Õppekeskkonna laiendamise võimalustest

Kadri-Ly Trahv, Rakvere Reaalgümnaasium, 2010

Füüsika populariseerimine õpilaste hulgas on olnud probleemne alati: nii varasemate ainekavade ja suurema ainemahu korral kui ka nüüd, seoses uue ainekava ja kärbitud ainemahuga. Füüsikaõpetajale on selge, et kiire nüüdisaegse tehnoloogia ja teaduse arenguga on tekkinud vastuolu füüsika õpetamise sisukuse ja haardeulatuse ning õpetamiseks-õppimiseks kuluva ajahulga vahel. Veel enamgi – maailm ja elu on üks suur tervik ning nende seosed on väga tihedad ja läbipõimunud. Seetõttu ei tohiks füüsikat vaadata teistest loodusainetest eraldiseisvana, vaid lõimununa kõigega, mis on seotud meie sees oleva ja meid ümbritseva kirjeldamise, seletamise, mõistmise ja rakendamisega. Enim tulevad need seosed välja loodusvaldkonnas, aga täiesti loomulikult ka tehnikas ja tehnoloogias. Tänapäeval on võimalik ka koolis juhtida õpilaste tähelepanu füüsikas käsitletavate loodusseaduste ja põhitõdede toimimisele muudes eluvaldkondades, nt globaalprotsessides, ühiskonnas, majanduses.
Koolifüüsika saaks olla ja peakski olema üks alustalasid noore inimese tervikliku maailmapildi kujunemisel.
Kuidas siis viia kooskõlla sisuline osa ja ajaline ressurss ning teha nii, et füüsika oleks noorele inimesele paeluv, huvi tekitav ja samas teadmisi andev? Lühivastus: üheks võimaluseks praeguses olukorras on õppekeskkonna avardamine. Millest alustada?

Alustaks motivatsioonist, eeldades, et õpetajal on piisav teadmistepagas. Õpetada võib mitut moodi:

• Lähtume ainest (füüsikast) ja püüame selle kaudu teha õpilasele selgeks, et me võime näha ja kujutada maailma kui mudelite ja algoritmide süsteemi.
• Lähtume õpilasest ja võtame arvesse tema üldise, vanuselise arengutaseme, tema mõistmise suutlikkuse ning õpetame füüsikat kui fundamentaalset loodusteadust, mis on seotud teiste teadustega ja mis aitab kaasa holistliku maailmamõistmise kujunemisele enda tunnetuse ja kogemuse varal.
• Ühendades mõlemaid lähtekohti, leiame võimaluse õpikeskkonna avardamise, õppemeetodite mitmekesistamise ja loova lähenemise kaudu äratada õpilastes huvi, tekitada õpimotivatsiooni ja ka edaspidist huvi jätkata õpinguid füüsikaga seotud elukutsete omandamisel.

Ise eelistan viimast lähtekohta ja olen püüdnud seda teed pidi oma töös aidata õpilastel kujundada ja luua oma terviklikku maailmapilti, toetudes holistliku hariduse kolmele põhimõttele:

1. Terviklikkuse kujundamine (multitasandite olemasolu tõttu paigutuvad tervikusse kuuluvad osad e hoolonid holarhilistesse süsteemidesse ja seostesse, omades samaaegselt multiperspektiivsust, mis ei anna alati konkreetselt ühest vastust).
2. Sidususe loomine, mis avaldub terviku ja osade võrgustikulisel koosfunktsioneerimisel süsteemi osade ja teiste süsteemide vahel, olles arvestatavad ja oma keskkonnas tähele pandud.
3. Olemine, osalus, mis avaldub loovas koostöös nii arenemisel, personaalse ja kollektiivse taju ning vastutuse kujunemisel kui ka kommunikatiivsusel.

Holistliku õpikeskkonna kujundajana on õpetajal kasulik toetuda järgnevale:

• teadmistele terviksüsteemidest;
• ajupõhisele õppimisele;
• multiintelligentsuse teadmisele ja arvestamisele;
• koostööle õppeprotsessis sotsiokultuurilisel tasandil.

Õppekeskkonna laiendamine algab juba klassiruumis, kui traditsiooniliste õppemeetodite kõrvale tuua uusi, loovuse kaasamisele suunatud aktiivõppe meetodeid ja samal ajal lõimida aine sisuline pool teiste loodusainete ja eluvaldkondadega.

