SOVELTAMINEN, ONGELMANRATKAISU JA SIMULOINTI

© Lavonen, Meisalo & al.

Soveltaminen ja ongelmanratkaisu

Gupta (1995, 105-106) esittelee kirjassaan 'Teaching and learning of science and technology' Biggesin neljä oppimisen ja opettamisen tasoa

1. Autonomisen kehityksen taso
2. Muistaminen
3. Ymmärtävä oppiminen
4. (Reflektiivinen) ongelmanratkaisutaito

Luonnontieteiden oppitunneilla on aina ohjattu oppilaita ratkaisemaan ongelmia ja soveltamaan aikaisempia tietojaan uusissa tilanteissa. Soveltamisella ja ongelmanratkaisulla on vuosikymmenten perinteet luonnontieteiden opiskelussa Esimerkiksi John Dewey antoi seuraavan ohjeen vuonna 1916 ilmestyneessä luonnontieteiden opetuksen menetelmäkirjassaan: "Ongelmien ratkaiseminen ja reflektiivinen ajattelu ovat sekä opetusmenetelmä että luonnontieteiden opetuksen ja opiskelun keskeisin tulos" (ks. lisää esim. Bentley ja Watts 1989, 80; Barr 1993, 237). Reflektiivinen ongelmanratkaiseminen on ajattelun kehittymisen korkein taso. Yksilö, joka hallitsee ongelmanratkaisutaitoja

• osaa kertoa opitun periaatteen omin sanoin.
• osaa antaa periaatteeseen liittyviä esimerkkejä.
• tunnistaa periaatteen vaihtelevissa oppimistilanteissa.
• pystyy osoittamaan opitun periaatteen ja muiden periaatteiden välisiä yhteyksiä.
• osaa käyttää periaatetta käänteisissä tilanteissa.
• pystyy ennakoimaan periaatteen käytön seuraukset erilaisissa tilanteissa.

Käytännössä oppilaita ohjataan oppitunneilla soveltamaan ja ratkaisemaan ongelmia erilaisten projektien, tutkimusten ja tehtävien parissa. Gupta on kuvaillut ongelman ratkaisutaitojen oppimisen ja opettaminen vaiheita seuraavasti (1995, 105):

1. Ongelmatilanteen valinta tai ongelmatehtävän asettelu
2. Ongelman määrittely ja rajaus
3. Hypoteesin muotoilu
4. Hypoteesin testaus (varsinainen tutkimus tai mittaus)
5. Johtopäätöksien tekeminen
6. Yleistäminen
7. Tulosten käyttö uudessa tilanteessa
8. Uusien ongelmien identifioiminen
9. Arviointi

Tehtävien luokittelu

Tässä artikkelissa tarkastellaan soveltamista ja ongelmien ratkaisemista tehtävien näkökulmasta. Ongelma- ja tehtävätyyppejä voidaan luokitella erilaisiin ryhmiin. Luokittelukriteereitä on useita:

A.  Ongelmien tai tehtävien luokittelu avoimiin ja suljettuihin tai muodollisiin ja vapaamuotoisiin tehtäviin, on tyypillisin luokittelutapa. Käytännössä luokkien rajat eivät ole jyrkkiä, vaan pikemminkin luokat edustavat akselin ääripäitä ja tehtävä sijoittuu akselilla näiden kahden ääripään välille. Esimerkiksi avoin tehtävä sisältää ainakin jonkin verran avoimuutta tehtävän annossa, lähtötilanteen tarkastelussa, lakien käyttöön liittyvien oletusten tekemisessä jne. Jos tehtävässä todetaan, että ilmanvastus on pieni, tehtävä ei sisällä avoimuutta käytettävien lakien pätevyysalueen tarkastelun osalta.

B. Kahneyn esittelemä (1986) tehtävien luokittelu hyvin ja huonosti määriteltyihin (well and illdefined problems) koskee ainoastaan oppilaille ratkaistavaksi annettavia tehtäviä . Hyvin määritellyssä tehtävässä annetaan valmiina tavoite, työskentelytapa tai strategia tehtäväksiannossa. Huonosti määritellyssä tehtävässä tehtävän ratkaisija joutuu asettamaan tavoitteen ja valitsemaan työskentelytavan tai strategian itse. Käytännön elämässä ongelmia ei kuitenkaan tarjoilla valmiina, vaan itse ongelmakin on tunnistettava ja muotoiltava. Tätä Kahney ei ole ottanut huomioon.

C. Yksi tehtävien luokittelun näkökulma on kokeellista toimintaa edellyttävät tehtävät, luonnontutkimustehtävät, ja pelkästään kynän ja paperin kanssa suoritettavat tehtävät. Luonnontutkimustehtävillä tarkoitetaan sellaisia luontoon kohdistuvia havainto- ja mittaustehtäviä, parhaassa tapauksessa eksperimentaaliseen koejärjestelyyn perustuvia tutkimuksenomaisia töitä, joihin liittyy ainakin jossakin määrin oppilaan suorittamaa tehtävän suunnittelua, omakohtaisia havaintoja ja mittauksia sekä tulosten tulkintaa ja raportointia (Erätuuli & Meisalo 1995). Niillä voidaan toteuttaa tarkoituksenmukainen luonnontieteiden kokeellisen luonteen ja taitojen painotus. On mahdollista kehittää eri tyyppisiä luonnontutkimustehtäviä, joista osa kohdistuu yksittäisten taitojen tai tietojen hallintaan, mutta laajemmissa tehtävissä lähestytään projektityöskentelyä antamalla esimerkiksi oppilaiden toteuttamalle suunnittelulle ja arvioinnille olennainen osuus. Kokeellisen työskentelyn taitoja voidaan testata jossain määrin myös ilman toiminnallista kokeellisuutta. Esimerkiksi graafisen esityksen tulkintaan liittyvät tehtävät testaavat myös kokeellisesti hankitun tiedon tulkitsemisen ja selittämisen taitoja. Jos tehtävässä annetaan käyrän asemasta mittauspisteet, tehtävällä mitataan myös kokeellisesti hankittujen tietojen esittämisen taitoja. Tehtävillä voidaan myös mitatta kokeellisen tutkimuksen suunnittelun taitoja.

D. Tehtäviä voidaan luokitella niiden kognitiivisen vaatimustason ja toisaalta tehtävien muodon perusteella:  muistamis-, soveltamis- ja tuottamistehtäviin (vrt. edellä esitellyt oppimisen ja opettamisen tasot).  Luonnontieteellisillä muistamistehtävillä  voidaan mitata peruskäsitteiden, lakien ja periaatteiden muistamista. Muistamistehtävät voivat olla esimerkiksi lyhyitä kuuden kysymyksen sarjoja, yhdistelytehtäviä tai vaihtoehtotehtäviä. Kyseiset tehtävät edellyttävät nimensä mukaisesti tietojen soveltamista ja kehittävät itsenäistä ajattelua. Ne voivat olla esimerkiksi ongelmanratkaisutehtäviä, päättelytehtäviä tai graafisia tehtäviä. Tuottamistehtävät ovat joko essee- tai laskutehtäviä. Soveltamistehtävien jaottelun taustalla on käsitys oppilaan ajattelun kehittymisestä ja käsitteiden oppimisesta. Ajattelun taidot voidaan Fisherin (1990, 1 - 28) mukaan luokitella luovan ja kriittisen ajattelun sekä ongelmanratkaisun taidoiksi.

