NATURVETENSKAP– MATEMATIK–SAMHÄLLE
Examensarbete vidareutbildning för lärare.
15 högskolepoäng, grundnivåVarför lär elever sig inte fysiken?
- förutsättningskedjor och kapitelprov
Why do pupils fail physics?
Chains of prerequisites and tests
Jens Bardtrum
Examen och poäng (Ämneslärare i fysik, gymnasieskolan)
Datum för slutseminarium (2021-06-06)
Examinator: Per-Eskil Persson Handledare: Peter Bengtsson
2
Sammanfattning
Det är en återkommande utmaning för lärare att identifiera de faktorer som gör att några elever har svårt att klara en kurs de läser på gymnasiet. Om läraren ska kunna sätta in rätt stöd för att hjälpa eleven behöver läraren förstå orsaken. En orsak till att en elev inte lär sig innehållet i en kurs kan vara att hen inte har förutsättningar för att ta till sig undervisningen. Denna studie undersöker vilka förutsättningar eleven behöver ha uppfyllt för att kunna lära sig innehållet i de olika kapitlen i läroboken Impuls Fysik1. Detta görs med en läromedelsanalys som har det sociokulturella perspektivet som teoretisk grund. Lärobokens innehåll kan beskrivas som organiserat i förutsättningskedjor. Om en elev inte lär sig ett begrepp i kedjan bryts kedjan och eleven har inte förutsättningar för att fortsätta framåt i kursen. Majoriteten av de begrepp som bildar förutsättningskedjorna är så kallade tröskelbegrepp. Studien visar också att kapitelproven inte mäter om eleven har förstått de olika begrepp som ingår i förutsättningskedjorna, däremot matchar de noga kraven för betyget E som de formuleras i kunskapskraven och de centralt framtagna kursproven.
3
Innehåll
1. Inledning ... 4
1.1 Syfte och frågeställningar ... 5
2. Litteraturgenomgång ... 6
2.1 Matematikkunskaper ... 6
2.2 Tröskelbegrepp ... 7
3. Teoretisk bakgrund ... 9
4. Metod och genomförande ... 11
4.2 Reliabilitet och urval ... 12
4.3 Etiska aspekter ... 12 5. Resultat ... 13 5.1 Läroboken ... 13 5.2 Kapitelprov ... 17 5.3 Krav för betyget E ... 18 6. Analys av resultatet ... 21 6.1 Läroboken ... 21 6.2 Kapitelprov ... 22 6.3 Krav för betyget E ... 23 6.4 Gemensam analys ... 24
7. Slutsats och diskussion ... 25
7.1 Slutsats ... 25
7.2 Diskussion ... 26
7.3 Påverkan på min yrkesroll ... 27
7.4 Fortsatt forskning ... 29 Referenser ... 30 Bilagor ... 32 Kapitelprov, kapitel 3 ... 32 Kapitelprov, kapitel 4 ... 43 Kapitelprov, kapitel 5 ... 55 Kapitelprov, kapitel 9 ... 66 Kapitelprov, kapitel 11 ... 75
4
1. Inledning
En av de största utmaningar när man jobbar som lärare är de elever som inte lär sig det som är meningen med undervisningen och som därför riskerar få betyget F i kursen. När man upptäcker att en elev riskerar att misslyckas i kursen behöver man utreda orsaken och sätta in stöd för att undvika att eleven får betyget F. För att ge eleven optimal möjlighet att klara kursen behöver man som lärare försöka upptäcka varningssignaler om att eleven inte lär sig tillräckligt mycket så tidigt som möjligt. I många ämnen är det traditionellt så att man har prov på varje kapitel i läroboken och dessa prov bedömas utifrån kursens kunskapskrav. Om en elev får F på ett sådant kapitelprov tas det som ett sådant varningstecken. För att kapitelproven ska fungera som sådana varningstecken behöver de relativt precist mäta inte bara elevens kunskaper om just det kapitlet, utan resultatet behöver kunna kopplas till en uppskattning av elevens risk att inte klara kursen. Denna studie undersöker med utgångspunkt i kursen Fysik1a och läroboken Impuls Fysik1 några aspekter av denna frågeställning.
Kursen Fysik1a är den första fysikkursen som läses av elever på teknik- och det naturvetenskapliga programmet på gymnasiet. Traditionellt påbörjas undervisningen utan att antaga att eleverna har förkunskaper i fysik med från grundskolan. Däremot kräver kursen en viss mängd matematikkunskaper. Fysik1a kan både läsas i ettan (dvs parallellt med Ma1c/Ma2c) eller i tvåan (dvs parallellt med Ma3c och eventuellt Ma4) varför kraven på matematikförkunskaper egentligen bör vara ganska låga – om läroboken och läroplanen följer detta är dock en fråga som ingår i denna undersökning.
På den gymnasieskola där jag jobbar läses kursen i tvåan och eleverna har alltså läst en del matematik och skulle kunna förväntas ha mer än de matematikkunskaper som krävs, men ändå är den samstämmiga bilden från mina kollegor och jag att en ganska stor andel av eleverna verkar ha problem med den matematiken som behövs i kursen.
Olika delar av en kurs bygger på att man redan har olika kunskaper och förmågor – om en elev inte har dessa förutsättningar för en given del av kursen har eleven ingen chans att tillgodogöra sig undervisningen oavsett om hen försöker allt hen kan eller om det sätts in stöd av olika slag – om stödet inte är målriktat mot att ge eleven de ovanstående förutsättningar. Förkunskaperna kan även vara från andra ämnen som matematik (se ovan), kemi eller annat. Främst kommer det dock vara kunskaper inom ämnet som det ska byggas vidare på och som i detta tillfälle alltså främst ska ha lärts tidigare under kursens gång.
5
För att inte ”tappa” eleverna på vägen måste man som lärare identifiera en ”karta” över kursen med dessa förutsättningar och mäta om eleven har förutsättningarna för att gå vidare i kursen. Om eleven inte har det måste eleven hjälpas att nå dessa förutsättningar.
Då läroboken traditionellt är en mycket central del av undervisningen i fysik och att den därmed till stor del styr undervisningen är det relevant att analysera läroboken utifrån vilka (outtalade) krav på förkunskaper som finns för de olika delar av läroboken.
Dessa outtalade krav kan tänkas att avvika från den nivå på kunskaper och förmågor som krävs för betyget E, varför det kan hända att de kapitelprov som generellt genomförs för att se om eleverna har lärt sig tillräckligt inte fångar att några elever saknar de förkunskaper som krävs för att gå vidare i läroboken (trots att kapitelprovet visar att eleven ha kunskaper på E-nivå). En anledning till att en sådan diskrepans kan ligga i skillnaden mellan konceptuell och procedurell kunskap (Hiebert, 1986): Många uppgifter på E-nivå handlar om att kunna genomföra en given procedur medan man kan tänka sig att det som behövs för att gå vidare och lära sig nya saker är kunskaper som är av mer begreppsmässig (konceptuell) karaktär.
1.1 Syfte och frågeställningar
Syftet med studien är att ge läraren ett verktyg för att undvika att elever kommer till att vara i en situation där undervisningen på någon tidpunkt under kursen bygger på ett antagande om eleven har vissa förmågor/kunskaper inom fysik, matematik eller annat som elevens faktiskt inte har. För att nå detta syfte undersöker jag följande frågeställningar:
• Om undervisningen utgår från ett specifikt läromedel – här boken Impuls - vilka delar av kursen Fy1a har vilka förutsättningar för att kunna läras?
• I vilken mån matchar dessa förutsättningar läroplanens krav för betyget E?
• I vilken grad mäter kapitelproven om eleven har de förutsättningar från ett kapitel som kommer behövas senare i kursen?
6
2. Litteraturgenomgång
Läromedel har tidigare analyserats utifrån ett antal olika aspekter tex. genus, i vilken grad läromedlet matchar läro- och ämnesplan, användandet av bilder mm. (Jin, 2002, Yasar & Seremet, 2007, Kesidou, 2001). Jag har dock inte hittat någon som har undersökt om vad läromedlet förutsätter att eleven kan på olika stadier av kursen för att kunna tillgodogöra sig materialet som ingår i den delen av kursen.
2.1 Matematikkunskaper
Fysik som vetenskap har en lång tradition av att använda matematik som språk och denna tradition avspeglas i ämnesplanerna för fysik på gymnasiet (Skolverket, 2011). Det har därför gjorts en del studier av vilka matematikkunskaper som är förutsättningar för att kunna lära olika delar av fysiken. Dessa studier har dock inte haft utgångspunkt i ett läromedel och enbart fokuserat på matematikkunskaper.
Det ska påpekas att det finns andra traditioner för undervisning i fysik tex conceptual physics som är ett sätt att undervisa i fysik som fokuserar mer på begrepp än på formler och beräkningar (Taşlıdere & Eryilmaz, 2009).Som nämnt ovan är det dock inte denna tradition som dominerar ämnesplanen och följaktligen inte heller läroboken.
