Eleverna har sedan ett antal lektioner under två veckor med sin lärare gått igenom några kapitel om mekanik och som sista undersökningstillfälle – tillfälle 2 – har eleverna en sista datorsimulering (The ramp activity: Calculating Net force on an incline) tillsammans med en annan laboration på en fredag, två veckor efter det första undersökningstillfället. Målet med datorsimuleringen var att eleverna skulle kunna rita ett free body diagram och beräkna den resulterande kraften på ett föremål på ett lutande plan. Den här gången gör eleverna simuleringen i grupp (som bestod av tre eleverna) istället för att göra den själva.
Efter helgen, på måndag svarar eleverna på en sista diagnos – diagnos 3 – och svarar på en sista enkät – enkät 2.
Tabell 5. Resultat från diagnos 3.
*Som inte var med på simulering och inte heller på demonstration
Vad som undersöktes med dessa frågor var det följande:
Antal elever (max 23) Simulering Demonstration Andra elever* Svar Rätt % Fel % Rätt % Fel % Rätt % Fel % Rätt % Fel % Fråga 1 19 83 4 17 11 92 1 8 5 63 3 37 3 100 0 0 Fråga 2 6 26 17 74 3 25 9 75 3 37 5 63 0 0 3 100 Fråga 3 19 83 4 17 11 92 1 8 6 75 2 25 2 67 1 33 Fråga 4 20 87 3 13 10 83 2 17 8 100 0 0 2 67 1 33
Fråga 1 – Summa av krafter (Net force) på ett lutande plan;
Fråga 2 – friktionskraft;
Fråga 3 – dragningskraft;
Fråga 4 – Summa av krafter (Net force) i 2D.
Av 23 elever: Fyra elever hade allt rätt (två gick simulering (S) – simulering (S); två fick ta del av demonstration (D) – simulering (S)). Tretton hade ett fel (åtta S-S; tre D-S; två ”andra”). Tre elever hade två fel (en S-S; två D-S) och tre elever hade tre fel (en S-S; en D-S; en ”andra”).
Som man kan se från tabell 5 är fråga nummer 2 som skapar störst problem för eleverna. Som förväntades, efter resultatet av första undersökningstillfället, är det eleverna som fick ta del av simuleringen som har mest problem med den.
Av de elever som svarade fel på fråga nummer 2, tror nio att det finns en kraft uppåt (märker inte att den kallas Ff som i friktion och glömmer att i det fallet kylskåpet skulle puttas uppåt så skulle också finnas en friktionskraft neråt). De andra åtta tror att kylskåpet faktiskt glider neråt men att farten ökar som om den resultanten FNET skulle peka neråt istället för uppåt som visas i figuren. Det visar sig, därför, att problem med friktionskraft fortfarande kvarstår hos några elever både efter två simuleringar och en demonstration och en simulering.
Vad gäller summa av krafter på ett lutande plan respektive summa av krafter i 2D (fråga 1 och fråga 4), så ser resultaten bättre ut för S-S eleverna för summa av krafter på ett lutande plan och bättre ut för D-S eleverna för summa av krafter i 2D.
Gällande att eleverna tar hänsyn till dragningskraft (som undersöktes med fråga 3) kan man se att resultaten för eleverna som gick S-S är resultatet bättre än för de andra som gick D-S.
Enkät analys - Elevers syn på simuleringslaborationer
För att vidare undersöka elevernas syn på hur simuleringsmetod fungerade gjordes en enkät för att undersöka vad eleverna själva tyckte om datorsimuleringar, i jämförelse med vanliga demonstrationer.
Eleverna svarade på olika frågor och själva enkäten kan hittas som bilaga i slutet av det här arbetet.
Här visas resultaten av denna undersökning.
Tabell 6. Elevens svar på frågor 1 och 2 i enkäten om vad tycker eleverna om datorsimuleringar.
Svar (%)
Fråga 1 (Nej, inget eller inte alls) 2 3 4 5 (Ja, mycket eller stämmer helt)
1 13 9 55 14 9
2 9 23 45 14 9
I Tabell 6 kan man se att de flesta eleverna tycker att simulering är till viss del roliga och hjälper dem att förstå fysiken bättre. Man kan också se att även om några elever inte tycker att simuleringar var så roliga tycker de ändå att de var hjälpsamma för att bättre förstå fysiken. Frågan är nu om resultaten från observationerna ser likadana ut inom varje grupp av elever eller om de skiljer sig åt. Det vill säga eleverna som hade bara en eller två simulerings tillfällen.
