminen). Tutkivalla oppimisella on kolme keskeistä lähtökohtaa: (i) opiskelun tulee olla oppilaskeskeistä, jolloin oppilas toimii oppimisprosessissa aktiivisessa roolissa ja on vastuussa oppimistuloksistaan; (ii) opiskelutilanteiden tulee olla autenttisia tiedon rakentamisen tilanteita, joissa oppilaat työskentelevät yhdessä aitojen tehtävien ja ongelmien parissa rakentaen uutta tietoa aikaisemman tiedon pohjalta; (iii) opiskelun tulee olla tiedon rakentamista ja tuottamista. Hakkarainen, Lonka ja Lipponen (2000) esittävät, että tutkivan oppimisen prosessi etenee vaiheittain: 1) kontekstin luominen, 2) ongelmien asettaminen, 3) työskentelyteorian luominen 4) kriittinen arviointi, 5) syventävän tiedon hankkiminen, 6) tarkentuvan ongelman asettaminen ja 7) uuden työskentelyteorian luominen. Edellä kuvatun kaltaisen toimintakulttuurin luominen tapahtuu hitaasti kehittämällä sekä luokan ilmapiiriä että oppilaiden yhteistyötaitoja.

Keskustelun ja pienessä ryhmässä toimimisen vaikutus opiskeluun ja oppimiseen

Pienessä ryhmässä opiskelun on havaittu kehittävän oppilaan luonnon tutkimisen, yhteistyötaitojen, metakognitiivisten sekä ajattelun taitojen oppimista; innostavan fysiikan ja kemian opiskeluun sekä muuttavan oppilaiden asenteita positiivisemmiksi luonnontieteitä kohtaan (Hodson, 1989; Sahlberg & Sharan, 2001; Lavonen, Juuti, Byman, Meisalo, Koponen & Saloranta, 2003). Pienessä ryhmässä opiskeltaessa oppilaat oppivat tietoja ainakin yhtä hyvin kuin muilla työtavoilla. Oppimistuloksiin vaikuttavat ainakin opiskelulle asetetut tavoitteet; työtavan toteutus; pienryhmän koko, toimivuus ja koostumus; käytettävä aika; opettajan ohjauksen määrä; tehtävän muoto ja mielenkiintoisuus sekä konteksti (Johnson & Johnson, 1991).

Pienessä ryhmässä opiskelun on todettu ohjaavan oppilaita aktiiviseen tiedon hankkimiseen, käsittelyyn ja arviointiin nykyisten oppimiskäsitysten suuntaisesti (Sahlberg & Sharan, 2001). Oppilaat ottavat ryhmässä vastuuta, jakavat vastuuta, pyrkivät yhdessä päämäärään jne. Yhdessä toimiminen kehittää ryhmän ihmissuhteita, vahvistaa oppilaiden itsetuntoa sekä vähentää työrauhaongelmia, jos aihe on opiskelijoista mielenkiintoinen ja heille merkityksellinen. Yhdessä toimiminen tarjoaa oppilaille tilaisuuden keskusteluun toistensa kanssa, joten vuorovaikutustaidot kehittyvät luonnollisella tavalla ryhmässä. Samalla he oppivat myös ongelmanratkaisutaitoja toisiltaan. Ryhmätyöskentely johtaa luontevasti oppiaineiden väliseen eheyttämiseen. Esimerkiksi kokeellinen työskentely luo hyvän mahdollisuuden pienessä ryhmässä opiskeluun. Oppilaat pääsevät suunnittelemaan kokeita, tunnistamaan ja vakioimaan muuttujia, tekemään havaintoja ja mittauksia, esittämään muuttujien välisiä riippuvuuksia, mallintamaan, raportoimaan, arvioimaan ja muutenkin käsittelemään tietoa. Samalla oppilaat tutustuvat luonnontieteiden luonteeseen, sillä tutkimukset muistuttavat tutkijan tapaa työskennellä tutkimusryhmissä. Ryhmässä oppiminen muistuttaa paljon toimintaa modernissa työyhteisössä. Oppilaat viestivät toinen toisilleen sanoin, kuvin ja kirjallisesti sekä myös tieto –ja viestintätekniikkaa käyttäen, joka voi tukea opetusta, opiskelua ja oppimista  pienissä ryhmissä monin eri tavoin (Hodson, 1989).

Bennettin, Lubbenin, Hogarthin ja Campbellon (2004) tekemän systemaattisen analyysin (A systematic review) perusteella on olemassa vahvaa tutkimusperäistä näyttöä seuraavista asioista, kun oppilaat keskustelevat pienessä ryhmässä:
– Keskustelu pienessä ryhmässä kestää tyypillisesti 2 - 30 min ja se on osa muuta pienessä ryhmässä toimintaa.
– Keskustelulla pienessä ryhmässä pyritään tukemaan oppilaiden ymmärtämistä ja vaikuttamaan asenteisiin positiivisesti.
– Pienessä ryhmässä empiiriseen aineistoon tukeutumisen ja selittämisen saa aikaan tyypillisesti oppilaiden sisäinen kognitiivinen ristiriita (konflikti) ja ulkopäin ristiriidan syntymistä tukeva laadukas ohjaus, työskentelymuoto tai tehtävä. Hyvä lähtökohta keskustelulle voi olla esimerkiksi sanomalehtiartikkeli, video, oppimateriaali tai oppilastyössä hankittu aineisto.
– Oppilaat pystyvät tehokkaammin tukeutumaan aineistoon ja selittämään, kun opettaja organisoi työskentelyn tietoisesti yhteisöllisen tai tutkivan oppimisen viitekehyksessä.
– Pienessä ryhmässä keskustelulla on vaikutusta siihen, miten oppilaat tulkitsevat havaintoja ja mittaustuloksia ja miten he käyttävät dataa selittämisessä. Tytöille on hyötyä työskentelystä pelkästään tyttöryhmässä.
– Heterogeenisesta ryhmästä (heterogeenisuus tiedonalan tietojen suhteen) on hyötyä havaintojen selittämisessä (understanding of evidence).
– Pienessä ryhmässä keskustelu ei auta oppilaita erottamaan empiirisen aineiston ja asiatekstissä olevan mielipiteen todistusvoimaa, kun pitää perustella havaintoja tai asioita.

Seuraavista pienessä ryhmässä keskusteluun liittyvistä asioista on olemassa hieman tutkimusperäistä näyttöä:
– Oppilaan sisäinen tai ulkoa synnytetty ristiriita pienen ryhmän keskustelussa johtaa parempaan ymmärtämiseen.
– Keskustelu pienessä ryhmässä, johon on yhdistetty perustelutaitojen opetusta, kehittää oppilaiden taitoja muotoilla monimutkaisia argumentteja.

Ryhmässä toimimisen vaikutus oppimiseen ei ole kuitenkaan yksinkertainen ilmiö. Esimerkiksi kokeellisuuden vaikutus ryhmän sisäiseen vuorovaikutukseen ei ole yksinkertainen ja ennalta ennustettavissa oleva ilmiö. Kokeiden tekeminen ryhmässä ei aina ole myöskään rakentavaa, koska eri henkilöillä saattaa olla erilainen käsitys tarkasteltavasta ilmiöstä ja erilaisia strategioita kohdattavien ongelmien ratkaisemiseen. Ennakkokäsityksillä saattaa yleensäkin olla hajottava vaikutus ryhmässä toimimiseen. Toisaalta erilaiset ennakkokäsitykset saattavat olla hyödyksi ja johtaa rakentavaan toimintaan ryhmässä (vrt. Howe et al. 1992). 

