tutkielma.pdf, 350 kB - Helsinki.fi

1 JohdantoTämä tutkielma kuuluu didaktisen fysiikan tieteenalaan. Siten tutkielman tavoitteenaon fysiikan käsitteellisen ja prosessuaalisen rakenteen analysoinnin avulla etsiä ratkaisujafysiikan – tässä tapauksessa vaihtovirtapiirien – opetuksen ongelmiin. [4]Koska suurin osa yhteiskuntamme sähkölaitteista ja erityisesti kodinkoneista toimiivaihtovirralla, on perusteltua, että lukion fysiikan opinnoissa tutustutaan vaihtovirtapiireihin.Opetushallituksen asiakirjassa Lukion opetussuunnitelman perusteet 1994[1, s. 79] todetaan fysiikan opintoihin kuuluvista keskeisistä sisällöistä mm. seuraavasti:” Sähkö. Syvennetään sähköön liittyvien ilmiöiden, käsitteiden ja tekniikan hallintaa. Tutkitaan erilaisiavirtapiirejä, tutustutaan mittaustekniikkaan ja perehdytetään sähköturvallisuuteen.Sähkömagnetismi. Tutkitaan kokeellisesti sähkömagneettisia ilmiöitä, kuten sähkömagneettinen induktio,muuttuvat kentät sekä sähköenergian tuottaminen ja siirtäminen. Syvennetään näihin liittyvänkäsitteistön hallintaa.”Opetushallituksen julkaisemassa koulukohtaisten opetussuunnitelmien laadintaahelpottamaan tarkoitetussa oppaassa Fysiikka ja kemia opetussuunnitelmissa [12, s. 70]Meisalo ja Lavonen kirjoittavat lukion sähkömagnetismin kurssista seuraavasti:”Kurssilla syvennetään sähkömagneettisten ilmiöiden ja käsitteistön hallintaa. Kurssilla tutkitaansähkömagneettista induktiota, muuttuvia kenttiä ja sähköenergian tuottamista ja siirtämistä sähkövirranavulla.Sähkömagnetismi kurssiin voisivat kuulua seuraavat sisältöalueet:- magneettiset perusilmiöt, magneetit, virtajohdinten välinen voima, magneettivuon tiheys, magneettikentänaiheuttama voima ja momentti,- aine magneettikentässä,- sähkömagneettinen induktio, induktiolaki, induktiolain sovelluksia, induktanssi,- vaihtovirtapiirit,- sähkömagneettinen säteily, säteilyn synty, värähtelypiiri,- röntgensäteily, röntgendiffraktometria.”Näistä niukkasanaisista ja avoimista luonnehdinnoista saa sen vaikutelman, ettävaihtovirtapiirit ovat Sähkömagnetismi-kurssin eräs vähäinen osa. Oppikirjantekijätnäyttävät kuitenkin olevan yksimielisiä vaihtovirtapiirien merkityksestä ja siitä kuinkaopetussuunnitelman perusteita tulee soveltaa. Kolmea yleisimmin käytettyä lukion oppikirjaa[2, 8, 11] selaamalla havaitsee, että sähkömagnetismin kurssista on sivumääräisestiomistettu vaihtovirtailmiöille noin 30 – 40 %. Lisäksi kirjat sisältävät oleellisestisamat oppisisällöt; lähestymistavat ja painotukset luonnollisesti vaihtelevat.Ylioppilastutkintojen fysiikan kokeet sisälsivät vuosina 1995 – 2001 yhteensä 206tehtävää, joista 24 eli 12 % liittyivät Sähkömagnetismi-kurssin sisältöihin. Näistä noinkolmasosa eli 7 tehtävää käsitteli vaihtovirtapiirejä. Tätä useammin tehtävissä käsiteltiinmagneettikentän ja virtajohtimen vuorovaikutusta sekä sähkömagneettista induktiotasovelluksineen.Keskusteluissa, joita tutkielman kirjoittaja on käynyt lukiolaisten kanssa, hänelle onsyntynyt se käsitys, että ne opiskelijat, joiden algebrallisten lausekkeiden lukutaito onhyvä, pitävät vaihtovirtapiirejä käsitteleviä laskutehtäviä helppoina ratkaista. Heille tehtävienratkaisu on ”pelkkää kaavoihin sijoittamista”. Vaihtovirtapiirien toiminnan ymmärtäminensen sijaan tuntuu tuottavan opiskelijoille vaikeuksia. Tämä paljastuu, kunheille esittää esimerkiksi seuraavanlaisia kysymyksiä: ”Vastustaako käämi enemmäntasa- kuin vaihtovirran kulkua ja miksi? Mitä yhteistä ja mitä eroa on virtapiirin impedanssillaja resistanssilla?”3