Vuoden 2018 opettaja: Tehtävä uudelle vuodelle: Herätä kiinnostus – omasi ja muiden

Kirjoittaja: 

Kalle Vähä-Heikkilä, FM, fysiikan lehtori, Lauttakylän lukio, Huittinen, email: kalle.vaha-heikkila@huittinen.fi

Kaikkea ei onneksi tarvitse keksiä itse. Keräämme koko ajan ajatuksia ja vaikutteita ympäristöstämme ja sovellamme tietoa omiin tarpeisiimme sopiviksi. Joskus sattuu käymään jopa niin onnekkaasti, että ympäristö antaa riittävästi virikkeitä tuottaa itsekin jotain uutta. Jatkuva kiinnostus erilaisia asioita kohtaan auttaa tässä. Siksi haluan haastaa kaikki kiinnostumaan ja herättämään kiinnostusta!

Tiedon kartuttaminen verkostoitumalla ja olemalla kiinnostunut muiden tekemisistä on helpottanut omaa työtäni. Kaikkea ei tarvitse osata, kun voi kysyä muilta ja onneksi yleensä aina joku auttaa. Toisaalta on oltava valmis jakamaan osaamista ja ideoita muille. Miksi en jakaisi osaamistani, saanhan palautetta ajatuksistani ja pystyn kehittämään itseäni palautteen kautta. Tämä on minun mottoni.

Osa lehden lukijoista saattaa tuntea minut fysiikan demonstraatioesityksistä. Kokeellinen fysiikan opettaminen on hyvin ominaista opetuksessani. Fysiikan demonstraatiot ovat minulle hyvä harrastus ja harrastuksen antia haluan jakaa myös muille opettajille. Olen törmännyt sekä Suomessa että ulkomailla loistaviin fysiikan demonstraattoreihin, jotka ovat tarjoilleet minulle uusia ideoita. Tulen käsittelemään Vuoden opettajan artikkeleissa paljon demonstraatioita, sillä juuri niiden avulla uskon voivamme herättää muidenkin kiinnostuksen.

Mehukellolla alkuun

Kirjoittamisessa korostetaan aloituksen ja lopetuksen tärkeyttä. Sama koskee myös opetusta. Vaikka virkavuosia ja esiintymiskokemusta on takana jo jonkin verran, on aina yhtä jännittävää aloittaa uusi lukuvuosi ja fysiikan ensimmäinen kurssi uusien opiskelijoiden kanssa. Miten saada aloitus kohdilleen? Kokeellisena fysiikan opettajana lähestyn aloitusta demonstraatiojohtoisesti. Käynnistetään fysiikan opiskelu mehukellolla (Kuva 1).

Kuva 1. Mehukello toimii aloitusdemona niin fysiikassa kuin kemiassakin.

 

Näin mehukellon livenä ensimmäisen kerran Jarmo Sirviön ja Jouni Viirin esittämänä joillakin MAOL ry:n syyspäivillä. Siitä lähtien se on kulkenut mukanani niin oppitunneilla kuin pitämissäni demonstraatiopajoissa. Mehukellon tarkoituksena on nimenomaan käynnistää fysiikan opiskelu. Opiskelijoita hämmentää, miten appelsiinimehun avulla voidaan laittaa kello käyntiin. Opiskelijan uteliaisuus on herätetty, siitä on hyvä jatkaa. Käymme läpi sähkön merkitystä yhteiskunnassa ja samalla mainostan luonnontieteiden merkitystä kehittyvässä maailmassa. Huomatkaa, korostan luonnontieteiden, en pelkästään fysiikan tärkeyttä. Mehukello on hyvä aloitusdemo myös siksi, että saadaan yhdistettyä fysiikka, kemia ja biologia heti opiskelun alkuun. Palaan oppilaiden kanssa mehukelloon uudestaan sähköopin kurssilla. Fysiikan ensimmäisellä kurssilla mehukello toimii motivoivana demonstraationa ja sähköopin kurssilla mehukellodemoa tarkastellaan sekä käsitteellisesti että kvantitatiivisesti mittaamalla sähköparissa syntynyt jännite.