Yhtenä ongelmana ryhmässä oppimisessa saattaa olla myös arviointi. Luokassa on samanaikaisesti useita pienryhmiä, joiden opiskeluprosessia opettajan tulisi seurata ja ohjata. Arvioinnin tulisi olla pienryhmäopiskelulle asetettujen tavoitteiden mukaista, mutta myös oikeudenmukaista ja tasapuolista jokaista pienryhmän opiskelijaa kohtaan. Arvioinnin tueksi voidaan ottaa esimerkiksi Portfolioarviointi.

Johtopäätöksiä lähestymistavoista

Edellä esitettyjen luonnontieteiden opetuksen uudistamisen lähestymistapojen tarkastelun perusteella havaitaan, että kaikki (kokeellisen) opetuksen uudistamispyrkimykset ovat tavalla tai toisella ongelmallisia. Tarkastelun perusteella voidaan kuitenkin esittää johtopäätöksiä, joista on hyötyä opettajille, opetuksen uudistajille ja tutkijoille.

Opetuksen ja opettajankoulutuksen näkökulma

Uudistusten monipuolinen tarkastelu edellyttää opettajalta sekä kriittistä että luovaa ajattelua. Opettajan tulee olla kriittinen, kun opetuksen uudistaja esittää, että on löytynyt uusi ylivertainen lähestymistapa, joka ratkaisee fysiikan ja kemian opetuksen ongelmat. Sen tähden Suomalainen opettajankoulutuksen traditio, jolla tavoitellaan aktiivista, omaa työtään tutkivaa ja kehittävää opettajaa, on säilyttämisen arvoinen.

Toisaalta uudistuksissa on yleensä aina sellaisia piirteitä, jotka aktivoivat oppilaita, tukevat opiskelua ja oppimista. Uusi lähestymistapa voi esimerkiksi saada oppilaan kiinnostumaan tai ohjata oppilasta kohtaamaan käsitteen alaan kuuluvia esimerkkejä erilaisissa konteksteissa, jolloin käsitteen merkitys laajenee. Opettajalta edellytetään siis myös luovaa ajattelua ja taitoa huomata esitetyissä lähestymistavoissa tai ideoissa hyviä piirteitä ja kehitellä näitä piirteitä edelleen omaan opetustyyliin sopivaan muotoon.

Opettajan on siis osattava analysoida erilaisia opetuksen lähestymistapoja, jotta hän voisi valita kuhunkin tilanteeseen sopivan lähestymistavan. Ainutkertaisessa luokkatilanteessa voidaan tavoitella esimerkiksi käsitteiden oppimista, erilaisten taitojen oppimista, luonnontieteiden luonteen hahmottamista tai oppilaiden kiinnostuksen herättämistä. Tavoitteet, siis määräävät oppitunnille valittavat lähestymis- tai työtavat ja oppimateriaalit. Työtapojen käytössä on pyrittävä monipuolisuuteen, sillä fysiikan ja kemian opetuksen tavoitteet ovat monipuolisia.

Fysiikan ja kemian opettajan ammattitaitoon kuuluu (i) taito analysoida ja asettaa tavoitteita sekä suunnitella opetusta tavoitteiden pohjalta, (ii) taito opettaa ja ohjata opiskelua sekä hallita erilaisia työ- ja lähestymistapoja sekä motivointikeinoja, (iii) taito arvioida opittuja tietoja ja taitoja monipuolisesti sekä hallita erilaisia arviointitapoja, (iv) hallita fysiikkaa ja kemiaa siten, että hallitsee tarkoituksenmukaisella tavalla aineiden tietorakenteen ja tiedonluonteen sekä tiedonhankintamenetelmät, (v) taito arvioida omaa opetustaan kriittisesti, kehittää sitä ja taito arvioida erilaisten lähestymistapojen vahvuudet ja heikkoude. (Gott & Duggan 1996). 

Yhtä "ainutta oikeaa" ja ylivertaista lähestymistapaa tai opetusmenetelmää ei ole. Kaikissa lähestymistavoissa on hyviä piirteitä, mutta myös heikkouksia.

Koulutuspolitiikan näkökulma

Edellä kuvatuista uudistamishankkeista esimerkiksi keksivä oppiminen ja prosessilähestymistapa ovat olleet luonteeltaan hallinnollisia ja niihin on liittynyt kansallisia opetussuunnitelmauudistuksia. Kontekstuaaliset kehittämishankkeet ovat olleet lähinnä tutkijoiden käynnistämiä ja edistämiä hankeita. Kaikkiin uudistuksiin on liittynyt laajoja oppimateriaaliprojekteja ja opettajien täydennyskoulutushankkeita.

Koska uudistamishankkeita ja opetussuunnitelmauudistuksia käynnistetään usein poliittisiin päätöksiin, hankkeiden käynnistämisellä on kiire ja niiden lähtökohtia ei tarkastella kriittisesti. Hankkeisiin tulisi kytkeä tutkimus jo käynnistämisvaiheessa (Lavonen, Meisalo & Juuti, 2004). Myös oppimateriaaleja tulisi useammin kehittää tutkimusperustaisesti (Lavonen & Meisalo, 2002).

Uudistuksia suunniteltaessa ja toteutettaessa on hyvä tukeutua myös uudistuksista ja niiden etenemisestä tehtyihin metatutkimuksiin. Esimerkiksi Fullan (1991, 68) on ryhmitellyt uudistusten leviämiseen ja käyttöönottoon vaikuttavat tekijät kolmeen ryhmään:
1. Uudistuksen ominaisuudet, kuten sen omaksumisprosessia edeltävät tarpeet, selkeys, rakenteen monimutkaisuus ja laatu sekä käytännöllisyys.
2. Paikalliset olosuhteet, kuten koulu yhteisönä; koulun resurssit; opettajien yhteistyö koulun tasolla; opettajien aikaisemmat tiedot, taidot ja uskomukset; rehtorin tai koulunjohtajan rooli työyhteisön johtajana; sekä opettajien tarve ja halu sitoutua uudistuksen käyttöönottoon ja siihen kuuluvaan muutosprosessiin.
3. Koulun ulkoiset tekijät, kuten alueellinen ja valtakunnallinen koulutuspolitiikka ja siihen kuuluvat rahoitussäädökset; kansalliset strategiat ja opetussuunnitelmat; sekä saatavilla oleva täydennyskoulutus.
Edellä luetellun kolmen tekijän lisäksi monet tutkijat pitävät neljäntenä uudistusten leviämiseen vaikuttavana tekijänä koulujen välistä verkostoitumista ja sen tuomaa tukea.

Luonnontieteiden opetuksen tutkimuksen käsikirjassa Tobin, Tippins ja Gallard (1994, 64) esittävät keskeiseksi uudistusten epäonnistumisen syyksi Fullanin listassa kohtaan 2 kuuluvan opettajien opetusta ja oppimista koskevat uskomukset ja näiden uskomusten pysyvyyden: ” Many of the reform attempts of the past have ignored the role of teacher beliefs in sustaining the status quo. The studies ... suggest that teacher beliefs are a critical ingredient in the factors that determine what happens in classrooms”.

Uudistusten suunnittelu, levittäminen ja kriittinen arviointi ovat siis monimutkaisia ilmiöitä.

