ENNAKKOJÄSENTÄJÄ

Mikä on ennakkojäsentäjä?

Ennakkojäsentäjä on eräänlainen kartta, jonka avulla osoitetaan opittavaksi tarkoitettujen käsitteiden ja asioiden keskinäinen suhde (vrt. käsitekartta ja ajatuskartta). Ennakkojäsentäjä antaa tarkasteltavasta asiakokonaisuudesta ennakkokäsityksen. Sen tehtävänä on alusta alkaen ohjata oppimista ja aktivoida ennestään opituista asioista ne, jotka liittyvät läheisesti opiskeltaviin asioihin. Ennakkojäsentäjät ovat ajattelua jäsentäviä, selkeitä kaavioita, kuvia, sanakarttoja tai kirjallisia esityksiä, joiden tavoitteena on esitellä opetettavat käsitteet ja niiden väliset yhteydet. Ennakkojäsentäjien käytön taustalla on Ausubelin mielekkään oppimisen (meaningful learning) teoria. Sanan "meaningful" käännös "mielekäs" ei ole kovin onnistunut. Parempi käännös olisikin "merkityksellinen". Käännettiinpä "meaningful" kummalla tavalla tahansa, merkitykselliselle oppimiselle on luonteenomaista se, että oppiessaan oppilas hahmotta uusien käsitteiden välisiä riippuvuuksia ja kytkee käsitteiden merkityksiä aikaisempiin käsityksiinsä.

Kun opetuksessa käytetään ennakkojäsentäjiä, tavoitteena on nk. syväoppimisen periaatteiden mukaisesti tukea oppilaan merkityspohjaista oppimista, jossa uudet asiat rakentuvat jo entuudestaan opitun varaan. Lapset ovat luonnostaan merkitysorientoituneita. Jos opiskelussa kiinnitetään huomio vain käsitteisiin eikä niiden välisiin suhteisiin, opiskellaan ja prosessoidaan informaatiota (esim. puhe, teksti, kuva, havainto) pinnallisesti. Tilannetta voidaan havainnollistaa seuraavalla vertauksella. Kun oppilas tulee oppitunnille hänen ajatuksensa tarkasteltavaksi valitulta tiedonalalta ovat piilossa kuin sormet nyrkkiin puristetussa kädessä. Ennakkojäsentäjän esittely oppilaalle avaa nyrkin ja sormet tulevat näkyviin. Kun varsinainen opiskelu alkaa, uutta tietoa voi tarttua sormiin ja sormien väleihin. Jos nyrkkiä ei avata, uusi tieto "valuu" nyrkissä  olevan käden ohi tarttumatta siihen. Ennakkojäsentäjät auttavat siis oppilasta huomaamaan ja tunnistamaan, mitä hän tietää entuudestaan opiskeltavista asioista ja samalla aktivoivat oppilaan aikaisemmat tiedot.  Ne auttavat myös oppilasta hahmottamaan asiakokonaisuuksia, jolloin merkityksettömien yksittäisten tietojen pänttääminen vähenee. Ennakkojäsentäjä on oppilaalle eräänlainen sisäinen kartta, jonka avulla uusien käsitteiden oppiminen etenee.

Vaikka ennakkojäsentäjiä on muodoltaan erilaisia, ne ovat aina , ohjaavat oppimista ja osoittavat opiskeltavaksi tarkoitettujen käsitteiden välisiä suhteita tai riippuvuuksia. Alla oleva esimerkki on graafinen  ennakkojäsentäjä, jossa on esitetty energian tuottamisen suunnittelun ulottuvuuksia.
 

Energiantuotannon suunnittelun tarkastelu ennakkojäsentäjän avulla

Ennakkojäsentäjän käytöllä opetuksessa tuetaan siis oppilasta käsittelemään, jäsentämään ja muokkaamaan ympärillä olevaa informaatiota, eli hankkimaan tietoa. Oppimisen kannalta seuraavat seikat ovat ratkaisevia: miten aikaisempi tieto on jäsentynyt oppilaalle ja miten hän hahmottaa niiden pohjalta uusien käsitteiden ja periaatteiden merkityksiä. Ihminen ei elä faktoista, vaan merkityksistä. Muistaminen ei ole talletusta eikä varastointia. Ihminen on päättelevä olento ja rakentaa hetkessä vastauksensa.

