Elevers föreställningar om materiens byggnad

Piaget och Inhelder (1997, s 81-97) finner en spontan utveckling av atomism hos barn. De beskriver detta med utgångspunkt från hur elever förklarar upplösning av socker i vatten. Den spontana partikelmodellen hos barn innebär, att de talar om att synliga sockerkorn delas i mindre och mindre delar. Det första steget i en beskrivning av elevers partikeltänkande inne-bär att synliga sockerkorn upphör att existera när de inte syns längre. I nästa steg har eleverna enligt Piaget och Inhelder en primitiv atomär uppfattning. Denna innebär att kornen finns kvar men är osynliga partiklar, och att sockersmaken finns i dessa osynliga korn. I nästa steg till-kommer att partiklarna har vikt. I fjärde steget skiljer eleverna mellan å ena sidan sockerbiten med socker där det är mellanrum mellan kornen och å andra sidan sockret i sockerkornen som inte har några mellanrum.

Novick och Nussbaum(1978, 1981) undersöker vilka partikelmodeller som 13-14-åringar har. De ber eleverna förklara den “vita rök” som bildas då ammoniakgas och saltsyregas reagerar.

Av dem som har en partikelmodell i sina förklaringar, tror 55 % att den vita röken är en kom-bination av gaserna och 30 % att gaserna blandas. Bland dem som inte har en partikelmodell är motsvarande 18 respektive 51 %. Novick och Nussbaum har fem komponenter i sin modell över gasers partikelnatur som de inriktar sin studie på:

• gaspartiklarna finns fördelade slumpvis inom det slutna systemet • gaspartiklarna är i ständig rörelse

• uppvärmning och avkylning ändrar partiklarnas rörelse • kondensation kan ses som ändring i partikeltätheten • det är tomrum mellan gasens partiklar.

De finner att många elever har svårt att ta till sig viktiga delar av partikelmodellen. Eleverna har stabila uppfattningar av materien som varande statisk och kontinuerlig. Därför strider den partikelmodell som presenteras i skolan mot deras föreställningar om materia. Nussbaum (1985) anknyter till denna studie och menar att de osynliga partiklarna är den första kompo-nenten i elevernas partikelbegrepp. Mer än 60 % av eleverna i Novicks och Nussbaums studie talar om att partiklarna är osynliga. Man borde kunna utgå från osynliga bakterier och virus som eleverna ofta känner till, när man introducerar de osynliga partiklarna. Denna egenskap hos partiklar måste kopplas samman med andra som t ex att det är tomrum mellan partiklar, att partiklar rör sig och att det är interaktion mellan partiklar.

Novick och Nussbaum (1978) låter också eleverna beskriva med en bild vad de skulle se om de tittade in i röken med magiska glasögon. De kommer fram till att, det är viktigt att man tar fram material där elever får träna att använda och utveckla ett modelltänkande.

Flera studier visar på brister i elevernas förståelse av tillämpningen av ett partikelbegrepp för att förklara vardagliga fenomen. Gabel, Samuel och Hunn (1987) visar att flera lärarstuderan-de tror att partiklarna blir större och större från fasta ämnen till vätska och till gas. Novick och Nussbaum (1978) finner i sin studie att 12-15-åringar menar, att det inte finns något mellan-rum mellan atomer i fasta ämnen.

Renström(1988, s 96-202) genomför en fenomenografisk studie av elevernas föreställningar av materia. Eleverna, 13-16 år, får vid de kliniska intervjuerna några ämnen i fast form, väts-keform och gasform. De fasta ämnena är salt, järn, aluminium och trä, vätskorna vatten och olja och gaserna luften i rummet, syrgas och koldioxid i tuber. Ämnena placeras ett och ett framför eleven som får frågan: ”Vet du vad detta är för något?”. Eleverna uppmanas att rita bilder till det de berättar. Renström finner sex kvalitativt olika föreställningar hos eleverna om materiens byggnad:

• Ämnet är homogent och inte avgränsat från andra ämnen.

• Ämnet består av avgränsade enheter som kan förekomma i mer än en tillståndsform. • Ämnet innehåller små atomer, men det finns inget klart samband mellan ämnet och

ato-merna.

• Ämnet består av aggregat av partiklar som hålls samman.

