A Historical Approach to Children’s Physics Education: Modelling of DC-circuit Phenomena in a Small Group

Julkaisun otsikon käännös: Historiallinen lähestymistapa lasten fysiikan opetukseen: Tasavirtapiirin ilmiöiden mallintaminen pienryhmässä

Tutkimustuotos: OpinnäyteVäitöskirjaMonografia

Abstrakti

Tutkimuksessa kuvataan tasavirtapiirin ilmiöiden mallinnusprosesseja kolmivaiheisessa kehittämistutkimuksessa. Ensimmäisessä vaiheessa analysoidaan tasavirtapiirin historiallisten mallien kehittymistä Voltan parin rakentamisen yhteydessä 1700- ja 1800-lukujen taitteessa. Toisessa vaiheessa suunnitellaan peruskoulun kolmasluokkalaisille opetuskokeilu, jonka tekemisessä hyödynnetään muun muassa ensimmäisen vaiheen tuloksia sekä tutkimustietoa oppilaiden tasavirtapiirin mentaalimalleista. Tutkimuksen kolmas vaihe on suunnitellun opetuskokeilun toteuttaminen, jossa tutkitaan tasavirtapiirin ilmiöitä koskevien ulkoisten representaatioiden kehittymistä kolmasluokkalaisten pienryhmässä.

Tutkimuksen tavoitteena on ollut etsiä uusia tapoja ohjata oppilasta oppimaan tasavirtapiirin ilmiöitä kvalitatiivisen tason ymmärtämistä painottaen, jolloin vaikeaksi ja abstraktiksi koettua sähköoppia voisi oppia kokonaisvaltaisemmin. Erityisesti pienten koululaisten sähköopin oppimisen tutkiminen on jäänyt kansainvälisestikin vähemmälle huomiolle, vaikka tasavirtapiirin ilmiöitä opetetaan myös alemmilla luokilla. Tutkimuksen tulokset ovat tärkeitä, koska peruskoulun alaluokkien luonnontieteiden opetusta on Suomessa vahvistettu ja pyritään kehittämään.

Tutkimuksen teoreettisessa osassa luodaan kokeellisuuden roolia oppilaan representaatioiden kehittymisessä korostava lähestymistapa, kokeellisuuskeskeinen representaatioiden kehittyminen. Lähestymistavan mukaan oppiminen kvalitatiivisella tasolla koostuu empiirisistä operaatioista kuten kokeileminen, havaitseminen, hahmottaminen ja luonnonilmiöiden esikvantifiointi sekä mallintavista operaatioista kuten selittäminen ja päättely. Opetuksen suunnittelun lisäksi uutta lähestymistapaa voidaan käyttää myös analyysivälineenä sekä historiallisen mallinnuksen että oppilaan representaatioiden kehittymisen kuvailussa.

Tutkimuksen ensimmäisen vaiheen tutkimuskysymyksenä on, miten tasavirtapiirin historialliset mallit kehittyivät Voltan aikana. Analyysin perusteella historiallisessa käsitteenmuodostusprosessissa erottuu kolme kvalitatiivista historiallista mallia, jotka sisältävät käsitykset suljetusta virtapiiristä tasavirtapiirin ilmiöiden tapahtumapaikkana, komparatiivisesta sähkövirtailmiöstä erilaisten havaittavien seurausilmiöiden syynä sekä pariston sähköisestä voimakkuudesta sähkövirtailmiön syynä. Nämä mallit kuvaavat Voltan aikaista tasavirtapiirin ilmiöiden käsitteenmuodostusprosessia ja -vaihetta. Mallit esitetään analyysissa käyttäen mallikehyksiä, joissa havaintoihin perustuvat fragmentit ja teoreettiset fragmentit erottuvat toisistaan. Tulokset korostavat kvalitatiivisen käsitteenmuodostuksen tärkeyttä sekä kielen merkitystä tasavirtailmiöiden historiallisessa mallintamisessa. Tästä syystä näitä näkökulmia painotetaan tutkimuksen toisen vaiheen opetuskokeilun suunnittelemisessa. Lisäksi tasavirtapiirin ilmiöiden opetuksen suunnittelussa hyödynnetään historiallisten mallien taustalla olevaa kokeellisuutta.

