KirjastoGRAAFISET TIEDONESITTÄMISMENETELMÄT: KÄSITEKARTTA

 

Tiedon aktiivinen käsittely

Nopeasti muuttuva tietoyhteiskunta edellyttää jäseniltään tietokokonaisuuksien hallitsemista ja kykyä arvioida asioita samanaikaisesti eri tiedonalojen kannalta. Asiantuntijatehtävissä tarvitaan lisäksi monipuolisia tiedonkäsittelyn, arvioinnin ja hyödyntämisen taitoja, ongelmanratkaisukykyä sekä yhteistyö- ja kommunikaatiotaitoja. Tällaisten taitojen kehittäminen onkin nähty tärkeäksi koulutuksen tehtäväksi. Kuitenkin perinteinen, asioiden toistamista, muistamista ja jopa ulkoaopettelua korostava koulutus saattaa heikentää tällaisia kykyjä. Yksi tämän päivän suurimpia haasteita koulutukselle onkin kehittää opetusmenetelmiä, joissa yhdistyvät alakohtaisen tiedon opiskelu, tärkeiden asiantuntijataitojen harjoittaminen sekä teorian ja käytännön liittäminen toisiinsa.

Oppitunneilla tulisi siis aina pyrkiä sisältöjen opiskelun rinnalla kehittämään oppilaan ajattelun ja tiedon käsittelyn taitoja sekä myös samalla oppimaan oppimisen taitoja. Erilaiset graafiset tiedonesittämismenetelmät ovat keskustelua ja kirjoittamista tehokkaampi menetelmä, kun halutaan päästä irrallisen asiatiedon oppimisesta tiedon aktiiviseen työstämiseen. Graafisia tiedonesittämismenetelmiä voidaan käyttää sekä diagnostiseen, formatiiviseen että summatiiviseen arviointiin. Graafisia tiedonesittämismenetelmiä voidaan laatia mainiosti kynällä ja paperilla, mutta myös niiden  laatimista ja arviointia helpottavilla tietokoneohjelmilla on omat etunsa (ks. esim ohjelmat linkistöstä ) tai:
http://cmap.ihmc.us/ 
http://www.inspiration.com/

Käsitteet ja tieto 

Uusien käsitteiden käyttöönotto perustuu jo käytössä olevien käsitteiden avulla tapahtuvaan käsitteen määrittelyyn. Esimerkiksi nopeuden käsitteen käyttöönotto edellyttää, että matkan ja ajan käsitteet ovat tuttuja. Vastaavasti kiihtyvyyden käsite määritellään nopeuden ja ajan käsitteiden avulla. Ennen kuin perehdytään yhdisteisiin ja seoksiin perehdytään aineen olomuotoihin. Käsitteet siis riippuvat toisistaan ja ovat osa käsitteiden ja niiden välisten suhteiden määrittelemää verkkoa. Käsitteitä ei voi oppia irrallaan tästä verkosta, vaan niiden merkitys syntyy vasta, kun niiden asema muihin käsitteisiin hahmottuu.

Käsitteiden välillä voi olla hierarkia. Yksinkertainen hierarkia on yleiskäsitteen ja yksittäisen esimerkin välillä. Käsite hapan liuos on yleisempi käsite kuin suolahappoliuos tai sitruunamehu. Lämmön siirtyminen johtumalla on yleinen ilmiö ja lämmön siirtyminen keittolevystä kattilan pohjan kautta kattilassa olevaan keittoon on esimerkki lämmön johtumisesta. Käsitteitä opitaan usein esimerkkien kautta. käsitteen merkitys alkaa hahmottua, kun tiedetään käsitteen alaan kuuluvia ja kuulumattomia esimerkkejä. Esimerkiksi jäykän kappaleen käsite pyörimisliikkeen mekaniikassa hahmottuu, kun on nähnyt esimerkkejä jäykistä ja ei-jäykistä kappaleista. Käsite ”herkästi syttyvä” saa merkityksen kun esittää demonstraation, joka havainnollistaa bensiinin, sinolin, polttoöljyn ja raakaöljyn syttymistä (koe on tehtävä pienillä ainemäärillä vetokoaapissa).