Näited
Rühmatööd on sageli õpilastele palju pingevabamad ja loovust arendavamad kui individuaalne töö. Saadakse üksteisega arutada, et leida parimaid lahendusi, õpitakse oma töö tulemust teistele gruppidele esitama ja argumenteerima ning ennast julgelt sõnaliselt väljendama. Tähtis on koostöös õppimine ja õpetamine. Rühmatöid võib kasutada uue materjali sissejuhatamisel, omandamisel ja kokkuvõtete tegemisel.
Siinkohal näide termodünaamika printsiipide olemuse avamisest.
Termodünaamika I printsiibi kui energia jäävuse seaduse puhul soojusprotsesside osas tuleks ära seletada siseenergia mõiste ja selle muundumise võimalused. Selleks jagunetakse neljasteks rühmadeks ja minnakse õue, võttes kaasa nii õpetaja kui õpilaste endi poolt valitud erinevaid materjale (looduslikke ja tehismaterjale). Jälgitakse lõkkes nende põlemist ja kantakse päevikusse materjalide põlemise iseloomulikud tunnused, sarnasused ja erinevused. Arutletakse koos energia allikate, tekke, salvestumise, muundumise ja vabanemise üle. Nii jõutakse energia ringkäiguni looduses (Maal ja Universumis) ja sealt ka siseenergia mõisteni nii mikro- kui makrotasandil. Nüüd ühendatakse teema keemia, maateaduse ja bioloogiaga. Edasi jõutakse juba avatud ja suletud termodünaamiliste süsteemideni. Tund-paar hiljem, kui füüsikalised põhimõisted selle teema kohta on selged, rakendatakse termodünaamika printsiipe samades rühmades praktilise tööna klassis plaksumaisi valmistades. Paisunud maisitera lennukõrguse kaudu võib välja arvutada ligilähedaselt kineetilise energia, aga ka töö. Nutikamad õpilased võivad, arvesse võttes soojusülekannet, ligikaudselt välja arvutada maisitera siseenergiagi. See töö on alati elevust tekitanud ja hästi meelde jäänud ning aitab meenutada termodünaamika printsiipe.
Näide optikast. See sobib nii põhikooli- kui gümnaasiumiõpilastele sissejuhatuseks optikasse. Valgus ja värvus, värvuste tajumine inimese poolt – see on mõtlemisainet pakkuv teema. Peatume värvusõpetusel (kunstiõpetus) ja tänapäevastel värvusteraapia psühhofüsioloogilistel ja psühholoogilistel aspektidel (bioloogia, psühholoogia), seostades neid füüsikaga. Õpime tundma oma aju omadust luua vastandvärvustega järelkujutisi, uurime, kas varjud võivad olla värvilised, ning jõuame värvusõpetuse põhitõdede meenutamise ja maalimise kaudu valguse lainelist iseloomu kinnitavate nähtuste, nagu neeldumise, peegeldumise ja murdumise probleemide selgitamiseni.
Mehaanika näitena saab teha rühmatöö suhtelise liikumise, taustsüsteemi ja liikumisvõrrandi olemuse paremaks tunnetamiseks ja kinnistamiseks. Uurimise eesmärgiks on tänaval sõitvate autode liikumise jälgimine, nende liikumispildi graafiline esitamine ja liikumisvõrrandite koostamine valitud taustsüsteemi puhul. Töö teostamisel võetakse aluseks ühtlane sirgjooneline liikumine, sest valitud teelõigud on suhteliselt lühikesed. Koos püstitatakse tööülesanne ning iga rühm valib omal soovil taustkeha ja liikumissuuna ning töötab välja oma mõõtmismetoodika algandmete saamiseks, mis peab kajastuma töö protokollis. Ülesandeks on viie järjestikku liikuva auto sõidu kirjeldamine sõltumatult suunast. Rühm peab oma mõõtmiste plaani korralikult läbi mõtlema ja vajaduse korral õpetajaga konsulteerima. Pärast aja ja teepikkuse mõõtmist jätkub töö klassiruumis, kus kantakse mõõtmisandmed tabelisse, arvutatakse autode kiirused, kirjutatakse liikumisvõrrandid, joonistatakse liikumisgraafikud ja leitakse nii graafikutelt kui ka analüütilisel teel võimalikud autode kohtumiste ja möödasõitude kohad ja ajad. Töö lõppu kirjutatakse nn analüüsiv kokkuvõte-legend autode liikumise kohta. Tuuakse välja graafikult loetud ja analüütilisel teel saadud vastuste erinevuste põhjused. See töö on põhikooli matemaatikaoskuste heaks kordamiseks. Selline praktiline töö on multifunktsionaalne nii aine sisu omandamise kui multiintelligentsuse arendamise seisukohalt.
Samalaadset tööd, aga lihtsustatud kujul, võib lasta teha ka põhikooliõpilastel (valida üks sõidusuund, arvutada autode kiirus ja joonistada kiiruse graafikud).

