Problemlösning i naturvetenskaplig undervisning

Elevernas problemlösningsförmåga i ungdomsskolan har under lång tid varit föremål för intensiv forskning och diskussion. Redan utbildnings- filosofen John Dewey (1916) argumenterar för problemlösning genom reflekterat tänkande som den metod som borde genomsyra den natur- vetenskapliga undervisningen. Han betonar också målsättningen, att skolans undervisning inte endast bör utgöras av naturvetenskapens pro- dukter utan även av dess processer och metoder när han säger:

Problem solving through reflective thinking should be the method and valued outcome of science instruction in America´s schools (Dewey, 1916, p. 438).

Problemlösning kan beskrivas utifrån de färdigheter och intellektuella processer som elever använder då de observerar, klassificerar, mäter, kommunicerar och drar slutsatser. I detta ingår även att formulera hy- poteser, manipulera variabler, tolka data och genomföra experiment. Problemlösning kan dessutom ses som en process, där elever upptäcker samband och tydliggör mönster i ett problem eller tillämpar nyvunnen kunskap för att lösa nya problem i nya situationer. Själva problemlös- ningen kan emellertid genomföras på ett antal olika sätt och med olika strategier. I litteraturen om problemlösning beskrivs två olika sätt att uppfatta problemlösningsprocessen. I det ena perspektivet förespråkas att eleverna skall använda standardiserade modeller med färdiga steg eller faser. Det andra perspektivet förespråkar en intuitiv modell där undervisningen istället fokuserar elevernas processfärdigheter.

En mängd modeller för elevernas problemlösning har presenterats i den internationella skoldebatten och forskningen. Utgångspunkten för

dessa har varit de olika faser som vetenskapsmän/kvinnor genomgår under en forskningsprocess. Dessa faser har sedan förenklats och för- tydligats i syfte att formulera en undervisningsmodell för elevernas problemlösning. Brunce och Heikkinen (1986) beskriver exempelvis problemlösningsprocessen utifrån sex faser. De menar att faserna kan utgöra ett redskap både för elevernas inlärning och lärarens undervis- ning om problemlösning. De sex faserna är:

1. Identifikation av vad som är givet i problemet. 2. Identifikation vad man frågar efter i problemet.

3. Erinran om all relevant information som behövs för att lösa proble- met (även regler, definitioner och relationer).

4. Konstruktion av schematisk lösningsplan. 5. Matematisk lösning (där sådan är nödvändig).

6. Återblick och kritisk granskning av problemformulering, informa- tion, lösning och den övergripande planen.

Man kan ställa sig tveksam till den här typen av standardiserade mo- deller. De förutsätter att det existerar en enhetlig naturvetenskaplig forskningsprocess. Detta antagande är mycket tveksamt eftersom det visar sig att forskare inom naturvetenskapen angriper problemställning- ar på olika sätt och med olika metoder. Det är på samma sätt tveksamt att försöka identifiera en enda modell för elevernas problemlösning. Frågan har ställts om modeller underlättar elevers problemlösande ar- bete överhuvudtaget. Rutherford och Ahlgren (1990) menar att pro- blemlösning inte kan ses som en verksamhet där man statiskt använder inlärda regler eller följer förutbestämda steg utan skall ses som en verk- samhet, där elever använder sina kunskaper och sina erfarenheter på ett nyskapande och kreativt sätt för att lösa ett problem. I Science for all

Americans (Rutherford & Ahlgren, 1990) betonas att både naturveten-

skap som vetenskap och elevernas problemlösningsförmåga i en natur- vetenskaplig undervisning utvecklas med hjälp av kreativitet, nyfiken- het, ifrågasättande och kritiskt tänkande. Författarna betonar dessutom att dagens naturvetenskap vanligtvis skapas i "team work" eller i "group approaches". De hävdar att ungdomsskolan också bör genomsy- ras av detta angreppssätt.

