Newtonin lait lukion fysiikan opetuksessa

Abstract

Klassinen fysiikka pohjautuu Newtonin lakeihin, jotka kuvaavat liikkeen ja voimien välisiä vuorovaikutuksia. Englantilainen fyysikko Sir Isaac Newton (1642–1727) päätteli nämä lait muiden tutkijoiden, kuten Galileo Galilein, kokeiden ja tutkimusten perusteella. Newtonin lait ovat keskeisessä osassa fysiikan opetuksessa jo peruskoulussa. Lukiossa Newtonin lakeja käsitellään tarkemmin kokeellisuuden, graafisten esitysten ja laskennallisuuden kautta.

Opetushallitus julkaisi uusimman lukion opetussuunnitelman vuonna 2019 ja se otettiin käyttöön vuonna 2021 (LOPS 2021). Newtonin lait opetetaan lukiossa fysiikan neljännessä Voima ja liike -moduulissa. Lukion opetussuunnitelma ohjaa fysiikan opetusta sekä yleisten että moduulikohtaisten tavoitteiden avulla. Fysiikan yleiset tavoitteet on jaettu fysiikan merkitykseen, arvoihin ja asenteisiin liittyviin tavoitteisiin. Voima ja liike -moduulin tavoitteissa korostetaan muun muassa kokeellista tutkimista, mittausaineistojen käsittelyä ja voimaan ja liikkeeseen liittyvien turvallisuusnäkökohtia.

Vielä lukiossa Newtonin lakeihin liittyy virhekäsityksiä. Erityisesti Newtonin kolmanteen lakiin, voimaan ja vastavoimaan liittyy virhekäsitys, jossa voimaksi ja vastavoimaksi luullaan voimia, jotka vaikuttavat samaan kappaleeseen. Newtonin kolmannen lain mukaisesti voima ja vastavoima ovat yhtä suuret ja vastakkaissuuntaiset, mutta vaikuttavat aina eri kappaleisiin. Tähän virhekäsitykseen liittyen on tehty tutkimuksia, joissa on havaittu, että esimerkiksi Newtonin lakien opetusjärjestyksellä voi olla vaikutusta virhekäsityksen muodostumisessa.

Newtonin lakien opetusta lukiossa tutkittiin vertailemalla kahden eri kustantajan lukion voima ja liike -moduuliin tarkoitettuja painettuja oppikirjoja. Tutkittavina oppikirjoina olivat Sanoma Pron FY4 ja Otavan Vipu 4 -oppikirja. Oppikirjoista tutkittiin vain niitä kappaleita, joissa Newtonin lait ja Newtonin toiseen lakiin liittyvän liikeyhtälötehtävän ratkaisuvaiheet esitettiin. Oppikirjoista tutkittiin, miten ja missä järjestyksessä ne opettavat Newtonin lait ja kuinka hyvin ne toteuttavat lukion opetussuunnitelman voima ja liike -moduulin mukaisia tavoitteita. Lisäksi tutkittiin, kuinka kirjat onnistuvat vähentämään Newtonin lakeihin liittyvien virhekäsitysten muodostumista.

Oppikirjavertailun tuloksena havaittiin, että kirjat opettavat Newtonin lait eri järjestyksessä. Newtonin lakien opetusjärjestyksellä voi olla vaikutusta niiden oppimisessa ja virhekäsitysten muodostumisessa. Molemmissa oppikirjoissa havaittiin lukion opetussuunnitelman mukaisten tavoitteiden toteuttamista. Sanoma Pron kirjassa käytettiin tehtäviä, esimerkkejä ja tehtäviä monipuolisemmin opetuksen tukena kuin Otavan kirjassa. Newtonin toiseen lakiin liittyvän liikeyhtälötehtävän ratkaisemisen Otavan kirja opetti Sanoma Pron kirjaa selkeämmin. Newtonin kolmanteen lakiin, voimaan ja vastavoimaan, liittyvän virhekäsityksen muodostumista Sanoma Pron kirja onnistui puolestaan paremmin ehkäisemään.