Kokeellisuus ja oppiminen

Kokeellisessa työskentelyssä pyritään siihen, että olosuhteet oppimiselle olisivat otolliset. Kokeellisen toiminnan lisäksi oppitunnilla keskustellaan ja tuetaan oppilaita kohtaamaan kognitiivinen ristiriita. Ristiriita voidaan kohdata sisällöissä, tutkimusmenetelmässä tai tiedon käsittelyssä. Kun oppitunnin tavoitteena on kokeellisen tiedonhankintamenetelmän ja luonnontieteellisen ajattelun sekä tiedon käsittelytaitojen oppiminen, oppilas valitsee välineet ja menetelmät, suunnittelee koejärjestelyn ja tulkitsee tulokset. Ongelmana voi olla esimerkiksi selvittää, minkälaisessa astiassa kuuma juoma pysyy parhaiten kuumana. Kun oppitunnin tavoitteena on käsitteiden oppiminen, ristiriita syntyy sisältöjen kautta.

Tiedon käsittelyn ongelmia voivat olla esimerkiksi muuttujien tunnistaminen ja itse käsitteiden "muuttuja" ja "riippuvuus muuttujien välillä" ymmärtäminen. Näiden peruskäsitteiden ymmärtäminen on edellytyksenä eri riippuvuuden lajien – verrannollisuuden, lineaarisen riippuvuuden, kääntäen verrannollisuuden, tasapainon ja korrelaation – ymmärtämiselle. Oppilasta autetaan näkemään muuttujien välisiä riippuvuuksia esimerkiksi suoran sovituksen, akseleiden skaalauksen tai graafisen integroinnin ja derivoinnin avulla.

Käsitteiden oppimista kokeellisen työskentelyn yhteydessä on usein tarkasteltu Jean Piaget’n (1896–1980) oppimisen teorian eli Piaget'n geneettinen epistemologian pohjalta (Genetic Epistemology) tai sen pohjalta kehitettyjen erilaisten konstruktivististen näkemysten pohjalta. Piaget’n geneettinen epistemologia käsittelee sekä tiedon rakennetta että tiedon rakentumista aivoihin vaihe vaiheelta syntyvinä tietorakenteina (tietostruktuureina). Piaget´n mukaan lapsen älyllinen kehittyminen ja oppiminen tapahtuvat kognitiivisten konfliktien eli ristiriitojen kautta. Konfliktissa lapsi huomaa omien tietorakenteidensa puutteellisuuden tai soveltumattomuuden kohtaamassaan uudessa tilanteessa. Oppimisen (tietorakenteiden rakentamisen) edellytyksenä on siis tietty epätasapaino tai konflikti jo olemassa olevien tietojen ja uuden tiedon välillä. Vain konfliktin seurauksena voi olemassa oleva tietorakenne kehittyä tai uusi tietorakenne muodostua. Piaget korostaa kognitiivisen kehityksen yksilöllisyyttä. Hänen mukaansa kognitiiviset prosessit tapahtuvat yksilön tietorakenteissa. Sosiaalisen vuorovaikutuksen merkitys on aktivoida yksilöllisiä ajatteluprosesseja. (Piaget, 1988.) Tietorakenteen ja skeeman kanssa käytetään lähes synonyymina käsitteitä mentaalimalli, sisäinen malli, oppimisstrategia ja metakognitio.

Vaikka edellä esitetty Piaget’n teoria on yksinkertainen, käytännössä kokeellisen työskentelyn yhteydessä ei ole helppoa saada oppilaita keskustelemaan siten, että he tukeutuvat aidosti empiiriseen aineistoon, kun he selittävät havaittuja ilmiöitä. Oppilaat voivat tukeutua selittämisessä helposti esimerkiksi mielipiteisiin tai omiin ennakkokäsityksiinsä. Bennettin, Lubbenin, Hogarthin ja Campbellon (2004) tekemän laajan systemaattisen analyysin (a systematic review) perusteella on olemassa vahvaa tutkimusperäistä näyttöä siitä, että pienessä ryhmässä empiiriseen aineistoon tukeutumisen ja ilmiöiden selittämisen saa aikaan oppilaiden sisäinen kognitiivinen ristiriita (konflikti), kun ristiriidan syntymistä tuetaan ulkoapäin. Konfliktin synty ja sen kautta oppiminen edellyttää siis opettajan ohjausta, sopivan työskentelymuodon valitsemista tai hyvin suunnitellun tehtävän antoa. Sopivia työmuotoja ovat esimerkiksi erilaiset yhteistoiminnalliset työmuodot ja graafisten tiedonesittämismenetelmien käyttö opetuksessa.

