Markku Saarelainen & Lasse Heikkinen
Menestyäkseen tieteellinen yhteisö tarvitsee sosiaalista vuorovaikutusta. Vuorovaikutusta voidaan hyödyntää myös fysiikan ja matematiikan opettamisessa ja oppimisessa. Pienryhmäopetuksessa vuorovaikutus opiskelijoiden kesken on havaittu tehokkaaksi opiskelumenetelmäksi. Tämän lisäksi opiskelijan vastuu omasta oppimisesta on tärkeää. Olemme Itä-Suomen yliopiston sovelletun fysiikan laitoksella ottaneet käyttöön perinteisen luento-opetuksen rinnalle moderniin oppimiskäsitykseen perustuvia oppijakeskeisiä menetelmiä, jotka kehittävät opiskelijoiden omaa ajattelua ja tukevat yhdessä opiskelua. Oppimisympäristön ja viestintäteknologian tulee tukea ryhmän vertaisoppimista siten, että opiskelijoiden on luontevaa seurata opetusta ja osallistua aktiivisesti oppimiseen. Sovelletun fysiikan laitoksen opetustilan kalustus ja teknologia on varusteltu vastaamaan opetuksen tarpeita sekä tukemaan käyttämiämme opetusmenetelmiä. Opiskelijoilta saatu myönteinen palaute ja kehitysideat vahvistavat käsitystämme siitä, että käytetyt menetelmät parantavat oppimistuloksia.
Fysiikan tutkimuksesta oppimiseen
Tiedeyhteisön ja erityisesti yksittäisen tutkimusryhmän jäsenten on vaihdettava ajatuksia. Lisäksi tieteessä on tärkeää pohtia asioita syvällisesti ja omakohtaisesti yhteisössä käytyjen keskustelujen ja vuorovaikutuksen pohjalta. Näin sekä ryhmän että sen jäsenten käsitykset täsmentyvät ja syvenevät laadukkaaksi tieteelliseksi ajatteluksi.
Fysiikan opiskelu ja tieteellinen tutkimus sisältävät samoja elementtejä. Oleellista on omien ajatusten ja ymmärryksen testaaminen, haastaminen, perustelu ja konsensuksen saavuttaminen. Tämä toteutuu tieteessä ryhmän keskustelujen sekä tieteellisen vertaisarvioinnin keinoin. Myös yliopisto-opetuksessa voidaan hyödyntää sitä, että sosiaalinen kanssakäyminen lisää ymmärrystä. Tutkimusten ja kokemusten mukaan merkittävimmin oppimista parantavat motivaatio, opiskelijan oman vastuun korostaminen oppimisessa, oman ajattelun aktivointi sekä yhteisöllinen ja vertaisoppiminen. Todellinen sisäinen motivaatio kasvaa ymmärtämisen ja onnistumisen kokemuksien myötä, joita syntyy laadukkaassa opetuksessa.
Samalla kun tieteen eturintama on edennyt, yliopisto-opintojaan aloittavien lähtötiedot ovat heikentyneet. Yhä harvempi pystyy seuraamaan perinteistä opetusta. Muutos on havaittu erityisesti matemaattis-luonnontieteellisissä aineissa ja tekniikan aloilla. Nykyisin tätä tiedollista kuilua silloitetaan tarjoamalla ensimmäisenä vuonna muun muassa täydentävää matematiikan opetusta, jolla laskennallinen osaaminen pyritään saamaan samaan kuin se oli ylioppilailla vuosikymmen sitten. Riittävät matemaattiset valmiudet ovat tärkeitä menestyksellisille fysiikan opinnoille. Tiedollisen kuilun takia yliopiston fysiikan ja matematiikan opetusta on kehitettävä. Perinteisen luennoinnin sijaan modernin oppimiskäsityksen mukainen opetus tukee opiskelijoiden valmiuksia. Opiskelijan oppimista ja ajattelua aktivoivia ja ajankäytöltään tehokkaampia menetelmiä käyttämällä voidaan saavuttaa merkittävästi parempia tuloksia, jolloin myös muut kuin huiput menestyvät. Jokaisella opiskelijalla on potentiaalia saavuttaa korkeimmatkin oppimistavoitteet. Tunnistamalla erilaisten oppijoiden lähtötiedot ja valmiudet sekä soveltamalla moderneja opetusmenetelmiä voidaan potentiaali saada käyttöön. Esimerkkejä näistä opetusmenetelmistä ovat ennakkotiedon kartoitus ja ennakkotehtävät, kyselytutkimukset, etukäteisjäsentäjät, tunti- ja ryhmätehtävät, itsearviointi sekä työpajat. Oleellista kaikissa näissä menetelmissä on aktivoida opiskelijan omaa ajattelua. Oikeilla menetelmillä tarvittava tieto ja osaaminen voidaan fysiikan opinnoissa saavuttaa jatkossakin viidessä vuodessa.
