Ongelmallinen energian säilymisen periaate - uusi menetelmä auttaa oppimaan

Väitös fysiikan alalta

Väittelijä FM Risto Leinonen

Väitösaika ja -paikka 25.10.2013, 12.00, M102, Joensuun kampus

Energian käsitettä pidetään yleisesti fysiikan ja luonnontieteiden keskeisimpänä, sillä sen hyödynnettävyys ja ymmärtämisen tarve nousevat esiin kaikissa luonnontieteiden ja tekniikan osa-alueissa. Käsitteen yleisyydestä ja laaja-alaisuudesta seuraa myös erityisiä vaatimuksia energian opettamiselle ja oppimiselle. Käsitteen luonnetta opitaan jo mekaniikassa, mutta merkitys laajenee vasta lämpöopin pääsääntöjen sisäistämisen kautta.

Näennäisen yksinkertaiselta kuulostavan energian säilymisen periaatteen soveltaminen yläkoulun ja lukion lämpöopissa on osoittautunut hankalaksi, ja se aiheuttaa ongelmia opiskelijoille vielä yliopistossakin. FM Risto Leinosen Itä-Suomen yliopistossa tarkastettavassa monitieteellisessä väitöskirjassa osoitetaan, että energiansäilymislain ymmärrystä voidaan parantaa täydentämällä perinteistä fysiikan luento-opetusta kehitetyllä opetusinterventiolla.

Väitöskirjan osajulkaisuissa käsitellään yliopisto-opiskelijoiden ongelmia lämpöopin oppimisessa opintojen eri vaiheissa. Artikkeleissa osoitetaan, että yläkoulu-, lukio- ja yliopisto-opetus jättää opiskelijoille perustavanlaatuisia virhekäsityksiä lämpöopin sisällöistä. Opiskelijoiden selitykset perustuvat intuitiivisiin ja arkipäiväisiin selityksiin sen sijaan, että he käyttäisivät fysikaalista maailmaa täsmällisemmin kuvaavia periaatteita ja malleja. Esimerkiksi fysiikassa selkeästi erillisiksi määritellyt käsitteet lämpötila, lämpö ja lämpöenergia ymmärretään usein synonyymeiksi. Monesti opiskelijat tukeutuvat selityksissään epätäsmällisiin hiukkasten liikkeen ja niiden välisten törmäysten tarkasteluihin.

Perinteistä fysiikan luento-opetusta täydentämään rakennettiin aiempaan tutkimukseen ja oppimisen teoriaan perustuva opetusinterventio, jonka aikana opiskelijoilla on mahdollisuus uudelleen konstruoida ja eheyttää aiemmassa opetuksessa käsiteltyjä asiasisältöjä tavoitteena asiakokonaisuuden holistinen hallinta. Keskeisessä roolissa tässä prosessissa on tutkimuspohjainen opetusmateriaali ja opiskelijoiden välisen vuorovaikutuksen hyödyntäminen. Opetusinterventio osoittautui tehokkaaksi tavaksi täydentää perinteistä opetusta ilman, että luennoitsijalta vaaditaan kohtuutonta määrää ylimääräistä työtä.

Tutkimustuloksia voidaan soveltaa myös muilla koulutasoilla ja muissa fysiikan osa-alueissa. Raportoitujen virheellisten käsitysten syntymiseen olisi mahdollista puuttua jo yläaste- ja lukio-opetuksen aikana. Tämä edellyttää, että koulujen opettajilla on valmiudet tunnistaa havaittuja ongelmia. Kehitettyä opetusinterventiota on mahdollista hyödyntää myös lukion lämpöopin kurssilla ja näin auttaa opiskelijoita käsitteiden sisäistämisessä ja ilmiöiden täsmällisemmässä selittämisessä. Intervention perusajatusta voidaan soveltaa myös muiden fysiikan osa-alueiden opetuksessa, sillä tietoa oppimisen ongelmista ja hyödynnettävää tutkimuspohjaista materiaalia löytyy kirjallisuudesta runsaasti.