Uurimuslik õpe keemiatundides

Klaara Kask, Tartu Ülikool, 2010

1. Mis on uurimus?

Uurimine tegevusena on kõige üldisemalt määratletud kui tõe otsimine. Vastavat protsessi, tihti ka selle kirjapandud tulemust nimetatakse uurimuseks. Uurimus on teaduse olemuse oluline aspekt ja seotud uute teadmiste hankimise ja kontrollimisega (verifitseerimisega). Siiski on rõhutatud ka selliseid aspekte nagu teaduslik meetod ja selle loogika (Proulx, 2004; Yager, 2007) ja uurimus kui mõtlemisviis – vastuse otsimine oma küsimusele (Windschitl, 2004). Lunetta (1997) peab tähtsaks defineerida protsessi probleemi lahendamise loogikale tuginedes ja koostab katset sisaldava lineaarse mudeli järgmistest etappidest: probleemi identifitseerimine, probleemi lahtimõtestamine ja/või ümberformuleerimine, praktilise osa planeerimine, selle läbiviimine vaatlust ja mõõtmist kasutades, andmete protokollimine ja interpreteerimine, hinnangu andmine, probleemi lahendamine. Viimasel kümnendil on fookusesse tõusnud uurimuse tsüklilisus, kus ühe uurimuse käigus tõuseb esile uus küsimus ja järgneb vastuse otsimine sellele. Nii saadakse täielikum pilt nähtusest või seaduspärasusest.

On selge, et hästi varustatud laborites teadlaste poolt läbi viidud uurimuse tulemus on uus kogu inimkonnale. Õpilasuurimus koolis on piiratud nii ajaliselt kui vahendite poolest ning tulemus on uus õpilastele endile. Õpilasuurimus võib olla läbi viidud nii teoreetilise uurimusena (erinevate aatomi ehituse mudelite võrdlus valitseva filosoofia taustal), eksperimenti sisaldavana (Tallinna joogivee fluorisisaldusest) kui ka praktilise tööna tunnis (pesupesemine – kunst või teadus). Oluline koht õpilasuurimuse tegemisel on ka interaktiivne keskkond ja IKT vahendid. Ühelt poolt on interneti kui teabekeskkonna võimalused suured ja teisalt aitab kaasa ka keemiatunnis rakendatavate tööjuhendite olemasolu (Chemistry set). Uudsust lisavad keemiatundi ka Vernier’ andmekogujate ja sensoritega tehtavad katsed.

Uurimus kui protsess algab probleemi tuvastamisest, millele järgneb uurimuse süda – uurimisküsimuse püstitamine. Küsimus määrab ära metoodika, see tähendab keda või mida, millega (test, küsimustik) ja millal uuritakse. Keemiakatsete läbiviimisel tähendab see planeerimist: katsetegevuste ja katsevahendite põhjendatud valikut ja loogilist järjestamist. Järgneb uurimuse või katse(te) läbiviimine andmete kogumiseks. Saadud andmed analüüsitakse, nende põhjal tehakse järeldused ja lõpuks ka kokkuvõte probleemist. On selge, et eelnimetatud tegevustele vastavaid oskusi saab kujundada vaid uurimuse protsessi kontekstis. Järgnev tabel 1 annabki ülevaate eksperimenti sisaldava uurimuse etappidest ja nende läbiviimiseks vajalikest oskustest.

Tabel 1. Uurimuse tegemiseks vajalikud oskused.

