6.4 Serie och parallellkoppling
6.4.1 Seriekoppling av komponenter
I en krets med seriekopplande element är potentialskillnaden över två komponenter summan av dess respektive potentialskillnader (se Figur 11).
2 1 U U U = + 2 1 I R R I R I⋅ tot = ⋅ + ⋅ 2 1 R R Rtot = +
Figur 11: Seriekopplade motstånd
Om man kopplar in identiska lampor i en sådan krets kommer både strömmen genom och spänning över lamporna vara lika och de kommer därmed att lysa lika mycket. Skruvar man ur en lampa bryter man den slutna kretsen så det går ingen ström och alla lampor slocknar. Ett exempel på seriekopplade lampor i vardagen är adventsljusstakar och julgransbelysningar, där alla lampor slutar lysa om en lampa går sönder eller en lampa kopplas ur (Ibid.).
6.4.2 Parallellkoppling av komponenter
I parallellkopplingen är spänningen över varje gren lika stor. Strömmen däremot delar upp sig beroende på motståndets storlek. Man kan tänka sig att en enkel parallellkopplad krets är två enkla kretsar sammanflätade och som delar spänningskälla (se Figur 12).
2 1 I I I = + 2 1 R U R U R U tot + = 2 1 1 1 1 R R Rtot = +
Figur 12: Parallellkopplade motstånd.
Två identiska parallell-kopplade lampor lyser lika starkt ty spänningen över dem och strömmen genom dem är lika. Kopplas en av lamporna ur kommer den andra lampan att fortsätta lysa då kretsen inte är bruten (Benson, 1996).
7 Metod
Denna uppsats bygger på kunskap från en didaktisk fördjupningskurs, i vilken vi studerat elevföreställningar i ellära samt hur ett laborativt arbetssätt kan öka förståelsen i fysik hos elever. Utifrån denna kunskap har vi utvecklat en enkätundersökning samt gjort intervjuer för att testa elevers kunskaper och förståelse i ellära med inriktning på den elektriska kretsen före och efter laboration.
7.1 Urval
Enkätundersökningen genomfördes i fyra klasser, två 7:or och två 9:or, på en av våra partnerskolor. Partnerskolan valdes då vi ansågs att en etablerad kontakt med eleverna kunde ge ökad motivation att delta i undersökningen. En bra relation till ansvarig lärare ansågs också vara viktig då vi ville utföra laborationer med eleverna under lektionstid. Valet att genomföra undersökningen på högstadiet motiverades med att alla elever läser fysik vilket ger en bred och blandad urvalsgrupp eftersom hela spektret av elever är representerad. På gymnasiet är det bara ett fåtal linjer såsom teknik- och naturvetarprogrammen som läser fysik. Genom att genomföra undersökningen på högstadiet får vi ett bredare urval av elever då vi även får med de elever som inte fortsätter läsa fysik på gymnasiet. Urvalet till intervjuerna skedde bland de elever som gett sitt tillstånd att bli intervjuade. Elever från olika svarskategorier valdes ut, representanter för både bra och mindre bra resultat valdes ut. Även representanter som inte hade svarat korrelerat, dvs. elev som svarat olika på två nästan identiska uppgifter återfanns i urvalet.
Skolan är en vanlig högstadieskola i en medelstor stad vars resultat, antalet behöriga elever till gymnasieskola, andelen godkända elever i kärnämnena samt meritvärde ligger lite lägre än riksmedel enligt kommunens kvalitetsredovisning 2009. Skolan har även en varierad blandning av elever med olika bakgrund, såväl svensk som utländsk. Skolan har dock stora problem med skolk så vi förväntade oss att få ett stort bortfall.
7.2 Datainsamlingsmetoder
Med utgångspunkt i våra forskningsfrågor beslutade vi att genomföra två enkät- undersökningar, en laboration samt intervjuer. Vi ville bl.a. undersöka om vi kunde hitta liknande missuppfattningar i ämnet ellära som forskningen visar på, men även se om det fanns någon skillnad i de kunskaper som elever i 7:an har gentemot eleverna i 9:an. Detta genomfördes med en enkät där vi testade elevernas kunskaper kring ström och enkla elektriska kretsar. För att få en djupare förståelse valde vi att även intervjua några utvalda elever vars enkätsvar ansågs mer intressanta med utgångspunkt från forskningsresultat. Enkätmetoden lämpade sig bra då vi eftersträvade att undersöka skillnaden vid två tidpunkter, före och efter laboration samt skillnader mellan årskurser. Då våra frågeställningar baseras på frågan vad eleverna kan och inte varför de har den kunskapen ansågs enkäter lämpa sig bäst. Enkäter är användbara då man söker kvantitativ information och vill jämföra grupper (Johansson & Svedner, 2006: Dahmström, 2008).Fördelen med enkäter är också att man kan samla in ett stort dataomfång på relativt kort tid där man kan ställa en rad olika frågor. Vid enkätundersökningar undviker man eventuell bias såsom intervjuareffekt. Alla elever kommer vid en enkät att besvara identiska frågor något som inte alltid är fallet vid intervjuer vilket därmed kan påverka intervjuernas reliabilitet och validitet (Dahmström, 2008). Med en
gruppenkät kan bortfallet ifrån respondenter som vägrar delta hållas lågt (Ibid.) jämfört med andra sorters enkäter. Man skulle ha kunnat använda sig enbart av intervjumetod för att kartlägga elevers förståelse för ämnet. Med intervjuer hade man kunnat få en djupare förståelse då man i intervjuer kan förtydliga frågor och ställa följdfrågor (Tasker, 2000). Då vi eftersökte att kunna jämföra grupper och skillnader vid olika tillfällen ansågs det lämpligast att lägga tyngdpunkten för undersökningen på enkäter.