Tutkimuksen näkökulma

Uudistamishankkeiden kriittinen tarkastelu tuo esille niihin liittyviä ongelmia. Erilaiset uudistamishankkeet ovatkin fysiikan ja kemian opetuksen tutkijoille mielenkiintoisia ilmiöitä tutkittavaksi. Monissa uudistamisen lähestymistavoissa on ollut keskeistä opetuksen kokeellisuuden uudistaminen (Lazarowitz & Tamir, 1994; White, 1996). Kokeellinen toiminta oppilaslaboratoriossa ei kuitenkaan aina johda aktiiviseen tiedon konstruointiin tai taitojen oppimiseen. Esimerkiksi Watson, Prieto ja Dillon (1995) havaitsivat, että kokeellisen toiminnan määrällä ei ollut yhteyttä käsitteiden oppimiseen. Tarvitsemme lisää tutkimusta, jotta voisimme ymmärtää pienen ryhmän opiskeluun oppilaslaboratoriossa liittyviä ilmiöitä. Bennettin, Lubbenin ja Hogarthin (2004) tekemän systemaattisen analyysin perusteella tarvitsemme lisää tutkimusta, jotta voisimme ymmärtää pienen ryhmän empiiriseen aineistoon tukeutumiseen liittyviä ilmiöitä (vrt. Lavonen, Jauhiainen, Koponen & Kurki-Suonio, 2004).

Oppilaiden fysiikkaa ja kemiaa kohtaan kokemaa kiinnostusta on tutkittu paljon. Sisältöjen, kontekstin ja työtavan valinnan lisäksi on tutkittu mm. oppilaan sukupuolen, persoonallisuuden, arvojen ja uskomusten sekä tulevaisuuteen liittyvien jatko-opiskelu- ja ammatti odotusten vaikutusta kiinnostukseen. Kontekstuaalisten lähestymistapojen kriittisen tarkastelun perusteella tarvitaan lisää tutkimusta, joka auttaisi ymmärtämään kiinnostukseen liittyviä syy- seuraussuhteita. Tähän päätyy myös Osborne (2003b) review tyyppisessä tarkastelussaan.

Tarkastelussa on pyritty tukeutumaan käytettävissä olevaan tutkimustietoon. On kuitenkin muistettava, että vaikka tutkimustietoa on sekä meillä Suomessa että eri puolilla maailmaa hankittu systemaattisesti jo vuosikymmeniä, on tiedossamme vielä paljon vajavaisuutta ja aukkoja. Saattaa olla niin, ettei kaikkein olennaisimpia tutkimusongelmia ole vielä löydetty eikä tärkeimpiin kysymyksiin ole näin ollen saatu vastauksia.

Lähteet ja kirjallisuutta

Adey, P. 1988. Cognitive acceleration: Review and prospects. International Journal of Science Education 10 (2), 121 – 134.

Adey, P. 1992. The CASE results: implications for science teaching. International Journal of Science Education 14 (2), 137 – 146.

Adey, P., Shayer, M. & Yates, C. 1989. Thinking Science: The currilum materials of the Cognitive Acceleration through Science Education (CASE) project. London: Macmillan.

Aebli, H. 1991. Opetuksen perusmuodot (suomentaja Unto Sinkkonen). Helsinki: WSOY.

Ahtee, M. (2000). Physics school education in Finland, Europhysics News, 31, retrieved on 20th October2002 at http://www.europhysicsnews.com/full/03/article8/article8.html.

Ahtee, M., Kankaanrinta, I. – K. & Virtanen, L. 1994. Luonnontieto koulussa. Helsinki: Otava.

Arons, A. 1990. A Guide to Introductory Physics Teaching. New York: John Wiley & Sons.

Ausubel, D. P. 1968. Educational psychology: A cognitive view. New York: Holt, Reinehart and Winston.

Autio, O. 1997. Oppilaiden teknisten valmiuksien kehittyminen peruskoulussa, Research Reports No. 117. Helsinki: The University of Helsinki, Department of Teacher Education.

Bahar, M. (2003).The Effects of Motivational Styles on Group Work and Discussion–based Seminars. Scandinavian Journal of Educational Research, 47, 461–473.

Bennett, J. & Holman, J. 2003. Context-based approaches to the teaching of chemistry: what are they and what are their effects? In: J. Gilbert (ed), Chemical Education: Towards Research-Based Practice. Dordrecht, Netherlands: Kluwer Academic Publishers.

Bennett, J., Hogarth, S. & Lubben, F. 2003. A systematic review of the effects of context-based and Science-Technology-Society (STS) approaches in the teaching of secondary science. Version 1.1 In: Research Evidence in Education Library. London: EPPI-Centre, Social Science Research Unit, Institute of Education. http://eppi.ioe.ac.uk/EPPIWebContent/reel/review_groups/TTA/Science/Science_2003review.pdf

Bennett, J., Lubben, F., Hogarth, S. & Campbell, B. 2004. A systematic review of the use of small-group discussions in science teaching with students aged 11-18, and their effects on students’ understanding in science or attitude to science. In: Research Evidence in Education Library. London: EPPI-Centre, Social Science Research Unit, Institute of Education.
http://eppi.ioe.ac.uk/EPPIWeb/home.aspx?page=/reel/review_groups/science/review_one.htm

Bentley, D. & Watts, M. 1989. Learning and teaching in school science: Practical alternatives. Milton Keynes: Open University Press.

Black, J. & Atkin, J. M. (eds) 1996. Changing the Subject: Innovations in Science, Mathematics and Technology Education. London: Routledge in association with OECD.

Boulton–Lewis, G.M., Smith, D.J.H., McCrindle, A.R., Burnett, P.C. & Campbell K.J. (2001). Secondary opettajas’ conceptions of teaching and learning. Learning and Instruction 11, 35–51

Bowyer. J., 1990. Scientific and Technological Literacy: Education for Change. Paper presented as a Special Study for the World Conference on Education for All. (Thailand). ERIC ED 344758.

Boyle, G.J. (1991). Does item homogeneity indicate internal consistency or item redundancy in psychometric scales? Personality and Individual Differences, 12, 291–294.

Bradley, P. L. 1968. Is the science laboratory necessary for general education science courses? Science Education 52, 58 – 66.

Bransford, J.D., Brown, A.L. & Cocking, R.C. (Eds) (2000). How People learn: Brain, Mind, Experience, and School. Washington, D.C.: National Academy Press.

Brown, J., Cooper, A., Horton, T., Toates, F. & Zeldin, D. 1986. Science in Schools. Exploring the curriculum. Milton Keynes: Open University Press.

Bunge, M. 1967. Scientific Research I. Berlin: Springer.

Bunge, M. 1983. Epistemology & Methodology II: Understanding the World. Treatise on Basic Philosohy. Volume 6. Dordrecht: D. Reidel.

Campbell, R., Lazonby, J., Millar, R., Nicolson, P., Ramsden, J., Waddington, D. 1994. Science: the Salters approach; a case study of the process of large scale curriculum development. Science Education 78, 415-447.

Carlone, H.B. (2003). Innovative science within and against a culture of "achievement". Science Education 87, 307-328.Carlsen, W. (1999). Domains of opettaja knowledge. In J. Gess–Newsome and N.G. Lederman (Eds), Examining Pedagogical Content Knowledge. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 133–144.

ChemCom 1988. Chemistry in the Community. Dubuque IA: Kendall Hunt.

Chi,M.T.H., & Roscoe,R.D. 2002.The process and chal- lenges of conceptual change.In M.Limón &L.Mason (Eds.),Reconsidering conceptual change:Issues in theory and practice.Dordrecht:Kluwer, 3-27.