• Ämnet består av odelbara partiklar som har egenskaper som t ex laddning, storlek, massa. • Ämnet består av system av partiklar med vars hjälp man kan förklara egenskaper hos

Flera rapporter illustrerar de svårigheter som elever har att skilja mellan mikroskopiska par-tiklar och ämnets makroskopiska egenskaper. Ben-Zvi, Eylon och Silberstein (1988) visar att elever ser en kopparatom som en mycket liten bit kopparplåt och en kvicksilveratom som en mycket liten kvicksilverdroppe. Stavriadous och Solomonidous (1989) drar slutsatsen av sin undersökning att alla förklaringar som elever använder, är av makroskopisk karaktär – elever-na använder inte förklaringar som bygger på materiens partikelelever-natur. I allmänhet har eleverelever-na svårt att utveckla en adekvat förståelse av kemisk reaktion mellan ämnen, innan de förstår vad reaktionen innebär på atom och molekylnivå. Eleverna i deras studie är 8-16 år.

Vid en konferens i Utrecht 1990 om materiens makroegenskaper och partikelmodeller inom undervisningen i naturvetenskap rapporterar flera forskare från sina projekt om att söka vägar att introducera partikelmodeller för materiens byggnad. Studierna har flera olika utgångspunk-ter, exempelvis historisk filosofisk vetenskapsteori, didaktisk forskning och praktiska under-visningsexempel.

Meheut och Chomat (1990) presenterar vid denna konferens en undersökning av hur 13-14-åringar kan bygga upp en partikelmodell för materiens byggnad. Studien inleds med att de utmanar elevernas föreställningar om gaser. Därefter får eleverna använda sina partikelmodel-ler för att förklara några olika fenomen. Man går sedan vidare med vätskor och fasta ämnen på samma sätt. Data samlas in från elevernas anteckningar och från videoinspelningar av lek-tioner. De finner förklaringar hos eleverna, som t ex innebär att oföränderliga partiklar bygger upp materien, att mellanrummen mellan partiklarna i en gas är stora i förhållande till partik-larnas storlek och att skillnader i egenskaper hos materien kan förklaras med partikpartik-larnas rö-relse. Meheut och Chomat använder luft och andra gaser i sin studie. De väljer exempel där sambandet mellan gasers tryck och volym ingår, och där två olika gaser diffunderar in i var-andra. De kritiserar Piagets analys av utvecklingen av atombegreppet hos 6-13-åringar. De anser att hans modell från en atomär synvinkel är ytlig och inte inkluderar alla de nödvändiga delarna från den naturvetenskapliga modellen. Meheut och Chomat presenterar olika fenomen för eleverna och förväntar sig att dessa ska konstruera en partikelmodell som kan förklara det de ser. Existensen av partiklar ”lockas” emellertid inte fram utan presenteras i inledningen bland några olika förslag till modeller.

De Vos (1990) gör en psykologisk innehållsorienterad analys. Han tar också in kopplingar till den historiska utvecklingen av atombegreppet. De Vos understryker vikten av att man identi-fierar och formulerar vilka av de makroskopiska egenskaperna som kan användas för att för-klara den mikroskopiska världen och vilka som bör undvikas. Han jämför med exempel från naturvetenskapens historia. De Vos lyfter fram fem egenskaper i den makroskopiska världen som han funnit vara de som kan användas för att beskriva partikelvärlden. Dessa egenskaper är enligt de Vos: massa, volym, tid, mekanisk energi och elektrisk laddning. Eftersom model-len bygger på dessa kan de inte förklaras med partikelmodelmodel-len. Däremot kan den modell som bygger på dem användas för att förklara andra egenskaper t ex temperatur, färg och ke-misk bindning. Han skriver också om introduktion av en partikelmodell för elever i 10-12-årsåldern. De Vos menar, att det viktiga inte är hur den partikelmodell man arbetar med ser ut, utan att eleverna blir klara över vad det innebär att använda denna modell.

Griffith och Preston (1992) finner följande ”misconceptions” i en intervjustudie med 16-18-åriga elever:

• Vattenmolekyler innehåller olika många atomer och kan vara olika stora. • Vattenmolekyler har makrostorlek och kan vägas.