7.3 Procedur
Undersökningen inleddes med att vi var ute och informerade eleverna om projektets uppbyggnad och blanketter för målsmans underskrift delades ut, detta eftersom eleverna inte är myndiga. Då eleverna i undersökning är minderåriga repeterades informationen kring undersökningen vid flera tillfällen för att minska bortfallet och generera en positiv inställning till deltagande. Även rektors och ansvariga lärares tillstånd inhämtades. Efter föräldrarnas medgivande var det frivilligt för eleverna att delta i undersökningen. För att uppfylla de forskningsetiska kraven har vi under hela projektets gång varit tydliga med undersökningens syfte samt vid flertalet tillfällen informerat eleverna att deras medverkan var frivillig. Enkätundersökningen skedde på lektionstid och inleddes med att vi informerade om enkätens syfte och undersökningens upplägg. Vi poängterade att enkäten inte var ett prov, att enkäten var konfidentiell och att de skulle förbli anonyma i arbetet. Vi förklarade varför deras deltagande var viktigt för oss samt att de svarade vad de ansåg var rätt och inte vad de trodde man borde svara. För att kunna se och jämföra skillnaden på individnivå kodade vi enkäterna numeriskt. Vid första enkättillfället fick vi 77 (89 %) svarande och vid andra enkättillfället 73 (84 %) svarande av 87 elever. Totalt var det 64 svarande (74 %) som deltog vid båda tillfällena. Efter första enkättillfället utfördes ett par intervjuer med utvalda elever.
Laborationerna utfördes under ett vanligt lektionstillfälle i en NO-sal, ca 45-60 min, för att ge samma förutsättningar som man finner i skolan. Eleverna arbetade i grupper om 2-3 elever, vilka valdes av ansvarig lärare. Läraren som har kännedom om elevernas kunskaper delade in eleverna i grupper efter likartad kunskapsnivå. Lektionen inleddes med praktisk genomgång och avslutades med genomgång av resultatet. Vi fanns tillgängliga för hjälp och som bollplank i diskussionerna. Under några av laborationslektionerna deltog även ansvarig lärare. Den avslutande enkäten genomfördes en av de sista dagarna på terminen, ca 1 vecka efter laborationen.
7.3.1 Enkäterna
Enkäterna (se Bilaga 1 och 2) utformades utifrån teorier kring elevers föreställningar i ellära och bygger på de vanligaste missuppfattningar i ellära bland elever i yngre tonåren. Vi har till stor del använt tidigare använda frågor från forskning på området elevföreställningar i ellära och även själva utformat några följdfrågor (se Motivering till frågor i enkät, kap. 7.3.1.1) Fördelen att använda gamla enkätfrågor är att man undviker klumpigt utformade frågor (Johansson & Svedner, 2006). Enkäterna inledes med några bakgrundfrågor såsom kön, klass och betyg i fysik, varpå några attitydfrågor om fysik och laborerande följde. I den avslutande enkäten var attitydfrågorna utbytta till attitydfrågor kring laborationen de genomfört (se
Bilaga 2). Efter de inledande frågorna följde en rad frågor om ström, spänning och enkla
kretsar. Frågorna utformades med ett enkelt språk och var tydligt ställda. Vi valde att använda oss av en öppen fråga där vi var intresserade av variationen. Både verklighetstrogna
och schematiska figurer användes, bland annat för att inte röja svaret på övriga frågor. För att tydliggöra de schematiska kopplingsschemana förklarades även dess delar i text. Totalt sett var enkäten 3 sidor varav cirka en sida med bakgrunds- och attitydfrågor.
Enkäterna hölls kortfattade då dessa inte bör vara för långa och enformiga eftersom man då riskerar att respondenterna tappar intresse (Johansson & Svedner, 2006). Enkätens struktur varierades också då detta anses bidra till att respondenten behåller motivationen för att besvara enkäten och för att de inte ska fastna i ett visst svarsmönster (Patel & Davidson, 2003). Då större delen av den forskning som bedrivits på området för grundskolans senare del har fokuserat på begreppet ström och strömmen i en enkel krets och inte begreppet spänning är det en högre andel frågor om ström än om spänning (se Elevföreställningar i ellära, kap. 5).
Enkätens ursprungliga utformning testades på teknikelever årskurs 3 på gymnasiet. Ur den lilla pilotundersökningen framkom att den ursprungliga enkäten var för svår då inte ens duktiga elever i fysik förstod uppgifterna. Enkäten reviderades till förmån för mycket enkla frågor.