Chin. C., Goh. N.K., Chia. L.S., Lee. K.W.L. & Soh. K.C. 1994. Pre-service teachers' use of problem-solving in primary science teaching. Research in Science Education. 24. pp. 41-50.

Crawley, F.E. & Black, C.B. (1992). Causal Modelling of Secondary Science Oppilass Intentions to Enrol in Physics. Journal of Research in Science Teaching, 29, 585–599.

Curtis, R. V. & Reigeluth, C. M. 1984. The use of analogies in written text. Instructional Science 13, 99-117.

Deci, E.L. & Ryan, R.M. (1985). Intrinsic motivation and self–determination in human behavior. New York: Plenum Press.

Deci, E.L. & Ryan, R.M. (1985). Intrinsic motivation and self–determination in human behavior. New York: Plenum Press.

Deci, E.L. (1992). The relation of interest to the motivation of behavior: A self-determination theory perspective. In K.A. Renninger, S. Hidi, & A. Krapp (Eds.), The role of interest in learning and development (pp. 43-70). Hillsdale, New Jersey: Lawrence Erlbaum.

Dewey, J. 1916. Democracy and education. An introduction to the philosophy of education. London: MacMillan.

Dimitrov, D. M. (1999). Gender Differences in Science Achievement: Differential Effect of Ability, Response Format, and Strands of Learning Outcomes. School Science and Mathematics, 99, 445–450.

Donnelly, J.F. & Jenkins, E.W. (2001). Science education: Policy, professionalism and change. London: Paul Chapman Publishing Ltd, 139–141.

Dooley, C. 1997. Problem-centered learning experiences: Exploring past, present and future perspectives. Roeper Review, 19(4), 192-196

Driver, R. 1983. The Pupils as Scientists? Milton Keynes: Open University Press.

Driver, R. 1985. Childrens Ideas in Science. Milton Keynes: Open University Press.

Duit, R. & Confrey, J. 1996. Reorganizing the Curriculum and Teaching to Improve Learning in Science and Mathematics. In Treagust, D., F., Duit, R. & Fraser, B., J. (ed.) 1996. Improving Teaching and Learning in Science and Mathematics. New York: Teachers College Press, Columbia University, 79–93.

Duit, R. & Treagust F. 2003. Conceptual change: a powerful framework for improving science teaching and learning. International Journal of Science Education 25 (6), 671-688.

Duit, R. & Treagust, D. (1998). Learning in science –From behaviourism towards social constructivism and beyond. In B.J. Fraser and K.G. Tobin (Eds) International Handbook of Science Education. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers.

Duit, R. 1991. On the role of analogies and metaphors in learning science. Science Education 75 (6), 649-672.

Dunteman, G.H. (1989). Principal components analysis: Quantitative Applications in the Social Sciences Series, No. 69. Thousand Oaks, CA: Sage.

Ekstig, B. 1990. Undervisa i Fysik. Didaktik och metodik. Lund: Studentlitteratur.

Enkenberg, J. 1981. Mikä luonnontieteiden opetusmetodiksi peruskouluun ja lukioon. Joensuun korkeakoulu. Kasvatustieteiden osaston selosteita ja tiedotteita 27.

Enkenberg, J. 1985. Formaalin ajattelun skeemojen kehittyneisyydestä peruskoulun yläasteen oppilailla. Joensuun yliopisto. Kasvatustieteiden tiedekunnan tutkimuksia 6.

Enkenberg, J. 1989. Tietokoneen koulukäyttö, Ajattelun kehittyminen logo-ympäristössä. Joensuun yliopiston kasvatustieteellisiä julkaisuja 8.

Enkenberg, J. 1990. Tiedon ja ajattelun taitojen oppimisesta tietokoneympäristössä. Joensuun yliopisto. Kasvatustieteiden tiedekunnan tutkimuksia 33.

Enkenberg, J. 2000. Oppimisesta ja opetusmalleista yliopistokoulutuksessa. Teoksessa J. Enkenberg, P. Väisänen & E. Savolainen (toim.), Opettajatiedon kipinöitä: Kirjoituksia pedagogiikasta. Joensuun yliopisto, Savonlinnan opettajankoulutuslaitos.
Verkkoversio: http://sokl.joensuu.fi/verkkojulkaisut/kipinat/kansi.htm

EPS (1999). Securing the Future of Physics. European Physical Society, Malvern seminar report. Retrieved October 2002 from http://www.malcol.org/eps_seminar/ .

Erekson, T. 1992. Technology education from the academic rationalist theoretical perspective. Journal of Technology Education 3 (2), 7–16.

Erätuuli, M. & Meisalo, V. 1982. Fysiikan ja kemian oppilastöiden evaluaatio. Lähtökohtia peruskoulun yläasteen fysiikan ja kemian oppilastöiden evaluaatiomenetelmien kehittämiseksi.. Helsingin yliopisto opettajankoulutuslaitoksen tutkimuksia 7.

Erätuuli, M. & Meisalo, V. 1985. Fysiikan ja kemian oppilastöiden evaluaatio II. Luonnontutkimustehtävät fysiikan ja kemian kokeissa. Helsingin yliopisto opettajankoulutuslaitoksen tutkimuksia 35.

Erätuuli, M. & Meisalo, V. 1991. Luonnontutkimustehtävien analyysi fysiikan ja kemian opetuksen tavoitteiden näkökulmasta: Teorian jatkokehittelyä ja peruskoulun oppilaiden saamien tulosten analyysi. Helsingin yliopisto opettajankoulutuslaitoksen tutkimuksia 93.

Erätuuli, M. Virtanen, L. & Ahtee, M. 1981. Avoimet oppilastyöt luonnontieteiden opetuksessa, yläasteen fysiikka. Helsinki: Kouluhallitus, Kokeilu- ja tutkimusselosteita n:o 38.

Fairbrother, R. (2000). Strategies for learning. In M. Monk & J. Osborne (Eds) Good practice in science teaching: What research has to say. Buckingham: Open University Press, 7–22 .

Fisher, R. 1990. Teaching Children to Think. Oxford: Basil Blackwell Ltd.

Fisher. D. Harrison. A., Henderson. D. & Hofstein. A. 1998. Laboratory learning Environments and Practical Tasks in Senior Secondary Science Classes. Research in Science Education. 28(3). pp. 353-363.

Ford, C. E. (1999). Collaborative Construction of Task Activity: Coordinating Multiple Resources in a High School Physics Lab. Research on Language and Social Interaction, 32, 369–408.

Ford, M. E. (1992) Motivating Humans: Goals, Emotions and Personal Agency Beliefs. USA: Sage

Fullan, M. 1991. The New Meaning of Educational Change. 2nd ed. London: Cassell.

Fullan, M.1994. Muutosvoimat: Koulunuudistuksen perusteiden pohdintaa. Helsinki: Painatuskeskus.

Geelan, D.R. (1997). Weaving narrative nets to capture school science classrooms. Research in Science Education 27(4), 553-63.Gorsuch, R.L. (1983). Factor analysis (2nd. ed.). Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates.

Giere, R.N. 1991. Understanding Scientific Reasoning, 3 rd edition. Fort Worth, TX: Holt, Rinehart and Winston.

Gilbert, J. ja Boulter, C. 1998. Learning Science Through Models and Modelling. Teoksessa: B. Fraser & K. Tabin, (Eds.): International Handbook of Science Education. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. 53-66.

Gilbert, J., Osborne, R. J., & Fensham, P. 1982. Children’s Science and Its Consequences for teaching. Science Education, 66, 623 – 633.

