Examensarbete
15 högskolepoäng, avancerad nivå
Vanliga konceptuella missuppfattningar
av vardagliga astronomirelaterade
fenomen hos elever i årskurs 9.
Common misconceptions about everyday astronomy-related
phenomena among students in the 9
thgrade.
Gustav Strömbäck
Lärarexamen 270hp Gs/Gy Handledare: Ange handledare Lärarutbildning 90hp
2012-03-26
Examinator: Elisabeth Söderquist Handledare: Björn Lundgren
Fakulteten för Lärande och Samhälle
3
Abstract
Students of all ages host a wide variety of scientifically inaccurate ideas and conceptions about everyday astronomical phenomena, such as the seasons, the moon phases, and gravity. The field of Astronomy Education Research has over the last decade experienced an accelerating growth, although the majority of studies have been conducted in the USA. In this work, the 9th grade students of a typical Swedish school were surveyed by means of a questionnaire in order to probe their conceptual understanding of several key concepts in astronomy. In the end, the number of respondents amassed to a total of 90. The results were analyzed with a constructivist approach in light of conceptual change theory and
phenomenological primitives. In conjunction to this a postmodern view of the problem in question is presented. The compiled numbers were compared to the results of American high school students found in the large database of A Private Universe Project. The two samples were found to display only minor differences. Most notably, only around one in ten Swedish students could correctly account for the origin of the seasons, and only a very small percentage could point out the true distance-relation between the Earth and the Moon. In addition, approximately half of the students did not know the reason for why the Moon changes phase, and one in every four or five students believes there are stars between the planets in the Solar system. An analysis of the student sample was also made after
separating out students who will obtain further education in astronomy in upper secondary school. With only one exception, no differences between the groups were found, suggesting that the misconceptions treated in this survey are present among all groups of students up to a certain educational level. However, in the group not intending to study more astronomy an astonishing 72 % had incorrect beliefs regarding the day/night cycle, indicating a possible fundamental lack of conceptual understanding regarding one of the most everyday astronomy-related concepts.
4
Key words: 9th grade, astronomy education research, conceptual change theory, constructivism, misconceptions, postmodernism, questionnaire, survey
5
Innehållsförteckning
1. INLEDNING_____________________________________________ 7_
2. SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNING 9_
3. LITTERATURGENOMGÅNG OCH TEORI 11_
3.1 DET TEORETISKA RAMVERKET 11
3.1.1 Konstruktivismen och konceptförändringsteori 11
3.1.2 En postmodern syn på samhället 14
3.2 TIDIGARE FORSKNING 16
3.2.1 Klassisk astronomi 16
3.2.2 Demografiska aspekter 18
3.2.3 Mindre vardaglig astronomi 19
3.3 ASTRONOMINS ROLL I LÄROPLANERNA FÖR FYSIK 20
4. METOD OCH GENOMFÖRANDE 22_
4.1 ENKÄT SOM METOD 22
4.1.1 Konstruktion av enkätfrågorna 24
4.1.2 Källkritiska hänsyn 25
4.2 INSAMLING AV DATA 26
4.2.1 Konfidensintervall 27
5. RESULTAT OCH ANALYS 29_
5.1 FRÅGA 1 – Jordens bana kring solen 29 5.2 FRÅGA 2 – Årstiderna 31 5.3 FRÅGA 3 – Himlakropparnas avstånd 32
6
5.4 FRÅGA 4 - Månfaserna 33 5.5 FRÅGA 5 – Avståndet till månen 34 5.6 FRÅGA 6 – Teleskop i omloppsbana 36
5.7 FRÅGA 7 - Påstående 36
6. AVSLUTANDE DISKUSSION OCH KOMMENTARER 40_
6.1 SAMMANFATTNING 43
6.2 RESERVATIONER 43
6.3 FRAMTIDA FORSKNING 44
7. REFERENSER 45_
7
1.Inledning