Retnavi, Arlinwibowo, Wulandari och Pradani (2018) undersöker hur mismatch mellan de matematikkunskaper eleverna på en given tidpunkt i deras skolgång har fått från matematikundervisningen och den matematiken som behövs för att förstå fysiken påverkar undervisningen. Studien visar att när det finns en sådan mismatch reagerar fysiklärarna genom att själva undervisa i den nödvändiga matematiken innan själva fysikundervisningen.
Även Burkholder, Murillo-Gonzalez och Wieman (2021) undersöker vilka matematiska förutsättningar som finns för att ta till sig fysikundervisning. Specifikt undersöker de vilka kunskaper studenterna har i vektoranalys och hur det påverkar deras resultat i fysikkurser. Detta görs genom en statistisk undersökning där det beräknas hur mycket det att ha klarat olika matematikkurser påverkar chansen för att klara olika fysikkurser och kopplar det till vilka typer av uppgifter som studenterna inte klarar att lösa.
7
Studierna är relevanta för detta examensarbete då en del av de förutsättningar som finns för att kunna ta till sig innehållet i läroboken är matematiska och att det i alla fall på individnivå förekommer mismatch mellan matematikkunskaperna och förutsättningarna.
2.2 Tröskelbegrepp
Tröskelbegrepp är begrepp som uppfyller ett antal karakteristika, bland annat att de är svåra att lära och att när man väl har lärt dem kommer det ändra hur man förstår det ämnesområde som tröskelbegreppet beskriver (Meyer & Land, 2003). Man kan därför förvänta att det är just tröskelbegrepp som ställer till problem när eleven ska lära sig något under kursen och sedan behöver detta för att tillgodogöra sig nya delar av kursen.
Det har varit kritik av begreppet tröskelbegrepp (Rowbottom, 2007; Salwén, 2021). Kritiken i dessa artiklar handlar främst om att begreppet tröskelbegrepp inte är väldefinierat då kraven för att ett begrepp ska vara ett tröskelbegrepp är för vaga. Dessutom påpekas det att ett begrepp som är svårt att lära sig för en elev eller student inte behöver vara det för en annan elev eller student. Trots denna kritik har begreppet tröskelbegrepp varit använd mycket i den vetenskapliga litteraturen och kunnat användas till att förbättra förståelsen av elever och studenters lärande (Nicola-Richmond & Larkin, 2018) Även om majoriteten av de arbeten som gjorts om tröskelbegrepp är baserade på utbildningar på högskole- och universitetsnivå verkar begreppet vara lika användbart på lägre utbildningsnivåer (Kinchin, 2010). Jag håller med de teoretiska invändningar som Rowbottom (2007) och Salwén (2021) framför, men min tolkning av situationen är att om man som lärare identifierar de begrepp i en kurs som man tror har de ovannämnda karakteristika för tröskelbegrepp kommer man ha identifierat de begrepp som en majoritet av eleverna kommer ha svårt att lära och som kommer vara viktiga för elevens ämnesmässiga utveckling. Den exakta mängden av begrepp i en kurs som man identifierar som tröskelbegrepp eller om en andel av eleverna inte uppfattar begreppet som svårt påverkar inte nyttan av att ha identifierat majoriteten av de svåra och utvecklande begreppen i kursen.
Detta arbetes frågeställningar handlar bland annat om i vilken grad proven mäter om eleverna har de förutsättningar som behövs för att ta sig an de kommande kapitlen i boken. Då det som nämnt kan förväntas att vara tröskelbegrepp som ger problem i detta hänseende är studien av Nicola-Richmond, Pépin, Larkin och Taylor (2018) intressant då den sammanställer kunskapen om
8
mätning av passager av trösklarna. Korsandet av trösklarna kallas threshold passage på engelska vilket Ljungkvist (2017) översätter till tröskelpassage. Generellt kan man dra slutsatsen att det inte finns ett vedertaget sätt att mäta om en elev eller student har passerat tröskeln. Dessutom bör en sån mätning konstrueras utifrån den specifika situationen – det är dock osannolikt att mätningen kan göras med simpla frågor som multiple choice eller liknande. Det är inte säkert att det (enbart) är tröskelbegrepp som är relevanta förutsättningar för vidare lärande i min studie. Det är ändå troligt att mätningen av om eleven har förutsättningarna för följande delar av kursen kräver mer komplicerade verktyg än ett enkelt test på multiple choice-nivå, likt mätning av tröskelpassager. Scheja och Pettersson (2010) ger ett exempel på hur man med hjälp av intervjuer kan undersöka typen och nivån på studenternas kunskaper. Studien visar dock också på att i alla fall en del av resultaten kan uppnås med hjälp av att studenterna skriver svar på genomtänkta frågor. Detta är mycket relevant för denna studie då en del av denna studie handlar om att undersöka om kapitelproven mäter om eleverna har förstått tillräckligt av innehållet i ett kapitel för att ha förutsättningar för att lära sig innehållet i de kommande kapitlen.
9
3. Teoretisk bakgrund
Denna uppsats har det sociokulturella perspektivet som teoretisk bakgrund. Bakgrunden för detta perspektiv är insikten att behaviorismens sätt att se på kunskap inte kan förklara alla de komplicerade förmågor människor kan lära sig. Det sociokulturella perspektivets syn på hur människan förstår världen bygger på mediering. Medieringen görs med hjälp av verktyg för medieringen som till exempel kan vara språket. Lärande kan då förklaras med hjälp av begreppet
appropriering, det vill säga förståelsen av de verktyg som medierar världen (Shabani, 2016).
Att lära sig genom mediering med språket som verktyg visar på den centrala roll som sociala interaktioner har i lärandet. Dessa sociala interaktioner händer i situationer som kallas
praxisgemenskaper, som till exempel kan vara klassrumssituationen där eleverna lär sig genom sociala
interaktioner med läraren och andra elever (Shabani, 2016).
En följd av det sociokulturella perspektivet är begreppet proximal utvecklingszon, Zone of Proximal Development (ZPD) på engelska som definieras som
“the distance between the actual developmental level as determined by independent problemsolving and the level of potential development as determined through problem solving under adult guidance or in collaboration with more capable peers” (Vygotsky, 1978) s. 86
Jag använder den vedertagna förkortningen ZPD i hela denna uppsats. ZPD beskriver inte bara vilka typer av uppgifter som eleven kan lösa. Då det är genom att lösa uppgifter att eleven lär sig behöver undervisningen ge eleven möjlighet att jobba med uppgifter som ligger inom den enskilda elevens ZPD (Siyepu, 2013). Elevens ZPD har som det framgår av citatet två gränser: Det som är så lätt för eleven att det blir tråkigt och det som är så svårt att eleven inte kan delta i lösningen av uppgiften. Dessa gränser avgörs av elevens tidigare förkunskaper, så för att optimera undervisningen behöver läraren kontinuerligt mäta elevernas kunskaper och förmågor och anpassa innehåll och nivå efter detta. Under kursens gång utvecklas elevens kunskaper och förmågor och detta mätas med hjälp av kapitelprov.
Det sociokulturella perspektivet och ZDP kan också relateras till forskningen om feedback (Hattie & Timperley, 2007) som visar att feedback är ett kraftfullt verktyg för att hjälpa eleven i sitt lärande och att nivån feedbacken ges på är viktigt för effekten. Detta passar ihop med att lärandet händer
10
i sociala interaktioner med läraren och att feedbacken måste passa ihop med att hjälpa eleven med uppgifter som ligger inom dennas ZPD och som hjälper eleven flytta gränserna för sin ZDP. ZPD kan ses i relation till tröskelbegrepp (Meyer & Land 2003): Tröskelbegreppen är trösklar som avgränsar ZPD, så eleven bara kan ta till sig undervisning som bygger på tröskelbegrepp som eleven redan har förstått. Om undervisningen däremot bygger på ett eller flera tröskelbegrepp som eleven ännu inte har förstått kommer undervisningen att ligga utanför elevens ZPD och eleven kan inte tillgodogöra sig undervisningen. Då tröskelbegrepp är svåra att lära sig och förstå kan eleven bli lämnat kvar i sin ZPD utan att ha en chans att komma ifatt. Detta är självklart en situation man som lärare måste försöka att undvika att eleverna kommer i.
11
4. Metod och genomförande
Undersökningen består av tre delar:
• Kvalitativ textanalys av läroboken Impuls Fysik1 (Fraenkel, Gottfridsson & Jonasson, 2011) för att identifiera vilka förutsättningar som krävs för att ta sig an de olika delarna av boken.
• Kvalitativ textanalys av kapitelprov för att undersöka i vilken grad de testar om eleven har de ovannämnda förutsättningarna när hen är klar med kapitlet.
• Kvalitativ textanalys av ämnesplan och centralt konstruerade kursprov från Bedömningsportalen för att undersöka hur kraven för betyget E matchar resultaten av de två föregående delarna.