Jotta oppijalähtöinen opetus voidaan suunnitella tehokkaaksi, on saatava tietoa opiskelijoiden opetettavaan aiheeseen liittyvästä ajattelusta, ymmärryksestä sekä mahdollisista virhekäsityksistä. Tämän lisäksi on tärkeää, että opiskelija voi keskustella ajatuksistaan, ideoistaan ja tietonsa rakentumisesta vertaisryhmässä. Opettajan tehtävänä on ohjata tiedon rakentumista tieteellisesti oikeaan suuntaan. Opettaja laatii myös puitteet oppimiselle rakentamalla ympäristön, jossa oppiminen tapahtuu: hän tuottaa oppimateriaalia, laatii oppimistehtäviä sekä muotoilee fyysisiä välineitä ja tiloja. Palautteen antaminen ja saaminen näissä kuuluvat myös oppimiseen.
Sähkömagneettisen kenttäteorian kurssi opetuksen kehittämisen kohteena
Kun aloin opettaa sähkömagnetismin perusteita ja sähkömagneettisen kenttäteorian kurssia Kuopion sovelletun fysiikan laitoksella 2000-luvun alkuvuosina, huomasin, että kyseiset kurssit olivat opiskelijoille erityisen työläitä. Samaan aikaan valmistelin didaktisen fysiikan alaan kuuluvaa väitöskirjaani (Saarelainen, 2011), ja tutkimuksen kohteeksi valikoitui luonnostaan sähkömagnetismin opettamisen ja oppimisen kysymykset. Tutkimus jakautui neljään osaan: opiskelijoiden aiemman tiedon arviointiin, aihealueen oppimisen esteiden tunnistamiseen sekä sellaisten opetuksen strategioiden kehittämiseen ja arviointiin, jotka johtavat parempiin oppimistuloksiin.
Erityiseksi pullonkaulaksi sähkömagnetismin oppimisessa näytti nousevan sähkö- ja magneettikenttien luonne vektorikenttinä. Sähkömagneettinen teoria on kokonaisuudessaan hyvin kenttäkeskeinen ja myös muut kurssin aiheet, kuten sähköinen ja magneettinen energia, potentiaalin käsitteet, energian varastointi (induktorit ja kondensaattorit), siirtyminen (sähkövirta, sähkömagneettinen aalto) sekä kulutus (Joulen ja Poyntingin teoreemat), selittyvät nimenomaan kentän käsitteiden avulla. Jos peruskäsitteitä ei ymmärrä, koko korttitalo romahtaa. Toisaalta ilman vahvaa ymmärrystä sähkömagneettisen kentän vektoriluonteesta ei kurssilla pysy mukana.
