ar detta i regel betydligt sv˚arare. F¨orvisso kan en ”v¨armande” k¨ansla mot huden kopplas till n˚agot - men ¨ar det v¨arme eller temperaturf¨or¨andring? Hur kan olika energiformer, entropi och energiprincipen knytas an till sinnen? Energi ¨ar definitivt inte enkelt att f¨orknippa med n˚agot uppenbart. Det ¨ar inom naturve-tenskapen ett abstrakt begrepp och till f¨oljd av detta ¨ar d¨arav konceptualisering av energi mycket sv˚art [7]. Trots att energi ¨ar s˚a pass abstrakt kan det med nytta till¨ampas i extremt precisa matematiska utr¨akningar, vilket bidrar till den redan fragmenterade bilden av energi hos elever [5].
Energi ¨ar ett fundamentalt begrepp av yttersta vikt inom alla grenar av na-turvetenskapen, men ¨and˚a undervisas energi med vitt olika tillv¨agag˚angss¨att inom olika ¨amnen, ofta som om konceptet vore unikt f¨or varje enskilt ¨amne [5][8].
Trots att vetenskapen om energi har utvecklats i stor utstr¨ackning sen begreppet f¨orst introducerades, ¨ar v˚ar f¨orst˚aelse av energi och hur undervisning av energi b¨or g˚a till l˚angt ifr˚an enad eller komplett [9]. Dessutom saknas en utf¨orlig mall och en gemensam uppfattning f¨or hur energi ska undervisas f¨or att fr¨amja en god grund f¨or elever att f¨orst˚a begreppet. Inkonsekvens och felaktigheter i hur energi behandlas ¨ar f¨oljaktligen tyv¨arr vanliga, b˚ade bland l¨arare och i litteratur, och undervisning utan aktsamhet f¨or dessa utmaningar bidrar till elevers sv˚arigheter [10].
Det r˚ader en allm¨an ¨overenskommelse bland pedagoger inom naturvetenskap att energi ¨ar ett s˚a pass centralt begrepp att det inte f˚ar f¨orbises i undervisning [11], men os¨akerheterna kring vad en god energiundervisning inneb¨ar och hur energi b¨or undervisas ¨ar fortsatt stora. En mer sammanh¨angande undervisning av energi ¨over hela v¨arlden skulle vara ett stort steg i att reducera on¨odiga hinder i undervisning av begreppet [12], och m˚anga forskare, fysiker och pedagoger runtom i v¨arlden arbetar st¨andigt f¨or att fastst¨alla en ny typ av global standard f¨or hur energi p˚a b¨asta s¨att b¨or undervisas [11][13].
I avsnitt 2 beskrivs bakgrunden till denna rapport, d¨ar p˚avisade utmaning-ar samt framf¨orda f¨orslag till tillv¨agag˚angss¨att som underl¨attar i undervisning och f¨orst˚aelse av energi sammanfattas. ¨Aven olika perspektiv som anv¨ands som verktyg f¨or att analysera de underliggande utmaningarna och sv˚arigheterna med undervisning av fysik beskrivs. Metoden och olika tillv¨agag˚angs¨att i projektet beskrivs i avsnitt 3, d¨ar v¨asentliga val f¨or analysen av l¨aromedlena redog¨ors f¨or. I avsnitt 4 presenteras resultaten med diskussion. ¨Aven implikationer f¨or undervisning och rekommendationer f¨or framtida forskning ges h¨ar. I avsnitt 5 presenteras slutsatserna av projektet.