Mehukellon toiminta on yksinkertaisuudessaan seuraava: Kellon plusnapa kytketään johtimella Cu-levyyn, miinusnapa Mg-nauhaan ja laitetaan Cu sekä Mg lasipurkkiin toisistaan erilleen. Kello käynnistetään kaatamalla appelsiinimehua lasiin. Käytän appelsiinimehua, kuten Jarmo ja Jounikin käyttivät, mehun näkyvyyden ja helpon saatavuuden takia. Mehukello on yhtä lailla sopiva kemian kursseille.

Mehukellon näyttävyydestä on hyötyä erityisesti nuorempien kuulijoiden kanssa. Olen ollut pitämässä fysiikan demonstraatioesityksiä päiväkodeissa ja alakouluissa kotikunnassani Pöytyällä ja työkunnassani Huittisissa. Mehukellolla saa mitä parhaiten herätettyä sekä lasten että luokanopettajien kiinnostuksen fysiikkaan. Juuri ennen joulua 11-vuotiaan poikani sählyturnauksessa yksi joukkuekavereista tuli pelien välisellä tauolla kyselemään, koska voisin tulla tekemään heille taas taikatemppuja. Hän halusi nähdä uudelleen mehukellotaikatempun, jonka oli nähnyt eskarissa. Mehukello oli siis jättänyt vahvan muistijäljen. Tämä tapaus ei ole ainut laatuaan.

Spektrometrejä eri tavoin

Lukion modernin fysiikan kurssilla päästään vihdoin 1900-luvun fysiikkaan ja sen tarjoamiin sovellutuksiin. Kurssi mielletään hyvin teoreettiseksi, vaikka kyseisen kurssin asioita hyödynnetään erittäin paljon tieteessä sekä arkipäivän asioissa. Mistä löytää demoja kurssille?

Pyrin tekemään demonstraatioita mahdollisimman paljon halvoilla, jopa kierrätysmateriaaleista tehdyillä demonstraatioilla. Otetaan esimerkiksi pari spektrometriä. Ensimmäisen mallin idea on peräisin MAOL ry:n syyskoulutuspäiviltä vuosien takaa. Muistaakseni Helsingin yliopiston porukka esitteli halvoilla materiaaleilla tehtyjä demoja ja työpajasta jäi käteen wc-paperirullasta tehty spektrometri, Kuva 2 oikeanpuoleinen spektrometri. Spektrometriin tarvitaan wc-paperirulla, kaksi palaa teippiä, CD/DVD-levy. Leikkaa rullaan saksilla levylle kolo noin puoleen väliin rullaa. Levyn tulisi olla yli 45 asteen kulmassa vaakasuuntaan nähden, jolloin spektrin näkeminen helpottuu. Laita pala CD-levyä tai koko levy koloon. Leikkaa rullan vastakkaiselle puolelle tarkasteluaukko. Laita rullan päähän teipin palat siten, että niiden väliin jää pieni, noin 3 mm:n rako tulevaa valoa varten. Suuntaa rako kohti tarkasteltavaa valoa ja spektri näkyy tarkasteluaukosta.

Toinen CD-levyyn perustuva malli on peräisin tšekkiläiseltä fysiikan opettajalta Zdeněk Polákilta. Hän on tehnyt A4-kokoiselle paperille taiteltavan mallin, joka taitellaan ja laitetaan CD-levyn päälle, Kuva 2. Taiteltava malli löytyy MAOL ry:n pedanet-sivuilta (linkki).

Leikkaa malli irti paperista ja taittele Kuvan 2 mukaiseksi. Molemmat spektrometrit ovat erittäin halpoja, helppoja ja nopeita valmistaa. Niitä voidaan käyttää kaikilla luokka-asteilla aina päiväkodista lukioon. Päiväkodeissa ja alakouluissa voidaan tutkia, mistä valkoinen valo koostuu. Yläkoulun ja lukion opinnoissa voidaan syventyä käsitteeseen viivaspektri sekä spektrin syntyyn erilaisten valonlähteiden avulla.

Kuva 2. Vasemmalla on tšekkiläinen ja oikealla WC-paperi­rullaspektrometri. Omatekoisten spektrometrien valmistus on helppoa, halpaa ja nopeaa.

 

Kemian spektrianalyyseihin ei valitettavasti näillä spektrometreilla päästä, mutta laitteen toiminnan perusteita voidaan käydä läpi. Tosin pitää huomioida, että kemian spektrometreissä käytetään yleisesti valon taittumista, ei taipumista.