Astronomi är en av de allra äldsta vetenskaperna. Historiskt sett är den djupt rotad i nästintill alla samhällen och kulturer. Redan flera tusen år f.Kr. kunde t.ex. de mesopotamiska, kinesiska, egyptiska, grekiska, indiska, och fornbrittiska civilisationerna beskriva och förutse himlakropparnas positioner och rörelser med stor exakthet, även om de vetenskapliga förklaringarna naturligtvis skiljde sig markant från dagens vedertagna modeller. Än idag är astronomi en av de populäraste naturvetenskaperna bland allmänheten. Ett fantastiskt exempel på detta är citizen science-projektet Galaxy Zoo, där mer än 200 000 människor från 113 länder, i brist på tillräckligt avancerade datorprogram och tillgängliga forskare, hjälpt till med att klassificera mer än 100 miljoner galaxer, som sedermera använts i mer än 50 olika forskningsprojekt (se Raddick et al. 2010, för en utredning av anledningarna till varför citizen science engagerar). Bara i USA läser varje år ca 250 000 studenter introduktionskursen i astronomi på universitetsnivå (Fraknoi, 2001), och för den stora majoriteten av dessa är det både den första och den enda kursen med naturvetenskaplig anknytning som de tar under sin universitetstid (Partridge & Greenstein, 2003). Astronomiutbildningen har i detta fall ett stort ansvar vad gäller allmänhetens syn på och inblick i det vetenskapliga resonemanget och forskningsmetodiken, samt vilken roll forskningen spelar för vårt samhälle.
Trots detta är forskning inom astronomiutbildning ett relativt nytt område, och det är först under det senaste decenniet som den vetenskapliga produktionen börjat ta fart på allvar, då främst i USA. Av denna har det framkommit att både grundskolelärare och studenter så högt som på universitetsnivå hyser konceptuella uppfattningar och konstruerade mentala modeller av astronomiska fenomen som i många avseenden skiljer sig från det accepterade vetenskapliga förklaringssättet. Sådana tidiga idéer och uppfattningar härstammar troligtvis bland annat från vardagskultur och massmedia, t.ex.
8
science fiction-filmer, och har visat sig svåra att ändra på. Lärare har ofta otillräckliga kunskaper om vilka missuppfattningar som existerar, och än mindre kunskap om hur man hanterar dem. Komprimeringen av tid i det postmoderna samhället bidrar i sin tur till att denna kunskap är svåranskaffad. Istället integreras studenternas nyanskaffade kunskaper med deras tidigare konstruktioner på ett komplext vis. Då många av dessa studenter sedan går vidare och blir framtidens för- och grundskolelärare sprids felaktiga uppfattningar även till nästa generation i en långtgående kedja.
9
2. Syfte och frågeställning
Fysikundervisningen vid högre lärosäten i USA har på senare tid genomgått ett paradigmskifte till följd av intensiv forskning kring undervisningen om fysikaliska fenomen som ställer höga krav på konceptuell förståelse och förmåga till abstrakt tänkande, och astronomin är på väg att följa i dess fotspår. En stor del av befolkningen i Sverige får sin sista utbildning i astronomi någon gång under grundskolans senare år; detta gäller såväl för- och grundskolelärare som de flesta andra yrkeskategorier. I samband med de nya läroplaner för grundskola och gymnasium som introducerades 2011 (vanligtvis förkortade Lgr11 respektive Gy11) fick astronomi ett något större utrymme i undervisningen, men fortfarande finns ingen obligatorisk kurs i astronomi på högskolenivå för blivande fysiklärare. Det finns därför anledning att tro att konceptuella missuppfattningar av astronomiska fenomen existerar i den svenska skolan hos både elever och lärare i ungefär samma utsträckning som vad forskningen påvisat för den amerikanska populationen. Astronomins popularitet hos allmänheten och dess roll som skyltfönster mot vetenskapen tydliggör behovet av forskning kring astronomiutbildning. Dock finns än så länge inga konkreta undersökningar inom detta område i Sverige. Det huvudsakliga syftet med det här arbetet är således att slå fast om, och i så fall vilka, konceptuella missuppfattningar gällande vardagliga astronomiska fenomen som är vanliga bland svenska elever i årskurs nio. Uppkomsten av dessa ska analyseras både utifrån kognitionsvetenskapliga teorier, och utifrån ett postmodernistiskt samhällsperspektiv. Med vardaglig astronomi menas framförallt fenomen som alla människor regelbundet stöter på i naturen, även om de inte alltid ger upphov till närmare reflektion, såsom årstidscykeln, månfaserna, etc. Konceptuell missuppfattning definieras i detta fall som att hysa en förklaringsmodell som skiljer sig från den gängse vetenskapliga på en eller flera viktiga punkter.