1.1 Syfte och fr˚ agest¨ allningar
Syftet med denna rapport ¨ar att sammanfatta och f¨ormedla till pedagoger i Sveri-ge vilka utmaningar i form av problem och sv˚arigheter som hittills p˚avisats inom
undervisning av energi i fysik, samt att belysa i vilken utstr¨ackning Heureka, Im-puls och Ergo bem¨oter dessa. Omfattande forskning har bedrivits f¨or att kartl¨agga elevers sv˚arigheter kring energi med missuppfattningar som utg˚angspunkt. Denna rapport utg˚ar dock fr˚an att vanliga och ˚aterkommande tankes¨att som ¨ar p˚avisade inom energiundervisning kan bottna i flera orsaker. Resultaten av fysikdidaktisk forskning p˚a omr˚adet kommer att anv¨andas som utg˚angspunkt i en litteraturstu-die av svenska l¨aromedel i fysik f¨or att uppm¨arksamma problem och effektiva tillv¨agag˚angss¨att i l¨aromedlena inom energi. F¨oljande fr˚agest¨allningar unders¨oks i denna rapport:
1. Vilka utmaningar existerar i undervisning och l¨arande av energi?
2. Hur kan dessa utmaningar bem¨otas f¨or att f¨orb¨attra elevers f¨oruts¨attningar att f¨orst˚a energibegreppet?
3. I vilken utstr¨ackning hanterar l¨aromedel i fysik p˚a gymnasiet utmaningarna och m¨ojligheterna till en f¨orb¨attring av fysikundervisning?
Det ¨ar av yttersta vikt att k¨anna till sina elevers sv˚arigheter, vilket kan
˚astadkommas genom konceptuella prov. Ett sidoprojekt i detta arbete ¨ar d¨arf¨or att ¨overs¨atta ett v¨al bepr¨ovat s˚adant prov fr˚an engelska till svenska s˚a att ¨aven svenska fysikl¨arare kan ha nytta av det. Detta beskrivs mer ing˚aende under Bilagor.
2 Bakgrund
Energi ¨ar ett av de viktigaste och mest grundl¨aggande begreppen inom natur-vetenskapen. Det ¨ar ocks˚a ett tv¨arvetenskapligt begrepp [4], av extrem vikt inom olika ¨amnen och f¨or samh¨allets funktion. Elever som l¨ar sig fysik visar dock konsekvent olika typer av sv˚arigheter inom omr˚adet energi [3][10]. De bakomliggande orsakerna till dessa sv˚arigheter kan analyseras och f¨orklaras med hj¨alp av olika ramverk eller perspektiv, vilka ¨ar till nytta f¨or att f¨ors¨oka f¨orst˚a hur framg˚angsrik undervisning av fysik och energi kan bedrivas. Under en l¨angre tid har anledningen till varf¨or elever i regel finner fysik s˚a sv˚arbegripligt ansetts bottna i alternativa uppfattningar, ¨aven kallade missuppfattningar. Att uteslutande utg˚a fr˚an detta perspektiv med missuppfattningar har dock m¨ott kritik [14][15], d˚a det som utg¨or elevers kunskaper och f¨orst˚aelse om fysik h¨ogst sannolikt ¨ar betydligt mer komplext ¨an s˚a.
2.1 Elevers sv˚ arigheter ur flera perspektiv
Det finns flertalet olika perspektiv som elevers sv˚arigheter med fysik kan analy-seras ur. Dessa perspektiv ¨ar viktiga, eftersom de kan vara avg¨orande f¨or hur l¨arare anpassar fysikundervisningen f¨or att p˚a b¨asta m¨ojliga s¨att hj¨alpa elever.
Missuppfattningar, som l¨ange har varit det vanligaste perspektivet f¨or detta
¨andam˚al, anses vara kognitiva strukturer som ¨ar alternativa, eller ”inkorrekta”
i j¨amf¨orelse med en fysikers. De ¨ar best¨andiga och djupt rotade, och ¨andras inte genom traditionell undervisning. En missuppfattning som en elev b¨ar p˚a
¨ar rigid och of¨or¨anderlig, och av denna anledning m˚aste missuppfattningar hos elever uppm¨arksammas och ers¨attas f¨or att m¨ojligg¨ora utveckling av ”korrekt”
f¨orst˚aelse av fysik [15]. Elevers missuppfattningar kan emellertid bero p˚a vil-ket sammanhang en fr˚agest¨allning eller ett problem s¨atts i [14], det vill s¨aga, tankes¨attet som k¨annetecknas som en ”missuppfattning” visar sig ibland vara inkonsekvent och orsaken bakom elevens s¨att att t¨anka ¨ar d˚a sannolikt inte en missuppfattning. Detta tyder p˚a att missuppfattningar, om s˚adana finns, inte uteslutande kan ligga till grund f¨or problematiken.
