Mallit ja mallintaminen luonnontieteiden opetuksessa Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2014

Johdattelua Hestenes (1992): The great game of science is modelling the real world, and each scientific theory lays down a system of rules for playing the game. The object of the game is to construct valid models of real objects and processes. Such models comprise the core of scientific knowledge. To understand science is to know how scientific models are constructed and validated. The main objective of science instruction should therefore be to teach the modelling game.

Mallikäsitteen luokittelua Tieteellinen malli eli konsensusmalli on tiedeyhteisön (kyseisenä aikakautena) hyväksymä ja jakama malli on tiettyä teoriaa kuvaava rakenne (teksti, kuvio tai lauseke), jota käytetään teorian ymmärtämiseen ja tulkitsemiseen. on looginen, ja sen pohjalta voidaan päättelemällä tehdä hyvin reaalimaailmaa kuvaavia ennusteita. Tieteen edistyessä uudet tulokset syrjäyttävät vanhat mallit, jolloin syrjäytetyistä malleista tulee historiallisia malleja.

Synteettinen mentaalimalli esimerkiksi oppilaiden käsitykset erilaisista ilmiöistä todellisuuden vastineita, representaatiota, eli edustuksia ihmisen mielessä ilmaistuina useimmiten kielellisiä tai visuaalisia mentaalimalli vaikuttaa siihen, mitkä asiat havaitaan ja minkä oletetaan olevan merkityksellinen; on yleensä hyvin pysyvä Opetusmalli suunnitellaan opetusta varten ja sillä tavoitellaan koulussa konsensusmallin yksinkertaistuksen omaksumista (korkea-asteella tavoitellaan paikoin jo itse konsensusmallin omaksumista) suunnittelussa on otettava huomioon oppilaan mentaalimallit ja se, miten ne suhtautuvat konsensusmalliin hyvä opetusmalli on opetusta varten yksinkertaistettu malli konsensusmalleista ja mahdollisista historiallisista malleista Synteettinen mentaalimalli oppijat muodostavat vaihtoehtoisia käsityksiä sulauttamalla omia intuitiivisia mentaalimallejaan opettajan tai oppikirjan malleihin

Mallintamisen luonteesta Luonnontieteellisille malleille on ominaista, että samaa kohdetta voidaan kuvata usealla eri mallilla; se valitaan tilanteen mukaan. Esimerkiksi jatkuvan aineen malli aineen rakenneosamalli Tietyn kohteen oppimisessa ja opettamisessa on hyvä käyttää useita opetusmalleja, jotka esittelevät tutkittavan kohteen eri piirteitä. Tosin oppilaille on tehtävä selväksi, milloin käytetään mitäkin mallia. Itse asiassa luonnontieteiden opetuksessa (ja myös tutkimuksessa) käytetään liki koko ajan malleja; vrt. esim. oppikirjojen kuviot, kaaviot ja tekstit. On muistettava, että myös malli-sanalla on arkikielisiä merkityksiä, joihin on ”tehtävä pesäero”, kun aletaan puhua malleista luonnontieteiden tunnilla (’esikuva’, ’mannekiini’, ’jäljennös’, ’pienoismalli’, ’kokoamisohje’, jne.)

Mallien opetuskäyttö Mallit avaavat uusia näkökulmia (ja auttavat siten käsitteellisessä muutoksessa) helpottavat abstraktien käsitteiden havainnollistamista ja siten oppimista (vrt. havaittavan maailman rajoitukset) herättävät mielenkiinnon, motivoivat pakottavat opettajan huomioimaan oppilaiden ennakkokäsitykset vaativat opetuksen yhteydessä käytettäessä oppilaiden ohjausta.

Malli rakentuu analogioiden varaan Analogia kuvaa mallin ja kohteen rakenteiden ja prosessien välistä oletettua samankaltaisuutta. Kohteen ja sitä esittävän mallin välillä on oltava riittävä määrä analogioita. Analogia voi olla myös opetusmallin ja konsensusmallin välillä (tai opetusmallin ja sen kohteen välillä). Analogia voidaan ymmärtää yleisesti kahden esityksen – esim. kohde vs. malli, tai opittava asia vs. sen vastine – tiettyjen osien rakenteelliseksi samankaltaisuudeksi.

Mallin ja kohteen muoto voi olla joko konkreettinen tai abstrakti. Analogia selittää kohdetta, kun sen avulla lähestytään kohdetta (opittavaa asiaa) mallista (vastine) tuttujen termien avulla. Mallin ja kohteen muoto voi olla joko konkreettinen tai abstrakti. Analogia voi olla yksinkertainen – sisältäen vain 3 pääosaa: kohteen ja mallin sekä vertailusanat (”on kuin” tai ”voidaan verrata”…): esimerkiksi ”Maapallon ympärillä oleva ilmakehä on kuin valtava kasvihuone”. Analogia velvoittaa siis oppilaan selvittämään sekä mallin ja kohteen väliset yhdenmukaisuudet että erot. Tämä tapahtuu usein opettajan antaman täydennetyn analogian avulla: se sisältää mallin ja kohteen lisäksi perusteet näiden analogiselle suhteelle (positiiviset piirteet) sekä mahdollisesti rajoitteita (negatiiviset piirteet), vrt. seuraava dia.

Mallin analogioiden kartoitustaulukko KOHDE analogian voimassaolo MALLI

”Hyvä” malli on täydellinen (tutkittavan systeemin olennaiset piirteet ja niiden väliset suhteet) suppea (huomioidaan oppijan ikä; ei liikaa yksityiskohtia) yhtenäinen (”läpinäkyvä”; looginen systeemi esiin) konkreettinen (visuaalinen; tutunomainen) mielikuviin pohjautuva (merkityksellisyys; ennustuskyky) oikeellinen (vastaa rajoituksista huolimatta tietyllä tasolla todellista) ymmärrettävä (oppilaille ymmärrettävän kielen käyttö) vastaava (sopiva määrä analogioita)

Erilaisia mallintamismuotoja luonnontieteiden opetuksessa konkreettiset mallit (3-ulotteiset: esim. atomimallit, aineen rakennemallit, anatomiamallit, jne.) visuaaliset mallit (2-ulotteiset: esim. kuviot, kartat, diagrammit, kaaviot, graafit, animaatiot, videot, valokuvat jne.) verbaaliset mallit (sanalliset analogiat: analoginen/metaforinen kuvaus) elemallit (eleet esim. puhetta tukemassa) matemaattiset mallit (esim. yhtälöt, kaavat, jne.) symboliset mallit (esim. kemialliset merkit, reaktioyhtälöt, jne.) ”roolileikkimallit”

Esimerkkejä opetusmalleista biologiassa: fysiikassa: kemiassa: maantieteessä: tähtitieteessä:

Oppilaiden käsityksiä malleista malli on todellinen kappale tai teko Mallilla kuvataan tai esitetään tunnettua tai tuntematonta kohdetta yleensä muusta yhteydestä tunnettujen seikkojen avulla. mallin tarkoitus on olla todellisen kohteen kopio Mallin tarkoituksena on edustaa kohdetta ja auttaa kohteen käsitteellistämisessä. mallin kelvollisuus riippuu siitä, kuka sen on tehnyt ja siitä, kuinka tarkasti se esittää kohdetta Mallin käyttö tarjoaa mahdollisuuden keskustella kohteesta ja sen ominaisuuksista. malli vaihdetaan, jos siinä on virheitä tai jos sen esittäjä haluaa vaihtaa sen Malleja testataan tai koetellaan ja vaihdetaan, jos testaus antaa siihen aihetta. (Saari & Viiri 2003)