10
omfång och de tillgängliga resurserna är klart begränsade – där efterföljande studier istället kan fokusera på hur eventuella problem bör hanteras och förebyggas. I synnerhet är det två frågor ska försöka besvaras:
1) Vilka konceptuella missuppfattningar av astronomiska fenomen är vanliga hos svenska grundskoleelever i slutet av årskurs 9, och är utbredningen av dessa jämförbar med den i andra länder, framförallt USA?
2) Hur ser denna situation ut för undergruppen av elever som skall vidareutbildas i astronomi på gymnasiet (naturvetenskaplig linje eller motsvarande), och vilka konsekvenser kan detta få för utbildningens utformning?
11
3. Litteraturgenomgång och teori
I detta kapitel sammanfattas de resultat som hittills uppnåtts inom forskningsområdet astronomiutbildning (eng. Astronomy Education Research). Majoriteten av alla studier har genomförts i USA, där området har vuxit sig särskilt starkt det senaste decenniet, men intresset har så sakteliga börjat sprida sig även till andra länder. I Sverige har det dock ännu inte bedrivits liknande forskning, åtminstone ingen som kommit författaren till kännedom. Vidare kommer astronomins roll i läroplanerna att tas upp här, liksom de vetenskapliga teorier som ligger till grund för mycket av forskningen inom astronomiutbildning. En postmodern syn på samhället kopplas till de mer kognitionsvetenskapliga teorierna.
3.1 Det teoretiska ramverket
3.1.1 Konstruktivismen och konceptförändringsteori
Majoriteten av all forskning som bedrivits inom astronomiutbildning baseras på konstruktivistiska teorier om lärande, till vilka den schweiziske pedagogen Jean Piaget kan sägas vara en förgrundsgestalt, samt konceptförändringsteorier (författarens översättning, eng. conceptual change theory). Grundsynen på lärande inom konstruktivismen är att människan med hjälp av sitt redan existerande konceptuella ramverk aktivt konstruerar eller skapar förståelse av verkligheten som hon/han uppfattar den utifrån egna erfarenheter, istället för att bara passivt registrera den (se t.ex. Egidius, 2000, från s.94). Barn i olika åldrar anses ha olika förutsättningar och metoder för att konstruera sin verklighet, beroende på hjärnans fysiologiska utveckling under uppväxten (vilket är en anledning till att Piagets pedagogiska teori ofta kallas genetisk strukturalism). T.ex. agerar barn i åldrarna 6-7 år
12
utifrån ett behov att komma underfund med regelsystem i den fysiska och sociala världen genom konkreta handlingar. Detta behov har sitt ursprung i att den strikt fysiologiska förmågan att utföra dessa handlingar nu har utvecklats i tillräckligt hög grad. I tonåren uppstår däremot en önskan om att behärska dessa regelsystem på ett mer generellt plan, där konkreta situationer eller föremål inte nödvändigtvis behöver vara närvarande, vilket sker genom att hjärnan utvecklat förmågan till abstrakt tänkande. Ett konstruktivistiskt synsätt i klassrummet kräver att läraren är väl medveten om de redan existerande idéer och uppfattningar som eleverna bär med sig in på lektionerna, och därefter utformar undervisningen kring dessa tankemodeller (Slater, Carpenter & Safko, 1996).