Vaikka Piaget ei varsinaisesti tarkastellut opetusta ja opiskelua, Piaget'n teoriaa sovelletaan usein opetuksen ja opiskelun tarkasteluun, sillä opetuksella ja opiskelulla tavoitellaan tietorakenteiden syntymistä ja kehittymistä. Driver (1983) kuvaa oppimista Piagetin teorian pohjalta prosessiksi, jossa oppilaan tietorakenne kehittyy assimilaatiossa, jossa oppilas liittää uusia käsityksiä aivoissa jo olemassa oleviin rakenteisiin. Akkomodaatiossa vanha tietorakenne (skeema) hylätään ja korvataan uudella. Assimilaation ja akkomodaation yhteistuloksena syntyy ympäristöön sopeutuminen eli adaptaatio. Samalla tiedollisella tasolla olevien oppilaiden välinen vertaisvuorovaikutus synnyttää tehokkaasti kognitiivisia konflikteja oppilaiden pyrkiessä ymmärtämään toistensa käsityksiä.

Piaget’n oppimisen psykologian perusteella kokeellisella työskentelyllä voi olla keskeinen merkitys käsitteiden oppimiselle kokeellisen työskentelyn yhteydessä. Voidaan myös perustellusti väittää, että kokeellisella työskentelyllä ei ole merkitystä, jos Piaget’n teoriaa tietorakenteiden kehittymisestä ja syntymisestä ei oteta huomioon opetuksessa. Millar (2004) luettelee oppimista tukevan oppilastyön ominaisuuksiksi Piaget'n teorian pohjalta seuraavat piirteet:

  • yksittäiselle työlle asetetaan vain muutama selkeä tavoite
  • työ on suunniteltu niin, että se suuntaa oppilaiden huomion niihin tarkasteltavan ilmiön piirteisiin, jotka ovat olennaisia tietorakenteen kehittymisen tai kumoamisen kannalta
  • työ on suunniteltu niin, että oppilaat joutuvat ajattelemaan ennen työskentelyä ja aktivoimaan jo olemassa olevat tietorakenteensa (skeemansa)
  • työ on suunniteltu niin, että opettaja voi seurata oppilaiden toimintaa ja puhetta (ajattelua) työskentelyn aikana
  • työ on suunniteltu niin, että työn tulosten tarkastelu johtaa luokitteluun (samankaltaisuuksien ja erilaisuuksien esittämiseen), yhteyksien, riippuvuuksien ja/tai verrannollisuuksien esittämiseen
  • työ on suunniteltu niin, että työskentelyn jälkeen oppilaat ohjautuvat pohtimaan, käyttämään tuloksia pohdinnassa ja perustelemaan asioita tuloksiin nojautuen
  • työ on suunniteltu niin, että työskentely ja tulokset synnyttävät sosiaalista vuorovaikutusta.

Edellä kuvatut oppilastyön suunnittelun piirteet voi periaatteessa ottaa huomioon minkä tahansa opetustilanteen suunnittelussa. Esimerkiksi, jos oppitunnin aiheena on kappaleen hitaus, opettaja voi johdatella oppilaat tarkastelemaan tilanteita liikkeelle lähtevässä tai pysähtyvässä bussissa. Edellinen Millarin laatima lista voidaan pelkistää vaatimukseksi kytkeä kaksi maailmaa toisiinsa: todellisten ja havaittavien kappaleiden ja ilmiöiden maailma ja oppilaan käsitteiden maailma. Kokeellinen työskentely ja siihen liittyvä keskustelu tai oppilaiden kokemuksista keskustelu synnyttää näiden kahden maailman välille vuorovaikutusta. Tässä vuorovaikutuksessa on olennaista perustella havaintoihin ja kokemuksiin liittyen, miten uusi käsite liittyy aikaisempiin käsitteisiin (Gott & Duggan, 1996).

Piaget’n kehityspsykologisesti painottuneen teorian soveltumista oppimisen teoriaksi on kritisoinut esimerkiksi Piaget'n oppilas Hans Aebli. Aeblin (1991) mukaan Piaget ymmärtää oppimisen liiaksi iän mukana tulevaksi kypsymiseksi. Lapsen kehittyminen riippuu hänen mukaansa enemmän sosiaalisesta vuorovaikutuksesta sekä kotona että koulussa. Sen tähden fysiikan ja kemian opetukseen kuuluu olennaisena elementtinä havainnoista ja niiden tulkinnoista keskustelu. Keskustelua tarvitaan myös suunniteltaessa ja tehtäessä oppilastöitä sekä esitettäessä ja käsiteltäessä tuloksia. Aebli (1991) on kehittänyt Piaget'n teoriaa mielestään paremmin oppimista luokkahuoneessa kuvaavaksi teoriaksi. Hänen mukaansa puhtaalla psykologisella teorialla voidaan kuvata vain osaa niistä ilmiöistä, jotka ovat oppimisessa, opettamisessa ja luokkavuorovaikutuksessa olennaisia. Aeblin mukaan oppimisen kuvaamiseen tarvitaan myös sosiologista, sosiaalipsykologista ja filosofista tietämystä sekä opetettavan oppiaineen oman käsitteistön, struktuurin ja tiedonhankintamenetelmien tuntemusta.

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