! Ennakkojäsentäjiä voidaan laatia mainiosti kynällä ja paperilla, mutta myös laatimista helpottavilla tietokoneohjelmilla on omat etunsa (ks. esim ohjelmat linkistöstä ).

Ennakkojäsentäjien käytön perusta ja laatiminen

Tietorakenne
 

Esimerkiksi ylätason käsite voisi olla liike. Eteneminen, pyöriminen ja värähtely ovat liikkeen kolme erilaista esiintymismuotoa. Nämä olisivat siis ennakkkojäsentäjässä välitason käsitteitä. Lisäksi etenemis- ja pyörimisliike voivat olla tasaista tai tasaisesti kiihtyvää sekä värähdysliike harmoonista tai kaaoottista. Nämä ovat tässä tapauksessa alatason käsitteitä. Kaavio voisi vielä tarvittaessa laajentua ja haarautua alatason käsitteistä alaspäin.

Liikkeiden luokittelua ennakkojäsentäjän avulla

Ennakkojäsentäjä auttaa oppilasta huomaamaan, mitä hän tietää käsiteltävästä asiasta entuudestaan, ja samalla se aktivoi oppilaan vanhan tiedon. Oppiminen edellyttää, että oppilaan tiedoissa on kiinnityskohtia uudelle opittavaksi aiotulle tiedolle. Ennakkojäsentäjä auttaa oppilasta ymmärtämään asiakokonaisuuksia ja sijoittamaan yksittäiset tiedot isompien kokonaisuuksien osaksi.

Jotta oppilas voisi opiskella ja liittää uusia tietoja aikaisempiin tietoihinsa, hänen tietorakenteen on oltava jäsentynyt. Oppilaan järjestymätöntä tietorakennetta voidaan verrata tiilikasaan. Samalla tavoin kuin muurari tarvitsee piirustuksia tehdessään tiilistä talon, oppilas tarvitsee piirustukset, joilla olemassa oleva tieto saadaan järjestetyksi. Yksi tapa auttaa oppilasta järjestämään tietoa on käyttää opetuksessa ennakkojäsentäjiä, joiden tehtävänä on "ravistella" oppilaan tietorakennetta niin, että se on valmis ottamaan vastaan uutta tietoa.

Kultakin tiedonalalta voidaan löytää keskeiset ylätason käsitteet ja niihin liittyvät väli- ja alatason käsitteet. Näiden esille ottamista ja kuvion laatimista niistä kutsutaan ennakkojäsentäjän laatimiseksi. Hyvä ennakkojäsentäjä on selkeä, yksikäsitteinen ja luettava. Siitä ilmenee käsitteiden väliset yhteydet. Alla on neljä esimerkkiä:

Esimerkkejä ennakkojäsentäjän käytöstä

 1. Energialajit

Kaikki luonnonilmiöt ja niiden hyväksikäyttö perustuvat energiaan. Energia on kaikkien luonnontieteiden ja niiden sovellusten tärkein peruskäsite. Energia on julkisen keskustelun yleisin luonnontieteellinen käsite. Kaikki tuotanto ja koko maailman talous riippuvat energiasta. Energian hinta on maailmanpolitiikan tärkeimpiä kysymyksiä. Energian riittävyys on ihmiskunnan elinkysymys. Energialajien jäsentelyä helpottaa, kun osaa luokitella energialajit sidotuiksi ja vapaiksi. 

 Energialajien luokittelua sidotuiksi ja vapaiksi energialajeiksi
 

2. Energian kulutus

Energiankulutuksen tietorakenne.
 