Fysiikassa ja kemiassa käsitteet voidaan ryhmitellä kuuluviksi hierarkkisille tasoille: ilmiö – käsite – laki tai malli – teoria. Newtonin kolme lakia yhdessä muodostavat Newtonin mekaniikan (teoria). Selkeä hierarkkinen suhde on myös kemiallisen reaktion havaitsemiseen ja havaintojen selittämiseen (mallien käyttöön liittyvien käsitteiden) käytettävien käsitteiden välillä. Myös kemian mallien ja niihin liittyvien käsitteiden välillä on hierarkia: alemmalla tasolla ovat erilaiset graafiset mallit ja ylemmällä tasolla kemiallisten merkkien avulla esitetyt mallit. Käsitteiden välillä voi olla useita erilaisia hierarkioita. Käsitteet ovat osa niiden muodostamaa hierarkkista verkkoa ja käsitteiden määritelmät perustuvat verkon muiden käsitteiden käyttöön. (Nersessian, 1995; Thagard 1992)

Bransfordin, Brownin ja Cockingin (2000, 31) mukaan henkilö, joka on ekspertti eli asiantuntija jollakin tiedonalalla, pystyy tunnistamaan kyseisellä alalla ongelmia ja ratkaisemaan niitä tehokkaasti. Asiantuntija pystyy esimerkiksi havaitsemaan informaatiosta (verkkosivu, kirja, mittausdata) olennaisia asioita ja hahmottamaan suuresta määrästä informaatiota tuttuja rakenteita eli järjestämään tätä informaatiota. Sitä vastoin noviisi ei tähän pysty. Ero asiantuntijan ja noviisin välillä tiedon jäsentämisessä ja ongelmien ratkaisemisessa perustuu siihen, että vain asiantuntijalla on kyseiseltä tiedonalalta paljon aikaisempaa hyvin järjestyksessä olevaa tietoa (Reif 1995). Ekspertin käyttämät käsitteet ovat järjestyksessä tärkeiden keskuskäsitteiden (big ideas) ympärillä (Bransford ym., 2000, 9). Nämä tärkeät keskuskäsitteet ohjaavat ekspertin ajattelua ja sen pohjalle rakentuvaa ongelmanratkaisua.

Koska luonnontieteiden käsitteet muodostavat käsitteiden hierarkkisia verkkoja ja toisaalta ajattelu ja ongelmanratkaisu perustuvat pitkälti siihen, kuinka hyvin käsitteet ovat järjestäytyneet ongelmanratkaisijan mielessä (verkostoiksi), on opetuksessa tarkoituksenmukaista käyttää sellaisia opetusmenetelmiä, jotka tukevat käsitteiden välisten linkkien ja verkkojen muodostumista (Trowbridge & Wandersee, 1989, 117). Reifsin (1995) mukaan kognitiivisiin prosesseihin suuntautuneen tutkimuksen tulosten perusteella ja sen perusteella, minkälaista tietoa tarvitaan luonnontieteellisillä ja luonnontietietä soveltavilla aloilla, opiskelun tulisi johtaa siihen, että opiskelijalle syntyy hyvin järjestynyttä tietoa. Kukaan ei luonnollisesti väitä, että tieto olisi aivoissa ”verkostona tai puumaisena rakenteena” mutta tieto on tallentunut yksilön aivoihin siten, että yksilö voi halutessaan luonnostella paperille jonkin tiedonalan keskeiset käsitteet esimerkiksi graafiseksi esitykseksi siten, että esityksestä ilmenee kyseisen tiedonalan keskeiset käsitteet ja näiden käsitteiden väliset suhteet sekä käsitteiden välinen hierarkia.

