Kokeellisen työskentelyn taidot

Luonnontieteissä käytettävä kokeellinen menetelmä on pikemminkin joukko yhteenkuuluvia osamenetelmiä, joita ovat mm.

  • kysymysten tekeminen ja ongelmien tunnistaminen ympäristöstä
  • hypoteesien esittäminen ja niiden testaaminen
  • vertaaminen ja luokittelu
  • havaintojen ja mittausten tekeminen
  • mittaustulosten esittäminen, käsittely ja tulkitseminen havaintoihin tai mittaussarjaan nojautuen
  • johtopäätösten tekeminen
  • tulosten luotettavuuden arvioiminen
  • kokeiden ja tutkimusten suunnitteleminen.

Viimeaikaisessa tutkimuskirjallisuudessa on kiinnitetty huomiota siihen, miten oppilas tulkitsee empiiristä aineistoa ja tekee johtopäätöksiä. Erityisesti ollaan kiinnostuneita siitä, miten oppilasta voidaan tukea tekemään sellaisia johtopäätöksiä, joissa hän nojaa aineistoon (evidenssi). Tätä teemaa käsitellään luvuissa ”Malli ja mallintaminen” sekä ” Pienessä ryhmässä opiskelu”.

Kokeelliselle työskentelylle on asetettu eri maiden opetussuunnitelmissa tavoitteita, joilla tähdätään edellä lueteltujen tavoitteiden saavuttamiseen. Esimerkiksi Suomessa vuoden 1994 peruskoulun opetussuunnitelman perusteissa kokeellinen menetelmä nimettiin peruskoulun opetussuunnitelman perusteissa sisällöksi ja samalla haluttiin korostaa sitä, että oppilaiden tulisi oppia kokeellisen työskentelyn taidot peruskoulun aikana. Vuoden 2004 perusopetuksen opetussuunnitelman perusteissa POPS (2004) edellytetään, että oppilas oppii

  • työskentelemään ja tutkimaan luonnonilmiöitä turvallisesti ja yhdessä toisten kanssa
  • luonnon tutkimisen taitoja, kuten kysymysten tekemistä ja ongelmien hahmottamista
  • havaintojen, mittauksien ja päätelmien tekemistä, vertailua ja luokittelua
  • hypoteesin esittämistä ja sen testaamista sekä tulosten käsittelyä, esittämistä ja tulkitsemista myös tieto- ja viestintätekniikkaa hyväksi käyttäen
  • suunnittelemaan ja tekemään luonnontieteellisen tutkimuksen, jossa vakioidaan ja varioidaan luonnonilmiöissä vaikuttavia muuttujia ja selvitetään muuttujien välisiä riippuvuuksia
  • muodostamaan yksinkertaisia malleja ja käyttämään niitä ilmiöiden selittämisessä sekä tekemään yleistyksiä ja arvioimaan tutkimusprosessin ja tulosten luotettavuutta
  • käyttämään tarkoituksenmukaisia käsitteitä, suureita ja yksiköitä kuvatessaan fysikaalisia ilmiöitä ja teknologiaan kuuluvia asioita
  • arvioimaan eri lähteistä hankkimansa tiedon luotettavuutta
  • käyttämään erilaisia graafisia ja algebrallisia malleja ilmiöiden selittämisessä, ennusteiden tekemisessä ja ongelmanratkaisussa.

Vastaavasti lukion opetussuunnitelman perusteissa LOPS (2003) edellytetään, että opiskelija