Aeblin mukaan käsitteiden oppiminen on hahmotusprosessi, joka etenee loogisesti seuraavien vaiheiden kautta (Aebli 1991):

1. Kartoitetaan ongelma.
2. Otetaan käyttöön aiemmin opitut käsitteet.
3. Muodostetaan uusia mielikuvia, kun aiemmin opittua yhdistellään uuteen tilanteeseen.
4. Uusi käsite sijoittuu aiemmin muodostettuun tietorakenteeseen (Käsitteiden kytkentöjen "verkko" täydentyy uudella käsitteellä.)
5. Käsitteelle annetaan nimi.

Aebli korostaa sitä, että vaiheiden 1-4 läpikäyminen on välttämätöntä käsitteen ymmärtämisen kannalta.  Näiden vaiheiden kautta luodaan käsitteen merkitys. On myös esitetty, että käsitteitä opitaan ymmärtämään eri asteisesti niin, että ensin pystytään toistamaan opittu eli palauttamaan tieto mieliin ja  toiseksi käyttämään tietoa hyväksi tutussa yhteydessä. Kolmantena tasona on opitun tiedon soveltaminen uusiin tilanteisiin, jolloin on kyse ongelmanratkaisutaidosta (esim. Adey 1988, 121).

Tehtäviä voidaan luokitella myös lukuisten muiden periaatteiden perusteella. Seuraavassa on lueteltu joitakin tehtävien luokitteluperiaatteita:

• tehtävän tavoite (sisällöt, fysiikan menetelmä)
• tehtävän käyttötarkoitus (opetus, harjoitus tai testaus)
• tehtävän vaikeusaste
• tehtävän fysikaalisuus (fysikaalinen - matemaattinen, toteutettava - mahdoton ja luonnollinen - keinotekoinen)
• tehtävän muotoilu (suljettu avoin, realistinen - epärealistinen, määritelty -epämääräinen, lähtöarvojen valinta, tilanteen esittäminen, kieliasu jne.)
• tehtävän looginen tyyppi (mittausarvojen käsittely, suureen tai lain määritys mittausarvojen avulla, suureen määritys suureiden välisen relaation perusteella jne.)

Ongelmanratkaisutaitoja vaativat tehtävät

• Viime aikoina on kiistelty siitä, pitäisikö Suomen sähköenergian lisätarve kattaa rakentamalla lisää hiilivoimaloita vai ydinvoimaloita.
  • Miten nämä eroavat toisistaan toiminnallaan ja ympäristövaikutuksiltaan?
  • Tulevaisuuden ydinvoimala voi olla myös fuusiovoimala. Mitä tarkoitetaan fuusiovoimalla? (Syksy 1996, tehtävä 4)

• Tarkastele liikemäärää ja liike-energiaa kahden kappaleen välisessä törmäyksessä. (Syksy 1998, tehtävä 11)

Probleema- tai ongelmanratkaisutehtävät voivat edellyttää myös vaativia matemaattisia suorituksia, suunnittelua, tiedonhankintaa jne. Hyvin usein probleematehtävät ratkaiseminen mielletään yksilösuoritukseksi. Esimerkiksi nykyisin työelämässä monilla aloilla työntekijät muodostavat tiimejä. Yhteinen puurtaminen on tehokkaampaa ja useamman ihmisen innovaatioita yhdistelemällä saadaan monesti  laadukkaita tuloksia. Jotta tiimi olisi toimiva täytyy ryhmätyöskentelyn olla yhteistoiminnallista. Koulumaailmassakin ongelmanratkaisutehtäviä tulisi kehittää enemmän moderneiksi, ryhmäprosesseihin perustuviksi luovan ongelmanratkaisun tehtäviksi. Yhteistyö ja probleemantehtävät ovat myös motivoivia.

Tehtävien jakaminen probleematehtäviin ja laskennallisiin tehtäviin on usein tulkinnanvaraista. Edellisessä korostuu  looginen päättely sekä koko ongelmanratkaisuprosessi, kun taas jälkimmäisessä pääpaino on laskennallisessa hallinnassa.  Mekaanisten laskutoimitusten tekeminen on konkreettista toimintaa, jonka eteneminen voidaan nähdä laskuvihkoon tehtyinä merkintöinä.  Matemaattiset operaatiot ovat abstrakteja ajatusprosesseja, jotka tapahtuvat tekemisen ohessa. Kyseessä on toiminta, jossa asiayhteydet tiedostetaan ts. osaoperaatioiden yhteydet toisiinsa tiedostetaan. Toisinaan voi siis olla vaikeaa erottaa onko laskuvihkoon tehdyt merkinnät suoritettu muistin varassa vai onko laskun edetessä tehty edellä mainittu ajatustyötä. (Tämä asettaakin tiettyjä vaatimuksia oppilaiden ratkaistavaksi annetuille tehtäville, jotta ne todella mittaavat sitä, mitä halutaan!) Laskennallisia tehtäviä käytettäessä on huomattava, että matemaattisuus on keino täsmälliseen ilmaisuun eikä arvo sinänsä. Hyvä laskennallinenkin tehtävä voi olla matemaattisia operaatioita edellyttävä ongelmanratkaisutehtävä. Tästä seuraavaksi muutama esimerkki:

1. Laskennallisen tehtävän lähtökohtana voi olla  mittaustulokset, joiden käsittelyssä joudutaan  turvautumaan numeerisiin laskutoimituksiin hyvinkin monen merkitsevän numeron tarkkuudella. Tämä on tullut huomattavan helpoksi korkeatasoisten taskulaskinten yleistyttyä. Usein on kuitenkin olennaista, että suoritetaan huolellinen suuruusluokkatarkastelu ja tutkitaan saadun tuloksen mielekkyys. Samoin on kiinnitettävä huomiota siihen, että tuloksessa on oikea määrä merkitseviä numeroita.

Esimerkki laskennallisesta tehtävästä:

Kolme väkipyörää, joiden säteet ovat 10 cm, 15 cm ja 20 cm, on kytketty yhteen samalle akselille. Systeemin hitausmomentin määrittämiseksi toistettiin koetta, jossa systeemiä vedettiin 2,0 s:n ajan vakiovoimalla vuoroin kunkin pyörän ympäri kierretystä langasta (ajanhetkellä nolla systeemi oli levossa). Voima ja systeemin kiertymää mitattiin.
 

F/N	1,0	1,0	1,0	1,5	1,5	1,5	2,0	2,0	2,0
r/cm	10	15	20	10	15	20	10	15	20
j/rad	0,83	1,25	1,67	1,25	1,87	2,50	1,68	2,51	3,30

a) Määritä tulostaulukon perusteella systeemin hitausmomentti pyörimisakselin suhteen.
b) Mitä kitkamomentti vaikuttaisi mittausten perusteella piirrettyyn kuvaajaan, joka esittää kulmakiihtyvyyttä momentin funktiona?
(Galilei 4 -oppikirja, 144)

Edellä esitellyssä esimerkissä on myös graafisen esityksen tulkintaa!

2. Laskennallisen tehtävän lähtökohtana voi olla graafinen esitys. Graafiset esitykset perustuvat aina vähintään kahden tekijän riippuvuuteen. Soveltavissa tehtävissä on siis osattava tulkita mm. näitä riippuvuuksia. Kyseinen tiedon esitystapa on luonteenomaista fysiikassa suureita ja lakeja määriteltäessä, ja tutkimustuloksia käsiteltäessä. Graafinen esitys on havainnollistaa ratkaisun kannalta oleellisia tekijöitä. Graafiset tehtävät voivat olla sekä kvalitatiivisia tai kvantitatiivisia.

