Kokeelliset tehtävät lukion fysiikan oppikirjoissa ja ylioppilaskokeissa: Analysoitavana kokeellisia tehtäviä fysiikan oppikirjoissa ja ylioppilaskokeissa

Abstract

Kokeellisuus on tärkeä osa sekä fysiikan tutkimusta että opetusta. Koulussa kokeelliset työt antavat oppilaalle mahdollisuuden harjoitella tutkimisen taitoja ja saada käytännön kokemusta eri luonnonilmiöistä. Tämän tutkimuksen tavoitteena on tuottaa tietoa kokeellisuuteen liittyvistä tehtävistä lukion oppikirjoissa ja selvittää, millaiset taidot ylioppilaskokelailla on suunnitella mielekäs mittausjärjestely.

Kokeellisilla töillä on eri muotoja, jotka mahdollistavat erilaisia oppimistuloksia. Yksi tekijä, joka määrittää kokeellisia töitä on kokeellisen työn avoimuuden aste, joka kertoo millaiset roolit opettajalla ja opiskelijalla on. Mitä korkeampi avoimuuden aste on, sitä enemmän tutkimukseen liittyviä valintoja opiskelija saa tehdä, ja sitä suurempi rooli opiskelijalla on tutkimuksen suunnittelussa. Opiskelijoiden itse suunnittelemissa tutkimuksissa opiskelija pääsee käyttämään sisällöntuntemusta ja loogista ajattelua ongelmanratkaisuun. Opiskelijoiden itse suunnittelemiin tutkimuksiin liittyy kuitenkin useita haasteita. Opettajan ohjaus tutkimusta suunnitellessa on tärkeää, jotta opiskelijat selviävät tutkimuksen suunnitteluun liittyvistä haasteista.

Tässä diplomityössä tutkimusmenetelmänä käytettiin kvalitatiivista sisällönanalyysia. Tutkimuksessa tutkittiin kahta aineistoa. Oppikirja-analyysin aineistona toimi viiden eri kirjasarjan vuoden 2019 lukion opetussuunnitelman mukaiset Fysiikka luonnontieteenä (FY1)- ja Fysiikka, ympäristö ja yhteiskunta (FY2) - moduulien digikirjat. Ylioppilaskoeaineiston analyysissa aineistona toimi satunnaisesti valitut 100:n ylioppilaskokelaan vastaukset yksittäiseen kokeellisuutta käsittelevään tehtävään. Tutkittavana tehtävänä toimi syksyn 2020 fysiikan ylioppilaskokeen tehtävä 5.

Oppikirja-analyysin tuloksista havaittiin, että suurin osa oppikirjojen kokeellisista tehtävistä on reseptimäisiä tehtäviä, joissa opiskelija ei osallistu tutkimuksen suunnitteluun, vaan seuraa valmista ohjetta. Jonkinasteista avoimuutta sisälsi vain 26 % kokeellisista tehtävistä. Olisi kuitenkin perusteltua, että suurempi osa lukion oppikirjojen kokeellisista tehtävistä sisältäisi jonkinasteista avoimuutta, koska tavoitteena on, että opiskelijat oppivat suunnittelemaan tutkimuksia.

Oppikirja-analyysin tuloksista havaittiin myös, että jonkinasteista avoimuutta sisältävät tehtävät ovat lähes aina toteutukseltaan käytännön toteutuksia. Tutkimuksen suunnittelun itsenäinen harjoittelu ei siis ole mahdollista ainakaan ensimmäisen kahden fysiikan moduulin oppikirjoilla.

Ylioppilaskoeaineiston analyysissa havaittiin, että tutkimuksen suunnittelussa kokelaille tyypillisiä haasteita olivat, että tutkimus ei sopinut heidän määritelmäänsä, tutkimusta ei suunniteltu loppuun ja että tutkimusta ei tehty tehtävänannon mukaan heilurille. Jotta opiskelijoille kehittyisi paremmat tutkimuksen suunnittelutaidot, heidän tulisi saada harjoitella tutkimuksen suunnittelua riittävästi opintojen aikana.

Doing experiments is an important part of both research and physics learning. Taking part in practical work gives students the opportunity to practice research skills and to gain experience on different natural phenomena. The objective of this research is to gain information about the tasks involving experiments in high school physics books and to investigate the students’ skills involving planning a suitable experimental setup.

There are many ways to do experiments in the classroom that can enable different learning outcomes. One way to characterize the type of experiment task is by the degree of openness of the activity. The degree of openness of an activity can be assessed based on the roles of the student and the teacher. With a higher degree of openness, the student is responsible for making more choices than with a lower degree of openness. While designing their own experiments students use their understanding of the content and logical thinking in problem solving. It is typical for students to face hardships while designing an experiment. It is important for a teacher to provide scaffolding to the students to help them overcome these hardships.

The method used in this study is qualitive content analysis. Two sets of material were used in this study. In the textbook analysis textbooks from five different book series were analyzed. The books analyzed were the upper secondary school curriculum books Physics as a natural science (FY1) and Physics, the environment and society (FY2). In the matriculation exam material analysis, the material consisted of 100 random answers to a single task involving planning an experiment. The task analyzed was task 5 from the autumn 2020 physics matriculation exam.

The results of the textbook analysis revealed that most of the tasks involving experiments were verification type tasks, where the student does not partake in the planning of the experiment. Only 26 % of the tasks researched involved any degree of openness. It would be sensible for more of the experimental tasks in the physics textbook to have some degree of openness to help reach the goal of students learning how to design experiments.

The results of the textbook analysis also revealed that the experimental tasks that involved some degree of openness were nearly all practical experiments meant to be conducted in a classroom setting. Practicing planning experiments is not possible using the first two physics module textbooks.

The results of the matriculation exam material analysis revealed that students had difficulties with three aspects regarding planning an experiment. It was typical for students to design an experiment that doesn’t fit their definition, to not finish their plan and design a system for another system instead of the pendulum suggested in the assignment. In order for students to develop better experiment planning skills, students would need sufficient opportunities to practice designing experiments during their studies.