Gil-Pérez, D. 1996. New trends in science education. International Journal of Science Education 18 (8), 889–901.

Ginsburg, H. & Opper, S. 1969. Piaget's theory of intellectual development: An Introduction. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall.

Goman, J. & Perttula, J. 1999. Mitä on oppimaan oppiminen ja kuinka sitä voidaan kehittää? Kasvatus 30 (2), 109 - 119.

Gosper, M. V., Cheary, R. W., Hagerty-Hazel, E. & Kirkup, L. 1993. Reform in the Physics Laboratory: From Theory to Practice. Paper presented at the "Third International Seminar on Misconceptions and Educational Strategies in Science and Mathematics", Cornell University, Ithaca. 1–4.8.1993.

Gott, R. & Duggan, S. 1995. Investigative Work in the Science Curriculum. Buckingham: Open University Press.

Gott, R. & Duggan, S. 1996. Practical work: its role in the understanding of evidence in science. International Journal of Science Education 18 (7), 791–806.

Hakkarainen,K., Lonka, K. & Lipponen, L. 2000. Tutkiva oppiminen. Älykkään toiminnan rajat ja niiden ylittäminen. Porvoo: WSOY.

Halkka, K. 2003. Lukion fysiikan ja kemian oppimistulosten arviointi 2001. Oppimistulosten arviointi 2/2003. Opetushallitus. Helsinki. Yliopistopaino.

Haney, J. J., Czerniak. C. M. & Lumpe. A. T. (1996). Opettaja beliefs and intentions regarding the implementation of science education reform strands. Journal of Research in Science Teaching, 33, 971–993.

Hautamäki, J. 1980. The distribution of piagetian stages of thinking in a non random sample in finnish school children. Paper presented at 22. International Congress of Psychology. Leipzig. DDR, July 6. - 12.1980.

Hegarty-Hazel, E. (eds.) 1990. The Student Laboratory and the Science Curriculum. London: Routledge.

Heikkilä, J. 1981. Luovan ongelmanratkaisun didaktiikka. Helsinki: WSOY.

Heinonen, V. 1989. Kasvatustieteen perusteet. Jyväskylä: Gummerus.

Hennessy, S. & Murphy, P. 1999. The Potential for Collaborative Problem Solving in Design and Technology, International Journal of Technology and Design Education 9(1), 1–36.

Herschbach, D., R. 1996. Technology as Knowledge: Imlications for Instruction. Journal of Technology Education 7 (1).

Hestenes, D. 1992. Modeling games in the Newtonian World. Am. J. Phys., 60, 732-748.

Hidi, S. 1990. Interest and its contribution as a mental resource for learning. Review of Educational Research, 60, 549-571.

Hodson, D. 1996a. Laboratory work as scientific method: three decades of confusion and distortion. J. Curriculum studies 28 (2), 115–135.

Hodson, D. 1996b. Practical work in school science: exploring some directions for change. International Journal of Science Education 18 (7), 755–760.

Hodson, D. 1998. Teaching and Learning Science. Towards personalized approach. Guildford and King’s Lynn: Biddles Ltd.,.

Hodson. D. 1990. A Critical Look at Practical Work in School Science. School Science Review; 71. 33–40.

Hodson. D. 1998. Mini-Special Issue: taking practical work beyond the laboratory. International Journal of Science Education 20 (6). 629-632.

Hoffman, L. (2002). Promoting girls’ interest and achievement in physics classes for beginners. Learning and Instruction, 12, 447–465.

Hopkins, D. 1989. Evaluation for School Development. Milton Keynes:The Open University.

Howe, C., Tolmie, A., Anderson, A. & Mackenzie, M. 1992. Conceptual knowledge in Physics: The Role of group interaction in computer-supported teaching. Learning and Instruction 2, 161 – 183.

Hudson. T. 1994. Developing pupils' skills. In R. Levison (Ed.). Teaching Science (pp. 94-109). London: Routledge.

Huhtamo, E. Kangas, S. Kuivakari S. ja Olsson, E. Keholliset käyttöliittymät 6/99. TEKES, Helsinki.

Hunt, A. & Millar, R. (eds) (2000) AS Science for Public Understanding. Oxford: Heinemann Educational.

Häusler, P. & Hoffmann, L. (2002). An Intervention Study to Enhance Girls’ Interest, Self–Concept, and Achievement in Physics Classes. Journal of Research in Science Teaching, 39, 870–888.

Jenkins. E:W. 1999. Practical work in school science - some questions to be answered. In J. Leach & A., C. Paulsen. Practical Work in Science Education. Roskilde: Roskilde University Press.

Johnson, D.W. & Johnson, F. P. 1991. Joining Together: group theory and group skills. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 219 – 250.

Johnstone, A.H., & Letton, K.M. (1989). Teaching the Large Course: Is Practical Work Practicable? Journal of College Science Teaching, 18, 190–192.

Joyce, B & Weil, M. 1980. Models of Teaching. London: Prentice-Hall international.

Joyce, B. & Weil, M. (1996). Models of Teaching 5th edn. Boston: Allyn and Bacon.

Justi, R. ja Gilbert, J. 2002. Modelling, teachers' views on the nature of modelling, and implications for the education of modellers. Int. J. Sci. Educ., 24, 369-387.

Juuti, K., Lavonen, J., & Meisalo, V. (2004). Learning Newtonian Mechanics in Virtual and Real Learning environments in Grade 6 in A Finnish Primary School. In the V. Uskov (ed.), Proceedings of the IASTED International Conference WEB-BASED EDUCATION, February 16 – 18, 2004, Insbruck, Austria. Anaheim: ACTA Press, 567–572

Jørgensen, B.C. (1998). Mathematics and physics education in society – the justification and enrolment problems from a general perspective. In J.H. Jensen, M. Niss & T. Wedege (Eds.), Justification and Enrolment Problems in Education Involving Mathematics or Physics. Roskilde: Roskilde University Press.Krapp, A., Hidi, S. & Renninger, K.A. (1992). Interest, learning and development. In Renninger, K.A., Hidi, S. & Krapp, A. (Eds) The role of interest in learning and development. Hillsdale, New Jersey: Lawrence Erlbaum Associates, Inc, 3–25.

Kananoja, T. 2000. Yleissivistävän koulun teknologisesta kasvatuksesta Suomessa. Teknistieteellinen Akatemia, Koulutusryhmä, Helsinki: Facte. http://people.cc.jyu.fi/~ziggy/text/teknkasvsuomessa.pdf

Kansanen, P. 1989. Didaktiikan tiedetaustaa. Helsingin yliopiston opettajankoulutuslaitos. Tutkimuksia 70.

Kansanen, P. 1992. Opettajakeskeisyyden dilemma. . Teoksessa I. Sava & H. Linnansaari: Peruskoulun toiminta- ja työmuotoja kehittämässä. Vantaan täydennyskoulutuslaitoksen julkaisuja 2, 95-107.

Kari, J. (toim.) 1991. Didaktiikka ja opetussuunnittelu. Helsinki: WSOY.

Kerr, J. 1963. Practical Work in School Science. Leicester: Leicester University Press.

Koro, J. Kehittyvä opetustyö. Teoksessa Kari, J. (toim.) 1991. Didaktiikka ja opetussuunnittelu. Helsinki: WSOY , s. 93-131.

Krapp, A. 2002. Structural and dynamic aspects of interest development: theoretical considerations from an ontogenetic perspective. Learning and Instruction, 12, 383 – 409.