Esimerkki kvalitatiivisesta graafisesta tehtävästä:

Ylläolevat kuvat esittävät kappaleen liikkeen kuvaajia. Esitä esimerkki ilmiöstä, jota kuvaaja esittää. Perustele vastauksesi.

Esimerkki kvantitatiivisesta graafisesta tehtävästä:

Kuvaaja esittää kappaleiden A ja B paikan riippuvuutta ajasta.

a) Kuinka pitkät matkat kappaleet kulkevat aikavälillä 1 ...2 s?
b) Kuinka suuria ovat kappaleiden keskinopeudet aikavälillä 1 ...2 s?
c) Milloin kappaleilla on sama hetkellinen nopeus?

Tehtävän laadinta

Fysiikan tehtävien tavoitteena on mm. opettaa oppilaita käyttämään fysiikan lakeja, malleja ja teorioita luonnonilmiöiden kuvaamiseen ja ilmiötä koskevien ennusteiden laatimiseen. Tehtävän tarkoituksena on auttaa oppilasta saavuttamaan opetukselle asetettuja tavoitteita. Siksi tehtävien tulisi mitata mm. tavoitteiden ilmaisemaa fysikaalista tietoa eikä esimerkiksi ensisijaisesti laskutaitoa, henkistä kehitysastetta, ulkomuistia tai sanojen ymmärtämistä. Tehtävän laatijan on varottava, ettei fysikaalinen tieto piiloudu matematiikkaan ja ettei tehtävällä mitata pelkästään fysiikan osaamiselle asetettuja kvantitatiivisen osaamisen tavoitteita (... antaa laskennallinen valmius tyypillisten perusprobleemien käsittelyyn kaikilla fysiikan keskeisillä aloilla). Lisäksi laatijan pitää pohtia tehtävien fysikaalisuutta, vaatimustasoa, kieliasua, ym. Tehtäväkokoelman tulee olla kattava. Siinä tulee olla kognitiiviselta vaatimustasoltaan ja ulkoasultaan  erilaisia tehtäviä. Martonin ym. (1983) mukaan tehtävien tulisi mitatata monipuolisesti yksilön oppimisentasoja:

1. tiedon lisääntyminen
2. muistaminen, uudelleen tuottaminen
3. soveltaminen
4. ymmärtäminen
5. asian näkeminen uudessa valossa
6. muuttuminen ihmisenä

Oppiminen muuttaa ihmistä. Edellä esitellyn jaottelun taustalla on tavoite oman itsensä kehittäminen (vrt. Sivulla yksi Guptan oppimisentasot, joiden jaottelun perustana on ongelmanratkaisutaitojen kehittyminen asteittain.).

Tehtävät voivat olla ulkoasultaan mm.

1. laskuja
2. esseitä
3. graafisen kuvan tulkintaa
4. mittausarvojen käsittelyä
5. yhdistelytehtäviä
6. lyhyitä kysymyksiä
7. väitteen tottuusarvon tunnistamista
8. vaihtoehtotehtäviä

Kynällä ja paperilla suoritettavasta tehtävästä on tietysti vaikea saada sellaista, että se heijastaisi fysiikan kokeellista luonnetta. Seuraavissa esitellään ajatuksia siitä, miten lasku- ja esseetehtävistä saadaan tavoitteiden mukaisia: Tehtävää ei yleensä saisi rajata liikaa, jotta oppilas joutuisi miettimään, millä edellytyksillä tehtävä voidaan ratkaista. Laskutehtävissä ei pitäisi käyttää suureiden symboleja, sillä ne ohjaavat kaavojen käyttöön ja vähentävät tilanteen fysikaalista tarkastelua. (ei: kappaleen massa m = 2,5 kg; vaan kappaleen massa on 2,5 kg). Tehtävää laadittaessa kannattaa, voidaanko kappaleen asemasta käyttää, jotain todellista esinettä, kuten jääkiekkoa, lelulaatikkoa tai betoniporsasta. Tehtävien tulisi olla kielellisesti ja tyylillisesti viimeisteltyjä. Erityisesti tulisi välttää fysiikan slangiin liittyviä ilmaisuja. Laskutehtävissä suureet "olioituvat" helposti, jolloin oppilaille voi syntyä väärinkäsityksiä. Väärin on sanoa, että 5 kg massa asetetaan pöydälle, vaan pitäisi sanoa, että kappale, jonka massa on 5 kg, asetetaan pöydälle. Laitetta ei voi kytkeä jännitteeseen (suure), vaan jännitelähteeseen (laite);massoja ei voi ripustaa, mutta kappaleita voi. Tehtävää laadittaessa kannattaa pohtia myös seuraavia fysikaalisuuteen liittyviä näkökohtia. Seuraavassa on lueteltu joitakin yleisiä huonoja sanontoja ja virheellisiä merkintöjä, joita esiintyy fysiikan tehtävissä:

1. Ko-kö-päätteiset kysymysmuodot

   väärin: Suureksiko kasvaa...
   oikein: Kuinka suureksi...
   

2. Alkaa/ ruveta

   väärin: Vesi alkaa kiehumaan...
   oikein: Vesi alkaa kiehua...

3. Laittaa-verbi

   väärin: Heiluriin laitetaan uusi...
   oikein: Heilurin kiinnitetään uusi..
   

4. Ottaa huomioon/ huomioida

   väärin: kitkan vaikutusta ei huomioida
   oikein: kitkan vaikutusta ei oteta huomioon
   parempi: kitka on hyvin pieni
   

5. Aiheuttaa

   väärin: Auton hidastuvuuden aiheuttaa...
   oikein: Auton liike hidastuu, koska...
   

6. Mikä

   väärin: Mikä on kappaleen nopeus
   oikein: Kuinka suuri on
   

7. Suureen lukuarvon ja yksikön väliin jätetään tyhjä väli

   väärin: 1kg (1°C oikein)
   oikein: 1 kg
   

8. Suositus päätteiden käytöstä

   väärin: …kulkee 1,2 A sähkövirta...
   oikein: … kulkee 1,2 A:n sähkövirta ..
    

Tehtävän fysikaalisuutta voidaan Kurki-Suonion (Kurki-Suonio, K. & Kurki-Suonio, R. 1994) mukaan arvioida mm. seuraavien kysymysten avulla:

1. Miten hyvin tehtävän tilanne vastaa todellisuutta.
2. Onko tilanne toteutettavissa.
3. Onko kysymyksen asettelu luonnollinen. (Ei pyydetä laskemaan suuretta, joka on helposti mitattavissa suureista, joita on vaikea mitata).
4. Antaako tehtävä oikean kuvan fysiikan lakien ja mallien sovellettavuudesta.
5. Onko alkuarvot valittu siten, että lopputulos on mielekäs. Esimerkiksi polkupyörän kiihtyvyys on reilusti alle putoamiskiihtyvyyden.

Ovatko tehtävän alkuarvot mielekkäitä. Esimerkiksi, jos luoti törmää 200 g puupalaan, puupala luultavasti hajoaa.

Tehtävien ja ongelmien ratkaiseminen

Lukuisia yleisluonteisia ongelmanratkaisun strategioita on kehitetty ja esitelty. Esimerkiksi Polya (1945) on esittänyt yleisen nelivaiheisen ongelmanratkaisun strategian

1. Ongelman tarkastelu ja ymmärtäminen (tarkentaminen, muokkaaminen)
2. Ratkaisusuunnitelman tekeminen
3. Ratkaiseminen
4. Silmäyksen luominen taaksepäin (tuloksen tarkastelu).