Tabell 7. Elevens svar på frågor 3 och 4 i enkäten om vad tycker eleverna om datorsimuleringar i jämförelse med demonstrationer.
Svar (%)
Fråga Simulering Ingen skillnad Traditionell demonstration
Vet ej
3 50 9 36 5
4 18 18 55 9
I Tabell 7 kan man se att nästan hälften av eleverna tycker att det är roligare med simuleringar men att de upplever att de lär sig mer när de får delta i traditionell undervisning, det vill säga, att vara med på en lektion där läraren gör en demonstration framför klassen.
Under analys av fråga 5 och fråga 6 kom det följande fram som man kan se i tabell 8. Eleverna uppskattar att undersöka själva, testa och påverka men de är också lite oroliga för att missa någonting ”utan lärare”.
Resultaten från diagnoserna visar däremot att eleverna missar mer under en demonstration med en lärare än under simuleringen utan lärare.
Tabell 8. Elevens svar på frågor 5 och 6 i enkäten om vad tycker eleverna om för- och nackdelar av datorsimuleringar i jämförelse med demonstrationer.
Fördelar simulering vs. demonstration Nackdelar
Man kan påverka själv
Man får en annan överblick och kan gå igenom det man inte förstått
Man kan göra det upprepade gånger och allt man behöver veta står där
Man får använda datorn
Man tar mer ställning till aktiviteten och man arbetar mer
Man lär sig hur vetenskapen fungerar om man lär sig hur man kan reta saker och ting utan demonstration
Roligare att tänka mer själv!
Att få försöka själv är bättre
Man tappar inte fokus
Man får se hur det fungerar och pröva sig själv fram
Man får se hur det ser ut när dt går och så får man se diagram samtidigt
Man får inte bara sitta och titta på
Man hänger med i allt mera än när det är demonstration
Läraren har chans att förklara bättre (dem.)
Det kan vara svårt att få saker förklarat för sig om man inte förstår simuleringen
Man kanske inte lär sig lika mycket som man skulle ha lärt sig genom att ha en demonstration
Det kan vara förvirrande utan förklaring till hur man ska göra under simuleringen
Man måste se verkligheten framför sig om man lär sig om vetenskapen
Lätt att leka lite för mycket
Risken finns att man inte gör vad man ska, att man inte förstår vad man ska göra
Man lär sig mest grunderna i simuleringen, man lär sig mer i en demonstration
Sammanfattning
Som sammanfattning tänker jag svara på mina frågor:
1) Vilken är påverkan av en simulering jämfört med påverkan av ett antal demonstrationer för att motverka välkända förförståelser inom fältet mekanik? Man kan sammanfatta för tre olika sorters krafter, dragningskraft, normalkraft och friktionskraft samt nämna den väl kända aristoteliska förförståelsen där eleven blandar ihop kraft och rörelse.
Både för dragnings- och normalkraft verkar simuleringen ge bäst resultat för att eleverna ska kunna förstå och rita motsvarande pilar rätt.
För friktionskraft är resultaten bättre med demonstration (men ändå inte mycket bättre än med simuleringen). Man kanske därför ska ha båda metoderna.
Slutligen, för att motverka den aristoteliska förförståelsen måste man tyvärr hitta ett annat sätt än dessa simuleringar eller/och demonstrationer. Inga av de två testade metoderna gav bra resultat.
2) Finns det skillnad mellan att använda sig av en simulering och att använda sig av en demonstration inom fysik?
Ja, för den här klassen finns det skillnad. Eleverna missar mer under en demonstration med en lärare än under simuleringen utan lärare. Den enda demonstration som verkade ge bättre resultat än simuleringen är friktionsdemonstrationen och den ska därför genomföras tillsammans med simuleringen. Utrustningen är inte dyr och med en ballong och en enkel skiva där det finns även ett litet rör på hålet i mitten där vi kan sätta på en ballong och man kan ha en enkel och bra demonstration om vad friktionslös betyder. Ett exempel på sådan utrustning är den som man ser i följande bild:
3) Tycker eleverna mest om simuleringar eller demonstrationer?
Eleverna uppskattar att undersöka själva, testa och påverka som de gör under en simulering men de är också lite oroliga för att missa någonting ”utan lärare”. Nästan hälften av eleverna tycker att det är roligare med simuleringar men att de upplever att de lär sig mer när de får en traditionell demonstration.
Sammanfattande diskussion
De viktigaste resultaten
För den här klassen kan man säga att det finns en fördel med att använda sig, inom fältet mekanik, av en simulering istället för en demonstration.
Både för att lära sig om dragnings- och normalkraft verkar simuleringen ge bättre resultat än demonstrationen.
