KirjastoMATEMAATTIS-LUONNONTIETEELLISTEN
AINEIDEN TYÖTAPAOPAS

 

Mikä on työtapaopas?

© Lavonen, Meisalo & al.
Helsingin yliopiston soveltavan kasvatustieteen laitos, Käyttäytymistieteellinen tiedekunta

Matemaattisten aineiden opetuksen tutkimus- ja kehittämiskeskus
PL 9, 00014 HELSINGIN YLIOPISTO

Opetuksen ja opiskelun päämääränä on, että oppilaat saavuttavat opetukselle asetetut tavoitteet, eli oppivat opetussuunnitelmassa ilmaistut tiedot ja taidot. Käytännössä opettaja valitsee opetuksen työtavat ja käsiteltävät aiheet siten, että tavoitteet saavutetaan. Tämän verkkomateriaalin tavoitteena on esitellä erilaisia opetuksen työtapoja, jotka tähtäävät erilaisten tietojen ja taitojen oppimiseen.

Opetuksen työtapoja voidaan luokitella erilaisiin ryhmiin esimerkiksi vuorovaikutuksen luonteen, opetuksen tavoitteiden, tiedon välittymistavan, sisältöjen ja oppimisprosessin perusteella. Verkkomateriaalissa työtavat on ryhmitelty neljään ryhmään: 1. Kokeellisuuden työtavat, 2. Luova ongelmanratkaisun työtavat, 3. Pienessä ryhmässä opiskelun työtavat sekä 4. Tieto- ja prosessikeskeiset työtavat. Lisäksi verkkomateriaalissa tarkastellaan arviointia.

Verkkomateriaalin laadintaa ovat johtaneet Jari Lavonen ja Veijo Meisalo ja materiaali perustuu useisiin painettuihin tai monisteena julkaistuihin teoksiin.

Sivukartta

 

KirjastoLUONNONTIETEIDEN OPETUKSEN JA OPISKELUN LÄHESTYMISTAPOJA

© Lavonen, Meisalo & al.

1. Johdanto

Kansainvälisten fysiikan ja kemian opetuksen ja oppimisen alaan kuuluvien konferenssien yleisesitelmissä on usein nostettu esille kaksi keskeistä fysiikan ja kemian kouluopetuksen ongelmaa: Oppilaat (1) eivät opi opetussuunnitelmissa tavoitteiksi asetettuja fysiikan ja kemian käsitteitä, (2) eivät valitse riittävästi fysiikkaa ja kemiaa lukiossa tai hakeudu opintoihin luonnontieteellisille ja luonnontieteitä soveltaville aloille. (esim. Black & Atkin, 1996; Osborne, 2003a; Sjøberg, 2004). Edellisten ongelmien yhteydessä tarkastellaan usein oppilaiden, erityisesti tyttöjen, vähäistä kiinnostusta fysiikkaa ja kemiaa kohtaan ja todetaan, että näiden kolmen ongelman välillä on yhteys.

Esitettyihin ongelmiin on lukuisia erilaisia syitä. Yhtenä keskeisenä syynä pidetään fysiikan ja kemian sisältöjä sekä opetuksen työ- ja arviointitapojen yksipuolisuutta. Syinä pidetään myös sitä, että opetuksessa ei oteta riittävästi huomioon oppilaiden käsityksiä ja uskomuksia. Fysiikan ja kemian opetuksen ja opiskelun ongelmat ovat osoittautuneet pysyviksi, vaikka niiden korjaamiseksi on esitetty erilaisia ratkaisuehdotuksia ja käynnistetty opetuksen uudistamishankkeita (Black & Atkin, 1996). Suomessa 1196 - 2002 luvun puolivälissä käynnistetty LUMA-kehittämishanke on yksi tällainen hanke (Ministry of Education, 2002; NBE, 2004; LUMA, 1999, LUMA-programme, 2004). Hankkeen keskeisenä tavoitteena oli, että suomalaisten matemaattis-luonnontieteellinen osaaminen nostetaan kansainväliselle tasolle. Ulkopuolisen arvioinnin ja PISA-arviointien perusteella hankkeessa onnistuttiin (Allen, Black & Wallin, 2002; Lavonen, Meisalo, & Juuti, 2004).

Vuoden 1998 luonnontieteiden oppimistulosten arviointitutkimuksen (Rajakorpi, 1999) mukaan Suomessa peruskoulun yhdeksännen luokan pojat menestyivät tyttöjä paremmin. Samassa tutkimuksessa raportoidun asennekartoituksen perusteella tytöt välttävät jatko-opinnoissaan fysiikkaa ja pojat pitivät sitä tärkeimpänä luonnontieteellisenä oppiaineena peruskoulussa. Vuonna 2001 tehdyn tutkimuksen mukaan lukion kolmannen luokan miesten oppimistulokset olivat naisten oppimistuloksia parempia (Halkka, 2003). Ero selittyy osittain sillä, että naisista 59 prosenttia ja miehistä 24 prosenttia oli opiskellut vain pakolliset fysiikan ja kemian kurssit. Naisista 12 prosenttia ja miehistä 31 prosenttia oli opiskellut paljon sekä kemiaa että fysiikkaa. Lukiolaisista miehet asennoituivat fysiikkaan ja kemiaan positiivisemmin kuin naiset ja kokeessa menestyminen ja myönteiset asenteet fysiikkaan ja kemiaan kytkeytyivät toisiinsa. Vastaavia tuloksia on saatu ammatilliseen perustutkintoon tähtääville opiskelijoille tehdyssä tutkimuksessa (Saloheimo, 1999).

Toisaalta on muistettava, että suomalaiset peruskoulua päättävät nuoret ovat sijoittuneet useissa matematiikan ja luonnontieteiden osaamista, lukutaitoa ja ongelmanratkaisutaitoa kansainvälisissä tutkimuksissa OECD-maiden kärkeen. Esimerkiksi vuoden 2003 PISA-tutkimuksen (OECD, 2005) mukaan suomalaisten nuorten osaamistaso on noussut vuodesta 2000 matematiikassa ja luonnontieteissä ja Suomi sijoittui matematiikassa ensimmäiselle sijalle ja luonnontieteissä yhdessä Japanin kanssa ensimmäiselle sijalle. Syiksi hyvälle menestymiselle kansainvälisissä vertailuissa on esitetty mm. suomalista yhtenäiskoulujärjestelmää, laadukasta opettajankoulutusta, oppilaiden ja kotien positiivista asennetta koulutukseen, ja suomalaista kulttuuria yleensä (Välijärvi et al., 2002). Yksittäisen selityksen tai syyn nimeäminen on osoittautunut vaikeaksi tehtäväksi.

Fysiikan ja kemian kiinnostamattomuuteen 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). Oppilaiden kiinnostuksen ja innostuksen herättäminen fysiikkaan ja kemian opiskelua kohtaan on koettu niin keskeiseksi päämääräksi, että se on asetettu opetussuunnitelmien perusteissa yhdeksi opetuksen tavoitteista:” Opiskelun tulee innostaa oppilasta luonnontieteiden opiskeluun …”; ”… innostaa oppilasta fysiikan opiskeluun.”; ”… innostaa oppilasta kemian opiskeluun.”; ”Opiskelija saa tyydytystä tiedon ja ymmärtämisen tarpeelleen sekä saa vaikutteita, jotka herättävät ja syventävät kiinnostusta fysiikkaa kohtaan”; ”Kemian opetuksen toteutuksessa otetaan huomioon opiskelijoiden opiskeluvalmiudet ja luodaan myönteinen kuva kemiaa sekä sen opiskelua kohtaan.” (POPS, 2004, 188; 191, 195; LOPS, 2003, 145, 152). Vastauksia siihen, mikä voisi motivoida nuoret opiskelemaan fysiikkaa ja kemiaa tai herättää heidän kiinnostuksensa, on etsitty kartoittamalla oppilaiden kiinnostusta (i) luonnontieteitä ja teknologiaa ja fysiikassa ja kemiassa opiskeltavia aiheita kohtaan, (ii) niitä konteksteja kohtaan, joissa fysiikan ja kemian käsitteitä kohdataan (esim. teknologinen tai ympäristöön liittyvä konteksti) ja (iii) työtapoja kohtaan. 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).

Kun tarkastellaan luonnontieteiden opetusta tai pohditaan sen kehittämistä, on muistettava, että perusluonnontieteiden ja tekniikan tutkimuksen parissa työskentelee vain pieni osa kansalaisista, mutta yleissivistävässä koulussa opiskelee lähes koko ikäluokka. Toisaalta luonnontieteiden ja teknologian aloille on jatkuvasti tullut lisää työpaikkoja ja niiden parissa työskentelee tulevaisuudessa todennäköisesti yhä suurempi joukko kansalaisista. Opiskelijoista näille aloille on pulaa, vaikka työpaikkoja olisi valmistuville runsaasti tarjolla. On ilmeistä, että opetussuunnitelmia olisi arvioitava jatkuvasti ja samalla pitäisi pohtia luonnontieteiden opetuksen merkitystä koko yhteiskunnan kannalta (vrt. Macaskill & Ogborn, 1996, 55). Myös opettajien on arvioitava jatkuvasti fysiikan ja kemian opetustaan ja pohdittava kenelle ja miksi perusluonnontieteitä opetetaan.

Oppimistutkimuksen tulokset vaikuttavat myös opettajankoulutukseen. Opettajan työ edellyttää entistä vankempaa sisällön hallintaan liittyvää eksperttiyttä. Toisaalta jatkuvasti muuttuvat työolosuhteet haastavat opettajan joustavuuteen, liikkuvuuteen sekä työssä tapahtuvaan jatkuvaan itsensä kehittämiseen ja oppimiseen. Opettaja tarvitsee sen tähden aineenhallinnan lisäksi myös tietoa siitä, miten oppilaat oppivat ja miten oppimiseen voidaan vaikuttaa (Enkenberg, 2000).

Edellä kuvatut fysiikan ja kemian opetuksen ja opiskelun kehittämisen haasteet ovat ajattomia, sillä havaitut ongelmat ovat osoittautuneet hyvin pysyviksi. Ongelmien korjaamiseksi on esitetty erilaisia ratkaisuehdotuksia eri aikakausina (Black & Atkin, 1996; Wellington, 1998). Tässä oppimateriaalissa tarkastellaan erilaisia opetuksen lähestymis- ja työtapoja, niille asetettuja tavoitteita, niiden hyviä puolia ja niissä olevia ongelmia (osat C ja D). Osassa A tarkastellaan ensin lyhyesti luonnontieteiden kohdetta ja menetelmää sekä vertaillaan näitä luonnontieteiden opetuksen kohteeseen ja menetelmään. Tällä tarkastelulla luodaan perusta erilaisten opetuksen lähestymistapojen tarkastelulle. Osassa B tarkastellaan myös lyhyesti luonnontieteiden oppimisen taustalla olevaa oppimisen psykologiaa. Erityisesti tarkastellaan luonnontieteiden opetuksen kokeellisuutta.

 


 

OSA A. Luonnontieteiden ja teknologian kohde ja menetelmä tieteessä ja opetuksessa

Oppimateriaali alkaa uuden tiedon hankkimista käsittelevällä katsauksella, jossa tarkastellaan käsitteenmuodostusta luonnontieteissä ja teknologiassa sekä luonnontieteiden oppitunnilla. Lisäksi kuvaillaan luonnontieteellisen ja teknologien tiedon luonnetta. Näiden epistemologian alaan kuuluvien katsausten lisäksi sivutaan ontologian alaan kuuluvaa luonnontieteiden todellisuuskäsitystä.

2. Kohde ja menetelmä luonnontieteissä ja niiden opetuksessa

Luonnontieteiden kohde ja menetelmä

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).

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).

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. Sitä vastoin 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 kuuluu tiedeyhteisöön, joka hyväksyy ja jakaa tutkijan tai tutkijaryhmän hankkiman uuden tiedon. Tieteellisen tutkimuksen tulokset on aina julkaistava ja asetettava tiedeyhteisön kritiikille alttiiksi.

Kohde ja menetelmä luonnontieteiden opetuksessa

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.

Kuvio 2. Luonnontieteiden opetuksen kohde ja menetelmä.

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). 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, 1996a; Gott & Duggan, 1996; Millar, Le Maréchal, & Tiberghien, 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).

3. Kohde ja menetelmä teknologiassa ja sen opetuksessa

Teknologian kohde ja menetelmä

Ihminen on aina pyrkinyt käyttämään tietoisesti hyväkseen luonnonilmiöitä. Tästä pyrkimyksestä on alkanut teknologinen kehitys. Tekniikalla tarkoitetaan taitoa käyttää hyväksi luonnonlakien ja erilaisten aineiden ominaisuuksien tuntemista. Siihen sisältyy välineiden, laitteiden ja koneiden, niiden rakenteiden ja toimintaperiaatteiden ymmärtäminen sekä niiden taitava ja hallittu käyttö hyödyllisten tuotteiden ja palveluiden aikaansaamiseksi ja arkielämän helpottamiseksi. Tekniikka jakautuu eri osa-alueisiin sen mukaan, minkä alan taitoa laitteiden ja aineiden valmistuksessa ja käytössä tarvitaan. Puhutaan esimerkiksi tietotekniikasta, sähkötekniikasta, puunjalostustekniikasta ja geenitekniikasta. Teknologiaksi sanotaan sitä tietämystä, jota tarvitaan laitteita, koneita ja niiden valmistusprosesseja kehitettäessä. Teknologian perustana on luonnossa vallitsevien lainalaisuuksien tunteminen ja se sisältää tiedon ja taidon suunnitella, valmistaa ja käyttää teknologisia tuotteita, prosesseja ja järjestelmiä. Teknologian päämääränä ei siis ole varsinaisesti tieto, vaan tuote ja sitä kautta ihmisen elämän helpottaminen, elintason parantaminen ja mukavuuden lisääminen luontoa hyväksikäyttäen, luonnontieteellistä tietoa soveltaen, luonnonilmiöitä säätämällä ja elinympäristöä muokkaamalla.

Uuden teknologian kehittämisprosessille on luonteenomaista luovuus ja innovatiivisuus. Tällaiseen prosessiin kuuluu kehitysmahdollisuuksien huomaaminen, niihin liittyvien arvojen, tosiasioiden ja näkemysten tunnistaminen, tavoitteenasettelu ja visioiminen, uusien ideoiden tuottaminen, ideoiden arvioiminen sekä ratkaisun valitseminen, hyväksyttäminen ja toteuttaminen. Teknologian ja muun yhteiskunnan kehitys ovat rinnakkaisia vuorovaikutteisia prosesseja. Teknologia muovaa yhteiskunnan toimintaa erityisesti infrastruktuurin kautta esimerkiksi viestinnässä, terveydenhoidossa, liikenteessä ja elinkeinorakenteessa. Toiminta kansalaisyhteiskunnassa ja vaikuttaminen kansalaisena edellyttää riittäviä perustietoja teknologiasta ja taitoja käyttää sitä hyödyksi.

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 luonnontieteellistä tietoa, kuten luonnonlakeja, ne eivät ole samalla tavalla tieteellisiä. Perimätieto ja tapakulttuuri sisältävät paljon ohjaavaa tietoa ja sitä syntyy muun muassa yrityksen ja erehdyksen kautta. 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. Kaikkia teknologisia tutkimustuloksia ei julkaista, koska niihin liittyy usein huomattava kaupallinen intressi.

Teknologian 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. Hänen mukaansa tietämys voidaan pelkistää myös opetussuunnitelman elementeiksi, jolloin teknologian opiskelun tulisi olla samantapaista kuin minkä tahansa muunkin koulun oppiaineen opiskelu. Myös Niiniluoto (1980, 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) sitä vastoin perustelee epistemologisesti ja etymologisesti, että teknologinen tietämys ei ole siinä mielessä tieteellistä tietoa kuin on esimerkiksi luonnontieteellinen tieto eikä sitä voi myöskään opettaa samalla tavalla kuin luonnontieteitä.

Luonnontieteiden ja teknologian kehitys ovat olleet voimakkaassa vuorovaikutuksessa keskenään eikä niitä voi erottaa toisistaan. 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; 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 tuotteita ja prosesseja. Teknologisen prosessin tuloksia ovat kaupalliset tuotteet, yleensäkin tieteen sovellukset ja sosiaalis-kulttuurinen ympäristö.

Kohde ja menetelmä teknologian opetuksessa

Teknologian opettaminen on järjestetty eri maissa joko erillisenä oppiaineena tai se on integroitu mukaan kaikkiin oppiaineisiin. Teknologian asemaa erillisenä oppiaineena voidaan perustella mm. teknologian tiedonalan tärkeydellä nyky-yhteiskunnassa ja sen tarjoamilla mahdollisuuksilla kehittää oppilaan erilaisia ongelmanratkaisutaitoja erilaisissa ongelmanratkaisuympäristöissä (Black & Atkin 1996, 88). Ongelman erillisissä oppiaineissa on se, että teknologian alaan kuuluvien asioiden käsittely on päällekkäistä ja oppilaan on vaikeaa muodostaa asioista kokonaiskuvaa (Waddington, 1987, 44; Black & Atkin, 1996, 53–60). Teknologian integroimista eri oppiaineisiin perustellaan mm. siten, että tällöin kukin oppaine voi sille luonteenomaisella tavalla tarkastella teknologian alaan kuuluvia tietoja. Tälläkin tavalla teknologian opetusta lähestyttäessä opetukseen tulee helposti päällekkäisyyttä ja toisaalta teknologian tiedonala saattaa jäädä kokonaan opiskelematta, koska se ei oikein kuulu minkään oppiaineen keskeisiin sisältöihin tai tavoitteisiin. Esimerkiksi käsityön sisällä teknologian määrä ja painotukset eri kouluissa Suomessa ovat vaihdelleet suuresti (ks. esim. 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.

Opetussuunnitelmien perusteiden mukaan (POPS, 2004, 39; LOPS, 2003, 28) teknologiaopetuksen tavoitteena suomalaisessa koulussa on, että oppilas oppii ymmärtämään teknologiaa, sen kehittämistä ja vaikutuksia eri elämänalueilla ja yhteiskunnan eri sektoreilla nyt ja historiassa sekä ympäristössä; käyttämään teknologiaa vastuullisesti; käyttämään tietoteknisiä laitteita ja ohjelmia sekä tietoverkkoja erilaisiin tarkoituksiin; ja ottamaan kantaa teknologisiin valintoihin ja arvioimaan tämän päivän teknologiaan liittyvien päätösten vaikutuksia tulevaisuuteen. Teknologia mainitaan myös selkeästi perusopetuksen fysiikan ja kemian opetuksen tavoitteissa uudessa opetussuunnitelmassa. Fysiikan ja kemian opetus perusopetuksessa antaa oppilaalle valmiuksia keskustella ja kirjoittaa fysiikan, kemian ja teknologian tiedonalaan kuuluvista asioista ja ilmiöistä tarkoituksenmukaisia käsitteitä käyttäen sekä auttaa häntä ymmärtämään fysiikan, kemian ja teknologian merkityksen jokapäiväisessä elämässä, elinympäristössä ja yhteiskunnassa (POPS, 2004, 191, 195). Lukion fysiikan ja kemian opetus antaa opiskelijalle valmiuksia ratkaista luonnontieteiden ja teknologian alaan kuuluvia ongelmia fysiikan ja kemian tietoja luovasti hyväksi käyttäen ja tutustuttaa opiskelijan fysiikan ja kemian sovelluksiin ja niiden taitavaan, eettiseen ja hallittuun käyttöön (LOPS, 2003, 144, 152). Sekä perusasteen että lukion opetus antaa oppilaalle myös valmiuksia tehdä jokapäiväisiä valintoja ja keskustella erityisesti energian tuotantoon, ympäristöön ja teollisuuteen liittyvistä asioista ja ohjata oppilasta ottamaan vastuuta ympäristöstään, terveyden ja kestävän kehityksen edistämisestä. Käsityön opetuksen tavoitteena peruskoulussa on mm., että oppilas tutustuu arkielämään liittyvään teknologiaan ja perehtyy perinteiseen ja nykyaikaiseen teknologiaan liittyviin tietoihin ja taitoihin sekä oppii ottamaan kantaa teknologian kehittymiseen ja sen merkitykseen ihmisten, yhteiskunnan ja luonnon hyvinvoinnissa (POPS 2004, 244). Lisäksi käsityön, teknisen työn ja tekstiilityön sisältöosissa luetellaan useita teknologian alaan kuuluvia sisältöjä.