Monet muut ovat tarkentaneet ja laajentaneet Polyan esittämää perusstrategiaa (vrt. Aeblin esittämään ongelmanratkaisun etenemiseen, joka on kappaleessa 'soveltaminen ja ongelman ratkaisu'). Vallalla on kuitenkin käsitys, että kovin yleisiä ongelmaratkaisun strategioita ei ole eikä niitä voi ainakaan opettaa. Ongelmien ratkaiseminen edellyttää pikemminkin ongelman alaan kuuluvia tietoja (eksperttiyttä) ja näkemyksiä. Tietyllä tiedon alueella omaksuttu ongelmanratkaisustrategia on siis vaikea siirtää toiselle tiedon alueelle (McPeck 1990).

Fysiikan tehtävän ratkaisussa tulisi aina esitellä fysikaalisen tilanteen tarkastelu, laskeminen ja tulosten fysikaalisen merkityksen selvittäminen. Sopivien kaavioiden ja kuvioiden käyttö on suositeltavaa. Tehtävän ratkaisemista varten on kirjoitettu eri luokka-asteille erilaisia ohjelistoja, joista alla yksi esimerkki:

• lähtötilanteen tarkastelu ja sopivien kuvioiden (esim. voimakuvio, kytkentäkaavio) piirtäminen sekä tunnettujen suureiden arvojen toteaminen,
• nimetään fysiikan laki/lait, johon ratkaisu perustuu (esim. dynamiikan peruslaki),
• todetaan lain pätevyysalue ja mahdolliset oletukset, jotka tehdään (esim. oletetaan ilmanvastus pieneksi),
• lakiin liittyvä yhtälön/yhtälöiden kirjoittaminen yleisessä muodossa (esim. F = ma) ja yhtälön/yhtälöiden ratkaiseminen kysytyn/kysyttyjen suureen/suureiden suhteen,
• tunnettujen suureiden arvojen sijoittaminen yksiköineen kysytyn suureen suhteen ratkaistuun yhtälöön ja kysytyn suureen arvon laskeminen,
• vastausten tarkkuuden päättäminen, ja
• tulosten tarkastelu ja niiden järkevyyden arviointi.

Vastauksen fysikaalisuudesta on tullut reaalikokeessakin tärkeä arviointikriteeri, sillä lähes kaikki fysiikan laskukaavat ovat taulukkokirjoissa. Kun muistamisen testaamista ei enää tarvita, reaalikokeen tehtävät testaavat entistä enemmän fysiikan lakien ymmärtämistä ja soveltamista.

Esimerkkejä tehtävistä

Alla on esitelty esimerkkeinä erilaisia tehtäviä ja ryhmitelty niitä tarkoituksenmukaisella tavalla.

Pohdintatehtäviä

Impulssi Jäällä liukuvaa kiekkoa lyödään liikkeen suuntaan. Mikä seuraavista vaihtoehdoista kuvaa parhaiten tilannetta lyönnin jälkeen? a) Kiekon nopeus kasvaa lyönnin jälkeen tasaisesti.  b) Kiekon nopeus kasvaa lyöntihetkellä ja pysyy tämän jälkeen vakiona.  c) Kiekon nopeus ei muutu. d) Kiekon nopeus kasvaa lyöntihetkellä ja hidastuu tämän jälkeen.  e) Kiekon nopeus on hetken aikaa sama lyönnin jälkeen, mutta kasvaa viiveen jälkeen.
Kappaleen hitaus a) Miksi autoiltaessa on tarkoituksenmukaista käyttää turvavöitä? b) Miksi varresta irronnut vasara saadaan paikalleen lyömällä vartta pöytään? c) Miten on mahdollista, että sirkuksen voimamies antaa yleisön vapaasti takoa rintakehänsä päällä olevaa raskasta teräskappaletta?
Kappaleiden vuorovaikutus 1. Vertaile vaunujen kokemia vuorovaikutuksia, kun jousta puristetaan vaunujen välillä.  Vertaile vaunujen saamia nopeuksia, kun otteet vaunuista irrotetaan
2. Kuorma-auto ja henkilöauto ajavat nokkakolarin. Kumpi autoista joutuu suuremman voiman ruhjomaksi kolaritilanteessa? Vertaile autojen nopeuden muutoksia, liikemäärän muutoksia ja kiihtyvyyksiä törmäyksessä.
Tasapaino ja painopiste 1. Tavallinen katuharja on tasapainossa, kun sitä tuetaan kuvan osoittamalla tavalla. Harja sahataan tuentakohdasta poikki. Kumpi näin syntyneistä kahdesta osasta on painavampi. Miksi? 2. Miksi sumo-painijalla on iso vatsa ja pienet hartiat?
Vieriminen ja pyörimishitaus 1. Kaksi samankokoista palloa lasketaan vierimään alas kaltevaa tasoa samanaikaisesti ja yhtä korkealta. Miksi oikeanpuoleinen pallo on ensin tason alapäässä?
2. Umpinainen ja ontto samansäteinen ja massainen sylinteri vierii alas kaltevaa tasoa. Kumpi sylintereistä on ensin mäen alla? Kumpi sylintereistä vierii pitemmälle lattialla?
Lämpöilmiöt 1. Levy laajenee lämmitettäessä. Miten siinä oleva reikä muuttuu? 2. Pohdi. a) Kesällä virvoitusjuomapullon ympärille voidaan kietoa märkä pyyhe, kun juoman halutaan jäähtyvän. Mihin ilmiöön juoman jäähtyminen perustuu? b) Miten ihminen pystyy säilyttämään ruumiinlämpönsä kuumassa saunassa? c) Miksi ihminen hikoilee lenkkeillessään? d) Miksi autojen jäähdytysveteen lisätään talvella glykolia? e) Miksi talvella ulkoa tuotu esine kostuu sisällä lämpimässä? f) Miksi saunassa metallinen löylykauha polttaa käsiä, mutta puinen laude ei? g) Miksi tavallinen lasi särkyy, kun siihen kaadetaan kiehuvaa vettä? h) Miksi olo tuntuu tukalalta esimerkiksi New Yorkin helteessä mutta mukavalta esimerkiksi Kenyan ylätasangolla, vaikka lämpötila on sama? i) Miksi suuret kivet huurtuvat sään lauhtuessa? j) Miksi suihkun tai kylvyn jälkeen voi palella, vaikka kylpyvesi on ollut lämpimämpää kuin huoneilman lämpötila?
Valon heijastuminen ja taittuminen 1. Aseta kaksi juomalasia pöydälle ja 10 pennin kolikot toisen lasin alle ja toisen sisälle. Näkyvätkö kolikot katsottaessa vinosti sivulta ja päältä? Täytä lasit vedellä. Näkyvätkö kolikot nyt? Selitä havaitsemasi ilmiöt.
2. Kynttilä on  a) 1-lasisen, b) 2-lasisen,  c) 3-lasisen  ikkunana edessä.  Kuinka monta kynttilän kuvaa näet? Miten kuvat syntyvät? Tasavirta, avoin ja suljettu virtapiiri 1. Pohdi, missä viereisen kuvan mukaisissa tilanteissa a-i lamppu hehkuu?   Tasavirtapiirien kytkennät 1. Piirrä mahdollisimman monta erilaista kytkentää, jossa on kaksi lamppua ja yksi paristo. Mihin kohtiin voit kytkennöissä sijoittaa jännite- ja virtamittarin? 2. Kuinka monta erilaista kytkentää voit rakentaa, kun sinulla on käytettävissä 2 vastusta ja 2 paristoa? Aseta kytkennät sähkövirran suuruuden mukaiseen järjestykseen.
3. Mikä kuvan lampuista hehkuu kirkkaimmin ja mikä himmeämmin?

