Rangordningsövningar
i naturvetenskap
Redaktör och projektsekreterare
S
TAFFANA
NDERSSONProjektledare
JANNIKA ANDERSSON CHRONHOLM
Ämnesgrupp -‐ Biologi
TOBIAS JAKOBSSON, JANNIKA ANDERSSON CHRONHOLM
Ämnesgrupp -‐ Fysik
JOHAN LARSSON, STAFFAN ANDERSSON
Ämnesgrupp -‐ Geovetenskap
HÅKAN SJÖSTRÖM, HEMIN KOYI
Ämnesgrupp -‐ Kemi
ANDERS ERIKSSON, MAJA ELMGREN
Projektet som presenteras i denna rapport finansierades av Fonden för pedagogisk förnyelse
Teknisk-‐naturvetenskapliga fakulteten Uppsala universitet
Rapporten har administrerats av Avdelningen för fysikens didaktik Institutionen för fysik och astronomi Uppsala universitet
Omslagsbilden kombinerar en wordle av rapporten
(www.wordle.net) med clipart-‐element (Clipart courtesy FCIT).
Svartvita illustrationer på sidorna 52, 53, 58, 96, 98 och 99 är Clipart courtesy FCIT.
Mer information om denna resurs för undervisningsprojekt hittar man på http://etc.usf.edu/clipart
Övriga illustrationer är producerade av projektgruppen. ISBN-‐13: 978-‐91-‐979653-‐0-‐9
Sammanställning och formgivning: Staffan Andersson
Innehållsförteckning
INTRODUKTION ...9
VAD ÄR EN RANGORDNINGSÖVNING? ... 10
RANGORDNINGSÖVNINGENS DELAR...11
1. Problempresentation ... 11
2. Alternativ att rangordna ... 11
3. Redovisning av rangordning ... 11
4. Motivering av svaret ... 11
5. Säkerhetsbedömning ... 11
EN ANPASSNINGSBAR ÖVNINGSFORM...11
BAKGRUND OCH UTVECKLING... 12
HUR TÄNKER MAN EGENTLIGEN? ...12
MALONEY KONSTRUERAR RANGORDNINGSÖVNINGAR...12
Exempelövning - Densitet... 13
RANKING TASK EXCERCISES IN PHYSICS...13
RANGORDNINGSÖVNINGARNA SPRIDER SIG...14
Fler böcker ... 14
Utveckling och undersökningar... 14
PEDAGOGISK UTVECKLING VID UPPSALA UNIVERSITET...14
VARFÖR SKA MAN ANVÄNDA RANGORDNINGSÖVNINGAR? ... 16
VISA KUNSKAP...16
REFLEKTION KRING FÖRFÖRSTÅELSE...17
NYA SÄTT ATT FRÅGA...17
SYNLIGGÖR VARIATIONER...17
STUDENTAKTIVITET...18
KREATIVT LÄRANDE OCH DJUPARE FÖRSTÅELSE...18
HUR KAN MAN ANVÄNDA RANGORDNINGSÖVNINGAR? ... 19
ÖVNINGSFORMEN BEHÖVER INTRODUCERAS...19
ANVÄNDNING SOM EXAMINATIONSUPPGIFT...19
HEMUPPGIFTER...20
STUDENTAKTIVA AVBROTT...20
RANGORDNINGSÖVNINGAR PÅ EXKURSIONER...20
RANGORDNINGSUPPGIFTER PÅ LABORATIONER...21
FÖR-‐ OCH EFTERTESTER...21
Exempelövning - Olika ämnen ...22
KURSVÄRDERING MED RANGORDNING...23
MÖJLIGHETER FÖR KREATIVITET...23
HUR GÖR MAN EGNA RANGORDNINGSÖVNINGAR? ...24
VAD SKA ÖVNINGEN HANDLA OM?...24
HUR SKA ÖVNINGEN FORMULERAS? ...24
VILKA ALTERNATIV VILL MAN HA? ...25
HUR MÅNGA OLIKA ALTERNATIV BÖR MAN HA? ...25
HUR SKA ILLUSTRATIONERNA UTFORMAS? ...25
Exempelövning - Acceleration...26
GLÖM INTE FÖRKLARINGSDELEN...27
HUR KONSTRUERAR MAN EN SERIE ÖVNINGAR?...28
MATEMATIKENS ROLL...28
KUNSKAPSBYGGANDE...28
VARIATIONSTEORI...29
Elektriska kretsar...30
EFFEKTER PÅ LÄRANDE OCH RESULTAT...31
STUDENTERNAS UPPLEVELSER...31 Exempel från biologin...31 Exempel från fysiken ...33 Exempel från geovetenskapen ...34 Exempel från kemin...34 STUDENTERNAS LÄRANDE...35
BIOLOGI - REFLEKTIONER OCH TANKAR...38
ANVÄNDNING AV RANGORDNINGSÖVNINGAR I UNDERVISNINGEN...38
KONSTRUKTION AV ÖVNINGAR...38
Kursmaterialet kan begränsa ...38
Biologins komplexitet ...39
ANVÄNDNING I KURSER PÅ GRUND-‐ OCH AVANCERAD NIVÅ...39
BIOLOGI - ÖVNINGSEXEMPEL...40
Taxonomiska nivåer ...40
Livets historia...40
Släktskap bland primater ...41
Människans evolution...41
Populationstillväxt...42
Populationers bärkraft ...43
Genetisk drift ...44
Genetisk drift och populationsstorlek...45
Populationstäthet - rutinventering... 47
Populationstäthet - linjeinventering ... 48
Energiinnehåll hos molekyler ... 49
Lysrörsbelysning av växter ... 50
Fotosyntesens ämnen ... 51
Utveckling hos växter ... 52
Livslängd hos växter ... 53
Gasutbytessätt ... 54
Andningsstrukturer... 54
Transport av koldioxid... 55
Stödjevävnader ... 56
Skelett... 57
FYSIK - REFLEKTIONER OCH TANKAR... 58
MEST MEKANIK OCH ELLÄRA...58
ARBETA MED REPRESENTATIONER...58
KOPPLIG TILL LÄRANDETEORIER...59
EN BYGGSTEN FÖR NYUTVECKLING...59
FYSIK - ÖVNINGSEXEMPEL ... 60
Storleksordningar... 60
Densitet... 60
Spegelbilder ... 61
Ljusbrytning i prisma ... 62
