Füüsika ja keemia lõiming

Riina Murulaid, Tartu Miina Härma Gümnaasium, 2010

Sissejuhatuseks

Igapäevases elus on tegevused, nähtused ja sündmused omavahel seotud: katki läinud arvuti ei lase ajalooreferaati teha, kehvad automehaanikud on põhjustanud autorikke, mistõttu ei jõua naaberlinna teatrisse. Ka keemia ja füüsika seoseid on õpilasi ümbritsevas keskkonnas küllaga: kui süte kuumus on liiga suur, kõrbeb liha ära; kui päikesekiirgus on liiga tugev, võib saada nahapõletuse; kui liha sügavkülmutada, ei lähe see roiskuma; intensiivne põlemisprotsess tagab suurema soojuskiirguse jne.

Õppeainete lahterdamine koolis – on keemia-, matemaatika- ja eesti keele tunnid, on bioloogia-, inglise keele ja ajalooõpikud, on füüsika-, bioloogia- ja kehalise kasvatuse õpetajad – tekitab paratamatult vastuolu igapäevaelus tajutavaga. Õpilast tuleb õpetada mõistma, et on küll lahtrid, aga need on ühenduses läbi seoste, jagades nii objekte, meetodeid kui ka rakendusi.

Lõimimise kitsaskohad
Keemial ja füüsikal on teadusharude ja õppeainetena palju ühist: uurimismeetodid ja -valdkonnad, ka uurimisobjektid ja terminoloogia. Lisaks on enamik keemia seaduspärasusi ja lähtekohti oma olemuselt füüsikalised, mis peaks tähendama keemia ja füüsika lihtsamat lõimimist koolitundides. Sellegipoolest jääb lõiming kesiseks. Seda väidet toetavad mitmed Eestis tehtud lõimingualased uurimused. Britt Reimets ja Lembi Tamm nendivad ajakirja Haridus artiklis „Kas aatom füüsikas on sama mis keemias?“, et õpilaste teadmised jäävad seostamata üksikfaktideks, mida ei osata kasutada oma maailmapildi kujundamisel ega igapäevaeluga seotud probleemide lahendamisel [1]. Juba vana „tõde“, et on olemas „füüsika aatom“ ja „keemia aatom“, näitab, et lõiminguga on lood kehvemad, kui eeldada võiks.

Keemia ja füüsika lõimingut põhikoolis uuris ka käesoleva artikli autor [2]. Uurimuse eesmärk oli välja selgitada, kuidas mõjutab õpilaste sisemist lõimingut see, kui keemia- ja füüsikaõpetaja on üks ja sama isik. Aluseks olid keemia- ja füüsikaõpikute kattuvad mõisted ning õpilased pidid mõisted määrama kas keemiasse, füüsikasse või mõlemasse ainesse kuuluvaiks. Uurimuses osales 25 kooli Eesti erinevatest piirkondadest, näiteks Prantsuse Lütseum Tallinnast ja Illuka Põhikool Ida-Virumaalt.

Mõned arvud uurimusest:
Enim peavad õpilased mõlemasse ainesse kuuluvaiks järgmisi mõisteid:
Tihedus 63%                          Aatom 40%
Põhiühikud 61%                   Agregaatolekud 37%
Molekul 50%                         Energia 26%
Normaaltingimused 49%   Elektrilaeng 24%

Molekuli ja aatomit peavad ülejäänud õpilased pigem keemia mõisteteks ning elektrilaengut ja energiat pigem füüsikasse kuuluvaiks, mis on ka arusaadav, sest neid mõisteid käsitletakse põhjalikumalt vastavates tundides.
Pooled vastanutest (rühm I) olid nendest koolidest, kus keemiat ja füüsikat andis sama õpetaja, ja pooled koolidest, kus õpetajad olid erinevad (rühm II). Vastupidiselt uurimuse hüpoteesile – keemia ja füüsika õpetamine ühe õpetaja poolt soodustab sisemise lõimingu teket – määratles II rühm rohkem mõisteid mõlemasse ainesse kuuluvaiks (keskmiselt 15% rohkem).