Perinteinen luentomuoto osoittautui tehottomaksi juuri siksi, että käsitteiden muodostuminen ja vahvistuminen edellyttävät vuorovaikutusta, tiedon prosessointia, keskustelua sekä ajatusten vertailua ja testaamista, joita perinteinen luennointitapa ei huomioi riittävästi. Sähkömagneettinen kenttäteoria sisältää paljon abstrakteja käsitteitä. Tämän lisäksi käsitteet kompaktisoidaan matemaattiseen muotoon, kuten Maxwellin yhtälöiksi, ja niiden avulla luodaan uusia käsitteitä, esimerkiksi sähkömagneettiset aallot. Käsitteitä abstrahoidaan fysiikan teorian evoluution ja kompaktisoinnin takia, minkä vuoksi lopputuloksena esitettyä fysiikan lakia tai teoriaa ei enää opi kovin helposti. Käsitteet on purettava ja ajatusten on annettava rakentua. En usko, että esimerkiksi Maxwellin yhtälöiden matemaattisten muotojen lukeminen avaisi sellaisenaan kaikkein lahjakkaimmallekaan opiskelijalle ymmärrystä siitä, mitä ne eri tapauksissa voivat merkitä ja selittää.
Opetusta piti siis kehittää niin, että se tavoittaisi suuremman osan opiskelijoista mutta niin että siinä otettaisiin huomioon opetushenkilökunnan resurssit ja ajankäyttö. Tavoitteena oli siis kehittää substanssin opetusta, mutta tutkimuksessa kehitettiin ja arvioitiin myös tehokkaampia opetusstrategioita. Opetuksen kehittämiseen käytettiin IPN-instituutissa (Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenchaften und Mathematik) Reinders Duitin kehittämää opetuksellisen rekonstruktion menetelmää, jonka avulla opettaja voi vaiheittain luoda uutta materiaalia ja lähestymistapaa opetukseen (1995). Menetelmä perustuu sykliseen rakenteeseen, jossa aiemman tutkimuksen tulokset, opetuskokeilun suunnittelu ja oppimisen arviointi ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Tutkimuksen aikana kehitettiin uusia monivaiheisia opetussekvenssejä sekä sähkö- että magneettikenttien opetukseen. Sekvenssit koostuivat erityisistä luennoista, luentojen aikana tehtävistä aktivointitehtävistä sekä laskuharjoituksista, joissa opiskelijat sovelsivat hankkimaansa tietoa ja osaamista sekä keskenään että opettajan kanssa keskustellen. Sekvenssit laadittiin hierarkkisesti niin, että alempien käsitteiden opiskelun kautta edettiin kohti ylemmän tason käsitteitä. Tulokset osoittivat, että opiskelijat omaksuivat vektorikenttien käsitteitä ja käyttivät vektoriajattelua ongelmanratkaisujen perusteluina.
Tutkimuksen aikaisista opetuskokeiluista jäi käytännön työhön muutamia pysyviä muutoksia. Esimerkiksi luennot muuttuivat oppijakeskeisemmiksi ja niissä hyödynnetään yhteisöllisyyttä. Tähän kannusti havainto siitä, kuinka nopeasti hyvin laadittujen ennakko- ja tuntitehtävien myötä ryhmän kaikki jäsenet oppivat. Lisäksi opiskelijoiden keskinäiset ja usein näennäiset erot osaamisessa tasoittuivat – tai pikemmin kaikkien ryhmän jäsenten suoritukset paranivat. Vaikuttaa siltä, että ryhmien pohdinnat ja ongelmanratkaisut eivät tue ainoastaan ryhmän heikoimpia, vaan myös nopeasti omaksuvien osaaminen näytti rikastuvan. Oleellista on vuorovaikutuksen määrä, ei niinkään laatu. Kenelläkään opiskelijoista ei toisaalta ole pitkää etumatkaa fysiikan aineopintojen kursseissa, koska asia on kaikille tasapuolisesti uutta ja vaikeaa, ja tästäkin syystä fysiikan ”kuiva” teoriakurssi sopii nimenomaan yhteisöllisen oppimisen verstaaksi.
