Datorstöd i fysikundervisningen

2.1 Metastudie vid IPN

När termen datorstödd undervisning nämns är det lätt att tänka i termer av simuleringar på dator och specialgjorda undervisningsprogram. Euler och Müller (1999) har gjort en meta-analys av olika studier kring lärande av fysik och datorn. I studien konstaterar man att lite är känt i största allmän- het kring datorns effekter på undervisning och lärande och än mindre är känt inom ämnesspecifika områden såsom fysik. Detta är otillfredsstäl- lande eftersom stora summor satsas på datorstöd i undervisningen.

I sin studie inventerar Euler och Müller (1999) vad som är känt kring dels simuleringar och dels effekterna av utnyttjande av s k MBL (Micro- computer Based Laboratory) laborationer i fysikundervisningen. Innebör- den i begreppet MBL diskuteras utförligare nedan. Som teoretisk modell för att förstå datorstött lärande använder Euler och Müller (1999) en vida- reutveckling av en modell utformad av Mayer (1999). I denna modell för- stås datorstödets potential för bättre lärande i fysik utifrån möjligheten att fungera som ett hjälpmedel för att integrera dels den verbala och den visuel- la informationen och dels för att uppnå integration mellan lägre och högre nivåer i informationsbehandlingen. En följd av denna modell (Mayer och Andersson, 1991 och Mayer, 1997) är att endast simultana presentationer av animeringar och den förklarande texten ger signifikanta bidrag till bättre lärande, medan sekventiella presentationer där texten och det visuella inte är koordinerade och fristående animeringar inte ger detta. Mayers bud- skap är att ”animations need narrations”.

Fig 1. En modell för att förstå datorstött lärande i fysik presenterat av Euler och Müller

(1999) baserat på en modell av Mayer (1997).

Vid sin genomgång av litteraturen har Euler och Müller (1999) funnit att den enda ”metod” där datorstöd utnyttjats i fysikundervisning, som har givit säkerställda effekter på lärandet var s k MBL-laborationer. Värdet av

IT-pedagogik

att utnyttja simuleringar som ett inlärningsverktyg är inte säkerställda och i vissa fall finns negativa lärandeeffekter rapporterade enligt Euler och Müller.

2.2 Microcomputer Based Laboratory (MBL)

Enligt ovan skulle den enda metod för datorstöd som ger säkerställda ef- fekter på lärandet i fysik vara s k MBL-laborationer. I MBL-laborationer kombineras ”hands-on” experiment med datorstödd mätteknik. Datorn kombinerad med ett ”interface” och lämpliga givare/sensorer samlar in mätdata i real-tid från ”verkliga” experiment och presenterar även dessa i grafisk form i real-tid. En MBL-laboration är således ingen simulering. Ett exempel på en laboration som utnyttjar MBL-teknik visas i fig 2 nedan och med de experimentella resultaten i fig 3.

Fig 2. Ett typiskt MBL-experiment. En vagn med låg friktion knuffas iväg mot en rörelse-

sensor (Motion sensor) som mäter vagnens avstånd från sensorn. På vagnen finns en motor med propeller monterad som ger en i stort sett konstant kraft i riktning bort från rörelsesensorn och alltså i motsatt riktning mot den initiala rörelsens. Detta innebär att vagnen kommer att ändra sin rörelseriktning. Resultaten från detta försök visas i fig 3.

Fig 3.

Mätresultaten från MBL-experimentet i fig 2 visat i form av

s(t), v(t) och a(t)

grafer. En vanlig missuppfattning är att accelerationen är noll då vagnen

IT-pedagogik

Fig 4. Studenternas ”förståelse” av några olika begreppsområden inom mekaniken, efter

avslutad kurs i mekanik på högskolenivå, mätt med Force and Motion Conceptual Evaluation (FMCE-testet) utvecklad av Thornton och Sokoloff (1998). Gruppen ”Mechanics I” har undervisats med bl a MBL-laborationer medan den andra gruppen har erhållit ”tra- ditionellt” utformad undervisning.