Snörkrafter... 62 Lådor på bräda ... 63 Vätskans lyftkraft... 64 Vätskans lyftkraft... 65 Densiteter ... 65 Relativa rörelser ... 66
Person på våg i hiss ... 67
Sträcka - tid - grafer ... 68
Glidande klossar ... 69 Inbromsning ... 70 Accelererade lådor... 71 Elektriska krafter... 72 Elektrisk potential ... 74 Vridmoment... 75 Arbete ... 76
Superposition av pulser... 77
Interferens... 78
Orgelpipor...79 Reflektionsgitter...79 Harmonisk svängning...80 Rotationsrörelse...81 Vinkelhastighet...82 Magnetisk flödestäthet...82 Inducerad spänning...83 Temperaturstrålning ...83 Fotoelektrisk effekt ...84 Ljusstrålar...84 Emittans...85 Spektrallinjer...85 Stråldoser...86
GEOVETENSKAP - REFLEKTIONER OCH TANKAR...87
BÄTTRE EN ÖVNING I HANDEN ÄN EN PÅ VÄGGEN...87
ATT TRÄNA PROFESSIONELLT TÄNKANDE...87
ÖVNINGAR I FÄLT...87 GEOVETENSKAP - ÖVNINGSEXEMPEL ...89 Jordens ämnen ...89 Hårdhet ...90 Klyvningsplan...90 Kristalliseringstemperatur...91 Bildningsordning ...91
Bergarter - sammansättning och kornstorlek...92
Bergarter - sammansättning och färg ...93
Bergarter - kornstorlek och bildningsdjup...94
Geologisk utveckling och bergarters relationer...95
Erosionsprocesser...96
Vulkaners form, sammansättning och egenskaper ...97
Glaciärrörelse...99
Molntyper... 100
KEMI - REFLEKTIONER OCH TANKAR ... 101
RANGORDNINGSÖVNINGAR PÅ FÖRELÄSNINGAR...101
ÖVNINGAR MED OCH UTAN SIFFROR...101
SVÅRIGHETER MED BILDER...102
KEMI - ÖVNINGSEXEMPEL ... 103
Periodiska systemet - En serie övningar... 103
Periodiska systemet - Antal protoner ... 104
Periodiska systemet - Storlek...105
Periodiska systemet - Jonisationsenergi...106
Periodiska systemet - Valenselektroner ...106
Jonkonduktivitet ...107
Molär förbränningsentalpi ...107
Förbränningsentalpi per massenhet ...108
Smältpunkt...108 Smältpunkt...109 Kokpunkt...109 pH...109 Reaktionshastighet...110 Effektiv kärnladdning ...111
Effektiv kärnladdning - Atomstorlek ...112
Effektiv kärnladdning - Jonisationsenergi ...113
Skalmodellen...114 Skalmodellen - Atomstorlek...115 Skalmodellen - Jonisationsenergin ...116 Gitterenergi...117 Jonbindning...118 Molmassor ...119 Atomantal...121 EPILOG ...122 Rangordningsövningar...122 REFERENSER ...123
Introduktion
Rangordningsövningar är en övningsform där studenter rangordnar situationer utifrån givna förutsättningar och egenskaper. Läraren som skapar övningen kan välja hur dessa förutsättningar och egenskaper varieras, och på så sätt rikta studenternas uppmärksamhet mot just de kritiska aspekter man vill att de ska se. Detta ger studenterna möjlighet att aktivt bearbeta de kritiska aspekterna och förstå hur de samverkar, vilket bidrar till ett konstruktivt lärande.
Vi genomförde 2010 ett pedagogiskt projekt vid Uppsala universitet där rangordningsövningar prövades i biologi, fysik, geovetenskap och kemi. Inom ramen för projektet fann vi bland annat att rangordningsövningar:
• fungerade väl som ett komplement till andra undervisningsresurser inom våra ämnen.
• gick att använda mer kreativt och flexibelt i undervisningen än tidigare föreslaget.
• kan bli ännu bättre om de kopplas till aktuell ämnesdidaktisk och utbildningsvetenskaplig forskning.
I denna rapport berättar vi om rangordningsövningar, hur man kan arbeta med dem och en del om vad vi lärt oss. Förhoppningen är att det ska inspirera andra till fortsatt arbete inom området.
Vad är en rangordningsövning?
STAFFAN ANDERSSON
I rangordningsövningar presenteras olika variationer av en given situation. Studenten ska sedan ordna situationerna efter givna villkor. Efter att alternativen har rangordnats ska studenten sedan skriva ner en förklaring för sitt resonemang. De flesta rangordningsövningarna följer samma struktur med fem element som följer efter varandra. Strukturen presenteras översiktligt i exempel 1.
1
2
3
4
5
Rangordningsövningens delar
1. Problempresentation
Här beskrivs situationen som övningen handlar om. De allmänna uppgifter studenterna bör känna till presenteras. Ibland kan man även ha med annan information, särskilt om övningen används som en del av ett undervisningspass. Vanligtvis avslutas den här delen med att man berättar vad som ska rangordnas och utifrån vilka grunder.