 


OSA B. LUONNONTIETEIDEN OPPIMINEN

 

Suomessa, kuten useissa muissakin maissa kehitetään ja uudistetaan jatkuvasti yleissivistävän koulun luonnontieteiden ja teknologian opetusta (Black & Atkin, 1996). Monessa yhteydessä on todettu, että tiedon siirtoon pyrkivät lähestymistavat, eivät johda todelliseen oppimiseen. Tiedon siirtoon tähtäävissä lähestymistavoissa tietoa ikään kuin pyritään ”kaatamaan oppilaan päähän” ja ”tallentamaan” se sinne samalla pysyvästi. Toisen oppimiseen liittyvän harhan mukaan opettajan selitystä valppaana seuraava oppimishaluinen oppilas oppii aina tehokkaasti. Useimmissa tapauksissa oppilas saattaa olla valpas, mutta pikemminkin sen suhteen, että hän valikoi huolellisesti talteen kaiken sen, joka vahvistaa jo hänen entistä tapaansa ajatella. Luokassa ei välttämättä aina olla oppimassa, vaan näyttämässä mitä jo osataan.

Tiedon määrän jatkuva lisääntyminen pakottaa etsimään keinoja sen hallintaan. Tällöin tiedon muistamisen rinnalle ovat tulleet opiskelun ja ajattelun taidot. Työelämässä joudutaan enenevässä määrin ratkaisemaan nk. heikosti määriteltyjä ongelmia. Ongelmien ratkaisu edellyttää tiedonalan syvällistä käsitteellistä hallintaa.

Oppimista voidaan tarkastella monella eri tavalla. Yksi klassinen tarkastelutapa on jakaa oppiminen syvä- ja pintaoppimiseen. Jos opiskelussa kiinnitetään huomio vain käsitteisiin eikä niiden välisiin suhteisiin, opiskellaan ja informaatiota (esim. teksti, kuva, havainto) prosessoidaan tällöin pinnallisesti. Oppilas ei voi käyttää opittua menestyksekkäästi ongelmien ratkaisuun. Syväoppiminen on merkityspohjaista oppimista, jossa uudet asiat rakentuvat jo entuudestaan opitun varaan. Syväoppimisessa, oppiminen ei ole passiivista informaation vastaanottamista ja varastoimista mieleen, vaan aktiivista tietojen ja taitojen konstruointia. Informaatiota ei voi siirtyä suoraan muistiin esimerkiksi kuuntelemalla luentoa, lukemalla kirjaa tai selailemalla verkkosivuja. Oppimisessa on olennaista millä tavoin informaatiota jäsennetään, käsitellään ja työstetään.

Käytännössä opettaja joutuu pohtimaan oppituntia suunnitellessaan, kuinka hän saa oppilaan opiskelemaan tavalla, joka johtaa oppimiseen. Maailma on täynnä informaatiota, josta oppilaan tehtävänä on opettajan ohjauksessa jalostaa tietoa. Jokainen opiskelutilanne on ainutlaatuinen, joten suoraviivaisten reseptien antaminen on mahdotonta. Opettajalle on hyötyä, kun hän tuntee oppimisen psykologian tutkimustuloksia ja osaa ottaa ne huomioon opetuksen suunnittelussa ja itse opetuksessa. Tällaisia tutkimustuloksia ovat esimerkiksi muistin monivarastoteoria ja tieto siitä, että lapset ovat merkitysorientoituneita. Opettajan tehtävänä on saada oppilaat opiskelemaan tavoitteellisesti.

4. Muisti, ajattelu ja oppiminen

Muistin monivarastoteoria

Muistaminen on tulos, joka ilmenee siinä, miten opitut asiat säilyvät mielessä ja miten ne otetaan sieltä käyttöön (Saarinen et al., 1991, 75). Muistin monivarastoteorian mukaan tietoa käsitellään ja varastoidaan sensorisessa varastossa (näön ja kuulon varasto), lyhytaikaisessa muistissa (työmuisti, aktiivinen muisti) ja pitkäaikaisessa muistissa (säilömuisti). Ympäristöstä aistien avulla saatu ärsyke tulee sensoriseen varastoon ilman tahdonalaista kontrollia ja viipyy siellä noin yhden sekunnin. Tahdonalaisen tarkkaavaisuuden tuloksena ärsyke siirtyy lyhytkestoiseen muistiin, jossa se säilyy 5 - 20 sekuntia. Ärsykkeen siirtyminen pitkäkestoiseen muistiin edellyttää ärsykkeen muokkaamista ja prosessointia. Informaatio muokataan yleensä semanttiseen kielelliseen muotoon, jonka jälkeen se siirtyy laajaan pitkäkestoiseen muistiin.

Kuvio 4. Informaation käsittely ja tallnetaminen muistiin.

Oppimiseen vaikuttavat oppilaan aiemmat tiedot. Pitkäkestoisen muistin sisältö vaikuttaa siihen, mihin tarkkaavaisuus suunnataan, mitä informaatiota otetaan vastaan ja miten sitä prosessoidaan. Lapset ovat luontaisesti merkitysorientoituneita ja haluavat luoda havaintojen ja tarjolla olevan informaation pohjalta merkityksiä. Oppimisessa skeemoilla eli vakiintuneilla havainnon tai motoriikan toimintamalleilla on keskeinen asema mieleen painamiseen, muistamiseen ja mieleen palauttamiseen vaikuttavina tekijöinä. Uuden informaation koodaaminen ja vanhan esille ottaminen riippuu skeemojen loogisesta järjestyksestä. Adey (1988, 123) luettelee seuraavat luonnonilmiöiden tutkimisen skeemat: muuttujien kontrollointi, muuttujien eliminointi, verrannollinen päättely, kombinatorinen päättely, monikertaisuuden skeema, säilyvyyden skeema, tasapaino, tilastollisuuteen tai todennäköisyyksiin pohjautuva ajattelu, korrelaatio. (Woolfolk, 1987, 247 - 249)

Ausubel (1968) on käyttänyt kognitiivista struktuuria eli oppilaan tietoihin, käsityksiin, odotuksiin ja muihin informaation prosessointiin liittyviä tekijöitä samassa merkityksessä kuin skeemaa. Kognitiivinen struktuuri voidaan ymmärtää käsitteiden hierarkkiseksi järjestelmäksi jollakin tiedon alueella (Joyce & Weil, 1996). Oppilaan kognitiivinen struktuuri kehittyy, kun oppilas liittää uusia kokemuksia entisiin skeemoihin (Driver, 1983, 52, Lahdes, 1986, 14 - 15).

Kognitiivinen kuormitusteoria koskee tarjolla olevan informaation määrää, muotoa ja järjestystä ja sen lähtökohtana rajallisen kapasiteetin omaava työmuisti (Sweller, 1994). Jos opiskelutilanteessa tarjolla on liian paljon informaatiota, kaikki tarjolla oleva informaatio ei mahdukaan työmuistiin, jolloin informaation työstäminen ei ole mahdollista. Oppimistehtävät ja oppimateriaalit, kuten työohjeet, voivat kuormitta työmuistia eri tavoin. Työohjeessa saattaa olla paljon tekstiä ja monimutkaisia koejärjestelyitä uusilla työvälineillä. Jos tehtävä tiedetään ennakolta kuormittavaksi, on tärkeää valita mielekäs informaation esitysmuotoa, jotta vältyttäisiin oppimisen estämiseltä. Esimerkiksi yksinkertaiset viivapiirrokset eivät rasita niin paljoa työmuistia kuin valokuvat. Mitä paremmin aikaisempi tieto on järjestetty pitkäkestoisessa muistissa, sitä helpompaa informaation käsittely on työmuistissa. Opiskeltaessa mieleen muodostuvilla skeemoilla (tietorakenteilla) työmuistin rajoituksia voidaan kiertää.

Luonnontieteiden opetuksessa ollaan erityisesti kiinnostuneita siitä, miten oppilas saadaan prosessoimaan luonnosta hankkimaansa tietoa siten, että se säilyisi pitkäkestoisessa muistissa ja olisi palautettavissa mieliin tietoa tarvittaessa. Pelkkä kokeiden tekeminen ei riitä, vaan oppilasta on tuettava prosessoimaan tietoa ja autettava oppilasta liittämään uudet käsitteet ja periaatteet oppilaan aikaisempiin tietoihin. Uutta luonnontieteellistä tietoa ei synny opettajan kautta, joka auktoriteettina ilmoittaisi uuden tiedon, vaan uutta tietoa syntyy, kun oppilas on vuorovaikutuksessa luonnon kanssa ja häntä tuetaan tiedon prosessoimisessa.

Muistaminen ei siis ole vain kykyä muistaa informaatiota (hauki on kala!), vaan myös kykyä 1) löytää ja käyttää sitä uusissa tilanteissa, 2) perustella ja argumentoida sekä 3) liittää informaatiota laajempiin yhteyksiin. Tällaista kutsutaan ymmärtäväksi oppimiseksi.

Ajattelun taidot

Ajattelu on oppimisen ydinprosessi, jonka avulla informaatiota jalostetaan tiedoksi. Ajattelu perustuu oppilaan kokemusmaailmaan ja rakentuu operaatioista, mielessä tehtävistä toiminnoista. Ajattelun kehitykseen kuuluu, että mielessä olevat esitykset, representaatiot, kehittyvät alkaen toiminnallisista ja päätyen symbolisiin (Kuusinen 1991, 95 - 96).

Ajattelun taitoja ovat mm. vertailu, yhteenvedon tekeminen, havaitseminen, luokittelu, sisäistäminen, arvostelu, johtopäätösten tekeminen, mielikuvien käyttäminen ja kuvittelu, tiedon kerääminen ja järjestäminen, hypoteesin esittäminen, tosiasioiden ja periaatteiden soveltaminen uudessa tilanteessa, päätöksenteko, muuttujien kontrollointi, yleistäminen, tutkimuksen suunnittelu ja tutkiminen ja virheiden korjaaminen. Se, mitä ajattelulla, älykkyydellä ja ajattelun taidoilla kulloinkin ymmärretään, riippuu paljolti missä yhteydessä näitä tarkastellaan, tai mikä valitaan tarkastelun taustafilosofiaksi tai psykologiseksi suuntaukseksi. Ajattelun taidot voidaan esittää myös hierarkkisesti kognitiivisten tavoitteiden taksonomiana eli Bloomin taksonomiana, jossa ylinnä ovat arviointi, synteesin tekeminen, analysoiminen ja soveltaminen sekä alinna ymmärtäminen, tietäminen ja muistaminen. (Raths, Wassermann, Jonas & Rothstein, 1986, 5 - 24; 85 - 152)

Ajattelun korkeamman tason taidot voidaan luokitella luovan ja kriittisen ajattelun sekä ongelmanratkaisun taidoiksi. Luova ajattelu edellyttää mm. sopivaa ilmapiiriä, myönteisiä ajattelutapoja ja asenteita, erilaisia kykyjä ja taitoja, erilaisten menetelmien tuntemusta ja niiden käytön hallintaa sekä luovan prosessin ja sen vaiheiden tuntemusta. Kriittisen ajattelun oppiminen edellyttää taitoa kuinka ja miten kysyä sekä taitoa tietää, mihin kysymykseen vastata. Lisäksi kriittiseen ajatteluun kuuluu taito kuinka ja miten päätellä sekä taito valita sopiva päättelymenetelmä. Aivan kuten luovaankin ajatteluun kuuluu joukko taitoja ja valmiuksia, kriittiseen ajatteluun kuuluu halu päätellä ja kohdata haasteita sekä totuuden kaipuu. (Fisher, 1990)

Oppimisen tutkimuksessa ollaan kiinnostuneita oppilaan korkean tason ajattelutaitojen kehittymisestä sekä mahdollisuuksista kehittää niitä. Tutkijat eivät kuitenkaan ole yksimielisiä mahdollisuuksista kehittää yleisiä ajattelun taitoja. Yksimielisyttä ei myöskään ole siitä, onko yleisiä ajattelun taitoja olemassa. Vallitsevana on käsitys, jonka mukaan ajattelun taidot ovat sidoksissa voimakkaasti kontekstiin, jolloin esimerkiksi tietyllä tiedon alueella omaksuttu ongelmanratkaisustrategia on vaikea siirtää toiselle tiedon alueelle.

Luonnontieteissä tarvitaan ajattelun taitoja kokeellisesti hankitun tiedon ja kirjallisesti tai vaikkapa tietopankissa olevan tiedon käsittelyyn ja omaksumiseen. Tieto- ja viestintätekniikka tarjoaa lukuisia mahdollisuuksia sekä kokeellisesti että tietopankeista hankitun tiedon käsittelyssä, esittämisessä, arvioimisessa ja tiedon hankkimisen suunnittelussa. Kokeellinen työskentely edellyttää tutkimuksen suunnittelun, tiedon hankkimisen, esittämisen, käsittelyn ja arvioinnin taitoja. Tieto- ja viestintätekniikka on monipuolinen työkalu, jolla luonnosta hankittu tieto saadaan sellaiseen muotoon, että tietoa on helppo tulkita ja arvioida. Samalla, kun rutiinitehtävät vähenevät, aikaa säästyy keskustelulle. Keskustelua tarvitaan mm. ennakkokäsitysten, odotusten ja hypoteesien esittämisessä; tutkittavan ilmiön rajaamisessa, muuttujien eristämisessä, kokeen suunnittelussa sekä tiedon esittämisessä, tulkitsemisessa ja arvioimisessa. Kokeen jälkeen oppilaita voidaan ohjata tekemään tehdyn kokeen ja tulkittujen tulosten pohjalta hypoteeseja esimerkiksi siitä, miten jokin kontrolloitu muuttuja vaikuttaa ilmiöön. Tieto- ja viestintätekniikan käytön lisäämisellä on tällöin välillinen vaikutus oppimiseen.

Metakognitiiviset tiedot ja toiminta

Metakognitiivisilla tiedoilla eli metakognitiolla tarkoitetaan oppilaan tietoisuutta omista strategioistaan, menettelytavoistaan ja ajattelustaan, joita hän käyttää opiskelun, esimerkiksi kokeellisen työskentelyn aikana. Nämä voivat tehdä oppimisesta itseohjautuvan prosessin, jossa oppilas itse suunnittelee, ohjaa ja arvioi omaa oppimistaan ja tiedon esittämistään sekä tulee vähemmän riippuvaiseksi opettajasta. Metakognitiivinen toiminta eli oman kognitiivisen toiminnan tietoinen ohjaaminen on oppimisen edellytys. Metakognitiolla arvioidaan tietoisesti mm. niitä kognitiivisia prosesseja, joita käytetään ongelmanratkaisussa. (Fisher, 1990, 16)

 

Kuvio 6. Metakognitioiden, tiedon ja tiedon esittämisen suhde.

Tutkimukset osoittavat, että metakognitiivista toimintaa voidaan oppia ja se edistävät oppimista. Tämä on yksi kognitiivisesti suuntautuneen oppimisen tutkimuksen keskeisiä tuloksia. Vaikka opettaja ei voi suoraan vaikuttaa oppimiseen, hän voi ohjata oppilasta oppimaan ja arvioimaan oppimista sekä järjestää oppimistilanteen hedelmälliseksi.

Metakognitiivinen toiminta opiskeltaessa kokeellisesti voi edetä esimerkiksi seuraavasti:
– aikaisempien tietojen arviointi ja analysointi, tavoitteiden asettaminen (mitä tiedän, mitä en tiedä, mitä minun tulee oppia?),
– oppimisen suunnittelu ja strategioiden valinta (mistä haen/hankin tietoa, miten etenen kokeellisessa työskentelyssä ja siihen liittyvässä oppimisprosessissa, mitä teen jos joku menee "pieleen"?),
– oppimisprosessin tarkkailu (ymmärsinkö, muistanko, toimiiko suunnitelmani?),
– toiminnan kehittäminen tarvittaessa (miten kehitän ja muunnan kokeellista työskentelyä ja oppimisstrategioitani?),
– tuloksen ja opiskeluprosessin arviointi (saavutinko tavoitteeni, miten työskentelin ja opiskelin, miten työskentelen ja opiskelen seuraavalla kerralla tehokkaammin?)

Oppilastöiden tekeminen lisää oppilaan vastuuta oppimisesta ja kehittää oppilasta itse suunnittelemaan, ohjaamaan, ja arvioimaan omaa oppimistaan. Oppilastyöt voivat kehittää siten voimakkaasti oppilaan metakognitioita (Enkenberg, 1990, 30; Adey, 1992, 140).

Oppiminen

Oppimisella tarkoitetaan kokemuksen aiheuttamaa, suhteellisen pysyvää käyttäytymisen muutosta tai käyttäytymisen potentiaalien – ajattelun, tietojen, taitojen, tuntemisen tai toiminnan – muutosta, joka ilmenee joko oppimishetkellä tai myöhemmin käyttäytymisen muutoksena (esim. Kuusinen 1991, 23; Rauste - von Wright & von Wright 1994, 19). Oppiminen on siten olennaisesti yleisempää kuin pelkkä uuden tiedon haltuunotto. Oppimiselle koulussa on luonteenomaista, että oppijat eli oppilaat ovat oppiessaan vuorovaikutuksessa ja jakavat näin uuden tiedon keskenään. Oppiminen liittyy yksilöön, mutta yhteisö jakaa tiedon keskenään.

Käsitteitä opitaan ymmärtämään eriasteisesti 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 (Fisher, 1990)

Oppiminen on jatkuvaa ja kestää koko elämän ajan. Ennen varsinaista kouluikää lapsi oppii tietoja ja taitoja kokemustensa kautta. Lapsi tekee havaintoja ja pyrkii selittämään ja ymmärtämään asioita, joita hänen ympärillään tapahtuu. Kun lapsi kasvaa, kaikki hänen kokemuksensa mm. nostamisesta, heittämisestä, työntämisestä, tuntemisesta ja näkemisestä kehittyvät lapsen fysiikan tiedonalan tietorakenteeksi, johon hän liittää uusia käsitteitä oppitunneilla. Vastaavia kokemuksia lapsella on myös muilta luonnontieteiden alueilta Oppilaiden työskentelytottumukset, käsitykset oppimisesta, tiedosta, käsitteistä ja monien ilmiöiden selityksistä ovat jo muotoutuneet ennen kouluikää. Jos opetuksessa ei oteta huomioon oppilaiden aikaisempia kokemuksia ja käsityksiä, oppiminen on vähäistä. Kouluiässä tulee esiin opiskelu oppimiseen tähtäävänä tavoitteisena toimintana. Eräänä koulun keskeisenä päämääränä on oppilaiden valmentaminen omaehtoiseen opiskeluun.

Oppimisesta ei ole olemassa yhtä yhtenäistä tai kaikkien hyväksymää teoriaa. Teorioissa on yhtenevyyksiä, mutta eri teorioissa näkökulma tai lähestymistapa poikkeavat toisistaan. Esimerkiksi Bruner tarkastelee oppimista induktiivisesti etenevänä "keksivänä oppimisena", kun taas Ausubel vastaanottavana oppimisena (Woolfolk, 1987, 274 - 277).

Oppimisen tutkimiseen ovat vaikuttaneet suuresti mm. sveitsiläisen Jean Piaget'n tutkimukset lasten kehittymisestä ja yhdysvaltalaisen David Ausubelin tutkimukset mielekkäästä oppimisesta. Ongelmana tutkimustulosten soveltamisessa kouluopetukseen on tutkimusten keskittyminen yksilön oppimiseen, vaikka koulussa opitaan ryhmissä ja oppiminen on sosiaalinen tapahtuma. Piaget'n geneettinen epistemologia käsittelee sekä tiedon rakennetta että tiedon rakentumista aivoihin vaihe vaiheelta syntyvinä yhä täydellisempinä tietostruktuureina. Vaikka Piaget ei varsinaisesti tarkastellut opetusta ja oppimista, Piaget'n teoriaa silti sovelletaan opetukseen, sillä oppimisessa tietostruktuurien syntyminen on keskeistä. Piaget'n teorian pohjalta tarkasteltuna oppiminen on aktiivinen prosessi, jossa oppilas rakentaa omaa tietorakennettaan vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa. Oppimiseen vaikuttaa lisäksi oppilaan aikaisemmat tiedot ja sitä edesauttaa oppilaiden keskinäinen vuorovaikutus. Käytännössä oppilaat eivät kuitenkaan kykene itsenäisesti induktiivisesti päättelemällä päätymään invarianssiin, vaan oppimistilanteessa tarvitaan opettajan ohjailua.

