Mitä Goethen kokeellinen lähestymistapa voi antaa fysiikan opetukselle?

Fysiikka pyrkii muodostamaan empiirisesti validoituja matemaattisia malleja tutkimuskohteistaan. Matemaattiset mallit puolestaan mahdollistavat uusien kvantitatiivisten ennusteiden laatimisen, joita voidaan mittauksin testata. Jos mittaustulokset ovat mittaustarkkuuden rajoissa ennusteen mukaisia, teoria saa tukea, mutta ei todista sitä oikeaksi, koska periaatteessa jokin muukin teoria voisi antaa samat ennusteet.

Johdanto

Runoilija J. W. Goethen (1749–1832) tapa tutkia luonnonilmiöitä poikkeaa merkittävästi fysiikan lähestymistavasta. Goethen tavoitteena ei ole löytää suureiden välisiä matemaattisia riippuvuuksia, vaan päästä ymmärtämään luonnon ilmiöitä sellaisina kuin ne aisteille ilmenevät. Goethe kritisoi aikansa luonnontieteitä siitä, että ne siirtyivät liian hätäisesti teorioihin malttamatta viipyä riittävän kauan havainnoissa ja antaa näille mahdollisuutta kertoa itsestään. Emeritusprofessori Kaarle Kurki-Suonion kehittämässä fysiikan opetuksen hahmottavassa lähestymistavassa on samankaltainen lähtökohta: oppilaille on annettava riittävästi aikaa ja mahdollisuuksia hahmottaa ilmiö ensin kvalitatiivisesti (”Merkitykset ovat ensin”), ja vasta sen jälkeen on mielekästä käydä kvantifioinnin portista läpi eli täsmentää kvalitatiivisia käsitteitä suureiksi, laeiksi ja teorioiksi (Kurki-Suonio, 2015).

Kuvaan ensin lyhyesti Goethen kokeellisen menetelmän periaatteita. Esitän sen jälkeen sekä peruskouluun että lukioon soveltuvan Goethen metodia soveltavan prismakoesarjan, jossa opiskelija voi harjoitella huolellisten havaintojen tekemistä ilman ennenaikaista havaintojen teoreettista käsitteellistämistä.

Goethen kokeellinen menetelmä: esimerkkinä prismakokeet

Goethen metodissa viivytään ilmiön äärellä mahdollisimman intensiivisesti, laajasti ja monipuolisesti välttäen teoreettista päättelyä siitä, mitä tarkastelussa ilmiössä kohdataan. Goethen mukaan ilmiöön syventyminen vaikuttaa ihmiseen merkittävällä tavalla: ”Jokainen rauhassa ja perusteellisesti kohdattu havainto herättää tutkijassa uuden aistiorgaanin.” Seuraavassa vaiheessa havainnoissa kohdattu aistimuksellisuus toistetaan mielen sisäisyydessä; ulkoinen aistihavainto viedään tajunnallisuuteen mielikuvaksi. Kolmannessa vaiheessa odotetaan ja annetaan juuri tajuntaan tuodun mielikuvan merkityksen, käsitteen nousta tietoisuuteen itsestään ja pakottamatta.

Goethen luonnontieteellistä menetelmää on sanottu fenomenologiseksi (fenomenologia tutkii todellisuuden ilmenemistä ihmiselle hänen kokemusmaailmassaan) ja myöskin selittäväksi kokeellisuudeksi (Ribe & Steinel, 2004). Goethe vaihteli prismakokeissaan systemaattisesti eri parametrien vaikutusta prisman läpi havaittuihin väreihin. Hänen kokeellinen menetelmänsä sisälsi kaksi vaihetta: analyyttisen ja synteettisen. Goethe aloitti analyyttisen vaiheen tutkimuksen kompleksisesta ilmiöstä (prisman läpi ilmenevät värit) ja siirtyi siitä yksinkertaisempien vaiheiden kautta alkuilmiön (Urphänomen) hahmottamiseen. Hän tarkkaili prisman läpi mustavalkoisten kuvioiden rajapinnoissa ilmeneviä värejä. Goethe tunnisti prisman muodostamien värien alkuilmiöksi nämä ”reunavärit” (Randfarben). Sitten hän osoitti synteettisessä vaiheessa, kuinka monimutkaisemmat ilmiöt liittyvät tunnistettuun alkuilmiöön. Goethen mukaan alkuilmiön takaa ei pidä etsiä mitään teoriaa, vaan alkuilmiö on itsensä selitys. Tässä on merkittävä ero fysiikan teorianmuodostuksen kanssa.

