Sähkömikroauto, mitä siitä voi oppia
Kun minä kävin koulua, osasin hyvin laskea mekaanisia laskuja. Muistin monia nyrkkisääntöjä, kuten että sulkulausekkeet lasketaan ensin; samannimisiä voi laskea yhteen tai vähentää ja murtolukulaskuissa jaettava kerrotaan jakajan käänteisluvulla. Laskut tuntuivat jopa helpoilta. Tulos ei kertonut sinänsä mitään, mutta se oli oikein. Ja se riitti, sain hyvän arvosanan.
Matematiikasta ei tullut minulle leipälajia, mutta matematiikka on alkanut kiinnostaa, kun kymmenien vuosien ajan ensin opettajan työssä ja sitten opettajakouluttajana olen pohtinut, miten ihminen oppii käsitteellisiä asioita. Mielenkiinto on vain vahvistunut, kun uusissa tutkimuksissa (esim. Tuominen 2021; Nathan 2022) ja menetelmissä (kuten Varga-Neményi -menetelmä) matematiikkaa lähestytään ilmiöiden ymmärtämisen kautta. Mitä kaikkea matematiikan avulla voikaan tehdä, kun se viedään käytännön toimintaan, esimerkiksi sähkömikroauton rakentamiseen.
Sähkömikroautokurssin synty
Sähkömikroauton rakentamisen idea syntyi OKM:n rahoittamassa Uusi ammatillinen kasvu -hankkeessa (2019–2021), jossa autoalan yritykset ja oppilaitokset eri kouluasteilta etsivät uudenlaista näkökulmaa autolla liikkumiseen. Sähköautot ovat muuttaneet ajattelua liikkumisesta. Kuvassa 1 Autoalan Keskusliiton tekninen johtaja Jouko Sohlberg avaa autoalaan vaikuttavien tekijöitä. Ala on murroksessa ja yritysten toiveena on saada alan tarjoamat monipuolistuvat työllistymismahdollisuudet nuorten tietoisuuteen. Keskeisinä osaamistarpeina nousevat esiin ekologisen kiertotalouden ymmärtäminen sekä sähköosaaminen (Uusi ammatillinen kasvu – positiivinen rakennemuutos, Case autoala 2021).
UAK-hankkeessa mukana toiminut autoalan ammattiopettaja Eero Saari sai Stadin ammattiopiston innostumaan sähkömikroauton rakentamisesta pilottikurssina. Ideaan kuului, että kurssia tarjottaisiin erityisesti peruskoululaisille ja lukiolaisille (kuva 2.).
Eero Saaren suunnittelemana syntyi kymmenen keskiviikko-iltapäivän mittainen kurssi, jossa oppilaat itse saisivat purkaa polttomoottorikäyttöistä mikroautoa ja rakentaa sitä uudelleen sähkökäyttöiseksi. Pilottikurssille osallistui yhdeksän peruskoululaista ja yksi lukiolainen.
Mikroauton valmistuksessa hyödynnettiin käytöstä poistettavien sähkömoottoripyörien voimalinjan osia sekä niiden sähkölogiikkaa. Oppilaat tutustuivat samalla sähkömikroauton voimalinjaan. Tietoja haettiin verkosta erilaisista tietokannoista, esimerkiksi korjaus- ja huoltotietoja etsittiin ZERO-sähkömoottoripyörien maahantuojan portaalista. Kurssilla opittiin voimalinjan lisäksi akustojen toiminnasta, ohjainlaitteistosta, työturvallisuudesta ja kestävästä kehityksestä. Kurssilla otettiin kuvia ja kirjoitettiin työvälineiden ja -vaiheiden nimiä yhteiseen Whatsapp-ryhmään. Joka keskiviikko opitut asiat koottiin yhteen ja keskeiset käsitteet tarkennettiin.
Eero Saari hoiti oppimissisältöjen ja -tilojen järjestämisen sekä opetuksen Stadin ammattiopistossa. Minun roolini oli koota kurssista kertyvää materiaalia yhdeksi dokumentiksi sekä laatia kurssille pedagoginen perusta. Lähtökohtana oli toiminnallinen oppiminen, jonka tiedämme motivoivan oppilaita. Haluan tässä artikkelissa tarkastella juuri toiminnan näkökulmasta: Miksi sähkömikroauton rakentaminen vaikuttaa matemaattisen ajattelun kehittymiseen?
Sähkömikroautokurssin sisällöt ja sen toteutus on koottu Prezi-esitykseen (kuva 3).