Krapp, A., Hidi, S., & Renninger, A. 1992. Interest, learning, and development. In K. A. Renninger, S. Hidi, & A. Krapp (Eds.), The role of interest in learning and development (pp. 3-25). Hillsdale, NJ: Erlbaum.

Kuitunen, H. 1996. Finiste-tietoverkko innovaation välineenä luonnontieteiden opetuksen työtapoja monipuolistettaessa. Helsingin yliopiston opettajankoulutuslaitoksen tutkimuksia 159.

Kurki-Suonio, K. & Kurki-Suonio, R. 1994. Fysiikan merkitykset ja rakenteet. Helsinki: Limes ry.

Kuusela, J. 2000. Tieteellisen paradigman mukaisen ajattelun kehittyminen peruskoulussa. Kahden interventiomenetelmän vertaileva tutkimus peruskoulun kuudesluokkalaisilla, Helsingin Yliopiston opettajankoulutuslaitos, tutkimuksia 221.

Kuusinen, J. (toim.) 1991. Kasvatuspsykologia. Helsinki: WSOY.

Labudde, P. (2000). Girls and physics: teaching and learning strategies tested by classroom interventions in grade 11. International Journal of Science Education 22, 143–157.

Lahdes, E. 1986. Peruskoulun didaktiikka. Helsinki: Otava.

Lavonen, J. & Meisalo, V. 1997. Luonnontieteiden opetuksen kokeellisuus ja mittausautomaatio. LUONTI-projekti. Helsingin yliopiston opettajankoulutuslaitos.

Lavonen, J. & Meisalo, V. 2002. Research-Based Design of Learning Materials for Technology-Oriented Science Education. Themes in Education, 3(2), 107–131.

Lavonen, J. & Meisalo, V. 2004. Matemaattis-luonnontieteellisten aineiden työtapaopas. http://www.edu.helsinki.fi/malu/kirjasto/tyotapa/ (vierailtu 1.5.2004)

Lavonen, J. , Juuti, K., Byman, R., Meisalo, V., Koponen, I., and Saloranta, S. 2003. Teaching and Studying phycics and chemistry in upper secondary schools: a survey of the students’ perspective in Finland, In proceedings on the IXX Symposium of the Finnish Mathematics and Science Education Research Accociation, ‘‘Towards Meaningful Mathematics

Lavonen, J., Jauhiainen, J., Koponen, I & Kurki-Suonio, K. 2004. Effect of a long term in-service training program on teachers' beliefs about the role of experiments in physics education. International Journal of Science Education, 26(3), 309–328.

Lavonen, J., Meisalo, V. & Juuti K. 2004. The Role of Researchers in the Implementation of Educational Policies: The Finnish LUMA Programme (1996-2002) as a Case Study. Journal of Baltic science Education, 3(4), 34–42.

Lavonen, J., Meisalo, V., Autio, O. & Lind, M. 1998. Elektroniikan ja sähkötekniikan perusteet yleissivistävässä koulussa. Elektroniikka omaksi -hankkeen tuloksellisuus. Helsingin yliopiston opettajankoulutuslaitos. Tutkimuksia 193.

Layton, D. 1988. Revaluing the T in STS. International Journal of Science Education 10(4), 367–378.

Lazarowitz, R.& Tamir, P. (1994) Research on using laboratory instruction in science. In D.L. Gabel (ed.) Handbook of Science Teaching and Learning (New York: Macmillan Publishing Company), 94-128.

Lazarowitz, R., Hertz-Lazarowitz, R. & Baird, J., H. 1994. Learning Science in a Cooperative Settings: Academic Achievement and Affective Outcomes. Journal of Research in Science Teaching 31 (10), 1121–1131.

Leach, J. & Scott, P. (2000). Children’s thinking, learning, teaching and constructivism. In M. Monk & J. Osborne (Eds) Good practice in science teaching: What research has to say. Buckingham: Open University Press, 41–54.

Leach, J. & Scott, P. (2002). Designing and evaluating science teaching sequences: an approach drawing upon the concept of learning demand and a social constructivist perspective on learning. Studies in Science Education, 38, 115–142.

Lehti, Y. 1982. Johdatus kognitiiviseen psykologiaan. Vaasa: Gaudeamus.

Lehtinen, E., Kinnunen, R., Vauras, M., Salonen, P., Olkinuora, E. & Poskiparta, E. 1989. Oppimiskäsitys. Helsinki: Valtion painatuskeskus.

Leikola, A. 1986. Luonnontieteen tulevaisuus. Teoksessa: Niiniluoto, I. & Nyman, H. (toim.) Tulevaisuus: Juhlakirja akateemikko Georg von Wrightin 70-vuotispäivänä 14.6.1986 kunniaksi. Helsinki: Otava, 140–151.

Lenton, G.M. 1990. SATIS 16-19: a preliminary review of school trials. School Science Review 71, 135-140.

Levävaara, H. 1997. Opettajan ja oppilaan käsitysten kohtaaminen: Avoin tutkimus peruskoulun valo-opin opetuksesta. Helsingin yliopiston opettajankoulutuslaitoksen tutkimuksia 174.

Lijnse, P. L. 1997. CURRICULUM DEVELOPMENT IN PHYSICS EDUCATION. Section E1, Curriculum Development in Physics Education  from: Connecting Research in Physics Education with Teacher Education. An I.C.P.E. Book © International Commission on Physics Education 1997,1998. http://www.physics.ohio-state.edu/~jossem/ICPE/E1.html 

Linnakylä, P., Pollari, P. & Takala, S. toim. 1994. Portfolio: Arvioinnin ja oppimisen tukena. Kasvatustieteen tutkimuslaitos. Jyväskylän yliopisto.

LOPS. 1994. Lukion opetussuunnitelman perusteet 1994. Opetushallitus. Helsinki: Painatuskeskus.

LOPS. 2003. Lukion opetussuunnitelman perusteet 1993. Opetushallitus. Vammala: Vammalan kirjapaino. http://www.edu.fi/julkaisut/maaraykset/ops/lops_uusi.pdf

LUMA (1999). Finnish Knowledge in Mathematics and Sciences in 2002: Revision of the Joint Action Programme (LUMA). Department of Education and Science Politics Publications 72. Helsinki: The Ministry of Education.

Lumpe, A.T., Czerniak, C.M. & Haney, J.J. 1998. Science teacher beliefs and intentions regarding the use of cooperative learning. School Science & Mathematics, 98(3), 123-136

Macaskill, C. & Ogborn, J. 1996. Science and technology. School science review 77, 55–61.McPeck, J. E. 1990. Critical thinking and subject Specifity: a reply to Ennis. Educational Researcher 19 (4), 10 – 12.Meisalo, V. & Erätuuli, M. 1985. Fysiikan ja kemian didaktiikka. Helsinki: Otava.

McPeck, J. E. 1990. Critical thinking and subject Specifity: a reply to Ennis. Educational Researcher 19 (4), 10 – 12.

Meisalo, V. & Erätuuli, M. 1985. Fysiikan ja kemian didaktiikka. Helsinki: Otava.

Meisalo, V. & Lavonen J. 1994. Fysiikka ja kemia opetussuunnitelmassa. Opetushallitus: Painatuskeskus.

Meisalo, V. & Tella, S. 1987. Tietotekniikka opettajan maailmassa. Helsinki: Otava.

