Näitä havaintoja selittänee Suomen kouluissa fysiikan opetusta hallitseva teoreettisenlähestymistavan perinne, joka painottaa laskuteknisiä valmiuksia ilmiöiden ymmärtämisenkustannuksella. Tähän ongelmaan kirjoittaja etsii vastausta fysiikan opetuksenhahmottavasta lähestymistavasta, jota esitellään <strong>tutkielma</strong>n luvussa 2.Kirjoittaja ei liene ainoa opettaja, jonka opetustyötä on vaikeuttanut vaihtovirtapiireihinliittyvien tietojen, mielikuvien, mahdollisten demonstraatioiden ja niiden opetustarkoitustenjäsentymättömyys. Siksi <strong>tutkielma</strong>n luvussa 4 pyritään luomaan vaihtovirtapiirejäesittävästä teoriasta hyvin jäsennelty kokonaisuus ja luvussa 5 tähän analyysiinperustuva oppimista tukeva empiirinen kokonaisuus.2 Empiirinen käsitteenmuodostus ja hahmottava lähestymistapaHahmottava lähestymistapa on fysiikan opettamisen didaktinen periaate, joka onsyntynyt Kaarle ja Riitta Kurki-Suonion Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella tekemänopetus- ja tutkimustyön tuloksena. Hahmottavan lähestymistavan perusteellisinesitys löytyy Kurki-Suonioiden kirjasta Fysiikan merkitykset ja rakenteet [5].Hahmottava lähestymistapa perustuu siihen oletukseen, että fysiikan käsitteenmuodostusja oppiminen ovat rinnasteiset prosessit: tutkija luo yleistä tietoa, oppija luo tietoaitselleen [5, s. 143]. Siksi sen ymmärtämiseksi on syytä ensin tarkastella fysikaalisentiedon käsitteellistä ja prosessuaalista rakennetta.2.1 Fysiikan käsitteenmuodostusTieteellisten käsitteiden muodostamisen, kehittämisen ja täsmentämisen prosessiakutsutaan tieteelliseksi käsitteenmuodostukseksi. On esitetty, että tieteellisen käsitteenmuodostuksentavoitteina ovat yksinkertaisuus, selvyys, yleisyys ja totuus (Whewell1847) sekä teoreettinen hedelmällisyys (Hempell 1947), [13, s. 153-155]. Nämä piirteetovat havaittavissa erityisesti fysikaalisessa käsitteenmuodostuksessa.Fysiikan käsitteenmuodostus tähtää luonnon käsitteelliseen jäsentämiseen ja luonnonilmiöiden ymmärtämiseen. Käsitteenmuodostus alkaa havainnoista ja etenee kohtiteoriaa. Havaintojen kohteena ovat luonnon subjektit ja tapahtumiset: oliot ja ilmiöt.Tavoitteena on luoda mielikuva siitä, mitkä oliot ilmiöön osallistuvat, mitä ilmiössätapahtuu, millaisia havaittavia ominaisuuksia olioilla ja ilmiöllä on ja mitkä ovat ilmiönsyyt ja seuraukset. Näistä mielikuvista syntyvät olioiden ja ilmiöiden perushahmot. Perushahmotuson jatkuvaa mielikuvien ja havaintojen – teorian ja empirian – vuorovaikutusta,joka pyrkii merkitysten ymmärtämiseen. Mielikuvista puhuminen ja niiden esittäminenluovat tarpeen perushahmojen nimeämiselle eli käsitteistämiselle. Käsitteetovat oivallettujen hahmojen abstrakteja ja yleisiä vastineita, jotka toimivat teorian jaymmärtämisen peruselementteinä. [5, s. 141 – 144]Jokaisen käsitteen hahmotusprosessi on päättymätön. Koska ”käsitettä ei voi erottaamerkityksestään eikä merkitystä sitä luovasta prosessista, … jokainen fysikaalinen käsiteon hahmo, prosessi, jossa empiria ja teoria yhdistyvät yhdeksi jatkuvasti kehittyväksimerkitykseksi”, [5, s. 143].Fysikaalisessa käsitteenmuodostuksessa on oleellista intuition ohjaama empirian jateorian vuorovaikutus. Tätä pyrkii havainnollistamaan kuvan 2.1. kaavio.4
Kuva 2.1.1 Hahmottamisen kaksisuuntainen dynamiikka [5, s. 149].Vaikka hahmottava käsitteenmuodostus on yksisuuntaista ja etenee aina ilmiöstäteoriaan, sen dynamiikka muodostuu kahdesta vastakkaissuuntaisesta prosessista. Kokeellisesta,yksittäistapauksia koskevasta tiedosta tehdään yleistäviä induktiopäätelmiä,joilla pyritään kohti yleisiä periaatteita, teoriaa. Yleisistä periaatteista johdetaan yksittäistapauksiakoskevia ennusteita, deduktiopäätelmiä, jotka testataan kokeellisesti. Fysikaalinenkäsitteenmuodostus on kuin kokeellisen havaintomaailman ja teoreettisen käsitemaailmanvälinen looginen kiertoprosessi. [5, s. 148 – 150]Prosessin lähtökohtana on havaintotieto, jonka pohjalta luodaan hypoteeseja. Hypoteeseistajohdetaan ennusteita, jotka testataan kokeellisesti. Kokeet voivat todentaa ennusteentai osoittaa sen vääräksi, ne voivat tukea hypoteesia tai kumota sen. Kokeidenantaman uuden havaintotiedon perusteella hypoteeseja voidaan korjata, tarkentaa jayleistää. Näin hypoteesit vähitellen jalostuvat käsitteiksi ja käsiterakenteiksi: suureiksi,laeiksi ja teorioiksi. [5, s. 150]On syytä korostaa, että prosessi on pohjimmiltaan intuitiivinen, sillä sen kaikissavaiheissa on kyse intuitiivisesta hahmottamisesta, ei sitovasta loogisesta päättelystä.2.2 Fysiikan käsiterakenneEdellä kirjoitettu soveltuu käsitteenmuodostukseen kaikissa reaalitieteissä. Havaintojenkäsitteistäminen johtaa aina käsitteiden yleistymiseen ja abstrahoitumiseen sekäkäsitteiden muodostamiin hierarkkisiin rakenteisiin. Käsitteenmuodostuksen suunta onaina empiriasta teoriaan, havainnoista käsiterakenteisiin. Fysiikalle ominaista on se, ettäkvalitatiivisen havaitsemisen ja esittämisen tasolta siirrytään kvantitatiivisen empirian jakäsitteiden tasolle, ja niistä edelleen kvantitatiivisen esittämisen ja selittämisen tasolle.Fysiikan käsiterakenteesta voidaan erottaa neljä hierarkkista tasoa: kielen, suureiden,lakien ja teorian tasot (kuva 2.2.). Siirtyminen hierarkian tasolta toiselle merkitseehyppäystä abstraktiotasolta toiselle. Ylemmän tason käsitteet rakentuvat alemman tasonkäsitteistä. Eteneminen kunkin käsitetason sisällä tai siirtyminen tasolta toiselle on perusluonteeltaanedellä kuvatun kaltainen hahmotusprosessi. [5, s. 158]5