2. Uurimuslik õpe

Tänapäeval aktsepteeritud hariduse eesmärgiks on arendada õpilast igakülgselt, et temast kujuneks mitte ainult oma eluga toime tulev tulevikuühiskonna kodanik, vaid ka inimene, kes osaleb aktiivselt debattides ühiskonna valupunktide üle (Driver jt, 1997). Seega on oluline positiivse hoiaku kujundamine kõigi loodusainete suhtes, mis võimaldab õpilase kognitiivse kasvu (teadmised ja mõtlemisoskused), vastutustundliku ja säästva eluviisi väärtustamise ning eluks vajalike oskuste, nagu probleemide tuvastamine ja lahendamine, kompetentsete ja põhjendatud otsuste tegemine, (oma aja) planeerimine, oma tegevusele ja selle võimalikele tagajärgedele hinnangu andmine, kujunemist (Põhikooli riiklik õppekava, 2010; Gümnaasiumi riiklik õppekava, 2010). Selliseid eesmärke võimaldab saavutada uurimuslik õpe.

Kooli ajaloos on uurimuslik õpe olnud kord fookuses, siis jälle vajunud aastateks unustusehõlma. XX sajandi teisest poolest alates on efektiivne õpetamine ja õppimine olnud tihedalt seotud uurimusega (Anderson, 2002). Võrdlevas teadusartiklis (Abd-El-Khalick jt, 2004) väärtustatakse seda kui ülemaailmselt aktsepteeritud suunda õpetamises ja õppimises.

Varasemas ühiskonnas keskendus haridus faktile – „mis see on?“ ja „mida me teame?“, tänapäeva ühiskonnas aga peetakse tähtsaks küsimusi „miks?“ ja „kuidas?“. See tähendab, et inimese edukuse määraja pole enam suur valmisteadmiste hulk, vaid pigem on tähtsad kriitilise mõtlemise oskused, probleemi tuvastamise ja lahendamise ning kompetentse otsuse tegemise oskused. Sellist tulemust ei saavutata traditsioonilisi õpetamismeetodeid kasutades, kus aktiivne õpetaja „jagab” teadmised laiali ja passiivne õpilane võtab need vastu. Küll aga on võimalik uurimusliku õppe põhimõtetele toetudes luua aktiivne ja motiveeriv õpikeskkond, kus õpilastest kujunevad paindlikud ja loovad mõtlejad (Zion, 2007). Uurimuslik õpe tähendab õppimist õpilase sees, mitte õpetajapoolset materjali edasiandmist (Goldman jt, 2010).

Tänapäeval on eristatavad mitmed uurimusliku õppe tõlgendused: uurimuslik õpe kui mõtteviis (Windschitl, 2004), õpetamine uurimuse kaudu ja uurimuse õpetamine (Lederman, 2006), samuti paigutatakse uurimusliku õppe hulka probleemõpe ja avastusõpe kui selle erinevad harud (Bybee, 2006; Gürses jt, 2007).

Käesolevas artiklis määratletakse uurimuslik õpe kui protsess, kus õpetaja suunab õpilasi esitama küsimusi ja leidma neile vastuseid.

Siiski tuleb rõhutada, et ei piisa, kui õpilane teab peast kõiki uurimuse etappe ja nende järjekorda, pigem on eesmärgiks kujundada uurimuslik mõtteviis – küsimuste esitamine ja neile vastuste otsimine. Väidetavalt on kõige efektiivsem uurimuse tegemine loodusteaduste tundides eksperimentaalse töö käigus (Sandoval, 2005). Ka keemiatunnid peaksid andma oma panuse õpilaste arendamisse.

Uurimusliku õppe eelistena on erinevad autorid välja toonud järgmist:

• Võimalus motiveerida õpilasi (Blumenfeld, Kempler & Krajcik, 2006). Printrich koos oma kaasautoritega (Printrich jt. 1993) kritiseeris juba eelmise sajandi lõpus loodusteaduste õpetamiseks kasutatud mudelit ja nimetas seda „külmaks“ mudeliks. Vastukaaluks pakkus ta välja „sooja“ mudeli, mis väärtustab loodusteaduste tundides emotsioone ja õpilaste huvi. Näiteks värvimängu keemiakatsetes (pH määramine metüüloranži ja fenoolftaleiiniga, Fe3+ iooni tõestamine KSCN-lahusega jne), põlemisega seotud katsetes leegi värvi ja suuruse jälgimisel saadud emotsioone, aga ka koos töötamisest ja õpetaja kiitusest saadud positiivseid emotsioone. Kui gümnaasiumiõpilased on motiveeritud ka keemia kontekstis uurimuslikku praktilist tööd tegema (kuidas sõltub lahuse elektrijuhtivus lahuse kontsentratsioonist), siis põhikoolis peetakse selliseid praktilisi töid igavaks. Seetõttu on vaja siduda praktiline töö põhikoolis igapäevaeluga (Bulte jt, 2006).
• Võimalus arendada õpilaste mõtlemisoskusi ja anda uusi teadmisi (Chin & Kayalvizhi, 2005).
• Kuna hariduse eesmärgiks on arendada õpilast igakülgselt, on vajalik arendada ka personaalseid ja sotsiaalseid oskusi – kõrgemat järku mõtlemise ning väljendus- ja kommunikatsioonioskusi, koostööoskusi – ning kujundada väärtushinnanguid (Põhikooli riiklik õppekava, 2010). Tabel 1 annab ülevaate uurimuslike tööde kaudu kujundatavatest oskustest. Need oskused on vajalikud nii edasistes õpingutes kui ka igapäevaelus. Näiteks oma aja ja ressursside planeerimine, probleemi lahendamiseks parima tee valimine, ajalehtede ja ajakirjade lugemisel on vaja graafikute ja tabelite lugemise oskust jne. Üks võimalusi on ka ajalehtedes ja ajakirjades oleva info kriitiline hindamine. Näiteks on ajalehtedes ilmunud artiklid, kus samatatakse raadium ja radoon, vingugaas ja süsihappegaas jne.
• Võimalus interdistsiplinaarseks lähenemiseks, demonstreerimaks loodusteaduslike õppeainete omavahelist seotust nii mõistete kui oskuste tasemel (Mikser jt, 2009). Näiteks energia mõiste füüsika-, keemia-, bioloogia- ja geograafiaõpikutes on defineeritud erineva rõhuasetusega, mis võib põhjustada loodusteaduslike ainete isoleerituna õppimisel vajalike seoste puudumist. Õppekava rõhutab eelkõige integreeritud arusaamist loodusest kui terviksüsteemist, milles esinevad vastastikused seosed ning põhjuslikud tagajärjed (Põhikooli riiklik õppekava, 2010). Näiteks annab 2010. aastal Mehhiko lahes toimunud naftareostus võimaluse diskuteerida nii keemia (kütteväärtus, alkaanid, hüdrofoobsus), füüsika (tihedus), bioloogia (mereloomade hingamine, lindude hukkumine), majanduse kui ka keskkonnakaitse teemadel ja siduda erinevates ainetes õpitud teadmised omavahel.

Viimase aja teadustööd rõhutavad uurimusliku õppe erinevaid tasandeid. Tabel 2 annab nendest ülevaate.

Tabel 2. Uurimusliku õppe tasemed

Struktureeritud uurimusliku õppe tasemel on õpetajal suur roll, õpilaste ülesandeks jääb praktilise töö kontekstis vaid eksperimenteerimine ja lahenduse leidmine. Tavaline praktilise töö juhend sisaldab täpselt ettekirjutatud juhiseid, mida teha, millist reaktiivi ja kui palju võtta jne. Õpilase osaks jääb valada katseklaaside sisu kokku ja vaadata, mis toimub, see üles märkida ning põhjendada reaktsioonivõrrandi kirjutamisega. Ka juhitud uurimusliku õppe tasemel on juhtiv roll õpetajal. Õpetaja annab ette probleemi või küsimuse, millele õpilased hakkavad õpetaja abiga vastust otsima. Õpilased planeerivad uurimuse ja teevad järelduse või otsuse. Sellist tüüpi tööd on olulised uurimuslike oskuste ning ainespetsiifiliste manipulatiivsete oskuste kujundamise algetapil. Avatud uurimusliku õppe tasemel püstitavad õpilased ise uurimisküsimuse ja planeerivad uurimuse, genereerivad lahenduskäigu, koguvad andmed ja teevad kokkuvõtte. Kahjuks on enamik internetis kättesaadavaid tööjuhendeid (ka Vernier’ seadmete kasutamisega) struktureeritud või juhitud uurimusliku õppe tasemel.