Ofta benämns konstruktivismen också som socialkonstruktivism, där inspiration även hämtats från den vitryske pedagogen Lev Vygotskijs sociokulturella perspektiv på lärande (t.ex. Säljö, 2005). I korthet innebär detta synsätt enligt Andersson (2001) att kunskap är individuellt konstruerat, men socialt medierat. En diametralt motsatt teori kan sägas vara behaviorismen, som förespråkar att människors (och djurs i största allmänhet) beteenden helt och hållet styrs av yttre stimuli och belöningssystem. Konstruktivismen menar däremot att människan är en reflekterande varelse. Tidigare kunskap interagerar med nya erfarenheter, idéer och uppfattningar för att konstruera ny kunskap, då ofta bunden till särskilda sociala och materiella kontexter. På så sätt är vår kunskap om omvärlden inte bara en rak kopia av verkligheten runtomkring oss, utan snarare en provisorisk konstruktion av den. En liknelse kan göras vid vetenskaplig forskning; någon absolut sanning existerar inte, vi kan bara bygga relativa modeller av verkligheten. Dessa modeller fungerar mer eller mindre väl, men genom att utmana de vedertagna synsätten finns möjligheten att modellerna utvidgas eller ändras med tiden (Driver & Bell, 1986).
Med ovanstående utgångspunkt i åtanke blir det av yttersta vikt för forskare och även lärare i allmänhet att ta reda på elevers existerande kunskap och konceptuella förståelse, då dessa kan ha stor inverkan på det fortsatta lärandet. Många forskningsstudier visar till exempel att elevers existerande förklaringsmodeller för naturvetenskapliga fenomen ofta står i konflikt med vetenskapligt accepterade förklaringar, och som sådana uppvisar de en motvilja till förändring. Kortsiktig kunskap kan temporärt läras in (memoreras) inför skriftliga prov som enbart testar faktakunskap, men felaktiga konceptuella uppfattningar lever kvar efter avslutat ämnesområde. Detta påverkar i sin tur all påbyggnadskunskap
13
kring ämnet. Behovet av att kunna förändra konceptuella missuppfattningar har därför utmynnat i det forskningsfält som kallas konceptförändringsteori. Posner et al. (1982) identifierar fyra kriterier som måste uppfyllas för att nå konceptuell förändring. För det första måste det finnas ett missnöje med den nuvarande uppfattningen hos individen själv. Därefter måste den nya förklaringsmodellen uppfattas i tur och ordning som begriplig,
trolig och givande för att verkligen ersätta den tidigare förståelsen.
Ett antal implementeringsstrategier för konceptförändringsteori i klassrummet har
föreslagits av olika forskargrupper. Scott, Asoko & Driver (1992) presenterar två olika huvudgrupper av undervisningsstrategier, där den första baseras på de kognitiva konflikter som uppstår då fenomen betraktas från motsägelsefulla perspektiv, medan den andra gruppen bygger på elevernas redan existerande idéer och expanderar dem med hjälp av till exempel metaforer och analogier. En annan strategi formulerad i White & Gunstone (1992) bygger på så kallad POE-strategi (predict-observe-explain), där eleverna först skall göra förutsägelser om en situation eller händelse, därefter genomföra och observera utfallet av ett experiment, och slutligen förklara likheter och skillnader mellan deras förutsägelser och det faktiska resultatet av experimentet.