2. Alternativ att rangordna
Nästa del är en presentation av de olika alternativ som ska rangordnas. I ursprungsformen var det alltid ett antal olika beskrivande figurer som ofta innehöll olika numeriska värden. Vi har dock sett att man ibland måste arbeta utan bilder här.
3. Redovisning av rangordning
Oftast följer sedan en skala där man kan placera ut de olika alternativ som ska rangordnas. Här brukar man ha lika många möjliga steg som antalet alternativ, även om ett par av alternativen kan tänkas rankas lika.
4. Motivering av svaret
En viktig del av övningen är förstås att studenterna ska motivera varför de svarar som det gör.
5. Säkerhetsbedömning
Slutligen har man vanligtvis med en del där studenterna får kommentera hur säkra de är på sitt svar.
En anpassningsbar övningsform
Det här är grundformatet för en rangordningsövning, men det går förstås att förändra beroende på vilket mål och vilka förutsättningar man har för övningen.
Bakgrund och utveckling
STAFFAN ANDERSSON
I det här avsnittet ges en kort översikt av rangordningarnas bakgrund och hur de utvecklats genom åren.
Hur tänker man egentligen?
Inspirationen till rangordningsövningarna kom ursprungligen från en forskningsmetod inom kognitiv utveckling kallad regelvärdering (rule-‐assessment) som presenterades av Robert Siegler (1976). Grundidén är att man, som en del av sitt lärande, utvecklar olika regler och samband för hur saker hänger ihop. För att få insikt om dessa regler och hur de utvecklas låter man försökspersoner göra jämförelser mellan många olika varianter av en specifik situation och motivera sina svar. Genom att följa personernas resonemang kan man få fördjupad insikt om deras uppfattningar och hur de värderar olika regler.
Maloney konstruerar rangordningsövningar
Med utgångspunkt från Sieglers metod utvecklade David Maloney (1987) en mer kortfattad metod för att undersöka dessa uppfattningar inom ramen för examination av kurser. Dessa ursprungliga rangordningsövningar var individuella övningar som gjordes med papper och penna. Eftersom Maloney var fysiker hade övningarna också en tydlig fysikprägel. I Maloneys övningar presenteras ett antal olika variationer av en viss fysikalisk situation. Studenten ska sedan ordna de olika situationerna efter något givet villkor. Efter att alternativen har rangordnats ska studenten sedan skriva ner en förklaring för sitt resonemang.
Maloney (1987) presenterade en grundläggande struktur för rangordningsövningar med fyra centrala element -‐ situations-‐ beskrivning, figurer, rangordningsredovisning och resone-‐ mangsredovisning.
Exempelövning -‐ Densitet
Här är fyra solida kuber tillverkade av olika material. Alla kuber har samma massa.
Rangordna kuberna utifrån materialens densiteter från lägsta till högsta densitet.
Lägsta densitet ____ ____ ____ ____ Högsta densitet Förklara resonemanget bakom ditt svar.
Exempel 2. Rangordningsövning enligt Maloneys grundstruktur.
Ranking Task Excercises in Physics
Rangordningsövningarna utvecklas ytterligare och får ett genombrott 2000 när O'Kuma, Maloney och Hieggelke publicerar den första versionen av boken "Ranking Task Excercices in Physics". I boken betonar författarna bland annat rangordningsövningarnas betydelse som verktyg för inlärning, och inte bara för examination. Här lägger man också till ett femte element till grundstrukturen där studenten ges möjlighet att ange hur säker hon var på resonemanget som användes för uppgiften. Läraren får en indikation på hur starkt studenten själv är övertygad om centrala koncept och studenterna får en möjlighet att visa att de faktiskt inte är övertygade.
Rangordningsövningarna sprider sig
Flera lärosäten, främst i USA, börjar nu använda boken om rangordningsövningar och en del utvecklingsarbete inleds. Övningsformen får också stor uppmärksamhet och presenteras i olika sammanhang (se exempelvis Redish, 2003 och Knight, 2004).
Fler böcker
Den ursprungliga boken uppdaterades med fler övningar (O'Kuma, Maloney & Hieggelke, 2008). Hieggelke, Maloney, Kanim och O'Kuma (2005) publicerat också en ytterligare bok med fokus på elektricitet och magnetism. Det är en problem-‐ samling med många olika typer av problem utvecklade utifrån aktuell ämnesdidaktisk forskning -‐ bland annat ett stort antal rangordningsövningar. Brown och Poor (2011) publicerade nyligen en bok om rangordningsövningar inom materialfysik och hållfasthetslära. De publicerade böcker som finns är dock än så länge främst rena problemsamlingar.
Utveckling och undersökningar
Mycket av det utvecklingsarbete som genomförts med rangordningsövningar har varit mycket lokalt och endast presenterats i begränsad form, exempelvis på mindre konferenser. Det finns även en del mer spridda initiativ. Ett av dessa är arbetet med att kombinera rangordningsövningar och informationsteknologi (se inledningsvis Cox, Belloni & Christian, 2005). Ett annat spännande område är studierna av rangordningsövningarnas effekter på studenters lärande inom astronomiområdet (Hudgins, 2005; Hudgins, Prather, Grayson & Smits, 2007). Dessa och andra projekt inspirerar och informerar ett fortsatt arbete med rangordningsövningar.