Vad gäller friktionskraft är resultaten däremot bättre med demonstration. Detta även om skillnaden inte är stor. Man ska därför ha båda metoderna när det gäller att undervisa friktionskraft.
För att motverka den aristoteliska förförståelsen måste man tyvärr hitta ett annat sätt än dessa simuleringar eller/och demonstrationer. Inga av de två testade metoderna gav bra resultat.
Eleverna uppskattar att undersöka själva, testa och påverka som de gör under en simulering men de är också lite oroliga för att missa någonting ”utan lärare”. Dock missar eleverna mer under en demonstration med en lärare än under simuleringen utan lärare.
Slutligen kan man säga att den enda demonstration som verkade ge bättre resultat än simuleringen är friktionsdemonstration och den ska därför genomföras tillsammans med simuleringen. För den aristoteliska förförståelsen måste man hitta en bättre metod.
Analysverktyg och teori - mätningarnas validitet, reliabilitet och generaliserbarhet
Mitt syfte var att se påverkan av två olika metoder för att lära ut viktiga kraftbegrepp samt motverka förförståelse inom fältet mekanik. Därför använde jag mig av ett par simuleringar och jämförde elevens resultat med andra elever som istället gick den traditionella undervisningen (där man istället använder sig av demonstrationer). Elevernas kunskapsinhämtning mättes genom diagnostiska tester.
Diagnoserna genomfördes i klassrummet. Eleverna gjorde båda diagnoserna utan hjälp av läraren eller författaren. Resultaten på diagnoserna är utifrån de förutsättningarna helt tillförlitliga. Därför tycker jag att man skulle sannolikt få samma resultat vid upprepade mätningar.
Resultaten skulle troligtvis ha blivit ungefär de samma om jag hade gjort undersökningen på en annan grupp elever. Jag tror ändå att mina resultat kan direkt inte generaliseras till alla andra elevgrupper även för dem som är på samma utvecklingsnivå. Därför tänkte jag testa
vidare med andra grupper i framtiden för att se om detta gäller eller inte.47
Resultatdiskussion i förhållande till tidigare forskning
Datorsimuleringar, som vi såg i introduktionen, har blivit allt bättre och tillgängliga för
lärare inom naturvetenskap under de senaste tre årtiondena.48 Tidigare forskning har visat att effekten av datorsimuleringar i studenternas lärande var positiv. Mitt arbete, genomfört i den svenska gymnasieskolan, pekar också åt samma håll, simuleringar visar sig generellt ge bättre resultat än de traditionella demonstrationerna inom fältet mekanik/rörelse.
Monaghan och Clement49 rapporterade tidigare en annan studie inom samma fält med en framgångsrik datorsimulering för att stödja forsknings- och resonemangsfärdigheter som var effektiva för att hjälpa eleverna att testa förutsägelser och senare utveckla mer exakta
modeller av rörelse. Dori och Barak50 drog också slutsatsen att en kombination av virtuella och fysiska modeller som används tillsammans med lektioner för att stötta lärande och rumslig förståelse av molekylära strukturer är bättre än traditionella föreläsnings/demonstrationsmetoder.
Tidiga undersökningar51,52 pekade på effektiviteten av användning av datorsimuleringar för en konceptuell förändring av undervisningen. Senare undersökningar, som sagts under introduktionen, har tagit upp möjligheten att använda simuleringar för att uppnå kognitiv
47 Det har även undersöktes med en annan yngre grupp (32 elever i årskurs 7) och upplevdes samma sorts resultat med simuleringarna med undantag för friktionskraft resultat eftersom i den studien har man valt att undersöka ett annat tillvägagångssätt för att lära ut friktionskraft. Godinho, S. S. M. C., under arbete.
48 Smetana, L., & Bell, R.L. (2007). Computer simulations to support science instruction and learning: A critical review of the literature. En artikel som presenterades på the Annual Meeting of the National Association for Research in Science Teaching, New Orleans, LA och som refereras av Trundle, K. C., Bell, R. L. (2010). The use of a computer simulation to promote conceptual change: A quasi-experimental study, Computers & Education 54, s.1078–1088.
49 Monaghan, J. M., & Clement, J. (1999). Use of a computer simulation to develop mental simulations for understanding relative motion concepts. International Journal of Science Education, 21, 921–944.
50 Dori, Y. J., & Barak, M. (2001). Virtual and physical molecular modeling: Fostering model perception and spatial understanding. Educational Technology and Society, 4(1), 61–74.