Õpilaste ja õpetajate vastustest ilmnes ka teine vastuolu. Samu mõisteid, mida küsitluses osalenud õpetajad käsitlesid mõlemas ainetunnis, pidasid õpilased kas keemia või füüsika mõisteteks. Näiteks mõisteid agregaatolek, aatomi mudelid pidasid õpilased võrdsete osadena keemiasse, füüsikasse või mõlemasse kuuluvaiks.

Seega on sisemise lõimingu tekkimine keerukas protsess ja ei ole ühest valemit probleemi edukaks lahendamiseks. Pigem tuleb kasutada erinevaid teid ja võimalusi, et õpilasel tekiks harjumus seostada uusi teadmisi varem õpituga või mujal kuuldu ja kogetuga.

Lõiminguvõimalusi

Järgneval skeemil (Joonis 1) on esitatud õppetöös rakendatavaid välise lõimingu võimalusi, mis soodustavad sisemise lõimingu teket.

Joonis 1. Füüsika ja keemia lõimimise võimalused.

Alljärgnevalt on toodud erinevate lõiminguvõimaluste kirjeldused, mis on varustatud arvukate näidetega.

Mõistete laiapõhjalisem käsitlus
Uue mõiste sissetoomisel tuleks luua võimalikult palju seoseid, näiteks:

• Mis on tema algne tähendus kreeka või ladina keeles? Näiteks mass tuleneb kreekakeelsest sõnast maza – käkk, tomp.
• Kuidas sama mõistet kasutatakse igapäevases elus või mõne teise aine kontekstis, näiteks mida võiks tähendada töö mõiste keemias või milles on füüsika mõiste sarnane igapäevases elus kasutatavaga?
• Seletada, kus seda mõistet veel kasutatakse – keemias, geograafias, majanduses. Näiteks kiirus – reaktsiooni kiirus, majanduse kasvu kiirus.
• Näidata, et mõiste viimine teise valdkonda muudab mõiste varjundit ja kasutamist, näiteks molekul on keemias osake, millel on kindel koostis ja kindlad keemilised omadused. Füüsikas käsitletakse molekuli füüsikalisi muutumisi, keemias pigem keemilisi.

Kattuvad mõisted

Keemias ja füüsikas on suur kattuvate mõistete osakaal – kokku on neid 60–70. Selline ligikaudne arv on seotud mõiste ja allmõiste esinemisega. Näiteks elektrilaeng ja elementaarlaeng, energia ja energialiigid, keemiline side ja selle liigid. Kattuvusi on kaht tüüpi: ühed on ainult ühe-kahe ainekursuse piires, teised kulgevad ühest ainest teise ja esinevad ka kogu koolikeemia ning -füüsika kursuste ulatuses ehk on integreeritud nii horisontaalselt kui ka vertikaalselt. Sellised mõisted on üldjuhul fundamentaalsemad (molekul, aatom, energia, kontsentratsioon, kristallvõre). Keemia ja füüsika lõpueksamite mõistete loendist moodustavad kattuvad mõisted põhikooli osas pisut üle 10% ja gümnaasiumis alla 10% mõistete koguhulgast [2].
Mõistete, eriti kattuvate mõistete laiapõhjalisem lahtiseletamine soodustab mõistete meeldejätmist ja nendest arusaamist, mis omakorda loob pinnase sisemise lõimingu tekkeks.

Järjepidev näidete toomine keemiast

Alljärgnevalt on esitatud näiteid keemiast, mida võib antud füüsika teema juures esitada (Tabel 1). Osa näiteid tugineb põhikooli keemia ainekavale, osa gümnaasiumi ainekavale, omades igapäevaelus ja tehnikas rakenduslikku väärtust.