3. Aineiden luokittelu

Aineet voidaan jakaa puhtaisiin aineisiin ja seoksiin. Puhtaita aineita ovat alkuaineet ja kemialliset yhdisteet. Seos on muodostuu vähintään kahdesta puhtaasta aineesta. Tasakoosteinen seos, esimerkiksi liuos, on kauttaaltaan samanlaista. Sekakoosteisen seoksen aineosat voidaan nähdä jopa paljain silmin tai ainakin mikroskoopilla. Savu on esimerkiksi kaasujen ja pienten tuhka- ja nokihiukkasten seosta.

Aineiden luokittelua ennakkojäsentäjän avulla 

4. Säteilylajit

Tavallisimmat säteilyn lajit on jaettu luonteensa perusteella sähkömagneettiseen säteilyyn ja hiukkassäteilyyn. Sähkömagneettisen säteilyn aallonpituus vaihtelee syntytavan mukaan mielivaltaisen pitkästä äärimmäisen lyhyeen. Atomin ydin, joka ei ole stabiili, voi hajotessaan lähettää ydinsäteilyä. Sähkömagneettinen säteily voidaan jakaa vielä vaikutustensa perusteella ionisoiviin ja ionisoimattomiin säteilyihin.

Säteilylajien tarkastelu ennakkojäsentäjän avulla

Ennakkojäsentäjien käyttö opetuksessa

Esimerkkejä ennakkojäsentäjistä

Edellä esitellyt ennakkojäsentäjät ovat olleet pääasiassa sanakarttoja. Kuten jo aiemmin todettiin, voi ennakkojäsentäjä olla myös selkeä kuva tai kaavio:

1. Energialajit

Osa Maahan tulevasta Auringon säteilyenergiasta muuntuu vihreiden kasvien fotosynteesissä kemialliseksi energiaksi. Samalla sitä absorboituu kasveihin lämmöksi. Erilaisissa palamisprosesseissa kemiallinen energia muuntuu lämpöenergiaksi, joka lopulta säteilee lämpösäteilynä takaisin avaruuteen.

Luonnonilmiöissä energiaa siirtyy tai muuntuu lajista toiseen, yleensä molempia samalla kertaa. Energiaa kulkeutuu kappaleiden ja aineen mukana niiden liikkuessa, aaltoliike ja säteily kuljettavat energiaa ja lämpöenergia siirtyy johtumalla siihen suuntaan, missä on kylmempää. Energian kokonaismäärä kuitenkin säilyy muuttumattomana kaikissa ilmiöissä. Tämä on kaikkia luonnon ilmiöitä koskeva energian säilymislaki, jonka mukaan energiaa ei synny eikä häviä.

Vapaa energia voidaan valjastaa käyttämään ihmiselle hyödyllisiä prosesseja. Sidottu energia on ikään kuin varastossa, josta se on vapautettava ennen kuin sitä voidaan käyttää hyväksi. Ennemmin tai myöhemmin jokainen varasto tyhjenee. Kaikilla luonnon perusvuorovaikutuksilla on kyky varastoida energiaa. Luonnon energiavarannot ovat niihin sitoutunutta energiaa. Öljyssä energia on sähkömagneettisen vuorovaikutuksen potentiaalienergiana. Ydinvoimalaitoksessa vahvan vuorovaikutuksen potentiaalienergialla tuotetaan sähköä. Vesivoimalaitoksessa gravitaatiovuorovaikutuksen potentiaalienergialla tuotetaan sähköä.

Energian lajit luokitellaan sidottuihin ja vapaisiin. Sidottu energia on kappaleiden tai hiukkasten välisiin erilaisiin vuorovaikutuksiin sitoutunutta potentiaalienergiaa. Vapaat energian lajit ovat luonteeltaan liike-energiaa.

2. Energia ja massa

Merkittävän lisän energian käsitteen luonteeseen toi Albert Einstein. Hänen suppeamman suhteellisuusteoriansa (1905) mukaisesti energialla E on aina massa m = E/c², missä c on valon nopeus. Kääntäen massa m voidaan käsittää energiaksi E = mc². Kappaleen massa koostuu rakenneosasten lepomassoista ja liike-energioista sekä niiden vuorovaikutusten potentiaalienergioista. Tällä tavoin myös kaikki aine kytkeytyy samaan energian käsitteeseen ja energian säilymislakiin.

