Termodynaaminen tasapainotila ja lämpöopin pääsäännöt lukio-opetuksessa

Abstract

Tässä tutkielmassa perehdyttiin lukiolaisten käsityksiin termodynaamisesta tasapainotilasta sekä lämpöopin ensimmäisestä ja toisesta pääsäännöstä. Tasapainotilan käsite on fysiikan tietorakenteen hierarkiassa korkealla, mutta tästä huolimatta nuorten käsityksiä siihen liittyen on tutkittu vain vähän. Ensimmäisen ja toisen pääsäännön ymmärtäminen sekä niiden soveltaminen on havaittu aiempien tutkimusten mukaan ongelmalliseksi vielä korkeakoulutasollakin. Tutkimus suoritettiin oppikirja-analyysin ja oppilaskyselyn avulla. Oppikirja-analyysiss ä tutkittiin kahta Suomen lukioissa käytettävää oppikirjaa, Tammen kustantamaa Fysiikka-kirjaa sekä WSOY:n kustantamaa Physica-kirjaa. Analyysin tavoitteena oli selvittää, miten ja missä järjestyksessä lämpöopin peruskäsitteet esitetään oppikirjoissa. Oppilaskysely suoritettiin monivalintatestinä fysiikan ensimm äisellä syventävällä kurssilla viidessä suomalaisessa lukiossa talvella 2009 ja sen otos oli 144 opiskelijaa. Oppikirja-analyysissä tehtyjä havaintoja käsitteiden esiintymisestä ja niiden järjestyksestä verrattiin oppilaskyselyn tuloksiin. Lämpöopin käsitteet ovat tämän tutkimuksen mukaan haasteellisia. Kyselyyn vastanneista opiskelijoista vain 9,7 % ymmärsi termodynaamisen tasapainotilan käsitteen tässä tutkimuksessa oletetulla opetussuunnitelman ja oppimateriaalin implikoimalla tasolla. Lukiolaisten käsitys tasapainotilasta on tämän perusteella varsin puutteellinen. Oppikirjalla ei ollut merkittävää vaikutusta tasapainotilan oppimiseen. Sisäenergian ja ensimmäisen pääsäännön lukiolaiset ymmärsivät paremmin, sillä 77,6 % vastanneista tunnisti lämpövirran suunnan ja sisäenergian kasvun systeemi ä lämmitettäessä. Sisäenergian käsittely ennen ensimmäistä pääsääntöä ja kirjan havainnollinen kuva vaikuttivat myönteisesti tämän käsitteen oppimiseen. Energian säilymisen ymmärtäminen vieraassa ympäristössä osoittautui kuitenkin ongelmalliseksi. Entropia ja toinen pääsääntö ovat tutkimuksen tulosten perusteella vaikeita käsitteitä lukiolaisille. Kyselyyn vastanneista 63,4 % väitti entropian säilyvän vakiona spontaanissa prosessissa. ii