Den metod jag har använt mig av är inspirerat av Pearson och Hiebert (2013) och Yanoff, LaDuke och Lindner (2014)
Metoden bygger på att identifiera alla väsentliga delar av lärobokens innehåll och för varje av dessa analysera hur dessa begrepp/förmågor introduceras och beskrivs för att sedan identifiera vad eleven behöver ha som förkunskaper för att kunna ta till sig undervisning om varje av dessa väsentliga delar av lärobokens innehåll. En del av dessa förkunskaper kommer vara innehåll i tidigare kapitel i boken.
Observera att det som identifieras är vad som krävs för att ta till sig lärobokens innehåll – inte vad som krävs för att förstå begreppen i deras fullständiga och korrekta definition. Ett exempel på denna skillnad kan vara begreppet arbete: Den korrekta definitionen innehåller skalärprodukt mellan vektorer och integraler medan läroboken gör en definition som enbart har grundläggande förståelse av vektorer som matematisk förutsättning.
När dessa förkunskapskrav är identifierade kontrolleras det om kapitelproven för de tidigare kapitlen i boken testar om eleverna har dessa förkunskapskrav.
Förkunskapskraven jämförs också med vad som krävs för betyget E genom att analysera såväl kunskapskraven som de centralt konstruerade kursproven från Bedömningsportalen (u.d.) och Kursprov (2014).
12
4.2 Reliabilitet och urval
Valet att analysera boken Impuls Fysik1 (Fraenkel, Gottfridsson & Jonasson, 2011) framför andra läroböcker för kursen Fysik1a är ett bekvämlighetsval som bygger på att det är den boken jag använder i min egen undervisning.
Urvalet av kapitelprov är ett bekvämlighetsurval genom att jag kunde få dessa från en kollega. För de centrala kursproven har jag analyserat alla de prov som finns på (Bedömningsportalen, u.d.), så där finns det inget urval.
4.3 Etiska aspekter
Datainsamlingen kommer inte beröra människor och de etiska riktlinjerna kommer därför inte behöva beaktas.
Möjligen kan användandet av de centrala kursproven göra att en del av arbetsmaterialet är sekretessbelagd och därför behöver hanteras därefter. Denna sekretess berör dock inte personuppgifter, men fysikuppgifter. För denna uppsats behövs dock inte att visa hela uppgifter, bara att beskriva vad som krävs för att nå betyget E på dessa prov. Det finns dock ett exempel på ett sådant kursprov som inte är omfattat av sekretess (Kursprov, 2014).
13
5. Resultat
Som beskrivit i metodavsnittet består undersökningen av tre delar: Undersökning av läroboken, kapitelprov och kraven för betyget E. Läroboken undersöks för att identifiera vilka delar av innehållet som bygger på andra delar av kursen eller kunskaper från andra ämnen. Då detta är den första fysikkursen på gymnasiet och vi som nämnts i inledningen inte planerar kursen utifrån att eleverna har kunskaper med sig från grundskolan kan dessa förutsättningar inte vara fysikkunskaper från tidigare. Kapitelproven undersöks för att identifiera vad som krävs för provbetyget E. Kraven för betyget E undersöks genom att analysera kunskapskraven och de centralt konstruerade kursproven.
Dessa tre delar presenteras separat nedan.
5.1 Läroboken
Resultaten presenteras nedan i ett format där det för varje kapitel framgår vilket innehåll det är i kapitlet och vilka förutsättningar som krävs för de olika delar av innehållet. Som nämnts i metodavsnittet är de förutsättningar som nämnas, de förutsättningar som krävs för att lära sig kursens innehåll utifrån boken, inte vad som krävs för att göra en korrekt och heltäckande fysisk-matematisk beskrivning av begreppen.
En annan sak som är värd att påpeka är att det som presenteras är de förutsättningar som krävs för att ta till sig innehållet av boken, vilket bland annat inkluderar förklaringar av vad olika fysikaliska lagar och samband bygger på. Genomgången av prov och kunskapskrav nedan visar dock att det inte krävs att eleven förstår dessa förklaringar för att nå betyget E.
Grundläggande algebra är förutsättning i hela boken, varför det inte nämns i tabellen under varje kapitel. Även enheter och prefix från kapitel 2 i boken är förutsättningar för resten av boken och nämns inte för varje efterföljande kapitel.
Däremot är det påfallande att det inte förutsätts kunskaper från grundskolans fysikundervisning. Kapitel 1 beskriver fysikens natur som en gren av naturvetenskapen. Detta kapitel har inga särskilda förutsättningar för att kunna förstås.
14
Kapitel 2 ger eleverna lite grundläggande träning i att kunna räkna på fysiska problem. Häri ingår prefix, enheter, densitet och mätosäkerhet. Detta kapitel har inga särskilda förutsättningar för att kunna förstås.
Kapitel 3 handlar om rörelse, vilket inkluderar medel- och momentan-hastighet, acceleration, st-diagram och vt-diagram. Detta kapitel har ett antal matematiska förutsättningar för att kunna förstås: Vektorer och trigonometri för att kunna hantera beskrivningen av sträcka, hastighet och acceleration som vektorer och kunna komposantuppdela dessa. Dessutom krävs förståelse av grafer för att kunna lära sig vt- och st-diagram. Mer specifikt behöver eleven ha förståelse av lutning av tangent och sekant, arean under grafen samt kunna avläsa på grafen. Detta för att kunna få ut acceleration, hastighet och sträcka ur diagrammen.
Kapitel 4 introducerar begreppet kraft. Beskrivningen bygger på Newtons lagar och inkluderar korta förklaringar och formler för att räkna på krafter i vardagen som till exempel tyngdkraft, gravitation, fjäderkraft, normalkraft och friktionskraft. Kapitlets förutsättningar är dels matematikförutsättningen vektorer (krafter beskrivs matematiskt med vektorer), dels förståelse av hastighet och rörelse från kapitel 3 (en kraft är något som kan ändra ett objekts hastighet).
Kapitel 5 behandlar begreppen arbete, energi, effekt, verkningsgrad samt rörelsemängd samt beskriver energiprincipen. För att förstå avsnittet om arbete är det en förutsättning att eleven har förstått beskrivningen av krafter som vektorer från kapitel 4 medan avsnittet om rörelsemängd kräver att eleven har förstått ett antal saker om krafter från kapitel 4: Vad det är, Newtons lagar samt att de beskrivs som vektorer. Dessutom krävas det också att eleven har förstått att hastighet beskrivs som vektorer (kapitel3).
Kapitel 6 om tryck i olika former har begreppet kraft från kapitel 4 som förutsättning liksom att begreppet densitet från kapitel 2 är en förutsättning för att förstå Arkimedes princip.
Kapitel 7 handlar om värme och därmed om uppvärmning/kylning och fasövergångar. Dessutom finns det ett par avsnitt om väder. Hela kapitlet har energi från kapitel 5 som förutsättning. Kapitel 8 om hållbar energiförsörjning tar upp lite om termodynamik, energiförsörjning och miljöpåverkan. Detta kapitel har energi och effekt från kapitel 5 samt tryck från kapitel 6 som förutsättningar.
15
Kapitel 9 behandlar olika delar av elläran som laddning, elektriska kretsar och elektriska fält. Kapitlet har kraft från kapitel 4 som förutsättning medan energi från kapitel 5 är en förutsättning för att eleven kan förstå avsnittet om elektriska kretsar.
Kapitel 10 introducerar speciell relativitetsteori och partikelfysik. Avsnittet om relativitetsteori kräver att kapitel 2 om rörelse är förstådd. Avsnittet om partikelfysik har kraftbegreppet från kapitel 4 och laddning från kapitel 9 som förutsättningar.
Kapitel 11 behandlar elektromagnetisk strålning, isotoper och nuklider, kärnreaktioner, strålningen möter materia, strålning och liv, fission och fusion och medicinske metoder. Energi från kapitel 5 är en förutsättning för hela kapitlet medan avsnittet isotoper och nuklider kräver att eleven har förstått formeln 𝐸 = 𝑚𝑐! från relativitetsteoridelen av kapitel 10. För beräkningar på kärnreaktioner krävs logaritmer (matematikförutsättning) och delarna om strålning och liv kräver grundläggande cellbiologi.
Resultaten om läroboken förutsättningskedjor sammanfattas i Tabell 5.
Kapitel Innehåll Förutsättningar
1. Vad är fysik? Vad är fysik? -
2. Fysikens grunder Enheter
Prefix Densitet
Mätosäkerhet mm.
-
3. Rörelse
Medel- och momentan-hastighet Acceleration st-diagram vt-diagram Vektorer Trigonometri
Grafer (lutning, tangent mm.)
