Õpilaste arusaamade arvestamine loodusainete õpetamisel

2010

Miia Rannikmäe, Tartu Ülikool

Moonika Teppo, Tartu Ülikool

Arusaamade kujunemine ja olemus

Õpilaste arusaamasid on uuritud juba kümneid aastaid. Arusaamade kujunemise selgitamisel eristatakse psühholoogilist ja didaktilist lähenemisviisi. Esimene püüab selgitada seaduspärasusi tulenevalt laste vanuselisest arengust või mälu struktuurist (Tulving, 1994; Preece, 1984; Vosnidou, 1998). Didaktikud pööravad aga tähelepanu koolis õpetatava rollile arusaamade kujunemises (Driver jt, 1985, 1997; Simonneaux, 2000). Driver (1985) selgitab arusaamade kujunemisel järgmist analoogiat: uue õpilase ilmumine uude klassi on võrreldav uue mõiste ilmumisega teadmiste süsteemi. See tähendab, et kui uus mõiste võetakse omaks, siis see muudab varasemate teadmiste struktuuri. Kui uue mõiste ja varasemate teadmiste vahel ei teki seoseid, siis jääb see mõiste eraldatuks.

Uurimistööd näitavad, et õpilastel esineb vigu erinevatest loodusteaduslikest mõistetest ja protsessidest arusaamisel (Lewis, 2000; Teixeira, 2000). Vigu sisaldavaid arusaamu on nimetatud alternatiivseteks ideedeks, väärarusaamadeks ja tavakeelseteks arusaamadeks. Tihti võivad õpilaste arusaamad olla vastuolus teaduslike teadmistega ja siis nimetatakse neid väärarusaamadeks (Case & Duncan, 1999; Nicoll, 2001; Kinchin, 2000). Õpilaste arusaamade uurimisel on teadlased jõudnud mitmete seaduspärasusteni:

1. Õpilaste arusaamad on personaalsed (Greca & Moreira, 2000). See tähendab, et õpilaste arusaamad ümbritsevast maailmast kujunevad isikliku kogemuse vahendusel. Näiteks võivad õpilased interpreteerida koolis läbiviidud eksperimenti erinevalt, tulenevalt nende isiklikest elukogemustest (Driver jt, 1985).
2. Õpilaste arusaamades esineb ka teatud sarnaseid jooni (Cañal, 1999). Eri maade ja eri vanuses laste arusaamad teatud nähtuste kohta on sarnased, isegi vaatamata erinevustele kultuurilises taustas. Näiteks nii Austraalia, Hispaania, Prantsusmaa, Inglismaa, Iisraeli, Ameerika kui ka Uus-Meremaa õpilased arvavad, et taimede hingamine on vastupidine protsess loomade hingamisele (Cañal, 1999).
3. Õpilaste arusaamasid iseloomustab püsivus (Trumper, 1990; Driver jt, 1985; Glynn jt, 1991) ja need muutuvad koolis õpetamisega vähe. Õpilaste arusaamad võivad olla õpetamise suhtes väga püsivad ja säilida õpilastel pärast koolis õpitut ning koguni täiskasvanuna. Näiteks esineb õpilasel väärarusaam hingamisprotsessist, mille järgi taimed hingavad sisse süsihappegaasi ja välja hapnikku. See on laialt levinud väärarusaam nii põhikoolis, gümnaasiumis kui ka kõrgkoolis õppijate seas (Cañal, 1999).
4. Õpilaste arusaamu iseloomustab fragmentaarsus, ka seostamatus (Palmer, 2001; Simonneaux, 2000) ja paljusus (Palmer, 2001; Taber, 2001; Tylter, 1998). Palmer (2001) leidis, et enamikul õpilastest esineb nii alternatiivseid kui ka teaduslikke arusaamu. Seejuures teaduslikud arusaamad esitati üksikute, seostamata faktidena.
5. Õpilased seletavad keerulisi situatsioone lähtuvalt otseselt tajutavatest omadustest (Driver, 1985; Enderstein & Spargo, 1996). Õpilased pööravad tähelepanu eelkõige märgatavatele, mitte abstraktsetele protsessidele, nagu keemilise reaktsiooni toimumise mehhanism. Näiteks arvavad õpilased, et suhkur kaob lahustumisel, mitte ei eksisteeri edasi väiksemate, silmale nähtamatute osakestena.
6. Õpilased pööravad keerukates nähtustes ja protsessides tähelepanu vaid üksikutele omadustele, nad ei näe tervikut ega seoseid (Driver jt, 1985). Näiteks valivad õpilased jää säilitamiseks rauast anuma, kuna raud on katsumisel külm – seega võetakse otsus vastu ühe domineeriva tunnuse järgi ega arvestata teisi tegureid.
7. Õpilased ei erista üksteisest sarnaseid objekte kirjeldavaid teaduslikke mõisteid (Berg & Grosheide, 1997; Trumper, 1990). Näiteks on õpilastel raskusi aatomi, molekuli ja iooni eristamisega (Johnson, 1998) või mitoosi ja meioosiga bioloogias (Lewis, 2000). Teaduses on mitmetel terminitel spetsiifiline tähendus, kuid õpilaste meelest seda erisust ei eksisteeri.