Bransford ym. (2000, 40) suosittelevat, että opetuksessa (siis opettajan esityksessä) ja opiskelussa (siis opiskelijan omatoimisessa opiskelussa tai pienessä ryhmässä opiskeltaessa) käytettäisiin erilaisia graafisia ja hierarkkisia tiedonesittämismenetelmiä (different kinds of network presentations, graphical presentations or hierarchical charts, concept maps), joiden avulla opiskelijat yksin tai yhdessä voivat järjestää käsitteitä hierarkkisesti tai organisoida tietoa hierarkioiden muotoon (students can hierarchically order concepts or organise knowledge) (Reif, 1995). Tähän tarkoitukseen soveltuvat graafiset tiedonesittämismenetelmät,

Esimerkiksi Loughran (1999) ja Solomon ja Tresman (1999) esittävät, että opiskelusta tulee tehokkaampaa, kun opiskelijat pohtivat asioita yhdessä pienessä ryhmässä. Tällöin he voivat tehokkaasti pohtia uusien käsitteiden merkitystä aikaisempien kokemusten ja käsitteiden pohjalta. Mintzes ja Wandersee (1989, 82 – 83) esittävät, että tiedon graafinen esittäminen sopivilla kaavioilla soveltuu hyvin myös työskentelyyn pienessä ryhmässä. Jonkin graafisen tiedonesittämismenetelmän käyttö ryhmässä auttaa opiskelijoita selventämään ajatuksiaan ja yhdistämään tietoja useasta eri lähteestä. Menetelmä tukee siten ymmärtävää lukemista; keskustelua; havaitsemista oppilastyön tai demonstraation yhteydessä; raportin, kirjoitelman, projektin tai oppilastyön suunnittelua ja henkilökohtaisista kokemuksista keskustelua. Graafisia tiedonesittämismenetelmiä voidaan siis pitää metakognitiivisinä työkaluina, joiden avulla voidaan auttaa opiskelijaa järjestämään informaatiota ja oppimaan uusia tietoja (cf. Nicoll, 2001). Graafista tiedonesittämismenetelmää voidaan käyttää myös oppilaiden ennakkotietojen kartoittamiseen ennen opiskelua.

Novakilainen käsitekarttatekniikka

Käsitekartalla tarkoitetaan tietynlaista graafista tiedonesittämismenetelmää, jonka on kehittänyt Joseph D Novak (Novak, 1995). Se on graafinen tiedon esittämisen tekniikka. Käsitekarttaa käytetään tietyn aihepiirin tietorakenteen kuvailuun. Tietorakenne on kokonaisuus, joka muodostuu aihepiirin keskeisistä käsitteistä ja käsitteiden välisistä relaatioista. Käsitekartan avulla  havainnollistetaan käsitteitä, käsitteiden välisiä suhteita ja niiden muodostamia kokonaisuuksia. Käsitekartassa käsitteet ovat lokeroitu ja lokerot yhdistetään linkein kuvaamaan käsitteiden välisiä relaatioita. Lokeroiden ja linkkien sijoittelu muodostaa hierarkkisen tietorakenteen. (Novak, 1995; Mintzes & Wandersee, 1989, 69; Trowbridge & Wandersee, 1989, 115-123)

Käsitekarttatekniikan oppii helposti ja se soveltuu kaikenikäisille oppilaille. Eri oppilaat ja myös tarkasteltavan aihepiirin asiantuntijat voivat laatia samasta aihepiiristä erilaisia käsitekarttoja. Siksi tietystä aihepiiristä ei ole yhtä ainoata oikeaa käsitekarttaa, vaan jokainen yksilö laatii kartan oman käsityksensä pohjalta. Sen tähden käsitekartta on nimenomaan oppimiseen tarkoitettu tekniikka eikä niinkään tiedon esittämisen tekniikka. Käsitekartta on käyttökelpoinen ennakkokäsitysten kartoittajana, tietorakenteen esittäjänä ja osaamisen arvioinnin välineenä, kun tarkastellaan käsitteiden oppimista. Käsitekartalla saadaan tietoa laatijan ajattelun rakenteista. Käsitekartta oiva tapa kuvata eri aihepiirien tietorakenteita. Sen avulla voidaan tuoda esille kaikki kolme tiedon elementtiä ja niiden aihepiirille ominaiset piirteet:

  1. käsitteet
  2. käsitteiden väliset relaatiot
  3. käsitteiden ja niiden välisten suhteiden muodostama rakenne

Käsitekartan taso, laajuus, esitystapa ja muoto määräytyy kulloisenkin tilanteen mukaan, joten käsitekartan laadintaan ei voida antaa mitään "reseptiä", kuinka se tulisi tehdä. Kuitenkin laadinnassa on tiettyjä perusperiaatteita, jotka on  hyvä pitää mielessä:


Käsitekartta käsitekartasta. (Åhlberg, 1990)

Käsitekartan sukulainen, miellekartta (mind map), on joissakin tilanteissa joustavampi ja käsitekarttaa vähemmän muodollinen väline jäsennellä omia käsityksiä tai kirjan tekstiä tai vaikkapa laatia suunnitelma luonnontutkimustehtävää varten. Miellekartan linkkejä ei yleensä nimetä eikä kartan teossa ole yhtä voimakkaita hierarkkisuuden vaatimuksia, koska se on luonnos aihekokonaisuudesta. (Meisalo, Sutinen ja Tarhio. 2000, 100-101)

Jos käsitekarttaa käytetään esimerkiksi oppilaan ennakkokäsitysten kartoittamiseen jonkin tiedon fysiikan osa-alueen käsitteistä, niin tämän nk. ennakkojäsentäjän laadinnassa pätevät edellä mainitut käsitekarttatekniikan perusperiaatteet. Kuitenkin on syytä huomata, että esimerkiksi ennakkojäsentäjiä käytetään esimerkiksi jonkin kurssin aiheen esittelyssä, jolloin ei pyritä esittämään käsiterakenteen hierarkkisuutta ja käsitteiden oppisen etenemistä. Joten aiemmin esitelty ennakkojäsentäjä malli ei ole edellisen perusteella käsitekartta. Mallissa suppeammat käsitteet ovat sijoitettu laajempien käsitteiden alle alatason käsitteiksi asteittain aleneviksi.

Mallin suunta on siis nurinkurinen, jos tarkastellaan käsitteiden hierarkkisuutta ja käsitteiden oppimisen etenemistä. Luonnontieteissä uuden asian oppiminen alkaa luonnon ilmiöiden havainnoinnista niiden käsitteiden avulla, jotka ovat aiemmin omaksuttu. Käsitteiden merkitys laajenee erityisestä tapauksesta yleiseen ts. alakäsitteistä kattavimmiksi, abstraktimmiksi kattokäsitteiksi. Esimerkiksi  fysiikan oppimisen ja ymmärtämisen kannalta on oleellista tietää, miten käsitteet syntyvät merkitystensä kautta ja miten nämä merkitykset kehittyvät ja yleistyvät. Fysiikan tietoa ei voi erottaa tiedon luomisen prosessista, joten käsitteenmuodostusprosessi on oleellinen osa fysiikan tietorakennetta. (Kurki-Suonio, K. & R. 1994)

Käsitekarttatekniikan opettaminen

Käsitekarttatekniikka on ajatusten ja tekstin jäsentämiseen tarkoitettu työkalu. Käsitekartan avulla oppilas voi testata sekä oppimistaan että selvittää ennakkokäsityksiään. Käsitekarttatekniikka on opetettava oppilaille kuten kirjoittaminen ja lukeminenkin. Käsitekarttatekniikan voi oppia monella eri tavalla. Seuraavassa esitellään lyhyesti muutama tapa oppia kyseinen tekniikka. (ks. lisää Mintzes, Wandersee & Novak, 1989)