Ausubel kuvaa oppimista 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 (meaningful) oppimisen teoriassa painottuu mielekäs vastaanottava oppiminen, joka on edellytys kaikelle keksivälle oppimiselle (Novak, 1986). 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. Novak (1986, 45) näkee yhtymäkohtia mielekkään oppimisen teorian ja Kuhnin käsityksen kanssa tieteiden edistymisestä. Tällöin oppilaan tietorakennetta verrataan tieteen paradigmoihin. Mielekkään oppimisen teoria korostaa myös oppiaineen loogista struktuuria ja opettajan merkitystä tämän struktuurin välittäjänä (Joyce & Weil, 1996).

Kognitiivisesti suuntautuneen oppimisen tarkastelun taustalla on kognitiotiede, jonka kohteena on mieli ja tajunta. Kognitiotieteen luojina pidetään Vygotskya, Piaget’ia ja Chomskya, jotka yhdistelemällä mm. aivotutkimuksen, psykologian, sosiologian, kasvatustieteen, kielitieteen ja tekoälytutkimuksen tuloksia päätyivät oppimisen periaatteisiin. Kognitiivisen oppimiskäsityksen mukaan oppilaalle ei voida antaa tai jakaa tietoja valmiina, vaan oppiminen edellyttää oppilaan omaa aktiivista, tavoitteellista ja palautetta hakevaa toimintaa hänen oppiessaan uutta. Oppiminen ymmärretään tällöin itseohjautuvaksi prosessiksi, jossa oppilas suunnittelee, arvioi ja kehittää omia oppimisstrategioitaan. Oppiminen on kokonaisuus, jossa mm. opittava sisältö, opetuksen työtapa, oppilaan ominaispiirteet, oppilaan tarpeet, kokemukset, tavoitteet, asenteet ja motivaatio ovat keskenään vuorovaikutuksessa ja vaikuttavat kaikki oppimiseen. Oppilaan itsenäisyys ja oma aktiivinen toiminta ei tosin ole mikään uusi vaatimus, sillä esimerkiksi Dewey (1916, 51) on esittänyt, että tehokas itsenäinen oppiminen on yksi oppimisen keskeisistä tavoitteista. Kognitiivisen oppimisnäkemyksen taustalla oleva kognitiivinen psykologia ei syntynyt yhtenäisenä teoriana eikä myöskään ole kehittynyt yhtenäiseksi. Sen syntyyn ovat vaikuttaneet mm. oppimispsykologian, tekoälyn, psykolingvistiikan ja kehityspsykologian tutkimukset. Vaikutteita se on saanut myös ns. kulttuurihistorialliselta koulukunnalta. Tärkeää on liittää oppiminen koulussa tapahtuvaan opetuksen ja opiskelun kontekstiin.

Kognitiivisesti suuntautuneet oppimisen teoriat tarkastelevat lähinnä oppilaan tiedollisen alueen kehittymistä, mutta fysiikan oppimiseen kuuluu myös mm. käden taitojen, tunteiden ja elämysten monipuolinen kehittyminen. Sen tähden on tärkeää, että oppimista tarkastellaan ja sitä kuvataan myös ekologisten, humanististen ja psykodynaamisten teorioiden pohjalta (Saarinen et al., 1991, 57 - 59).

Oppimista voidaan tarkastella myös ekspertiyden kehittymisenä. Ekspertti/asiantuntija eroaa noviiseista seuraavasti (Bransford, Brown. & Cocking, 2000)

         Ekspertit löytävät informaatiosta merkitykselliset piirteet - noviisit eivät niitä huomaa

         Eksperteillä on hyvin järjestynyt tiedonalan käsitteiden tietorakenne/ skeemat, joka mahdollistaa syvällisen reflektion uutta informaatiota kohdattaessa

         Mieleen palauttaminen on ekspertille helppoa (effortitonta), eikä vaadi tarkkaavaisuutta

         Ekspertti pystyy soveltamaan (tai yhdistelemään) mielessään olevaa tietoa uusissa tilanteissa eli ratkaisemaan ongelmia

         Ekspertit ovat joustavia, siinä miten he suhtautuvat uusiin alaansa koskeviin tilanteisiin

         Ekspertit eivät kuitenkaan osaa välttämättä opettaa, vaikka tuntevatkin alansa hyvin

Oppimisesta ja siirtovaikutuksesta tehty tutkimus on osittanut, että opittua voidaan käyttää uudessa tilanteessa (Bransford, Brown. & Cocking, 2000), kun opiskelussa on noudatettu tiettyjä periaatteita. (i) Opiskeltaessa käsitteiden merkitys hahmottunut oppilaalle monipuolisesti. Käytännössä oppilas kohtaa esimerkiksi oppilastöiden yhteydessä käsitteen alaan kuuluvia esimerkkejä ja tunnistaa esimerkkeinä olleisiin kappaleisisin ja ilmiöihin liittyviä ominaisuuksia. Esimerkiksi nopeuden käsitettä opiskeltaessa esillä on erilaisia ja eri tavoin liikkuvia kappaleita (hidas liike – nopea liike). (ii) Opiskeltaessa uusi käsite kohdataan erilaisissa kontekstiessa. Esimerkiksi palamisen käsitteen ymmärtämien edellyttää, että oppilastöissä tai demonstraatioissa poltetaan erilaisia aineita, kuten vetyä, rikkiä, rautaa, puutta ja steariinia, jotta käsitys palamisreaktioon osallistuvien aineiden luonteesta ja reaktiossa syntyvien aineiden luonteesta syntyisi. Luonnontieteiden oppiminen on voimakkaasti sidoksissa kokeellisuuteen, jolla tarkoitetaan sekä oppilaan uutta luovaa toimintaa yleensä että erityisesti luonnontieteille tyypillistä kokeellista lähestymistapaa. (iii) Opiskelu on konstruktiivista eli oppilaita autetaan tuomaan esille aikaisempia käsityksiään ja uskomuksiaan sekä rakentamaan uutta tietoa aikaisempien käsitysten varaan (ennakkokäsitykset voivat olla tieteen käsitysten mukaisia tai virheellisiä): Esimerkiksi ennen palamisen käsittelyä oppilailta voidaan kysyä: ”palaako rautakanki?”, ”mitä jää jäljelle, kun puu palaa nuotiossa?” Nämä kysysmykset auttavat oppilasta ottamaan esille aikaisempia kokemuksia. (iv) Opiskelu on aktiivista, eli opiskelija itse suunnittelee (asettaa tavoitteita), opiskelee sitoutuneesti ja arvioi omaa oppimistaan ja opiskeluaan. Tässä opettaja ja muut oppilaat luonnollisesti tukevat yhteissuunnittelussa kutakin oppilasta, mutta tavoitteenasettelu itsenäistyy vähitellen. Toisaalta oppilas ei tunne oppiaineen loogista rakennetta eikä tunnista omia vääriä ennakkokäsityksiään, joten oppilaan tavoitteenasettelua tulee tästä näkökulmasta koko ajan tukea ja ohjata. Opetuksessa tarvitaan siis suunnittelua ja arviointia tukevia menetelmiä. (v) Oppilas omaksuu tarkasteltavan tiedonalan keskeiset käsitteet ja niiden väliset suhteet kyseisellä tiedon alueella. Lisäksi oppilasta autetaan huomaamaan, miten uusi käsite liittyy muihin, jo tunnettuihin käsitteisiin (käsitteiden verkko). Tällöin uuden tiedon liittäminen aikaisempaan ja olemassa olevien tietojen haku on helppoa. (vi) Opiskelu kehittää metakognitiivisia taitoja eli sisäisen puhe (dialogin) taitoja. Näitä taitoja tarvitaan oman työn suunnitteluun ja arviointiin. Nämä taidot tekevät opiskelusta itseohjautuvan prosessin, jossa oppilas tulee vähemmän riippuvaiseksi opettajasta. (vii) Oppimista ja opiskelua arvioidaan jatkuvasti eri menetelmin (myös itsearviointi). Tavoitteena on, että oppilas vähitellen oppii itse arvioimaan omaa oppimistaan ja muuttamaan ja tarkentamaan asettamiaan tavoitteita sekä opiskeluprosessia. Opetukseen kuuluu, että oppilas, oppilastoverit ja opettaja arvioivat oppimista ja oppimisprosessia. Vaikka Bransford ym. eivät mainitse listassaan oppilaiden keskinäisen vuorovaikutuksen merkitystä oppimiselle, on se ollut tapana ottaa mukaan em listaan. (viii) Kun oppilas opiskelee, hän liittää uusia käsitteitä kieleen sosiaalisessa vuorovaikutuksessa. Uusien käsitteiden, periaatteiden ja taitojen oppiminen edellyttää opettajan ja oppilaiden välistä, mutta lisäksi oppilaiden keskinäistä vuorovaikutusta (selittämistä, väittelyä, kyselyä ym.).

Oppilaan kognitiivinen kehitystaso

Kognitiiviseksi kehitykseksi katsotaan kaikki ne prosessit, joiden välityksellä yksilö eri ikävaiheissaan ja eri yhteyksissä tiedostaa maailmaa ja käsittelee sen kohteita. Kehitys tulkitaan tällöin ajattelutoimintojen ja niihin kytkeytyvien havaitsemisen, motoristen ja muistamisen toimintojen muutoksiksi. Kognitiivinen kehittyminen kytkeytyy voimakkaasti myös kielen kehittymiseen (Kuusinen 1991, 95 - 96). Piaget (1988, 98 - 109) on tarkastellut kognitiivista kehitystä ajattelurakenteiden muutosten pohjalta ja esittänyt, että ajattelu kehittyy vaiheittain. Vaiheita kutsutaan tilanteesta riippuen myös kehitystasoiksi tai -kausiksi. Eri vaiheissa ajattelun luonne ja rakenne ovat erilaisia.

Luonnontieteitä opiskeleva oppilas on joko konkreettisten operaatioiden kaudella (n. 7-11 v) tai formaalisten operaatioiden kaudella (n. 11v -) tulkittuna Piagetin kognitiivista kehitystä tarkastelevan teorian pohjalta. Kausien yhteydessä käytettävä termi "operaatio" tarkoittaa tiedostettuja henkisiä toimintoja. Konkreettiset operaatiot ovat yhteydessä konkreettisiin tapahtumiin ja kohteisiin. Formaalisten operaatioiden kaudelle tullessaan oppilas hahmottaa kausaalisia riippuvuussuhteita ja kykenee päättelemään ja käsittämään asioita pelkän ajattelukyvyn perusteella sekä tekemään abstrakteja päätelmiä. Oppilas pystyy myös tietoisesti arvioimaan omien päättelyketjujensa sitovuutta. Fysiikan oppimisen yhtenä edellytyksenä on oppilaan kehitystaso, joka vaikuttaa oppilaan edellytyksiin havaita ja erotella, ajatella ja yhdistää asioita toisiinsa. Fysiikan käsitteistä suureiden oppiminen kvantitatiivisella tasolla edellyttää aina formaaleja operaatioita. Myös käsitteiden kvalitatiivinen käyttö edellyttää abstrahointia. Sen tähden opetuksen ja oppimateriaalin tulisi olla oppilaan kehitystason mukaista. On kuitenkin ilmeistä, että kognitiivisen kehityksen vaiheiden järjestys on oppilailla sama, mutta ikärajat ovat vain ohjeellisia. On myös esitetty, että oppilaan kehitystaso ei riipu niinkään iästä, vaan erilaisissa tilanteissa saaduista kokemuksista. Siirtyminen eri kehitysvaiheelta toiselle ei mahdollisesti tapahdu kokonaisvaltaisesti, vaan eri kontekstien kohdalla eri aikoina. (Meisalo & Erätuuli, 1985, 47; Seinelä, 1987, 17 - 19; Adey, 1988, 121)

Oppilaan kognitiivinen taso samaistetaan usein lahjakkuuteen, joka puolestaan voidaan määritellä tiedoiksi ja taidoiksi, jotka ovat välttämättömiä opetusjakson tavoitteiden saavuttamiseksi. Kognitiivista tasoa ei sen sijaan voi suoraan samaistaa oppilaan älykkyyteen, sillä Piaget'n teoria ei ota huomioon tiedon merkitystä älyllisessä kehityksessä. Esimerkiksi fysiikan laskutehtävien ratkaisemiseen vaikuttavat oppilaan hallitsemien operaatioiden lisäksi heidän aikaisemmat tietonsa ja kokemuksensa. Älykkyys määritellään usein ominaisuudeksi, jota älykkyystestit mittaavat, koska sen määrittely muuten on koettu hankalaksi. 

Kognitiivisen kehityksen vaiheiden järjestys on sama, mutta ikärajat ovat vain ohjeellisia. Esimerkiksi Osborne ja Freyberg (1989, 84 - 86) ovat esittäneet tutkimustensa perusteella, että oppilaiden kehitystaso ei riipu niinkään iästä, vaan erilaisissa tilanteissa saaduista kokemuksista. Siirtyminen eri kehitysvaiheelta toiselle ei mahdollisesti tapahdu kokonaisvaltaisesti, vaan eri kontekstien kohdalla eri aikoina. On kuitenkin huomattava, 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.

Piaget’n teorian pohjalta tarkasteltuna mittaaminen ja suureiden määrittely perustuu säilymisen skeemaan eli ns. invarianssin esittämiseen. Säilyminen tarkoittaa sitä, että havaittavan olion tai ilmiön tietyt ominaisuudet säilyvät tilanteen muuttuessa. Oikeastaan kaikki havaitseminen ja käsitteiden muodostaminen perustuu pohjimmiltaan invariansseihin. Esimerkiksi kynä havaitaan pöydällä, koska se on paikallaan - kynä säilyy. Fysiikan ja kemian oppimista vaikeuttaa se, että läheskään kaikki invarianssit eivät ole konkreettisia eikä oppilas voi niitä siten suoraan havaita. Toinen tärkeä skeema mittaamisessa ja suureiden määrittelyssä on siirtämis-skeema. Kun halutaan selvittää esimerkiksi ovatko kaksi eri paikassa olevaa kappaletta yhtä korkeita, kummankin esineen korkeutta verrataan siirrettävän mitan korkeuteen.

Ensimmäisiä säilyviä asioita lapsella ovat kappaleet, niiden haju, väri ja maku. Lapsi oppii, miltä maito maistuu. 6 - 7 vuotiaana, seuraavaksi ymmärretään pituus ja pinta-ala säilyviksi käsitteiksi. Seuraavana tulevat aineen määrän ja massan säilyminen. Tilavuuden säilyminen ymmärretään 10 - 12 vuoden iässä (Ahtee, Kankaanrinta & Virtanen, 1994). Toisaalta vielä yläasteella oppilaat saattavat uskoa, että muovailuvahakappaleen massa riippuu siitä onko se levynä tai tankona. Jopa lukiolaisten on vaikeaa ymmärtää, että tasaisesti kiihtyvässä liikkeessä kappaleen kiihtyvyys ei muutu, vaikka kappaleen nopeus muuttuisi: kiihtyvyys on vakio eli invarianssi tasaisesti kiihtyvässä liikkeessä. Erityisesti fysiikan opetuksessa olisi aina sanottava, minkä suhteen joku suure on vakio. Ei riitä, että sanotaan, että vakiolämpötilassa johtimen resistanssi on vakio. Oikeastaan pitäisi sanoa, että resistanssi ei riipu sähkövirran suuruudesta. Vastaavasti kiihtyvyyden yhteydessä voisi korostaa, että tasaisesti kiihtyvässä liikkeessä kappaleen kiihtyvyys ei riipu ajasta tai kappaleen nopeudesta.

Oppilaan kognitiivinen taso samaistetaan usein lahjakkuuteen, joka puolestaan voidaan määritellä tiedoiksi ja taidoiksi, jotka ovat välttämättömiä opetusjakson tavoitteiden saavuttamiseksi. Kognitiivista tasoa ei sen sijaan voi suoraan samaistaa oppilaan älykkyyteen, sillä Piaget'n teoria ei ota huomioon tiedon merkitystä älyllisessä kehityksessä. Esimerkiksi fysiikan laskutehtävien ratkaisemiseen vaikuttavat oppilaan hallitsemien operaatioiden lisäksi heidän aikaisemmat tietonsa ja kokemuksensa (Kuusinen 1991, 99). Älykkyys määritellään usein ominaisuudeksi, jota älykkyystestit mittaavat, koska sen määrittely muuten on koettu hankalaksi (Woolfolk 1987, 135 - 136). 

Luonnontieteiden oppimisen yhtenä edellytyksenä on oppilaan kehitystaso, joka vaikuttaa oppilaan edellytyksiin havaita ja erotella, ajatella ja yhdistää asioita toisiinsa. Luonnontieteellisten käsitteistä suureiden oppiminen kvantitatiivisella tasolla edellyttää aina formaaleja operaatioita. Myös käsitteiden kvalitatiivinen käyttö edellyttää abstrahointia. Sen tähden opetuksen ja oppimateriaalin tulisi olla oppilaan kehitystason mukaista. On kuitenkin huomattava, 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.

Kognitiivinen ristiriita

Opettamista ja oppimista voidaan tarkastella opettajan ja oppilaan toimintana. Jotta toiminnat kohtaisivat ja oppilaat oppisivat, opettaja organisoi ja luo tietoisesti tilanteita, jotka synnyttävät oppilaissa motivaation oppia. Oppilaan kannalta tällainen tilanne voi syntyä esimerkiksi silloin, kun hän ei pysty ymmärtämään havaitsemaansa ilmiötä tai prosessoimaan ja käsittelemään uutta tietoa aikaisempien tietojensa avulla. Tällöin oppilas kohtaa kognitiivisen ristiriidan. Kognitiivisen psykologian lähtökohta on Jean Piaget’n esittämä ajatus, että tiedon rakenteen muuttaminen ja edelleen kehittäminen edellyttävät kognitiivisen ristiriidan olemassaoloa.

Myös kokeellisessa työskentelyssä pyritään siihen, että olosuhteet oppimiselle olisivat otolliset. Sen tähden oppitunnilla keskustellaan ja tehdään yksinkertaisia kokeita ennen varsinaisia demonstraatioita tai oppilastöitä. Tätä keskustelua voidaan tarkastella yhtä hyvin kognitiivisen oppimisnäkemyksen ja kognitiivisen ristiriidan kuin edellisessä luvussa esitetyn hahmottavan lähestymistavan näkökulmasta. Molempien tarkastelun näkökulmien kannalta on olennaista, että oppilaalle syntyisi mielikuvia ja perushahmoja tarkasteltavasta ilmiöstä tai oliosta, joita sitten voidaan testata ja koetella varsinaisissa kokeissa. Kognitiivisen ristiriidan käyttö opetuksessa johtaa didaktiseen periaatteeseen, jonka mukaan luonnontieteiden oppitunnilla oppilaat pitää saada keskustelemaan ennen varsinaisia kokeita ja esittämään omia odotuksiaan ja ajatuksiaan sekä hypoteesejaan ja näin luomaan perushahmoja tarkasteltavasta ilmiöstä tai oliosta. On kuitenkin huomattava, että oppilaan ja opettajan havaitsemat ristiriidat voivat olla erilaisia, jolloin opettajan on tunnistettava tämä ero ja tulkittava oikein sen syyt.

Kun oppilas työskentelee kokeellisesti, hän voi kohdata kognitiivisen ristiriidan joko sisällöissä, tutkimusmenetelmässä tai tiedon käsittelyssä. Kun oppitunnin tavoitteena on kokeellisen tiedonhankintamenetelmän ja luonnontieteellisen ajattelun sekä tiedon käsittelytaitojen oppiminen, oppilas valitsee välineet ja menetelmät, suunnittelee koejärjestelyn ja tulkitsee tulokset. Ongelmana voi olla esimerkiksi selvittää minkälaisessa astiassa kuuma juoma pysyy parhaiten kuumana tai minkälainen paperi on kestävintä märkänä. Kun oppitunnin tavoitteena on monipuolistaa oppilaan luonnontieteellistä yleissivistystä, ristiriita syntyy sisältöjen kautta.