Seega võib öelda, et õpilaste arusaamad on tihti vastuolus teaduslike seisukohtadega. Õpilastele võib tekitada raskusi abstraktsetest, komplekssetest nähtustest ja mõistetest arusaamine (Dove, 1998; Berg, 2001; Borges & Tenico, 1999; Strömdahl jt, 1994). Lewise (2000) poolt läbiviidud uuringute tulemused näitavad, et õpilaste arvates asuvad geenid ainult paljunemisega seotud organite rakkudes ja on suuremad kui kromosoomid. Õpilastel esineb ka mitmeid väärarusaamu fotosünteesi protsessi mõistmisel. Näiteks arvavad nad, et taimed toituvad mullast saadavatest mineraalainetest ja veest, päike on vajalik taimedele ainult ilusa värvuse andmiseks (Cañal, 1999).

Väärarusaamade kujunemise põhjused

Väärarusaamade kujunemist on uuritud väga erinevatest aspektidest lähtuvalt. Näiteks Enderstein & Spargo (1996) rõhutavad eelteadmiste mõju väärarusaamade kujunemisele koolis, kuna õpilased integreerivad koolis esitatud teaduslikud arusaamad oma varasematel kogemustel põhinevate arusaamadega. Need varasemad arusaamad aga ei pruugi alati olla teaduslikult korrektsed. Šišovic & Šišovic (2000), Kinchin (2000) ja Dove (1998) aga väidavad, et väärarusaamasid põhjustab puudulik õpetamise organiseerimine koolis ja liiga õpetajakesksete õppemeetodite kasutamine. Juhul kui loodusteaduslikke õppeaineid õpetatakse eri õppeainetena, kus mõisteid kasutatakse erinevas kontekstis, võib tekkida lõhe terminoloogias. See raskendab mõistetevaheliste seoste tekkimist ja võib viia väärarusaamade kujunemisele (Šišovic & Šišovic, 2000). Kindlasti mõjutab väärarusaamade kujunemist ka koolis esinev päheõppimine, mis võib viia küll näiliselt positiivsete tulemusteni, ent sügavamal uurimisel selgub, et tegelikult puudub õpilastel arusaamine mõistest või protsessist (Dove, 1998; Simonneaux, 2000). Ka Eestis läbiviidud uuringust (Kikas, 1997) selgub, et õpilased õpivad pähe koolis esitatud faktid ja reprodutseerivad neid edukalt, kasutades igapäevaelus juurdunud arusaamu.