Prismakokeet koulufysiikassa

Goethen prismakokeet tarjoavat helposti toteutettavan tavan harjoitella huolellista havaintojen tekemistä. Seamon (2005) esittää kouluopetukseen – alakoulusta lukioon – soveltuvan version Goethen prismakokeista. Kokeet toteutetaan mielellään 4–5 opiskelijan ryhmissä, jolloin opiskelijat voivat keskustella havainnoistaan ennen niiden ylös kirjaamista. Omana huomionani totean, että prisman läpi katsominen kannattaa demonstroida opiskelijoille; samoin se, mitä tarkoitetaan prisman akselilla (prisman kolmion muotoisia päätyjä yhdistävä kuvitteellinen viiva).

Opiskelijat katsovat ensin kokonaan mustia ja valkoisia pintoja prisman lävitse. Sen jälkeen he katsovat kuvion 1 kortteja prisman läpi. Kortit on helppo tulostaa paperille; kortit kestävät paremmin, jos ne laminoidaan. Jokaisella ryhmällä on siis kuvion 1 mukaiset tulostetut kortit A, B ja C.

Kuvio 1. Prismakokeissa käytettävät kortit (Seamon, 2005).

Havaintojen tekoa ohjataan seuraavilla kysymyksillä (Seamon, 2005):

Koe 1: Pidä kortti A kuvion 1 mukaisessa asennossa. Mitä värejä havaitset rajapinnoilla? Piirrä värit värikynillä ja/tai nimeä värit niin, että niiden järjestys käy ilmi.

Koe 2: Käännä kortti A ympäri niin, että musta osa on ylhäällä ja valkoinen osa on alhaalla. Mitkä värit nyt ilmenevät rajapinnoilla? Piirrä ja/tai nimeä värit järjestyksessä.

Koe 3: Toista kokeet 1 ja 2 niin, että kortin A pystyasento on vaihdettu vaaka-asennoksi.

Koe 4: Katso korttia B prisman läpi niin, että valkoisen suorakulmion pitkä sivu on samansuuntainen prisman akselin kanssa. Mitä värejä havaitset valkoisen suorakulmion ylä- ja alareunoilla? Liikuta korttia B hitaasti poispäin itsestäsi niin pitkälle kuin kätesi yltää. Mitä muutoksia havaitsemissasi väreissä tapahtuu liikuttaessasi korttia poispäin? Mitä uusia värejä ilmestyy?

Koe 5: Toista koe 4 kortilla C. Mitä uusia värejä tällä kerralla ilmestyy?

Seamon (2005) antaa esimerkkejä edellisten kokeiden havaintojen tuloksista:

• Värejä ei havaita valoisilla tai mustilla pinnoilla, vaan ne ilmenevät ”pimeyden ja valoisuuden” rajapinnoilla (katso kuvio 2).
• Värit eivät ilmene kaikilla rajapinnoilla, vaan ainoastaan rajapinnoilla, jotka ovat likimain prisman akselin suuntaisia.
• Tavallisesti värit esiintyvät kahdessa eri ryhmässä: kelta-oranssi-punainen ja sininen-indigo-violetti.
• Myös vihreä ja aniliininpunainen (magenta) väri voi esiintyä. Vihreä syntyy sekoitusvärinä erikoistapauksena sinisen ja keltaisen sekoittuessa vastakkaisista reunaväreistä.

Kuvio 2. Mustan ja valkoisen suorakaiteen rajapinnoilla ilmenevät värit (Sällström, 2018).

Seamon (2005) korostaa, että havaintojen tekeminen ohjattunakaan ei ole helppoa. Aloittelijan kuvaukset ovat helposti epätarkkoja ja jopa virheellisiä tyyliin: ”Näen värejä kuvioiden ympärillä” tai ”Värit ilmestyvät vain sinne, missä on valoa”. Joskus opiskelijat saattavat käyttää kuvailuissaan fysiikan ilmaisuja (”prisma hajottaa valkoisen valon sateenkaaren väreihin”) tai käsitteitä (”valoaallot kulkevat prisman läpi”). Tässä harjoituksessa on tarkoituksena pitäytyä vain siihen, mitä todella nähdään, koska esimerkiksi valoaaltoa ei voi nähdä, kuten muutkaan fysiikan käsitteet eivät ilmene suoraan aistihavainnossa. Myöhemmin hahmotusprosessin edetessä fysiikan käsitteet saavat merkityksensä aistihavaintojen, aikaisemmin omaksuttujen käsitteiden ja kontrolloitujen kvantitatiivisten kokeiden kautta.