Tiedon käsittelyn ongelmia voivat olla esimerkiksi muuttujien tunnistaminen ja itse käsitteiden muuttuja ja riippuvuus muuttujien välillä ymmärtäminen. Näiden peruskäsitteiden ymmärtäminen on edellytyksenä eri riippuvuuden lajien, verrannollisuuden, lineaarisen riippuvuuden, kääntäen verrannollisuuden, tasapainon ja korrelaation, ymmärtämiselle. Oppilasta autetaan näkemään muuttujien välisiä riippuvuuksia esimerkiksi suoran sovituksen, akseleiden skaalauksen tai graafisen integroinnin ja derivoinnin avulla.

5. Oppilaan motivaatio ja kiinnostus

Oppiminen ja suoritus ei perustu vain kognitiivisiin tekijöihin, vaan oppilaan motivaatio, kiinnostus tai intressi ja käsitys omasta pätevyydestä ja selviytymisen mahdollisuuksista vaikuttavat siihen, mitä ja miten opitaan. (Krapp, 2002).

Fordin (1992) mukaan motivaatio on sellaisten psykologisten funktioiden jäsentynyt kokonaisuus, jotka ohjaavat ja säätelevät päämääräsuuntautunutta (intentionaalista) toimintaa. Psykologisiin funktioihin sisältyvät henkilökohtaiset tavoitteet, emotionaaliset virittymisprosessit ja omat persoonalliset kapasiteetti- ja seuraamususkomukset. Henkilökohtaiset tavoitteet kuvaavat tavoiteltavia seuraamuksia ja ohjaavat toimintaa ja voivat olla affektiivisia, kognitiivisia, omaa arvoa kohottavia, sosiaalisia tai integroitumiseen tähtääviä. Emotionaalisia virittymisprosesseja ovat mm. mielihyvä, ilo, prosessista nauttiminen, tyytyväisyys, ylpeys; ahdistus, uhka, pelko ja häpeä. Persoonalliset kapasiteetti ja seuraamususkomukset ovat mm. onnistumista tai epäonnistumista koskevia odotuksia, menneiden tapahtumien syyn nimeäminen, usko asioiden hallittavuuteen ja kontrolloitavuuteen sekä usko omaan pystyvyyteen (self efficacy).

Oppilas on motivoitunut Decin ja Ryanin (1994) mukaan, kun hänellä on jokin intentio eli hänen toiminnallaan on jokin tavoite tai päämäärä. Intentioon sisältyy sekä toive päästä johonkin päämäärän että keinot saavuttaa se. Sisäisesti motivoitunut (self-determined motivation) oppilas opiskelee siitä riemusta ja tyydytyksestä, jonka opiskelu itsessään tuottaa, ilman, että hän odottaa palkkiota tai että hän kokisi jonkin pakotteen uhkaavan itseään (Deci & Ryan, 1985). Deci (1992) kuvaa sisäistä motivaatiota kiinnostuksen, mielenkiihtymyksen ja nautinnon tunteiden avulla. Kun yksilö on sisäisesti motivoitunut jonkin asian opiskelusta, hän on myös äärimmäisen kiinnostunut asiasta. Vaikka yksilö itse viimekädessä tuottaa oman motivaationsa, motivoituminen voi olla Decin ja Ryanin (1994) mukaan myös kontrolloitua (ulkoinen motivaatio). Kontrolloidulla opiskelulla Deci ja Ryan (1994) tarkoittavat opiskelua, joka on jollain tavoin ulkoisesti säädeltyä. Opettaja voi esimerkiksi valita työskentelytavan tai kontekstin, jossa uusia käsitteitä opiskellaan, niin, että ne herättävät oppilaan kiinnostuksen. Tähän käsitykseen perustuu myös Decin ja Ryanin (1994) esittämä malli, jonka mukaan sisäisen ja ulkoisen motivaation dikotomian sijaan nämä muodostavat jatkumon. Tässä jatkumossa ulkoinen motivaatio lähestyy sitä enemmän sisäistä motivaatiota, mitä enemmän oppilas saadaan uteliaaksi tai kokemaan itsensä autonomiskesi.

Krapp, Hidi ja Renninger (1992, 5) määrittelevät kiinnostuksen ilmiöksi joka voi syntyä yksilön vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa. Kiinnostus vaikuttaa positiivisesti opiskeluun ja oppimiseen ja se voi olla lyhytkestoista tai kestävää (pysyvää). Käsitteillä ”kiinnostus” ja ”sisäinen motivaatio” on läheinen yhteys ja niitä on vaikeaa erottaa toisistaan. Decin ja Ryanin (1985, 245) mukaan sisäinen motivaatio syntyy kun oppilaiden luonnollinen uteliaisuus ja kiinnostus johtavat sellaiseen opiskeluun, jossa oppilaat tuntevat itsensä autonomisiksi. Ulkoisesti motivoituminen on luonteeltaan välineellistä ja se syntyy ulkoisen palkkion, arvosanan, opettajan miellyttämisen tai ulkopuolelta tulevan vaatimuksen seurauksena. Motivaation jakaminen ulkoiseen ja sisäiseen ei ole dikotomia, vaan esimerkiksi Deci ja Ryan (1985)ovat jakaneet ulkoisen motivaation neljään ryhmään. Sellaista ulkoisesti motivoitunutta käyttäytymistä, joka on kaikkein vähiten autonomista, kutsutaan ulkoisesti säädellyksi (externally regulated) käyttäytymiseksi. Toista ulkoisen motivaation tyyppiä Deci ja Ryan (1985) kutsuvat sisäistetyksi säätelyksi (introjected regulation). Tällä Deci ja Ryan tarkoittavat sellaista säätelyä, jossa säätely ikään kuin osittain otetaan osaksi minuutta. Kolmatta ulkoisen motivaation tyyppiä Deci ja Ryan pitävät suhteellisen autonomisena tai itsemääriteltynä. Sisäistämisen (internalization) ja integroinnin kautta myös ulkoisesta motivaatiosta saattaa siis tulla sisäistä, autonomista.

Fysiikan ja kemian didaktiikassa on tyypillisesti etsitty vastauksia siihen, mikä voisi motivoida nuoret opiskelemaan fysiikkaa ja kemiaa (tai herättää heidän kiinnostuksensa opiskella) kartoittamalla oppilaiden kiinnostusta (i) luonnontieteitä ja teknologiaa tai fysiikassa ja kemiassa opiskeltavia aiheita kohtaan, (ii) niitä konteksteja kohtaan, joissa fysiikan ja kemian käsitteitä kohdataan (esim. teknologinen tai ympäristö konteksti) ja (iii) työskentelytapoja tai opetusmenetelmiä kohtaan (Hoffman, 2002; Osborne, 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).

Kaikki opetussuunnitelmassa opiskeltavaksi nimetyt asiat eivät herätä kaikkien oppilaiden kiinnostusta tai motivaatiota opiskella kyseisiä asioita. Esimerkiksi Woolnough (1994) ja Osborne (2003) ovatkin esittäneet, että oppilaan kiinnostus, sisäinen motivoituminen, voidaan synnyttää valitsemalla sellainen työtapa, joka motivoi oppilaan opiskelemaan. Reeve (2002, 186-187) perustelee, että opettaja voi motivoida oppilaita tukemalla positiivisen ilmapiirin syntymistä luokassa tai herättämällä oppilaan uteliaisuuden tai saamalla oppilaan tuntemaan itsensä autonomiseksi. Autonomian tunnetta synnyttämään pyrkivä opettaja (Autonomy-supporting teacher) sallii oppilaiden välillä opiskella tiukan kontrollin alaisena ja välillä ohjaa oppilaita työskentelemään ilman, että heille annetaan selkeitä tehtäviä tai sanotaan, minkälaisia vastauksia heiltä odotetaan. Autonomian tunneta lisää myös se, että oppilaalla mahdollisuus päättää, mitä hän opiskelee (opiskelu pienessä ryhmässä, keskustelu, luonnontieteellinen tutkimus, itsenäinen työskentely) Työtavat, jotka aktivoivat opiskelijoita motivoivat myös heitä (Stokking, 2000). Yhteissuunnittelu ja suhtautuminen oppilaiden ehdotuksiin positiivisesti lisää oppilaiden kiinnostusta opiskella (Osborne, 2003). Oppilaan uteliaisuus voidaan saada heräämään, kun käytetään epämuodollista opiskelu-ympäristöä, joka tarjoaa optimaalisia haasteita ja paljon virikkeitä, kysely-työtapaa, oppimissykliä tai luonnontieteellistä tutkimusta.

Myös opettajan käyttäytyminen vaikuttaa oppilaan motivoitumiseen. Seuraavien työskentelytapojen on raportoitu lisäävän oppilaan kiinnostusta: oppilaiden kuuntelu - myös välitunnilla, opettaja antaa oppilaille aikaa pohtia itsekseen ja ryhmässä, opettaja ei vastaa suoraan oppilaiden kysymyksiin, opettaja välttää sanoja: ”täyttyy”, ”pakko”, opettaja ei esitä kritiikkiä, vaan on rakentava ja empaattinen.

Toisaalta on hyödyllistä tietää, millainen opetus tai opettajan käyttäytyminen ei motivoi oppilaita opiskelemaan. Simonin (2000, 114-116) tekemän yhteenvedon perusteella seuraavat fysiikan ja kemian opetuksen piirteet eivät motivoi oppilaita: oppitunnilla korostetaan laskujen laskemista (laskutekniikkaa) ilman, että oppilaille on selvää, mitä lasketaan; opettaja esittää ”kuinka paljon” kysymyksiä ”kuinka” ja ”miksi” kysymysten asemasta; luokassa ei keskustella, ilmapiiri on kilpailuun – ei yhteistyöhön kannustava.

Sisältöjen, kontekstin ja työvana valinnan lisäksi monet muut seikat vaikuttavat myös oppilaiden kiinnostukseen. Esimerkiksi oppilaan sukupuoli, persoonallisuus, arvot ja uskomukset oppiaineesta sekä oppilaiden vanhempien ja kavereiden asenteet ja uskomukset oppiaineesta vaikuttavat siihen, miten oppilas kiinnostuu oppiaineen opiskelusta (Woolnough, 1994). Fysiikkaa ja kemiaa pidetään yleisesti vaikeina oppiaineina, työmäärää suurena ja opetusta (laatu) heikkona (Crawley & Black, 1992).

Pojat ovat tyttöjä kiinnostuneempia fysiikasta kuin tytöt. Kemiaa kohtaan sukupuolten välillä ei ole niin suurta eroa (Weinburgh, 1995). Sukupuolten erot eivät kuitenkaan näy koulumenestyksessä. Labudde (2000) väittää, että erityisesti tyttöjen kiinnostukseen voidaan vaikuttaa lisäämällä oppilaiden välistä yhteistyötä ja keskustelua fysiikan oppitunnilla. Toisaalta Hoffmann (2002) tekemän laajan kirjallisuusanalyysin perusteella se, mikä saa yleisesti tytöt kiinnostumaan luonnontieteistä saa myös pojat kiinnostumaan – mutta ei päinvastoin.

Kiinnostukseen fysiikkaa ja kemiaa kohtaan vaikuttaa myös näiden oppiaineiden merkitys koulun jälkeisen elämän kannalta. Stokkingin (2000) mukaan tärkein syy fysiikan valinnalle perusasteen jälkeisissä opinnoissa on sen merkitys jatko-opinnoille.

6. Opetus

Oppimisen tarkastelu on opetuksen tarkastelun välttämätön, mutta ei riittävä ehto, sillä opetuksen tarkasteluun kuuluu myös mm. opetuksen tavoitteiden, opetusjärjestelyiden ja arvioinnin tarkastelu. Opetukselle on ominaista inhimillinen vuorovaikutus ja opetukselle asetettujen tavoitteiden mukaisen oppimisen aikaansaaminen. Opetustapahtumassa tieto ei siirry opettajalta oppilaalle, vaan oppilas konstruoi tiedon itse vuorovaikutuksessa muiden oppilaiden kanssa tulkitsemalla ja jäsentämällä aiempien tietojensa pohjalta. Prosessille on luonteenomaista toiminta, jota ohjaavat mm. intentiot, motiivit ja tilanne, jossa opitaan. Prosessille on myös luonteenomaista se, että tietojen ja taitojen rinnalla opitaan opiskelun ja oppimaan oppimisen taitoja.

Opetukseen kuuluu kasvatustavoitteiden suuntainen suunnittelu sekä vuorovaikutus opetus - oppimistilanteessa ja opiskelun olosuhteiden säätely siten, että saadaan aikaan tietoista ja mielekästä oppimista. Varsinainen opettaminen ja sille edellytyksiä luova koulun muu toiminta, koulunpito, liittyvät kiinteästi opiskeluun. Opetuksen määritelmän liian suoraviivainen tulkinta johtaa helposti behavioristiselle oppimisnäkemykselle tyypilliseen ajatteluun, jonka mukaan ennakolta määriteltyjen tavoitteiden saavuttamiseksi on kehitettävä mahdollisimman hyvät oppimateriaalit ja käytettävä "ainoita oikeita" opetuksen työtapoja tai opetusmenetelmiä.

Tavoitteiden asettaminen auttaa opettajaa ja opiskelijaa suuntautumaan opetukseen ja opiskeluun. Sen tähden tavoitteen tulee olla linjassa arvoperustan, koulutuspoliittisten linjausten, (jne) kanssa ja tukea toinen toisiaan. Tavoitteiden avulla opettaja voi valita olennaisen sisällön, valita tarkoituksenmukaiset opetuksen työtavat, arvioida opetusta ja oppimista (tavoitteiden saavuttamista) ja liittää kursseja toisiinsa. Tavoitteet riippuvat tavoitteiden asettajan lähestymistavasta kokonaisuuteen (koko yleissivistävä koulu, kouluaste, oppaine, vuosiluokka ja yksittäinen kurssi). Tavoitteita voidaan asettaa esimerkiksi sisältölähtöisesti, osaamislähtöisesti tai toimintalähtöisesti.

Sisältölähtöisessä tavoitteiden asettamisessa pyritään ottamaan huomioon kokonaisuuteen liittyvien asioiden sisällölliset piirteet ja turvaamaan kaikkien sisältöalueiden sisällyttäminen tavoitteisiin. Esimerkiksi fysiikan tiedonalan tiedot voidaan jakaa mekaniikan, sähkö- ja lämpöopin, aaltoliikeopin sekä modernin fysiikan tiedonaloihin.

Osaamislähtöisessä tavoitteiden asettamisessa pyritään ottamaan huomioon osaamisen erilaiset muodot ja sisällyttämään ne tavoitteisiin. Perinteisesti osaaminen jaetaan osaamisen alueisiin: tiedot, taidot ja asenteet. Bloomin taksonomiassa kognitiivisen alueen taidot jaetaan seuraavaan järjestykseen: muistaminen (pystyy palauttamaan mieleen), ymmärtäminen (mistä on kysymys), soveltaminen (käsitteen käyttö uudessa tilanteessa), analyysi (kokonaisuuden jakaminen osiin ja osien merkitys kokonaisuuden kannalta), synteesi (kokonaisuuden muodostaminen osista), sekä arviointi (asioiden arviointi kriteerien perusteella). Bloomin taksonomiaan liittyy järjestys siten, että muistaminen on alin ja arviointi ylin kognitiivinen taito. Akateemisissa ammateissa tarvittava osaaminen jaetaan tyypillisesti seuraaviin ryhmiin: tietoisuus ja ymmärrys, teoreettiset kyvyt, käytännölliset (ammatilliset) taidot ja yleiset taidot.

Toimintalähtöinen tavoitteiden asettaminen lähtee tietyn prosessin edellyttämän osaamisen arvioinnista ja sen osaamisen (kompetenssin) kuvaamisesta. Tavoite voidaan kuvata esimerkiksi siten, että se kertoo oppilaalta edellytettävää osaamista, jota hän tarvitsee itsenäisten projektien tekemisessä.

Opetus - oppimisprosessi

Opetus - oppimisprosessia voidaan tarkastella itseohjautuvana prosessina, joka pyrkii tavoitteiden suuntaan. Tavoitteet vaikuttavat oppimateriaalien, oppimisen välineiden ja työtapojen valintaan. Arvioinnin tehtävänä on palaute, joka välittää saavutettujen tulosten ja asetettujen tavoitteiden välisen erotuksen prosessin ohjaussignaaliksi. Opettaja käyttää saamaansa palautetta opetuksen ohjailuun, jota on mm. opettajan käyttäytyminen opetustilanteessa sekä oppimateriaalia, oppilaiden ryhmittymistä, oppiainesta ja työskentelytapaa koskevat järjestelyt.  Prosessin tavoitteena on myös se, että oppilas oppisi itse arvioimaan omaa edistymistään.

Kuvio 7. Opetuksen perusmallilla havainnollistetaan opetus - oppimisprosessia (Lahdes 1986, Millar 2001).

Opetustapahtuman ohjailuun voidaan katsoa kuuluvan mm. opettajan käyttäytyminen opetustilanteessa sekä oppimateriaalia, oppilaiden ryhmittymistä, oppiainesta ja työskentelytapaa koskevat järjestelyt. Opetustapahtuman ohjailu ei tee sinällään opetuksesta opettajakeskeistä (vrt. Kansanen 1992). Vaikka opetus on opettajajohtoista, opettajan ei silti tarvitse olla tiedon välittäjänä, joka valikoi, muokkaa ja jakaa tiedon oppilaan sellaisenaan omaksuttavaksi, vaan opettaja voi ohjata oppilaan itse hankkimaan tietoa ja arvioimaan sitä. Opettaja siis suuntaa oppilaan työskentelyä tarkoituksenmukaisiin kohteisiin eli pyrkii saamaan oppilaat opiskelemaan. Oppilaat puolestaan opiskelevat, jotta he oppisivat tavoitteeksi asetettuja asioita tai taitoja. Opetustapahtumaa voidaan tarkastella myös moniulotteisena avaruutena, jonka ulottuvuudet ovat mm. vuorovaikutukset, loogisen päättelyprosessin luonne, sisältö jne. samaan tapaan kuin alempana opetuksen tavoitteistoa analysoitaessa.

Opettajan suora opetus (luento) on siis muuttunut opiskelun tukemisen suuntaan, jolloin opettaja-oppilassuhdetta ja oppimateriaaleja joudutaan arvioimaan uudella tavalla. Opettajan rooli koulussa on kahtalainen: Toisaalta hän tunnistaa ja luokittelee oppitunnin tilanteita ja pohtii niitä aikaisempien kokemustensa ja oppimisen teorioiden näkökulmasta. Toisaalta hän ammentaa kulloiseenkin luokkatilanteeseen sopivat didaktiset ratkaisut yleisistä didaktisista periaatteista ja opetettavan aineen asettamista edellytyksistä. Tämä on suuri haaste! Opettajan voi yhtälailla kehittyä ammatissaan kuin kuka tahansa ammattinsa harjoittaja. Opettaminen ei ole rutiinin omaisten suoritusten toistamista, vaan opetuksen suunnittelu ja toteutus on jatkuva dynaaminen prosessi. Prosessia pitävät yllä opettajan tekemät havainnot luokkaympäristössä sekä uudet tutkimustulokset opetuksesta ja oppimisesta sekä muiden tekemät huomiot (esimerkiksi kollegojen kertomat kokemukset).

Oppimateriaalit ja välineet

Oppimateriaaleilla tarkoitetaan oppiainesta sisältävät tietolähteet kuten kirjat ja internet tai toiminnan kohteena olevat aineet, kappaleet ja ilmiöt. Opiskeluvälineet ovat sellaisia esineitä ja laitteita, joiden avulla tätä materiaalia voidaan tutkia ja havainnoida. Opettajan näkökulmasta katsoen puhutaan vastaavasti opetusmateriaaleista ja -välineistä. Oppimateriaalien sekä opetus- ja opiskeluvälineiden valinnan perusteena pidetään sitä, kuinka hyvin niiden avulla voidaan saavuttaa opetukselle ja oppimiselle asetetut tavoitteet (Kari, 1991). Nyt opetussuunnitelman perusteet ovat aikaisempaan verrattuna väljemmät ja varsinainen opetussuunnitelmatyö on siirretty koulun ja kunnan tasolle. Oppimateriaalin valinnassa alkaa opettajilla olla todellista valtaa, sillä oppimateriaalin tarkastusmenettely on päättynyt. Opettajat voivat vapaasti sopeuttaa opetussuunnitelman ja käytettävissä olevan erilaisen oppimateriaalin toimivaksi ja omaleimaiseksi kokonaisuudeksi. Oppimateriaalien oletetaan muuttuvan käsikirjamaisemmaksi, rasti ruutuun-tyyppisten työkirjojen käyttö vähenee ja muut opetusvälineet muuttuvat enemmän oppilaan opiskelun ja oppimisen välineiksi: Oppilas itse hankkii ja muokkaa tietoa.