Väärarusaamade kujunemist soodustavad ka õpikud ja neis toodud joonised, kui neis sisalduvad ebatäpsused või mitmeti mõistmised (Toth, 1999). Näiteks kui joonisel, mis peaks kirjeldama energiaringet toitumisprotsessis, ei kujutata päikest (joonis algab taimedest, millele järgnevad teised organismid), siis arvabki õpilane, et looduses on taim esmaseks energiaallikaks (Kinchin, 2000).

Väärarusaamadeni võib viia ka õpetamise metoodika, kus õpetaja ei pööra õpetamise planeerimisel tähelepanu teadus- ja igapäevakeele väljenditele: mõistete liigne lihtsustamine, vastuoluline või ebajärjekindel, kontekstist sõltuv kasutamine (Dove, 1998; Duit, 1991). Näiteks kasutatakse inimese toitumise käsitlemisel mõistet „toitained“ erinevate energiarikaste toitainete tähenduses (süsivesikud, rasvad, valgud), kuid taimede toitumisel nimetatakse „toitaineks“ mullast saadavaid mineraalaineid (Kinchin, 2000).

Igapäevakeele ehk tavakeele kaudu väljendub igapäevane, üldlevinud mõtteviis. Tavakeel areneb koosmõjus kultuuriga ja see omandatakse igapäevases suhtlemises. Tavakeele ülesanne on võimaldada suhtlemist ja toime tulla igapäevase eluga. Igapäevakeelt iseloomustab kontekstist sõltumine, toetumine isiklikule kogemusele ja mitmemõttelisus (Leach & Scott, 2000). Teaduskeel on formaliseeritud viis suhelda ja mõelda teadusalaselt. Teaduskeel kujuneb teaduslikus tegevuses ja vaatamata suurele formaliseeritusele on see dünaamiline. Selle omandamine koolis toimub vahetus õppeprotsessis (Leach & Scott, 2000). Seega on teaduskeel ja tavakeel väga erinevad ning seda erinevust arvestamata võivad tekkida raskused õppimisprotsessis (Kinchin, 2000; Duit, 1991; Scott & Leach, 1988). Sageli ei vasta igapäevases kõnepruugis kasutatavad teaduskeele mõisted nende teaduslikule tähendusele ning seetõttu võib ebateadlik inimene neid ühes või teises situatsioonis valesti kasutada (Asko jt, 1993):

– Mitmetel igapäevakeele sõnadel on ka teaduslik tähendus, näiteks sõnal „loom“ on igapäevases ja teaduslikus kõnepruugis erinev tähendus;
– Mitmeid sõnu, millel on teaduskeeles oma spetsiifiline tähendus, ei tarvitse igapäevakeeles üldse eristada. Näiteks sõnad „jõud“ ja „võimsus“ on igapäevakeeles sarnase tähendusega;
– Igapäevakeeles tarvitusel olevad metafoorid ja väljendid ei lange kokku teaduslike arusaamadega. Näiteks räägitakse „kurjade pilkude saatmisest“, „taimede toitumisest“ jne.

Loodusteaduste õpetamine peab viima selliste teadmiste kujunemisele, mis tagaks teaduskeele ja tavakeele vahekorra õige kasutamise oskuse (Hull, 1993; Kinchin, 2000).

Teaduslike arusaamade kujunemine

Teaduslikud arusaamad on loogiliselt järjekindlad, sisaldavad loogilisi seoseid teaduslike mõistete vahel, on teadlaste poolt kontrollitud ja kinnitatud ning moodustavad omavahel seostatud terviku (Scott & Leach, 1998). Mitmed teadlased on püüdnud iseloomustada, mis toimub lapse arusaamadega koolis ja millised faktorid mõjutavad teaduslike arusaamade kujunemist (Simonneaux, 2000; Dove, 1998; Enderstein & Spargo, 1996; Borges & Tenico, 1999). Simonneaux (2000) iseloomustab teaduslike arusaamade kujunemist õppeprotsessis neljal tasemel:

1. õpilane on omandanud teaduslikud arusaamad ja oskab neid ka selgelt väljendada;
2. õpilane on omandanud teaduslikud arusaamad, aga väljendab end ebakorrektselt;
3. õpilane oskab end perfektselt väljendada, kuid sügavamal uurimisel selgub, et tal ei ole tekkinud korrektseid teaduslikke arusaamu;
4. õpilasel ei ole kujunenud teaduslikke arusaamu ja ta kasutab vaid oma alternatiivseid arusaamasid.