Pedagogisk utveckling vid Uppsala universitet
Inspirerade av den internationella utvecklingen har lärare vid Uppsala universitet arbetat en del med rangordningsövningar i olika sammanhang, främst som ett pedagogiskt redskap vid lektionsundervisning. Bland annat har svårigheterna med att
utforma rangordningsövningar inom andra naturvetenskapliga ämnen, främst biologi, lyfts fram och diskuterats (Andersson Chronholm och Andersson, 2010). En annan viktig lärdom är att utformningen av bilderna i övningarna måste följa rådande ämnesnorm för att övningarna verkligen ska leda till förbättrat lärande och inte till ökad förvirring (Larsson och Andersson, 2010). Dessa projekt lyfte fram positiva effekter av att använda rangordningsövningar, men gav också många idéer för hur metoden kan förbättras ytterligare. Detta inspirerade det större pedagogiskt utvecklingsprojekt som genomfördes 2010 och som resulterade i denna rapport.
Varför ska man använda rangordningsövningar?
STAFFAN ANDERSSON, JANNIKA ANDERSSON CHRONHOLM , JOHAN LARSSON Det finns många olika anledningar till använda rangordnings-‐ övningar, både i undervisningen och i examinationen. De flesta anledningar som diskuteras i litteraturen har ett fokus på användandet av rangordningsövningar inom examinationen, men det finns även flera andra anledningar.
Visa kunskap
En viktig anledning, som Maloney (1987) lyfter fram, är att rangordningsövningarna vanligtvis påvisar studenternas verkliga uppfattningar om hur de fysikaliska systemen fungerar och inte bara memorerade standardsvar. Detta gör rangordningsövningarna till ett viktigt verktyg som hjälper läraren att få värdefull insikt i hur studenterna tänker. Dessa insikter kan sedan användas för att hjälpa studenterna att tillägna sig de etablerade naturvetenskapliga idéerna. Denna anledning är, i alla fall till att börja med, tydligt kopplad till Maloneys första användningsområde av rangordnings-‐ övningarna som ett medel för examination.
Rangordningsövningarna innehåller ofta få ledtrådar till hur de ska lösas. Dessutom kräver de att studenterna tänker på ett annat sätt än de gör när de löser standardproblem. För det mesta, kanske särskilt inom fysiken, är studenterna vana att lösa problem där de ska räkna ut ett numeriskt värde för någon viss storhet när värdena för ett antal andra storheter är givna. Vanligtvis gör man det genom att välja ett eller flera passande samband som man antagligen hittar i sin formelsamling, stoppa in de givna värdena och lösa ut den storhet som saknas. Denna metod tränar främst studenterna i att algebraisk manipulation av formler, men de grundläggande koncepten och sambanden glöms ofta bort (Redish, 2003).
Reflektion kring förförståelse
Inom ämnesdidaktisk forskning i naturvetenskap har många studier genomförts av studenternas förförståelse av fysik och av de problem som uppstår när tidigare uppfattningar ska ändras till etablerade modeller (Se exempelvis Clement, 1982; Peters, 1982; Halloun & Hestenes 1985; McDermott, 1991). Rangordningsövningarna kan ge information om för-‐ förståelsen, men också användas för att bidra till förändringen. Med rangordningsövningarna kan man formulera frågor på ett annorlunda, och ofta nytt, sätt. Genom att sedan jämföra hur studenterna svarar på liknande frågor ställda på olika sätt kan man få dem att aktivt fundera kring varför de svarar som de gör i de olika fallen. Det kan i sin tur bidra till att studenterna reflekterar över sin egen förståelse.
Nya sätt att fråga
En annan anledning till att använda rangordningsövningar är att de kan användas för att pröva hur stabil studenternas förståelse av centrala koncept verkligen är. Övningarna kan användas för att omformulera frågor som ställs i traditionella problem, konceptuella frågor eller flervalsfrågor. Studenterna lär sig snabbt strategier för att hantera olika typer av uppgifter, ofta utan att verkligen tänka igenom den situation som behandlas. Genom att använda rangordningsövningarnas format krävs ett annat sätt att utvärdera och analysera situationen, där studenterna måste tänka på koncept, principer och relationer på ett annat sätt. Denna anledning lyfts särskilt fram av O'Kuma, Maloney och Hieggelke (2003).
Synliggör variationer
I rangordningsövningarna ställs studenterna i stället framför en uppgift med ett antal olika variationer av liknande situationer. Där blir de tvungna att förstå hur förändringar av olika storheter påverkar det som händer i systemet. Detta är ett sätt att tänka och lära som kopplar väl till variationsteorin och som bör vara mycket konstruktivt för studenters lärande.
Variationsteori är en modell för lärande som hävdar att variation är en central faktor för lärande (Se exempelvis Marton och Booth, 1997; Marton och Trigwell, 2000; Marton och Tsui, 2004). Resonemanget bakom teorin bygger på att man lär sig genom upplevelsen av variationer eftersom variation är en nödvändighet för att man ska kunna särskilja de olika kritiska egenskaperna hos det man ska lära sig. Teorin har fått ett genomslag som grund för pedagogisk utveckling och har bland annat undersökts inom fysik på collegenivå (Linder, Fraser och Pang, 2006). Vår erfarenhet av att arbeta med rangordningsövningar är att de kan användas på ett mycket effektivt sätt för att rikta studenternas uppmärksamhet mot just de kritiska aspekter som vi vill uppmärksamma dem på genom att variera en faktor i taget i övningarna. Detta är särskilt effektivt om man arbetar med en serie av övningar.
Studentaktivitet
I samband med de tidigare pedagogiska utvecklingsprojekten i Uppsala användes rangordningsövningarna också på ett strategiskt sätt för studentaktiv undervisning. Mängder av forskning har ju påvisat att studentaktiv undervisning, där studenter aktivt på något sätt arbetar med ämnet tillsammans, är mycket framgångsrikt för ett konstruktivt lärande (Se exempelvis Hake, 1998; Ramsden 2003; Redish, 2003). Rangordningsövningarna är en tacksam startpunkt för bland annat grupparbeten, diskussion i smågrupp och större klassrumsdiskussioner. Denna typ av användning är också något som föreslagits av Knight (2004).