2.1.1 P-prims
Elevers intuitiva tankar kring fysik kan ha sitt ursprung i mer abstrakta och fundamentala strukturer, kallade fenomenologiska primitiv (p-prims). P-prims
¨ar en upps¨attning ordnade och sammankopplade kognitiva strukturer som ¨ar baserade p˚a fenomen och orsakssammanband [14]. En fr˚aga eller ett omr˚ade inom fysik kan aktivera en upps¨attning p-prims kopplade till liknande fenomen, och hur en elever argumenterar beror allts˚a p˚a fr˚agorna som st¨alls. Till exempel kan en fr˚aga om varf¨or sommaren inneb¨ar h¨ogre temperaturer aktivera p-prim:et
”n¨armre inneb¨ar starkare” hos en elev. Just det p-prim:et aktiveras eftersom en m¨angd fenomelogiska kopplingar g¨ors: ”om jag st˚ar n¨armre en h¨ogtalare ¨ar ljudet mer intensivt”, ”h˚aller jag min hand n¨armre ett l˚aga b¨orjar det br¨annas”, eller
”lukten av vitl¨ok k¨anns starkare om jag h˚aller vitl¨oken n¨armre n¨asan”. Detta kan
allts˚a leda eleven till att tro att jorden befinner sig p˚a kortare avst˚and till solen under sommarhalv˚aret [15]. Ur detta perspektiv g˚ar det att f¨orst˚a bakgrunden till elevers tankes¨att och eftersom p-prim:et i sig inte alltid ¨ar felaktigt b¨or l¨ararens m˚al inte vara att f¨orkasta det, utan tv¨art om att bygga vidare p˚a det.
Till skillnad fr˚an missuppfattningar anses p-prim vara essentiella i elevers l¨arande och ¨ar viktiga byggstenar i deras f¨orst˚aelse av fysik [15].
Annu en inv¨¨ andning mot att elevers avvikande tankes¨att enbart beror p˚a miss-uppfattningar ¨ar att detta perspektiv f¨oruts¨atter att elever vid alla svarstillf¨allen redan har ett tidigare konstruerat system f¨or att t¨anka ett omr˚ade i fr˚aga. Det kan emellertid vara s˚a att elever konstruerar ett ”felaktigt” svar just i stunden d˚a en fr˚aga st¨alls en eller n¨ar de ska uttrycka sig, utan att en bakomliggande missuppfattning existerar [15]. Eleven har allts˚a kanske inte reflekterat ¨over n˚agot liknande vid ett tidigare tillf¨alle. I s˚adana fall baseras elevens svar p˚a n˚agot annat ¨an missuppfattningar, vilket ¨ar ytterligare st¨odjer perspektivet med p-prims.
P-prims l¨agger grunden f¨or ett ramverk som utg˚ar fr˚an att kunskap och uppfatt-ningar om fysik hos elever ¨ar fragmenterad och icke-sammanh¨angande. Elevers tidigare erfarenheter och id´eer uppskattas och ¨ar v¨asentliga komponenter f¨or forsatt utveckling. Det ¨ar allts˚a inte elevers alternativa tidigare erfarenheter som b¨or klandras, utan utmaningen ¨ar snarare att f¨orena elevers vardagliga erfarenheter och tankes¨att p˚a ett vis som ¨ar applicerbart ¨aven inom fysiken.