Fenomenologiska grundmodeller
En konstruktivistisk metod som visat sig framgångsrik för att tolka elevers vetenskapligt inkorrekta uppfattningar är att se på ramverket för kunskap som enkla, förklarande eller beskrivande diskreta bitar – så kallade p-primer (från engelskans phenomenological
primitives, här översatt som ’fenomenologiska grundmodeller’ i brist på bättre förslag) –
som individer okritiskt ackumulerar under sin levnadstid för att förstå den fysiska världen (di Sessa, 1993). En p-prim är en samling naiva abstraktioner av vardagliga fenomen som individen observerar; de skiljer sig från rena minnen av händelser eftersom de är en slags generalisering av det fysikaliska fenomenet i den händelsen. De skiljer sig också från inlärningen och applikationen av en vetenskaplig lag eller formel, då detta indikerar ett medvetet resonerande på en högre nivå. Istället är p-primer mer intuitiva, mindre formella, och kan till och med vara helt omedvetna.
14
är användbar för att hjälpa oss förstå till exempel att billyktor är ljusstarkare då de är närmre jämfört med när de befinner sig längre bort. Tyvärr appliceras den alltför ofta på fenomenet med årstider och de temperaturvariationer som uppstår därvid. Man resonerar att eftersom det är varmare på sommaren måste det betyda att Jorden då befinner sig närmare solen än under vintertid. Sådana missuppfattningar har visat sig mycket svåra att ändra på, trots riktade insatser (Prather, Slater & Offerdahl, 2002). Ett annat koncept där missuppfattningar är vanligt förekommande är det om Big Bang. De flesta individer har själva gång på gång verifierat den kontextoberoende p-primen ”Man kan inte skapa någonting från ingenting”, men applicerat på universums skapelse leder den till den konceptuella missuppfattningen att Big Bang var en explosion som strukturerade om redan existerande materia. Får man höra att universum dessutom expanderar ställer man sig givetvis följdfrågan, ”Vad expanderar universum in i”. Det är dock viktigt att här inse att det inte är de fenomenologiska grundmodellerna i sig som har missuppfattats – tvärtom är de nästan alltid korrekta, och dessutom mycket värdefulla vid flertalet händelser – utan problemet ligger i stället i att de appliceras på fel fysikaliska fenomen, varvid missuppfattningen uppstår.
3.1.2 En postmodern syn på samhället
Om det finns rikligt med forskning kring vilka konceptuella missuppfattningar som florerar bland de yngre generationerna, samt vilka metoder som kan tänkas vara effektiva för att råda bot på dem (se nästföljande avsnitt), existerar desto färre analyser med samhällsperspektiv av varför dessa missuppfattningar uppstår med sådan enkelhet från första början, och varför de är så svåra att bryta ned. Vad som följer är en betraktelse över den utbredda diskrepansen i dagens postmoderna samhälle mellan den genomsnittlige individens syn på vardagliga astronomiska fenomen och den vetenskapligt accepterade förklaringsmodellen. Att översätta ett sådant perspektiv i hårddata är naturligtvis extremt komplicerat, men kan vara mycket fruktsamt att ha i åtanke utöver de kognitionsvetenskapliga teorierna beskrivna ovan.
15
särskilda filosofiska ställningstagande samt olika stilkonster – begreppet genre används – och företeelser inom postmodernismen kan betecknas postmoderniteter. En liknande uppfattning hyser Sarup (1993), som menar att postmodernismen skall ses som ett mentalt tillstånd, snarare än som en teknisk utveckling i en strikt fysisk kontext. Våra uppfattningar om vad den postmoderna världen är utgör och definierar detta tillstånd, och dessa uppfattningar underbyggs av olika system, kulturer, diskurser och koder, inte av exempelvis materiella tillgångar.