MBL-tekniken gör det möjligt att experimentellt studera många fenomen som inte tidigare har varit möjliga att studera på ett normalt kurs- laboratorium. Det gäller såväl hastiga förlopp som förlopp som sträcker sig över lång tid och tekniken är inte begränsad till studiet av mekanik. Under senare år har utvecklingen av MBL för undervisning i t ex kemi, biologi och miljövård gått snabbt framåt.

Som tidigare har nämnts så anför Euler och Müller (1999) att MBL är en av de få metoder där datorstöd utnyttjats som ger tydliga effekter för studenternas lärande. Att MBL, när denna är implementerad på ett peda- gogiskt sunt sätt, ger tydliga effekter för studenternas lärande är påvisat i en mängd olika undersökningar (T ex Tinker, 1996; Thornton, 1987, 1989 och 1997; Thornton och Sokoloff, 1998; Hake, 1997; Laws, 1997; ”Bern- hard, 2000b”). Inom ramen för ett projekt stött av Högskoleverket har jag utvecklat MBL-laborationer för svenska förhållanden och studerat effek- terna av dessa för studenternas lärande (Bernhard 1998, 1999, 2000a samt Hamne och Bernhard, 2000). Se fig 4 ovan. Goda effekter vad gäller studen- ternas lärande har påvisats för såväl blivande civilingenjörer (Bernhard 2000a) som för blivande 4–9 lärare (Hamne och Bernhard, 2000). Det är också påvisat att MBL verkar ge bestående och långsiktiga effekter vad

0 20 40 60 80 100 Velocity Acceleration Coin Acc Force Sled Force Graph

Coin Toss _{Cart Ramp}

3rd Contact 3rd Collision Post (Mechanics I) Post (Traditional 97/98) % Student understanding Kinematics Dynamics

IT-pedagogik

gäller studenternas lärande av begrepp inom mekaniken (Bernhard, 2000c). De goda effekterna vad gäller studenternas lärande har förklarats bl a med • att de experimentella resultaten och därmed förknippade grafer

visas i real-tid.

• att det sker en direkt hopkoppling av det verkliga försöket och den mer abstrakta representationen såsom grafer.

• att laborationerna har utformats för att befrämja diskussioner mel- lan studenterna i samma lab-grupp. Studenterna talar om samband och skapar mening under laborationerna.

• att det är lätt att upprepa och variera ett experiment vilket gör det möjligt för studenterna ställa frågor av typen ”vad händer om …” • nya typer av laborationer kan utvecklas som befrämjar studenter-

nas lärande och som utmanar studenternas förförståelse

Forskning pågår (t ex Lindvall och Lindström, 1999 samt Lindvall, Lind- ström och Bernhard pågående) som syftar till att närmare förstå vad som gör MBL till en så bra miljö för lärande och hur studenterna kommunicerar och skapar mening under MBL-laborationer.

2.2 Implementering av MBL: Transformering av didaktiska intentioner

Det är emellertid inte ovanligt att innovativa undervisningsupplägg trans- formeras av praktiskt verksamma lärare på gott och på ont. En anpassning till den kontext som undervisningen sker i måste självklart ske, men det finns en risk att de mest väsentliga inslagen i ett upplägg försvinner i en sådan anpassning. Precis som studenterna ”förstår” och ”tolkar” det som avhandlas i en undervisningssituation utifrån sin förförståelse så ”förstår” och ”tolkar” praktiskt verksamma lärare ett innovativt undervisnings-

IT-pedagogik

Fig 5. Jämförelse av förståelsen före och efter undervisning för två olika begreppsgrupper

relaterade till Newtons tredje lag enligt FMCE-testen (Thornton och Sokoloff, 1998). Preserive Teachers 98/99 har inom detta område använt MBL i en formel verifikations lab medan 99/00-gruppen har haft en lab där MBL har utnyttjats såväl som ett tekniskt verk- tyg som ett kognitivt verktyg.