4. Kraft Kraftbegreppet Newtons lagar Krafter i vardagen Vektorer Rörelse Acceleration
5. Energi och rörelsemängd Arbete
Energiprincipen Olika typer energi
16
Effekt och verkningsgrad
Rörelsemängd Kraft/Newtons lagar
Hastighet och krafter som vektorer. 6. Tryck Tryck Vätsketryck Arkimedes princip Ideala gaslagen Kraftbegreppet Densitet
7. Värme och temperatur
Temperatur – värme Smälta och stelna Klimat och väder*
Energi 8. Hållbar energiförsörjning Termodynamik Energiförsörjning Miljöpåverkan Energi Tryck Effekt 9. Elektricitet Laddning Elektriska kretsar Elektriska fält Kraftbegreppet Energi 10. Relativitetsteori och partikelfysik Relativitetsteori* Partikelfysik* Rörelse Kraftbegreppet Laddning 11. Kärnfysik Elektromagnetisk strålning* Isotoper och nuklider Kärnreaktioner
Strålningen möter materia Strålning och liv
Fission och fusion Medicinske metoder Energi Relativitetsteori (E=mc2) Exponentialfunktionen och logaritmer Grundläggande cellbiologi Grundläggande cellbiologi
Tabell 1. Översikt över kapitel, innehåll samt förutsättningar för de olika delarna av innehållet. Områden som i centralt innehåll för kursen enbart anges som orientering är markerade med *. Förutsättningar som eleven förväntas har lärt sig i tidigare kapitel i boken är skrivna med fet stil. Förutsättningar som gäller hela kapitlet står först och förutsättningar för varje avsnitt står bredvid det avsnittets innehåll.
Denna genomgång inkluderar enbart det som behövs för att ta till sig teorin. I boken finns det tex självklart exempel och uppgifter där man ska räkna ut arbetet som en specifik kraft tex friktion utför och det kräver att eleven har förstått denna.
17
5.2 Kapitelprov
På den skola där kapitelproven har samlats in brukar det vara ett halvkursprov efter kapitel sex, varför det inte finns specifika kapitelprov för det kapitlet. Kapitel 7 brukar examineras med en laborativ uppgift och de delar av det centrala innehållet som handlar om hållbar utveckling brukar behandlas utifrån annat material än läroboken och examineras med inlämningsuppgifter och/eller muntliga seminarier, varför det inte heller finns kapitelprov för dessa två kapitel. Innehållet i kapitel 10 står bara som ”orientering om” i ämnesplanen (Skolverket, 2011), varför prov på det kapitlet saknas.
Nedan görs en kortfattat genomgång av varje kapitelprov. Först anges hur många E-poäng det krävs för att få provbetyget E av det totala antalet möjliga E-poäng på provet. Detta anges för att läsaren kan få en bild av hur stor del av kapitlets innehåll som eleven inte behöver ha några kunskaper om alls och ändå kunna klara kapitelprovet. För kapitelprovet för kapitel 11 ingick det inte information om poänggräns för provbetyget E i rättningsmallen för provet.
Kapitel 3 (7/10)
Samtliga E-poäng ges för lösning av uppgifter där det ska göras beräkningar med hjälp av bara en formel. För att få E-poäng behöver beräkningarna vara korrekta.
Alla E-poäng ges för innehåll från det relevante kapitlet.
E-uppgifterna täcker innehållet medel- och momentan-hastighet, acceleration samt vt-diagram. Kapitel 4
(7/11)
En E-poäng ges för att bestämma en acceleration (kunskap från kapitel 3). En E-poäng ges för att rita summan av två vektorer (matematisk förkunskap).
En majoritet av E-poängen ges för lösning av uppgifter där det ska göras beräkningar med hjälp av bara en formel. För att få E-poäng behöver beräkningarna vara korrekta.
Två av E-poängen ges för att med hjälp av Newtons första lag inse att konstant hastighet betyder att den resulterande kraften är noll.
E-uppgifterna täcker innehållet kraftbegrepp, Newtons lagar samt krafter i vardagen. Kapitel 5
18
(6/9)
Samtliga E-poäng ges för lösning av uppgifter där det ska göras beräkningar med hjälp av bara en formel. På tre uppgifter ges det ett E-poäng för ”ansats” och ett för korrekt svar, de tre resterande E-poängen kräver att uppgiften lösas korrekt.
Alla E-poäng ges för innehåll från det relevanta kapitlet.
E-uppgifterna täcker innehållet arbete, olika typer energi samt rörelsemängd. Kapitel 9
(6/9)
E-poängen ges för uppgifter där flera formler/lagar/begrepp kombineras. Den enskilde poängen ges för användning av en formel, men totalt fyra av E-poängen kräver att eleven redan har använd en formel/lag/begrepp korrekt innan (och fått E-poäng för det).
En E-poäng ges för användning av Newtons andra lag (kunskap från kapitel 4). E-uppgifterna täcker innehållet elektriska kretsar och elektriska fält.
Kapitel 11 (?/9)
E-poängen ges mest för lösning av uppgifter där det ska göras beräkningar med hjälp av bara en formel eller för att slå upp relevante informationer i formelsamlingen. Totalt tre E-poäng ges dock för uppgifter som kräver att eleven redan har använd en formel/lag/begrepp korrekt innan (och fått E-poäng för det).
E-uppgifterna täcker innehållet isotoper och nuklider samt kärnreaktioner.
5.3 Krav för betyget E
För att avgöra vad som är kraven för betyget E undersöks dels genom kunskapskraven, dels genom de centralt konstruerade kursproven.
De relevanta delarna av kunskapskraven för denna undersökning är:
”Eleven redogör översiktligt för innebörden av begrepp, modeller, teorier och arbetsmetoder från vart och ett av kursens olika områden. Eleven använder dessa med viss säkerhet för att söka svar på frågor samt för att beskriva och exemplifiera fysikaliska fenomen och samband. Utifrån något exempel
19
redogör eleven översiktligt för hur fysikens modeller och teorier utvecklas. Eleven värderar också modellers giltighet och begränsningar med enkla omdömen.
Eleven identifierar, analyserar och löser enkla problem i bekanta
situationer med tillfredsställande resultat.” (Skolverket, 2011)
På de centralt konstruerade kursproven är det typiskt möjlighet för att få ungefär 25 poäng på E-nivå och gränsen för att nå provbetyget E är typiskt att eleven har fått ungefär 65% av E-poängen eller mer korrekt ha fått ett totalt antal poäng som överstiger 65% av antalet möjliga E-poäng. För att få betyget E på kursprovet behöver eleven alltså inte kunna alla delar på E-nivå. För denna undersökning där det är nivån för betyget E som är i fokus är det dock kraven för att uppnå E-poäng på respektive uppgift som är det intressanta. Det är värt att komma ihåg att eleverna har tillgång till formelsamling på proven, så de förväntas inte komma ihåg formlerna, bara kunna använda dem.
Exemplen som anges nedan är tagna från Kursprov (2014) för att undvika att bryta sekretessen på Bedömningsportalen (u.d.), men sammanställningen bygger på hela provmaterialet i Bedömningsportalen (u.d.).
För att få E-poäng på kursproven ska eleven lösa uppgifter som inte kräver att flera olika formler eller begrepp kombineras. Däremot kan det behövas att eleven hanterar enhetsbyten, prefix, löser ut en variabel från en formel samt slår upp värdet på konstanter i formelsamlingen.
Ett exempel på detta är uppgift 9 i (Kursprov, 2014) där eleven ska beräkna verkningsgraden av en kaffebryggare med möjlighet att få följande poäng:
• 1 E-poäng för att beräkna den tillförde energin med hjälp av formeln 𝑃 =∆#∆$, vilket kräver omvandling mellan minuter och sekunder samt att ∆𝐸 lösas ut i den nämnda formeln. • 1 E-poäng för att beräkna den nyttiga energin med hjälp av formeln 𝐸 = 𝑐𝑚∆𝑇, vilket
kräver att den specifika värmekapaciteten för vatten slås upp i formelsamlingen. • 1 C-poäng för att kombinera de två beräkningar med hjälp av formeln 𝜂 = #!"##$%
##$&&'ö)*.
Ett exempel på en uppgift som inte handlar om beräkningar med formler, men ändå uppfyller de samma krav som nämnt ovan är uppgift 4 i (Kursprov, 2014) där eleven ska kunna använda begreppet naturvetenskaplig teori i mycket enkla situationer.
20
Även om uppgifterna på E-nivå är enkla i deras uppbyggnad kräver de fortfarande att eleven är ganska säker i användandet av formeln eller begreppet som uppgiften handlar om. Skillnaden mot uppgifter på högre nivå är främst att det är svårare att känna igen vilka begrepp eller formler som behövs för att lösa uppgiften då det är en mer komplicerad situation.
21
6. Analys av resultatet
Analysen av resultatet behandlas dels separat för de tre delarna av undersökningen, dels i form av en gemensam analys. Målet med den gemensamma analysen är att undersöka hur de tre delarna som analyseras läroboken, kapitelproven och kraven för betyget E passar ihop.