Sähköiset ja magneettiset vuorovaikutukset

Havainnollista kappaleiden välistä vuorovaikutusta nuolilla (® ¬ tai ¬® ).
 

Samanmerkkiset varaukset.	Heilahtava magneetti ja kuparikappale.
Magneetti ja kuparipala.	Varattu kappale ja kuparipala.
Kaksi magneettia.	Varattu eristepallo ja magneetti.
Käämi ja magneetti.	Heilahtava magneetti ja kuparisilmukka.

 

Hiukkanen sähkökentässä

Seuraavien kuvien tilanteissa on ilmaistu hiukkasen alkunopeus. Millaiseen liikkeeseen hiukkanen joutuu?

"Kokeellisia" tehtäviä

Kitka

Kappaleen ja alustan välistä kitkaa tutkittiin asettamalla kappaleen päälle punnuksia ja vetämällä kappaletta alustaa pitkin tasaisella nopeudella. Vetäminen tapahtui jousivaa'alla, josta voitiin lukea voima. Saatiin seuraavat mittaustulokset.
m / g     160     260     360     460    560
F / N     0,55     0,90  1,20    1,50    1,95
Piirrä kuva koetilanteesta ja merkitse kuvaan kappaleeseen vaikuttavat voimat. Määritä liikekitkakerroin graafisesti.

Johtimen resistanssi ja resistiivisyys

Metallijohtimen pituus on 3,50 m ja poikkileikkauksen pinta-ala 1,2 mm². Kun johtimessa kulkeva virta ja sen päiden välinen jännite mitattiin, saatiin mittaustulokset:

virta I / A             0,75     1,4     2,3     3,0     3,8
jännite U / mV     40         80     20     160     200

a) Määritä tulosten perusteella johtimen resistanssi. b) Laske johdinaineen resistiivisyys?

Ennustetyyppisiä tehtäviä

Tasaisesti kiihtyvä liike 1. Kuinka kauan tulitikkulaatikko putoaa 0,5 m:n matkaa? Tarkista tulos mittaamalla aika valoporttien avulla. 2. Mittaa vaunun kiihtyvyys. Kuinka kauan vaunu käyttää 50 cm:n matkaan, kun vaunu lähtee liikkeelle levosta? Tarkista tulos mittaamalla aika. Ajan mittaamiseen tarvitaan kaksi valoporttia. 3. Kuinka vaunun nopeus ja kiihtyvyys muuttuvat vaunun liikkuessa kuvan mukaisesti ilmatyynyradalla? Tarkista tulos kokeellisesti. Kuinka suuri on ilmatyynyradalla olevan kappaleen kiihtyvyys? Kuinka suuri on kiihdyttävä voima?
4. Mittaa aika, joka vaunulta kuluu kaltevan tason laskuun. Mittaa tason pituus. Kuinka suuri on vaunun kiihtyvyys ja nopeus ala-asemassa? Tarkista tulokset mittaamalla. 5. Mittaa tasaisella alustalla kulkevan vaunun kiihtyvyys. Kuinka suuri lähtönopeus vaunulle on annettava, jotta se kulkisi 2 m:n matkan? 6. Kuinka vaunun nopeus ja kiihtyvyys muuttuvat vaunun liikkuessa kuvan mukaisesti kaltevalla tasolla? Tarkista tulos kokeellisesti. Kuinka suuri on kaltevalla tasolla olevan vaunun kiihtyvyys? Ratkaise kiihtyvyys graafisesti ja algebrallisesti. Kuinka suuri on kiihdyttävä voima? Tarkista tulos kokeellisesti. Kuinka suuri on mäkeä ylöspäin tönäistyn vaunun hidastuvuus?
7. Miten punnuksen massa vaikuttaa vaunun saamaan kiihtyvyyteen? Voiko kiihtyvyys kasvaa kuinka suureksi tahansa? Tutki punnuksen massan vaikutusta vaunun saamaan kiihtyvyyteen. 8. Miten oppilaslaboratoriossa voidaan synnyttää putoamiskiihtyvyyttä suurempia kiihtyvyyksiä?
Matemaattinen heiluri ja langan jännitys 1. Kuinka suuri on 100 g:n punnuksen paino? Kuinka suuri on langan jännitysvoima, kun punnus on  a) paikallaan?, tai b) tasaisessa liikkeessä ylöspäin?  c) Voiko langan jännitysvoima olla koskaan 0 N? 2. Heiluta 100 g:n punnusta kuvan mukaisesti voima-anturin koukussa. Käytä 1,0 m:n mittaista lankaa. Voiko langan jännitysvoima olla koskaan 0 N? Kuinka suuri langan jännitysvoima on silloin, kun punnus on ala-asemassa? 3. Punnusta nostetaan 30 cm. Miten langan jännitysvoima muuttuu noston aikana? Esitä graafisesti langan jännitysvoima ajan funktiona noston aikana.
Kappaleeseen vaikuttavat voimat 1. Mittaa vaunun nopeus valoporteilla kahdessa kohtaa. Kuinka suuren työn vaunu tekee liikettä vastustavia voimia vastaan? 2. Mittaa vaunun nopeus valoporteilla kahdessa kohtaa. Kuinka suuri on liikettä vastustava voima valoporttien välillä? 3. Mittaa vaunun nopeus valoporteilla kahdessa kohtaa kaltevaa tasoa. Kuinka suuren työn vaunu tekee liikettä vastustavia voimia vastaan?
Vieriminen kaltevalla tasolla Kiekko, jonka halkaisija on 5,5 cm lasketaan pyörimään alas kaltevaa tasoa. Kuinka suuri on kiekon nopeus valoportin kohdalla. Tason kaltevuuskulma on 30°. Kiekon pyörimä matka tasolla on 75 cm.

Kokeen tai koelaitteen suunnittelu (paperilla)

Suunnittele koe, jolla voidaan demonstroida reaktionopeuteen vaikuttavia tekijöitä.

Suunnittele koe, jolla voit selvittää, onko polkupyörän kissansilmä valonlähde.

Esitä sopivaa kuviota hyväksi käyttäen, kuinka määrität vastuksen resistanssin.

Graafiset tehtävät

Kappaleen liike   Mikä seuraavista kuvaajista esittää  a) asemalle saapuvaa junaa,  b) pomppivaa palloa,  c) henkilöä, joka kiipeää mäelle ja juoksee alas, ja  d) putoavaa kiveä.
Tasavirta, resistanssi Oppitunnilla tutkittiin, miten kahdessa erilaisessa johtimessa kulkeva sähkövirta vaikuttaa jännitehäviöön johtimessa. Mittaustulokset esitettiin graafisesti. a) Piirrä käytetyn kytkennän kytkentäkaavio. b) Määritä johtimien resistanssit. c) Miksi mittauskäyrä B kaartuu? d) Kuinka suuri jännitehäviö tapahtuu johtimissa A ja B, kun johtimissa kulkee 200 mA:n virta?
Vaihtovirta, jännitehäviö Kahden sarjaan kytketyn komponentin A ja B napojen välistä mitattiin samanaikaisesti kuvan mukaiset jännitehäviöt.  a) Määritä huippujännitteet ja teholliset jännitteet sekä  b) vaihe-ero.  c) Milloin komponenttisysteemin jännitehäviö on nolla ja milloin se on itseisarvoltaan suurin?