Som jämförelsemått har använts ”normalised gain” (Hake, 1997). Normalised gain är skillnaden mellan efter- och förtestvärden delat med den maximalt möjliga ökningen. T ex om en grupp har 50% på förtesten och 75% på eftertesten så blir normalised gain (75 – 50)/(100 – 50) = 50%. Detta mått möjliggör en grov jämförelse av ”effektiviteten” av olika undervisningsupplägg mellan grupper med olika förförståelse.

kunnat konstatera hur en laborationsinstruktör har ”förbättrat” laboratione- rna till sådana där huvudsakligen formler verifierades. D v s en transfor- mering från de ursprungliga didaktiska intentionerna från laborationer som avsåg att ge förståelse för sammanhang och relationer (”menings”-byg- gande) och som utmanade studenternas förförståelse. Som visas nedan har detta lett till ett sämre lärande hos studenterna.

Den grupp som benämns ”Pre-service teachers 98/99” i fig 5 och 6 nedan har genomgått laborationer där didaktiska intentionerna har trans- formerats så att endast ”MBL-tekniken” har använts men inte ”MBL- pedagogiken”. I gruppen ”Pre-service teachers 99/00” har den laboration som berörde stöt och impuls och Newtons tredje lag transformerats till- baka till ”MBL-pedagogik”. Övriga laborationer i såväl Pre-service teachers 98/99 som 99/00 var väsentligen av formel-verifikations typ. Som visas i fig 5. så är det drastiska skillnader i förståelsen av Newtons tredje lag mellan grupperna. Notera särskilt att ”Pre-service teachers 98/99” en- ligt testdata har sämre förståelse av kontaktkrafter efter avslutad kurs än före! Båda har haft en laboration av samma längd och med samma utrust-

-20 0 20 40 60 80 100

Newton 3rd law, Contact Newton 3rd law, Collision Gain (Preservice Teachers 98/99)

Gain (Preservice Teachers 99/00)

IT-pedagogik

ning som har berört Newtons tredje lag. ”Pre-service teachers 98/99” har väsentligen använt MBL såsom ett ”tekniskt verktyg” medan ”Pre-ser- vice teachers 99/00” har använt MBL såsom ett ”tekniskt” och ”kognitivt” verktyg i denna laboration. I fig. 6 ses att för övriga delar av kinematiken och dynamiken så kan endast små skillnader i förståelse påvisas mellan grupperna Pre-service teachers 98/99 och 99/00. Däremot föreligger stora skillnader mellan dessa grupper och gruppen ”Mechanics I” som har an- vänt MBL-pedagogik, d v s använt MBL både som ett tekniskt och ett kognitivt verktyg, i väsentligen alla laborationer. Preliminär analys av data visar att användande av MBL endast som ett ”tekniskt verktyg” är speci- ellt ofördelaktigt för lärandet hos studenter med ”dålig” förförståelse, d v s med låga värden på begreppstest innan kursen, och för flickor. Däremot verkar användande av MBL som både ett ”tekniskt” och ”kognitivt” verk- tyg utveckla förståelsen hos alla grupper.

0 20 40 60 80 100 Post (Mechanics I)

Post (Preservice Teachers 98/99) Post (Preservice Teachers 99/00)

IT-pedagogik

2.3 CUP-projektet

I det s k CUP-projektet (CUP = Constructed Understanding of Physics) som har utvecklats av Fred Goldberg och medarbetare vid San Diego State University utnyttjas också såväl datorstöd som ”hands-on” laborationer. I de enheter för ellära som har utvecklats inom CUP är dock angreppssättet annorlunda än i MBL. Man har utvecklat simuleringsverktyg men simule- ringarna föregås av enkla hands-on laborationer. Studier (Otero, 2000) har visat att detta är väsentligt och att studenterna utnyttjar laborations- försöken som ”fenomenologiska verktyg” och simuleringarna som ”kon- ceptuella verktyg” som hjälpte dem att överbrygga gapet mellan de fenomenologiska observationerna och de konceptuella förklaringarna. Simulatorerna är i CUP-projektet utformade så att de ska hjälpa studen- terna i deras skapande av mening och förståelse snarare än som en aukto- ritet som ger ”det rätta svaret” och därför har man också medvetet undvi- kit att göra simulatorerna mer avancerade än den fysikaliska modell som studeras.