51 Brna, P. (1987). Confronting dynamics misconceptions. Instructional Science, 16, 351–379.
52 Zietsman, A. I., & Hewson, P. W. (1986). Effect of instruction using microcomputer simulations and conceptual change strategies on science learning. Journal of Research in Science Teaching, 23, 27–39.
dissonans. Till exempel har Gorsky och Finegold53 utforskat dessa möjligheter med en datorsimulering om kraft och rörelse. Denna studie, precis som min studie, visade sig också ge bra resultat.
Bidrag - återknytning till frågeställning och syfte förankrad i redovisade resultat Fortsatt forskning
Elever måste lära sig att ta eget ansvar för sina studier och lära sig att arbeta självständigt. Men det är säker viktigt att det ska finnas diskussioner i helklass under lärarens ledning.
Diskussion och reflektion är viktiga. Som det har kommit fram i en rapport från
Skolverket54 om ämnet matematik (Skolverket, 2002) krävs samtal kring det eleverna ska lära sig. Elever behöver prata, inte bara med andra elever utan också, med lärare och få återkoppling till vad de har lärt sig.
Det är säkert att om skolan ska uppnå de mål, som finns i kursplanerna, så måste lärarna säkert variera sina metoder för att nå så många elever som möjligt och för att motverka så många förförståelsen som möjligt. Läraren måste därför också vara öppen för att ta till sig nya metoder om de visar sig vara bättre metoder, inte bara för att de är nya, utan för att man läser forskningsresultat och att man själv testa de och ser resultaten med sina elever. En och samma metod inte alltid är bäst för alla elever.
Helt enkelt ska läraren i klassrummet vara en forskare, inte bara en maskin som sänder ämneskunskaper till elever. Läraren ska vara beredd att fortsätta att lära sig varje dag för att ge det bästa stödet som eleverna behöver för att utveckla sina kunskaper i ämnet.
53 Gorsky, P., & Finegold, M. (1992). Using computer simulations to restructure students’ conceptions of force. Journal of Computers in Mathematics and Science Teaching, 11, 163–178.
54 Skolverket. Nationella kvalitetsgranskningar (2001 – 2002). Lust att lära – med fokus på matematik. Stockholm: Skolverket/Fritzes.
Litteraturförteckning
Tryckta referenserAkpan, J. P., & Andre, T. (2000). Using a computer simulation before dissection to help students learn anatomy. Journal of Computers in Mathematics and Science Teaching, 19, 297–313.
Allessi, S., & Trollip, S. R. (1991). Computer based instruction: Methods and development (2nd ed.). Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall.
Andersson, B. (2001) ELEVERS TÄNKANDE OCH SKOLANS NATURVETENSKAP, FORSKNINGS-RESULTAT SOM GER NYA IDÉER, Stockholm: Skolverket, s.215-227.
Bell, R. L., & Trundle, K. C. (2008). The use of a computer simulation to promote scientific conceptions of moon phases. Journal of Research in Science Teaching, 45(3), 346–372.
Brna, P. (1987). Confronting dynamics misconceptions. Instructional Science, 16, 351–379. Chang Chen Lin & Sung (2008). Effects of learning support in simulation-based physics learning. Computers and Education, 51(4), 1486–1498.
Clement, J. (1982). Students’ preconceptions in introductory mechanics. American Journal of Physics, 50, 66-71.
Crain, W. 2005, Theories of Development. Concepts and Applications. Fifth edition, New Yersey, USA: Pearson.
de Jong, T., & Van Joolingen, W. (1998). Scientific discovery learning with computer simulations of conceptual domains. Review of Educational Research, 68, 179–201.
Dori, Y. J., & Barak, M. (2001). Virtual and physical molecular modeling: Fostering model perception and spatial understanding. Educational Technology and Society, 4(1), 61–74. Genberg, L., Höglund, (2006) C. Datorsimuleringslaborationer i fysik Rapport LV0605105. Godinho, S. S. M. C., under arbete.
Gorsky, P., & Finegold, M. (1992). Using computer simulations to restructure students’ conceptions of force. Journal of Computers in Mathematics and Science Teaching, 11, 163– 178.
Grzega, Joachim/Schoener, Marion. "The Didactic Model LdL (Lernen durch Lehren) as a Way of Preparing Students for Communication in a Knowledge Society." Journal of Education for Teaching 34(3), 167-175.
Huppert, J., Lomask, S. M., & Lazarowitz, R. (2002). Computer simulations in the high school: Students’ cognitive stages, science process skills and academic achievement in microbiology. International Journal of Science Education, 24, 803–821.
Jimoyiannis, A., & Komis, V. (2003). Investigating Greek students’ ideas about forces and motion. Research in Science Education, 33, 375-392.