Pedagogisena viitekehyksenä Grounded and Embodied Learning, GEL
Sähköosaamiseen tarvittavaa oppimista voidaan tarkastella ilmiöoppimisen kautta. Embodied learning -ajattelu antaa välineitä tutkia ilmiö-pohjaista oppimista monista eri näkökulmista. Embodied learning on näkemys, jossa useita tiede- ja ammattialoja yhdistyy toisiinsa. Näkemyksessä hyödynnetään esimerkiksi kehitys- ja kasvatuspsykologiaa, neurotiedettä, kognitiivista psykologiaa, kasvatustiedettä, sosiaalipsykologiaa ja tekoälyä.
Viittaan tässä artikkelissa usein vastajulkaistuun monipuolisesti aihetta käsittelevään Mitchell J. Nathanin kirjoittamaan kirjaan Foundations of Embodied Learning – A Paradigm for Education (2022). Kutsun pedagogista lähestymistapaa Nathanin tapaan englanninkielisellä nimellä ”grounded and embodied learning” lyhennettynä GEL. Kirjan esimerkeistä valtaosa liittyy matematiikkaan, matemaattiseen ajatteluun sekä matemaattisen ajattelun opettamiseen ja oppimiseen. Kirja on erittäin mielenkiintoinen myös meille, jotka emme ole matemaattisten aineiden opettajia.
Yksi perustavaa laatua oleva pedagoginen kysymys liittyy dikotomioihin: teoria – käytäntö; ajattelu –toiminta; kognitiivinen – kehollinen; tietoinen – tiedostamaton; hidas oppiminen – nopea oppiminen; tieto – tunne; perusteltu toiminta – selkärangasta lähtevä toiminta. Mikä tulee ensin ja mikä sitten?
Kun sähkömikroautokurssia suunniteltiin, matematiikka, fysiikka ja kemia haluttiin kätkeä mikroautoon. Haluttiin tarjota nuorille kiinnostava ja elämyksellinen löytöretki. Kurssin toimintaa seuratessani saatoin helposti havaita, että dikotomioiden jälkimmäinen osa (käytäntö-toiminta-kehollinen-tiedostamaton-nopea oppiminen-tunne-selkärangasta lähtevä toiminta) innosti oppilaita selvästi enemmän. Oppilaat itsekin kutsuivat itseään tekemällä oppijoiksi, jotka eivät oikein jaksa istua pulpetissa. Parempi on ”learning by doing”. Mutta mitä ”by doing” tarkemmin ottaen on? Miksi se motivoi oppimaan? Tähän kysymykseen GEL tarjoaa aihetta syventäviä näkökulmia.
Sanat ja käsitteet saavat toiminnassa merkityksen ja mahdollistavat asioiden ilmaisemisen. Ympäristö, toiminta ja käsitteellinen ajattelu ovat embodied learning -näkemyksessä yhtä tärkeässä roolissa. Näitä kaikkia tarvitaan symbolisten käsitteellisten merkkijärjestelmien käyttämiseen ymmärrettävästi. Siksi matemaattinen kielikin on tärkeä kytkeä käsillä tekemiseen ja tuttuun ympäristöön. (Kuva 4.)
Vaikeat matemaattiset käsitteet (integrointi, derivointi, kulmakerroin, yhtälöt yms.) saavat auton rakentamisessa käytännön merkityksen. Ohmin laki konkretisoituu, kun jännitteen, virran ja vastuksen välistä suhdetta tutkitaan käytännössä. Vakiossa yhden tekijän muuttaminen aiheuttaa muutoksen toisessa.
Oppilaat miettivät, kuinka paksuksi sähköjohdon voi kasvattaa tai milloin johto voi lämmetä liikaa. Ohmin laille tulee käyttöä, kun sen avulla pystyy arvioimaan virran ja jännitteen suhteita tarkasti. (Kuva 5.) Laista muodostui oppimisen työväline.
Momentti M [Nm] tuli useasti esiin toiminnassa. Tarvittavien komponenttien ja osien sijoittelu vaikuttaa painojakaumaan. Momenttikin on yhtälö M = F x l (voima N x vääntövarsi m). Skeittilaudalla liikkuminen ja temppujen tekeminen perustuu momenttiin. Käytännön kautta opiskelijat ymmärsivät, miten rungon etu- ja takaylityksen pistekuorma vaikuttaa momentin muodossa painojakaumaan ja siten ajokin ajo-ominaisuuksiin.
Esimerkiksi diodin toiminta herätti oppilaissa kysymyksen: Miten diodi toimii? Opettaja Eero pyysi tutkimaan muuntajaa tarkemmin ja esitti kysymyksiä: Mitä näkyy muuntajan takana? – Siniaalto. Mitä tarkoittaa input? – Virta menee sisään vaihtovirtana (=siniaalto). Näettekö, missä lukee output? Mitä siinä lukee? – 5 V. Mitä se tarkoittaa?