Oppimateriaalin hyväksyttämismenettelyn poistuttua opetushallinnon uudelleenorganisoinnin myötä opettaja joutuu jatkossa entistä enemmän myös kantamaan vastuuta oppimateriaalin valinnasta ja kehittämisestä. Tämä edellyttää entistä enemmän opettajalta tietoisia valintoja, joiden pohjalla on jäsentynyttä tietoa oppimisenlainalaisuuksista sekä siitä kuinka oppimista voidaan tukea, kun hän tekee oppimateriaaleja ja -välineitä koskevia päätöksiä. Opettajan tulisi osata mm. valitessaan oppikirjaa lukea "rivien välistä" oppikirjan tekijöiden näkemys oppimisesta eikä sokeasti luottaa siihen, että oppikirjan lähestymistapa on se ainoa "oikea". Oppimateriaalien ja -välineiden valinnalla tulisi pyrkiä siihen, että oppilaat yhä itsenäisemmin hankkivat ja käsittelevät tietoa. Opettajasta tulee oppilaiden työn tukija ja ohjaaja. Tällöin opettajan työnkuva ja oppimateriaalin käsite myös muuttuu.

7. Opetuksen kokeellisuus

Kokeellisuus opetussuunnitelmassa

Opetuksen kokeellisuudella pyritään tukemaan erilaisten tietojen ja taitojen oppimista. Opetuksen kokeellisuus ei luonnollisesti tähtää samalla tavalla kuin tiede uuden tiedon varmentamiseen, vaan sillä tuetaan oppilasta omaksumaan uusia tietoja ja taitoja ja oivaltamaan jotain luonnontieteiden luonteesta. Tieteen kokeellisuudella ja opetuksen kokeellisuudella on siis erilaiset tavoitteet. Vuoden 1994 opetussuunnitelmissa (POPS, 1994; LOPS, 1994) suomessa korostettiin kokeellisuuden roolia tietojen oppimisen tukemisessa: ”… kokeellinen lähestymistapa on luonnontieteiden opetuksen didaktinen periaate, jossa nojaudutaan ympäristöstä kokeellisesti hankittuun tietoon. Havaintoja, mittauksia, kokeita ja kokeellista tutkimusta käytetään lähtökohtana muodostettaessa ja otettaessa käyttöön luokittelevia ja jäsentäviä käsitteitä, suureita, lakeja ja teoreettisia malleja sekä tarkasteltaessa tiedon sovelluksia.”

2000-luvun peruskoulun ja lukion opetussuunnitelmien perusteissa (POPS, 2004; LOPS, 2003) kokeellisuudelle annetaan laajempia tehtäviä: ”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 (POPS, 2004, 191, 195).”; ”Kokeellisuudella tuetaan opiskelijaa omaksumaan uusia luonnontieteellisiä käsitteitä, periaatteita ja malleja. Fysiikan opiskelu kehittää opiskelijan kokeellisen työskentelyn ja yhteistyön taitoja. Kokeellisuus auttaa opiskelijaa hahmottamaan luonnontieteiden luonnetta ja tukee luonnontieteellisen ajattelun kehittymistä. LOPS, 2003, 144).

Toisena uutena painotuksena vuoden 2004 peruskoulun ja 2003 lukion opetussuunnitelmien perusteissa korostetaan mallien asemaa fysiikan ja kemian opetuksessa: ”Oppilas oppii muodostamaan yksinkertaisia malleja ja käyttämään niitä ilmiöiden selittämisessä sekä tekemään yleistyksiä ja arvioimaan tutkimusprosessin ja tulosten luotettavuutta (POPS, 2004, 144)”; ”Tavoitteena on löytää luonnossa yleispäteviä lainalaisuuksia ja esittää ne matemaattisina malleina … ”; ”Fysiikan opetuksen tavoitteena on, että opiskelija tiedostaa ihmisen osana luontoa ja ymmärtää fysiikan merkityksen luonnon ilmiöiden mallintamisessa LOPS, 2003, 144”; ”Kemian opetukselle on luonteenomaista kemiallisten ilmiöiden ja aineiden ominaisuuksien havaitseminen ja tutkiminen kokeellisesti, ilmiöiden tulkitseminen ja selittäminen mallien ja rakenteiden avulla, ilmiöiden kuvaaminen kemian merkkikielellä sekä ilmiöiden mallintaminen ja matemaattinen käsittely (LOPS, 2003, 152)”.

Kokeellisuuden määrä, muoto ja perustelu ovat vaihdelleet opetussuunnitelmissa Suomessa ja muualla suuresti ja riippuneet esimerkiksi vallitsevasta kasvatusfilosofisesta suuntauksesta ja oppimisesta saaduista tutkimustuloksista (ks. lisää Hegarty-Hazel, 1990, 17; Gott & Duggan, 1996; Wellington, 1998; Hodson, 1998, 629–630; Millar, Le Maréchal & Tiberghien, 1999). Yleisesti opetuksen kokeellisuuden ajatellaan:
- helpottavan luonnontieteiden käsitteiden ja periaatteiden oppimista,
- kehittävän kokeellisen työskentelyn taitoja,
- auttavan luonnontieteiden luonteen hahmottamista) sekä
- lisäävän oppilaan kiinnostusta, motivoitumista ja positiivista asennoitumista luonnontieteitä kohtaan.

Kokeellisuuden ajatellaan kehittävän myös muita oppilaan taitoja, kuten ongelmanratkaisun taitoja, sosiaalisen vuorovaikutuksen taitoja ja itsenäisen persoonallisuuden taitoja (Ford, 1999; Jenkins, 1999, 26–28). Kokeellisuus mahdollistaa sen, että opiskelun lähtökohtana ovat ympärillä tapahtuvat ilmiöt. Tällöin puhutaan opetuksen kontekstuaalisuudesta (Yager, 1996; Wilkinson, 1999). Kokeellisen työskentelyn ongelmat voivat olla avoimia, jolloin oppilaan työskentelystä tulee autonomista (Olsen, Hewson & Lyons, 1996; Fisher, Harrison, Henderson & Hofstein, 1998). Monien mielestä konkreetti toiminta jo sinällään edesauttaa oppimista (Chin, Goh, Chia, Lee & Soh, 1994).

Luonnontieteiden opetuksen ja oppimisen tutkijat ovat tarkastelleet pitkään kokeelliselle työskentelylle asetettavia tavoitteita. John Kerryn vuonna 1963 julkaistussa didaktiikan oppikirjassa todettiin, että Kokeellisessa toiminnassa
– opitaan luonnontieteellistä ajattelua,
– opitaan tiedon käsittelyn taitoja,
– harjaannutaan ratkaisemaan ongelmia,
– opitaan ymmärtämään teoriaa,
– opitaan todentamaan käsitteet ja lait, jotka on opetettu,
– opitaan, että kokeellisuus on osa tutkimusprosessia, jossa luodaan uutta tietoa,
– herää kiinnostus luonnontieteisiin ja asenteet tulevat positiiviseksi,
– tehdään fysiikan, kemian ja biologian ilmiöistä todellisia,
– opitaan tekemään tarkkoja havaintoja ja huolellisia muistiinpanoja.

Kokeellisuus ja käsitteiden oppiminen

Tässä oppimateriaalissa palataan useamman kerran siihen, että tietojen, kuten käsitteiden ja luonnonlakien, oppiminen kokeellisen työskentelyn yhteydessä ei ole ongelmatonta. Käsitteiden oppimisen näkökulmasta kokeellisuudella pyritään siihen, että oppilaalle uusi käsite tai luonnonlaki saisi merkityksen kokeen kautta (White, 1996, 764–765). Kokeellinen toiminta, oppilastyö tai demonstraatio, on siis hyvä saada tukemaan keskustelua, jossa uusia käsitteitä liitetään jo olemassa olevien käsitteiden yhteyteen.

Käsitteiden oppimista kokeellisen työskentelyn yhteydessä on usein tarkasteltu Jean Piaget’n (1896-1980) oppimisen teorian eli Piaget'n geneettinen epistemologian pohjalta (Genetic Epistemology) tai sen pohjalta kehitettyjen erilaisten konstruktivististen näkemysten pohjalta. Piaget’n geneettinen epistemologia käsittelee sekä tiedon rakennetta että tiedon rakentumista aivoihin vaihe vaiheelta syntyvinä tietorakenteina (tietostruktuureina). Piaget´n mukaan lapsen älyllinen kehittyminen ja oppiminen tapahtuvat kognitiivisten konfliktien eli ristiriitojen kautta. Konfliktissa lapsi huomaa omien tietorakenteidensa puutteellisuuden tai soveltumattomuuden kohtaamassaan uudessa tilanteessa. Oppimisen (tietorakenteiden rakentamisen) edellytyksenä on siis tietty epätasapaino tai konflikti jo olemassa olevien tietojen ja uuden tiedon välillä. Vain konfliktin seurauksena voi olemassa oleva tietorakenne kehittyä tai uusi tietorakenne muodostua. Piaget korostaa kognitiivisen kehityksen yksilöllisyyttä. Hänen mukaansa kognitiiviset prosessit tapahtuvat yksilön tietorakenteissa. Sosiaalisen vuorovaikutuksen merkitys on aktivoida yksilöllisiä ajatteluprosesseja. (Piaget, 1988).

Tietorakenteen ja skeeman kanssa käytetään lähes synonyymina käsitteitä mentaalimalli, sisäinen malli, oppimisstrategia ja metakognitio. Adey (1988, 123) luettelee seuraavat luonnonilmiöiden tutkimisen skeemat: muuttujien kontrollointi, muuttujien eliminointi, verrannollinen päättely, kombinatorinen päättely, monikertaisuuden skeema, säilyvyyden skeema, tasapaino, tilastollisuuteen tai todennäköisyyksiin pohjautuva ajattelu, korrelaatio.

Vaikka edellä esitetty Piaget’n teoria on yksinkertainen, käytännössä kokeellisen työskentelyn yhteydessä ei ole helppoa saada oppilaita keskustelemaan siten, että he tukeutuvat aidosti empiiriseen aineistoon, kun he selittävät havaittuja ilmiöitä. Oppilaat voivat tukeutua selittämisessä helposti esimerkiksi mielipiteisiin tai omiin ennakkokäsityksiinsä. Bennettin, Lubbenin, Hogarthin ja Campbellon (2004) tekemän laajan systemaattisen analyysin (a systematic review) perusteella on olemassa vahvaa tutkimusperäistä näyttöä siitä, että pienessä ryhmässä empiiriseen aineistoon tukeutumisen ja ilmiöiden selittämisen saa aikaan oppilaiden sisäinen kognitiivinen ristiriita (konflikti) kun ristiriidan syntymistä tuetaan ulkoapäin. Konfliktin synty ja sen kautta oppiminen edellyttää siis opettajan ohjausta, sopivan työskentelymuodon valitsemista tai hyvin suunnitellun tehtävän antoa. Sopivia työmuotoja ovat esimerkiksi erilaiset yhteistoiminnalliset työmuodot ja graafisten tiedonesittämismenetelmien käyttö opetuksessa.

Vaikka Piaget ei varsinaisesti tarkastellut opetusta ja opiskelua, Piaget'n teoriaa sovelletaan usein opetuksen ja opiskelun tarkasteluun, sillä opetuksella ja opiskelulla tavoitellaan tietorakenteiden syntymistä ja kehittymistä. Driver (1983, 52) kuvaa Piagetin teorian pohjalta oppimista prosessiksi, jossa oppilaan tietorakenne kehittyy assimilaatiossa, jossa oppilas liittää uusia käsityksiä aivoissa jo olemassa oleviin rakenteisiin. Akkomodaatiossa vanhaa tietorakenne (skeema) hylätään ja korvataan uudella. Assimilaation ja akkomodaation yhteistuloksena syntyy ympäristöön sopeutuminen eli adaptaatio. Samalla tiedollisella tasolla olevien oppilaiden välinen vertaisvuorovaikutus synnyttää tehokkaasti kognitiivisia konflikteja oppilaiden pyrkiessä ymmärtämään toistensa käsityksiä.

Kognitiivisen konfliktin käsitettä voidaan havainnollista yksinkertaisella säilyvyyskokeella. lapselle näytetään muovailuvahasta tehtyä palloa. Kun pallosta muotoillaan tanko, lapsi saattaa sanoa tangossa olevan vähemmän muovailuvahaa, kuin pallossa, koska tanko on ohuempi. Kun tankoa muotoillaan edelleen ja siitä tehdään ohuempi ja pidempi tanko, lapsi saattaa sanoa, että vahaa on taas enemmän, sillä tanko on pitkä. Lapsi tekee siis päätelmiä yhden ominaisuuden perusteella. Tilanteessa, jossa lapsi ei osaa päättää minkä ominaisuuden perusteella hän päättelisi, syntyy kognitiivinen konflikti, jonka seurauksena lapsi joutuu muuttamaan käsitystään säilyvyydestä.

Piaget’n oppimisen psykologian perusteella kokeellisella työskentelyllä voi olla keskeinen merkitys käsitteiden oppimiselle kokeellisen työskentelyn yhteydessä. Voidaan myös perustellusti väittää, että kokeellisella työskentelyllä ei ole merkitystä, jos Piaget’n teoriaa tietorakenteiden kehittymisestä ja syntymisestä ei oteta huomioon opetuksessa. Millar (2004) luettelee oppimista tukevan oppilastyön ominaisuuksiksi Piaget'n teorian pohjalta seuraavat piirteet:
– yksittäiselle työlle asetetaan vain muutama selkeä tavoite,
– työ on suunniteltu niin, että se suuntaa oppilaiden huomion niihin tarkasteltavan ilmiön piirteisiin jotka ovat olennaisia tietorakenteen kehittymisen tai kumoamisen kannalta,
– työ on suunniteltu niin, että oppilaat joutuvat ajattelemaan ennen työskentelyä ja aktivoimaan jo olemassa olevat tietorakenteensa (skeemansa),
– työ on suunniteltu niin, että opettaja voi seurata oppilaiden toimintaa ja puhetta (ajattelua) työskentelyn aikana,
– työ on suunniteltu niin, että työn tulosten tarkastelu johtaa luokitteluun (samankaltaisuuksien ja erilaisuuksien esittämiseen), yhteyksien, riippuvuuksien ja/tai verrannollisuuksien esittämiseen,
– työ on suunniteltu niin, että työskentelyn jälkeen oppilaat ohjautuvat pohtimaan, käyttämään tuloksia pohdinnassa ja perustelemaan asioita tuloksiin nojautuen,
– työ on suunniteltu niin, että työskentely ja tulokset synnyttää sosiaalista vuorovaikutusta.

Edellä kuvatut oppilastyön suunnittelun piirteet voi periaatteessa ottaa huomioon minkä tahansa opetustilanteen suunnittelussa. Esimerkiksi, jos oppitunnin aiheena on kappaleen hitaus, opettaja voi johdatella oppilaat tarkastelemaan tilanteita liikkeelle lähtevässä tai pysähtyvässä bussissa. Edellinen Millarin laatima lista voidaan pelkistää vaatimukseksi kytkeä kaksi maailmaa toisiinsa: todellisten ja havaittavien kappaleiden ja ilmiöiden maailma; ja oppilaan käsitteiden maailma. Kokeellinen työskentely ja siihen liittyvä keskustelu tai oppilaiden kokemuksista keskustelu synnyttää näiden kahden maailman välille vuorovaikutusta. Tässä vuorovaikutuksessa on olennaista perustella havaintoihin ja kokemuksiin liittyen, miten uusi käsite liittyy aikaisempiin käsitteisiin (Gott & Duggan, 1996).

Piaget’n kehityspsykologisesti painottuneen teorian soveltumista oppimisen teoriaksi on kritisoinut esimerkiksi Piaget'n oppilas Hans Aebli. Aeblin (1991, 426) mukaan Piaget ymmärtää oppimisen liiaksi iän mukana tulevaksi kypsymiseksi. Lapsen kehittyminen riippuu hänen mukaansa enemmän sosiaalisesta vuorovaikutuksesta sekä kotona että koulussa. Sen tähden fysiikan ja kemian opetukseen kuuluu olennaisena elementtinä havainnoista ja niiden tulkinnoista keskustelu. Keskustelua tarvitaan myös suunniteltaessa ja tehtäessä oppilastöitä sekä esitettäessä ja käsiteltäessä tuloksia. Aebli (1991) on kehittänyt mielestään Piaget'n teoriaa paremmin oppimista luokkahuoneessa kuvaavaksi teoriaksi. Hänen mukaansa puhtaalla psykologisella teorialla voidaan kuvata vain osaa niistä ilmiöistä, jotka ovat oppimisessa, opettamisessa ja luokkavuorovaikutuksessa olennaisia. Aeblin mukaan oppimisen kuvaamiseen tarvitaan myös sosiologista, sosiaalipsykologista ja filosofista tietämystä sekä opetettavan oppiaineen oman käsitteistön, struktuurin ja tiedonhankintamenetelmien tuntemusta.

Kokeellisuus ja kokeellisen työskentelyn taitojen oppiminen sekä luonnontieteiden luonteen oivaltaminen

Luonnontieteissä käytettävä kokeellinen menetelmä on pikemminkin joukko yhteenkuuluvia osamenetelmiä, joita ovat mm.;
– kysymysten tekeminen ja ongelmien tunnistaminen ympäristöstä,
– hypoteesien esittäminen ja niiden testaaminen,
– vertaaminen ja luokittelu,
– havaintojen ja mittausten tekeminen,
– mittaustulosten esittäminen, käsittely ja tulkitseminen havaintoihin tai mittaussarjaan nojautuen,
– johtopäätösten tekeminen,
– tulosten luotettavuuden arvioiminen,
– kokeiden ja tutkimusten suunnitteleminen.

Viimeaikaisessa tutkimuskirjallisuudessa on kiinnitetty huomiota siihen, miten oppilas tulkitsee empiiristä aineistoa ja tekee johtopäätöksiä. Erityisesti ollaan kiinnostuneita, miten oppilasta voidaan tukea tekemään sellaisia johtopäätöksiä, joissa hän nojaa aineistoon (evidenssi). Tähän teemaan palataan luvuissa ”Malli ja mallintaminen” sekä ” Pienessä ryhmässä opiskelu”.

Kokeelliselle työskentelylle on asetettu eri maiden opetussuunnitelmissa tavoitteita, joilla tähdätään edellä lueteltujen tavoitteiden saavuttamiseen. Esimerkiksi Suomessa vuoden 1994 peruskoulun opetussuunnitelman perusteissa kokeellinen menetelmä nimettiin peruskoulun opetussuunnitelman perusteissa sisällöksi ja samalla haluttiin korostaa sitä, että oppilaiden tulisi oppia kokeellisen työskentelyn taidot peruskoulun aikana. Vuoden 2004 perusopetuksen opetussuunnitelman perusteissa POS (2004, 191-193 ) edellytetään, että oppilas oppii
– työskentelemään ja tutkimaan luonnonilmiöitä turvallisesti ja yhdessä toisten kanssa,
– luonnon tutkimisen taitoja, kuten kysymysten tekeminen ja ongelmien hahmottaminen,
– havaintojen, mittauksien ja päätelmien tekemistä, vertailua ja luokittelua, hypoteesin,
– esittämistä ja sen testaamista sekä tulosten käsittelyä, esittämistä ja tulkitsemista myös tieto- ja viestintätekniikkaa hyväksi käyttäen,
– suunnittelemaan ja tekemään luonnontieteellisen tutkimuksen, jossa vakioidaan ja varioidaan luonnonilmiöissä vaikuttavia muuttujia ja selvitetään muuttujien välisiä riippuvuuksia,
– muodostamaan yksinkertaisia malleja ja käyttämään niitä ilmiöiden selittämisessä sekä tekemään yleistyksiä ja arvioimaan tutkimusprosessin ja tulosten luotettavuutta,
– käyttämään tarkoituksenmukaisia käsitteitä, suureita ja yksiköitä kuvatessaan fysikaalisia ilmiöitä ja teknologiaan kuuluvia asioita,
– arvioimaan eri lähteistä hankkimansa tiedon luotettavuutta,
– käyttämään erilaisia graafisia ja algebrallisia malleja ilmiöiden selittämisessä, ennusteiden tekemisessä ja ongelmanratkaisussa.

