Checkpoint Leonardon kansainvälistä yhteistyötä kestävyyden ja tekoälyn oppimisessa
Checkpoint Leonardo -hanke monialaistaa luonnontieteiden oppimista kestävän kehityksen kontekstissa. Jyväskylän yliopiston opettajankoulutuksen ja eurooppalaisten yliopistojen yhteistyönä luodut kansainväliset kurssit perustuvat monialaiseen STEAM-oppimiseen, jossa luonnontieteen ja matematiikan ohella tarkastellaan humanistisia, yhteiskunnallisia ja teknologisia näkökulmia. Vuoden 2024 kansainvälinen opettajankoulutuskurssimme Prahassa keskittyi aktiivisiin oppimismenetelmiin, tekoälyn opetuskäyttöön ja oppiainerajat ylittävään pedagogiikkaan, jossa opiskelijat suunnittelivat käytännönläheisiä ja kestävyyttä tukevia opetusratkaisuja.
Checkpoint Leonardo: Kestävän kehityksen ja STEAM-oppimisen edelläkävijä
Checkpoint Leonardo (CPL) alkoi vuonna 2012 Jyväskylän yliopiston Opettajankoulutuslaitoksen ja Jyväskylän taidemuseon yhteistyöhankkeena, jossa kehitimme Uusi kubismi -taidenäyttelyn teoksia tutkivia luonnontieteellisiä kokeiluja koululaisille. Työtapaa kutsutaan tutkivaksi STEAM-oppimiseksi, koska siinä yhdistetään perinteinen STEM-oppiminen (Science, Technology, Engineering and Mathematics) kaikkiin muihin oppiaineisiin. Alun perin A-kirjain tuli englannin kielen sanasta Arts, mikä tarkoittaa paitsi taideaineita myös humanistisia ja yhteiskuntatieteellisiä oppiaineita. Meille CPL-hankkeessa A on mieluummin ”Any”, korostaen STEM-oppimista oppilaille läheisissä tilanteissa, tarvittaessa millä tahansa muulla oppiaineella tai muilla oppiaineilla höystettynä. Uusi kubismi -näyttelyssä koululaiset tutkivat ruoste- ja happoemäsvärjäystä sekä lämpösäteilyn, tunto- ja hajuaistimusten kuvallista ilmaisua. Sen jälkeen Jyväskylän yliopiston luokanopettaja- ja fysiikan ja kemian aineenopettajaopiskelijat ovat vuosittain suunnitelleet arkisia ilmiöitä monialaisesti tutkivia kokeiluja erilaisiin oppimisympäristöihin. Yhteistyökumppaneita ovat olleet pääasiassa paikalliset tiede-, taide- ja arkkitehtimuseo, sekä kaupungin kulttuuritapahtumat, kuten Valon kaupunki, Yläkaupungin yö ja Tutkijoiden yö. Aiheet ovat vaihdelleet ihmiseen tarvittavista aineista ”iki”liikkujan energiamuunnoksiin ja häiveilmiöistä näyttäviin illuusioihin. Viime vuosina opettajaopiskelijat ovat keskittyneet entistä vahvemmin kestävän kehityksen ja modernin teknologian väliseen vuorovaikutukseen.