Klassiruumist välja – õuesõpe
Õuesõpet võib kasutada igal aastaajal, kuigi mugavam on seda teha näiteks sügisel, veel parem kevadel, kui kooliaasta läbi saamas ja ilmad ilusad, õpilased väsimas.
Samuti sobib see õppekeskkonna avardamiseks, olles jällegi õpilastele huvitavam rühmatööna. Õuesõpe on ergastav klassiruumis õpitava alustamiseks ja hiljem õpitu kinnistamiseks ning võib olla nii sissejuhatuseks teemasse, teema (aine sisu) tähenduse mõistmiseks kui ka teema kokkuvõtvaks refleksiooniks.

Näide perioodiliste liikumiste teema kokkuvõtte kohta mehaanikas.
Rühmad saavad erinevaid ülesandeid, et vältida üksteise pealt kopeerimist. Samas on töö lõpus hea teada saada, mida teised rühmad tegid ja kuidas oma tööülesandeid täitsid. Selline lõputöö on arvestusliku kaaluga.
Õpilasrühmad saavad loosiga endale probleemülesanded, mille praktiliseks teostamiseks valivad nad ise vajalikud katse- ja mõõtmisvahendid, viivad katsed läbi ja kirjutavad koos kokkuvõtte võimalike jooniste, piltide (miks ka mitte videolõiguga) arvutuste ning analüüsiga. Töö võib esitada järgmisel tunnil. Siinkohal mõned tööülesanded.

• Kasutades ühtlase ringjoonelise liikumise seoseid ja sõites jalgrattaga teele joonistatud ringjoont mööda, leidke vajalikke mõõtmisi tehes ja füüsikalisi suurusi arvutades jalgratturi kesktõmbekiirendus ning jalgratturile mõjuv kesktõmbejõud.
• Pange võimlemisrõngas mööda maapinda hooga veerema. Kui suure kiirusega rõngas veereb? Milline on rõnga punktide joon- ja nurkkiirus? Leidke arvutamise teel, millise teepikkuse läbis rõngas mahakukkumiseni. Kui suur on rõnga ülemise ja vastu maad oleva punkti kiirus maapinna suhtes?
• Leidke oma optimaalne käimiskiirus. Vihje: optimaalne kiirus on siis, kui kõndimisel jalg väsib kõige vähem. See toimub siis, kui jalg võngub omavõnkesagedusega, sellele vastava perioodiga. Kui tahame kiiremini või aeglasemalt käia, tuleb lisaenergiat kulutada. Mõelge, mitmendik perioodist kulub ühe sammu sooritamisele, kui vaadata jalga kui füüsikalist pendlit kinnituspunktiga puusas. Füüsikalise pendli pikkuseks on nn taandatud pikkus, mis kõndijale on kolmandik jala pikkusest. Teatud lähenduses võime kasutada matemaatilise pendli perioodi valemit, kus pendli pikkuseks ongi taandatud pikkus. Teades oma jala võnkeperioodi, sammu pikkust, joonistage igaüks välja oma jala omavõnkumiste graafikud ja tehke järeldused.
• Lained kumminööris. Leidke elastses kumminööris levivate seisulainete kiirus. Kasutage laine levimiskiiruse seost ja mõelge, kuidas määrata lainepikkust ning sagedust, teostage katse ja arvutused.