Käytännössä luennot rakentuivat useista osista. Yleensä luennon alussa opettaja alusti päivän aiheesta. Tämän jälkeen esitettiin luennon tavoitteet ja jaettiin oppimisvastuut: opiskelijaryhmät keskustelivat tietystä teorian osasta, ja tuloksena syntyi kuvaus teoriasta, sen merkityksestä, rakenteesta, rajoituksista ja rajapinnoista muihin teorian osa-alueisiin. Ryhmätöissä oli mukana myös esimerkkitehtäviä, kuten kaavan johtamista ja sovelluksia sekä sanallisia ja käsitekartaksi puettuja kuvauksia. Ryhmätyöt koottiin yhteen opettajajohtoisesti ja vietiin kurssin aihetta eteenpäin. Opettaja laati tehtäviä, johti yhteenvetoa sekä esitti ja selitti teorian keskeisimmät ja työläimmät kohdat.
Oleellista kokemukseni mukaan oli laatia aktivointitehtävät siten, että opiskelijoiden mielenkiinto säilyi. Virheekseni luen kokeilujen alkuvaiheessa sen, että tehtävät olivat yksipuolisesti pitkiä laskuja tai toisiaan muistuttavia pikkutehtäviä, jotka eivät tukeneet oppimista perinteistä luennointia paremmin. Uskoisin, että tämä on useimpien ryhmätyöskentelyä kokeilleiden kompastuskivi ja syy hylätä työskentely. Ryhmätyöskentely tai yhteisöllisyys ei kuitenkaan ole itsetarkoitus, vaan työskentelyyn on annettava riittävän avoimia, haasteellisia ja samalla kaikkien oppimisen ja kurssin etenemisen kannalta merkityksellisiä tehtäviä. Tällöin opiskelijoilla on riittävästi motivaatiota vaihtaa erilaisia näkökantoja ja ajatuksia. Tarkoituksena ryhmätyöskentelyssä on oppia tehokkaammin kuin yksin tai perinteisellä luennolla. Usein joutuu pohtimaan, mikä opetusmenetelmä soveltuu parhaiten eri tilanteisiin. Luennot päättyivät yhteenvetoon, jossa käytiin vielä keskustellen läpi oleellisin. Myös seuraavan tapaamisen aihetta alustettiin ja annettiin ennakkotehtävät sekä seuraavan luennon kirjallisuus, joka tuli opiskella ennen tapaamista.
Toisena merkittävänä muutoksena oli sitouttaa opiskelijat kurssin kulkuun ja opiskeluun. Opiskelijoita rohkaistiin kurssin alussa laatimaan omat oppimistavoitteet ja analysoimaan hieman omia heikkouksia ja vahvuuksia sekä pohtimaan tulevan kurssin ryhmätyöskentelyä. Tämän lisäksi, koska tuntitehtävät edellyttivät opiskelua ennakkoon, opiskelijoita neuvottiin valmistautumaan luennoille lukemalla etukäteen oppikirjan aihetta käsittelevät luvut. Oppikirjana käytettiin Gurun ja Hiziroglyn (2004) teosta ”Electromagnetic field theory fundamentals”, joka oli jo aiemmin valittu noin 15 vastaavan teoksen joukosta nimenomaan siksi, että se soveltuu toisen vuoden yliopisto-opiskelijalle mielestäni myös itseopiskeluun. Kirja sisältää teorian kaikkine yksityiskohtineen, siinä on runsaasti hyviä esimerkkejä, ja tehtäväosiot sisältävät eritasoisia harjoitteita ja pohdintatehtäviä. Materiaalit ryhmätehtäviin ovat siis pohdittuja ja valmiita. Opettajan vaivaksi jää valita mieleiset tehtävät, mahdollisesti kääntää joitakin suomeksi ja koota niistä paketti.