Kansainvälisyys ja monialaisuus rikastuttaa oppimista
Checkpoint Leonardon kansainvälinen yhteistyö eurooppalaisten yliopistojen kanssa alkoi vuonna 2019 professori Jan Lundellin aloitteesta. Nykyään kurssi järjestetään Erasmus plus Blended Intensive Programme (BIP) -ohjelman osana. BIP on Euroopan Unionin tarjoama joustava liikkuvuusmuoto opiskelijoille ja henkilökunnalle. ”Blended” tarkoittaa virtuaalisen oppimisen yhdistämistä lyhytkestoiseen intensiiviopintojaksoon ulkomailla. Yhtä hyvin se voi tarkoittaa myös oppiaineiden ja erilaisten ihmisten ja intressien sekoittamista. Kestävän elämäntavan aktiivinen oppiminen on ollut keskiössä kaikilla neljällä kurssillamme. Niihin liittyvinä kurssien erityisteemoina ovat olleet 3D-tulostamisen, lisätyn todellisuuden sekä tekoälysovellusten oppiminen ja hyödyntäminen STEAM-oppimisessa. Kaikkien kurssien intensiivijaksot on järjestetty keskeisellä paikalla, Kaarlen yliopiston Kemian pedagogiikan osastolla Prahassa Tšekin tasavallassa. Opettajia ja opiskelijoita on värvätty lisäksemme Mariborin yliopistosta Sloveniasta ja Johannes Kepler -yliopistosta Itävallan Linzistä. Slovenialaiset ovat olleet pääasiassa teknologiakasvatuksen opettajaopiskelijoita ja asiantuntijoita, ja Itävallasta on tullut matematiikan pedagogeja ja sellaisiksi opiskelevia kansainvälisiä jatko-opiskelijoita. Tšekit ovat edustaneet biologian ja kemian pedagogiikkaa ja suomalaiset kollegat fysiikan, kemian ja ympäristöopin opettamista.
Tämän syksyn 2024 kurssi oli nimeltään ”Student-activating methods in STEAM instructions”. Ensimmäisessä online tapaamisessa opettajaopiskelijoille esiteltiin kurssin tavoitteet ja heitä tiedotettiin käytännön järjestelyistä ja työskentelytavoista. Lisäksi opiskelijat saivat tehtäväksi vastata kysymyksiin, joiden perusteella heidät jaettiin pienryhmiin siten, että kussakin viidessä ryhmässä oli viisi opiskelijaa mahdollisimman erilaisista taustoista, mutta kaikki kiinnostuneita mahdollisimman samanlaisista asioista ja aiheista STEAM-lähtöisessä opettamisessa ja oppimisessa.
Ensimmäisenä intensiiviopiskelupäivänä opiskelijat tutustuivat toisiinsa rakentamalla jokaiselle ryhmälle annetuista samanlaisista palikoista mahdollisimman korkean tornin. Tätä vanhaa tuttua ryhmäytymisleikkiä terästettiin antamalla ryhmän jäsenille salaiset roolit: jokaisessa ryhmässä oli laulaja, paparazzi, besserwisser, optimisti ja pessimisti. Toisten roolien oikeista arvaamisista opiskelijat saivat lisäpisteitä. Loppupäivän opiskelijat tutkivat Kestävän kehityksen, STEAM-integraation ja modernien taitotavoitteiden välisiä yhteyksiä ja niiden oppimista kestävän energiatalouden kontekstissa. Unsecon kestävän kehityksen oppimisen työkalupakki (https://unesdoc.unesco.org/ark:/48223/pf0000152453) auttoi opettajia suunnittelemaan opetustaan tukemaan paikallisia kestävän kehityksen tavoitteita. Tämän oppaan mukaan opetus perustuu monesti liian yksinkertaisiin viesteihin, kuten rokottautumisen tärkeyteen. Kestävä kehitys on sen sijaan monimutkainen yhdistelmä ympäristöön, talouteen ja yhteiskuntaan liittyviä teemoja. Opettajien haasteena on kehittää viestintätapoja, jotka tuovat esiin tämän monimutkaisuuden ilman, että oppijaa hämmennetään tai kuormitetaan liikaa. Tämä vaatii sanoman selkeyden ja sisällön syvällisyyden tasapainottamista – tuttu juttu opettajille.