Seega on teadusliku arusaama tekke aluseks oluline teaduslike mõistete omandamine (Duit, 1991). Näiteks Tabelis 1 on toodud õpilaste ja keemikute (õpetajate, teadlaste) arusaamad keemilisest reaktsioonist ja selle võrrandist (Krajcik, 1991 järgi).

Tabel 1. Keemikute ja õpilaste arusaamad keemilisest reaktsioonist ja selle võrrandist.

Õpilaste arusaamad energia ja fotosünteesi mõistetest

Energia mõistest arusaamist on uuritud väga mitmest aspektist lähtuvalt. Näiteks energia ja jõu mõiste ning energia ja kütuse mõiste eristamist, energia jäävuse seadust, energia muundumise protsessi, energia kui keha võime teha tööd. Samuti on energia mõistest arusaamist uuritud, kasutades erinevaid meetodeid, näiteks mõistekaarditehnikat (Liu jt, 2002) või õpilaste vastuste kategoriseerimist (Duit, 1991; Trumper, 1990). Kuna energia mõiste on väga lai ja mitmetahuline, siis on erinevad uurijad välja töötanud erinevad kategoriseerimise võimalused. Näiteks Duit (1991) pakub välja järgmised kategooriad:

– protsessid: õpilased seostavad energia mõiste mõne konkreetse füüsilise tegevusega, näiteks jooksmine;
– teaduslikud mõisted: õpilaste silmis seostub energia mõiste töö, jõu või võimsusega, mida kirjeldatakse valemite või füüsikaliste ühikute abil;
– objektid: õpilaste meelest on energia seotud eelkõige inimeste, taimede või looduslike objektidega;
– nähtused: õpilaste meelest on energia eelkõige loodusteaduslik nähtus;
– sõnad: energia mõistega seostuvad sõnad, mis eelmistesse kategooriatesse ei kuulu.

Samadele tulemustele jõudis ka Trumper (1990). Mõnevõrra erinev oli Gilberti ja Pope’i (1986) poolt väljatöötatud arusaamade kategoriseerimine. Nad rõhutavad kategoriseerimisel energia kui protsessi või objekte iseloomustava suuruse omadusi. Näiteks võib energiat iseloomustada kui hoidlat või kui koostisosa, energiat saab seostada aktiivsusega (tegevusega) jne. Seega võib öelda, et uurijatel on arusaamade kategoriseerimise osas nii sarnaseid kui erinevaid aspekte.

Energia mõistest arusaamist 9. klassi õpilaste seas on uurinud Kaljusmaa (2003) oma teadusmagistritöös. Uuringu tulemused näitasid, et Eesti õpilaste arusaamasid on võimalik kirjeldada hierarhiliste kategooriatena, mis erinevad teadusliku informatsiooni kasutamise ja tavakeele ning teadusterminite eristamise poolest. Samuti selgus, et õpilastele tekitas raskusi energia muundumisest ja keemilisest reaktsioonist kui protsesside mõistmisest mikrotasandil arusaamine. Samuti ei suutnud õpilased energia mõistet kasutada reaalelu situatsiooni selgitamisel, kui tavakeele kasutamine tingis väärarusaamade esinemise.