Tasaisesti kiihtyvä liike

Kuvan mukaisessa kourussa kulkevan pallon liikettä tutkittiin liikeanturin avulla. Anturi mittasi pallon nopeuden sekunnin välein. Kuinka suuri on palloon vaikuttava resultanttivoima, kun pallon massa on 100 g..

 

t/ s	1	2	3	4	5	6	7	8
v/ m/s	0,4	1,0	1,4	1,6	2,3	2,5	2,8	3,3

Induktio

Kuvan mukaisessa mitattiin tietokoneeseen yhdistetyllä mittausjärjestelmällä käämissä 1 kulkevaa virtaa ja käämiin 2 indusoituvaa jännitettä. Luonnostele käämin 2. jännite ajan funktiona, kun virta-anturilla mitattu virta on esitetty alla. Käytä jänniteakselilla suhteellista asteikkoa.
 
 

Tehtävät, jotka edellyttävät joko oppitunnilla tai kotona tehtäviä tutkimuksia ja tulosten käsittelyä

Kappaleen suoraviivainen eteneminen 1. Kuvassa on esitetty kappaleiden A ja B paikkaa sekunnin välein.  a) Vertaile kappaleiden nopeuksia toisiinsa.  b) Kappale B lähtee liikkeelle A:n edeltä. Saavuttaako kappale A B:n.  c) Esitä graafisesti kummankin kappaleen paikka ajan funktiona.  d) Määritä kummankin nopeudet.
2. Kuvassa on esitetty kappaleiden A ja B paikkaa sekunnin välein.  a) Vertaile kappaleiden nopeuksia ja kiihtyvyyksiä toisiinsa.  b) Milloin kappaleet ovat samassa paikkaa?  c) Esitä graafisesti kummankin kappaleen paikka ajan funktiona. d) Milloin kappaleilla on sama nopeus?
Kappaleen pyöriminen 1. Tangon liike kuvattiin kameralla sekunnin välein. Esitä graafisesti tangon kiertymä ajan funktiona. Kuinka suuri on a) kiertymä hetkellä t = 2,5 s?, b) kiertymä aikavälillä 1,0 … 4,0 s? 2. Nosta polkupyörän etupyörä ilmaan tai käännä pyörä ylösalaisin siten, että etupyörä pääsee pyörimään vapaasti. Anna etupyörälle alkunopeus ja esitä graafisesti pyörähdysten lukumäärä ajan funktiona. Kuvaile pyörän liikettä. Kuinka monta kierrosta pyörä pyörii 5 sekunnissa? Kuinka suuri on pyörän kiertymä 10 s:ssa?
3. Pujota noin 50 cm pitkä lanka tyhjän talouspaperirullan holkin läpi. Kiinnitä langan toiseen päähän pieni ja toiseen päähän suuri mutteri. Suurempi mutteri saadaan nousemaan sopivasti talouspaperirullan holkkia ja samalla pienempää mutteria pyörittäen. a) Minkä voiman vaikutuksesta mutteri nousee? b) Miten pyöritysnopeus vaikuttaa suuren mutterin nousemiseen? c) Kirjoita pienen ja suuren mutterin liikeyhtälöt. d) Miten pyörittämistä pitää muuttaa mutterin nousun aikana? e) Mitä tapahtuu, kun pyörittäminen lopetetaan?
Ympyräliike Heiluta kuvan mukaisesti noin 1 kg:n massaista kappaletta langan päässä. a) Mitä voimia kappaleeseen vaikuttaa? b) Miten voimat muuttuvat heilahtelun aikana? c) Miten nämä voimat riippuvat heilahtelun laajuudesta? Kokeile myös hyvin laajoja heilahduksia, joissa lanka käy lähes vaakasuorassa. d) Minkä voiman tunnet kädessäsi? e) Kirjoita kappaleen liikeyhtälö.
Lämpöilmiöt ja kappaleen termodynaaminen tila 1. Ruiskussa on vettä, jonka lämpötila on 70 oC. Kun ruiskun männästä vedetään, vesi alkaa kuplia. a) Mitä nämä kuplat ovat? Perustele vastauksesi. b) Miten paine vaikuttaa veden kiehumispisteeseen?  Miten vesi saadaan kiehumaan 100 oC:tta c) alhaisemmassa, d) korkeammassa lämpötilassa?

2. Pidä pakastimen ovea auki minuutin verran. Sulje ovi. Miksi oven avaaminen vähän ajan kuluttua on hankalaa?

3. Kostuta huoneen lämpöisen tyhjän virvoitusjuomapullon suu. Aseta suulle 10 pennin kolikko. Pidä pulloa jonkin aikaa kädessäsi. Mitä kolikolle tapahtuu ja miksi?

4. Aseta jääpala laudalle. Kiinnitä ohueen metallilankaan kaksi raskasta punnusta ja aseta ne riippumaan niin, että lanka kulkee jääpalan yli. Mitä tapahtuu ja miksi?

Aalto-liike

1. Miten voidaan synnyttää vesialtaaseen a) perusmuotoisia pinta-aaltoja, b) rengasaaltoja, c) keula-aalto?

2. Synnytä seisovia aaltoja hyppynaruun. Tutki, kuinka monta solmua ja kupua saat naruun, kun naru on kiinnitetty toisesta päästä, b) narua ei kiinnitetä toisesta päästä. Tutki, miten aaltoliikkeen taajuus ja etenemisnopeus riippuvat solmujen lukumäärästä ja siitä kuinka kireällä pidät narua.

3. Tee tavalliseen monistuspaperiin läpikuultava rasvaläikkä. Jos paperi takana valaistus on heikompi, läikkä näyttää tummalta. Jos paperin takana valaistus on suurempi kuin paperin edessä, läikkä näyttää valoisalta. Vertaa tällä menetelmällä pimeässä huoneessa a) kahden kynttilän valistusvoimakkuutta, b) 60 W:n ja 40 W:n lampun valaistusvoimakkuutta. Vertaa saamiasi tuloksia.

Mallintaminen ja simulointi

Malli

Ilmiöiden mallintamisessa pyritään löytämään ilmiötä kuvaavia lainalaisuuksia, luonnonlakeja. Luonnonlain pohjalta voidaan myös laatia tiettyä luonnonlain alaan kuuluvaa ilmiötä kuvaava malli. Malli voi olla esimerkiksi graafinen esitys, algebrallinen yhtälö, differentiaaliyhtälö tai integraaliyhtälö. Mallit voidaan luokitella

1. esittäviksi eli teorialähtöisiksi, ja
2. kokeellista tietoa selittäviksi empiirisiksi malleiksi.

Selittävä malli perustuu kerättyyn empiiriseen aineistoon ja sen pohjalta tehtyihin induktiivisiin päätelmiin. Esittävä mallin avulla voidaan tehdä deduktiopäätelmiä: Yleistä lakia sovelletaan johonkin yksittäiseen ongelmaan.