Tutkimuksen kolmannessa vaiheessa kysymyksenä on, kuinka pienryhmän ulkoiset representaatiot tasavirtapiirin ilmiöistä kehittyvät opetuskokeilun aikana. Kysymys jaetaan kahteen alakysymykseen: Millaista puhetta pienryhmän puheessa ilmenee? Millaisia tasavirtapiirin ilmiöitä koskevia ulkoisia representaatioita pienryhmän puheessa ilmenee opetuskokeilun aikana? Analyysissa havaitaan, että pienryhmän opetuskokeilu onnistui tavoitteessaan aktivoida pienryhmän puhetta. Erityisen onnistuneeksi osoittautui opetuskokeilun suunnitteluvaiheessa kehitettyjen kytkentäkorttien käyttö puheen aktivoijana. Kytkentäkortit ovat virtapiirin komponentteja esittäviä kortteja, joiden avulla oppilaat tekivät erilaisia virtapiirikytkentöjä ja keskustelivat, millaisia ilmiöitä oikeilla välineillä tehdyissä vastaavissa kytkennöissä tapahtuisi.

Pienryhmän puhetta tutkitaan vertaamalla kahta tilannetta, joissa pienryhmä keskusteli samanlaisten ensin kytkentäkorteilla, sitten oikeilla komponenteilla tehtyjen kytkentöjen äärellä. Tuloksena oli, että kytkentäkortteja käytettäessä oppilaiden puheessa ilmeni enemmän korkeamman tason ajattelua sisältävää mallinnusta kuin vastaavassa keskustelussa oikeiden komponenttien kanssa. Vastauksena toiseen alakysymykseen analyysissa kuvataan pienryhmän puheessa opetuskokeilun aikana ilmenneitä ulkoisia representaatioita, jotka esitetään suljetun virtapiirin, sähkövirran ja lähdejännitteen fragmenttikarttojen avulla. Fragmenttikartat esittävät pienryhmän tasavirtapiirin ilmiöitä kuvaavien ulkoisten representaatioiden asteittaista kehittymistä opetus-kokeilun aikana.

Tutkimuksen tulokset haastavat aiemmat tutkimukset sähköopin käsitteiden abstraktiudesta ja vaikeudesta: kolmasluokkalaisten ulkoiset representaatiot kehittyvät selkeästi oppilaan puhetta ja aktiivisuutta korostavan pienryhmäopiskelun aikana. Lisäksi fragmenttikartat paljastavat, että vaikka tyypillisten sähköopin mentaalimallitutkimusten tuloksina saadut tasavirtapiirin ilmiöitä kuvaavat teoreettiset selitykset olisivatkin kehittymättömiä, oppimista tapahtuu tasavirtapiirin ilmiöiden kvalitatiivisen tason ymmärtämisessä.
Julkaisun otsikon käännösHistoriallinen lähestymistapa lasten fysiikan opetukseen: Tasavirtapiirin ilmiöiden mallintaminen pienryhmässä
Alkuperäiskielienglanti
JulkaisupaikkaHelsinki University Print
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-10-4239-3
Sähköinen ISBN978-952-10-4240-9
TilaJulkaistu - 2009
OKM-julkaisutyyppiG4 Tohtorinväitöskirja (monografia)

Lisätietoja

Tiivistelmäosa. - Nimiösivulla myös: Department of Physics, University of Helsinki

Tieteenalat

  • 114 Fysiikka
  • tasavirtapiirin ilmiöt, pienryhmäoppiminen, oppilaan puhe, oppilaiden ulkoiset representaatiot, kytkentäkortit, kokeellisuuskeskeinen representaatioiden kehittyminen, tasavirtapiirin historialliset mallit, alaluokkien sähköopin opetus

Siteeraa tätä