Energian ja massan samuus

3. Energian siirto aaltoliikkeen välityksellä

Aalto energiankuljettajana
 

Veteen pudotettu kivi aiheuttaa rengasmaisesti laajenevan häiriön veden pintaan. Vastakkain työntyvien mannerlaattojen murtumat aiheuttavat kosketuskohdasta kaikkiin suuntiin etenevän maanjäristysaallon ja satakielen laulu rantapensaikossa ilmaan paikallisen häiriön, joka kuullaan ympäristössä äänenä. Nämä ovat aineessa eteneviä mekaanisia aaltoliikkeitä.

Tasapainossa oleva aine ei liiku. Kitaran kieli on suora ja veden pinta on peilityyni. Kun kieltä näpätään tai veteen pudotetaan kivi, tasapainotila häiriytyy. Häiritty aine pyrkii takaisin tasapainotilaan niin kuin poikkeutettu heiluri tai jousi. Aine jää värähtelemään tasapainoaseman molemmin puolin. Jos häiriötä jatketaan, esimerkiksi liikuttamalla vedessä keppiä ylös ja alas, muodostuu häiriökohdasta poispäin etenevä jatkuva aaltoliike.

Lähteen, kuten kiven tai kielen, kosketusvuorovaikutus väliaineen kanssa siirtää energiaa lähteestä väliaineeseen. Aineen osasten väliset vuorovaikutukset siirtävät energiaa osasesta toiseen. Näin energia etenee aineessa ilman, että aine kulkee mukana. Väliaineen ja vastaanottimen, kuten kelluvan kohon tai korvan, kosketusvuorovaikutus siirtää energiaa väliaineesta vastaanottimeen.

Energia, jota lähde syöttää väliaineeseen, leviää aaltoliikkeen mukana lähteestä kaikkiin suuntiin ja vie viestiä lähteen aiheuttaman häiriön luonteesta. Tämä energia muuttuu energiaa varastoivien (kimmoisten) vuorovaikutusten ansiosta potentiaalienergiasta liike-energiaksi ja takaisin kuten heilurin tai jousen liikkeessä. Aaltoliikkeessä aine ei etene, vain aineen liiketila ja sen kuljettama energia etenevät.

4. Energian siirto virtapiirin välityksellä

Toimintoihin tarvittava energia saadaan yleensä sähkövirran välityksellä.
 

Sähkö on monen erilaisen ilmiön yhteinen nimi. Puhutaan sähkövirrasta, sähköenergiasta, sähkökipinästä, sähköparistosta, sähkövalosta, sähkölämmityksestä, sähkömoottorista, sähkömagneeteista, sähkömagneettisesta säteilystä jne. Sähkö on erottamaton osa nykyajan ihmisen jokapäiväistä elinympäristöä. Lähes kaikki kotitalouksissa, julkisessa taloudessa, liikenteessä ja teollisuudessa tarvittava energia saadaan sähkövirran välityksellä. Lähteistä saadulla energialla synnytetään sähkövirtaa nk. voimalaitoksessa. Sähkövirran avulla voidaan puolestaan tuottaa valoa, lämpöä, erilaisia työsuorituksia jne. käyttöpaikoilla, jotka voivat olla hajallaan kaukana voimalaitoksesta. Sähkövirta voi siirtää energiaa pitkienkin matkojen päähän ilman suurta energianhukkaa. Tämä on tehnyt mahdolliseksi energian tuottamisen suurissa voimalaitoksissa ja sen siirtämisen asutuskeskuksiin.