Kolmantena muutin laskuharjoituskulttuurin opiskelijakeskeiseksi. Perinteisesti luonnontieteissä ja tekniikassa laskuharjoitukset kuuluvat opiskeluun ja oppimiseen. On tärkeää, että opiskelijat osaavat laskea ja soveltaa osaamista ongelmiin. Usein laskuharjoituksiin kuuluu, että laskut lasketaan itsenäisesti kotona ja käydään läpi oppitunnilla. Yleensä tehtävien ratkaisut esittää muille opiskelijoille laskuharjoitusryhmän opettaja tai opiskelija. Muutin sähkömagnetismin kurssin laskuharjoituksia niin, että kotona tehdyt tehtävät käydään pienryhmissä läpi ja ryhmän jäsenet neuvovat toisiaan ja keskustelevat ratkaisuista. Koko yleisölle ratkaisuja ei esitetä tai jaeta. Kurssin alkuvaiheessa opiskelijoita kannustetaan vertailemaan tehtävien ratkaisuja ja selittämään niitä toisilleen. Kurssin edetessä ryhmän voima valkenee opiskelijoille itsestään: heidän on otettava vakavammin vastuuta omasta oppimisestaan ja siihen auttaa ryhmän tuki. Muutamien laskuharjoitusten jälkeen huomasin kulttuurin muuttuvan. Opiskelijat alkoivat preppaamaan toisiaan tehtävissä ja myös teoriassa, ja ryhmän paine motivoi valmistautumaan tehtäviin paremmin kotona.
Tilat palvelemaan päämäärää:
rautaa, softaa ja soffaa
Varustimme Kuopion sovelletun fysiikan laitoksen seminaarisalin niin, että se tuki paremmin ryhmätyöskentelyä. Pohdimme tilan luonnetta ja päädyimme ajatukseen, jossa tila voisi sisustukseltaan ja tekniikaltaan mahdollistaa usean neljän hengen ryhmän työskentelyn, samalla kun opetusmateriaali olisi kaikkien nähtävillä. Halusimme myös irrottautua perinteisestä luokkahuoneesta, ja niin tilasta tuli fysiikan olohuone. Pulpetteja ja tavallisia tuoleja ei tilassa ole. Istuimina on kulmasohvaryhmiä, raheja sekä nojatuoleja. Opettajalle on kiikkutuoli. Sisustukseen kuuluvat kaappikello, lehmäntaljamatto, alas lasketut olohuoneen valaisimet ja seiniä kiertävä seinämaalaus. Myös tilan värimaailma ja verhoilu suunniteltiin samalla. Tilaa suunnittelivat myös kalustetoimittajan sisustusarkkitehti sekä yliopiston arkkitehti.
Uudessa seminaarihuoneessa opiskelijat voivat työskennellä pienissä ryhmissä ja seurata opetusta älytaululta ja useilta suurilta näytöiltä.
(Kuva: Raija Törrönen)
Sohvaryhmät on sijoiteltu niin, että opiskelijat ovat kasvokkain neljän hengen ryhmissä vastakkaisilla istuimilla ja siksi myös selin toisiin ryhmiin ja perinteiseen opettajan alueeseen eli päätauluun päin. Ongelma ratkaistiin sijoittamalla 55-tuumaisia näyttöjä harkittuihin suuntiin, jolloin kaikki näkevät esitettävän materiaalin. Opettajan käytössä on lisäksi eBeam-älytaulu ja -näyttö, joiden avulla hän voi kirjoittaa ja piirtää sähköisesti sekä näytön pintaan että taululle. Kirjoitus näkyy samalla myös muilla näytöillä. Itseasiassa eBeamilla valmisteltu ja esitetty materiaali on nähtävänä myös millä tahansa verkkoon kytketyllä laitteella. Opettaja voi antaa materiaalin tunnukset opiskelijoilleen, jotka haluavat seurata opetusta omalla koneellaan joko luokassa tai vaikka Hawaijin lomallaan. EBeam-ohjelmisto on maksuton, ja opiskelijat voivat ladata sen tietokoneen lisäksi myös useimpiin tabletteihin tai älypuhelimiin.