• Vattenmolekyler kan se ut på olika sätt beroende på temperaturen. • Det finns inga tomrum mellan vattenmolekylerna i is.

• Andra ämnen finns mellan atomerna i ett ämne. • Atomer är levande eftersom de rör sig.

Ämnets egenskaper på makronivå speglar elevernas bild av de partiklar som bygger upp äm-nena.

Lee et al. (1993) har sin utgångspunkt i att elevers förståelse av partikelmodellen är avgörande för förståelsen av fysik, kemi, biologi och geologi. Den kinetiska partikelmodellen är ut-gångspunkt för att förstå att det finns molekyler, lika väl som att den är ett verktyg för att för-klara det man har i sin omgivning. Den kinetiska partikelmodellen kan enligt Lee et al. kort-fattat beskrivas: materia består av små partiklar som heter molekyler och som är i ständig rö-relse. Ett syfte med en longitudinell studie som Lee et al. gör, är att de vill göra klart för sig vilka begrepp elever i sjätte klass använder för att förklara materiens natur. De studerar om eleverna kan använda ordet molekyl för att göra detta. I studien ingår 15 klasser med 12 olika lärare. Man följer klasserna under 2 år. Data samlas in dels genom enkäter och dels genom kliniska intervjuer. Eleverna får arbeta med följande typer av uppgifter:

• sortera i materia respektive icke materia • beskriva materiens faser

• förklara vad som händer när ett ämne löses upp • förklara gasers utvidgning och kompression • förklara värmeutvidgning

• förklara smältning och frysning • förklara kokning och avdunstning • förklara kondensation.

Vid bearbetning av materialet studeras hur eleverna använder makroskopiska och molekylära aspekter i sina förklaringar. Många elever som inte känner till någon partikelmodell beskriver materien som om den är uppbyggd av synliga partiklar. Lee et al. finner bl a följande före-ställningar hos eleverna:

• det finns andra ämnen mellan atomerna

• molekyler är ungefär lika stora som celler och bakterier • molekyler rör sig inte hela tiden

• molekyler, som gaser och vätskor består av, rör sig, men det gör inte molekyler som fasta ämnen består av

• när ett ämne värms upp utvidgas molekylerna och de blir varma.

Det finns en motsättning mellan elevernas naiva förklaringar och de naturvetenskapliga be-greppen. Lee et al. (1993) slår fast att de har funnit hur till synes enkla sammanhang bereder elever stora svårigheter. Elever ställer sig frågande till vad materia är för något, vilken roll molekylerna har i förhållande till materien och om materien finns mellan molekylerna eller

om molekylerna är materien. De rörliga partiklarnas uppträdande stämmer inte överens med elevernas erfarenheter av föremål i rörelse.

Whiteley(1993) redovisar en undersökning bland elever i åldrarna 14-18 år. Eleverna får ta ställning till om olika påståenden är sanna eller falska, exempelvis till följande påstående: ”I en behållare med syrgas är det vakuum mellan syrepartiklarna”. Han kommer fram till, att eleverna har många olika alternativa förklaringsmodeller som ofta innebär, att de ger makro-skopiska egenskaper till de mikromakro-skopiska partiklarna. Whiteley kommer fram till att de icke-intuitiva aspekterna på den kinetiska partikelmodellen är svåra att acceptera för eleverna och att lärarna måste bli medvetna om dessa problem.

I den svenska nationella utvärderingen av no-undervisningen i grundskolan 1992 får de 15-åriga eleverna ta ställning till några olika förklaringar till vad som orsakar lukt. Endast 16 % av eleverna ger en nöjaktig förklaring, dvs att molekyler från ämnet sprider sig åt alla håll och tränger in i näsan. Ca 60 % gav en förklaring på makronivå, där vi t ex känner lukten av de ångor som utsänds med näsan. Andersson, Emanuelsson och Zetterqvist (1993a) menar, att denna typ av problemställningar har stort undervisningsvärde när det gäller materiens parti-kelnatur, men också när det gäller kopplingen till förståelse av debatten om miljöfrågor som t ex molekylära sopor i atmosfären.