Keemia praktilise töö tunnis läbiviidava uurimusliku töö võib jagada kolmeks astmeks:

1. Eksperimendieelne aste, mis sisaldab probleemi määratlemist, uurimisküsimuse või hüpoteesi püstitamist ja katse planeerimist, sealhulgas ka ohutusreeglite arvestamist;
2. Eksperimendi aste, mis sisaldab eksperimenteerimist andmete kogumiseks ja saadud andmete ülesmärkimist graafikute või tabelitena st sisaldab nii manipulatiivseid (käelisi) kui ka mõttelisi tegevusi;
3. Eksperimendijärgne aste, mis sisaldab andmete töötlemist, analüüsi ja interpreteerimist, järelduste ja kokkuvõtete tegemist ning tulemuste esitlust.

PISA testi tulemused (PISA, 2006) näitasid, et Eesti õpilaste teadmised ja oskused, mis omandatakse eksperimendi astmes olid kõrgeimatel (viiendal ja kuuendal) tasemel, vajaka jäi eksperimendieelse ja -järgse etapi kaudu omandatavatest oskustest.

On selge, et õpilase uurimuslik tegevus ja sellega seotud oskuste kujundamine algab juba algklassides. Kaheksandas klassis algava keemiakursuse raames tuleks arendada spetsiifiliselt keemiatundides vajaminevaid oskusi, nagu enimkasutatavate katsevahendite äratundmise ja nimetamise oskused, vedelike kallamise ja mõõtmise oskused, katseklaasi kuumutamise oskus jne. Gümnaasiumiosas peaksid õpilased suutma ise läbi viia uurimuse – see eeldab avatud uurimusliku õppe taset.

3. Konteksti roll

Yager (2007) konstrueeris loodusteaduste õpetamise toetamiseks „kuue C“ mudeli. Ta rõhutab, et loodusteaduste õppimine peab algama uudishimust (curiosity), see tähendab, et õpilased küsivad neile huvitavate asjade kohta küsimusi ning edasine õpetamine peaks toimuma kontekstis (context). Ka teised autorid rõhutavad vajadust senisest enam siduda loodusteaduste õpetamine ja õppimine koolis igapäevaeluga (Blumenfeld jt, 2006; Bulte jt, 2006; Gilbert, 2006). Arengupsühholoogid on näidanud, et põhikooliõpilastele vanuses 12–16 on relevantne tema enda ja ta vahetu ümbrusega seotu (Butterworth & Harris, 2002). Seega saab kontekstiks olla õpilasele tuttav igapäevaelu sündmus või nähtus, mille abil juhatatakse tund sisse ja mille selgitamiseks kasutatakse hiljem tunnis omandatud teadmisi ja oskusi.

Tundi võiks alustada ajaleheartikli või lühikese jutukesega, milles kirjeldatud olukord on õpilastele tuttav, kuid samas sisaldab nii sotsiaalseid kui ainealaseid probleeme, ja mille lahendamiseks on vaja läbi teha katse aine kontekstis. Samuti võib praktilise töö pealkirjastada intrigeeriva lause või küsimusena. Pealkiri „Vee karedus” asendada „Pesu pesemine – kunst või teadus?” või „Appi – mis mu kaladel viga on?”, „Toiduenergia” asemel „Kui kaugele saab joosta ühest kohvikusaiast saadud energiaga?”, lahustumise soojusefekt – „Lumetõrje innovaatiliseks” jne. Teisalt, igapäevase eluga aitab sidet luua ka uurimuste kaudu omandatud teadmiste ja oskuste rakendatavus igapäevaelus.