Andra studier visar att arbetsscheman eller standardiserade modeller till och med kan utgöra ett hinder för elevernas problemlösning. I en engelsk studie (Dall´Alba, 1986) av elevers problemlösningsförmåga fick elever mellan 13 och 15 år lösa ett antal praktiska problemlös- ningsuppgifter. För att lyckas med uppgifterna krävdes att de planerade och genomförde en egen undersökning. Studien visar att de elever som angrep problemställningen med ett fritt och undersökande arbetssätt lyckades bättre än de elever som använde fasta steg. Elever som anvä n- der sig av den förutbestämda arbetsordningen tenderade att i hög ut- sträckning fokusera själva stegen och förlorade därmed djupet och he l- heten i problemet.

Det finns emellertid studier som pekar på att elever kan förbättra sina problemlösande färdigheter genom att använda modeller. I en ame- rikansk studie (Ross & Maynes, 1983) delades 265 elever (Grade 6) slumpvis in i experimentgrupper och kontrollgrupper. Eleverna i expe- rimentgrupperna tränades under några veckor i att använda en modell för problemlösning som konstruerades för att efterlikna hur framgångs- rika vetenskapsmän/kvinnor arbetar med problemlösning. I tränings- programmet betonades särskilt förmågan att formulera hypoteser och planera sitt arbete. Eleverna i kontrollgruppen fick ingen motsvarande undervisning. Efter programmet fick alla elever genomföra ett antal naturvetenskapliga problemlösningsuppgifter. Resultatet visar på signi- fikanta skillnader mellan experiment- och kontrollgrupper. Eleverna som hade genomgått träningsprogrammet presterade betydligt bättre resultat än sina kamrater. Man fann dessutom att experimentgrupperna lyckades formulera fler och mer kvalificerade frågeställningar och hy- poteser till problemställningen. Även andra studier (Chiappetta & Rus- sell, 1982) med liknande uppläggning ger likartade resultat.

Dessa studier kan emellertid inte entydigt fastslå att det är elevernas användande av arbetsscheman eller fasta steg i problemlösningsproces- sen som gör att eleverna i experimentgrupperna når ett bättre resultat än sina kamrater. En sådan slutsats är alltför förhastad. En möjlig slutsats från dessa studier kan istället vara att elever som har fått träning i att använda det förutbestämda schemat blivit bättre förberedda inför pro- blemlösningsuppgifterna än de andra eleverna. De har exempelvis trä- nats i att formulera hypoteser och planera sina undersökningar.

En antydan om lärarens betydelse när det gäller att utveckla eleve r- nas problemlösningsförmåga fokuseras i en studie av Rowe (1973). I

studien fick 50 låg- och mellanstadielärare under en fortbildningskurs utveckla sin förmåga att formulera frågeställningar till naturen och ge- nomföra naturvetenskapliga undersökningar. Under kursen tränades lärarna dessutom i att använda olika frågetekniker för att få eleverna mer delaktiga i diskussioner som berörde undersökningarna. I kursen betonades också vikten av att eleverna och läraren skulle genomföra undersökningarna tillsammans för att skapa en känsla av samhörighet och partnerskap i undersökningsprocessen. När lärarna sedan återvände till skolan tränade de sina elever i det undersökande arbetssättet och genomförde undersökningar tillsammans med eleverna. Efter en tid genomfördes en studie för att se på vilka sätt elevernas problemlös- ningsförmåga hade förändrats. Man fann då att fler elever deltog i dis- kussionerna, att längden på inläggen ökade väsentligt och att en större andel av inläggen var av spekulerande eller resonerande art. I diskus- sionerna var eleverna också mer villiga att delge sina hypoteser om undersökningarna och hade fler förslag vilka experiment som skulle genomföras och hur undersökningen skulle fortgå. Antalet frågor rikta- de till läraren minskade. Eleverna tenderade också att utnyttja läraren mer som en diskussionspartner eller någon man anförtrodde sina för- slag och spekulationer till.