Mielestäni on erittäin tärkeää opettaa myös laitteiden rakentamista. Suomalaiset insinöörit tunnetaan maailmalla edelleen kädentaitoisina insinööreinä, toivottavasti sama linja jatkuu myös tulevaisuudessa. Kokeellisesti ongelmia ratkovalle tekniikan alan tekijälle on aina tarvetta. Tätä sanomaa olen kuullut monilta tekniikan alan yrityksissä työskenteleviltä.

Oppitunneilla on helppoa ja nopeaa katsoa monia asioita YouTubesta, mikä on toisinaan hyvä tapa. Mieluummin näkisin kuitenkin opettajat ja oppilaat rakentamassa itse välineitä. Paljon on puhuttu poikien kiinnostuksen lisäämisestä opiskeluun. Pojat tykkäävät rakennella ja rakentelun lomassa on helppo opettaa samalla fysiikkaa ja kemiaa. On myös todettava, että ainakin omien kokemusteni perusteella tytöt ovat yhtä lailla innokkaita ja taitavia demonstraatioiden tekijöitä. Itse tehdessä huomaa monia syy-seuraussuhteita, joita videoista ei käy ilmi. Lisäksi jos laite ei toimi, on erittäin opettavaista pohtia, miksi näin on.

Kuten mehukelloa, voi spektrometrejäkin käyttää eri fysiikan kursseilla. Saman demon tai demovälineen käyttö eri fysiikan kursseilla yhdistää eri kurssien sisältöjä. Opiskelijalle tuttu demoväline palauttaa ajatukset aikaisempaan kokemukseen ja yhdistää toisistaan irrallaan olevia fysiikan kursseja.

Varauksellinen hiukkanen ja sähkömagneettinen säteily

Kuluneen vuoden aikana en ole törmännyt pelkästään uusiin demonstraatioihin, vaan myös uusiin teoreettisiin lähestymistapoihin – didaktisista kokemuksista puhumattakaan. Yksi mieleenpainuvimmista asioista liittyi kiihtyvässä liikkeessä olevaan varaukselliseen hiukkaseen.

Kiihtyvässä liikkeessä oleva varauksellinen hiukkanen emittoi sähkömagneettista säteilyä. Miksi? Tämän kysymyksen esitti minulle viime syksynä yksi opiskelijoistani. Miten sen nyt selittäisi? Minun oli pakko todeta, että en oikeastaan osaa yksinkertaisesti selittää, miksi se on näin. Maxwellin yhtälöt jne. mutta ei se aukea lukiolaiselle ja se on vain kaavamuotoinen esitys asiasta. Teoreettisen asian esittäminen yksinkertaistetusti, mutta riittävän perustellusti, on vaikeaa jokaisella luokka-asteella oppiaineesta riippumatta. Vaikeiden kysymysten takia rakastan fysiikan opettamista. Aina tulee vastaan kysymyksiä, joihin en osaa vastata. Onneksi kyseinen opiskelija oli lähdössä mukaan CERN-tiedeleirikoulun reissulle ja pyysin häntä esittämään kysymyksen siellä uudelleen. Vastausmallin sähkömagneettisen säteilyn emittoitumiselle antoi Aleksi Kurkela.

Kun varattu hiukkanen liikkuu vakionopeudella, indusoi varaus liikkuvan hiukkasen ympärille magneettikentän, mikä voidaan osoittaa kokeellisesti muun muassa oskilloskoopin näytöllä ja magneetilla. Hiukkasen joutuessa kiihtyvään liikkeeseen jatkaa sähkö- ja magneettikenttä edelleen vakionopeudella, mutta hiukkanen uudella nopeudella. Tällöin sähkömagneettinen kenttä ”irtaantuu” hiukkasesta, mikä ilmenee vapaana sähkömagneettisena säteilynä. Heti ”irtautumisen” jälkeen liikkuva varauksellinen hiukkanen muodostaa uuden sähkömagneettisen kentän ympärilleen. Tässä selitys lyhykäisyydessään ja hyvin yksinkertaistettuna.