Vastaavasti lukion opetussuunnitelma perusteissa LOPS (2003, 144, 152) edellytetään, että opiskelija
– ymmärtää kokeellisen toiminnan ja teoreettisen pohdiskelun merkityksen luonnontieteellisen tiedon muodostumisessa,
– hankkii ja käsittelee tietoa yhdessä muiden opiskelijoiden kanssa asiantuntijayhteisön tapaan,
– suunnittelee ja tekee yksinkertaisia mittauksia, kykenee tulkitsemaan ja arvioimaan tuloksia sekä soveltamaan niitä,
– hyödyntää erilaisia tietolähteitä tiedonhankinnassa sekä kykenee esittämään ja julkistamaan tietoja monipuolisella tavalla myös teknisiä apuvälineitä käyttäen,
– osaa kokeellisen työskentelyn ja muun aktiivisen tiedonhankinnan avulla etsiä ja käsitellä tietoa elämän ja ympäristön kannalta tärkeistä kemiallisista ilmiöistä ja aineiden ominaisuuksista sekä arvioida tiedon luotettavuutta ja merkitystä,
– osaa tehdä ilmiöitä koskevia kokeita ja oppii suunnittelemaan niitä sekä osaa ottaa huomioon työturvallisuusnäkökohdat,
– osaa tulkita ja arvioida kokeellisesti tai muutoin hankkimaansa tietoa ja keskustella siitä sekä esittää sitä muille,
– perehtyy tieto- ja viestintätekniikan mahdollisuuksiin tiedonhankinnan ja mallintamisen välineinä.

Edellä kuvatut tavoitteet kokeellisen työskentelyn taitojen oppimiselle ja luonnontieteiden luonteen hahmottamiselle ovat hyvin laajat. Yhdellä kokeellisella työllä voidaan pyrkiä tyypillisesti vain muutaman tavoitteen saavuttamiseen. Erityisesti, jos työskentelyn tavoitteena on käsitteiden, periaatteiden tai luonnonlakien oppiminen, on työlle tyypillisesti vaikea asettaa myös kokeellisen työskentelyn taitojen oppimiseen tähtääviä tavoitteita (Woolnough, 1994). Monipuolisesti taitojen oppimiseen tähtäävät oppilastyöt ovat tyypillisesti avoimia ja tutkimuksellisia (Millar, 2004). Tällaiset kokeet sisältää ongelman asettelun lisäksi mm. seuraavia vaiheita (Adey, Shayer & Yates, 1989): muuttujien tunnistaminen (vaikuttaako lämpötila? mitä mitataan?), muuttujien vakioiminen ja varioiminen, hypoteesien asettaminen, koejärjestelyn suunnittelu, mittaustulosten kerääminen, tulosten esittäminen ja tulosten tulkitseminen. On huomattava, että oppilaat eivät luonnollisestikaan tunne tutkimuksen teon vaiheita ja raportoinnin muotoja. Sen tähden tutkimuksen teko ja raportin laatiminen on opetettava oppilaille aivan kuten muutkin tiedon hankintatavat.

On luonnollista ottaa esille luonnontieteiden luonteeseen liittyviä näkökulmia kokeellisen työskentelyn yhteydessä. Millar (2004) luettelee seuraavat keinot, joilla voidaan ohjata oppilaita oivaltamaan luonnontieteiden luonteesta olennaisia piirteitä:
– kaikkeen mittaamiseen ja havaitsemiseen liittyy erilaisia virhelähteitä ja mittaustuloksessa on aina virhettä,
– kaikki luonnontieteellinen tieto on varmistettu kokeilla,
– jotta luonnosta hankitulla aineistolla (data) voitaisiin todentaa luonnonlaki, aineisto pitää tulkita olemassa olevien teorioiden ja tieteen tekemisen traditioiden pohjalta (esim. virhearviot, matemaattisen mallintamisen traditio),
– tulkitseminen on avoin ja joustava prosessi, joten tulkinnat voivat johtaa erilaisiin alustaviin tuloksiin: uuden tiedon julkaisemisessa on ”laadunvarmistus”, uuden tieteellisen tiedon hyväksyy tiedeyhteisö

Kokeellisen työskentelyn toivotaan kehittävän myös oppilaan proseduraalista tietoa (procedural understanding) (Gott & Duggan, 1995, 25 – 26). Proseduraalista tietoa käytetään, kun suunnitellaan tekoja ja toimintoja. Esimerkiksi mittaaminen edellyttää tietoa siitä, miten mitataan ja kuinka monta mittausta tehdään. Warwick, Linfield ja Stephenson (1999) erottavat selkeästi toisistaan proseduraalisen tiedon ja taidon, joita luonnon tutkimisessa tarvitaan ja kytkevät proseduraalisen tiedon tulkitsemiseen ja kriittisyyteen.

Kokeellisuuden muodot ja tavoitteet

Opetuksen kokeellisuus on ollut perinteisesti demonstraatioiden ja oppilastöiden tekemistä tai työskentelyä laajempien projektien parissa. Kokeellisuutta voidaan harrastaa tavallisessa koululuokassa, oppilaslaboratoriossa tai luokan ulkopuolella luonnossa, tiedekeskuksessa tai teollisuuslaitoksessa. Opetuksen kokeellisuus voi olla kvalitatiivista tai kvantitatiivista (mittaustulosten esittelyä taulukossa, graafisesti tai algebrallisen mallin avulla).

Oppilastyö on opetus/ opiskelumenetelmä jonka yhteydessä oppilaat yksin tai pienessä ryhmässä ainakin jossain määrin tekevät havaintoja, keskustelevat, käsittelevät todellisia kappaleita tai materiaaleja luokassa, koululaboratoriossa, luonnossa tai tutustumiskäynnillä (teollisuus, tiedekeskus) (Millar, 2004). Hegarty-Hazel (1990, 3–4) määrittelee oppilastyön suppeammin opetukselle asetettuja tavoitteita kohti suuntautuvaksi kokeelliseksi toiminnaksi oppilaslaboratoriossa, jossa oppilaat tekevät havaintoja luonnonilmiöistä sekä suunnittelevat ja tekevät kokeita erilaisilla välineillä. Demonstraatiossa opettaja esittää oppilaille kokeen ja on vuorovaikutuksessa demonstraation aikana oppilaiden kanssa. Oppilastöiden asemasta puhutaan usein kokeesta (experiment) tai kokeellisesta toiminnasta (practical activity), jossa oppilas määrätietoisesti tutkii luonnonilmiötä, suunnittelee koejärjestelyjä ja tulkitsee tuloksia (Meisalo & Erätuuli, 1985, 99–107).

Kokeelliselle työskentelylle asetettavia tavoitteita voidaan tarkastella koulun yleistavoitteiden tai fysiikan ja kemian opetuksen tavoitteiden kannalta. Yleistavoitteiden näkökulmasta kokeiden tekemisen tavoitteena voi olla oppilaiden luonnontieteellisen yleissivistyksen (Scientific literacy) kohottaminen tai erilaisten jatko-opinnoissa tarvittavien valmiuksien kehittäminen. Fysiikan ja kemian opetuksen tavoitteiden kannalta kokeellisen työskentelyn tavoitteena voi olla käsitteiden tai kokeellisen työskentelyn taitojen oppiminen tai luonnontieteiden luonteen hahmottaminen. Käsitteiden oppimisessa voidaan erottaa mm. seuraavat tasot: kappaleiden, rakenteiden tai ilmiöiden tunnistaminen ympäristöstä, yksittäisen faktan oppiminen, käsitteen oppiminen, kahden käsitteen välisen yhteyden oppiminen sekä teorian oppiminen (Millar, Tiberghien & Le Maréchal, 2002).

Kokeelliselle työskentelylle asetettavia tavoitteita voidaan ryhmitellä myös usealla muulla tavalla. Tavoitteena voi olla esimerkiksi ilmiön toteaminen tai havainnollistus, ilmiöön liittyvien suureiden toteaminen tai mittaus, ilmiötä koskevien lakien tai mallien kvalitatiivinen tai kvantitatiivinen osoittaminen, ilmiöön liittyvän käsitteen muodostuksen havainnollistaminen, ennusteen testaaminen, mallin pätevyysalueen havainnollistaminen, ilmiön käytön tai sen sovellusten esittely, välineiden käyttöön ja mittaamiseen harjaantuminen, tutustuminen mittausvälineiden käyttömahdollisuuksiin ja mahdollisten mittausarvojen esitystapoihin sekä mittausarvojen laskennallisen käsittelyn harjoittelua. Olennaista kokeellisessa työskentelyssä on, että sillä on selkeä tavoite, kuten käsitteen tai taitojen oppiminen tai sillä on opiskelijoita motivoiva funktio, ja se on osa jäsenneltyä kokonaisuutta. Yksittäisellä kokeella on yleensä vaikea palvella useamman tavoitteen samanaikaista saavuttamista. Mekaaninen kokeellinen työskentely ei takaa tavoitteiden saavuttamista ja kokeellisuus voi jäädä helposti irralliseksi osaksi muuta opiskelua. Kokeellisuus ei esimerkiksi tue käsitteiden ja periaatteiden käyttöönottoa silloin kun sitä toteutetaan rutiininomaisena lähestymistapana.

Esimerkiksi Peacock (1986, 6–34) ja Hegarty-Hazel (1990, 16) ovat esittäneet, että kokeellisessa työskentelyssä tarvitaan motoristen taitojen lisäksi myös monipuolisia kognitiivisia taitoja, joita voidaan systemaattisella harjoittelulla oppia ja kehittää. Näitä taitoja ovat mm. havaitseminen, luokittelu, mittaamisen suunnittelu, tiedon esittäminen, mallintaminen, päättely ja soveltaminen).

 

Kuvio 8. Kokeellisuuden muodot ja päämäärät

Kokeelliset työt ja tehtävät eroavat toisistaan avoimuuden suhteen (Gosper et al. 1993). Oppilaan näkökulmasta vastaavasti tehtävien sallima itsenäisyyden aste vaihtelee (Erätuuli & Meisalo, 1991, 15; Olsen et al.1996 ). Tehtävät ovat avoimia, kun oppilaalle annetaan mahdollisuuksia aloitteellisuuteen, ideointiin, päätöksentekoon, vastuun ottamiseen, pitkäjänteiseen omaehtoiseen toimintaan, itsearviointiin jne. Tehtävien avoimuus on siis edellytyksenä itsenäiselle työskentelylle. Tämän tutkimuksen kannalta itsenäisyyttä rajoittavia tekijöitä voivat olla Erätuulta ja Meisaloa (1991, 16) mukaillen: oppilaasta johtuvat rajoitukset (tiedon puute, taidon puute, henkinen kypsymättömyys, kehitystaso, asenne), reaaliympäristön rajoitukset (työkirjan ohje, välineet, luokkahuone, ilmiö), inhimillisen vuorovaikutuksen rajoitukset (muut oppilaat, työparin toiminta, opettajan ohjeet tai kiellot). Laboratoriotöiden avoimuudella on merkitystä oppilaan monipuolisessa kehittämisessä (Qualter et al. 1990, 88).

Kokeellisuuden ongelmat

Suomessa on luonnontieteiden kokeellisuutta haluttu korostaa jo peruskoulu-uudistuksesta lähtien, jolloin oppilastöille tuli opetuksessa keskeinen asema. Aikaisempaa, varsin toisentyyppistä luonnontieteiden kokeellisuutta edusti kasvien ja hyönteisten kerääminen, josta valitettavasti jouduttiin luopumaan. Helsingin yliopiston tutkijaryhmä kiinnitti kuitenkin jo 80-luvun alussa huomiota siihen, että kokeellisuus ei johtanut asetettujen tavoitteiden saavuttamiseen lainkaan riittävässä määrin fysiikan, kemian tai biologiankaan opetuksessa. Erätuuli ja Meisalo (1982, 1985) käynnistivät kokeellisen työskentelyn arviointiin liittyvän tutkimushankkeen. Hankkeen yhtenä merkittävänä vaikutuksena suomalaiseen luonnontieteiden opetukseen oli kokeellisen opetuksen tavoitteiden tarkastelu aikaisempaa laaja-alaisemmin.

Laboratoriotöiden tai laajemmin kokeellisuuden merkityksestä oppimiselle ei vallitse tutkijoiden keskuudessa yksimielisyyttä (Bradley, 1968; Hegarty-Hazel, 1990; Lazarowitz & Tamir, 1994; White, 1996, 761–774). Kokeellinen toiminta oppilaslaboratoriossa ei aina johda aktiiviseen tiedon käsittelyyn ja oppilaan omakohtaiseen tiedon konstruointiin. Kokeellinen toiminta voi olla pelkästään motorista, esimerkiksi mekaanista virtapiirien tai tislauslaitteiden rakentelua. Esimerkiksi Watson, Prieto ja Dillon (1995) vertailivat, miten kokeellisuuden määrä vaikuttaa käsitteiden oppimisen ja havaitsivat, että sillä ei ollut yhteyttä käsitteiden oppimiseen. Erityisesti Hodson (1990) on tarkastellut kriittisesti kokeellisia opetusmenetelmiä ja etenkin niitä epärealistisia tavoitteita joita uskotaan saavutettavan kokeellisen työskentelyn kautta. Hodson esittääkin, että huomattavasti tarkoituksenmukaisempaa olisi tarkastella ennen kokeita teoriaa kuin pyrkiä johdattelemaan käsitteitä kokeiden kautta.

Millar (2004) esittää neljä syytä sille, miksi oppilaiden on hankala oppia luonnontieteellisiä käsitteitä kokeellisen työskentelyn yhteydessä:
1. Tilanteet, joissa oppilastöitä tehdään ja välineet, joita käytetään, ovat oppilaille outoja. Aikaa oppilastöiden tekemiseen on vähän. Nämä kolme syytä vaikuttavat tulosten tarkkuuteen. Epätarkkojen ja osin virheellisten tulosten perusteella johtopäätösten tekeminen on hankalaa.
2. Oppilailla on vaikeuksia ”nähdä” tuloksissa sellaisia säännönmukaisuuksia, joiden perusteella johtopäätöksiä pitäisi tehdä. Opettaja aliarvioi päättelyketjun, jolla edetään kerätystä kokeellisesta aineistosta johtopäätöksiin, haastavuuden, koska tulos on opettajalle tuttu ja hän näkee aineistosta helposti sen, mitä odottaa näkevänsä.
3. Oppilas ”näkee” aineistossa sen, mitä ennakkoon odottavat. Oppilaiden ennakkokäsitykset (olemassa olevat tietorakenteet tai skeemat) ohjaavat havaintojen tekemistä.
4. Oppilaat tietävät, että opettaja tietää, mitä aineiston perusteella pitäisi päätellä. Oppilaat odottavat sen tähden opettajan kertovan heille, miten aineisto tulkitaan.

Hegarty-Hazel (1990, 82–84) esittää, että työskentely laboratoriotyöohjeiden mukaan edellyttää monipuolisia mittaamisen, luonnon tutkimisen ja mittalaitteiden käytön hallinnan taitoja sekä tulostenkäsittelytaitoja. Ongelmallista oppilaille on se, että näitä taitoja ei useinkaan opeteta heille ainakaan riittävästi.

Johnstone ja Letton (1989) tutkivat, kuinka kokeellinen toiminta kuormittaa työmuistia ja havaitsivat, että samaan aikaan, kun oppilas työskentelee kokeellisesti, hänen on vaikea oppia luonnontieteiden käsitteitä. Myös erilaisten ohjeiden seuraaminen ja uusien laitteiden kanssa operointi kuormittaa työmuistia ja vaikeuttaa muun informaation käsittelyä. On kuitenkin otettava huomioon, että jos oppimista mitataan pelkästään kynä-paperitesteillä, laboratoriotöillä ei voikaan olla suurta merkitystä faktatietojen omaksumiselle (Lavonen & al. 1998). Työmuistin kuormittavuuden pelko voi johtaa siihen, että oppilastöiden ohjeista tulee reseptinomaisia, jotka eivät ohjaa oppilasta oivaltamaan ja päättelemään.

Kokeellisuuden kehittäminen ja arvioiminen ei siis ole yksinkertaista. Yhtenä ongelmana kokeellisuuteen liittyvissä tutkimus- ja kehittämishankkeissa on usein se, että niissä arvioidaan kokeellisuuden merkitystä yksipuolisesti, esimerkiksi vain tietojen oppimisen kannalta eikä riittävän laaja-alaisesti esimerkiksi motivoitumisen, taitojen oppimisen ja oppilaan persoonallisuuden osa-alueiden kehittymisen kannalta. Ei liene hedelmällistä vertailla esimerkiksi eri opetusmenetelmillä saavutettavissa olevia oppimistuloksia, vaan tarkoituksenmukaisempaa on vertailla erilaisten lähestymistapojen monipuolisuutta ja niiden tarjoamia mahdollisuuksia kehittää oppilaan persoonallisuutta monipuolisesti (ks. lisää Lavonen & Meisalo, 1997, 193–197).

OSA D. LUONNONTIETEIDEN OPETUKSEN TYÖTAVAT

Opetuksessa ja opiskelussa tarvitaan opetuksen työtapoja, jotka ohjaavat oppilaita omaksumaan opetussuunnitelman tavoitteissa ilmaistuja tietoja ja taitoja. Tarvitaan myös opetuksen työtapoja, joiden avulla oppilas saadaan käsittelemään, jäsentämään ja muokkaamaan ympärillä olevaa informaatiota, eli aidosti hankkimaan tietoa sekä olemaan kriittinen informaation hyväksymisessä. Oppiminen rakentuu aina entisen tiedon varaan. Oppija ei ole "tyhjäpää", vaan siellä on jo käsitys asioista ja uusi tieto tulee tarkasteltavaksi tämän varassa. Oppimisen kannalta on siis täysin ratkaisevaa, mikä on oppilaan tilanne opetustilanteessa.  Aikaisempi tieto ja miten se on jäsentynyt oppilaalle, ratkaisee. Aikaisemman tiedon perusteella oppilas voi esimerkiksi tehdä jatkokysymyksiä opiskeltavasta asiasta. Ihminen ei elä faktoista, vaan merkityksistä. Ymmärtäminen ei ole talletusta eikä varastointia. Ihminen on päättelevä olento ja rakentaa hetkessä vastauksensa.

Luonnontieteellisen tiedon lähteenä on ensisijaisesti luonto itse. Käytännössä koulussa ei ole mahdollista hankkia kaikkea tietoa luonnosta esimerkiksi ajan tai laitteiden puuttuessa. Luonnontieteellisen tiedon lähteinä voivat olla myös oppikirja, mediat, oheiskirjallisuus, asiantuntijat, oppilastoverit jne. Tietotekniikka tuo oppilaiden ulottuville erilaiset tiedostot ja tietopankit. Tämän vuoksi tiedon hankkimiseen tarvitaan kokeellisten menetelmien lisäksi myös muita tiedon käsittelyn menetelmiä. Näitä ovat esimerkiksi käsitekarttatekniikka ja erilaiset tiedonjäsentämismenetelmät.

Edellä on tarkasteltu opetuksen uudistamista monipuolisesti, mutta kuitenkin keskittyen lähinnä kognitiiviseen näkökulmaan. On muistettava, että opetuksesta ja kasvatuksesta vastuullisien tahojen on huolehdittava kognitiivisen, affektiivisen ja psykomotorisen alueen tasapainoisesta kehityksestä. Tähän on erinomaisia mahdollisuuksia myös luonnontieteiden opetuksessa. Erityisesti oppilastöiden ja projektityöskentelyn perinne suomalaisissakin kouluissa antaa hyvän pohjan kaikkien alueiden tasapuoliselle kehittymiselle. Myös opetussuunnitelman perusteissa painotetaan kokeellisia työtapojen tärkeyttä luonnontieteiden opetuksessa ja opiskelussa.

