Käsitteen- ja teorianmuodostus fysiikassa opetuksen näkökulmasta

1. Käsitteen- ja teorianmuodostus fysiikassa opetuksen näkökulmasta What, precisely, is “thinking”? When, at the reception of sense-impression, memory-pictures emerge, this is not yet “thinking”. …When, however, a certain picture turns up in many such series, then- precisely through such return- it becomes an ordering element for such series, in that it connects series which in themselves are unconnected. Such an element becomes an instrument, a concept.” [Einstein, Autobiography]

2. Fysiikan käsitteenmuodostuksen lähtökohdat • Havaintoon perustuvien mielikuvien ja mentaalisten mallien (hahmojen) kielentäminen on fysiikan käsitteenmuodostuksen lähtökohta. • Mentaaliset mallit käsitteenmuodostuksen lähtökohtana on 1800-luvun empirismin perua. Perusideana myös ns. hahmopsykologiassa (Wertheimer). • Helmholtzin metodologinen empirismi ja “sensationalismi” esiintuo näkemyksen ensimmäisen kerran täsmentyneesti. • Einsteinin näkemys käsitteenmuodostuksesta nojautuu Helmholtzin käsityksiin. Einsteinille mielikuvat ovat käsitteen alkuja, proto-käsitteitä.

3. Mentaalimallit ja kvaliteetit: kieli ja mielikuvat • Käsitteiden merkityksiä ei voida erottaa niiden kielellisestä käytöstä [Lakoff and Johnson 1983, Kurki-Suonio&Kurki-Suonio 1994]. • Fysiikan opetuksen olisi tarjottava käsitteiden oikean käytön kielellisiä malleja. • Ilmaisutapojen ja lauserakentieden tulisi heijastella fysiikan tapaa jäsentää syy- ja seuraussuhteita. • Ei riitä että käsitteet opetetaan määritelminä ja näiden määritelmien sisältö opitaan harjoittelun kautta.

4. Kognition näkökulma: Mentaalimallit • Mentaalimallit antavat havainnolle merkityksen, joka rakentuu aina ennen käsitettä. • Kvalitatiivisen tason käsitteistäminen on mentaalimallien konstruointia. Siihen kuuluu kuvaavien termien ja kielen luomista, sekä niihin liittyviä havaintoja jäsentäviä mielikuvia. • Oppimisteoreettinen tutkimus on antanut mentaalimalleille useita nimiä: Hahmot (gestalts), fenomenologiset primitiivit (p-prims), tiedon fasetit, skeemat.

5. Kvaliteeteista kvantiteetteihin: Havainnoista kokeisiin • Fysiikka pyrkii ymmärtämään luonnonilmiöitä, niiden säännönmukaisuuksia sekä niihin vaikuttavia tekijöitä. • Fysiikassa tieto ilmiöihin osallistuvista olioista ja niiden ominaisuuksista rakentuu ilmiöiden mitattavien ominaisuuksien kautta. • Fysiikan opetuksessa mittaamalla tutkittava ilmiö on usein lähtökohta. Ilmiö esitellään jo valmiiksi siinä muodossa, kuin se voidaan laboratorio-olosuhteissa havaita ja tehdä tutkittavaksi.

6. Kvantiteetit: Suureet ja lait • Suureet ovat kvalitativisten ominaisuuksien kvantitatiivisia vastineita: Jokainen suure kuvaa jotain ominaisuutta. • Lait ovat ilmiöissä havaittavien riippuvuuksien kvantitatiivisia vastineita: Jokainen laki kuvaa jotain riippuvuutta.

7. Fysikaalinen laki • Laboratorio-ilmiössä havaitun ja mitattavaksi tehdyn riippuvuuden kvantitatiivinen esitys. • Kokeellisesti havaitun riippuvuuden symbolinen tulkinta. • Idealisaatio ja tarkentuva. • Merkityksellinen vain suhteessa toisiin lakeihin.

8. Fysiikan koe tuottaa käsiterakenteita • Fysiikan koe on metodi, joka tuottaa uusia suureita ja lakeja noudattaen tiettyjä sääntöjä. • Syntyy käsiterakenteita, joiden rakentumista sääntö ohjaa. • Rakenteiden verkostoon liittyy rakenteen synnyn sisäinen logiikka, joka antaa käsitteille merkityksen. • Käsitteet ja lait saavat merkityksen suhteessa toisiinsa.

9. Fysiikan teoria järjestää käsiterakenteita. • Teorian muodostus etenee kokeellisuuden kanssa rinnan mutta itsenäisesti. • Teoria järjestää käsiterakenteita. • Teoria antaa merkityksen rakenteille. • Teoriaan kuuluu käsiterakenteita järjestävät yleisperiaatteet ja ”peruslait”.

10. Fysiikan tiedon kolmitasoinen rakenne • Kvaliteetit ja kvalitatiivinen tieto • Kvantiteetit: suuret ja lait • Teoria: Abstrakti formalismi

11. Kolmitasoinen rakenne oppimisen kannalta • Oppimisen olisi edettävä havainnoista kokeiden kautta jäsentyneeseen tietorakenteeseen. • Oppimisen alku: Kvalitatiivinen taso ja mielikuvat Olemassaolon jäsentäminen: Oliot Tapahtumien jäsentäminen: Ilmiöt Riippuvuuksien jäsentäminen: Vuorovaikutus • Jäsentyneen tietorakenteen oppimiskynnys: Kvantitatiivinen tieto ja kvantiteetit.

12. Fysiikan koe on metodi konstruoida kvantitatiivista tietoa - lakeja ja suureita • Suureen konstruointi ja sen merkityksen rakentuminen tapahtuu kokeellisuuden ja kvantitatiivisen mittaamisen kautta. • Suuren konstruointi edellyttää (yleensä) nojautumista jo olemassa oleviin suureisiin. • Lain konstruointi tapahtuu kvantitatiivisen mittauksen kautta. • Laki on suureiden välinen relaatio ja suureiden arvojen vaihtelua rajoittava ehto.

13. Teoria on tiedon tuottamisen päämäärä ja tuote • Teoria järjestää empiirisen tiedon nojautuen yleisperiaatteisiin ja yleisiin lakeihin. • Teorian yleisperiaatteet ja yleiset lait perustuvat empiiriseen tietoon, mutta eivät ole siitä suoraan tuotettavissa. • Teorian muodostukseen ei ole metodia, se on luovan toiminnan tulosta. • Kokeet tukevat teoriaa, mutta eivät koskaan suoraan vahvista tai kumoa sitä.

14. Kokeellinen todennus ei ole teorian perusta vaan sen kruunu.Pierre Duhem, 1861-1916