Tabel 1. Näited keemiast, mida saab kasutada füüsikatundides.

Siin mängib suurt rolli õpetaja teadmiste ulatus ja enesetäiendamine füüsikaga seotud loodusainete osas. Eestis on välja antud väga vähe lõimingualast kirjandust ja vastavateemalised koolitused praktiliselt puuduvad. Selliseid käsiraamatuid nagu M. Seeba ja H. Voolaiu „Füüsikalt bioloogidele“ võiks üllitada iga loodusaine kohta [4]. Nimetatud raamatus seletatakse bioloogidele füüsika mõisteid, et vältida valesti õpetamist. Nii kasvab õpetaja kindlus füüsikaga seotud teemade seletamisel.

Teemade ja mõistete ajaline korrelatsioon

Ainekavas on kattuvatest või vastastikku toetavatest teemadest vaid vähesed ajaliselt enam-vähem kooskõlas, näiteks tihedus 8. klassis ning kütuste kütteväärtus ja põlemine 9. klassis. Valdavaks on siiski erinev ajaline järjestus, mida on võimalik positiivseks muuta selgitustega antud teadmise vajalikkusest: „Seda läheb sul keemias vaja.“ (energia) või „Keemias õppisite seda 8. klassis (aatom ja molekul), nüüd rakendame sama teadmist füüsikas.“ Teemade järgnevusest leiab ülevaate artiklist „Füüsika lõiming põhikoolis“ [3]. Veelgi parem, kui aluseks on kooli füüsika- ja keemiaõpetaja koostöö kooli õppekava koostamisel või hea ainekavade tundmine.

Õpetajate koostöö

Õpetajate koostöö on keemia ja füüsika lõimingu üheks olulisemaks osaks. Samas on see ka tundlikum, sest õpetajad ei pruugi omavahel sobida ei loomuse ega töömeetodite osas. Koostöö on lihtsam suurtes koolides, kus põhikohaga õpetajate töökoormus tingib nende pideva kohaloleku, keerulisem aga väiksemates koolides, kus õpetajad käivad tunde andmas ühel-kahel päeval ja sageli ka mitmes koolis korraga. Sellisel juhul on keeruline ühist toimivat süsteemi luua, pigem jääb igale koolile oma viis õpetajatevahelist koostööd korraldada. Võimalusi on siingi palju: kokkulepped kattuvate osade käsitlemisel, ühised projektid, õppekäigud ja sarnane praktiliste tööde ülesehitus ja vormistamine.

Uurimuslik õpe

Koolitundides on nii füüsika kui ka keemia praktilised tööd erinevate eesmärkidega. Osa töid on seotud oskuste arendamisega, näiteks mitmesuguste füüsikaliste suuruste mõõtmine ja vooluringi kokkupanemine füüsikas või segude lahutamine ja reaktsioonitunnuste uurimine keemias. Osa töid sisaldavad rohkem uurimuslikke elemente: hüpoteesi püstitamist ja selle kontrollimist ning järelduste tegemist, näiteks füüsikatöös, kus uuritakse, millest sõltub pendli võnkesagedus. Keemias tähendab praktiline töö ka ainete sünteesimist, näiteks vesiniku saamine tsingist ja soolahappest, ning saadud ainete tõestamist (vesiniku süttimine). Erinevate katsete ja tööde läbivaks jooneks peaks olema ühtne vormistamisviis, mis koosneb kindlatest osadest.
Lihtsamate katsete puhul võiks protokollis olla välja toodud töö eesmärk, töövahendid, katse kirjeldus (võib esitada joonisena) ja järeldus. Sedasorti töödeks on näiteks hapete ja aluste kindlaksmääramine keemias ning läätsede ja kujutiste uurimine füüsikas. Mõlema puhul tuleb jälgida ohutusnõudeid (töötamine aluste ja hapetega keemias ning küünla kasutamine kujutise tekitamisel füüsikas).