4. Hindamine

Eesti koolis on tavaline kokkuvõttev ehk tulemuse hindamine kontrolltööde, tasemetööde ja eksamite näol. Seda hindamise vormi rakendatakse kirjaliku testimise kaudu, mistõttu on see piiratud, mõõtes ainult neid teadmisi ja oskusi, mida saab mõõta kirjaliku vastuse kaudu: kognitiivseid/analüütilisi oskusi, tihti aga valmisteadmiste omandamist ja mälumahtu. Kokkuvõttev hindamine koolis on enamasti normipõhine. See mõõdab õpilase saavutusi teiste õpilastega võrreldes ning seetõttu võib põhjustada juhuslikku õpilaste järjestamist, mis ei pruugi anda adekvaatset informatsiooni.

Järjest enam räägitakse ja kirjutatakse kujundavast ehk formatiivsest hindamisest ehk hindamisest õpetamise protsessi ajal. Sellise hindamisega saab mõjutada ka sotsiaalsete ja personaalsete oskuste ja omaduste, nagu suhtlemisoskused, koostööoskused, loovus, täpsus, algatusvõime jne, kujunemist. Ka uus õppekava toetab kujundavat hindamist. Kujundava hindamisena mõistetakse õppe kestel toimuvat hindamist, mille käigus analüüsitakse õpilase teadmisi, oskusi, hoiakuid, väärtushinnanguid ja käitumist, antakse tagasisidet õpilase seniste tulemuste ning vajakajäämiste kohta, innustatakse ja suunatakse õpilast edasisel õppimisel ning kavandatakse edasise õppimise eesmärgid ja teed. Kujundav hindamine keskendub eelkõige õpilase arengu võrdlemisele tema varasemate saavutustega. Tagasiside kirjeldab õigel ajal ja võimalikult täpselt õpilase tugevaid külgi ja vajakajäämisi ning sisaldab ettepanekuid edaspidisteks tegevusteks, mis toetavad õpilase arengut (Põhikooli riiklik õppekava, 2010).

Mida hinnata?

Uurimisprotsess eeldab paljude oskuste kujundamist nii keemia- kui ka teiste loodusteaduste tundides. Tugev motivaator on õpilasele ikkagi hinne. Vajalik on teadmiste kõrval määratleda ka oskused, mille taset soovitakse kindlaks teha või mida arendada konkreetse uurimusliku töö raames. Siit tulenebki erinev hindamise metoodika: mingi oskuse hetketaseme kindlakstegemine või oskuse arengu mõõtmine. Mõlemal puhul on vajalik skaala, kus on selgelt eristatavad oskuse taseme kirjeldused ja hinnang punktides või hindena. Näiteks planeerimisoskuse hindamiseks 8. või 9. klassi uurimusliku töö raames sobib järgmine skaala:

1. Katsetegevuste või katsevahendite loetelu ilma põhjenduseta – 2 punkti
2. Katsetegevuste ja katsevahendite valiku põhjendus – 4 punkti
3. Selgitus, miks otsustas katse just niimoodi läbi viia valitud katsevahenditega – 6 punkti

Uurimisküsimuse koostamise oskust võiks hinnata järgmiselt:

1. Küsimus on irrelevantne antud töö kontekstis ega eelda uurimist – 2 punkti
2. Küsimus on relevantne, sisaldab kaht muutujat, kuid ei sisalda nendevahelist sõltuvust – 4 punkti
3. Küsimus eeldab uurimist, ära on märgitud kaks muutujat ja nendevaheline sõltuvus (kuidas suureneb esimene muutuja ……) – 6 punkti

Loodetavasti äratas see lühike ülevaade palju mõtteid ja näitas uusi võimalusi keemiatunni või õpilasuurimuse läbiviimiseks.

Kasutatud kirjandus

Abd-El-Khalick, F., Duschl, R., Lederman, N. G., Mamlok, R., Hofstein, A., BouJaoude, S., Niaz, M. & Tuan, H. (2004), Inquiry in Science Education: International Perspectives, Science Education, 88 (3), 397–419.

