Oppimistilanteen kuvaus

Lukion fysiikassa pidettävän kolmoistunnin aiheena on kaasun lämpötilan, paineen ja tilavuuden keskinäiset suhteet. Tarkemmin ottaen kaikkien suureiden muutoksen vaikutusta toiseen suureeseen tutkitaan: t → p, p → V, V → t, p → t, V → p, t → V.

Kokonaisuus on suunniteltu tutkivan opetuksen ja oppimisen menetelmää mukaillen eli aihealuetta käsitellään fyysikon / tutkijan näkökulmasta. Tutkimusongelmat annetaan nyt valmiina, mutta niitä tarkastellaan kriittisesti: Onko jokin suhde itsestäänselvyys? Miksi kaikkia suhteita tutkitaan myös toiseen suuntaan (sekä p → t että t → p)? Mitä hyötyä tuloksista voisi olla ja onko toiset tulokset paremmin hyödynnettävissä kuin toiset? Tutkimusongelmaa käsitellään aluksi yhdessä lyhyesti, minkä jälkeen oppilaat jaetaan kuuteen ryhmään - 3-5 oppilasta per ryhmä. Ryhmien määrää voi vähentää koevälineistön määrä, oppilaiden määrä tai vaikkapa itsestäänselväksi todettu tulos.

Jokaiselle ryhmälle jaetaan odt-muodossa (LibreOffice Writer -tekstinkäsittelyohjelmalla tehty tekstitiedosto) suunnitelma siitä, miten koe voidaan suorittaa. Koetta ei siis tällä kertaa suunnitella itse.

Koe suoritetaan korjatun suunnitelman mukaisesti. Mittausdata kirjataan ylös LibreOffice Calc -taulukkolaskentaohjelman avulla. Aineistosta piirretään graafinen kuvaaja eli mittauspisteet asetetaan sopivaan koordinaatistoon ja pyritään näkemään johdonmukaisuutta pisteiden käyttäytymisessä (suoralla? käyrällä? jne.).

Tutkimuksen kulusta voidaan tehdä seuraavalla tunnilla ryhmittäin esitys LibreOffice Impress -ohjelmalla. Esityksessä käytäisiin läpi suunnitelma, mittausmenetelmät, tulokset graafisessa muodossa, sekä tuloksista tehdyt havainnot. (Tästä vaiheesta ei ole mallisuoritusta.)

Korjattu suunnitelma sekä esitys lähetetään opettajalle arvioitavaksi. Vaihtoehtoisesti esityksiä voidaan käyttää kotitehtävän pohjamateriaalina ja lähettää kaikille kurssilaisille yhteisen sähköpostilistan kautta.

Tavoitteet fysiikan osalta

Työn avulla voidaan vastata OPS:n yleisiin tavoitteisiin ysiikan osalta seuraavasti. Opiskelija

• ymmärtää fysiikan merkityksen luonnon ilmiöiden mallintamisessa.
  • Mittaustuloksista pitäisi huomata, että mittaustulokset eivät asetu kiltisti täsmälleen suoralle. Kuitenkin kyetäksemme tekemään johtopäätöksiä ja saadaksemme hyödyllisiä / ennustukset mahdollistavia tuloksia, voimme tehdä approksimaatioita ja muodostaa matemaattisia malleja luonnon käyttäytymisestä.
• ymmärtää kokeellisen toiminnan merkityksen luonnontieteellisen tiedon muodostumisessa
  • Yhtenä työn tavoitteena on käsitellä luonnon käyttäytymisen sekä teorioiden / mallien välistä eroa muodostamalla itse matemaattinen malli luonnon käyttäytymisestä kaasujen osalta. Kokeellisella toiminnalla pyrimme havainnoimaan luontoa, minkä jälkeen fyysikot pyrkivät mallintamaan luonnon käyttäytymistä matemaattisesti.
• jäsentää käsitystään luonnon rakenteista ja ilmiöistä
  • Tutkimuksen tulokset pitäisi olla selitettävissä mikrotason ideaalikaasumallilla, missä lämpötila, paine ja kaasun tilavuus ovat seurausta kaasuhiukkasten liiketiloista. Samaa mallia käyttäen voidaan tehdä ennusteita ainakin äänestä, tähtien tuikinnasta ja Brownin liikkeestä.
• hankkii ja käsittelee tietoa yhdessä muiden opiskelijoiden kanssa asiantuntijayhteisön tapaan
  • Tutkimus on suunniteltu tutkivan opetuksen ja oppimisen mukaiseksi (tutkimuskysymyksen valinta, menetelmän valinta, ennusteiden tekeminen, tutkimuksen suorittaminen, tulosten analyysi ja tulosten esittely) ja suoritetaan vertaisryhmissä.
• suunnittelee ja tekee yksinkertaisia mittauksia, kykenee tulkitsemaan ja arvioimaan tuloksia sekä soveltamaan niitä
  • Ks. edellinen selitys.
• kykenee esittämään ja julkistamaan tietoja monipuolisella tavalla myös teknisiä apuvälineitä käyttäen
  • Tutkimuksen viimeinen vaihe on esitellä ryhmän tutkimuksen tulokset graafisella esitysohjelmalla mahdollisimman ymmärrettävästi ja perustellen kuvaajilla, taulukoilla tai muilla havainnollistavilla keinoilla.