6.1 Läroboken
En betydande andel av begreppen i lärobokens olika kapitel (se Tabell 1) har beskrivits som tröskelbegrepp, tex vektorer, diagrammar, acceleration, kraft, tyngdkraft, energi, rörelsemängd, bevarandelagar, temperatur, potential, relativitet (Harrison & Serbanescu, 2017; Serbanescu, 2017; Psycharis, 2016). Även om det kan vara olika syn på om det enskilda begreppet är ett tröskelbegrepp visar denna sammanställning tydligt att eleverna förväntas lära sig ett stort antal tröskelbegrepp i kursen. Som det framgår av Tabell 1 bygger förståelsen av ett antal av dessa tröskelbegrepp på att eleven har förstått ett eller flera tröskelbegrepp från tidigare moment i kursen:
• Vektorer är förutsättning för att förstå rörelse/acceleration och de begreppen är i sin tur är förutsättningar för att förstå kraft som i sin tur är förutsättning för att förstå elektricitet, tryck och arbete. Arbete är en förutsättning för att förstå energi.
• Rörelse/acceleration är även en förutsättning för att förstå relativitetsteorin. • Kraft, hastighet och vektorer är förutsättningar för att förstå rörelsemängd.
• Energi är en förutsättning för att förstå värme och temperatur, hållbar energiförsörjning, elektricitet och kärnfysik.
Det ska understrykas att dessa förutsättningskedjor är utifrån undervisning som bygger på läroboken Impuls Fysik1. Om ett annat läromedel används är det möjligt att förutsättningskedjorna blir annorlunda.
Vektorer är ett matematiskt koncept som eleven bör ha förstått redan innan kursen börjar medan resten av begreppen ovan är begrepp som eleven måste tillägna sig under kursens gång och sen kunna använda i följande kapitel.
22
Om eleven inte har en adekvat förståelse ett av de begrepp som står i ovanstående förutsättningskedjor kommer hen inte att kunna tillägna sig de begrepp som står senare i kedjan. Tex kommer en elev som inte förstår begreppet kraft inte ha bra förutsättningar för att förstå tryck, rörelsemängd, arbete, energi, värme, elektricitet, hållbar utveckling, partikelfysik och kärnfysik.
6.2 Kapitelprov
Eleven kan få provbetyget E utan att kunna lösa alla uppgifter, vilket gör att eleven kan klara provet utan kunna alla delar av kapitlets innehåll. Nedan ges en analys för varje kapitel av vad som testas samt en gemensam analys av vad som är gemensamt för kapitelproven.
Kapitel 3
För att klara provet behöver eleven kunna utföra enkla beräkningar, men det finns inga uppgifter som testar förståelse av begreppen på andra sätt. Då eleven inte behöver få alla E-poäng kan provet klaras utan att till exempel få poäng från uppgifter som testar begreppet acceleration.
Kapitel 4
De flesta E-poängen ges likt provet för kapitel 3 för att kunna utföra enkla beräkningar, men två E-poäng ges för uppgifter som testar en mer grundläggande förståelse av kraftbegreppet (Newtons första lag). Eleven kan dock klara provet utan att klara dessa uppgifter och då två E-poäng ges för kunskaper som inte ingår i det aktuella kapitlet behöver eleven bara få ungefär hälften (5/9) av de E-poäng som testar förmågor/kunskaper som kommer från kapitel 4.
Kapitel 5
För att klara provet behöver eleven kunna utföra enkla beräkningar, men det finns inga uppgifter som testar förståelse av begreppen på andra sätt. Då eleven inte behöver få alla E-poäng kan provet klaras utan att tex få poäng från uppgifter som testar begreppet arbete.
Kapitel 6
Då detta kapitel inte har ett separat kapitelprov och innehållet i detta kapitel bara utgör en liten del av halvkursprovet kan eleven utan tvekan klara detta prov utan att visa att ha förstått innehållet i kapitel 6.
23
Kapitel 7
Examineras vanligen med en provlaboration. Då en stor del av de förmågor som denna provlaboration testar är laborativa förmågor testas de teoretiska förmågor ganska ytligt.
Kapitel 9
På E-nivå testar provet främst elevens förståelse av elektriska kretsar. Även om det finns en uppgift om elektriska fält bland E-uppgifterna kan eleven klara detta kapitelprov utan ha några kunskaper om annat än de delar som berör elektriska kretsar.
Kapitel 11
De flesta E-poängen ges likt provet för kapitel 3 för att kunna utföra enkla beräkningar eller kunna slå upp i formelsamlingen. Det finns även E-poäng för att kunna skriva en sönderfallsreaktion, men då detta är för en välkänd typ av sönderfall kan eleven lösa denna uppgift med hjälp av en ”kom ihåg regel” istället för en egentlig förståelse av kraven som ett sönderfall ska uppfylla. Sammanfattande analys av kapitelproven
E-poängen ges för att lösa uppgifter där det bara behövs en formel eller ett begrepp för att lösa dem. Majoriteten av E-poängen ges för uppgifter där eleven ska välja rätt formel att sätta in siffror i medan uppgifter som mer testar förståelse av begreppen är ganska sällsynta.
Ingen av kapitelproven är utformade så bristande förståelse av något begrepp inte kan vägas upp av säkerhet i att lösa uppgifter om kapitlets andra begrepp.
6.3 Krav för betyget E
Genomgången av de centralt konstruerade kursproven visar att provkonstruktörernas tolkning av kunskapskravens formulering ”enkla problem” är uppgifter som inte kräver att flera olika formler eller begrepp kombineras. Dessa problem kan lösas med hjälp rutinmässig insättning av värden i formler och användning av grundläggande algebra. Då flera formler och begrepp inte behöver kombineras kan uppgifterna generellt lösas trots att eleven har en ganska ytlig förståelse av de begrepp som är relevanta för uppgiften. Uppgifter som mer testar förståelse av begreppen är ganska sällsynta, trots att det är den typen av uppgifter som borde testa kunskapskravens ”Eleven redogör översiktligt för innebörden av begrepp, modeller, teorier …” (Skolverket, 2011).
24
6.4 Slutgiltig analys
Kapitelprovens krav för betyget E överensstämmer mycket bra med kraven från de centrala kursproven och kunskapskraven.
Trots att kapitelproven noga matchar de formella kraven för få betyget E som bestäms i ämnesplanen och exemplifieras i kursproven när det gäller förmågan att lösa problem kan elever klara proven med enbart ytlig förståelse av kapitlets begrepp. Detta gäller även de begreppen som behövs för att förstå de kommande kapitlen.
25
7. Slutsats och diskussion
Först sammanfattas analysen för att kunna svara på frågeställningarna i avsnittet slutsats, sedan jämföras detta med den tidigare forskning, liksom den använde metoden granskas kritiskt i avsnittet diskussion, vartefter jag beskriver hur resultatet av denna uppsats kommer påverka mitt sätt att jobba och utöva mitt yrke i framtiden. Slutligen ger jag förslag på fortsatt forskning.
7.1 Slutsats
Vilka delar av kursen Fy1a, undervisad efter boken Impuls Fysik1 som har vilka förutsättningar för att kunna läras framgår av Tabell 1. Som det ses är blir kursen uppbyggd av ett antal förutsättningskedjor när den undervisas med hjälp av boken Impuls Fysik1:
• Vektorer är förutsättning för att förstå rörelse/acceleration och de begreppen är i sin tur är förutsättningar för att förstå kraft som i sin tur är förutsättning för att förstå elektricitet, tryck och arbete. Arbete är en förutsättning för att förstå energi.
• Rörelse/acceleration är även en förutsättning för att förstå relativitetsteorin. • Kraft, hastighet och vektorer är förutsättningar för att förstå rörelsemängd.
• Energi är en förutsättning för att förstå värme och temperatur, hållbar energiförsörjning, elektricitet och kärnfysik.
Det ska understrykas att dessa förutsättningskedjor är utifrån undervisning som bygger på läroboken Impuls Fysik1. Om ett annat läromedel används är det möjligt att förutsättningskedjorna blir annorlunda.
Kapitelproven testar om eleven har nått kraven för betyget E, men testar inte om eleven har förstått de begreppen som är förutsättningar för de följande kapitlen.
Detta beror på att förutsättningarna för att förstå de följande kapitlen inte matchar kraven för betyget E.
26
7.2 Diskussion
Likt Burkholder, Murillo-Gonzalez och Wieman (2021) och Retnavi, Arlinwibowo, Wulandari och Pradani (2018) visar min undersökning att det finns klara krav på matematiska förkunskaper för att kunna tillgodogöra sig innehållet i kursen med hjälp av läroboken Impuls Fysik1.
Konstruktion av prov kräver en genomtänkt plan för vad man vill mäta och att man därefter hittar uppgifter som mäter detta (Yerushalmi, Cohen, Heller, Heller & Henderson, 2010). Då de flesta av begreppen i förutsättningskedjorna är tröskelbegrepp är det relevant hur man mäter om eleverna har förstått tröskelbegreppen (Scheja & Pettersson, 2010).