Käsitekartan idea esitellään oppilaille jonkin valmiin käsitekartan avulla. Kun käsitekartan idea on selvä, siirrytään harjoittelemaan käsitekartan laatimista käsitteistä lähtien. Tarkastellaan lauseita "Kemianteollisuus on kansainvälisin teollisuudenalamme. Sen tuotanto perustuu vahvaan tutkimus- ja kehitystyöhön. Lääkkeiden aurinkokennojen ja entsyymien valmistus ovat esimerkkejä suomalaisen kemianteollisuuden huippuosaamisesta". Tekstin ensimmäinen virke voidaan kartoittaa seuraavasti:

Toinen virke voidaan kartoittaa esimerkiksi seuraavilla tavoilla:

Koko tekstistä voidaan laatia esimerkiksi seuraavanlainen käsitekartta.

Joidenkin linkkisanojen kirjoittaminen suomenkielellä on hankalaa. Tätä ensimmäistä vaihetta käsitekarttatekniikan oppimisessa kannattaa harjoitella niin kauan, että yksinkertaisten lauseiden kirjoittaminen kartaksi sujuu kaikilta vaivattomasti. Edellä esitetty käsitekartta voidaan laatia myös siten, että tekstistä rengastetaan avainkäsitteet ja ryhmitellään ne paperille hierarkisesti. Tämän jälkeen yhdistetään käsitteet nuolilla ja nimetään näin syntyneet linkit.

Kolmas tapa laatia käsitekartta tekstistä on lähteä liikkeelle tekstin keskeisimmästä käsitteestä ja valita se käsitekartan keskuskäsitteeksi. Tässä tapauksessa tämä keskuskäsite on "kemianteollisuus".

Käsitekartan laatimista voidaan harjoitella myös opettajan johdolla. Opettaja valitsee jonkin tutun sanan ja kirjoittaa sen taululle. Tällainen sana voi olla esimerkiksi "kissa". Sitten opettaja kysyy oppilailta, mitä heille tulee mieleen kissasta. Ensimmäinen asiayhteys voi olla esimerkiksi kissa on pehmeä. Opettaja linkittää käsitteen "pehmeä" kissaan linkillä "on". Näin jatketaan, kunnes sopiva määrä käsitteitä on linkitetty "kissaan".

Kun käsitekartan laatimisen alkeet on opittu, oppilaille annetaan pitempi teksti. Tekstistä etsitään käsitteet ja kirjoitetaan ne erillisille papereille. Mikäli käsitteet voidaan asettaa yleisyyden mukaan järjestykseen, menetellään niin. Käsitteiden joukosta voidaan myös valita jokin keskuskäsite ja laatia käsitekartta tämän keskuskäsitteen ympärille. Tämän jälkeen käsitteistä laaditaan käsitekartta. Hyvältä käsitekartalta kannattaa jo tässä vaiheessa edellyttää luettavuutta ja loogisuutta. Hyvän käsitekartan käsitteitä yhdistävät nuolet eivät mene ristiin.

Kun oppilaat osaavat laatia tekstin pohjalta käsitekarttoja, käsitekarttatekniikkaa voidaan harjoitella myös siten, että luonnontutkimustehtävän tai kirjoitelman aihepiiriä jäsennetään käsitekartan avulla. Oppilaita pyydetään tekemään käsitekartan pohjalta työselostus tai kirjoitelma.

Tekstin pohjalta laadittu käsitekartta. 

Käsitekartta on oppimisen väline

 Käsitekartan avulla oppilaat kykenevät omatoimisesti ja itsenäisesti arvioimaan omaa osaamistaan. Käsitekartan tekeminen edellyttää käsitteiden jäsentämistä. Sen avulla voidaan suunnitella opiskelua ja selvittää omaa tai muiden ajattelua. Käsitekarttatekniikka paljastaa myös tekstin ja opetettavan kokonaisuuden punaisen langan.