7.3.1.1 Motivering till frågor i enkät
Enkäten ämnad att lämnas till eleverna tar inledningsvis upp allmänna bakgrundsfrågor och attitydfrågor kring ämnet fysik och laborationer. Därefter följer mer specifika kunskapsfrågor med inriktning mot spänning och ström. Då antalet frågor varierar i de olika enkäterna hänvisas frågornas numrering till enkät 1 (se Bilaga 1).
Den sjunde frågan i enkät 1 behandlar vad eleverna anser att ström är. Denna fråga avser elevernas kunskap om ström i en metallisk ledning. Detta motiveras utifrån elevuppfattningen elevers strömbegrepp ofta har energikaraktär, vilket har kartlagts av Björn Andersson (1979). Enligt hans studie bland 550 elever i årskurs 6-9 kan man klassificera elevföreställningarna utifrån följande kategorier:
I. Partiklar som rör sig i ledningar. II. Strömmens effekter
III. Strömkällor IV. Synonyma uttryck V. Övriga svar.
Till första kategorin räknas svar som berör alla partiklar som kan röra sig samt otydliga svar såsom moloktroner, plutoner eller energipartiklar. Till kategorin Strömmens effekter anger eleverna förklaring att ström är ” någonting som får lampor att lysa” eller ”något man kan få stötar av”. Den tredje kategorin behandlar varifrån strömmen kan tänkas komma ifrån, exempelvis kraftverk eller då ”åskan och blixten möts, tror jag”. Till synonyma uttryck räknas svar såsom att elektrisk ström är energi, värme eller ”ämnen, som laddar upp sig när det kommer i kontakt med varandra”. I kategorin Övriga svar räknas även elever som anser att de inte vet eller inte lämnat svar. Utifrån dessa kategorier visar Björn Anderssons undersökning att i den valda gruppen elever ansåg knappt 30 % att elektrisk ström uppstår beroende på rörliga elektroner i ledningen. Vi valde att inte ställa motsvarande fråga om spänning då vi saknar forskning för liknande fråga. Spänning är ett svårare begrepp och man riskerar att få ett stort antal ”vet ej” och blanksvar.
Fråga åtta i enkät 1 behandlar elevernas förståelse kring tvåpolighet och sluten krets. Denna fråga motiveras utifrån undersökningar genomförda bland 1115 elever i årskurs 6-9 samt årskurs 1 och 2 på gymnasiet av Björn Andersson (1989). Denna undersökning visar att en stor del av eleverna har en enpolig lampuppfattning. Cirka 80 % av högstadieeleverna visade på en enpolig syn på lampan medan 90 % av eleverna på gymnasiet utan fysikundervisning också hade en enpolig konstruktion.
Fråga nio och 13 i enkät 1 undersöker elevernas förståelse av strömmen i en enkel elektrisk krets. Shipstone (enl. Andersson, 1989) har i en undersökning kartlagt att elevernas uppfattning kring strömmen i en sluten krets kan kategoriseras efter fyra strömmodeller, vilka kan ses i uppgift 13. De olika modellerna bygger på den klassiska källa-förbrukarmodellen men även sekvenstänkande. Shipstones undersökning visar att modellerna varierar i popularitet i olika åldrar, där man i de yngre åldrarna (ålder 13-16) kan se att modell 2 och 3 är vanligast (Ibid.). Fråga 13 ställs för att kunna jämföras med fråga nio och se ett eventuellt samband mellan frågorna. Frågorna är snarlika och det bör därför finnas en korrelation som vi har förhoppning om att kunna kartlägga. Om svaren hos en respondent i dessa frågor inte korrelerar kan det tyda på att eleverna inte har full förståelse för strömmens styrka i en sluten krets.
Fråga 10 testar förståelsen av seriekopplade lampor. Denna fråga motiveras för att kartlägga en utveckling av elevernas sekvenstänkande samt tänkande enligt källa-förbrukarmodell. Används någon av dessa tankemodeller kan detta resultera i föreställningen att lamporna lyser olika starkt då lamporna förbrukar strömmen efterhand.
I fråga 11 vill vi undersöka elevernas kunskaper kring spänning. Forskningen visar att elevernas förståelse av spänning är väldigt begränsad. Eleverna ser spänning som en konsekvens av strömmen (Andersson, 1989)
I fråga 12 undersöks vad eleverna tror om ljusstyrkan hos parallellkopplade lampor. Andesson (1989) menar att eleverna tror oftast att parallellkopplade lampor lyser olika då strömmen delar upp sig enligt källa-förbrukarmodellen.
Fråga 14 är hämtad ifrån Maichles (enl. Andersson 1989) undersökning bland västtyska elever i åldrarna 13 och uppåt. Denna fråga är ämnad att kartlägga elevernas förståelse av att spänningen kan finans även om det inte finns någon ström. Maichles undersökning visar att endast 3,5 % i åldrarna 13-15 besvarade svarade rätt samt att bara 75 % av de blivande fysiklärarna besvarade frågan rätt.