Fotosünteesi mõiste on samuti interdistsiplinaarne, st seda õpitakse nii bioloogias, keemias, loodusõpetuses, geograafias kui ka füüsikas. Parts (2000) uuris oma magistritöös, kuidas õpilased saavad aru fotosünteesi mõistest. Mõistekaartide analüüsimisel selgus, et need olid ühetüübilised, esines mitmeid väärarusaamasid. Näiteks arvavad õpilased, et autotroof saab oma energia fotosünteesist või et fotosünteesi mõjul on taimed rohelised. Nimetatud väärarusaamad näitavad ilmekalt seda, et õpilased ei oska seostada klorofülli toimuva protsessiga ega nimetada fotosünteesi lähteaineid ja saadusi. Nagu energia, on ka fotosüntees üks keerulisematest protsessidest looduses, mistõttu on ka õpilastel nendest raske aru saada, kuna neid tuleb mõista aatomi-molekuli tasandist makrotasandini. Näiteks fotosünteesist arusaamiseks peab õpilane mõistma raku tasandil toimuvaid protsesse, unustamata seejuures organismi kui terviku ehitust ja talitlust. Seega tuleks õpetajal tähelepanu pöörata protsessi (energia, fotosüntees) tähtsusele ja selle kulgemisele ning seoste rõhutamisele.

Kokkuvõte

Käesolev artikkel andis ülevaate õpilaste loodusteaduslike arusaamade kujunemisest ning väärarusaamade osast selles. Eriti tähtis on uurida interdistsiplinaarsetest mõistetest, näiteks energiast või fotosünteesist, arusaamist, kuna selliseid mõisteid õpitakse mitmes õppeaines ja vanuseastmes ning seetõttu on vajalik, et õpilastel tekiks neist mõistetest ühtne arusaam. Seega peaksid õpetajad interdistsiplinaarseid mõisteid õpetades rohkem tähelepanu pöörama mõistetevaheliste erinevuste esiletoomisele vastavas loodusteaduslikus õppeaines. Kuna paljud õpilased kasutavad mõistete selgitamisel tavakeelseid väljendeid, siis tuleks õpetajatel arvestada tavakeelsete arusaamadega ja teadlikult aidata õpilastel luua uued, teaduslikud arusaamad.