Võimaluse korral saab teha õuesõpet ka välipraktikana pikema aja jooksul, kuid ka mõne ainetunni jooksul.
Vastavalt suunitlusele sobivad loodusteaduslike ja reaalharude õpilastele välipraktikad, kas siis päris vabas looduses või organiseeritud külaskäikudena tootmisettevõtetesse, tehastesse ja teaduslaboritesse. Võimaluse korral saaks seal isegi natuke praktiseerida.
Eriti hea on sellist praktikat integreerida teiste sugulasainetega, tööülesandedki saab koostada nii, et need haaravad näiteks kõiki loodusaineid. Soovitatav oleks aineõpetajatel ühistöös leida märksõnad, mis annavad sellisele õppeviisile oma näo. Meie koolis on pikaajalise kogemusena 10. klassi praktika üheks peamiseks märksõnaks vesi, vabas looduses on igal rühmal oma põhiteema, mille kohta on tööülesanded koostatud ja kogu tegevus toimub füüsikat, keemiat, bioloogiat ja maateadust kaasates. Nii on olemas vee, õhu, kivimite, muda, taimede ja loomade rühmad. Kui külastame ettevõtet Rakvere Vesi, et teada saada, kuidas puhast vett saadakse ja reovett puhastatakse, või Kunda tsemenditehase kompleksi, et mõista, kust ja kuidas tuleb tsemendi toormaterjal ja kuidas lõpuks klinker, tsement lattu või tarbijani jõuab, või vaatleme, kuidas Aeroci ehitusmaterjalide tehases tootmisprotsess välja näeb, on osa ülesandeid kõigil rühmadel ühised.

11. klassi õppepraktika märksõna on energia. Põhiteemadeks on elektrienergia tootmine, elektrivõrk ja elektri tarbijateni jõudmine. Meie koostööpartneriteks on olnud Eesti Energia soojuselektrijaamad ja põlevkivikarjäärid, kus meil on õnnestunud käia ja tootmisega päris põhjalikult tutvuda. See ringkäik lõpeb kohaliku jaotusvõrguga. Teema on vajalik ja toetab füüsikas õpitud elektrodünaamika kursust. Uues õppekavas kuulub see osa 4. kursuse „Termodünaamika ja energeetika“ valdkonda. Tootmisettevõtete külastamise kõrval tegeleme ka mõõtmiste ja uuringutega vabas looduses nii maal kui vees. Et viimasel ajal on võimalik kasutada Vernieri mõõtmisvahendeid, siis saab uusi tööülesandeid koostades kasutada täpsemaid, nüüdisaegsemaid mõõtmismeetodeid ja vahendeid. Siinkohal mõned näited, kuidas rühma tööülesanded on koostatud erinevate loodusainete lõimumise põhimõttel.

• Õhuniiskuse (relatiivse, absoluutse) ja kastepunkti määramine ning arvutamine erinevatel meetoditel: hügromeetri abil, Vernieri õhuniiskusesensori abil metsa all, lagendikul ja veekogu ääres. Tulemuste võrdlemine, analüüs.
• Sambla veeimavuse määramine. Järelduste tegemine.
• Erinevat liiki taimede lehtede ja okaste märgumine või mittemärgumine erinevat liiki vedelikega katsetades. Vaigu saamine okaspuust. Okaspuude seisundi määramine erinevates kasvukohtades. Analüüs, järelduste tegemine.
• Vee elektrijuhtivuse ja elektritakistuse määramine erinevate veekogude proovides mitmesuguste mõõtmismeetoditega, sh Vernieri sensoriga. Tulemuste võrdlemine, analüüs. Vee-elustik uuritud kohtades.
• Valguse intensiivsuse määramine erinevate meetoditega, sh Vernieri sensoriga erinevates kohtades maastikul. Loomuliku valguse spektri uurimine spektromeetri ja Vernieri sensoriga SVIS-FIBER-i valgusjuhi abil hommikul, lõunal, õhtul ja erinevatel päevadel. Uurida taimede kasvukoha ja valgustatuse sõltuvust.
• UVA ja UVB kiirguse hulga määramine Vernieri sensori abil erinevatel kellaaegadel ja päevadel. Päikesekella ehitamine.
• Maa magnetvälja ja radiatsiooni mõõtmine ning uurimine Vernieri sensoreid kasutades erinevates kohtades (väljasõitudel ja kooli juures).