Kreativt lärande och djupare förståelse
De som använt rangordningsövningar rapporterar allmänt att de bidragit på ett mycket bra sätt till studenternas lärande, särskilt av konceptuell förståelse. De anledningar som främst diskuteras för detta är att övningarna aktivt arbetar med studenternas förförståelse, att de strategiskt låter studenterna arbeta med variationer kring centrala koncept samt att de bidrar till ett studentaktiverande lärande.
Hur kan man använda rangordningsövningar?
STAFFAN ANDERSSON, JANNIKA ANDERSSON CHRONHOLM, MAJA ELMGREN,
TOBIAS JAKOBSSON, JOHAN LARSSON
I litteraturen presenteras rangordningsövningarna främst som uppgifter lämpliga för examination, hemarbete och räkne-‐ övningar. Under vårt projekt har vi dock sett att det finns många andra användningsområden.
Övningsformen behöver introduceras
Oavsett hur man väljer att använda rangordningsövningar är det viktigt att komma ihåg att denna övningstyp ofta är okänd för studenterna. Därför är det viktigt att man som lärare är tydlig när man introducerar rangordningsövningar för första gången. Det gäller både för den pedagogiska motiveringen bakom övningsformen och för hur man som student arbetar med den här typen av övningar.
När det gäller den pedagogiska motiveringen tror vi det är bra att betona övningarnas värde som komplement till andra undervisningsformer. Förklara gärna hur de kopplar till studentaktivitet och fördjupad konceptuell förståelse.
När det gäller själva övningsformen kan det vara värdefullt att visa upp ett exempel på en rangordningsövning och diskutera med studenterna hur man arbetar med den. Det är också viktigt att betona betydelsen av att studenterna förklarar hur de har resonerat när de gjorde sin rangordning. Ofta är det just arbetet med motiveringen som leder till den konceptuella förståelse som övningen har utformats för att tydliggöra eller testa.
Användning som examinationsuppgift
Ursprungligen lanserades rangordningsövningar som en metod för examination (Maloney, 1987). När vi prövade att använda övningarna vid examination var det mycket tydligt att man måste vara väldigt varsam vid konstruktionen, eftersom inte övningen ska kunna missförstås.
Hemuppgifter
O'Kuma, Maloney och Hieggelke (2008) betonar rangordnings-‐ övningarnas användbarhet som lämpliga hemuppgifter eftersom de är begränsade och ofta tydliga. De framhåller också att problemställningarna är relativt lätta för studenterna att förstå. Samtidigt är det viktigt att tänka på vilket mål man har med hemuppgifterna. Våra erfarenheter från projektet visar att studenterna sällan diskuterar med varandra när övningarna ges som hemuppgifter. Då motiverar de inte heller sina svar på samma sätt som i en klassrumssituation. Om målet med övningen är lärande, och inte bara kunskapsredovisning, bör man noga tänka sig för hur man använder dem som hemuppgifter. Kanske kan man arbeta med utförliga skriftliga motiveringar som skickas in och diskuterar, antingen på nätet eller i en klassrumssituation.
Studentaktiva avbrott
Rangordningsövningarnas format gör dem till utmärkta uppgifter att variera teorigenomgångar med. En metod är att efter en kortare teorigenomgång ge studenterna en rangordningsövning och låta dem arbeta med den under några minuter. Därefter får studenterna diskutera lösningen till problemet med varandra och enas om vilken lösning som är den riktiga. Som inom all studentaktiv undervisning är det viktigt att läraren är uppmärksam och kommer med återkoppling.
Rangordningsövningar på exkursioner
Inom projektet har vi sett att övningarna fungerar utmärkt att använda på exkursioner där situationerna som ska rangordnas och faktorerna som varieras kan hämtas direkt ur verkligheten. Exempelvis kan en övning göras först i klassrummet och sedan åter ute på en exkursion. På så sätt kan man visa skillnader mellan teoretiska situationer och verkligheten.
På fältövningar i geovetenskap prövade lärare inom projektet att markera ut intressanta objekt direkt på berget med krita
och sedan låta studenterna både rangordna och diskutera. Detta fungerade mycket bra och uppskattades av studenterna.
Rangordningsuppgifter på laborationer
I samband med laborationer fungerar rangordningsövningarna bra för att visa olika kritiska aspekter. Ofta uppmärksammar inte studenterna de saker som läraren vill att de ska lära sig eftersom de har fullt upp med att "klara laborationen" (Lippman, 2002). En rangordningsövning kan då bidra till att rikta studenternas uppmärksamhet åt ett speciellt håll. Särskilt effektivt kan det vara att kombinera rangordningsövningar med vägledda praktiska övningar (tutorials) av det slag som McDermott och Schaffer (1998) presenterat.
För-‐ och eftertester
Ett annat användningsområde för rangordningsövningar är att utnyttja dem som för-‐ och eftertest för att undersöka om, och i så fall hur, studenters uppfattningar har förändrats av undervisningen. Rangordningsövningar anses ju undersöka studenternas verkliga förståelse av koncept och samband, till skillnad från förmågan att återge memorerade standardsvar.
Rangordningar utan givna svar
Eftersom ett av målen med projektet var att verkligen vidga användningsområdena för rangordningsövningar prövade vi även att använda dem bortom arbete med kända samband och svar inom ämnesstudierna. Vi fann att det var mycket givande att utgå från rangordningsövningar utan givna svar vid studentdiskussioner både inom och om naturvetenskapliga ämnen. Bland annat prövade vi framgångsrikt övningarna som utgångspunkt för diskussioner om undervisningsmetoder, ämneskulturer, maktfördelning och genusaspekter.