Selleks et tutvustada ja omandada uurimuslikku meetodit, tuleb osa katseid üles ehitada nii, et need sisaldaksid uurimusliku õppe komponente: hüpoteesi, katse planeerimist, katse korraldamist ning tulemuste töötlemist ja interpreteerimist. Eelmises lõigus nimetatud katsetele saab anda ka uurimusliku suuna. Keemias indikaatorite töös võib püstitada hüpoteesi, et erinevad happed muudavad indikaatori värvust sarnaselt/erinevalt. Füüsikatöös aga võib püstitada hüpoteesi, et kujutise suurus sõltub küünla kaugusest läätsest.

Tähtis on, et praktilistele töödele kehtiksid samasugused nõuded nii keemia- kui füüsikatundides ja et ei erineks vormistamine. Nii süvendatakse praktiliste tööde teostamise oskust, harjumust tehtud tööd üles märkida ja teadmist, et uurimuslikul tööl on oma kindlad osad, mis ei ole omased ainult ühele ainele, vaid on loodusteadustes üldiseks meetodiks.

Õppekäigud, projektid, külalisesinejad

Lõimingut toetavad õppekäigud, külalisesinejad, teemapäevad, välisprojektid jms on suurepäraseks vahelduseks tavatundidele, laiendades õpilaste silmaringi ja tõstes õpimotivatsiooni. Sellised õppetöö vormid on eriti vajalikud õpilastele, kelle peredel ei ole harjumust ega võimalusi käia reisimas, näitustel ja mitmesuguste suunitlustega pereüritustel, näiteks TÄPE-l Tartus või AHHAA keskustes Tartus ja Tallinnas. Ettevõtmiste oskuslik planeerimine ja lisaülesannete andmine suurendab kasutegurit veelgi. Nii võib külalisesinejaks kutsuda näiteks materjaliteadlase, aga õpilastele anda eelnevalt ülesandeid: tutvuda, millega antud teadlane tegeleb, et teaks, milliseid küsimusi talle esitada. Kuna tegu on põhikooliga, tuleks esinejateks valida karismaatilisi isikuid, kes suudavad oma esinemisega köita ka teismelisi.

Kokkuvõtteks

Kindlasti on olemas veelgi võimalusi lõimingu süvendamiseks. Käesolevas artiklis tugineb autor valdavalt oma kogemustele, olles koolis töötanud kokku 18 aastat ja seda nii linna eliitkoolis kui tavalises väikeses maakoolis. Seoste loomise oskus ei tule ainult koolist, vaid ka sotsiaalsest keskkonnast: perest, sõprusringist, vaadatud telekanalitest, loetud raamatutest. Erinevate huvide ja kogemustega õpilastel tekivad ka seosed erinevalt. Koolis omandab õpilane teadmisi ja süvendab oskusi teadmistega opereerida ning õpetajate panusest sõltub nende teadmiste ja oskuste ulatus.

Kasutatud kirjandus

1. Reimets, B., Tamm, L. (2007), Kas aatom on füüsikas sama mis keemias?; kättesaadav internetilehel
http://haridus.opleht.ee/Arhiiv/9_102007/index.html.
2. Leet, R. (2007), Füüsika ja keemia integratsioon põhikoolis, magistritöö, Tartu Ülikool.
3. Leet R. (2010), Füüsika lõiming põhikoolis, avaldatud: Lõiming. Lõimingu võimalusi põhikoolis, Tartu Ülikooli haridusuuringute ja õppekavaarenduse keskus; kättesaadav internetilehel http://www.ut.ee/curriculum/Kogumikud.
4. Seeba, M., Voolaid, H. (2000), Füüsikalt bioloogiale, Tartu Ülikooli Kirjastus.

Artikkel avaldatud esmakordselt õppekava veebis põhikooli loodusainete valdkonnaraamatus 2010, ISBN: 978-9949-9110-2-8