Kasutatud kirjandus

Asko, H., Leach, J. & Scott, P. (1993), Learning Science, avaldatud: Hull, R. (toim), Science Teacher’s Handbook, Simon & Schuster Education, London, 46–63.
Berg, E. (2001), A module for teaching about energy, Science Education International, 12 (2), 10–14.
Berg, E. & Grosheide, W. (1997), Learning and teaching about energy, power, current and voltage, School Science Review, 78 (284), 89–94.
Borges, A. T & Tenico, B. (1999), Mental models of electricity, International Journal of Science Education, 21 (1), 95–117.
Cañal, P. (1999), Photosynthesis and „inverse respiration” in plants: an inevitable misconception?, International Journal of Science Education, 21 (4), 363–371.
Case, M. J. & Duncan, M. F. (1999), An investigation into chemical engineering: students understanding of the mole and the use of concrete activities to promote conceptual change, International Journal of Science Education, 21 (12), 1237–1249.
Dove, J. (1998), Alternative conceptions about the weather, School Science Review, 79 (289), 65–69.
Duit, R. (1991), Students’ conceptual Frameworks: Consequences for Learning Science, avaldatud: Glynn, S. M., Yeany, R. H & Britton, K. (toim), The Psychology of Learning Science, London, LEA, 65–88.
Driver, R., Guense, E & Tiberghien, A. (1985), Children’s Ideas in Science, Milton Keynes: Open University Press.
Driver, R., Leach, J., Millar, R. & Scott, P. (1997), Young people’s images of science, Buckingham–Philadelphia Open University Press.
Enderstein, G. & Spargo, P. E. (1996), Beliefs regarding force and motion: a longitudinal and cross cultural study of South African school pupils, International Journal of Science Education, 18 (4), 479–492.
Gilbert, J. & Pope, M. (1986). Small group discussions about conception in science: a case study. Research in Science and Technological Education, 4, 61-76.
Glynn, S. M., Yeany, R. H., Britton, K. (1991), The Psychology of Learning Science, London, LEA.
Greca, I. M., & Moreira, A. M. (2000), Mental models, conceptual models, and modelling, International Journal of Science Education, 22 (1), 1–11.
Hull, R. (1993), ASE Secondary Science Teacher’s Handbook, Simon & Schuster Education London.
Johnson, P. (1998), Progression in children’s understanding of a basic particle theory: a longitudinal study, International Journal of Science Education, 20 (4), 394–412.
Kaljusmaa, M. (2003), Põhikooli õpilaste arusaamad energia mõistest, magistritöö, Tartu Ülikool.
Kikas, E. (1997), Conceptual development in school-aged children: the impact of teaching, doktoritöö, Tartu Ülikooli Kirjastus.
Kinchin, M. (2000), Confronting problems presented by photosynthesis, School Science Review, 81 (297), 69–75.
Krajcik, J. S. (1991), Developing students’ understanding of chemical concepts, avaldatud: Glynn, S., Yeany, R. Britton, B. (toim), The Psychology of Learning Science, London, LEA.
Leach, J. & Scott, P. (2000), Children’s thinking, learning, teaching and constructivism, avaldatud: Monk, M. & Osborne, J (toim), Good practice in science teaching. What research has to say?, Buckingham–Philadelphia, Open University Press, 41–56.
Lewis, L. (2000), Genes, chromosomes, cell division and inheritance – do students see any relationship?, International Journal of Science Education, 22, 177–195.
Liu, X., Ebenezer, J., Frazer, D. M. (2002). Structural characteristics of university engineering students’ conceptions of energy. Journal of Research in Science Teaching, 39 (5), 423-441.
Nicoll, G. (2001), A report of undergraduates’ bonding misconception, International Journal of Science Education, 23 (7), 707–730.
Palmer, D. (2001), Students’ alternative conceptions and scientifically acceptable conceptions about gravity, International Journal of Science Education, 23 (7), 691–706.
Parts, A. (2000), Mõistestruktuuride mõju bioloogiateadmiste omandamisele, magistritöö, Tartu Ülikool.
Preece, P. (1984), Intuitive science: learned or triggered?, European Journal of Science Education, 6, 7–10.
Scott, P. & Leach, J. (1988), Learning science concepts in the Secondary Classroom, avaldatud: Ratcliff, M. (toim), ASE Guide to Secondary Science Education, Cheltenham, Stanley Thornes, 59–66.
Simonneaux, L. (2000), A study of pupils’ conceptions and reasoning in connection with microbes, as a contribution to research in biotechnology education, International Journal of Science Education, 22 (6), 616–644.
Šišovic, D. & Šišovic, N. (2000), The concept of energy – a bridge between chemistry and physics, Science and Technology education in New Millennium, IOSTE 3. Kesk- ja Ida-Euroopa maade sümpoosioni materjalid, Praha, PERES Publisher, 259–262.
Strömdahl, H., Tullberg, A. & Lybeck, L. (1994), The qualitatively different conceptions of 1 mol, International Journal of Science Education, 16 (1), 17–26.
Taber, K. S. (2001), Shifting sands: a case study of conceptual development as competition between alternative conceptions, International Journal of Science Education, 23 (7), 731–735.
Teixeira, M. F. (2000), What happens to the food we eat? Children’s conceptions of the structure and function of the digestive system, International Journal of Science Education, 22 (5), 507–520.
Toth, Z. (1999), Chemistry textbooks as source of students’ misconceptions, avaldatud: Papp. K., Varga, Z., Csiszar, M., Sik, P. (toim), Proceedings of the International Conference on Science Education for 21st century, Szeged, 76–79.
Tulving, E. (1994), Mälu, Tallinn, Kupar, 52–56.
Trumper, R. (1990), Being constructive: an alternative approach to the teaching of the energy concept, Part one, International Journal of Science Education, 12 (4), 343–354.
Tylter, R. (1998), The nature of student’s informal science misconceptions, International Journal of Science Education, 20 (8), 901–927.
Vosnidou, S. (1998), From conceptual development to science education: a psychological point of view, International Journal of Science Education, 20 (10), 1213–1230.

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