Selittävään malliin liittyvien toimenpiteiden tavoitteena on esittää luonnosta kerätty tieto sellaisessa muodossa, että sitä voidaan helpommin tulkita ja arvioida. Selittävään mallintamiseen kuuluu esimerkiksi luonnosta kerätyn tiedon graafinen esittäminen, suoran sovittaminen havaintoihin ja kulmakertoimen fysikaalinen tulkitseminen (tasainen liike), polynomi-, eksponentti-, tai logaritmifunktion sovittaminen havaintojoukkoon, akselin skaalauksen vaihtaminen esimerkiksi logaritmiseksi (kondensaattorin purkautuminen) tai siirtyminen paikka-avaruudesta Fourier-muunnoksen avulla aaltoavaruuteen.

Matemaattinen mallintaminen on todellisten ongelmien ratkaisemista (Berry 1990, 25 - 36). Sen neljä vaihetta ovat
    1. ongelmatilanteen kohtaaminen,
    2. ongelman muotoilu matemaattiseen muotoon,
    3. matemaattisen mallin esittäminen tai ratkaiseminen ja
    4. matemaattisen mallin soveltaminen alkuperäisen ongelman ratkaisemiseen.

Esittävään mallintamiseen saattaa kuulua samoja elementtejä kuin empiiriseen mallintamiseenkin. Tavoitteena on ilmiön ymmärtäminen tai systeemin käyttäytyminen tietyissä olosuhteissa. Tietotekniikka tarjoaa mahdollisuuden mallintaa myös dynaamisia (De Jong 1991) ja kaoottisia ilmiöitä (Andaloro et al. 1991).

Simulointi

Luonnonilmiön simuloinnissa käytetään hyväksi simuloitavaa ilmiötä kuvaavaa mallia, jolla hallitaan ilmiössä esiintyvät syy-seuraussuhteet eli kausaalisuhteet (esimerkiksi heittoliikkeeseen vaikuttavien tekijöiden riippuvuuksien tarkastelu). Simulointi havainnollistaa siis mallin toimintaa. Simuloinnilla voidaan johtaa mallista käsin ennuste, jolla esitetään mallin lähtökohtana olevan ilmiön käyttäytymistä tietyissä olosuhteissa. Simuloinnin avulla voidaan esimerkiksi tutkia, miten jonkin mallissa olevan parametrin muuttaminen vaikuttaa mallin antamiin ennusteisiin. Simuloimalla saatuja ennusteita verrataan usein mittaamalla saatuihin tuloksiin. (Millar 1988, 11; Potter & Peck 1990; De Jong 1991,13)

Simuloinnit voidaan luokitella simulointiohjelman käyttäjän ohjausmahdollisuuksien mukaan kolmeen luokkaan: parametrittomat (esim. elokuva), parametrivalintaiset (esim. CD-rom) ja jatkuvasti ohjautuvat (esim. peliohjaimella ohjattava lentokonesimulaattori). Hyvä esimerkki simulointiohjelmien uudesta sukupolvesta on fysiikan opetukseen tarkoitettu Interactive Physics II (Mallinckordt 1993). Sen avulla tarkasteltavasta ilmiöstä laaditusta mallista tehdyt ennusteet nähdään näytöllä nopeasti, selvästi ja kvantitatiivisesti.

Systeemidynamiikka on tieteenala, jonka tavoitteena on ymmärtää erilaisten systeemien, kuten eläinpopulaation, kappaleen lämpenemisen ja yrityksen toimintaa. Siinä lähdetään liikkeelle jostain kausaalisesta riippuvuudesta jonka pohjalta laaditaan tarkasteltavaa ilmiötä tai systeemiä kuvaava malli. Mallin parametreja sopivasti varioimalla ja esittämällä ennusteita saadaan malli, joka kuvaa todellisuutta (Roberts et al. 1983, Byrkens 1989). Stella- ja Power Sim-ohjelmistot on kehitetty varta vasten systeemidynamiikan tarpeisiin erilaisten systeemien ja ilmiöiden simulointiin.

Simulointiohjelmia on laadittu sellaisista fysiikan ilmiöistä, joita ei voi muulla tavoin koulun olosuhteissa havainnollistaa. Tyypillisiä simuloitavia ilmiöitä ovat esimerkiksi hyvin hitaat tähtitaivaan ja nopeat atomi- ja ydinfysiikan ilmiöt sekä monimutkaiset tekniset prosessit. Simuloinneista katsotaan olevan hyötyä myös silloin, kun halutaan lyhyessä ajassa edullisesti perehdyttää oppilaat esimerkiksi elektroniikkasuunnitteluun ja virtapiirien ominaisuuksiin. Kun mittalaitteet ovat kalliita ja helposti särkyviä, simuloinnilla voidaan antaa kuva laitteen toiminnasta ja sillä mittaamisesta (esim. Bacon 1992).

Simulaatioiden käyttökelpoisuus

Kun tietotekniikka tuli vuoden 1985 opetussuunnitelmauudistuksessa viralliseksi oppiaineeksi, tietotekniikkaa ja muita oppiaineita varten alettiin suunnitella ja valmistaa erilaisia opetusohjelmia. Tähän tarkoitukseen opetusministeriö myönsi määrärahoja 2 - 3 miljoonaa markkaa vuosina 1985 - 1992. Ohjelmat syntyivät lähinnä eri kustantajien, ainejärjestöjen ja asiasta innostuneiden opettajien yhteistyönä. Aina ei opetusohjelmia suunniteltaessa pohdittu juurikaan opetukselle asetettuja tavoitteita. Esimerkiksi fysiikan opetusohjelmissa keskityttiin lähinnä ilmiöiden simulointeihin, vaikka fysiikan opetuksen tavoitteissa korostettiin opetuksen kokeellista luonnetta.

Vaikka simulointi on nopea ja havainnollinen tapa fysiikan mallien toimintaperiaatteiden ja pätevyysalueen havainnollistamiseen, niiden käyttöön liittyy vaara ilmiön ja luonnon korvaamisesta mallilla. Tällöin sivuutetaan helposti luonto fysiikan opetuksesta (Kurki-Suonio K & Kurki-Suonio R. 1994, 255).

Alkuinnostuksen jälkeen suhtautuminen opetusohjelmien käyttöön on tullut kriittisemmäksi. Kriittisimpien arvioiden mukaan opetusohjelmien käyttö ei tahdo onnistua muilta kuin niiden tekijöiltä. Neil ja Neil (1989) kartoittivat ja tutkivat yli 11 000 opetusohjelmaa ja havaitsivat, että niistä oli koulukäyttöön sopivia vain 7 %.

Crossley ja Green (1987, 33) ja Bacon (1992) esittävät simulointiohjelmien käytölle seuraavia syitä:

• Opettaja voi käyttää simulointiohjelmaa havainnollistamiseen ja motivointiin demonstroidessaan ilmiötä tai opettaessaan uutta asiaa.
• Oppilaat voivat käyttää tietokonesimulointeja ja malleja tutkiessaan, opiskellessaan ja perehtyessään fysiikan kohteisiin, ilmiöihin jne.
• Oppilaat voivat opiskella simulointiohjelman avulla ja edetä ohjelman osoittamalla tavalla. Ohjelma antaa palautetta, vahvistusta ja testaa.
• Opetusohjelmaa voidaan käyttää silloin, kun tarvitaan saman asian toistoa tai eriyttämistä.
• Simulointiohjelma on käyttökelpoinen, jos oppitunnilla tarvittavat laitteet ja kemikaalit ovat joko kalliita, vaarallisia tai niiden käsittely vaatii suurta huolellisuutta ja runsaasti aikaa.
• Ohjelmassa voidaan käyttää pelkän kuvan asemasta animaatiota, videota ja ääntä.