Exempelövning -‐ Olika ämnen
Vid teknisk-naturvetenskaplig fakultet vid Uppsala universitet finns följande ämnesområden:
A. Kemi B. Fysik C. Teknik D. Biologi
E. Matematik F. Datavetenskap E. Geovetenskap
1. Ordna ämnena från det äldsta till det yngsta.
Äldst ___ ___ ___ ___ ___ ___ ___ Yngst
2. Ordna ämnena från det lättaste till det svåraste.
Lättast ___ ___ ___ ___ ___ ___ ___ Svårast
3. Ordna ämnena från mest feminint till mest maskulint. Mest
feminint
__ __ __ __ __ __ __
Mest maskulint
• Hur tänkte ni när ni ordnade ämnena?
• Hur säkra är ni på era svar?
Kursvärdering med rangordning
Även i andra värderingssammanhang fungerade övningarna väl. Bland annat använde vi dem vid kursvärdering, där studenterna fick rangordna olika moment och undervisnings-‐ former.
Möjligheter för kreativitet
Under projektet har vi konstaterat att rangordningsövningarna fungerat bra inom alla områden där vi prövat dem, så länge vi gjort det på ett medvetet sätt. Utifrån tydliga syften och med klar strategi för användningen bär de ett värdefullt komplement till övriga undervisningsmetoder. Vår slutsats är att rangordningsövningar är ett användbart och flexibelt pedagogiskt verktyg, särskilt för olika typer av studentaktiv undervisning.
Hur gör man egna rangordningsövningar?
STAFFAN ANDERSSON
Det är oftast en god idé att utgå från några grundläggande didaktiska frågor när man ska utforma egna rangordnings-‐ övningar.
• Vilket syfte har man med övningen? • Vad ska den handla om?
• Hur bör den utformas för att leda till önskade mål?
Det första man bör tänka på är vilket syfte man har med den övning som utformas. Eftersom målen delvis skiljer sig om den exempelvis ska användas som ett hjälpmedel för studenternas lärande eller som en tentamensuppgift kommer det ofta att spela roll för övningens utformning. I den fortsatta diskussionen kommer vi att fokusera på uppgifter som är tänkta att användas som en del av lärandeprocessen, exempelvis som aktiverande avbrott i föreläsningar eller som diskussionsuppgifter.
Vad ska övningen handla om?
Eftersom rangordningsövningar har visats sig vara effektiva både för att lyfta fram och bidra till förändringar av studenternas förförståelse är det ofta bra att tänka på kända problem med studenters förförståelse när man utformar övningarna. Det kan bidra till att man som lärare lättare inser vilka aspekter man bör fokusera på i övningen. Här kan det vara värdefullt att läsa en del av den forskningslitteratur som finns om förförståelse inom det aktuella området.
Hur ska övningen formuleras?
Vanligtvis är det bra att försöka använda vardagligt språk och gärna koppla till vardagliga företeelser när man formulerar problemet. Ibland kan det dock finnas en poäng med att
använda fackuttryck. I vissa fall kanske det inte finns något alternativ. Det gäller främst inom de mer abstrakta områdena inom naturvetenskaperna.
Ibland kan det också vara en god idé att inkludera information som inte krävs för att lösa övningen. Det kan dels bidra till att göra studenterna medvetna om att vissa storheter inte påverkar vad som sker i den aktuella situationen. Det kan även röra sig om ren distraktion med syfte att stimulera studenternas kritiska tänkande genom att utmana dem att skilja på relevant och irrelevant information.
Vilka alternativ vill man ha?
De olika alternativen som studenterna ska rangordna bör förstås väljas så att de tydligt skiljer sig. De bör också tydliggöra de viktiga skillnader man vill att studenterna ska uppfatta.
Hur många olika alternativ bör man ha?
Oftast är det nog lagom med fyra till sex alternativ att rangordna. Hudgins, Prather, Grayson och Smits (2007) fann i sina studier att fler än sex olika alternativ kunde leda till onödig frustration hos studenterna eftersom de upplevt att det mest handlade om bokföring av olika alternativ. Ibland kan dock ämnet för uppgiften påverka hur många alternativ man rent logiskt bör ha. Det kan exempelvis bli aktuellt om det är ett givet antal alternativ, som planeter, grundämnen eller något annat, som ska rangordnas i uppgiften.
Hur ska illustrationerna utformas?
Illustrationerna spelar en viktig roll i den ursprungliga formen för rangordningsövningarna. Där var tanken att bilderna direkt ska leda studenterna in i problemställningen. Under vårt arbete med projektet har vi flera gånger sett att det inte alls är så enkelt. Det finns många områden inom de naturvetenskapliga ämnena som inte är helt enkla att illustrera. Det kan också vara svårt att få med all information man vill i illustrationen.
En viktig sak att tänka på när man illustrerar övningarna, som bland annat lyfts fram av Larsson och Andersson (2010), är att hålla sig till ämnesnormerna för att undvika förvirring. Ett exempel som de lyfter fram är rangordningsövningar i mekanik där olika stora krafter har ritats med lika långa pilar vilket riskerar att vilseleda studenterna.
Exempelövning -‐ Acceleration
Ett antal lådor med olika massa är från början i vila. De skjuts längs en isbana med varierande kraft enligt figurerna. Rangordna lådorna från den med lägst acceleration till den med högst acceleration.