Att kraven för betyget E inte matchar förutsättningarna för att kunna ta sig an innehållet i följande kapitel i läroboken visar att ämnesplanen och läroboken inte stämmer perfekt överens. Det är en intressant diskussion om detta beror på att det är fel på läroboken eller på ämnesplanen. Om det är fel på läroboken, det vill säga att det är möjligt att skriva en lärobok i kursen Fysik1a där varje kapitel bara bygger på kunskap på E-nivå från tidigare kapitel borde vi som lärare undersöka om några av de andra läroböcker på marknaden uppfyller detta krav eller försöka påverka förlagen till att producera en sådan lärobok. En alternativ möjlighet är att ämnesplanen är skriven på ett sätt så kraven för betyget E är så låga att det är omöjligt för en elev som just klarar E-gränsen i en del av kursen att förstå en annan del av kursen oavsett upplägg på läromedlet.
Om man som lärare bygger upp sin undervisning på att följa lärobokens upplägg kommer man ovillkorligen ha en väldigt konstruktivistisk uppbyggnad av sin undervisning: Lärandet kommer bli något enkelspårigt där de olika delar följer varandra i en bestämd ordning då varje del bygger på den föregående. I det sociokulturella perspektivet är lärande ett samspel mellan eleven, läraren och omgivningen medan denna konstruktivistiska uppbyggnad gör det till mindre ett samspel och mer lärardominerad. Lärandet är alltså mer komplext än kursens uppbyggnad kommer ta hänsyn till. Den använda metoden fungerade väldigt bra. Metoden gav möjlighet att identifiera hur begreppen i boken är organiserade i förutsättningskedjor som inte framgår av boken, men som är en förutsättning för att eleven kan tillgodogöra sig undervisning som bygger på boken. Analysen av kapitelproven visade tydligt vad som krävs för att få provbetyget E på dessa och jämförelsen med de centralt konstruerade kursproven visade tydligt att kraven för att få betyget E på kapitelproven noga matchar kraven för att få betyget E på kursproven som igen matchar kunskapskraven. Vad metoden inte visade var exakt hur bra eleven behöver ha förstått de olika begreppen för att kunna
27
gå vidare i kursen samt hur nivån på elevens förståelse av dessa begrepp mäts med hjälp av prov eller annat.
En kritik mot metoden kan vara att studiens analys bygger på ett sociokulturellt perspektiv medan de förutsättningskedjor som framkommer av analysen främst liknar ett konstruktivistiskt tankesätt. Detta kan i vissa fall vara i motstrid med analysens grund. Detta är dock inte ett korrekt sätt att tolka denna studies resultat. Förutsättningskedjorna är inte ett uttryck för en syn på lärande, men avspeglar hur författarna har valt att disponera deras lärobok. Man skulle kunna tänka sig en annan disposition av läroboken som resulterar i andra eller till och med motsatträttade förutsättningskedjor där det kan skilja mellan elever vilken disposition som passar bäst, vilket är mer i enlighet med det sociokulturella perspektivet.
7.3 Påverkan på min yrkesroll
Som det framgår av slutsatsen ovan har kapitelproven inte testat om eleven har förutsättningarna för att förstå de kommande kapitlen. Detta gör att jag som lärare inte har haft den kunskap om elevernas kunskapsnivå och förmågor till att avgöra om undervisningen ligger inom deras ZPD, jag har enbart haft kunskap om de har uppfyller kraven för betyget E. Då de flesta av de begreppen som ingår i förutsättningskedjorna är tröskelbegrepp kan man förvänta att eleven inte har en rimlig chans att förstå dessa utan stöd från läraren. Utan detta stöd kommer eleven alltså inte ha förutsättningar för att fortsätta sitt lärande – begreppen blir stoppklossar i kursen.
För att undvika ”tappa” eleverna under kursens gång visar denna studie att kapitelproven behöver göras om så de inte enbart mäter elevens kunskaper och förmågor relativt till kunskapskravens betygsskala, men även mäter om eleverna har förstått de begrepp som behövs för att förstå de följande kapitlen i boken. En alternativ lösning är att undersöka om det finns läromedel där förkunskapskrav för de enskilde kapitlen och E-nivå på de tidigare kapitlen är i bättre överensstämmelse med varandra.
Undersökningen visar också att de matematiska förkunskaperna om vektorer och grundläggande algebra är förutsättningar för en mycket stor del av kursen. För att säkra att eleverna har de förkunskaper som behövs skulle jag vilja börja kursen Fysik1a med att låta eleverna göra en diagnos för att upptäcka de eleverna som har bristande förkunskaper inom dessa områden. Detta är i linje
28
med hur fysiklärarna i (Retnavi, Arlinwibowo, Wulandari & Pradani, 2018) reagerade på bristande matematiska förkunskaper hos fysikstudenter. Stödet måste sättas in direkt, så eleven inte får undervisning i kapitlet om rörelse utan att ha de matematiska förutsättningarna för att förstå undervisningen.
Undersökningen bekräftar att läroboken Impuls Fysik1 är skrivit så inget innehåll från fysikundervisningen på grundskolan är en förutsättning. Detta är i enlighet med hur min undervisning i kursen Fysik1a brukar vara upplagd. Detta är i grunden ett mycket uppseendeväckande resultat med tanke på antalet timmar eleverna har undervisats i fysik på grundskolan.
Om jag hade gjort motsvarande undersökningar för de andra kurserna jag undervisar i, skulle det ge mig bättra förutsättningar för att undervisa och göra prov som underlättar elevernas lärande. Tankesättet bakom denna undersökning är inte unikt för varken kursen Fysik1a eller boken Impuls Fysik1. Det är därför troligt att liknande undersökningar skulle kunna visa liknande resultat för andra kurser och läromedel. Detta är särskilt sannolikt för kurser i ämnen som relativt lika fysik som till exempel matematik. Fysik och matematik är de ämnen jag undervisar i.
Denna studie visar även att undervisningen och bedömningen behöver fokusera på de kunskaper och förmågor som behövs för att eleven kan tillgodogöra sig de följande delar av kursen. Jag har varit inspirerad av tanken om constructive alignment (Biggs, 1996) i min undervisning, vilket bland annat innebär att undervisningen fokuserar på det som ska bedömas. Då min erfarenhet har varit att det är lösningen av beräkningsuppgifter som för nästan alla elever har varit begränsande för det betyg de i slutänden får på kursen har min undervisning varit mycket fokuserad på precis denna del av innehållet i kursen. Denna studie har fått mig att bli mer uppmärksam på att se kursens helhet där sammanhangen mellan olika delar av kursen behöver uppmärksammas mer i min planering av kursen. Detta betyder lite överraskande att undervisningen behöver bli mindre fokuserat på det som traditionellt bedöms. Detta beror till stor del på att bedömningen av kursen inte är som Biggs (1992) rekommenderar. Även om kunskapskraven till stor del är formulerade så de följer denna rekommendation blir bedömningen med kapitel- och kursprov väldigt lik det sätt som Biggs (1992) avråder ifrån: Räkna poäng på ett sätt så alla delar av kursen är lika viktiga samtidigt som kursen (eller kapitelproven) kan klaras utan att ha visat att ha förstått olika begrepp från kursen (eller kapitlet). Det en del av professionen att vara engagerad i utvecklingen av skolan. Ovanstående visar på ett behov av konstruktiv feedback till konstruktörana av kursproven och av att vara aktiv till
29
exempel i remissrundor vid revideringar av ämnesplanerna för att påverka så nya kunskapskrav kommer passa bättre ihop med kursens innehålls krav på kunskaper.
7.4 Fortsatt forskning
Som jag argumenterar för i det föregående avsnittet skulle det underlätta undervisningen i andra kurser om liknande kartläggningar gjordes av de andra kurserna på gymnasiet, kanske särskilt inom ämnen som är relativt lika fysik i uppbyggnad som till exempel matematik och kemi. Troligen skulle det underlätta för läraren att tidigt upptäcka elever som riskerar inte att klara kursen.
Denna undersökning skulle kunna fördjupas till att undersöka på vilken nivå eleven behöver ha förstått de olika begreppen i förutsättningskedjorna för att kunna förstå nästa begrepp i kedjan. För att konstruera prov som inte enbart mäter elevens kunskaper och förmågor relativt till kunskapskravens betygsskala, men även mäter om eleverna har förstått de begrepp som behövs för att förstå de följande kapitlen i boken, behövs prov som är konstruerade på ett annat sätt de prov som är vanligast i dagsläget. Det behövs undersökas hur dessa prov ska utformas. Detta kopplar till forskningen om tröskelpassage.
Som nämnts i diskussionen ovan skulle man kunna konstruera läromedel där förutsättningskedjorna var annorlunda eller kanske även motsatträttade. Forskning som utredde vilka versioner av förutsättningskedjorna som var optimala för elevernas lärande skulle kunna leda till bättre läromedel.
30
Referenser
Bedömningsportalen. (u.d.). Hämtat från https://bp.skolverket.se/
Biggs, J. (1992). A qulitative approach to grading students. HERDSA News, 14(3), ss. 3-6.
Biggs, J. (1996). Enhancing teaching through constructive alignment . Higher Education, 32, ss. 347-364. Burkholder, E. W., Murillo-Gonzalez, G. & Wieman, C. (2021). Importance of math prerequisites for
performance in introductory physics. Phys. Rev. Phys. Educ. Res., 17(1), s. 010108. Fraenkel, L., Gottfridsson, D. & Jonasson, U. (2011). Fysik1 Impuls. Malmö, Sverige: Gleerups.