Kunkin aikakauden käsitykset oppimisesta ja opettamisesta heijastuvat opetussuunnitelman perusteissa. Opetussuunnitelman perusteissa tiivistyvät yhteiskunnassa valitsevat arvot ja käsitykset, jotka ovat puettu opetuksen tavoitteiden muodossa. Opettajan tulisi huomioida nämä tavoitteet opetuksen suunnittelussa ja pyrkiä opetuksellaan ohjaamaan oppilaitaan sekä yleisten että ainekohtaisten tavoitteiden suuntaan. Opetussuunnitelman perusteilla luodaan kaikille opettajille viitekehys, jonka puitteissa heidän tulisi toimia. Vaikka opetuksen tavoitteet ja oppiaineiden keskeiset sisällöt on ilmaistu opetussuunnitelman perusteissa, näitä on täsmennettävä koulukohtaisissa opetussuunnitelmissa. Jokaisen opettajan, opetuksen tutkijan ja kehittäjän on syytä pohtia, miksi tiettyä tiedonalaa opiskellaan tai taitoa harjaannutetaan koulussa.

Seuraavassa painotetaankin koulun työtapojen monipuolisuutta tavoitteena, joka samalla antaa eri lähtökohdista opiskelunsa aloittaville yksilöllisiä mahdollisuuksia kehittyä kognitiivisen, affektiivisen ja psykomotoristen "taitojen" alueilla. 

17. Opetuksen tavoitteet ja työtavat

Opetuksen työtapa ymmärretään tässä synonyymiksi käsitteille opetus- ja opiskelumenetelmä, työmuoto tai oppilasaktiviteetti, joiden käytön tavoitteena on saada oppilas omaksumaan uusia käsitteitä, taitoja, arvoja tai ajattelutapoja (Joyce & Weil, 1996, 7). Tyypillistä työtavalle on tavoitesuuntautuneisuus ja sosiaalinen vuorovaikutus opettajan ja oppilaiden tai oppilaiden välillä. Opetus ja opiskelu eivät ole synonyymeja, vaan pikemminkin opetus-opiskelu-oppimisprosessin komponentteja (Fairbrother, 2000, 7).

Opetuksen tavoitteet

Yleissivistävän koulun opetussuunnitelmat ovat kehittyneet peruskoulu-uudistuksesta lähtien tavoitepainotteisiksi. Samalla oppiainekohtaisissa tavoitteissa on otettu huomioon myös yleistavoitteita siten, että on pyritty yleistavoitteiden ja ainekohtaisten tavoitteiden harmoniseen suhteeseen. Tavoitteiden hierarkiassa ylimpänä ja yleisimpänä ovat koulutusjärjestelmälle yhteiskunnan taholta asetetut tavoitteet ja alimpana mm. eri työtavoille (esim. oppilastöille ja demonstraatioille) asetettavat tavoitteet.

Luonnontieteiden opetuksen tavoitteet tähtäävät oppiaineiden luonteen mukaisesti luonnontieteellisen tiedon ja luonnontieteellisen menetelmän tuntemuksen sisäistämiseen. Erätuuli ja Meisalo (1991) ovat laajentaneet koulun yleistavoitteiden näkökulmasta luonnontieteiden opetukselle asetettavia tavoitteita ja esittäneet MCPA-analyysimallin (Multidimensional Classification of Pedagogical Approaches), jonka pohjalta voidaan analysoida esimerkiksi opetuksen kokeellisuudelle asetettavia tavoitteita ja sen merkitystä oppilaan persoonallisuuden laaja-alaiselle kehittämiselle. MCPA-analyysimalli sisältää osajoukkona esimerkiksi Gagnén esittämän tavoitehierarkian (ks. myös Meisalo, 1992).

Seuraavassa tarkastellaan vain keskeisiä kokeelliselle työskentelylle asetettavia tavoitteita. Oppilaan kokeelliselle työskentelylle voidaan asettaa em. MCPA-analyysimallin näkökulmasta seuraavat tavoitteet ja luokitella ne viiteen ryhmään:

1. Laboratoriotyöskentelylle asetettavat yleiset tavoitteet

Päämääränä on:

         tavoitteiden selvittäminen ja asettaminen yhteissuunnittelussa ennen työhön ryhtymistä sekä tavoitteinen työstäminen

         luonnontieteellisen ja teknisen yleissivistyksen laajentaminen sekä luonnontieteiden merkityksen ymmärtäminen yhteiskunnassa

         luonnon tutkimisessa tarvittavien taitojen oppiminen

         tiedon käsittelytaitojen ja oppimaan oppimisen taitojen oppiminen

         tieto- ja viestintätekniikan hyödyntämisessä tarvittavien taitojen oppiminen

         yhteistoiminnassa tarvittavien taitojen oppiminen

         itsenäiseen työskentelyyn harjaantuminen

         omintakeisuuden ja luovuuden sekä ongelmanratkaisutaitojen kehittyminen

         tarmokkuuden, uutteruuden ja pitkäjänteisyyden kehittyminen,

         myönteisten asenteiden kehittyminen ja opiskelumotivaation lisääntyminen

2. Kokeellisen työskentelyn suunnittelun tavoitteet

Suunnittelun osatavoitteita ovat mm.:

         tutkittavan ilmiön alaan kuuluvaan aikaisempaan tietoon ja teoriataustaan tutustuminen

         ilmiön ominaisuuksista keskustelu, niiden luonnehdinta, tunnistus ja luokittelu

         tutkittavan ilmiön pelkistäminen ja siirtyminen laboratorio-olosuhteisiin

         ilmiössä vaikuttavien muuttujien/suureiden ja oheismuuttujien tunnistaminen

         tutkimuksella vastattavien kysymysten esittäminen, mahdollisen tutkimusongelman muotoilu, tutkimusmenetelmän ja tulosten käsittelymenetelmien valinta

         ennusteiden ja odotusten esittäminen ja/tai hypoteesien muodostaminen

         koejärjestelyn suunnittelu, laitteiden valitseminen

         oheismuuttujien vakiointi ja tutkittavien suureiden välisen riippuvuuden selvittäminen

3. Mittausten suorittamisen tavoitteet

Mittausten suorittamisessa esille tulevia osatavoitteita ovat:

         välineiden sopiva valinta ja laitteiston tarkoituksenmukainen kokoaminen

         tietokoneen ja mittausohjelman käsittelyn, mittausjärjestelmän kokoamisen ja tietokoneen mittalaitekäytön hallinta

         kätevyyden ja taitavuuden kehittäminen välineiden ja mittalaitteiden käsittelyssä

         mittausten ja havaintojen teon hallinta sekä pyrkimys tarkoituksenmukaiseen havainnointitarkkuuteen

4. Tuloksiin liittyvät ja niiden tulkitsemisen tavoitteet

Tavoitteena olevia taitoja ovat:

         mittaustulosten tai havaintojen esittäminen,

         graafisen esityksen laatiminen ja tulkitseminen

         mittaustulosten käsittely ja mallintaminen (akseleiden skaalaus, funktion sovittaminen jne.)

         tulosten käsittely tietotekniikan avulla ja tulosten siirtäminen esimerkiksi tekstinkäsittelyohjelmaan

         havaintojen ja mittaustulosten tulkinta ja johtopäätösten tekeminen sekä tulosten vertaaminen ennusteisiin tai hypoteeseihin

         induktiivisen, deduktiivisen ja analogia-ajattelun kehittyminen

         tulosten vertaaminen aikaisempiin mittaustuloksiin ja teoriaan

         tulosten luotettavuuden, mielekkyyden ja tarkkuuden arviointi sekä tietojen päivittäminen ja epätarkkojen havaintojen korvaaminen tarkemmilla

         tulosten esittäminen ja raportointi

5. Työturvallisuudelle asetettavat tavoitteet

Työskentelyn tavoitteena on kehittää myös turvallista työskentelyä, jota edistää

         siisteyden ja täsmällisyyden noudattaminen

         henkilökohtaisten turvaohjeiden noudattaminen

         oppilastovereiden turvallisuuden huomioon ottaminen

         mittalaitteiden ja koko koejärjestelyn huolellinen ja oikea käsittely

Kun laboratoriotöitä tarkastellaan käsitteiden ja luonnonlakien oppimisen näkökulmasta, niiden tulee tukea mm. tietorakenteiden rakentumista ja tiedon käsittelytaitojen kehittymistä. Tiedon määrä on niin suuri, että kaikkea ei kuitenkaan voida opettaa koulussa, jolloin koulussa tehtävät laboratoriotyöt tulee valita siten, että ne kehittävät oppimaan oppimisen taitoja. Mittausjärjestelmän käytön oppitunnilla tulisi ensisijaisesti tukea luonnontieteellisen tiedon luomisen prosesseja ja kehittää valmiuksia saadun tiedon syvälliseen tulkitsemiseen ja hyväksikäyttöön oppimisprosessissa.

Kun työskentelyssä käytetään hyödyksi tietotekniikkaa, opetustapahtuma voi olla hyvin monipuolinen. Tietotekniikan hyödyntäminen ei aina ole ongelmatonta sillä ohjelma ei varsinkaan aluksi toimi aina käyttäjän odotusten tai mielikuvien mukaisesti. Ohjelman opettelu vaatii usein pitkäjänteisyyttä ja samalla valmiutta jatkuvaan uusien asioiden opetteluun. Kun ohjelman käyttö hallitaan, aikaa säästyy mm. itsenäiseen ajatteluun, ideointiin ja monipuoliseen kommunikointiin.

Opetuksen työtavat

Opetuksen ja opiskelun päämääränä on, että oppilaat saavuttavat opetukselle asetetut tavoitteet, eli oppivat opetussuunnitelmassa ilmaistut tiedot ja taidot. Esimerkiksi pienessä ryhmässä opiskelulle opettaja on voinut asettaa tavoitteeksi käsitteiden oppimisen sekä yhteistyö- ja vuorovaikutustaitojen oppimisen. Jotta tavoitteisiin päästäisiin, opetustilanteeseen joudutaan valitsemaan sopivat opetusmuodot (Kari 1991, 103) eli opetusmenetelmät eli opetuksen työtavat (Lahdes 1986, 293) siten, että ne kehittävät oppilasta monipuolisesti asetettujen tavoitteiden suunnassa. Peruslähtökohtana didaktisessa ajattelussa on se, että opettajalla on oltava asiantuntemus ja taito valita kussakin opetus-oppimistilanteessa siihen parhaiten sopiva työtapa laajasta mahdollisten työtapojen tai pedagogisten lähestymistapojen joukosta.

Lahdes (1986, 293–328) määrittelee opetuksen työtavan siksi tieksi, jota pitkin opettajan ja oppilaan välinen vuorovaikutustapahtuma ohjataan kulkemaan. Meisalon ja Erätuulen (1985, 82) mukaisesti voidaan Lahdeksen määritelmää täsmentää siten, että se soveltuu paremmin luonnontieteiden opetuksen tarpeisiin: Työtapa määritellään luonnontieteiden didaktiikassa siksi tieksi, jota opettajan ja oppilaiden työskentely etenee inhimillisen vuorovaikutuksen, luonnon kanssa tapahtuvan vuorovaikutuksen sekä työskentelyyn liittyvän loogisen ajatteluprosessin avulla kohti asetettuja tavoitteita.

Needelsin ja Gagen (1991) mukaan fysiikan ja kemian oppimistuloksia on hankala selittää tietyn työtavan käytön tai opettajan käyttäytymisen perusteella, mutta oppimistuloksiin on todettu vaikuttavan mm. luokan ominaisuudet ja työskentelytottumukset. Leach ja Scott (2000, 54) perustelevat opetuksen ja oppimisen tutkimuksen tuloksilla, että fysiikan ja kemian opetuksen ja oppimisen prosessi on kompleksinen eikä sitä voida jakaa hyvin määriteltyihin vain tiettyä työtapaa sisältäviin jaksoihin. Opettajan on kuitenkin hyvä tuntea erilaisten työtapojen vahvuuksia ja heikkouksia ja tuntea myös kiinnostus- ja motivaatiotutkimuksen tulokset sekä valita aina kulloiseenkin luokkatilanteeseen tarkoituksenmukaisin työtapa (Meisalo & Lavonen, 1994; Lavonen & Meisalo, 2004).

Opetuksen työtapoja voidaan luokitella erilaisiin ryhmiin esimerkiksi vuorovaikutuksen luonteen, opetuksen tavoitteiden, tiedon välittymistavan, sisältöjen ja oppimisprosessin perusteella (ks. esim. Lahdes 1986, 294–295; Aebli 1991, 23). Joyce ja Weil (1996) ovat analysoineet opetukselle asetettavia tavoitteita ja luokitelleet työtavat tavoitteiden perusteella neljään ryhmään: tieto- ja prosessikeskeiset työtavat, persoonallisuuden kasvun työtavat, sosiaalisen vuorovaikutuksen työtavat ja tunteita ja vapautuneisuutta korostavat työtavat. Ryhmittely ei ole dikotominen ja työskentely esimerkiksi kokeellisten oppilastöiden aikana voi olla kaikkia edellä mainittuja luokkia työskentelyn eri vaiheissa lähestyvä työtapa. Seuraavassa tarkastellaan fysiikan ja kemian opetuksen tavoitteiden kannalta tarkoituksenmukaista työtapojen ryhmittelyä (ks. lisää Meisalo & Lavonen, 1994).

Voidaan tietysti kysyä, miksi työtapoja pitää luokitella. 1970-luvulla luonnontieteiden didaktiikan alkutaipaleella Suomessa pohdittiin, mikä olisi paras tai tehokkain tapa opettaa luonnontieteitä, jolloin luokitteluja tarvittiin työtapojen vertailuun (esim. Enkenberg 1981). Nykyään ollaan kiinnostuneita oppilaan persoonallisuuden monipuolisesta kehittämisestä, jolloin työtapojen luokittelu auttaa mm. opettajaa valitsemaan työtapoja monipuolisesti. Näin opettaja pystyy tietoisesti kehittämään oppilasta monipuolisesti ja toisaalta rikastuttamaan oppilaiden oppimiskokemuksia. Ajatteluprosessin looginen luonne on yksi työtapojen luokittelukriteeri. Ajatteluprosessia ja oppimista on tarkasteltu jo edellä tieteenfilosofian ja oppimispsykologian näkökulmasta. Ajatteluprosessin merkitystä voidaan tarkastella myös yksittäisessä työtavassa.

Työtapojen ryhmittely sosiaalisen vuorovaikutuksen luonteen perusteella

Tyypillisesti työtavat ryhmitellään kolmeen ryhmään, kun luokitteluperusteena on sosiaalisen vuorovaikutuksen luonne: opettajan johdolla opiskelu, pienessä ryhmässä opiskelu ja itsenäinen opiskelu. Esimerkiksi Lahdeksen (1986, 294 - 295) esittämää työtapojen ryhmittelyä opettajan ja oppilaiden välisen sosiaalisen vuorovaikutuksen luonteen pohjalta voidaan soveltaa fysiikan ja kemian työtapojen ryhmittelyyn seuraavasti:

1. Opettajan johdolla etenevä opetus 
- opettaja opettaa uutta asiaa tekemällä taululle/kalvolle muistiinpanoja
- opettaja ratkaisee taululla/kalvolla erilaisia ongelmia/laskutehtäviä (mukana myös nk. kyselevää opetusta)
- keskustelu opettajan johdolla käsitteistä ja/tai tehtävistä (opetuskeskustelu)

2. Oppilaat työskentelevät pienessä ryhmässä (oppilaiden johdolla etenevä opiskelu)
- oppilaat keskustelevat pienissä ryhmissä käsitteistä ja tehtävistä
- oppilaat ratkaisevat tehtäviä oppitunnilla pienissä ryhmissä
- oppilaat tekevät projektitöitä tai ryhmätöitä
- oppilaat väittelevät tai osallistuvat roolileikkiin

3. Oppilaan mukaan etenevä opetus
- oppilaat työskentelevät itsenäisesti erilaisten ongelmien tai tehtävien parissa oppitunnilla
- oppilaat opiskelevat lukemalla oppikirjaa
- oppilaat opiskelevat lukemalla tietokirjoja / sanoma- tai aikakauslehtiä
- oppilaat opiskelevat kirjoittamalla esimerkiksi esseitä, referaatteja tai kertomuksia

Opettajan johdolla etenevää opetusta moititaan usein siitä, että se ei aktivoi oppilasta opiskelemaan eikä erityisesti aktivoi oppilaan korkeampia ajattelutoimintoja (analysointi, synteesin tekeminen ja arviointi). Toisaalta esimerkiksi Carlsen (1999) tukeutuu pedagogiseen sisältötietoon (Pedagogical content knowledge) liittyvään tutkimuksen ja perustelee, että luokassa vain opettaja kykenee muokkaamaan opiskeltavan aineksen sellaiseen muotoon, että oppilas voi sen omaksua. Opettaja on ainut luokassa oleva oppimisen asiantuntija, joka tuntee oppilaiden oppimisvaikeudet ja oppilailla olevat opiskeltavan tiedonalan ennakkokäsitykset. Sen tähden fysiikan ja kemian oppimisen näkökulmasta saattaa olla kaikkein tehokkainta, jos opiskelu tapahtuu asiantuntijan johdolla, joka välillä esittää uutta tietoa ja välillä osoittaa, kuinka ko. tietoa käytetään ongelmien tai tehtävien ratkaisemisessa sekä välillä johtaa keskustelua luokassa. Myös Bransford, Brown ja Cocking (2000, 31) perustelevat moderniin oppimistutkimukseen nojautuen, että vain opettaja sopivia kysymyksiä apuna käyttäen pystyy ohjaamaan oppilaita esittämään selityksiä havaituille ilmiöille tai auttamaan oppilaita muotoilemaan johtopäätöksiä sekä rakentamaan käsitteille merkityksiä.

Kun oppilaat työskentelevät pienessä ryhmässä (oppilaiden johdolla etenevä opiskelu), opiskelussa korostuu oppilaiden välinen sosiaalinen vuorovaikutus. Käytännössä oppilaat keskustelevat aktiivisesti, jakavat kognitiivisia resurssejaan, asettavat tavoitteita ja sopivat työskentelytavoista yhdessä, ratkaisevat ongelmia, parantelevat ratkaisuja sekä arvioivat tuotoksiaan ja työskentelyään. Oppilaiden johdolla etenevä opiskelu edellyttää oppilaiden työskentelyn ohjaamista. Oppilaat voivat oppia pienessä ryhmässä työskennellessään sekä käsitteitä että työskentelytaitoja, heidän käsityksensä luonnontieteiden olemuksesta syvenee sekä heidän korkeammat ajattelutoiminnot aktivoituvat ja kehittyvät (Solomon, 1987). Lazarowitzin ja Tamirin (1994) laatiman yhteenvedon perusteella pienessä ryhmässä opiskelu vaikuttaa oppilaiden kiinnostukseen ja asenteisiin luonnontieteitä kohtaan positiivisesti. Toisaalta esimerkiksi Springer, Donovan ja Stanne (1999) esittävät, että pienessä ryhmässä opiskelun positiivisesta vaikutuksesta käsitteiden oppimiseen ei ole selkeää ja kiistatonta tutkimustietoa ja, että pienessä ryhmässä opiskelu on käsitteiden oppimisen kannalta tehotonta.

Kokeelliset työtavat

Fysiikan ja kemian opetuksessa kokeellista työskentelyä on pidetty itsestään selvänä opetuksen työtapana jo Galilein ajoista lähtien (Duit & Confrey, 1996, 86–87). Opetukseen liittyvä kokeellisuus on perinteisesti mielletty demonstraatioiden ja oppilastöiden tekemiseksi tai työskentelyksi laajempien tutkimusten ja projektien parissa (Wellington, 1998, 12). Kokeellisten työtapojen merkitystä on perusteltu siten, että (i) ne voivat tukea käsitteiden ja (ii) kokeellisten työskentelyn taitojen oppimista sekä (iii) luonnontieteiden luonteen hahmottamista. Kokeiden tekeminen on raportoitu (iv) lisäävän oppilaiden kiinnostusta ja kehittävän asenteita positiivisemmaksi luonnontieteitä kohtaa sekä (v) kehittävän oppilaan persoonallisuutta monipuolisesti (Wellington 1998, 6).