  • ymmärtää kokeellisen toiminnan ja teoreettisen pohdiskelun merkityksen luonnontieteellisen tiedon muodostumisessa
  • hankkii ja käsittelee tietoa yhdessä muiden opiskelijoiden kanssa asiantuntijayhteisön tapaan
  • suunnittelee ja tekee yksinkertaisia mittauksia, kykenee tulkitsemaan ja arvioimaan tuloksia sekä soveltamaan niitä
  • hyödyntää erilaisia tietolähteitä tiedonhankinnassa sekä kykenee esittämään ja julkistamaan tietoja monipuolisella tavalla myös teknisiä apuvälineitä käyttäen
  • osaa kokeellisen työskentelyn ja muun aktiivisen tiedonhankinnan avulla etsiä ja käsitellä tietoa elämän ja ympäristön kannalta tärkeistä kemiallisista ilmiöistä ja aineiden ominaisuuksista sekä arvioida tiedon luotettavuutta ja merkitystä
  • osaa tehdä ilmiöitä koskevia kokeita ja oppii suunnittelemaan niitä sekä osaa ottaa huomioon työturvallisuusnäkökohdat
  • osaa tulkita ja arvioida kokeellisesti tai muutoin hankkimaansa tietoa ja keskustella siitä sekä esittää sitä muille
  • perehtyy tieto- ja viestintätekniikan mahdollisuuksiin tiedonhankinnan ja mallintamisen välineinä.

Edellä kuvatut tavoitteet kokeellisen työskentelyn taitojen oppimiselle ja luonnontieteiden luonteen hahmottamiselle ovat hyvin laajat. Yhdellä kokeellisella työllä voidaan pyrkiä tyypillisesti vain muutaman tavoitteen saavuttamiseen. Erityisesti, jos työskentelyn tavoitteena on käsitteiden, periaatteiden tai luonnonlakien oppiminen, on työlle tyypillisesti vaikea asettaa myös kokeellisen työskentelyn taitojen oppimiseen tähtääviä tavoitteita (Woolnough, 1994). Monipuolisesti taitojen oppimiseen tähtäävät oppilastyöt ovat tyypillisesti avoimia ja tutkimuksellisia (Millar, 2004). Tällaiset kokeet sisältävät ongelman asettelun lisäksi mm. seuraavia vaiheita (Adey, Shayer & Yates, 1989): muuttujien tunnistaminen (vaikuttaako lämpötila? mitä mitataan?), muuttujien vakioiminen ja varioiminen, hypoteesien asettaminen, koejärjestelyn suunnittelu, mittaustulosten kerääminen, tulosten esittäminen ja tulosten tulkitseminen. On huomattava, että oppilaat eivät luonnollisestikaan tunne tutkimuksen teon vaiheita ja raportoinnin muotoja. Sen tähden tutkimuksen teko ja raportin laatiminen on opetettava oppilaille aivan kuten muutkin tiedon hankintatavat.

On luonnollista ottaa esille luonnontieteiden luonteeseen liittyviä näkökulmia kokeellisen työskentelyn yhteydessä. Millar (2004) luettelee seuraavat seikat, joilla voidaan ohjata oppilaita oivaltamaan luonnontieteiden luonteesta olennaisia piirteitä:

  • kaikkeen mittaamiseen ja havaitsemiseen liittyy erilaisia virhelähteitä ja mittaustuloksessa on aina virhettä
  • kaikki luonnontieteellinen tieto on varmistettu kokeilla
  • jotta luonnosta hankitulla aineistolla (data) voitaisiin todentaa luonnonlaki, aineisto pitää tulkita olemassa olevien teorioiden ja tieteen tekemisen traditioiden pohjalta (esim. virhearviot, matemaattisen mallintamisen traditio)
  • tulkitseminen on avoin ja joustava prosessi, joten tulkinnat voivat johtaa erilaisiin alustaviin tuloksiin: uuden tiedon julkaisemisessa on ”laadunvarmistus”, uuden tieteellisen tiedon hyväksyy tiedeyhteisö.

Kokeellisen työskentelyn toivotaan kehittävän myös oppilaan proseduraalista tietoa (procedural understanding) (Gott & Duggan, 1995). Proseduraalista tietoa käytetään, kun suunnitellaan tekoja ja toimintoja. Esimerkiksi mittaaminen edellyttää tietoa siitä, miten mitataan ja kuinka monta mittausta tehdään. Warwick, Linfield ja Stephenson (1999) erottavat selkeästi toisistaan proseduraalisen tiedon ja taidon, joita luonnon tutkimisessa tarvitaan ja kytkevät proseduraalisen tiedon tulkitsemiseen ja kriittisyyteen.

Teksti: Jari Lavonen ja Veijo Meisalo, Helsingin yliopiston soveltavan kasvatustieteen laitos