Esitimme oppaan pohjalta kolme yksinkertaistettua väitettä: 1. Ilmastonmuutos johtuu fossiilisten polttoaineiden käyttämisestä, 2. Ruuan tuotanto kuluttaa vettä ja maata, sekä 3. Muovijäte päätyy vesistöihin saastuttaen niitä. Opiskelijat pohtivat ensin näistä väitteistä herääviä lisäkysymyksiä. Sitten he jatkoivat vastaamalla kysymykseen: Miksi emme käytä pelkästään uusiutuvaa energiaa? Puhtaan ja kestävän energian ongelma paljastaa nopeasti kestävän elämäntavan tavoittelun monimutkaisuuden. Uusiutuvaa energiaa ei ole aina saatavilla ja varastointiratkaisut ovat vielä kalliita ja tehottomia. Tuotantomuotojen ja varastoinnin raaka-aineiden hankinta ja jätteidenkäsittely tuo omat ongelmansa. Energian jakeluun tarvittava teknologia on kallista. Fossiiliset polttoaineet tarjoavat valmiin, jatkuvan ja luotettavan energianlähteen, ja niiden tukema infrastruktuuri on jo valmiiksi rakennettu jne. Kestävyyden eri tavoitteiden yhteensovittaminen on kuin vetelällä suolla selviämistä, joka vaatii ponnistusten vaikutuksia arvioivaa kriittistä ajattelua, luovuutta sekä hyvää yhteispeliä ja kommunikaatiota. Lisäksi kestävyyden sosiaalisen, taloudellisen ja ekologisen ulottuvuuden yhteensovittaminen pakottaa tarkastelemaan ongelmia eri tiedonalojen avulla.
Toisen päivän aamuna opiskelijat reflektoivat oppimaansa suunnittelemalla kouluun kestävän energian ratkaisun. Suunnitelmissa edettiin ennakko-osaaminen pohjalta tiedon tarpeeseen, kokeellisiin tutkimuksiin ja niistä opittavien käsitteiden erilaisiin käyttötilanteisiin ja tilanteissa sopiviin ilmaisutapoihin. Tavoitteena oli oppia ohjaamaan kokeellista käsitteenmuodostusta ja soveltamaan Leshin transitioperiaatetta. Tämä periaate korostaa käsitteiden ymmärtämistä siirtymällä konkreettisista tilanteista symbolisiin ja verbaalisiin ilmaisuihin sekä kykyä yhdistää käsitteet arjen ongelmiin. Hyvä esimerkki tästä oli erään ryhmän suunnitelma käsitteen ”suhde” oppimisesta tuulimyllyn vaihteen rattaita tutkimalla. Opittua suhteen käsitettä voi sitten soveltaa analysoidessa lukuja, ilmiöitä ja ilmiöiden välisiä yhteyksiä. Arjen suhteita ovat mm. valaisimien energiatehokkuus, kokkailun ainemäärät, karttojen mittakaavat, piirustuksen perspektiivit, liikenteen ja urheilun nopeudet, ostosten hintavertailut ja tulojen ja menojen balanssi taloudenhallinnassa.
Seuraavaksi siirryttiin opiskelemaan toista käsitteellisen oppimisen perusperiaatetta: John Deweyn korostamaa oppijan suoraa vuorovaikutusta oppimateriaalin kanssa. Moderni sovellus tästä on opiskella geometriaa lisätyn todellisuuden (AR) avulla. Opiskelijoille esiteltiin GeoTry-niminen lisätyn todellisuuden opetussovellus, joka on suunniteltu tukemaan matematiikan opetusta yläkoulussa. Sovelluksessa oppilaat voivat piirtää esineitä sormella ja sovellus luo ja näyttää automaattisesti sen pinnat ja selittää niiden ominaisuudet ja geometriset periaatteet.
Esimerkkinä tekoälypohjaisista työkaluista, kurssilla tutkittiin Perplexity.ai-sovelluksen ja muiden chatbottien käyttöä opetuksessa. Chatbottien avulla STEAM-oppimiseen voidaan tuoda sekä yksilöllisyyttä että vuorovaikutteisuutta. Ne helpottavat monimutkaisten käsitteiden ymmärtämistä paitsi selittämällä, myös innostamalla oppilaita tutkimaan ja oppimaan heille tärkeitä tilanteita itsenäisesti. Opettajat voivat hyödyntää niitä esimerkiksi muokkaamalla oppikirjan tehtävät oppilaiden ajatus- ja kokemusmaailmaan sopiviksi. Kolikon kääntöpuolena käsiteltiin chatbottien korkeaa energiankulutusta, virheellisiä tai harhaanjohtavia vastauksia, inhimillisen vuorovaikutuksen puutetta, tietoturvariskejä sekä riippuvuutta tekoälyteknologiasta, joka voi heikentää oppilaiden itsenäistä kriittistä ajattelua.