Anderson, R. D. (2002), Reforming science teaching: What research says about inquiry, Journal of Science Teacher Education, 13, 1–12.

Blumenfeld, P. C., Kempler, T. M. & Krajcik, J. S. (2006), Motivation and Cognitive Engagement in Learning Environments, avaldatud: Sawyer, R. K. (Ed.), The Cambridge Handbook of The Learning Sciences, Cambridge University Press, 475–488.

Bulte, A. M. W., Westbroek, H. B., de Jong, O. & Pilot, A. (2006), A Research Approach to Designing Chemistry Education using Authentic Practices as Contexts, International Journal of Science Education, 28 (9), 1063–1086.

Butterworth, G. & Harris, M. (2002). Arengupsühholoogia alused. Tartu Ülikooli Kirjastus, 361.

Bybee, R. W. (2006), Scientific inquiry and science teaching, avaldatud: Flick, L. B., Lederman, N. G. (Eds.) Scientific inquiry and nature of science, lk 1–14, Netherlands: Springer.

Driver, R., Leach, J., Millar, R. & Scott, P. (1997). Young people images of Science. Open University Press, 136.

Gilbert, J. (2006). On the Nature of “Context” in Chemical Education. International Journal of Science Education, 28 (9), 957–976.

Glynn, S. M., Taasoobshirazi, G. & Brickman, P. (2009), Science Motivation Questionnaire: Construct Validation With Nonscience Majors, Journal of Research in Science Teaching, 46 (2), 127–146.

Goldman, S. R., Radinsky, J., Tozer, S., Wink, D. (2010), Learning as Inquiry, International Encyclopedia of Education, 297–302.

Gürses, A., Açıkyıldız, M., Doğar, Ç. & Sözbilir, M. (2007), An investigation into the effectiveness of problem-based learning in a physical chemistry laboratory course, Research in Science & Technological Education, 25 (1), 99–113

Mikser, R., Reiska, P., Rohtla, K. & Dahnke, H. (2009), Paradigm Shift for Teachers: Interdistsiplinary Teaching; avaldatud: J. Holbrook, M. Rannikmäe, P. Reiska & P. Isley (eds.), The Need for a Paradigm Shift in Science Education for Post-Soviet Societies, Peter Lang Internationaler Verlag der Wissenschaften, 86–102.

Lederman, N. (2006). Syntax of nature of science within inquiry and science instruction, avaldatud Flick, L.B., Lederman, N.G. (Eds.). Scientific Inquiry and Nature of Science. Springer, The Netherlands, 453.

Lunetta, V. N. (1997). The School Science Laboratory: Historical Perspectives and Contexts for Contemporary Teaching, avaldatud: Frazer, B. J., Tobin, K. G. (Eds.), International handbook of Science, Netherlands: Kluwer Academic Publishers.

Printrich, P.R., Marx, R.W. & Boyle, R.A. (1993). Beyond cold conceptual change: The role of motivational beliefs and classroom contextual factors in the process of conceptual change. Review of Educational Research, 63 (2), 167–199.

Proulx, G. (2004), Integrating Scientific Method & Critical Thinking in Classroom Debates on Environmental Issues, The American Biology Teacher, 66(1), 26–33.

Sandoval, W.A. (2005). Understanding Students’ Practical Epistemologies and Their Influence on Learning Through Inquiry. Science Education, 89, 634-656.

Windschitl, M. (2004), Folk theories of „Inquiry“: How Preservice Teachers Reproduce the Discourse and Practices of an Atheoretical Scientific Method, Journal of Research in Science Teaching, 41, 481–512.

Zion, M. (2007), Implementation Model of an Open Inquiry Curriculum, Science Education International, 18, 93–112.

Yager, R. E. (2007), The Six “C” Pyramid for Realizing Success with STS Instruction, Science Education International 18 (2), 85–91.