I det postmoderna samhället återfinns flera yttre faktorer som har en påverkan på skolans inre strukturer. Hargreaves (1994) identifierar ett antal motsägelsefulla system av uppfattningar som utgör det postmoderna tillståndet, och som har stor inverkan på skola och undervisning. Flera av dem är dessutom av särskilt intresse för den här undersökningen. För arbetslivet i allmänhet åberopas till exempel individualitet och flexibilitet i allt högre grad, och för lärare manifesteras denna strömning bland annat som en ökning i antalet arbetsuppgifter inte direkt relaterade till undervisning. Förhöjda krav på flexibilitet i arbetslivet kommer som en följd av att informationssamhället blir alltmer globaliserat. När nationsgränser och nationstillhörigheter luckras upp skapas det en oro, som i sin tur paradoxalt nog medför ett ökat sökande efter nationalitet. Trots läroplanernas syfte att skapa en gemensam värdegrund, glider skolämnena dock längre och längre ifrån varandra i jakt på strukturell mening, samtidigt som lärare ständigt skall vara flexibla. Om man kan räkna astronomi som ett instegsämne till naturvetenskaperna är detta förödande.
Vidare menar Hargreaves att individen i det postmoderna samhället, i sitt konstanta refererande till och centrering kring jaget, riskerar att utveckla en övertro på den egna förmågan att förändra sin tillvaro. När moraliska och vetenskapliga sanningar dessutom förlorar trovärdighet i takt med att informationsspridningen globaliseras, blir lärarens uppgift att ändra på de övertygelser eleverna bär med sig in i klassrummet svåröverkomlig. Ett viktigt begrepp att relatera till båda dessa synpunkter kan benämnas som trygga
simuleringar. Människan utsätts i det postmoderna samhället för en ständig ström av bilder
som i olika utsträckning avspeglar verkligheten. Postmoderniteter som TV och internet bidrar till att spridningen av dessa simuleringar går fort, och det kan vara svårt att alltid genomskåda de olika etiska aspekterna i bildflödet. Individen präglas således av olika
16
normer och livsstilar, och man köper okritiskt de koncept man ser. Att vara en passiv mottagare av värderingar och uppfattningar är helt enkelt en trygghet enligt Hargreaves.
3.2 Tidigare forskning
3.2.1 Klassisk astronomi
Som tidigare nämnts är forskning om astronomiutbildning ett relativt nytt forskningsfält, och det var inte förrän den internetbaserade tidsskriften Astronomy Education Review1 startade år 2001 som det fanns en dedikerad vetenskaplig journal inom området. Sporadiska undersökningar förekom även innan millennieskiftet (se exempelvis sammanfattningen i Bailey & Slater, 2003), men det är först under det senaste decenniet som stora framsteg har gjorts. Att behovet av forskningen finns har framkommit i flertalet studier om vanliga missuppfattningar av vardagliga, astronomiska fenomen. Lindell (2001) visade att vetenskapligt inkorrekta idéer om månfaserna följer med elever ändå upp på högskolenivå, och jämförbara missuppfattningar om dag/natt-cykeln rapporterades om i Vosniadou & Brewer (1994), för att bara nämna några. Majoriteten av all forskning har hittills varit förlagd till USA och på universitetsnivå eller motsvarande, men allt fler undersökningar utförs numera även i Europa, och på lägre utbildningsnivåer. Pérez Rodríguez et al. (2008) analyserade 9 olika läroböcker i fysik för 12–13-åringar som används i den spanska skolan och fann att samtliga innehöll relativt grava konceptuella fel och anakronismer utan synbar grund. I Turkiet har enstaka projekt med 3D-simuleringar i undervisningen använts i syfte att öka förståelsen om grundläggande astronomiska koncept. Dock verkar AER ännu inte nått till Sverige.
