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]

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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”.

Fysiikan tiedon kolmitasoinen rakenne 1. Kvaliteetit ja kvalitatiivinen tieto 2. Kvantiteetit: suuret ja lait 3. Teoria: Abstrakti formalismi

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.

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.

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.

Kokeellinen todennus ei ole teorian perusta vaan sen kruunu. Pierre Duhem,