Työn avulla voidaan vastata OPS:n kurssikohtaisiin tavoitteisiin fysiikan Lämpö-kurssin osalta seuraavasti. Opiskelija

• tuntee lämpöön liittyvät ilmiöt
  • Kaasun lämpötilan vaikutusta tutkitaan kyseisen kaasun tilvatuuteen ja paineeseen sekä toisinpäin.
• tutkii aineen termodynaamiseen tilaan liittyviä ilmiöitä.
  • Tutkimuksessa tutkitaan aineen kaasumuodon käyttäytymistä.

Keskeisistä kurssikohtaisista sisällöistä tutkimuksessa käsitellään kaasujen tilanmuutoksia, lämpölaajenemista sekä painetta.

Tavoitteet tietotekniikan osalta

Suoraan tietotekniikan osaamiseen liittyviä tavoitteita ei lukion opetussuunnitelman perusteista löydy. Kuitenkin, lukion opetussuunnitelman perusteissa määritellään oppimistavoitteet ja opetuksen keskeiset sisällöt - kuusi kaikille lukioille yhteistä aihekokonaisuutta, joihin kuuluu teknologia ja yhteiskunta sekä viestintä- ja mediaosaaminen. Nämä aihekokonaisuudet tulee ottaa huomiooon kaikkien oppiaineiden opetuksessa oppiaineeseen luontuvalla tavalla ja liittyvät kyllä informaatioteknologiaan, mutta edelleen noidenkaan aihekokonaisuuksian yhteydessä ei aseteta oppimistavoitteita itse tietotekniikan osaamisen osalta. Esimerkiksi ihminen kykenee viestimään tehokkaasti ja monipuolisesti myös ilman tietoteknistä apua. Tässä työssä OPS:n perusteissa esitellyt aihekokonaisuudet tulevat selvästi esille kokeellisena tutkimuksena, luonnontieteellisen tiedon luonteen käsittelynä (luonto vs. matemaattinen malli) sekä tulosten ymmärrettävänä ja perusteltuna esittämisenä.

Tietoteknisiä tavoitteita voidaan tarkastella OPH:n selvityksen Perusopetuksen tieto- ja viestintätekniikan opetuskäytön sekä oppilaiden tieto- ja viestintätekniikan perustaitojen kehittämissuunitelman valossa. Kyseisen suunnitelma perustuu edellä mainittuihin aihekokonaisuuksiin sekä yksittäisten oppiaineiden tavoitteisiin, joita on pyritty selkeyttämään tietotekniikan osalta. Kyseisessä suunnitelmassa on esitelty tieto- ja viestintätekniikan opetuskäytön tavoitteita sekä sisältöjä, joita nyt käsittelen tutkivan oppilastyön näkökulmasta.

Oppilaan tulee hallita tieto-ja viestintätekniikan perustaidot, mihin kuuluu käytännön työtaitoja, tiedonhallintataitoja, yhteistyö- ja vuorovaikutustaitoja sekä tietoturvataitoja sekä netiketti eli eettinen tietotekniikan käyttö. Tässä oppilastutkimuksessa potentiaalisia kehitystavoitteita voisivat liittyä

• perusohjelmien (tekstinkäsittely, taulukkolaskenta, graafinen esitys) hallintaan ja tiedon esittämiseen
  • Mittauksista pidetään kirjaa tekstinkäsittelyohjelmalla, taulukkolaskentaohjelmalla käsitellään mittausdataa sekä luodaan havainnollistavia kuvaajia, ja lopuksi tutkimuksen tulokset esitetään graafisella esitysohjelmalla.
• teknisen kirjoittamisen harjoittamiseen
  • Mittaustapahtumien, -datan, ja -tulosten kirjaaminen tapahtuu tietokoneavusteisesti.
• tiedonhakuun verkkoympäristössä
  • Tuloksia halutaan verrata ammattifyysikoiden tuloksiin, joita voidaan etsiä verkkoympäristöistä. Toisaalta oppikirja tarjonnee tiedon nopeammin ja paremmin oppijan tasoon nähden ymmärrettävällä tavalla.
• sähköpostin käyttöön.
  • Sen lisäksi, että työ esitellään tunnilla, opettaja voi vaatia sitä lähetettäväksi kaikille ryhmäläisille sähköpostitse opiskeltavaksi (esim. kotitehtävämateriaalia) tai vain opettajalle arvioitavaksi.