Päivän lopuksi opiskelijaryhmät puivat aivoriihessä mahdollisia aiheita ja osaamistavoitteita seuraavien päivien avoimeen tehtävään: Millaisilla aktiviteeteilla voidaan opettaa kestävän kehityksen tavoitteita koulussa?
Kolmas päivä oli varattu opiskelijoiden projektityöskentelyyn. Päivä alkoi projektiryhmien laatimien projektia ohjaavien kysymysten esittelyllä ja niiden realistisuuden arvioinnilla. Päivän päätteeksi opiskelijat keskustelivat, ideoivat ja arvioivat toisten ryhmien aiheita ja suunnitelmia Learning cafe -tyyppisessä vapaamuotoisessa vertaispalautetyöpajassa.
Neljännen päivän aamuna opiskelijat viimeistelivät suunnitelmansa vertaisarviointeja hyödyntäen ja valmistautuivat esittelemään työnsä suullisesti. Iltapäivällä alkoi intensiivijaksoihimme oleellisena osana kuuluva konferenssi.
PBE (https://pages.pedf.cuni.cz/pbe/?lang=en) on vuosittain järjestettävä projektioppimisen ja aktiivisten opetusmenetelmien lämminhenkinen konferenssi. Se keskittyy opettajien, opettajankouluttajien ja opettajaopiskelijoiden tutkimuksiin erilaista opetuskokeiluistaan. BIP-kurssimme on suunniteltu tämän konferenssin satelliitiksi, ja opiskelijat osallistuivat aktiivisesti konferenssin kaikkiin tapahtumiin varsinaisena tehtävänään kuunnella analysoida ja arvioida valitsemiaan esityksiä.
Opiskelijat saavat uusia ajatuksia projektioppimisen konferenssista
Konferenssin ensimmäisessä Plenary-osuudessa Hendra Y. Agustian Kööpenhaminan yliopistosta puhui kokeellisen työskentelyn kokonaisvaltaisesta merkityksestä luonnontieteiden opetuksessa. Oppimista voidaan syventää ottamalla huomioon oppimisen kognitiiviset, emotionaaliset ja motivaatiotekijät. Kun opiskellaan laboratoriossa, tärkeää on teorian yhdistäminen käytännön toimiin, hallita oppilaiden uteliaisuuden, ilon ja turhautumisen tunteet, sekä huomioida sinnikkyys, tavoitteellisuus ja itseohjautuvuus. Toisessa esityksessä Petr Kácovský Kaarlen yliopistosta havainnollisti elävästi digitaalisten taitojen merkitystä sekä älylaitteiden järkevää käyttöä fysiikan ja luonnontieteiden opetuksessa. Teknologian yleistyminen, kuten ”bring your own device” -trendi ja tekoälyn huima kehitys, asettavat uusia vaatimuksia sekä opettajien että opiskelijoiden digiosaamiselle. Monissa maissa tehty ja Suomessakin lehtien yleisöpalstoilla hehkutettu ”Hide your own device” -tyyppinen ratkaisu voi poistaa haittoja, mutta samalla menettää hyödyt. Erityisesti fysiikan opetuksessa älylaitteet, kuten älypuhelimet, tarjoavat mahdollisuuden tutkia ilmiöitä, jotka muuten jäisivät liian nopeina, hitaina, isoina tai pieninä aistiemme ja perinteisten opetusvälineiden ulottumattomiin. Mielenkiintoisina käytännön esimerkkeinä Petr Kácovský esitteli kulmanopeuden ja keskeiskiihtyvyyden mittaamisen salaattilinkoon kiinnitetyn puhelimen antureilla ja neliöllisen riippuvuuden linearisoinnin käyttäen neliöasteikkoa Phyphox -sovelluksessa. Toinen mielenkiintoinen tutkimus samalla sovelluksella on tutkia kartalta kaverin kulkureitti Phyphoxin sijaintisovelluksen kuljetun suunnan ja matkan aikariippuvuuden kuvaajien avulla.