Klingberg, T. (2011) Den lärande hjärnan, Stockholm: Natur & Kultur.
Knight, R. D. (2004) Five Easy Lessons. Strategies for Successful Physics Teaching, San Francisco: Addison Wesley, Pearson Education, Inc., s.106.
Magne, H. I. och Krohn, S. B. (1992): Forskningsmetodik – Om kvalitativa och kvantitativa metoder. Lund: Studentlitteratur. Och SoS-rapport 1995:19 s.25f.
McCloskey, M. (1983). Naïve theories of motion. In D. Gentner, & A. Stevens (Eds.), Mental Models. Hillsdale, NJ: Erlbaum.
Monaghan, J. M., & Clement, J. (1999). Use of a computer simulation to develop mental simulations for understanding relative motion concepts. International Journal of Science Education, 21, 921–944.
Skolverket. Nationella kvalitetsgranskningar (2001 – 2002). Lust att lära – med fokus på matematik. Stockholm: Skolverket/Fritzes.
Skolverket (2009), Vad påverkar resultaten i svensk grundskola? Kunskapsöversikt om betydelsen av olika faktorer, Stockholm: Fritzes kundservice. Beställningsnr: 09:1127 ISBN: 978-91-85545-67-4
Smetana, L., & Bell, R.L. (2007). Computer simulations to support science instruction and learning: A critical review of the literature. En artikel som presenterades på the Annual Meeting of the National Association for Research in Science Teaching, New Orleans, LA och som refereras av Trundle, K. C., Bell, R. L. (2010). The use of a computer simulation to promote conceptual change: A quasi-experimental study, Computers & Education 54, s.1078–1088.
Stensaasen, S. & Sletta, Olav (2000) Gruppprocesser om inlärning och samarbete i grupper, Stockholm: Natur och Kultur, s. 33.
Säljö, R. 2007, 'Samtal som kunskapsform', i: Brusing & Strömqvist, 2007, Reflektioner och praktik i läraryrket, Lund: Studentlitteratur.
Thacker, B. A. (2003) Recent advances in classroom physics. Reports on Progress in Physics, 66:s. 1839.
Trey, L., & Khan, S. (2008). How science students can learn about unobservable phenomena using computer-based analogies. Computers & Education, 51, 519–529.
Trost, J. (2001). Enkätboken. 2., [rev.] uppl. Lund: Studentlitteratur.
Trundle, K. C., & Bell, R. L. (2010). The use of a computer simulation to promote conceptual change: A quasi-experimental study, Computers & Education 54, 1078–1088.
Vetenskapsrådet (2002). Forskningsetiska principer inom humanistisk-samhällsvetenskaplig forskning. Stockholm: Vetenskapsrådet.
Vygotsky, L. S. (1934) Thought and language (A. Kozulin, översättare) Cambridge, MA: MIT Press 1986.
Winn, W., Stahr, F., Sarason, C., Fruland, R., Oppenheimer, P., & Lee, Y. (2006). Learning oceanography from a computer simulation compared with direct experience at sea. Journal of Research in Science Teaching, 43, 25–42.
Yaman, M., Nerdel, C., & Bayrhuber, H. (2008). The effects of instructional support and learner interests when learning using computer simulations. Computers & Education, 51(4), 1784–1794.
Zietsman, A. I., & Hewson, P. W. (1986). Effect of instruction using microcomputer simulations and conceptual change strategies on science learning. Journal of Research in Science Teaching, 23, 27–39.
Özmen, H., Demirciog˘lu, H., & Demirciog˘lu, G. (2009). The effects of conceptual change texts accompanied with animations on overcoming 11th grade students’ alternative conceptions of chemical bonding. Computers & Education, 52, 681–695.
Elektroniska referenser
Ebbinghaus, H. (1885) Memory: A Contribution to Experimental Psychology översatt av Ruger, H. A. & Bussenius, C. E. (1913) http://psychclassics.yorku.ca/Ebbinghaus/ memory9.htm (2011-05-22)
Flick, L., & Bell, R. (2000). Preparing tomorrow’s science teachers to use technology: Guidelines for Science educators. Contemporary Issues in Technology and Teacher Education [Online serial], 1 (1). http://www.citejournal.org/vol1/iss1/currentissues/science/article1. htm (2011-05-22)
http://phet.colorado.edu/en/simulation/forces-1d (2010-11-06)
http://phet.colorado.edu/en/simulation/ramp-forces-and-motion (2010-11-06)
http://www.skolverket.se/sb/d/4168/a/23357/func/amnesplan/subjectId/FYS/titleId/Fysik (2011-04-08)