Paristo ja siihen kytketty lamppu muodostavat yksinkertaisen virtapiirin. Lampussa hehkulangan päät on kytketty lampun kannan kahteen eri kohtaan, jotka on eristetty toisistaan. Nämä ovat lampun navat. Paristolla on vastaavasti kaksi napaa, jotka ovat yhteydessä pariston sisäisiin kohtioihin. Ne on nimetty plus (+) ja miinus (-) navaksi näiden kohtioiden luonteen mukaan. Virtapiiri muodostuu, kun lampun navat kytketään pariston napoihin. Lampun syttyminen ilmaisee sähkövirran syntymisen. Sopivia kokeita tekemällä havaitaan, että lamppu hehkuu sitä voimakkaammin, mitä enemmän paristoja kytketään sarjaan. Lamppujen kirkkauteen vaikuttaa myös paristoon kytketyt lamput. Lamput hehkuvat himmeämmin, kun niitä on kytketty sarjaan. Kokeet synnyttävät siis mielikuvan, jonka mukaan jännite ja johdin (lamppu) vaikuttavat sähkövirtaan. Jännite on syy ja sähkövirta sen seuraus.

Virtapiirin osapuolten kaavio osoittaa, että lähteen jännite aiheuttaa virtapiiriin sähkövirran. Sähkövirran suuruus riippuu piirin komponenenttien resistanssista. Ohmin ja Kirchhoffin lait ilmaisevat täsmällisesti näiden osapuolten välisen suhteen.
 

Yleisesti voidaan todeta, että virtapiirit ovat  koneita, jotka siirtävät ja muuntavat energiaa sähkövirran välityksellä. Virtapiiriin kuuluu lähde, joka syöttää energiaa piiriin synnyttämällä sähkövirtaa. Se voi olla mekaanisella energialla toimiva generaattori, kemiallisella energialla toimiva paristo, akku tai polttokenno, säteilyenergialla toimiva valokenno tai aurinkopari taikka lämpöenergialla toimiva lämpöpari.

Virtapiiri on kone, joka siirtää energiaa paikasta toiseen

5. Energiakaavio

Luonnonilmiöissä energiaa siirtyy tai muuntuu lajista toiseen, yleensä molempia samalla kertaa. Energiaa kulkeutuu kappaleiden ja aineen mukana niiden liikkuessa, aaltoliike ja säteily kuljettavat energiaa ja lämpöenergia siirtyy johtumalla siihen suuntaan, missä on kylmempää. Energian kokonaismäärä kuitenkin säilyy muuttumattomana kaikissa ilmiöissä. Energiaa ei synny eikä häviä. Tämä on kaikkia luonnon ilmiöitä koskeva energian säilymislaki. Energialajit luokitellaan sidottuihin ja vapaisiin. Vapaa energia voidaan valjastaa käyttämään ihmiselle hyödyllisiä prosesseja. Vapaita energioita ovat mm. liike-, säteily- ja lämpöenergia. Sidottu energia on ikään kuin varastossa, josta se on vapautettava ennen kuin sitä voidaan käyttää hyväksi. Ennemmin tai myöhemmin jokainen varasto tyhjenee.

Energialajien muuntumista toisiksi eri ilmiöissä havainnollistetaan energiakaaviolla. Kaaviossa on kaksi lohkoa, jotka esittävät energian eri lajien määriä tarkasteltavan ilmiön alku- ja lopputilanteessa. Vasen lohko vastaa alkutilaa, oikea lopputilaa. Kutakin energialajia esittää ruutu, jonka korkeus kuvaa energian määrää. Prosesseja, jotka muuntavat energiaa lajista toiseksi esitetään nuolen kärjellä. Energian säilyminen ilmenee siten, että lohkot kokonaisuudessaan ovat yhtä korkeat.

Esimerkiksi pariston ja lampun muodostamasta suljetusta virtapiiristä piirretään energiakaavio seuraavan ohjeen mukaisesti.

Osa auringon säteilyenergiasta muuntuu vihreiden kasvien fotosynteesissä kemialliseksi energiaksi. Samalla sitä absorboituu kasveihin lämmöksi.
 

Erilaisissa palamisprosesseissa kemiallinen energia muun-tuu lämpöenergiaksi, joka lopulta säteilee lämpösäteilynä takaisin avaruuteen.
 