Harrison, D. & Serbanescu, R. (2017). Threshold concepts in physics. Practice and Evidence of Scholarship of
Teaching and Learning in Higher Education Special Issue: Threshold Concepts and Conceptual Difficulty, 12(2),
ss. 352 - 377.
Hattie, J. & Timperley, H. (2007). The power of feedback. Review of Educational Research, 77(1), ss. 81 -112. Hiebert, J. (. (1986). Conceptual and procedural knowledge: The case of mathematics. Hillsdale, NJ: Erlbaum. Kinchin, I. M. (2010). Solving Cordelia's Dilemma: threshold concepts within a punctuated model of
learning. Journal of Biological Education, 44(2), ss. 53-57.
Kursprov. (2014). Hämtat från
https://bp.skolverket.se/delegate/download/test?testGuid=7772949114F9437CA26875AEECE E5785
Meyer, J. & Land, R. (2003). Threshold concepts and troublesome knowledge: Linkages to ways of thinking and
practicing within the disciplines. Enhancing teaching-learning environments in undergraduate courses. ETL
Project, Occasional rep.
Nicola-Richmond, K. P. & Larkin, H. (2018). ´Once you get the threshold concepts the world is changed forever’: The exploration of threshold concepts to promote work-ready occupational therapy graduates’. International Journal of Practice-based Learning in Health and Social Care, 6(1), ss. 1-17. Nicola-Richmond, K., Pépin, G., Larkin, H. & Taylor, C. (2018). Threshold concepts in higher education:
a synthesis of the literature relating to measurement of threshold crossing. Higher Education
Research & Development, 37(1), ss. 101 - 1114.
Pearson, P. D. & Hiebert, E. H. (2013). The State of the Field: Qualitative Analyses of Text Complexity. San Fransisco: TextProject Inc.
Psycharis, S. (2016). Inquiry based-computational experiment, acquisition of threshold concepts and argumentation in science and mathematics education. Educational Technology & Society, 19(3), ss. 282–293.
Retnavi, H., Arlinwibowo, J., Wulandari, N. F. & Pradani, R. G. (2018). Teachers' difficulties and strategies in physics teaching and learning that applying mathematics. Journal of Baltic science education, 17(1), ss. 120 - 135.
31
Rowbottom, D. P. (2007). Demystifying threshold concepts . Journal of Philosophy of Education, 41(2), ss. 263-270.
Salwén, H. (2021). Threshold concepts, obstacles or scientific dead ends? Teaching in Higher Education,
26(1), ss. 36 - 49.
Scheja, M. & Pettersson, K. (2010). Transformation and contextualisation: conceptualising students’ conceptual understandings of threshold concepts in calculus. High Educ, 59, ss. 221 - 241.
Serbanescu, R. (2017). Identifying threshold concepts in physics: too many to count! Practice and Evidence of
Scholarship of Teaching and Learning in Higher Education Special Issue: Threshold Concepts and Conceptual Difficulty, 12(2), ss. 378-396.
Shabani, K. (2016). Applications of Vygotsky’s sociocultural approach for teachers’ professional development. Cogent Education, 3(1).
Siyepu, S. (2013). The zone of proximal development in the learning of mathematics. South African Journal
of Education, 33(2).
Skolverket. (2011). Ämnesplan för fysik. Hämtat från
https://www.skolverket.se/undervisning/gymnasieskolan/laroplan-program-och-amnen-i-gymnasieskolan/gymnasieprogrammen/amne?url=1530314731%2Fsyllabuscw%2Fjsp%2Fsubjec t.htm%3FsubjectCode%3DFYS%26courseCode%3DFYSFYS01a%26tos%3Dgy&sv.url=12.5dfe e44715d35a5cdfa
Taşlıdere, E. & Eryilmaz, A. (2009). Alternative to traditional physics instruction: effectiveness of conceptual physics approach. Eğitim Araştırmaları-Eurasion Journal of Educational Research, 35, ss. 109-128.
Vygotsky, L. (1978). Mind in society: The development of higher psychological processes. Cambridge MA: Havard University Press.
Yanoff, E., LaDuke, A. & Lindner, M. (2014). Common core standards, professional texts, and diverse learners: A qualitative content analysis . Academic Journal, ss. 7 -27.
Yerushalmi, E., Cohen, E., Heller, K., Heller, P. & Henderson, C. (2010). Instructors’ reasons for choosing problem features in a calculus-based introductory physics course. Phys. Rev. ST Phys.
32
Bilagor
Kapitelprov, kapitel 3
Delprov NA18b Fysik 1a Rörelse
Max: 25 poäng (10/9/6) E: 7 p
C: 14 p varav minst 5 p på C-nivå A: 20 p varav 3 på A-nivå
Visa dina beräkningar av uppgifterna på lösblad om inte annat anges.
Uppgift 1
1/0/0, 1/0/0
Expresståget X 2000 trafikerar sträckan Stockholm – Göteborg. En tur går från Göteborg enligt tidtabellen nedan.
a) Vilken medelhastighet har tåget hållit för hela färden? b) Beräkna medelhastigheten för sträckan Herrljunga – Skövde.
km klockslag 0 Göteborg 13:05 80 Herrljunga 13:40 144 Skövde 14:06 440 Stockholm syd 16:07 456 Stockholm C 16:17 Uppgift 2 1/0/0, 1/0/0
En person släpper en sten från ett torn. Stenen faller fritt (utan luftmotstånd) och når marken efter 3,3 s.
a) Hur högt är tornet?
Om han istället skulle kasta en sten rakt ner från tornet så tar det 2,1 s. b) Vilken hastighet kastade han stenen med?
33 Uppgift 3
2/0/0
Om man springer de första 50 m, i ett 100 m lopp med en medelhastighet av 8,0 m/s och de sista 50 m med en medelhastighet av 10 m/s. Vad blir då medelhastigheten av hela 100 m loppet?
Uppgift 4
3/0/0, 1/1/0, 0/2/0
Ett föremål rör sig enligt v-t-grafen nedan.
a) Vad är accelerationen i intervallen AB, BC och CE? b) Hur långt från startplatsen är föremålet efter 10 s? c) Skissa på ett ungefär hur s-t-grafen ser ut. Sätt ut
positionerna A, B, C, D och E i din s-t-graf.
Uppgift 5
0/2/0
En person hade en vätska vars densitet han ville bestämma. Han tog därför en liten glasflaska som han hade och vägde denna. Dess massa var 103,3 g. Därefter fyllde han flaskan helt med vatten och vägde på nytt. Då blev massan 412,5 g. Slutligen fyllde han flaskan med vätskan och då blev massan 357,7 g. Bestäm med ledning av dessa uppgifter vätskans densitet.
34 Uppgift 6
0/2/0, 0/2/0
vilka av de nio olika graferna nedan visar ett föremål som rör sig med följande villkor:
a) Hastigheten är konstant.
b) Accelerationen är konstant. (Endast svar)
Uppgift 7
0/0/3
En skruv lossnar från taket i en hiss och faller till golvet. Hissen rör sig hela tiden uppåt med en konstant hastighet av 2,2 m/s. Höjden från golvet till taket i hissen är 3,0 m. Hur lång tid kommer det ta innan skruven träffar golvet?
Uppgift 8
0/0/3
Man vill att en bil ska hinna stanna på 4 m på en väg som passerar förbi en skola. En vanlig bil har en maximal retardation på ca 7,0 m/s2. Reaktionstiden för en person innan den hinner bromsa är ungefär 0,50 s. Vilken är den maximala hastighetsgränsen man kan ha utanför skolan?
35 Lösningsförslag
Uppgift 1
1/0/0, 1/0/0
Expresståget X 2000 trafikerar sträckan Stockholm – Göteborg. En tur går från Göteborg enligt tidtabellen nedan.
a) Vilken medelhastighet har tåget hållit för hela färden? b) Beräkna medelhastigheten för sträckan Herrljunga – Skövde.
km klockslag 0 Göteborg 13:05 80 Herrljunga 13:40 144 Skövde 14:06 440 Stockholm syd 16:07 456 Stockholm C 16:17 Lösning: a) b) a)
Metod med korrekt svar 1/0/0
b)
36 Uppgift 2
1/0/0, 1/0/0
En person släpper en sten från ett torn. Stenen faller fritt (utan luftmotstånd) och når marken efter 3,3 s.
a) Hur högt är tornet?
Om han istället skulle kasta en sten rakt ner från tornet så tar det 2,1 s. b) Vilken hastighet kastade han stenen med?