Kysymys sähkömagneettisen säteilyn synnystä ja Aleksin huikea esiintymistapa innosti tiedeleirikoulumme opiskelijoita yhä uusiin syvällisiin fysiikan kysymyksiin. Luento ”Hiukkasfysiikka liitutaululla” oli lähes kaikkien tiedekoululaisten mielestä reissun parasta antia, joskaan itse luentodioja ei ehditty käymään kysymystulvan vuoksi juuri ollenkaan läpi. Aleksin luento opetti erityisesti sen, että fysiikassa ei aina pystytä vastaamaan kysymykseen miksi, vaan monesti meidän täytyy tyytyä vastaamaan kysymykseen: Miten havaitsemme ilmiön? Otin opikseni Aleksin miten-kysymyksestä ja olen alkanut miettiä opetustani yhä enemmän kysymyksen ”Miten havaita ilmiö?” perusteella. Miksi ja miten kysymysten parissa voimme oppilaiden kanssa keskustella tieteen kehittymisestä. Voisiko miten-kysymystä käyttää paremmin myös käsitteiden opettamisessa niin fysiikassa, kemiassa kuin matematiikassakin? Voisiko miten-kysymyksen avulla vastata myös miksi-kysymykseen esim. ylioppilaskokeessa? Siinä pohdittavaa talvi-iltoihin.

Kiitokset MAOL ry:lle!

MAOL ry toimii erinomaisena verkostoitumisen ja kiinnostuksen ylläpitämisen apurina. Yhdistyksen toiminnassa olen tutustunut matemaattisten aineiden opettajiin ympäri Suomea. MAOL ry on antanut minulle myös mahdollisuuden päästä näyttämään fysiikan demonstraatioiden osaamistani jo useammilla syyskoulutuspäivillä ja paikalliskerhojen tilaisuuksissa. Olen huomannut, että mitä enemmän touhuaa mukana MAOL ry:ssä, sitä enemmän kaikesta sen toiminnasta saa irti. Olen erittäin otettu Vuoden opettajan tunnustuksesta. Kiitos MAOL ry:n jäsenille!

Spektrometri. (jpg, 200 KB)

 

[Julkaistu: Dimensio 1/2018]

Lisää eDimensiossa

Dimensio 5/2018 , 24. lokakuu 2018 - 9:13
Millennium-palkinto Suomeen , 7. syyskuu 2018 - 10:21
Dimensio 4/2018 , 23. elokuu 2018 - 9:00
MAOL olemme me , 6. toukokuu 2018 - 15:16
Vuoden 2018 opettaja: Stadionilla jyrää , 6. toukokuu 2018 - 15:00
Dimensio 3/2018 , 6. toukokuu 2018 - 14:52
Luovuus, koulu ja matematiikka , 10. maaliskuu 2018 - 14:37
Teknologiateollisuus tutuksi , 10. maaliskuu 2018 - 12:16
Dimensio 2/2018 , 10. maaliskuu 2018 - 11:03
Faces of Women in Mathematics , 10. maaliskuu 2018 - 10:00
Luovuus matematiikassa , 11. helmikuu 2018 - 10:21
Kuka saa tuntea matematiikan ilon? , 11. helmikuu 2018 - 9:31
Analogiamalli sähköoppiin , 3. helmikuu 2018 - 9:30
Helsingin kerho 90 vuotta , 3. helmikuu 2018 - 9:20
Dimensio 1/2018 , 3. helmikuu 2018 - 9:00
Vuoden 2017 opettaja: Vesi, wasser, eau, voda , 19. marraskuu 2017 - 9:57
Dimensio 6/2017 , 19. marraskuu 2017 - 9:01
Opettaja artikkelin kirjoittajana , 16. marraskuu 2017 - 9:36
Dimensio 5/2017 , 29. lokakuu 2017 - 9:16
Mihin matematiikkaa tarvitaan , 16. elokuu 2017 - 9:00
Laskukone vauvan aivoissa , 16. elokuu 2017 - 9:00
Dimensio 4/2017 , 16. elokuu 2017 - 1:00
Dimensio 3/2017 , 23. huhtikuu 2017 - 9:00
Eurajoen vesitornin Foucault’n heiluri , 22. huhtikuu 2017 - 9:00
Historiaa, fysiikkaa ja fysiikan historiaa , 2. huhtikuu 2017 - 9:00
Dimensio 2/2017 , 31. maaliskuu 2017 - 9:00
Erään matematiikan vihaajan tunnustuksia , 2. helmikuu 2017 - 9:00
Dimensio 1/2017 , 26. tammikuu 2017 - 9:00