Fysiikan ylioppilaskokelaiden käsityksiä sähkömagneettisen induktion synnystä

Abstract

Sähkömagneettinen induktio on oleellinen osa nykypäivän fysiikan sovelluksia, kuten magneettisia jarruja. Kyseinen ilmiö kuuluu lukion fysiikan syventävien kurssien oppimäärään. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää suomalaisten fysiikan ylioppilaskokelaiden käsityksiä sähkömagneettisen induktion synnystä ja millaisia väärinymmärryksiä näistä käsityksistä on havaittavissa.

Tutkimuksen aineisto oli otos kevään 2020 fysiikan ylioppilaskokeen sähkömagneettista induktiota käsittelevän tehtävän 7 vastauksista. Otoksena oli 100 satunnaisesti valittua vastausta, joka vastaa noin 2 % kaikista vastauksista. Aineistoa käsiteltiin teoriaohjaavan sisällönanalyysin keinoin. Aiempien tutkimusten mukaan opiskelijoilla on hankaluuksia magnetismiin liittyvien käsitteiden, kuten magneettikenttä, magneettivuo ja magneettivuon tiheys, erottamisessa. Magneettinen ja sähköinen vuorovaikutus myös sekoitetaan toisiinsa. Aineiston luokittelussa käytettiin Microsoft Excel –ohjelmaa, jossa tarkasteltiin yksittäisen kokelaan vastauksesta havaittavia väärinymmärryksiä ja epätarkkuuksia, sekä laskettiin näiden väärinymmärrysten summafrekvenssit.

Tutkimuksen tuloksista havaittiin, että aiempien tutkimusten mukaisten puutteiden lisäksi opiskelijat eivät osaa tuoda tietämystään sähköopista ja tasavirtapiireistä osaksi sähkömagneettista induktiota. Sähkövirran synnyn opiskelijat havaitsivat tehtävässä annetun mittausdatan perusteella, mutta virran synnyn perustelussa induktiojännite ja suljetun virtapiirin ehto olivat jääneet mainitsematta. Virran syntyä saatettiin perustella esimerkiksi magneetin varautuneen kohtion ja elektronien välisenä vuorovaikutuksena. Tämäntyyppiset vastaukset osoittivat, etteivät kokelaat ymmärtäneet magneettisen ja sähköisen vuorovaikutuksen eroa. Toisessa osatehtävässä sähkövirta ja sähkövaraus oli sekoitettu keskenään, vaikka sähköopin peruskurssilla näiden suureiden välinen yhteys käsitellään.

Tutkittavat lukiolaiset olivat käyneet lukion vuoden 2016 opetussuunnitelman mukaisesti. Opetussuunnitelman mukaan kokelailla olisi pitänyt olla riittävät tiedot vastatakseen sähköopin perusteita ja sähkömagneettista induktiota käsittelevään ylioppilaskokeen tehtävään. Tässä opetussuunnitelmassa sähköopin ja sähkömagnetismin kurssia ei kuitenkaan käydä peräkkäin, mikä on saattanut vaikuttaa kurssien sisältöjen yhdistämistä samassa tehtävässä. Elokuussa 2021 voimaan astuva opetussuunnitelma korjaa tätä asettamalla kyseisiä aihealueita käsitelevät moduulit käytäviksi peräkkäin.

Opiskelijoiden väärinymmärryksiä sähkömagneettisesta induktiosta ehkäisisi sanallisen ilmaisun harjoittaminen tehtävien ja oppilastöiden yhteydessä jo lukioaikana. Erityisesti oppilastyöt, yhdistettynä keskusteluun tuloksista ja opiskelijoiden havainnoista yhdistäisi koejärjestelyn havainnot kyseisen ilmiön teoriaan pelkkiä suureyhtälöitä paremmin. Opettajien rooli on keskeinen sopivien tehtävien ja oppilastöiden valinnassa.