Kun laukku nostetaan hyllylle, osa lihasten kemiallisesta energiasta muuntuu laukun potentiaalienergiaksi. Energia-kaavion alkulohkoon merkitään lihasten kemiallinen energia ja loppulohkoon laukun potentiaalienergia. Nuolen kärkeen merkitään nosto tai nostotyö kuvaamaan ilmiötä. Työ on siis energian siirtoa. Kappaletta työnnettäessä tai vedettäessä kosketusvuorovaikutus siirtää energiaa työntäjästä tai vetäjästä kappaleeseen. Kappaleeseen vaikuttavan voiman tekemä työ ilmaisee siirtyvän energian.
 

Lähes kaikki kotona, liikenteessä ja teollisuudessa tarvittava energia saadaan sähkövirran välityksellä. Sähkövirralla voidaan siirtää energiaa pitkienkin matkojen päähän ilman suurta energianhukkaa. Suuret voimalaitokset onkin voitu sijoittaa kauaksi asutuskeskuksista. Esimerkiksi hiilestä tai uraaniytimistä vapautettua energiaa siirretään sähkövirran avulla pitkin valtakunnan verkkoa voimalaitoksista koteihin ja teollisuuslaitoksiin.

Energiakaavio koko Maasta.

6. Mekaniikan osapuolet

Kappale on yleensä vuorovaikutuksessa useampien muiden kappaleiden kanssa. Kappaleen liiketilan muuttuminen riippuu niiden yhteisvaikutuksesta. Eri vuorovaikutusten vaikutukset kappaleeseen voivat kumota toisensa. Levossa oleva kappale pysyy tällöin levossa ja liikkuva kappale säilyttää nopeutensa. Kappaleen liiketila muuttuu, kun se lähtee liikkeelle, kiihtyy, muuttaa suuntaa, hidastuu tai pysähtyy. Kun kappaleet törmäävät, työntävät tai hankaavat toisiaan, ne ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Vaakasuoralla liukkaalla tiellä auto ei pääse liikkeelle, sitä ei voi kiihdyttää, kääntää eikä sitä saa pysähtymään. Sen liiketilan muuttaminen ei onnistu ilman kitkaa, joka on auton pyörien vuorovaikutus tien kanssa. Auton osien, esimerkiksi moottorin ja kampiakselin väliset vuorovaikutukset ovat auton sisäisiä vuorovaikutuksia. Ne vaikuttavat auton sisäisiin liikkeisiin ja vain välillisesti sen etenemiseen. Vain vuorovaikutus toisen kappaleen kanssa voi muuttaa kappaleen etenemisen liiketilaa.

Liikeilmiöt tapahtuvat sen kolmen osapuolen: vuorovaikutus, kappale ja liiketila, välillä. Kappaleiden väliset vuorovaikutukset saavat aikaan muutoksia kappaleiden liiketiloissa tai ne voivat estää muutoksia. Mekaniikan kolme peruslakia ilmaisevat täsmällisesti näiden osapuolten väliset suhteet.
 

Vuorovaikutuksia on erilaisia:

 
Gravitaatiovuorovaikutus ja kahden kompassin välinen magneettinen vuorovaikutus ovat etävuorovaikutuksia. Kitka, ilmanvastus ja tukivuorovaikutus ovat puolestaan kosketusvuorovaikutuksia. Vain vuorovaikutus voi muuttaa kappaleen liiketilaa.
 

Kappaleen liiketilan muuttuminen riippuu sekä siihen kohdistuvasta vuorovaikutuksesta että kappaleesta itsestään. Mitä voimakkaammin kappaletta työnnetään, sitä enemmän sen liiketila muuttuu. Mitä suurempi kappale on, sitä vaikeampaa sen liiketilan muuttaminen on. Kappaleen kykyä vastustaa liiketilan muutosta sanotaan kappaleen hitaudeksi. Kun kappaleet ovat hyvin erikokoisia, vain pienen kappaleen nopeus muuttuu havaittavasti. Esimerkiksi auton liikkeelle lähtiessä tie pysyy paikallaan ja kappaleen pudotessa Maa ei liiku.

Maalivahti pysäyttää kiekon, mutta ei pelaajaa. Pallon saaminen liikkeelle on helppoa, mutta kuulan vaikeampaa. Avainnippua pyörittää kuka tahansa, mutta moukaria ei.