Miksi havaitut värit ilmenevät kuten ne ilmenevät edellä kuvatuissa kokeissa? Tässä on otettava huomioon, että näkeminen ei ole pelkästään fysikaalinen ilmiö, vaan näköaistimukseen liittyy omia lainalaisuuksia. Fysiikan emeritusprofessori, kvanttioptiikan tutkija Zajonc (1994) kertoo hämmästyneensä, kun hän nuorena valontutkimukseen erikoistuneena fyysikkona kohtasi värinäköön liittyviä ilmiöitä. Hän ei kyennyt selittämään niistä yhtäkään. Nämä ilmiöt ovat ymmärrettävissä vain, kun näkemiseen liittyvät lainalaisuudet otetaan huomioon aivan kuten Goethe oli esittänyt.

Pohdintaa

Mitä Goethen metodi voi tarjota koulufysiikan opetukselle? Kyseessä on fysiikan kokeita täydentävä lähestymistapa (Park & Song, 2018). Se opettaa opiskelijoita tekemään huolellisia laadullisia havaintoja ja luottamaan omiin aistihavaintoihinsa. Tämä täydentää tavallisia fysiikan kokeita, joissa opiskelija oppii tekemään kontrolloituja mittauksia, jotka tuottavat kvantitatiivista dataa suureiden välisten riippuvuuksien tutkimiseksi (kokeen suunnittelu ja toteuttaminen ovat lukion fysiikan opetussuunnitelman LOPS2021 tavoitteita ensimmäisestä opintojaksosta alkaen). Goethen selittävä kokeellisuus tarjoaa keinon tutkia ilmiöitä ilman ennalta annettua teoreettista viitekehystä. Tehtävän annot ja sen myötä johtopäätöksetkin voivat olla paljon avoimempia kuin tavallisessa kokeellisessa työskentelyssä.

Goethe kutsui metodiaan ”lempeäksi kokeellisuudeksi” (zarte Empirie), joka antaa aistihavainnolle pääroolin. Goethen mielestä tutkijan lähestymistavan luontoon täytyy olla moraalinen ja luontoa kunnioittava (Robbins, 2005). Mielestäni tämä on tärkeä näkökulma: esimerkiksi ilmastonmuutoksen haasteen ratkaiseminen edellyttää tutkitun tiedon lisäksi moraalista suhtautumista luontoon ja luonnonresurssien käyttöön.

Tietyssä mielessä Goethe toimi samalla tavalla kuin nykyisetkin fysiikan tutkijat etsiessään luonnosta säännönmukaisuuksia, mutta Goethelle ne olivat jalostuneita havaintokokemuksia, eivät abstrahoituja matemaattisia malleja. Goethe esitti, että todellisuus syntyy havainnoista, jotka jatkuvat ajattelussa. Ilman havaintojen hahmottamista ja siihen liittyvää ajattelua fysiikan oppiminenkin jää kovin pintapuoliseksi.

Kiitokset

Kiitän emeritusrehtori Raimo Raskia asiantuntevista tarkennuksista Goethen tieteen osalta. Rask on toteuttanut mittavan sateenkaaritutkimuksen (Rainbow: A Phenomenological study) Goethen menetelmää käyttäen. Hänen työnsä tuloksia on nähtävissä sivustolla https://rainbowstudy.blogspot.com/.

Lähteet

[1] Kurki-Suonio, Kaarle (2015). Hahmottamisen dynamiikka empiirisen tieteen metodina. Esitelmä Luonnonfilosofisessa seurassa 27.10.2015. Saatavilla internetistä osoitteessa https://www.protsv.fi/lfs/luennot/2015_Kaarle_Kurki-Suonio_Hahmottamisen_Dynamiikka.pdf

[2] Park, Wonyong & Song, Jinwoong (2018). Goethe’s conception of “Experiment as mediator” and implications for practical work in school science. Science & Education, 27, 39–61.

[3] Ribe, Neil & Steinle, Friedrich (2002). Exploratory experimentation: Goethe, Land, and color theory. Physics Today, 43–49.

[4] Robbins, Brent Dean (2005). New organs of perception: Goethean science as a cultural therapeutics. Janus Head, 8 (1), 113–126.

[5] Seamon, David (2005). Goethe’s way of science as a phenomenology of nature. Janus Head.

[6] Sählström, Pehr (2018). On the compability of Goethe’s colour theory with that of Newton. Lecture at the conference ”Goethes Farbenlehre im Lichte neuerer Untersuchungen aus Physik, Wissenschaftsgeschichte und Philosophie”, held at Philosophicum, Basel, 29-30 September 2017. Saatavilla internetistä osoitteessa https://pscolour.eu/Basel/lecture.htm

[7] Zajonc, Arthur (1994). Catching the Light. The entwined history of light and mind. New York and Oxford: Oxford University Press.