Oppilaan tekemällä kokeella (luonnontutkimustehtävällä, vrt. Erätuuli & Meisalo 1985) tarkoitetaan kokeellista toimintaa, jossa oppilas määrätietoisesti tutkii luonnonilmiötä, suunnittelee koejärjestelyä ja tulkitsee tuloksia (ks. myös Peacock, 1990, 6–34, Wellington 1989, 5–82, Qualter et al. 1990, 4, Erätuuli & Meisalo 1991, 4, Adey 1992, 140). Opettajan esittämällä demonstraatiolla tähdätään lähinnä käsitteiden oppimiseen.

Toisaalta tutkijat eivät ole yksimielisiä kokeellisen työskentelyn, kuten oppilastöiden, vaikutuksesta käsitteiden oppimiseen. Esimerkiksi Watson, Prieto, ja Dillon (1995) havaitsivat että kokeellisen työskentelyn määrän lisääminen ei lisännyt oppilaiden ymmärrystä, käsitteiden oppimista. Opetuksen kokeellisuus voi siis jäädä helposti irralliseksi osaksi muuta opiskelua. Se ei itsessään tue käsitteiden ja periaatteiden käyttöönottoa. Hodson (1996A) on esittänyt, että kokeellisella työskentelyllä on merkitystä vatsa, kun sekä opettaja että oppilas on ymmärtänyt kokeelliselle työskentelylle asetettavat tavoitteet. Siksi on tärkeää pohtia laaja-alaisesti kokeelliselle työskentelylle asetettavia tavoitteita, kuten käsitteiden, kokeellisen työskentelyn ja yhteistyötaitojen oppimista, oppilaiden kanssa yhdessä.

Tiedon käsittelyn työtavat

Bransford, Brown ja Cocking (2000, 9) perustelevat, että asiantuntijan kyky ajatella ja ratkaista ongelmia perustuu hyvään tiedonalan tietojen ja tietojen käsittelytaitojen hallintaan. Asiantuntija pystyy tunnistamaan asiantuntemuksensa alalla ongelmia ja ratkaisemaan niitä tehokkaasti. Asiantuntija pystyy esimerkiksi havaitsemaan informaatiosta (verkkosivu, kirja, mittausaineisto) olennaisia asioita ja hahmottamaan suuresta määrästä informaatiota tuttuja rakenteita eli järjestämään tätä informaatiota − noviisi ei tähän pysty. Ero asiantuntijan ja noviisin välillä tiedon jäsentämisessä ja ongelmien ratkaisemisessa perustuu siihen, että vain asiantuntijalla on tiedonalan keskeisten keskuskäsitteiden (big ideas) ympärille ryhmittynyttä tai järjestynyttä tietoa. Nämä keskuskäsitteet ohjaavat ekspertin ajattelua ja sen pohjalle rakentuvaa ongelmanratkaisua.

Tiedon käsittelyllä tarkoitetaan keinoja, joilla yksilö käsittelee ympäristön ärsykkeitä, järjestää niitä, tunnistaa ja ratkaisee ongelmia, kehittelee käsitteitä ja omaksuu uutta tietoa. Tiedon käsittelyyn harjaannuttavien työtapojen, kuten lukeminen, kirjoittaminen ja erilaisten graafisten tiedonesittämismenetelmien käytön on tarkoitus kehittää käsitteiden oppimisen lisäksi oppilaiden tiedon hankkimisen, käsittelyn ja arvioinnin taitoja.

Muuntamalla kirjoittamista esimerkiksi prosessikirjoittamisen tai lukemista vastavuoroinen lukemisen suuntaan oppilaat saadaan tehokkaammin käsittelemään ja prosessoimaan tietoa (ks. lisää Bentley & Watts, 1989). Prosessikirjoittamisen keskeinen idea on nimensä mukaisesti se, että kirjoittaminen on prosessi, johon kuuluu tekstin muokkaaminen (ks. isää White & Arndt, 1991). Vastavuoroisessa lukemisessa oppilaita ohjataan konstruoimaan uutta tietoa prosessoimalla luettavaa tekstiä ryhmässä (Palincsar & Brown, 1984).

Trowbridge ja Wandersee (1989, 117) ovat esittäneet, että opetuksessa on tarkoituksenmukaista käyttää sellaisia opetusmenetelmiä, jotka tukevat käsitteiden välisten linkkien ja verkkojen muodostumista. Bransford ym. (2000, 40) suosittelevat, että opetuksessa (opettajan esityksessä) ja opiskelussa (opiskelijan omatoimisessa opiskelussa tai pienessä ryhmässä opiskeltaessa) käytettäisiin erilaisia graafisia ja hierarkkisia tiedonesittämismenetelmiä (network presentation, graphical presentation, hierarchical chart, concept map), joiden avulla opiskelijat yksin tai yhdessä voivat järjestää käsitteitä hierarkkisesti tai organisoida tietoa hierarkioiden muotoon. Tähän tarkoitukseen soveltuvat opettajan esitykseen kehitetyt kaviot, kuten ennakkojäsentäjät ja oppilaan opiskeluun kehitetyt mielle- tai käsitekartat, jotka ovat jollakin tiedonalalla kaksiulotteisia kyseisen tiedonalan keskeisten käsitteiden ja niiden välisten suhteiden hierarkkisia esityksiä ja joissa tiedonalan keskeiset käsitteet on yhdistetty linkeillä (nuolilla tai viivoilla) ja linkit on mahdollisesti nimetty käsitteitä yhdistävillä sanoilla siten, että sana selittää linkin luonteen.

Kriittisyyteen ja luovuuteen ohjaaminen

Ajattelun taidot voidaan jakaa kahteen ryhmään: (i) kriittinen/tieteellinen/systemaattinen/ analyyttinen/vertikaalinen ajattelu ja (ii) luova/intuitiivinen/divergentti/lateraali ajattelu (Fisher, 1990). Luonnontieteissä ja luonnontieteiden opetuksessa korostetaan perinteisesti kriittistä ajattelua. Oppilaita kannustetaan perustelemaan vastauksensa ja esittämänsä väitteet sekä esittämään laskutehtävän ratkaisussa perustelut käytetyille ”kaavoille”. Perustelut voivat nojautua esimerkiksi voimakuvion tarkasteluun tai luonnonlain, johon ratkaisu perustuu, nimeämiseen ja sen pätevyysalueen toteamiseen. Kun tunnilla esitetään demonstraatioita tai oppilaat tekevät oppilastöitä, heidän edellytetään tekevän havaintojen ja mittausten perusteella johtopäätöksiä ja perustelemaan johtopäätöksensä havaintoihin ja mittauksiin perustuen sekä arvioimaan mahdollisia virhelähteitä ja mittauksissa olevaa virhettä. Edellä kuvattuun kriittiseen ajatteluun, tieteelliseen ajatteluun, oppilaita kannustetaan siis käytännössä eri toimintojen yhteydessä jatkuvasti. Paljon harvemmin luonnontieteiden oppitunnilla oppilaita kannustetaan luovaan ajatteluun, vaikka fysiikan ja kemian opetuksessa tarkastellaan lukuisia ideointiin suorastaan yllyttäviä aiheita, kuten energian säästäminen ja tuotteiden kierrätys. Luovuutta tarvitaan myös, kun suunnitellaan koejärjestelyjä tai pohditaan mittalaitteen käyttämistä.

Monet luonnontieteiden opetuksen tutkijat ja kehittäjät ovatkin vaatineet, että luonnontieteiden opiskelussa oppilaita tulisi kannustaa luovaan toimintaan, jolloin heitä pitäisi "ohjata" realistisen, huonosti määriteltyjen ja mielekkäiden ongelmien äärelle. Tällöin opiskelu olisi autenttista, itseohjautuvaa ja reflektiivistä (esim. Dooley, 1997). Luovaa toimintaa vaikeuttavat perinteiset ajattelutavat ja asenteet sekä ajattelua kahlitseva kontrolli: totutuista ajattelutavoista ja malleista on vaikea päästä irti (Fisher, 1990, 112). Sen tähden luovassa toiminnassa tarvitaan tueksi erilaisia menetelmiä ja luovan ongelmanratkaisuprosessin prosessiluonteen tuntemusta. Luovassa ongelmanratkaisuprosessissa yhdistetään tietoja, asioita, olioita tms. niin, että tulos on tekijälleen uusi (Fisher, 1990, 29-31). Luovaan ongelmanratkaisuprosessiin kuuluu ongelman tai parannusmahdollisuuden huomaaminen, siihen liittyvien tosiasioiden ja näkemysten tunnistaminen, tavoitteenasettelu ja visioiminen, lähestymistapojen ja ideoiden tuottaminen, ideoiden arvioiminen ja ratkaisun valitseminen, hyväksyttäminen sekä toteuttaminen. Luovasti tuotettujen ratkaisujen toivotaan olevan uusia ja ratkaisevan samalla kertaa monia asioita.

Vierailijat luokassa ja oppilaiden vierailut

Fysiikan ja kemian opetuksen tavoitteena on tuoda esille, miten luonnontieteellistä tietoa sovelletaan esimerkiksi teknologiassa ja lääketieteessä. Sovelluksiin voidaan paneutua luonnollisesti koululuokassa ja tukeutua oppikirjaan. Oppitunneilla voidaan käyttää myös oppimateriaalina erilaisia yritysten kustantamia materiaaleja, tiede- ja sanomalehtiä tai luokkaan voidaan kutsua luokaan ulkopuolinen asiantuntija vieraaksi. Luonnollinen tapa tutustua sovelluksiin on järjestää vierailu esimerkiksi museoon, sopivaan näyttelyyn tai tiedekeskukseen tai vierailla sopivassa yrityksessä, teollisuuslaitoksessa tai tutkimuslaitoksessa (Kuitunen & Meisalo, 1988).

Vierailujen on raportoitu lisäävän ja syventävän oppilaiden kiinnostusta luonnontieteitä kohtaan sekä helpottavan keskustelua luonnontieteellisen tiedon soveltamisesta ja käytöstä mm. teollisuudessa ja lääketieteessä. (Langsford, 2002). Oppilaat suhtautuvat positiivisesti tieteen tekijöiden, teollisuuden edustajien ja teollisuustyöntekijöiden puheenvuoroihin ja keskustelevat mielellään heidän kanssaan (Bruce, S. & Bruce, B., 2000).

Työtapojen ryhmittely työtapa-avaruudessa

Opetuksen työtapojen luokitteluperusteita on tarkoituksenmukaista tarkastella moniulotteisessa avaruudessa, koska työtapojen luokittelusta vain yhdestä näkökulmasta käsin syntyy helposti sellainen mielikuva, että luokitteluperusteet ovat toisensa poissulkevia "valintoja". Työtapa-avaruuden pedagogisia ulottuvuuksia voivat tällöin olla esimerkiksi (i) sosiaalinen vuorovaikutus, (ii) yhteys luontoon, (iii) ajatteluprosessin looginen luonne ja (iv) käyttöliittymän luonne. Ulottuvuus 'käyttöliittymä' voisi olla esimerkiksi mekaaninen (tiimalasi), analoginen (viisarikello), digitaalinen (digitaalikello) tai tietokone (mittausjärjestelmä).

Kukin edellisessä kappaleessa mainittu luokitteluperuste sisältää oman alaluokittelunsa (Meisalo & Erätuuli 1985, 81; Meisalo & Tella 1987, 69-71; Meisalo, V. Sutinen, E. Tarhio, J. 2000). Ensimmäinen perusulottuvuus on sosiaalisen vuorovaikutuksen perusteella tehty luokittelu. Sen alaluokkina voivat olla: opettajajohtoinen työskentely, itsenäinen työskentely, parityöskentely, ryhmätyöskentely, yhteistyö muiden ryhmien kanssa, koko koulun oppilasprojekti.

Toinen perusulottuvuus on ajattelu- ja päättelyprosessien luonne ts. kongnitiivisten prosessien taso, jonka alaluokkien lähtökohtana on Gagnén psykologisen teorian pohjalta tehty luokittelu: muistaminen ja mieleen palauttaminen, tiedon luokittelu, tiedon jäsentely, ja kokonaisuuksien muodostaminen. Ulottuvuutta voidaan laajentaa ottamalla huomioion päättelyprosessin luonne: induktio, deduktio ja analoginen päättely sekä symmetria-ajattelu. Esimerkiksi luonnontieteelliselle tutkimukselle on oleellista, että oppilas muodostaa olemassa olevien tietojensa pohjalta mahdollisesti omakohtaisesti tai ryhmässä intuitiota käyttäen hypoteeseja, joita hän sitten testaa oppilastöissä tai opettajan esittämässä demonstraatiossa. Tässä vuorottelevat siis induktiivinen ja deduktiivinen päättely.

Kolmas ulottuvuus kuvaa työskentelyn konkreettisuusastetta: konkreettisista havainnoista abstrakteihin operaatioihin. Alaluokat voivat siten olla: välittömästi luontoon kohdistuvat havainnot, mittaukset ja eksperimentit, havainnollistavien konkreettien mallien (esim. molekyylien pallotikkumallit) hyväksikäyttö, kuvat, simulaatio, matemaattisten mallien eli luonnontieteellisen teorian hyväksikäyttö.

Kuvio 11. Opetuksen työtapojen kolme keskeistä didaktista ulottuvuutta 

Pedagogisten ulottuvuuksien muodostaman avaruuden akseleita voidaan muunnella tarpeen mukaan: Kun luonnontieteiden opetuksessa käytetään apuna tieto- ja viestintätekniikkaa, opetuksen työtapoja on tarkoituksenmukaista tarkastella kolmiulotteisessa avaruudessa, jonka yhtenä ulottuvuutena on käyttöliittymän luonne. Käyttöliittymällä tarkoitetaan tässä tapauksessa mekaanista, analogista tai digitaalista liittymää tai vielä laajemmin tietotekniikan monipuolista käyttöä. Tietokonetta käytettäessä käyttöliittymänä voi olla kirjoituskonenäppäimistö, peliohjain, hiiri jne. Käyttöliittymän luonteeseen liittyy myös mm. käyttöliittymän ja mittausjärjestelmän helppokäyttöisyys, loogisuus, ohjattavuus, antureiden käytön monipuolisuus ja helppous.

Muiksi ulottuvuuksiksi voidaan valita didaktisen prosessin luonne sekä opetuksen sisältö. Didaktinen prosessi voi olla mm. lineaarinen (jolloin prosessi etenee selkeiden  "reseptinomaisten ohjeiden" mukaan. Prosesilla on selkeä alku- ja päätepiste.); spiraalinen (jolloin prosessi etenee kulloisenkin tilanteen mukaan. Prosessissa voidaan palata takaisin esim.aikaisempiin tilanteisiin.); projektinomainen (jolloin tilanteisiin vaikuttavat myös oppilaat ja opettajan ohjaus vähenee.); tai itseohjautuva (jolloin oppilaan itsenäinen, aktiivinen rooli korostuu). Opetuksen sisältö käsittää opetettavan tai opiskeltavan aiheen. Esimerkiksi aineen rakenteen kurssilla edetään alkeista aina vaativimpiin asioihin, joissa tarvitaan jo tietämystä useammilta osa- alueilta: atomimalli (kurssin perusasia, johon muiden asioiden ymmärtäminen perustuu.); molekyylit ja yhdisteet (Aineen rakentuminen, atomimallin hyödyntäminen molekyylirakenteiden esittämisessä.); aineen tunnistaminen (Jotta aine on tunnistettavissa on hallittava aineenrakenteen perustiedot sekä tutkimusmenetelmät esim. sirontakokeet, spektrometria...): galaksien ja planeettojen rakenteet (Kokonaisuus voidaan laajentaa "arkipäivän" kokemusten ulkopuolelle. Ihminen on tehnyt päätelmiä mm. maailmankaikkeuden synnystä aineenrakenteen selvittämiseen tarvittavin menetelmin.)

Kolmiulotteisen avaruuden, joka on leikkaus kaikkien ulottuvuuksien avaruudesta, ulottuvuudet voidaan siis valita tilanteen mukaan. Opetustaan suunniteltaessa opettaja voi tarkastella vaihtoehtoja edellä esitellyllä tavalla. Ulottuvuuksien valinta riippuu siis niistä painotuksista, joita opetuksessa halutaan huomioida. Työskentely luokassa sisältää jokaisesta luokasta aina jonkin alakohdan. Työtavan valintaan vaikuttavat mm. myös seuraavat ulottuvuudet 'opettavan aineksen käsiterakenne', 'oppilaiden kehitystaso', 'koulun tarjoamat mahdollisuudet' ja 'oppilaiden aiemmat tiedot opetettavista asioista'.

  

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

Allen, A., Black, P. & Wallin, H. 2002. An evaluation report on the LUMA programme prepared for the Ministry of Education. Ministry of Education committee reports 48:2002. Available in the Internet [http://www.minedu.fi/julkaisut/julkaisusarjat/48_02LUMAreport/48_02LUMAreport.pdf]  

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.

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.

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.

Bruce, S. P. & Bruce, B. C. 2000. Constructing images of science: people, technologies, and practices. Computers in Human Behavior, 16(3), 241-256.

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.

Carlsen, W. 1999. Domains of teacher knowledge. In J. Gess-Newsome and N.G. Lederman (Eds.), Examining Pedagogical Content Knowledge. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 133–144.

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, 41-50.

Crawley, F.E. & Black, C.B. 1992. Causal Modelling of Secondary Science Students 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. 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.

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.

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

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. 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

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.

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). 353-363.

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

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 (4), 369-408.

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

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.

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.

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

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. American Journal of Physics, 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. 1990. A Critical Look at Practical Work in School Science. School Science Review, 71. 33–40.

Hodson, D. 1996a. Laboratory work as scientific method: three decades of confusion and distortion. Journal of 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.,.

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

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.

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

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. 1996. Models of Teaching 5th edn. Boston: Allyn and Bacon.

Justi, R. & Gilbert, J. 2002. Modelling, teachers' views on the nature of modelling, and implications for the education of modellers. International Journal of Science Education, 24, 369-387.

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

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.

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. Hillsdale, NJ: Erlbaum, 3-25.

Kuitunen, H. & Meisalo, V. 1988. Science and technology education and industry. In C. Layton (Ed.) Innovations in science and technology education 2. Paris: UNESCO, 141-154.

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.

Langsford, S. 2002. Museums as resources for science teaching. Australian Primary & Junior Science Journal, 18(1), 17-19.

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., 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., 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., 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.

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 

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

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

LUMA- Programme. 2004. Finnish Know-how in Mathematics and Natural Sciences in 2002. Available in the Internet [http://www.minedu.fi/minedu/education/luma/finn_knowhow.html]

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.

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.

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. Helsinki: 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., Sutinen, E. ja Tarhio, J. 2000. Modernit oppimisympäristöt - tietotekniikan käyttö opetuksen ja oppimisen tukena. WS Bookwell Oy, Juva.

Millar, R. & Driver, R. 1987. Beyond processes. Studies in Science Education, 14, 33–62.

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. 2002. Finnish knowledge in mathematics and sciences in 2002: Final report of LUMA programme. Helsinki: The Ministry of Education. Available in the Internet [http://www.minedu.fi/julkaisut/pdf/102_2LUMAeng/103LUMA.pdf]

NBE (National Board of Education) 2004. LUMA development programme. Available in the Internet [http://www.oph.fi/SubPage.asp?path=1;443;3218;6717;7806]

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. 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. 2003b. 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), 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

Posner, G., Strike, K., Hewson, P., & Gertzog, W. 1982. Accommodation of a scientific conception: Toward a theory of conceptual change. Science Education, 66(2), 211-227.

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. & Roychoudhury, A. 1993. The Development of Science Process Skills in Authentic Contexts. Journal of Research in Science Teaching, 30 (2), 127 – 152.

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

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

Sahlberg, P. 1996. Kuka auttaisi opettajaa: Post-moderni näkökulma opetuksen muutokseen yhden kehittämisprojektin valossa. Jyväskylä: Jyväskylä studies in education, psychology and social research 119. Jyväskylän yliopisto.

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

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

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. In 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

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.

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

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.

Trowbridge, J.E. & Wandersee, J.H. 1989. Theory-Driven Graphical Organizers. In J.J Mintzes, J.H Wandersee & J.D.Novak (Eds.), Teaching Science for Understanding: A Human Constructivistic View. San Diego: Academic Press, 117.

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. (Ed.) 1989. Skills and processes in science education, A critical analysis. London: Routledge.

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.

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

 

 

 

Päivittäjä: malux-edu@helsinki.fi