Fysiikan ja maantieteen aineenopettajaopiskelijoiden käsitykset kasvihuoneilmiön fysikaalisista perusteluista

Abstract

Käynnissä olevan ilmastonmuutoksen taustalla vaikuttava voimistunut kasvihuoneilmiö on moninainen ilmiö, johon liittyy useita fysikaalisia prosesseja. Kasvihuoneilmiöön liittyviä fysikaalisia ilmiöitä ja ilmastonmuutoksen mekanismeja käsitellään suomalaisessa lukiossa erityisesti fysiikan ja maantieteen opinnoissa, minkä vuoksi näitä aineita opettavilla opettajilla tulisi olla riittävän syvällinen sisältötieto aiheesta. Koska aiemmissa tutkimuksissa suomalaisilla lukiolaisilla ja luokanopettajopiskelijoilla on havaittu virheellisiä ja puutteellisia käsityksiä kasvihuoneilmiöstä, on perusteltua selvittää myös, millaisia käsityksiä fysiikan ja maantieteen aineenopettajaopiskelijoilla on aiheesta.

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, millaisia käsityksiä fysiikan ja maantieteen aineenopettajaopiskelijoilla on kasvihuoneilmiön fysikaalisista perusteluista. Tutkimuksessa suunniteltiin ja toteutettiin opetusinterventio, jonka yhteydessä tutkimusaineisto kerättiin. Intervention ja siihen suunniteltujen pienryhmissä tehtyjen tehtävien avulla pyrittiin tuomaan esille opiskelijoiden kasvihuoneilmiötä koskevia käsityksiä ja samalla tukemaan heidän kasvihuoneilmiön fysikaalisten perusteluiden ymmärtämisen kehittymistä. Aineisto kerättiin syksyllä 2025 Tampereen yliopiston matemaattisten aineiden sekä Helsingin yliopiston maantieteen ainedidaktiikan opetuskerroilla. Tutkimukseen osallistui 22 matemaattisten aineiden ja yhdeksän maantieteen ja biologian aineenopettajaopiskelijaa, joista muodostui yhteensä yhdeksän pienryhmää. Aineistonkeruun myötä saatiin kattava aineisto, joka koostui kasvihuoneilmiöön liittyvistä piirustustehtävän ja väittämien luokittelutehtävän vastauksista sekä tehtävien teon aikana ryhmien käymien keskusteluiden äänitteistä.

Aineisto analysoitiin laadullisen sisällönanalyysin menetelmin. Piirustusaineistosta tarkasteltiin kasvihuoneilmiötä kuvaavia elementtejä, väittämien luokittelusta opiskelijoiden kykyä tunnistaa virheellisiä väitteitä ja ryhmäkeskusteluista esiin nousseita käsityksiä ja perusteluita. Monipuolinen aineisto tuki analyysia ja mahdollisti opiskelijoiden käsitysten tarkastelun useasta näkökulmasta.

Tulokset osoittavat, että fysiikan ja maantieteen aineenopettajaopiskelijoiden käsitykset kasvihuoneilmiön fysikaalisista perusteluista ovat vaihtelevia. Opiskelijoilla esiintyi ajoittain virheellisiä käsityksiä ja epätarkkaa käsitteiden käyttöä erityisesti liittyen säteilyn vuorovaikutukseen kasvihuoneilmiön eri vaiheissa. Kasvihuonekaasujen toimintaa kuvattiin usein yleisellä tasolla, mikä viittaa siihen, ettei ilmiötä välttämättä ymmärretä molekyylitasolla. Osalla opiskelijoista havaittiin myös virhekäsityksiä esimerkiksi pilvien rooliin ja toimintaan liittyen. Yleisesti keskusteluissa havaittiin vain vähän loogisia päättelyketjuja ja aiemmin opitun tiedon yhdistelyä. Lisäksi opiskelijat ilmaisivat itse epävarmuutta omasta tiedon tasostaan.