Lösning: ! = #$% + '%( 2 a) ! = 0 ∙ 3,3 +.,/(∙0,0( 1≈ 53 5 b) 53 = #$∙ 2,1 +.,/(∙(,7 1 ( ⟹ #$≈ 15 5/! a)
Metod med korrekt svar 1/0/0
b)
37 Uppgift 3
2/0/0
Om man springer de första 50 m, i ett 100 m lopp med en medelhastighet av 8,0 m/s och de sista 50 m med en medelhastighet av 10 m/s. Vad blir då medelhastigheten av hela 100 m loppet? Lösning: ! = # ∙ % ⟹ % =! # %7= 50 8,0= 6,25 ! %(= 50 10= 5,0 ! <=>== %7+ %(= 6,25 + 5,0 = 11,25 ! #?= 100 11,25≈ 8,9 5/!
Ansats t ex inser att man måste beräkna %=>= 1/0/0 Lösning med korrekt svar 1/0/0
38 Uppgift 4
3/0/0, 1/1/0, 0/2/0
Ett föremål rör sig enligt v-t-grafen nedan.
a) Vad är accelerationen i intervallen AB, BC och CE? b) Hur långt från startplatsen är föremålet efter 10 s? c) Skissa på ett ungefär hur s-t-grafen ser ut. Sätt ut
positionerna A, B, C, D och E i din s-t-graf.
Lösning: a) 'AB=∆D∆==7EFE0F$ ≈ 3,3 5/!( 'BG= 0 5/!( 'GH= ∆# ∆%= −15 − 15 10 − 6 = −7,5 5/!( b) Läget är arean under grafen.
! = 3 ∙ 5 +3 ∙ 10 2 + 3 ∙ 15 + 2 ∙ 15 2 − 2 ∙ 15 2 = 75 5 c)
a) Metod med korrekt svar 3/0/0 b) Ansats t ex påbörjar beräkning 1/0/0 Korrekt metod med svar 0/1/0 c) Korrekta positioner A,B,C,D,E 0/1/0
39 Uppgift 5
0/2/0
En person hade en vätska vars densitet han ville bestämma. Han tog därför en liten glasflaska som han hade och vägde denna. Dess massa var 103,3 g. Därefter fyllde han flaskan helt med vatten och vägde på nytt. Då blev massan 412,5 g. Slutligen fyllde han flaskan med vätskan och då blev massan 357,7 g. Bestäm med ledning av dessa uppgifter vätskans densitet. Lösning: 5Dä=LMN= 357,7 − 103,3 = 254,4 P QDä=LMN= QDN===RS= 5DN==RS TDN==RS = 412,5 − 103,3 0,998 = 309,8 U50 TDä=LMN= 5 Q = 254,4 309,8= 0,8211 P/U50
Bestämmer volymen av vätskan 0/1/0 Bestämmer densiteten av vätskan 0/1/0
40 Uppgift 6
0/2/0, 0/2/0
vilka av de nio olika graferna nedan visar ett föremål som rör sig med följande villkor:
a) Hastigheten är konstant.
b) Accelerationen är konstant. (Endast svar)
Lösning:
a) (a), (f), (i)
b) (a), (d), (e), (f), (h), (i)
(Jag ger även rätt om man resonerat att ' = 0 inte räknas som konstant acceleration då blir alternativen (d), (e), (h)*) a) Minst två korrekta 0/1/0
Samtliga korrekta 0/1/0 b) Minst fyra korrekta (eller två*) 0/1/0 Samtliga korrekta 0/1/0
41 Uppgift 7
0/0/3
En skruv lossnar från taket i en hiss och faller till golvet. Hissen rör sig hela tiden uppåt med en konstant hastighet av 2,2 m/s. Höjden från golvet till taket i hissen är 3,0 m. Hur lång tid kommer det ta innan skruven träffar golvet?
Lösning: !V>WD= #$% = 2,2% !LMXYD= !$+ #$% + '%( 2 = 3,0 + 2,2% − 9,82%( 2 !V>WD= !LMXYD⟺ 2,2% = 3,0 + 2,2% − 9,82%( 2 ⟹ [ %7= 0,78 ! (%(= −0,78) Ansats t ex ställer upp korrekt samband för skruv 0/0/1 Ställer upp båda korrekt och sätter dem lika 0/0/1
42 Uppgift 8
0/0/3
Man vill att en bil ska hinna stanna på 4 m på en väg som passerar förbi en skola. En vanlig bil har en maximal retardation på ca 7,0 m/s2. Reaktionstiden för en person innan den hinner bromsa är ungefär 0,50 s. Vilken är den maximala hastighetsgränsen man kan ha utanför skolan? Lösning: ' = −7 5/!( %7= 0,50 ! !7+ !(= 4 5 # = 0
Delar in stoppsträckan i två faser: !7= #$∙ 0,5 Tid för bromssträckan: # = #$+ '%(⇒ %(= #$ 7 !(= #$%(+ '%(( 2 = #$∙ #$ 7 + −7 _#$ 7 ` ( 2 = #$( 7 − #$( 14= #$( 14 !7+ !(= 4 5 ⇔ #$∙ 0,5 + #$( 14= 4 ⇒ b #$c= 4,76 5/! = 17 d5/ℎ (#$1= −11,8 5/! fgh5ihP%) Utför t ex variabelbyte för tiden i fas2 0/0/1
Ställer upp korrekt samband 0/0/1
43
Kapitelprov, kapitel 4
Prov kapitel 4 Kraft
Hjälpmedel: Räknedosa, formelsamling, linjal, penna och sudd.
Maxpoäng: 25 poäng (11/7/7) E: 7 p
C: 13 p varav 4 p på minst C-nivå A: 20 p varav 3 p på A-nivå
För poäng krävs fullständigt redovisade lösningar om inget annat anges.
Uppgift 1
2/0/0
På ett föremål verkar tre krafter F1, F2 och F3. Två av krafterna är angivna i figuren nedan.
Föremålet rör sig med den konstanta hastigheten v. Rita i figuren in den tredje kraften F3.
Uppgift 2
1/0/0, 2/0/0
Du drar en låda med konstant hastighet längs med ett golv. Lådans massa är 75 kg och du drar med kraften 250 N parallellt med golvet.
a) Hur stor är friktionskraften?
b) Hur stor kraft måste du dra med om du vill att lådan ska accelerera med 2 m/s2?
Uppgift 3
2/0/0
Vad skulle tyngden för en person på Jupiter vara om hans tyngd på Jorden är 875 N? Tyngdaccelerationen på Jupiter är 25,9 m/s2.
44
Uppgift 4
1/0/0, 1/1/0
En fjäder med fjäderkonstanten 600 N/m hänger rakt ner från ett stativ. Fjädern är fäst i en vikt som står på ett bord. Viktens massa är 12 kg och fjädern är utdragen 10 cm.
a) Hur stor kraft påverkar fjädern vikten med? b) Hur stor kraft påverkar bordet vikten med?
Uppgift 5
1/2/0
I ett experiment ska Daniel bestämma friktionskoefficienten mellan en träkloss och skolbänken. Till sin hjälp har Daniel en dynamometer som han drar träklossen med en så jämn konstant hastighet han kan samtidigt som han läser av dynamometern. Träklossen väger 350 gram och Daniel har 4 st 100 gramsvikter som han lägger en efter en på träklossen. Daniel läser av följande krafter på dynamometern vid de olika vikterna:
Kraft (N) 1,55 1,99 2,43 2,87 3,31
Massa (g) 350 450 550 650 750
Vad blir friktionstalet utifrån Daniels experiment? Beskriv teorin bakom dina beräkningar tydligt.
Uppgift 6
1/2/0
En skridskoåkare glider fram på en is (utan att ta fart) med begynnelsehastigheten 12 m/s. Åkaren stannar efter 95 m på grund av friktionen mellan skridskor och is. Hur stor är friktionskoefficienten mellan dessa?
45 Uppgift 7
0/1/2, 0/0/2
Tre klossar är förbundna enligt figuren nedan. Friktionskoefficienten mellan kloss och bord är 0,35. Klossarnas massor är 4,0 kg, 1,0 kg och 2,0 kg. Vi kan betrakta trissorna som friktionsfria.
a) Bestäm accelerationen för klossarna. b) Bestäm spännkrafterna i de båda snörena.
Uppgift 8
0/1/3
En kloss med massan 10,0 kg dras upp för ett lutande plan med kraften 100 N parallellt med planet. Lutningsvinkeln för planet är 20,0° mot horisontalplanet.
Friktionskoefficienten mellan klossen och planet är 0,400. Klossen har hastigheten 1,50 m/s från början. Rita kraftsituationen och bestäm vilken fart klossen har efter att dragkraften verkat på klossen 5,00 m uppför planet?
46 Lösningsförslag
Uppgift 1
2/0/0
På ett föremål verkar tre krafter F1, F2 och F3. Två av krafterna är angivna i figuren nedan.
Föremålet rör sig med den konstanta hastigheten v. Rita i figuren in den tredje kraften F3.
Lösning:
∑ " = 0 vid vila eller konstant hastighet, enligt Newtons 1:a lag.
Bedömningsanvisningar
Ansats t ex ritar ut kraftresultanten till F1 och F2 +1E Inser att ∑ " = 0 och ritar ut F3 korrekt +1E