De Vos och Verdonk (1996) undersöker sambandet mellan karaktären av partikelmodeller i naturvetenskapens värld och karaktären av partikelmodeller i skolans no-undervisning. Inne-hållet i no-undervisningen har sitt ursprung i naturvetenskapen. Lärare använder både peda-gogiska och vetenskapliga motiveringar för att rätta till elevers föreställningar. Dessa sam-manfaller inte alltid. Man måste göra ett urval där man tar hänsyn både till relevant stoff och till relevans för undervisning och lärande. De Vos och Verdonk menar att partikelbegreppet är ett bra exempel på den spänning som finns mellan å ena sidan att moderna teorier är för svåra att ta till sig, och å andra sidan att de modeller som eleverna förstår, anses för naiva eller fals-ka. I artikeln söker man en kompromiss mellan vetenskaplig acceptans och hänsyn till under-visning av elever i skolan.

Nakhleh och Samarapungavan (1999) undersöker 7-10-åringars spontana förståelse av materi-ens partikelnatur innan de haft någon undervisning där man arbetat med dessa frågor. Inter-vjuerna består av uppgifter vilka innebär beskrivning av ämnen samt egenskaper hos och kun-skaper om atomer och molekyler. De finner att tre av de femton eleverna beskriver materia som kontinuerlig, nio som makropartikulär och tre som mikropartikulär. När eleverna beskri-ver vad som händer när socker löses i vatten, har alla elebeskri-ver uppfattningar som innebär att socker består att små partiklar. Nakhleh och Samarapungavan konstaterar, att olika forskare har kommit fram till mycket olika slutsatser beträffande sambandet mellan de teoretiska struk-turer eleverna bygger upp och de vardagstankar de har. Deras slutsats är att det inte finns nå-got sådant samband. De menar att man måste undersöka vilka möjligheter elever i den här åldern har att ta till sig och använda ett partikeltänkande för materiens byggnad. Detta är svårt även för äldre elever. Motviljan hos forskare och lärare mot att introducera den mikroskopiska världen bygger på uppfattningen att elever tänker konkret, och att atomernas värld är långt från elevernas tankevärld. Att förstå den mikroskopiska världen är inte främst en fråga om utveckling av förståelsen utan mer en fråga om att använda sin fantasi för att gå från den mak-roskopiska världen till den mikmak-roskopiska. De menar att detta talar för en tidigare introduktion av ett partikelbegrepp.

Det har gjorts flera studier av hur elever kan använda en enkel partikelmodell för att förklara vardagsfenomen, men man har ofta kommit till olika slutsatser. Några forskare menar att även unga elever kan använda denna modell (Novak & Musonda, 1991; Nussbaum, 1993). Andra menar att eleverna använder modellen men de ger partiklarna makroegenskaper (Driver, Squi-res, Rushworth, & Wood-Robinson, 1994, kapitel 2:11). Scott (1992) förvånas över att flickan i hans fallstudie redan tidigt är klar att börja arbeta med och fundera över partikelidéerna, det-ta trots att hon inte tänkt så mycket på de här sakerna tidigare. Många menar att barns före-ställningar är osammanhängande, fragmentariska och tillfälliga (BouJaoude, 1991; Claxton, 1993; Solomon, 1992, kapitel 1), och att elevernas svar ibland är ett resultat av den press som intervjusituationen utgör (Edwards & Mercer, 1995, s179-181). Fensham (1994) menar att användningen av partikelmodellen medför så många svårigheter att han förordar att man bör vänta med att undervisa om den. Lichtfeldt (1996) pekar på att en brist i många studier är att de inte följer enskilda elevers långsiktiga utveckling. Johnsons (1998) slutsats är att en enkel partikelmodell är tillräcklig för att utmana elevernas föreställningar. Man behöver inte skilja mellan olika typer av mikropartiklar, och man behöver inte heller tänka på atomens struktur. Sammanfattning

Forskningen om barns föreställningar om materiens byggnad leder inte fram till ett entydigt resultat. Många forskare kommer fram till att elever har ett partikeltänkande men att de ger sina partiklar makroskopiska egenskaper och att elevers partikelmodeller är olika utvecklade. Andra menar att de primitiva modellerna kan vara ett steg mot en utvecklad partikelmodell. Några anser att det är viktigt att en enkel partikelmodell introduceras tidigt, medan andra kommer fram till att man ska vänta tills eleverna kan ta till sig en modell som är nära naturve-tenskapens partikelmodell.