Ongelmallista edellisessä luettelossa on ehdotus ilmiöihin tutustumisesta tietokonesimulointien avulla, sillä simulointi tutustuttaa oppilaan ainoastaan teoreettiseen selitykseen, malliin, ja sen mukaisiin toimintamekanismeihin. Simuloinnin avulla ei saada tietoa mallin pätevyysalueesta tai mittausta häiritsevistä tekijöistä, jotka ovat aina läsnä, kun tehdään oikeita kokeita. Sen tähden Shacham ja Cutlip (1988) ovat ehdottaneet, että ohjelman esittämiin malleihin pitäisi ohjelmoida samantapaisia satunnaisvirheitä kuin oikeissakin mittauksissa esiintyy, jotta luontoa simuloivista ohjelmista saataisiin todemman tuntuisia. Olipa tietokoneohjelman laskemissa tuloksissa virhettä tai ei, luonnon ilmiöitä jäljittelevät simuloinnit ovat ongelmallisia oppimisen lähtökohtana, sillä simuloinnin taustalla on aina teoreettinen malli. Mallista liikkeelle lähtemistä voidaan pitää tämän tutkimuksen kolmannen luvun perusteella fysiikan luonteen vastaisena, sillä tällöin luonto ja sen ilmiöt sivuutetaan opetuksessa ja oppilaalle muodostuu kuva, että luonnonilmiöt tapahtuvat tietokoneen näytöllä. Toisaalta fysiikan luonteeseen kuuluu, että luonnosta ja mallista liikkeellelähtö vuorottelevat ja muodostavat yhdessä syklin. Kokeellisen työskentelyn ja simulointien käytön järjestys ja suhde pitää sen tähden olla tasapainossa.

Fysiikan opetusta varten on valmistettu ja tullaan valmistamaan sellaisia opetusohjelmia, joiden tarkoituksena on korvata jokin yksinkertainen kokeellinen tutkimus, laboratoriotyö tai demonstraatio ja osoittaa suoraviivaisesti, miten luonnonilmiössä suureet riippuvat toisistaan tai miten jokin ilmiö muuttuu, kun ilmiöön vaikuttavaa parametria muutetaan. Tavoitteena voi olla myös nopeuttaa aikaa vieviä laboratoriotöitä tai liioitella jonkin ilmiön voimakkuutta. Simulointeja käytettäessä on kuitenkin aina kysyttävä, milloin simuloinnin käyttö on perusteltua. Simulointi lienee mahdollinen ainakin silloin, kun aidon kokeen tekeminen on välineiden tai ajankäytön kannalta mahdotonta. (vrt. Magin ja Reizes 1990)

Simulointeihin voit tutustua esim. ositteessa:

http://webphysics.davidson.edu/Applets/Applets.html
http://webphysics.davidson.edu/
http://www.phy.ntnu.edu.tw/~hwang/
http://physicsweb.org/TIPTOP/VLAB/
http://ww2.unime.it/dipart/i_fismed/wbt/

Pelit

Ihmiset ovat aina olleet kiinnostuneita erilaisista peleistä, kuten lauta tai korttipeleistä. Pelien pelaamiselle on luonteenomaista yhdessä oleminen, aktiivisuus ja välitön ilmapiiri. Sen tähden pelit soveltuvat hyvin myös luonnontieteiden opetukseen. Pelit eroavat simuloinneista siten, että niissä kilpaillaan ja simuloinneissa ei.

Kirjallisuutta

Tätä artikkelia täydentävät mm. seuraavat ongelmanratkaisuun ja luonnontieteelliseen tutkimukseen liittyvät artikkelit.

• Adey, P. 1988. Cognitive acceleration: Review and prospects. International Journal of Science Education 10 (2), 121 – 134.
• Aebli, H. 1991. Opetuksen perusmuodot. WSOY, Helsinki.
• Andaloro, G., Donzelli, V. & Sperandeo-Mineo, R., M. 1991. Modelling in physics teaching: the role of computer simulation. International Journal of Science Education 13, 243 – 254.
• Bacon, R. 1992. The use of computers in the teaching of physics. Computers & Eucation 19 (1), 57 – 66.
• Barr ,B.B. 1983. Research on Problem Solving: Elementary School. In Gabel, L. (ed.) Handbook of Reserach on Science Teaching and Learning: A Project of the National Science Teachers Association. New York: MacMillan.
• Bentley, D. & Watts, M. 1989. Learning and teaching in school science: Practical alternatives. Milton Keynes: Open University Press.
• Berry, J. 1990. Soveltaminen koulumatematiikassa (Suomentaja P. Sahlberg). Helsinki: Valtion painatuskeskus.
• Byrkens, A. 1989. SimMos-døropnar for ny pedagogisk metode. Data i skolen 4.
• Crossley, K. & Green, L. 1987. Käytännön opas opetusohjelmien laatimiseen. Lessonware. Helsinki: WSOY
• De Jong, M. L. 1991. Computers in Introductory Physics. Computers in Physics 5, 12 – 15.
• Erätuuli, M. & Meisalo, V. 1991. Luonnontutkimustehtävien analyysi fysiikan ja kemian opetuksen tavoitteiden näkökulmasta: Teorian jatkokehittelyä ja peruskoulun oppilaiden saamien tulosten analyysi. Helsingin yliopisto opettajankoulutuslaitos. Tutkimuksia 93.
• Fisher, R. 1990. Teaching Children to Think. Oxford: Basil Blackwell Ltd.
• Gupta, V. K. 1995. Teaching and learning of science and technology. Kay Kay Printers, Delhi.
• Huggins, E., Véez, S., Dunvaly, K. & Gupta, A. 1991. Use of the machintosh Oscilloscope in Undergraduate Science Education. Computers in Physics 5, 220 – 237.
• Kahney, H. 1986. Problem Solving: A Cognitive Approach. Milton Keynes: Open University Press.
• Kurki-Suonio, K. & Kurki-Suonio, R. 1994. Fysiikan merkitykset ja rakenteet. Helsinki: Limes ry.
• Magin, D. J. & Reizes, J. A. 1990. Computer simulation of laboratory experiments: an unrealized potential. Computers & Education 14 (3), 263 – 270.
• Mallinckrodt, J. A. 1993. Interactive Physics II: A Physics simulation laboratory for the Machintosh. Computers in Physics 7, 312 – 316.
• McPeck, J. E. 1990. Critical thinking and subject Specifity: a reply to Ennis. Educational Researcher 19 (4), 10 – 12.
• Millar, R. 1988. Can the micro help? In the proceedings of the conference held at the School of Education, University of Leicester 18 - 20 July 1988.
• Neil, S. B. & Neil, G. W. 1989. Only the best: The annual guide to highest-rate educational software for preschool-grade 12. NewYork: R. R. Bowker.
• Polya, G. 1945. How to solve it. Garden City, NY: Doubleday.
• Potter, F. & Peck, W. C. 1990. Dynamic Models in Physics. A Workbook of Computer Simulations Using Electronic Spreadsheets. California: N. Simonson & Company.
• Roberts, N., Deal, R., Andersen, D., Garet, M. & Shaffer, W. 1983. Introduction to computer simulation: the system dynamics approach. Reading: Addison-Wesley Publishing Company.
• Shacham, M. & Cutlip, M. 1988. Authoring systems for laboratory experiment simulators. Computers Education 12 (3), 277 – 282.