2.1.2 Missuppfattningar
P-prims ¨ar alltmer uppm¨arksammat inom forskning i fysikdidaktik, men missupp-fattningar ¨ar fortsatt viktiga att ta i beaktning. Missuppfattningar ¨ar l¨attare att identifiera och ¨ar mer specifika till deras natur j¨amf¨ort med p-prims. Dessutom
¨ar de v¨al unders¨okta och det ¨ar tvekl¨ost bra att som l¨arare kunna identifiera brister i elevers konceptuella f¨orst˚aelse f¨or att kunna hj¨alpa elever.
Ur perspektivet att missuppfattningar ligger till grund f¨or elevers sv˚arigheter med fysik, ¨ar dessa vanligt f¨orekommande hos s˚av¨al elever som l¨arare. Elever verkar i stor utstr¨ackning b¨ara p˚a id´eer om energi som ˚aterspeglar deras syn p˚a energi i vardagen. ¨Over hela v¨arlden ˚aterfinns alternativa syns¨att som elever anv¨ander sig av kring energi [16] och Sverige ¨ar inget undantag. Elevers missupp-fattningar inom energi p˚a gymnasiet grundar sig ofta i felaktig eller avvikande tidigare konceptuell f¨orst˚aelse av energi [17], och trots att elever l¨ar sig om energi och utvecklas inom omr˚adet inneb¨ar detta inte att deras missuppfattningar per automatik reds ut. Studier visar n¨amligen konsekvent att undervisning inte i tillr¨ackligt h¨og grad f¨orb¨attrar eller f¨or¨andrar elevers alternativa tankes¨att och uppfattningar om energi [16].
Missuppfattning Bland andra p˚avisat av
Definitionen av energi
Energi f¨orv¨axlas med anstr¨angning [18]
Energi ses som orsak/drivmedel till olika fenomen (ett objekt forts¨atter att vara i r¨orelse p˚a grund av dess kinetiska energi)
[19]
Energi f¨orknippas enbart med uppenbar aktivitet eller r¨orelse (objekt i vila har ingen energi)
[20][21][22][23]
Energi f¨orv¨axlas med kraft (objekt i r¨orelse har en inne-varande kraft)
[24]
Energiformer och potentiell energi
Olika typer (inte former) av energi finns [25]
Gravitationskraft f¨orv¨axlas med gravitationell energi [3][26]
Gravitationell potentiell energi beror p˚a hastighet [3]
Elastisk energi beror inte p˚a styvheten hos en fj¨ader [3]
Elastisk energi ¨ar en egenskap fj¨adrar som inte beror p˚a hur mycket fj¨adern komprimeras eller f¨orl¨angs (l¨angre fj¨adrar har mer elastisk energi)
[3][26]
Potentiell energi ¨ar potentialen att ha energi i framtiden [23][27]
V¨arme
Levande ting har ”termisk energi” medan objekt inte har det.
[3][21][22][23][28]
Objekt som k¨anns ”kalla” har ingen energi medan objekt som k¨anns ”varma” har det
Energi kan inte omvandlas inom ett system [3]
Energi kan skapas eller f¨orst¨oras [3][32][20][22][33]
Ovrigt¨
R¨orelseenergi ¨overf¨ors till kraft [3]
Enbart ting som gl¨oder eller lyser ¨overf¨or energi genom str˚alning
[3]
Energi kan enbart ¨overf¨oras mellan tv˚a objekt om de ¨ar i kontakt med varandra
[3]
Tabell 1: N˚agra av de mest f¨orekommande missuppfattningarna som p˚avisats hos elever och/eller l¨arare inom energi.
Missuppfattningar kan dock redas ut, men enbart n¨ar de identifieras och utma-nas direkt, vilket m˚anga l¨arare misslyckas med i sin undervisning [34]. F¨or att
˚astadkomma en framg˚angsrik undervisning av energi ¨ar det viktigt att vara med-veten om vilka missuppfattningar som ¨ar vanligt f¨orekommande inom omr˚adet.
N˚agra av de vanligaste missuppfattningarna som f¨orekommer presenteras i Tabell 1.