Konferenssin toisen päivän Plenary-esityksissä Kuohung Huang National Chiayi -yliopistosta Taiwanista esitteli syrjäisessä alakoulussa Taiwanissa tehdyn tutkimuksen, jossa koulu kasvattaa kaskaita opetustarkoituksiin. Kasvatusprojektin tavoitteena oli lisätä oppilaiden tietoisuutta ja kiinnostusta ympäristöä kohtaan. Oppilaat tutkivat kaskasmäärää ja niiden levinneisyyttä koulun alueella käyttämällä paikkatietojärjestelmää (Geographic Information System, GIS). Tulokset osoittivat, että oppilaiden luonto- ja luonnontiedesuhde parani ja he oppivat tutkivan oppimisen ja GIS-taitoja, vaikkakin kokivat paineita oppimisesta. Päivän toisessa Plenary-esityksessä Martin Jáč, Olomoucin Palacký yliopistosta korosti oppilaiden kattavaa ymmärrystä elämän perusperiaatteista sekä tieteellisen tutkimisen taitoja. Hänen tutkimuksensa mukaan biologian opetuksen keskeisiä haasteita ovat eri ontologisten tasojen (molekyyli, solu, eliö,…) ajattelu, virhekäsitysten välttäminen ja tutkimusprosessien hallinta. Näiden voittamiseksi suositeltiin sisältöpainotteisen opetuksen tutkimuksen 3A-metodologiaa (Analysis, Adaptation, Application), jossa ensin analysoidaan nykytilanne ja tunnistetaan ongelmat. Sitten sopeutetaan sisällöt ja menetelmät vastaamaan haasteisiin ja lopuksi sovelletaan uutta suunnitelmaa ja arvioidaan sen toimivuutta. Esimerkkinä virhekäsityksistä esitelmässä mainittiin ruokavalion korostuminen oppikirjoissa vatsahaavan aiheuttajana, vaikka nykyisen tieteellisen käsityksen mukaan se johtuu pääasiassa Helicobacter pylori -bakteerista.
Konferenssin rinnakkaisistunnotkin käsittelivät pitkälti jo aikaisemmin viikon aikana esille tulleita aiheita: tieto- ja viestintäteknologian ja tekoälyn hyödyntämistä STEAM-opetuksessa, kestävän kehityksen tavoitteita, tekemällä oppimista ja käsitteenmuodostusta. Konferenssin lopuksi viidennen intensiivipäivän iltana opiskelijat esittelivät omat suunnitelmansa toisilleen yhteisessä symposiumissa. Viiden projektiryhmän tuotokset olivat tutkivan oppimisen ja ohjaamisen suunnitelmia kurssin aiheista. Opiskelijoiden valitsemat aiheet olivat: Tekoälyn käyttäminen oppikirjatehtävien muuntamiseksi oppilaille tärkeisiin kestävyyskonteksteihin, Tuulimyllyn siipien tutkimus, Selviytyminen erämaassa, Kestävyysaiheinen lautapeli ja tietokilpailu sekä Tehon ja energian käsitteiden oppiminen kodin sähkölaitteiden avulla.
Kuudentena päivänä opiskelijat kulkivat Prahan kaupungissa tutustuen historiallisiin nähtävyyksiin. Muutimme aikaisemmin järjestämämme opastetun kierroksen vapaaehtoiseksi opiskelijoiden ilmaiseman väsymyksen vuoksi.