Meisalo, V. 1992. Toiminta- ja työmuotojen sekä niihin liittyvän käsitteistön analyysi luonnontieteiden työtapaprojektin näkökulmasta. Teoksessa I. Sava & H. Linnansaari: Peruskoulun toiminta- ja työmuotoja kehittämässä. Vantaan täydennyskoulutuslaitoksen julkaisuja 2, 73-92.

Meisalo, V., Erätuuli, M. & Capaccio, E. 1990. Evaluation of Laboratory Work in Secondary School Science Teaching. Development of Evaluation Methods for the Finnish Comprehensive School with Emphasis on the Biological Sciences and Chemistry. University of Helsinki. Department of Teacher Education. Research Report 84.

Miettinen, R. 1984. Kognitiivisen oppimisnäkemyksen taustaa. Valtion koulutuskeskus - Valtion Painatuskeskus. Julkaisusarja B 24.

Millar, R & Driver, R. 1987. Beyond processes. Studies in Science Education 14, 33–62.Novak, J. & Gowin, D. B. 1993. Learning how to learn. Cambridge: Cambridge University Press.

Millar, R. 2004. The role of practical work in the teaching and learning of science. Paper presented in the Meeting: High School Science Laboratories: Role and Vision. National Academy of Sciences, Washington, DC, 3-4 June 2004. http://www7.nationalacademies.org/bose/Millar_draftpaper_Jun_04.pdf

Millar, R., Tiberghien, A. & Le Maréchal, J.F. 2002. Varieties of labwork: A way of profiling labwork tasks. In Psillos, D. and Niedderer, H. (eds.), Teaching and Learning in the Science Laboratory. Dordrecht: Kluwer Academic, 9-20

Millar. R., Le Maréchal. J.-F., & Tiberghien. A. (1999). 'Mapping' the domain: Varieties of practical work. In J. Leach & A., C. Paulsen. Practical Work in Science Education. Roskilde: Roskilde University Press.

Ministry of Education, Research and Church Affairs, 1996. Curriculum for Upper Secondary Education - Specialized Subjects in General and Business Studies - Physics.

Ministry of Education, Research and Church Affairs, 1997. The curriculum for the 10-year compulsory school – Core curriculum.Myers, R. & Fouts, J.T. (1992). A Cluster Analysis of High School Science Classroom Environments and Attitude toward Science. Journal of Research in Science Teaching, 29, 929–937.

NBE. (1994). Framework curriculum for the senior secondary school. Helsinki: State Printing Press and National Board of Education.

Needels, M.C. & Gage, N.L. (1991). Essence and accident in process–product research on teaching. In H.C Waxman & H.J. Walberg (Eds) Effective teaching. Berkley, CA: McCutchan, 3–31.

Niiniluoto, I. & Saarinen, E. (toim.) 1989. Vuosisatamme filosofia. Helsinki: WSOY

Niiniluoto, I. 1980. Johdatus tieteenfilosofiaan: Käsitteen- ja teorianmuodostus. Helsinki: Otava.

Niiniluoto, I. 1983. Tieteellinen päättely ja selittäminen. Helsinki: Otava.

Novak, J. D. 1986. A Theory of Education. Ithaca: Cornell University Press.

Novak, J.D. 1998. Theoretical and Empirical Foundations of Human Constructivism. In J.J Mintzes, J.H Wandersee & J.D.Novak (eds.) Teaching Science for Understanding: A Human Constructivistic View. San Diego: Academic Press, 5-27.

OECD. (2000). Knowledge and Skills for Life. First Results from the OECD Programme for International Oppilas Assessment (PISA) Organisation for Economic Co–Operation and Development.

OECD. (2005). Learning for Tomorrow's World: First results from PISA 2003. Organisation for Economic Co-Operation and Development. Available in the Internet: http://www.pisa.oecd.org/pages/LINK_ID:182413

Olsen, T., P., Hewson, P., W. & Lyons, L. 1996. Preordained science and students autonomy: the nature of laboratory tasks in physics classroom. International Journal of Science Education 18 (7), 775–790.

Osborne, J. (2003). Attitude towards science: a review of the literature and its implications. International Journal of Science Education, 25, 1049–1079.

Osborne, R. & Freyberg, R. 1989. Learning in Science. Hong Kong: Heinemann.

Osborne. J. 2003a. Ideas, Evidence and Argument in Science Education. Paper presented in ESERA 2003 Conference: Research and Quality of Science Education, August 19. – 23.2003, Noordwijkerhout, The Netherlands.

Palincsar, A. S. & Brown, A. (1984). Reciprocal Teaching of Comprehension-Fostering and Comprehension Monitoring Activities, Cognition and Instruction, 1(2), pp. 117-175.

Peacock, A. 1986. Science Skills, A Problem-solving Activities Book. Singapore: MacMillan Education Ltd.

Piaget, J. 1988. Lapsi maailmansa rakentajana. Helsinki: WSOY.

POPS. 1994. Peruskoulun opetussuunnitelman perusteet 1994. Opetushallitus. Helsinki: Painatuskeskus.

POPS. 2004. Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteet. Opetushallitus. Vammala: Vammalan kirjapaino. http://www.oph.fi/info/ops/pops_web.pdf

Prawatt. R.S. & Floden. R.E. 1994. "Philosophical perspectives on constructivist views of learning". Educational Psychology 29(1), 37–48.

Qualter A., Strang, J., Swatton, P. & Taylor, R. 1990. Exploration - A Way of Learning Science. Oxford: Basil Blackwell Limiteds.

Rajakorpi, A. 1999. Peruskoulun 9.-luokkalaisten luonnontieteiden oppimistulosten arviointi. Keväällä 1998 pidetyn kokeen tulokset. Oppimistulosten arviointi 2/1999. Helsinki. Yliopistopaino.

Raths, E. L., Wassermann, S., Jonas, A. & Rothstein, A. 1986. Teaching for thinking, Theory, Strategies, and Activities for the Classroom. NewYork: Teachers College, Coloumbia University.

Rauste-von Wright, M. & von Wright, J. 1994. Oppiminen ja Koulutus. Helsinki: WSOY.

Reeve, J. (2002). Self–Determination theory Applied to Educational Settings. in E.L. Deci, & R.M. Ryan (Eds) Handbook of Self–Determination Research. Rochester: The University of Rochester Press.

Rogers, E. M. 2003. Diffusion of innovations. 5th edition. New York: The Free Press.

Roth, W-M. 1994. Experimenting in a Constructivist High School Physics Laboratory. Journal of Research in Science Teaching 31 (2),197-223.

Rummel, R.J. (1970). Applied factor analysis. Evanston: Northwestern University Press.

Saari, H. & Viiri, J. 2003. A research-based teaching sequence for teaching the concept of modelling to seventh-garde students. International Journal of Science Education, 25(11), 1333-1352.

Saari, H. 2000. Oppilaiden käsitykset malleista ja mallintaminen fysiikan peruskouluopetuksessa. Joensuun yliopisto. Department of Physics. Väisälä Laboratory. Dissertations; n:o 22.

Saarinen, P., Ruoppila, I. & Korkiakangas, M. 1991. Kasvatuspsykologian kysymyksiä. Helsinki: Helsingin yliopisto Lahden tutkimus- ja koulutuskeskus.

Sahlberg, P. & Leppilampi, A. 1994. Yksinään vai yhteisvoimin. Helsinki: Helsingin yliopisto, Vantaan täydennyskoulutuskeskus.

Sahlberg, P. & Sharan, S. 2001. Yhteistoiminnallisen oppimisen käsikirja. Porvoo: WSOY.

Sahlberg, P. (toim.) 1990. Luonnontieteiden opetuksen työtapoja. Helsinki: Valtion painatuskeskus, Kouluhallitus, Finiste.