Õppetöö avardamise võimalustega väljaspool klassiruumi on seotud mitmesugused ulatuslikumad projektid, nt GLOBE, aga ka kohalike omavalitsuste tasandil organiseeritakse keskkonnaalaseid projekte, kuhu kaasatakse õpilasi.
Kindlasti tasuks ergutada õpilaste huvi füüsika vastu, lastes neil endal katseseadeldisi või -vahendeid teha. Poistele, noormeestele meeldib kokku monteerida päikesepatareil töötavat LED-valgustite süsteemi või ise ehitada lihtsaid vahendeid kasutades elektrigeneraatorit ja helisagedusgeneraatorit. Populaarseteks loovtöödeks on kujunenud füüsikaliste protsesside filmimine tänu nüüdisaegsele tehnikale. Avastamisrõõmu leiavad kõik osalised. Tänapäevane filmitehnika võimaldab protsesside toimumisaega kiirendada või ka aeglustada ning see tekitab sügavamat huvi ja küsimusi, miks asjad toimuvad just nii. Need omakorda juhivad õppija sügavamate teadmiste juurde. Videosalvestustega saavad suurepäraselt hakkama tütarlapsed ja see on üks võimalus neis füüsika vastu suuremat huvi tekitada.

Õppekeskkonna laiendamist toetavad mitmesugused klubilised üritused. Kui koolis on organiseeritud huviklubid, kus õpilased saavad kokku teadlastega, loodusuurijatega, mitmesuguste eri valdkondade inimestega, siis see on õpilaste silmaringi avardamiseks väga hea võimalus. See on hariv ka teiste ainevaldkondade õpetajatele, sest vestelda näost näkku huvitava ja targa inimesega ning neile küsimusi esitada on vaimuteritav ja kosutav. Õpilased ootavad neid kohtumisi ja heade lektorite mõtteid annab hiljem ainetunniski edasi arendada.

Selliste huviklubide üritustest võtavad osa asjast huvitatud õpilased ja need üritused ei ole kohustuslikud – kohale tullakse vabast tahtest ja huvist asja vastu. Ka väljasõite teadusasutustesse või teaduskeskustesse (Ahhaa, Energiakeskus) on sellise huviklubi egiidi all võimalik organiseerida. TÜ, EPMÜ või TTÜ teadusasutustes, instituutides ringi vaadates näevad noored, millega teadusasutused tegelevad ja millega neil endil on võimalik huvi korral tulevikus tegelema hakata. Paljudelegi on kujunenud sellised kohtumised määravaks edasiõppimisplaanide tegemisel.

Üks õppekeskkonna laiendamise võimalusi on ka kooli ja kõrgkoolide koostöö. Täppisteaduste kooli kõrval on tänuväärse ettevõtmisega välja tulnud TÜ koostöös füüsikaseltsiga (eestvedajaks K. Reivelt). 2010. aastal alustasid maakondades tööd füüsika, keemia, bioloogia õpikojad, millest saab osa võtta iga asjast huvitatud õpilane. Õpe on klassiväline, tavalist koolikursust toetav ja laiendav. Füüsika õpikojas on kaks osakonda: põhikooli ja gümnaasiumi osa. Õppetöö on puhtpraktiline, millele lisaks selgitatakse teooriat. Igati soovitatav on see õpilastele, kes on taibukad ja huvilised, kellel jätkub uurimisvaimu ja eksperimenteerimissoovi.
Õppekeskkonda saab seostada ka meelelahutusliku tegevusega. Nii võib organiseerida näiteks kogu kooliperele „Teadmiste jooksu“, kus kontrollpunktides on mitmesugused ülesanded või küsimused loodusteaduste valdkonnast vastavalt vanuseklassile. Jooks on põnev, eriti kui ülesanded on oskuslikult valitud.
Vanemate klasside õpilased saavad suurepäraselt hakkama noorematele õpilastele mõeldud teaduspäeva organiseerimisega ja töötubade läbiviimisega. Algklasside õpilased on nendest üritustest põnevil. Vajaduse korral võivad loodusteaduste vanemate klasside õpilased abiorganisaatoritena aidata õpetajal korraldada õuesõpet.
Niisiis võib öelda, et uue õppekava käivitumiseks peab muutuma õpetamise paradigma, avastus-, probleem- ja interaktiivse õppe osakaal peaks suurenema ja õpetajal tuleb kasutada loovust, saavutamaks õppekeskkonna avardamise abil ja sugulasainete õpetajatega koostööd tehes optimaalne ja efektiivne õpitulemus. Edu selleks!