Opettaja voi käsitekarttojen avulla arvioida oppilaan oppimista ja asioiden ymmärtämistä. Käsitekarttoja voidaan käyttää myös ennakkokäsitysten ja väärinkäsitysten selvittämiseen. Esimerkiksi sähköopin opiskelun alussa oppilaita voidaan pyytää laatimaan käsitekartta keskuskäsitteenä suljettu virtapiiri. Oppilaan laatima käsitekartta paljastaa oppilaan ennakkokäsitykset ja auttaa opettajaa suuntaamaan opetusta siten, että väärät ennakkokäsitykset saadaan oikaistuiksi.

Käsitekartta sähköopin peruskäsitteistä.

Oppilasta voidaan myös ohjata jäsentämään tutkimuksensa kohdetta käsitekartan avulla. Esimerkiksi ennen lämpöilmiöiden tutkimusta oppilasta voidaan pyytää laatimaan käsitekartta siitä, mitä asioita hän tutkii lämpöopin alueelta. Käsitekartta voidaan laatia myös opiskelun jälkeen, jolloin se kertoo siitä, mitä lämpöopista on opittu.

Käsitekartta lämpöopin peruskäsitteistä

Käsitekartan käyttöä opetuksessa on tutkittu laajasti. Näiden tutkimusten pohjalta käsitekarttatekniikan käytöllä on huomattu mm. tiettyjä etuja (Väisänen.1999, 23-27):

Käsitekarttojen käytössä on myös ongelmia: Käsitekartan laatija on tyypillisessä tapauksessa yksin ajatustensa kanssa sekä tekniikan puutteellinen osaaminen aiheuttaa tulkinnallisia ongelmia. Edelliseltä ongelmalta voidaan välttyä, jos esimerkiksi oppilaille annetaan mahdollisuus keskustella näkemyksistään ja ajatuksistaan toistensa sekä opettajan kanssa. Käsitekartan laatimisen ei tarvitse olla yksinäistä puurtamista, vaan se voidaan esimerkiksi laatia ryhmätyönä. Jälkimmäisen ongelman tiedostaminen on opettajan kannalta tärkeää. Jos käsitekarttaa käytetään oppilaan tietojen arviointimenetelmänä, niin tiedollinen osaaminen voi peittyä huonosti hallitun käsitekarttatekniikan vuoksi. Tekniikan hallitsemiseen liittyvän ongelman voi ratkaista siten, että käsitekartan esitystapa ja -muoto jätetään avoimeksi ja arvioinnin ulkopuolelle. Käsitekartan arviointi perustuisi tällöin täysin sen sisältöön ja "sanomaan". (Väisänen. 1999, 25)

Kun oppilaat ovat oppineet laatimaan käsitekarttoja, heille on annettava niistä myös palautetta ja oppilaita on opetettava myös arvioimaan toinen toistensa käsitekarttoja. Ensimmäiseksi on luonnollisesti tarkistettava, että kartta sisältää tarkasteltavan tiedonalan keskeiset käsitteet. Toiseksi kartan linkkien on oltava tosia ja järkeviä. Kartta on looginen, luettava ja linkit eivät mene pahasti ristiin. Hyvä kartta etenee hierarkkisesti joko ylhäältä alas tai keskeltä laidoille. Keskeisiin käsitteisiin kiinnittyy huomio välittömästi. Kartta esittelee tarkasteltavan tiedonalan käsitteitä monipuolisesti. Tämä ilmenee mm. siten, että keskeisiin käsitteisiin tulee ja niistä lähtee paljon linkkejä. Hyvässä kartassa on myös esimerkkejä. Oppilasta voi myös itseään kouluttaa arvioimaan omia karttojaan. Erittäin hedelmällinen lähtökohta syntyy silloin, kun oppilas laatii tarkasteltavalta tiedon alalta ennen sen opiskelua ja opiskelun päätteeksi kartan sekä verrata näitä keskenään.

Kirjallisuutta