Älypuhelinten yleistyminen on tuonut myös mahdollisuuden käyttää niin sanottuja Clicker-tehtäviä uudella tavalla. Perinteisesti Clicker-tehtävissä käytetään jonkinlaista äänestyslaitetta, mutta ne ovat kalliita, hankalia kuljettaa ja niitä pitää huoltaa, vähintään vaihtaa paristot. Clicker-menetelmää kuitenkin kannattaa käyttää lisäämään opiskelun vuorovaikutusta. Monissa yliopiston fysiikan oppikirjoissa on liitteenä opettajan aineisto, joissa on mukana valmiit Clicker-tehtävät. Älypuhelimeen saatava Socrative-sovellus perustuu Clickerin elementteihin. Opettaja voi internetkäyttöliittymässä luoda kyselyitä, avata ne käyttöavaimen avulla osallistujille Clicker-tehtäväksi ja näyttää reaaliaikaisia äänestyksen tuloksia. Nykyään opiskelijoilla on sopivia puhelimia käytössään, eikä laitoksen enää tarvitse hankkia äänestyskapuloita tai päivittää vanhaa tekniikkaa.
Opettaja voi piirtää ja kirjoittaa suoraan älytaululle tai tietokoneen ruudulle, jolloin kirjoitus näkyy kaikissa ryhmätyötilan näytöissä. Näin opiskelijoiden on helppo seurata opetusta eri puolilta seminaarihuonetta.
(Kuva: Raija Törrönen)
Tieto- ja viestintäteknologia on nähdäkseni siirtymässä suuntaan, jossa kuluttajilla on yhä laajemmin käytössään laitteita, joita voidaan käyttää yhdessä. Puhelimella voi katsella televisiota, ja televisiolla voi selata nettiä. Mobiilitekniikka voi parhaimmillaan tukea opetuksen tavoitteita, mutta sellaisten sovellusten suunnittelu, joilla saavutetaan oleellista hyötyä, on työlästä. Toisaalta yhteisölliset opetusmenetelmät ja oppijakeskeisyys korostavat läsnäolon ja keskustelun merkitystä. Mutta viestintäteknologia ja mahdollisuus välittää samalla laitteella ääntä, kuvaa, animaatioita, piirroksia ja sähköistä aineistoa luovat uutta ulottuvuutta yhteisöllisyyteen ja osallistumiseen. Tieto- ja viestintäteknologialla tai verkko-opetuksella ei voi korvata ihmisten välistä vuorovaikutusta. Vaikka kurssieni kaikki keskeinen materiaali on verkossa, innokas osallistuminen kontaktiopetukseen kielii opiskelijan tarpeesta kohdata opettaja ja opiskelutoveri fyysisesti. Yhteisöllisen ja oppijakeskeisen opetuksen soveltamisen seurauksena kontaktiopetus muuttuu suuntaan, jossa pääpaino ei olekaan materiaalin kopioinnissa taululta vihkoon. Aikaa voidaan käyttää ajatusten vaihtoon, käsitteiden muodostukseen ja ylipäänsä oppimisen kannalta aidosti oleellisiin kohtiin. Huomioni onkin ollut, että vuorovaikutuksen lisääminen motivoi opiskelijaa ja opettajaa saapumaan paikalle.
Kirjoittajat työskentelevät Itä-Suomen yliopiston sovelletun fysiikan laitoksella Kuopion kampuksella. Markku Saarelainen toimii lehtorina ja Lasse Heikkinen yliopistotutkijana.
LÄHTEET
Guru, B. S. & Hizirogly, H.R. (2004). Electromagnetic field theory fundamentals. Cambridge University Press.
Duit, R. (1995). Students conceptions and constructivist teaching. Teoksessa B. J. Fraser & H. J. Walberg (toim.), Improving Science Education (s. 46–69). Chicago: University of Chicago press.
Saarelainen, M. (2011). Teaching and learning of electric and magnetic fields at the university level. Publications of the University of Eastern Finland. Dissertations in Forestry and Natural Sciences, Number 48. http://epublications.uef.fi/pub/urn_isbn_978-952-61-0560-4/urn_isbn_978-952-61-0560-4.pdf