Tutkimuksen perusteella fysiikan ja maantieteen aineenopettajaopiskelijoiden nykyinen ymmärrys kasvihuoneilmiön fysikaalisista perusteluista ei ole kaikilta osin riittävä tukemaan ilmiön tieteellisesti täsmällistä ja johdonmukaista selittämistä ja opettamista. Tulosten pohjalta esitetään kehitysehdotuksia aineenopettajakoulutukselle, jotta se tukisi paremmin ilmastonmuutokseen liittyvän luonnontieteellisen sisältötiedon syventämistä. Suosituksissa korostetaan ilmiön taustalla olevien fysikaalisten prosessien jäsennettyä ja toistuvaa käsittelyä sekä käsitteenmuodostusta ja virhekäsityksiä käsittelevien sisältöjen sisällyttämistä opintoihin. Lisäksi esitetään, että tämän tutkimuksen kaltaisilla opetusinterventioilla voitaisiin opettajankoulutuksessa havainnollistaa ilmiöön liittyviä virhekäsityksiä sekä syventää aiheen sisältötietoa ja pedagogista sisältötietoa.

The intensified greenhouse effect underlying ongoing climate change is a complex phenomenon involving multiple physical processes. In Finnish general upper secondary education, the physical phenomena related to the greenhouse effect and the mechanisms of climate change are addressed particularly in physics and geography studies. For this reason, teachers of these subjects should possess sufficiently deep content knowledge of the topic. As previous studies have identified misconceptions and incomplete understanding of the greenhouse effect among Finnish upper secondary students and primary student teachers, it is justified to study also the conceptions held by physics and geography student teachers.

The aim of this study was to examine physics and geography student teachers’ conceptions regarding the physical basis of the greenhouse effect. As part of the study, an educational intervention was designed and implemented, during which the research data were collected. The aim of the intervention and the small-group tasks designed for it was to elicit students’ conceptions of the greenhouse effect while also supporting the development of their understanding of its physical foundations. Data were collected in autumn 2025 during subject didactics teaching sessions in mathematical sciences at Tampere University and in geography at the University of Helsinki. The participants consisted of 22 student teachers from mathematical sciences and nine from geography and biology, forming a total of nine small groups. The resulting dataset was extensive and included responses to drawing and statement classification tasks related to the greenhouse effect, as well as audio recordings of group discussions that took place during the tasks.

The data were analysed using qualitative content analysis. The drawings were examined for elements used to describe the greenhouse effect, the statement classifications were used to evaluate students’ ability to identify incorrect statements, and group discussions were analysed to examine expressed conceptions and justifications. The diversity of the dataset supported the analysis and enabled the examination of students’ conceptions from multiple perspectives.

The results indicate that the conceptions of physics and geography student teachers regarding the physical basis of the greenhouse effect vary considerably. Students occasionally demonstrated misconceptions and imprecise use of concepts, particularly related to the interaction of radiation at different stages of the greenhouse effect. Greenhouse gases were often described at a general level, suggesting that the phenomenon is not necessarily understood at the molecular level. Some students also exhibited misconceptions concerning for example the role and function of clouds. Overall, the group discussions contained few coherent chains of reasoning or integration of previously learned knowledge. Students also expressed uncertainty about their level of understanding.

Based on the findings, the current understanding of the physical foundations of the greenhouse effect among physics and geography student teachers is not in all respects sufficient to support scientifically accurate and coherent explanation and teaching of the phenomenon. Based on the results, development recommendations are proposed for subject teacher education to better support the deepening of scientific content knowledge related to climate change. The recommendations emphasize structured and repeated treatment of the physical processes underlying the phenomenon, as well as the inclusion of content focusing on concept formation and misconceptions. In addition, it is suggested that educational interventions similar to the one implemented in this study could be used in teacher education to make associated misconceptions visible and to deepen both content knowledge and pedagogical content knowledge on the topic.