Exempel 3. En övning med korrekt representation av kraftpilar. Det kan vara värdefullt att tänka på vilka olika typer av illustrationer man använder. Inom naturvetenskaperna används många olika representationer, som exempelvis diagram, grafer och vanliga bilder, när något ska illustreras. Genom att variera hur övningarna illustreras kan studenterna ges en bred uppfattning om hur kunskap kan representeras på olika sätt inom naturvetenskapen. Se exempelvis på alla de olika sätt som används för att illustrera en atom -‐ från kulmodeller i plast via planetliknande bohrmodeller till abstrakta matematiska beskrivningar. Ett brett användande av många olika representationer har också visat sig bidra till en
mer sammanhängande, mångsidig och robust förståelse av olika fenomen och samband (Redish, 2003).
Glöm inte förklaringsdelen.
En viktig del i grundstrukturen för rangordningsövningarna är den avslutande delen där studenterna ska förklara hur de tänkt. Även om övningen används som diskussionsunderlag är det fortfarande bra att ha kvar detta element. När man behöver formulera resonemanget skriftligt är alla studenter tvungna att tänka igenom resonemanget samt identifiera de koncept och/eller faktorer som är kritiska för fenomenet. De måste också sammanfatta allt detta till ett sammanhängande resonemang som tydligt visar att de förstått hur relevanta naturvetenskapliga samband kan användas för att beskriva eller förutsäga det som sker i den beskrivna situationen.
Hur konstruerar man en serie övningar?
STAFFAN ANDERSSON
Om man utformar flera rangordningsövningar som ska användas vid samma tillfälle, exempelvis ett övningspass bör man tänka igenom och planera hur man arbetar med progressionen mellan uppgifterna.
Matematikens roll
Matematikens roll inom ämnet är också något man kan arbeta aktivt med om man utformar en serie övningar. Särskilt enkelt är detta säkert inom fysiken, men det kan antagligen göras även i andra ämnen. De inledande övningarna kan börja med kvalitativa situationer som kräver en konceptuell analys och djupare tänkande än ren memorering eller reproduktion av formelbaserade lösningar. Sedan kan senare övningar inriktas mer mot kvantitativa resonemang, där man behöver tänka kring proportionaliteter eller genomföra beräkningar. Här kan numeriska värden med fördel presenteras i diagram, grafer eller tabeller.
Kunskapsbyggande
En strategi som fungerar väl när man utformar en serie av övningar är kunskapsbyggande (Scaffolding), en strategi presenterad av Wood, Bruner och Ross (1976). Strategin, som ursprungligen utformades för handledning, bygger helt enkelt på att man låter en serie övningar börja väldigt enkelt och vardagsnära för att sedan successivt fortsätta mot allt mer komplexa och ämnesspecifika övningar. Hudgins, Prather, Grayson och Smits (2007) arbetade med detta i sina studier och fann att det var mycket nyttigt att börja med övningar som påminde studenterna om vad de redan visste och vad de upplevt i sin vardag innan nya mer komplexa idéer som var typiska för ämnet introducerades. På detta sätt kan alltså rangordningsövningarna användas för att först fokusera på, och tydliggöra, existerande kunskap. Därefter kan nya koncept
introduceras och integreras i byggandet av mer holistiska kunskapsmodeller inom ämnet.
Variationsteori
Vid konstruktion av en serie med övningar har vi funnit det särskilt värdefullt att basera arbetet på variationsteori (se exempelvis Marton och Tsui, 2004). Rangordningsövningarnas form gör det både enkelt och effektivt att visa upp en variation för den eller de kritiska aspekter vi vill att studenterna ska uppmärksamma i sitt lärande.
I en serie övningar kan vi välja en aspekt att variera i de första övningarna och sedan andra i efterföljande övningar. Genom att variera först en faktor, sedan en annan och slutligen båda faktorerna i samma situation kan studenterna verkligen uppmärksammas på vilka faktorer som är viktiga, hur de spelar in på situationen och hur de olika faktorerna samspelar.
Elektriska kretsar
Olika antal likadana batterier kopplas in över likadana glödlampor.
a. Ordna kopplingarna utifrån ljusstyrkan hos glödlampan.
Minst ljusstyrka _____ _____ _____ Störst ljusstyrka
b. Ordna kopplingarna utifrån strömstyrkan genom tråden till glödlampan.
Lägst strömstyrka _____ _____ _____ Högst strömstyrka
c. Ordna kopplingarna utifrån spänningen över glödlampan.
Lägst spänning _____ _____ _____ Högst spänning
d. Ordna kopplingarna utifrån hur länge glödlampan kommer att lysa
Längst tid _____ _____ _____ Kortast tid
Exempel 4. En inledande övning om elektriska kretsar där det enda som varierar är antalet batterier parallellkopplade över
Effekter på lärande och resultat
PROJEKTGRUPPEN
Flera undersökningar har påvisat att rangordnings-‐övningar kan vara ett effektivt verktyg för lärande(se exempelvis Redish, 2003; Hudgins, 2005; Hudgins, Prather, Grayson & Smits, 2007). Inom vårt projekt har vi sett att detta stämmer väl för våra studenter inom alla de naturvetenskapliga ämnen och ämnesområden som vi arbetat inom. Övningarna främjar studentaktivitet och konceptuell förståelse och kan effektivt användas för att tydliggöra kritiska aspekter som är centrala för lärandemålet för studenterna. Den tydligaste effekten ser vi när vi undersöker studenternas upplevelser av att arbeta med rangordningsövningarna.
Studenternas upplevelser
I samtliga undersökningar och utvärderingar som gjorts inom vårt projekt lyfter studenterna fram att uppgifterna bidragit till diskussioner och kreativt tänkande inom ämnet.