Saloheimo, T. 1999. Luonnontieteen oppimistulokset ammatillisissa perustutkinnoissa. Oppimistulosten arviointi 6/1999. Helsinki. Yliopistopaino. Luku 2.

Scott. P. (1998). Opettaja talk and meaning making in science classrooms: a Vygotskian analysis and review. Studies in Science Education, 32, 45–80.

Seinelä, K. 1987. Kokeellis-induktiivisen menetelmän toimivuus lukion ensimmäisen luokan fysiikan opetuksessa. Helsingin yliopiston opettajankoulutuslaitos. Tutkimuksia 47.

Shrigley R.L. (1990). Attitude and Behaviour are Correlates. Journal of Research in Science Teaching, 27, 97–113.

Simon, S. (2000). Students attitudes towards science. Teoksessa M. Monk & J. Osborne (Eds) Good practice in science teaching: What research has to say. Buckingham: Open University Press, 104–119.

Sinatra, G. M. & Pintrich, P. R. 2003. The Role of Intentions in Conceptual Change Learning. Teoksessa G. M. Sinatra & P. R. Pintrich (eds.) Intentional Conceptual Change. Mahwah, New Jersey: Lawrence Erlbaum Associates.

Sjøberg, S. 2004. Science and Tecnology in the New Millenium: Friend or Foe? In R.M. Janiuk & E. Samonek-Miciuk (Eds.), Proceedings of the International Organization for Science and Technology Education (IOSTE) XIth Symposium, 25. – 30. July, Lublin, Poland. Lublin: Maria Curie-Sklodowska University Press

Snow, R.E., & Jackson, D.N. (1994). Individual differences in conation: Selected constructs and measures. In H.F. O’Neil, Jr. & M. Drillings (Eds.), Motivation: Theory and research (pp. 71-99). Hillsdale, New Jersey: Lawrence Erlbaum.

Solomon, J & Aikenhead, G. (eds) 1994.STS Education: International Perspectives On Reform. New York: Teachers College Press.

Solomon, J. (1987). Social influences on the construction of pupils' understanding of science. Studies in Science Education 14, 63–82.

Springer, L., Donovan, S. & Stanne, M.E. (1999). Effects of small–group learning on undergraduates in science, mathematics, engineering, and technology: a meta–analysis. Review of Educational Research, 69, 21–51.

Stokking, K. M. (2000). Predicting the choice of physics in secondary education. International Journal of Science Education 22, 1261–1283.Aebli, H. 1991. Opetuksen perusmuodot. Helsinki: WSOY.

Sweller, J. 1994. Cognitive load theory, learning difficulty, and instructional design. Learning and Instruction, 4, 295-312.

Taylor, C. 1988. The Art and Science of Lecture Demonstration. Philadelphia: Adam Hilger.

Tobin, K., Mc Robbie, C. & Anderson, D. (1997). Dialectical constraints to the discursive practices of a high school physics community. Journal of Research in Science Teaching 34(5), 491-507.

Tobin, K., Tippins, D. & Gallard, A. 1994. Research on Instructional Strategies for Teaching Science. In D. Gabel (Ed.) Handbook of Research on Science Teaching and Learning. New York NY: MacMillan.

Treagust, D., F., Duit, R. & Fraser, B., J. (ed.) 1996. Improving Teaching and Learning in Science and Mathematics. New York: Teachers College Press, Columbia University.

Tynjälä, P. 1999. Towards Expert Knowledge? A Comparison Between a Constructivist and a Traditional Learning Environment in University. International Journal of Educational Research 31 (5).

Waddington, D., J. 1987. Education, Industry & Technology: Science and Technology and Future Human Needs. Volume 3. Oxford: Pergamon Press

Warwick, P., Linfield, R.S. and Stephenson, P. 1999. A comparision of primary pupils’ ability to express procedural understanding in science through speech and writing. International Journal of Science Education, 21(8), 823–838.

Watson, J.R., Prieto, T., & Dillon. 1995. The effects of practical work on students' understanding of combustion. Journal of Research in Science Teaching, 32, 487–502.

Weinburgh, M. (1995). Gender Differences in Oppilas Attitudes Towards Science: a Meta–Analaysis of the Literature from 1970–1991. Journal of Research in Science Teaching, 32, 387–398.

Wellington, J. 1998. Practical Work in Science. In J. Wellington (ed.) Practical work in school science: Which way now? London: Routledge, 3-15.

White, R. & Arndt, V. (1991) Process Writing. London: Longman.

White, T. 1996. The link between the laboratory and learning. International Journal of Science Education, 18(7), 761–774.

Wilkinson. J.W. 1999. The contextual approach to teaching physics. Australian Science Teachers Journal. 45(4). 43-51.

Willis, E. 1997. Technology: Integrated into, Not Added onto, the Curriculum Experiences in Pre-Service teacher Education, Computers in the Schools, 13(1-2), pp. 141-153.

von Glasersfeld, E. (1998). Why constructivism must be radical, in M. Larochelle, N. Bednarz, & J. Garrison (Eds) Constructivism and education. Cambridge: Cambridge University Press, 23–28.

Woolfolk, A. 1987. Educational Psychology. New Jersey: Prentice-Hall, Inc.

Woolnough, B. (1994). Effective Science Teaching. Buckingham: Open University.

Vosniadou, S. 1999. Conceptual Change Research: State of the Art and Future Directions. Teoksessa W. Schnotz, S. Vosniadou, & M. Carretero. New Perspectives on Conceptual Change. Amsterdam: Pergamon.

Voutilainen, T., Mehtäläinen, J. & Niiniluoto, I. 1989. Tiedonkäsitys. Kouluhallitus. Helsinki: Valtion painatuskeskus.

Vygotski, L. 1982. Ajattelu ja kieli. Espoo: Weilin & Göös.

Välijärvi, J., Linnakylä, P., Kupari, P., Reinikainen, P. & Arffman, I. (2002). The Finnish success in PISA-and some reasons behind it. Jyväskylä: Kirjapaino Oma Oy. Available online: http://www.jyu.fi/ktl/pisa/publication1.pdf

Yager. R.E., 1996. Science/ Technology/ Society As Reform in Science Education (Albany: State University of New York SUNY).

Lukemistoa

John Parkinson (1994), The Effective Teaching of Secondary Science. Longman: Harlow.
Tony Tuner & Wendy DiMarco (1998), Learning to Teach Science in the Secondary School. Routledge: London.
Jerry Wellington (1994), Secondary Science: contemporary issues and practical approaches. Roultedge: London.

A systematic review of the effects of context-based and Science-Technology-Society (STS) approaches in the teaching of secondary science: http://eppi.ioe.ac.uk/EPPIWeb/home.aspx?page=/reel/review_groups/TTA/Science/Science_intro.htm
A systematic review of the use of small-group discussions in science teaching with students aged 11-18, and their effects on students' understanding in science or attitude to science: http://eppi.ioe.ac.uk/EPPIWeb/home.aspx?page=/reel/review_groups/science/review_one.htm

Opetusmenetelmät: http://www.brunel.ac.uk/faculty/ed/fls/download/teaching/methods.pdf
Kokeellisuus: http://www7.nationalacademies.org/bose/Millar_draftpaper_Jun_04.pdf
http://www.ul.ie/~childsp/CinA/Issue58/TOC3_PracticalClass.htm

Tutkiva verkko-oppiminen: http://www.tutkiva.edu.hel.fi/index.html