Sitten todetaan, että ulostuleva virta ei olekaan siniaaltoa, vaan muuntuva vaihtovirta tulee ulos tasavirtana. Piirretään virran ja jännitteen suhde x-y koordinaatistona. Lähdetään origosta, jossa aika ja jännite on 0. Yksi sekunti = yksi jakso. Siniaaltojen määrä sekunnissa on sähkövirran taajuus Hertsi (Hz). (Kuva 6.)
Oppilaat innostuivat, ”nyt valkeni”, miten diodi toimii tasasuuntauksessa ja mitä se tarkoittaa akun latauksessa. Ladattavia akkuja löytyy useista kodin sähkölaitteista. Lähes kaikilla oppilailla on kännykkä ja sen laturi. Niiden toiminta on tärkeä tuntea. Akkujen toimintaan voi sisällyttää monenlaisia matematiikan, fysiikan tai kemian tehtäviä.
Oppilaan esittämä kysymys on aina oppimistilaisuus, johon opettajan kannattaa tarttua. Toiminnallisessa ympäristössä oppilaiden on helpompi esittää kysymyksiä. Grounded and embodied learning (GEL) näkee oppimisen kokonaisvaltaisena tekemisen ja ajattelun yhteensulautumana. Siinä tärkeitä elementtejä ovat toiminnan ja asian välisen yhteyden sekä kehonliikkeiden ja ympäristön hyödyntäminen.
Tutkimustiedon mukaan kehollinen toiminta vahvistaa oppimista ja kielellistä kehitystä ja että kehollinen toiminta on yhteydessä neurologisiin reaktioihin (Glenberg-Johnson 2016; Glenberg 2010; Skulmowski 2018; Günter; Nathan 2022). Niin kutsutuilla peilisoluilla (mirror neurons) voi olla yllättävän iso merkitys oppimisessa. Nathanin mukaan neuroneilla ei olisi kytköksiä vain ihmisen toimintaan vaan että neuronit reagoisivat myös ihmisen aikeisiin ryhtyä toimintaan. Neuronien välittämänä ja tekemisen kautta syntyy vuorovaikutusta sekä ihmisessä itsessään (toiminnan ja ajattelun välillä) että ihmisen ulkopuolella (ihmisen ja ympäristön välillä) ja näillä kummallakin on vaikutusta oppimiseen.
Oppiminen muodostuu siis monista meille usein näkymättömistä ja tiedostamattomista tekijöistä. Ei siis lainkaan ihme, että liikekielen ja nonverbaalisen viestinnän merkitys on noussut esiin nyt, kun pandemian takia oppimista on jouduttu siirtämään verkkoympäristöön. Moni opettaja ja oppilas kokee verkkoympäristön uuvuttavana.
Oppilaiden mielenkiinto herpaantuu nopeasti, kun käsitteellistä tietoa tulee kerralla liikaa. Matematiikan opetuksesta tulee helposti vain käsitteiden varassa työskentelyä. Tuoreessa Helsingin Sanomien haastattelussa 8.4.2022 nuorten uupumusta tutkiva professori Katariina Salmela-Aro mainitseekin juuri matematiikan yhtenä lukiolaisia eniten stressaavana oppiaineena (Helsingin Sanomat 8.4.2022) .
Nathanin kirjassa esittelemät tutkimukset osoittavat, että kehollinen toiminta osaltaan keventää käsitteistä kertyvää kognitiivista kuormaa. Samaan tapaan kuin pitkäaikainen muisti tai ympäristö laajentavat kognitiivista järjestelmää (extended cognition), toistuvat liikesarjat tallentuvat muistijälkinä kehoon ja voivat helpottaa esim. laskentakaavojen muistamista. Useiden harjoituskertojen jälkeen monet toiminnot tapahtuvat automaationa, tuttu esimerkki tästä on autolla tai pyörällä ajaminen. Ihminen tarvitsee paljon automatisoituneita toimintoja, jotta voi keskittyä oppimaan uutta.
Hei Eero, tuu kattoon tää toimii
Sähkömikroautokurssilla rakentaminen on opettajan ja oppilaan yhteistä toimintaa ja oppimista. Liikkeitä voi hyödyntää tunnustelemiseen, osoittamiseen, näyttämiseen, vertaamiseen, myös kysymiseen ja vastaamiseen. Rakentamisessa voi kommunikoida myös ilman sanoja. Kun oppimisen ajatellaan toteutuvan kokonaisvaltaisena prosessina, yhdistyvät tietoisesti asetetut tavoitteet, automatisoituneet liikeradat, aikaisempaan kokemukseen perustuva tieto sekä ennakko-odotukset toiminnan tuloksista.