Exempel från biologin
I samband med att studenterna på basårets Biologi, baskurs A, arbetat med rangordningsövningar inom avsnittet om evolution gjordes en undersökning av deras uppfattningar om rangordningsövningar.
De övervägande positiva uppfattningarna sammanfattas i följande graf.
Graf 1. Svarsfördelning för olika frågor om rangordnings-
övningar i biologi.
Studenterna uppskattade rangordningsövningarna som undervisningsform. Även i de öppna kommentarerna var de flesta mycket positiva.
Man får försöka använda sina inlärda kunskaper på ett mer kreativt sätt. (Annars blir det mer ett upprepande).
Man reflekterar mer och rabblar inte bara utantill-kunskap. Fokus blir mer på förståelse och mindre på att repetera uppräkningar från boken.
Illustrationerna är bra, det blir inte samma utantill-tänk. Man får använda kunskaperna mer praktiskt, om du förstår vad jag menar.
Det satte igång hjärnan att tänka i andra banor.
Det känns som man får tänka mer än när man bara svarar på text. Dessa uppgifter gjorde att man fick koppla intrycket från bilder och med hjälp av sin kunskap svara med egna ord.
De flesta ansåg att övningarna var ett givande inslag i undervisningen som fick dem att diskutera och även värdera sin kunskap om olika fenomen. Många av studenterna ansåg att de gärna kunde tänka sig fler rangordningsövningar i undervisningen, men att de skulle ses som ett komplement till andra övningar och inte ersätta dessa. Uppgifterna var av
skiftande karaktär där två av uppgifterna inte hade ett entydigt svar utan ordningen kunde diskuteras ur flera olika synvinklar. Några studenter blev frustrerade över detta och uttryckte att de inte ville utföra uppgifter där de inte kunde få ett ”rätt” svar.
Exempel från fysiken
Även inom de fysikkurser där rangordningsövningar prövades var studenterna mycket positiva. En särskilt detaljerad utvärdering av detta genomfördes på en fysikkurs där studenterna arbetat med övningarna i smågrupper (Larsson & Andersson, 2010). I utvärderingen var studenterna över lag mycket positiva till sina upplevelser av rangordnings-‐ övningarna. De allra flesta ansåg att övningarna bidragit till en ökad förståelse av de olika fysikaliska begrepp de arbetat med.
Graf 2. Svarsfördelning för en fråga om rangordningsövningars bidrag till ökad förståelse av fysikaliska begrepp.
Något som syntes särskilt tydligt i undersökningen var att studenterna upplevde att rangordningsövningarna bidrog på ett värdefullt sätt till deras färdighetsträning. Särskilt tydligt var det när det gällde förmågan att muntligt diskutera fysik. Det är ett område där studenter oftat påtalat att de saknar träning i sina kurser.
Graf 3. Svarsfördelning för en fråga om rangordningsövningars bidrag till färdighetsträning i muntliga diskussioner.
Den allmänna uppfattningen bland fysikstudenterna verkade alltså vara att rangordningsövningarna fungerade bra som ett komplement till annan undervisning.
Exempel från geovetenskapen
Inom geovetenskapen fungerade det väldigt bra med integrerade rangordningsövningar i undervisningen. Dessa övningar blev ännu en värdefull resurs i en verktygslåda full av olika övningar som kan användas i undervisningen. Särskilt lyckat var att använda övningarna som en del av exkursioner och andra fältövningar.
Exempel från kemin
På kemikurserna observerade vi att studenterna tog sig an uppgifterna med stort allvar och koncentration. Någon uppgift hade kanske krävt mer tid eller mer förberedande information från föreläsaren för att fungera riktigt bra.
Studenterna uppfattade övningarna som ett mycket positivt inslag i föreläsningarna. Ett avbrott med tid för eftertanke och diskussion är uppenbarligen ett behov som kan uppfyllas med denna typ av övningar. Efter den andra omgången övningar på
kemiteknikprogrammet hade vi en muntlig utvärdering. Studenterna var genomgående positiva och sa saker som:
Det här gjorde att vi förstod. Vi gjorde det till vårt eget.
Det var mycket bättre att vi själva fick sammanfatta genom övningen än om läraren hade gjort det.
Dessutom ställde studenterna många fler insiktsfulla frågor efter övningen än före.
Denna typ av övningar kan alltså fylla ett viktigt behov genom att fungera väl som aktiverande inslag i föreläsningar. Vi tror också att övningarna kan användas under lektionstid med mer tid och återkoppling från läraren. Då kan studenterna kanske utgå från övningarna och själva leta efter samband och diskutera sig fram till svaren utan tidigare genomgång.
Studenternas lärande
Under projektet genomförde Tobias Jakobsson ett försök på kursen Biovetenskap för att undersöka övningarnas inverkan på studenters lärande. Under en föreläsning fick studenterna arbeta med övningar om genetisk drift. Vid den obligatoriska efterföljande duggan användes sedan en rangordningsövning liknade de som gåtts igenom. Uppgiften som gavs hade två delmoment -‐ studenterna uppmanades först att skriva den korrekta ordningen, och sedan motivera sitt svar. Intressant nog föll det sig så att närvaron vid föreläsningstillfället var låg, vilket gjorde att två naturliga testgrupper uppstod – de som närvarat på föreläsningen (18 st) och de som uteblivit och inte deltagit i övningen(12 st).
Vid en jämförelse mellan de två grupperna visade det sig att studenter från båda grupperna i allmänhet presterade lika bra när det gäller att få ordningen rätt, men stora skillnader fanns i kvaliteten på de motiveringar som gavs (Graf 4). En möjlighet är att de observerade skillnaderna var ett resultat av samvariation med andra faktorer – samband mellan närvaro på