Huomioita kurssilta ja sen jälkeen
Kurssin toinen verkkotapaaminen järjestettiin noin kaksi viikkoa intensiiviviikon jälkeen. Tapaamisen tavoitteena oli, että opiskelijat esittelivät oppimiaan ja kokemiaan asioita valitsemallaan digitaalisella alustalla. Lisäksi opiskelijat täyttivät digitaalisen itse- ja vertaisarvioinnin, jossa arvioitiin projektituotosta sekä omaa ja ryhmäläisten panosta sen toteuttamisessa. Vastauksisista voidaan tunnistaa yhteistyöhön, pedagogiikkaan, kestävyyteen ja haasteisiin liittyviä toistuvia kuvioita ja teemoja. Osallistujat kuvasivat kasvua tiimityö- ja viestintätaidoissaan. Kulttuurienvälinen yhteistyö avarsi heidän näkemyksiään, vaikka erilaiset työskentelytavat ja alkuvaiheen viestintäongelmat toivatkin haasteita: ”Opin tekemään yhteistyötä eri taustoista tulevien ihmisten kanssa ja ymmärtämään heidän ajatuksiaan paremmin.” (Luokanopettajaopiskelija Jyväskylän yliopistosta), ”Meillä oli aluksi vaikeuksia löytää yhteistä linjaa, mutta opimme tekemään kompromisseja ja löytämään yhteisymmärryksen.” (Kemian opettajaopiskelija Kaarlen yliopistosta).
Opettajaopiskelijat kuvasivat myös oivalluksia tieteellisten käsitteiden yksinkertaistamisesta nuoremmille oppijoille ja innostavien, kestävyyteen keskittyvien opetusmateriaalien suunnittelusta: ”Opin luomaan opetusmateriaaleja, jotka yhdistävät luonnontieteen oppilaiden arkipäivään.” (Teknologiakasvatuksen opettajaopiskelija Mariborin yliopistosta). Kestävyysteema koettiin oppilaille merkitykselliseksi oppimisen kontekstiksi: ”Loimme ratkaisuja, jotka yhdistivät kestävyyden tosielämään, ja aion hyödyntää niitä opetuksessani.” (Teknologiakasvatuksen opettajaopiskelija Mariborin yliopistosta).
Osallistujat nostivat esiin ajanpuutteen, viestintävaikeudet ja teorian ja käytännön yhdistämisen haasteet merkittävinä ongelmina: ”Rajoitettujen resurssien ja ajan puitteissa toteutettavan idean keksiminen oli yllättävän haastavaa.” (Kemian opettajaopiskelija Kaarlen yliopistosta). Pääsääntöisesti Jyväskylän yliopiston ja Kaarlen yliopiston opettajaopiskelijat kaipasivat yksityiskohtaisia ohjeita ja selkeitä tehtäviä, kun taas Mariborin opiskelijat arvostivat luovuutta ja käytännön ongelmanratkaisua.
Checkpoint Leonardo -hanke on tarjonnut ainutlaatuisen alustan monialaisen opettajankoulutuksen kehittämiselle. Kansainväliset projektioppimisviikot ovat osoittaneet, kuinka monialainen yhteistyö tukee kestävän kehityksen tavoitteiden saavuttamista ja valmistaa opettajaopiskelijoita tulevaisuuden koulutushaasteisiin. Tekoälyn ja kestävän kehityksen kaltaiset teemat tuovat esiin sekä uusia kysymyksiä että mahdollisuuksia opettajien työn kehittämisessä. Kansainvälisen kurssin aikana tekemämme havainnot ja keräämämme aineistot viittaavat siihen, että Erasmus plus Blended Intensive Program -lyhytliikkuvuus on hyvä ja hyödyllinen konsepti. Intensiivisyys aiheuttaa kuitenkin haasteita sekä opiskelijoiden jaksamiselle, että jakson rytmitykselle sisältöjen kannalta. ”Blended” tarkoittaa meidän mielestämme muutakin kuin kontakti- ja etäopetuksen yhdistämistä. Eri alojen opiskelijoiden, ohjaajien ja tutkijoiden sekoittaminen luo hedelmällistä yhteistyötä sekä sisältöjen, että elämäntaitojen oppimisen kannalta ja tukee kestävän kehityksen ja STEAM -oppimisen periaatteita käytännössä.