Yksinkertaistettuna toiminta työvälineiden kanssa jo itsessään pitää sisällään symbolisen merkkijärjestelmän hyödyntämisen tai jopa edellyttää sitä. Jokaisella työvälineen käytöllä on tietoinen päämäärä, joka sisältää työn suunnittelua ja mahdollisten tulosten ennakointia. Siihen tarvitaan merkkijärjestelmiä, joiden avulla voidaan symboloida todellisuutta ja siinä tapahtuvia muutoksia. (Bedny; Karwowski & Jeng 2004.) Koordinaatiston käyttäminen (x-y-akselit) diodi-ongelman selvittämisessä on tästä yksi esimerkki. Koordinaatistosta tai ohmin laista muodostuu ongelmanratkaisun työväline.
Kognitiivista ajattelua tai symbolien käyttöä ei siis pidä erottaa toiminnasta ja ympäristöstä. Ne ovat yhteenkietoutuneet. Oppimista sähkömikroautokurssilla voidaan kuvailla suoraan Nathania lainaten seuraavasti: ”Learning means learning to use body-based resources ….and tools, and collaborative interactions in service of meaning making, problem solving, idea production, and design” (Nathan 2022). Oppimisen ymmärtäminen kokonaisvaltaisena prosessina on kuin sähkömikroautoon sovellettava Momentti. Momentissa (Nm) painojakauma muodostuu tarvittavien komponenttien ja osien sijoittelusta. Sähkömikroauton valmistamisessa pitää kaiken aikaa hahmottaa ajokin tasainen painojakauma leveyden ja pituusakselin suhteen. Opettajan tehtävänä on hahmottaa toiminnan ja teorian tasainen painojakauma.
Oppimisen tehokkuutta voi kasvattaa hyödyntämällä tekemiseen tarvittavia ratkaisutilanteita interaktiivisina hetkinä. Grounded and Embodied Learning -näkemyksessä toiminta ja teoria kulkevat tasaveroisina. Edellä mainitut dikotomiaparit (teoria – käytäntö; ajattelu – toiminta; kognitiivinen – kehollinen; tietoinen – tiedostamaton; hidas oppiminen – nopea oppiminen; tieto – tunne; perusteltu toiminta – selkärangasta lähtevä toiminta) pitäisikin nähdä dikotomioiden sijaan joustavasti toteutuvina ja toisiinsa kiertyvinä pareina, vaikkapa samaan tapaan kuvattuna kuin DNA-kierre.
Mikä voisi olla sähkömikroauton rakentamisen ja matematiikan opettamisen ”DNA-kierre”? Sen jätän matematiikanopettajien löydettäväksi. Tervetuloa mukaan tutustumaan sähkömikroautoon ja sen valmistustekniikkaan.
Lähteet
Bedny, G. Z., Karwowski, W., & Jeng, O.-J. 2004. The situational reflection of reality in activity theory and the concept of situation awareness in cognitive psychology. Theoretical Issues in Ergonomics Science, 5(4), 275–296.
Glenberg, A. M. 2010. Embodiment as a unifying perspective for psychology. WIREs Cognitive Science. Volume 1.
Johnson-Glenberg, M. C. & Megowan-Romanowicz, C. & Birchfield D.A. & Savio-Ramos C. 2016. Effects of Embodied Learning and Digital Platform on the Retention of Physics Content. Front. Psychol., 25 November 2016.
Lampinen, A. 2022. Opetuksen tavoitteena on antaa toimivia matemaattisen ajattelun työkaluja ja taitoja – ei tyydytä sääntöjen takomiseen oppilaiden päihin! 24.3.2022 Dimensio-lehti.
Nathan, M. J. 2022. Foundations of Embodied Learning. A Paradigm for Learning. Routledge.
Tuominen, A. 2021. Interventiotutkimus kolmasluokkalaisten murtolukujen oppimisesta; ”Ylhäällä olevat vaan plussataan”. Väitöstutkimus. Turun yliopisto.
Skulmowski, A. & Rey, G. D. 2018: Embodied learning: introducing a taxonomy based on bodily engagement and task integration. Cognitive Research: Principles and Implications volume 3, Article number: 6 / 2018.
Uusi ammatillinen kasvu – positiivinen rakennemuutos, Case autoala 2021. Luettavissa verkossa: https://julkaisut.haaga-helia.fi/uusi-ammatillinen-kasvu-positiivinen-rakennemuutos-case-autoala/
Tilaa Dimension uutiskirje – saat sähköpostiisi aina kuunvaihteessa koosteen tuoreimmista artikkeleista