Enligt Prather, Rudolph & Brissenden (2009) lades grunden till framgångarna inom astronomiutbildning av det arbete som utfördes under de två föregående årtiondena inom ett närbesläktat område, nämligen fysikutbildningsforskning (Physics Education Research,
17
PER). Landsomfattande studier i stil med den i Hake (1998), där tusentals studenter involverats i terminslånga projekt för att undersöka vilken undervisningsform som bäst lämpar sig för att öka den konceptuella förståelsen av abstrakta, fysikaliska företeelser, har renderat en smärre revolution inom fysikutbildningen vid högre lärosäten. Framför allt visade sig traditionella föreläsningar vara betydligt mindre effektiva vad gäller att ändra på eller fördjupa studenters konceptuella förståelse jämfört med interaktiva och kollaborativa lärstrategier, där studenterna står i centrum, engageras och utmanas enligt det konstruktivistiska perspektivet på konceptförändringsteori. En viktig skillnad mellan fysik- och astronomiutbildningsforskningen existerar dock, som hindrar att resultaten från den förra är direkt applicerbara på den senare – den statistiska populationen. Till skillnad från introduktionskurserna i fysik består majoriteten av de 250 000 amerikanska studenter som årligen läser en introduktionskurs i astronomi på universitetsnivå av studenter vars huvudområde inte ligger inom någon av naturvetenskaperna (Fraknoi, 2001; Partridge & Greenstein 2003). Av dessa konstaterar uppemot 40 % att de ämnar bli lärare (Lawrenz, Huffman & Appeldoorn, 2005). I relation till detta kan nämnas Mant (1993) och Percy (2006), där det framkom att flertalet grundskolelärare inte besitter kunskaper och konceptuella modeller som överensstämmer med forskningen, vilket försvårar undervisningen eller får lärarna att helt avstå från att lära ut astronomi.
De resultat som redovisats angående lärstrategier för koncept med hög abstraktionsgrad i fysikundervisningen har konstaterats även för astronomiundervisningen de senaste åren. Hudgins et al. (2006) använde sig efter kortare stunder med traditionell föreläsning vid varje undervisningstillfälle av kollaborativa rangordningsuppgifter i stigande svårighetsgrad för att höja den konceptuella förståelsen hos studenterna under en introduktionskurs i astronomi. Den normaliserade höjningen av testresultaten (det vill säga den faktiska höjningen dividerat med den största möjliga höjningen) som studenterna uppnådde efter enbart traditionella föreläsningar, kunde höjas lika mycket till efter att ha jobbat med de interaktiva rangordningsuppgifterna, och 83 % av urvalsgruppen ansåg att detta upplägg bidrog positivt till lärande.
18
Prather et al. 2008
I analogi med Hake (1998) har Prather et al. (2008) utfört en nationell kartläggning av konceptuella missuppfattningar i astronomi hos studenter vid högre amerikanska lärosäten, samt effektiviteten hos interaktiva undervisningsmetoder för att ändra dessa missuppfattningar. Under 17 månader fick lektorer och ledare för introduktionskurser i astronomi över hela landet låta sina elever göra ett specialutvecklat test både före och efter kursen. Totalt 1 970 testresultat kunde matchas och analyseras. Författarna utvecklade också ett verktyg för att kvantifiera mängden interaktiva moment i undervisningen, vilket varierade mellan 0 och 49 % beroende på lektor. Detta var dock inget mått på kvaliteten på undervisningen, utan angav endast andelen tid som kunde klassificeras som interaktiva moment. Före undervisningen hade börjat låg medelresultatet förvånansvärt konstant kring 25 % rätt, oberoende av institution och klass, vilket skiljer sig betänkligt från Hakes studie, där resultaten varierade mellan 30 och 70 % rätt. Detta bekräftar de olika populationer som introduktionskurserna i fysik och astronomi utgör. Efter avslutad kurs testades studenternas förståelse på nytt och den normaliserade höjningen av resultaten beräknades. Endast de studenter som erhållit en undervisning där minst 25 % av tiden bestod av interaktiva moment kunde tillgodogöra sig en signifikativ höjning av testresultaten, oavsett institution, klasstorlek, etc. En hög andel interaktiva undervisningsmoment var ingen garanti för höga testresultat, men det omvända förhållandet var statistiskt säkerställt så till den grad att författarna använde följande uttryck: ”Om detta vore en medicinsk studie om två olika behandlingsmetoder skulle den ha stoppats här och nu, så att alla patienter kunnat få den effektivare behandlingen genast.” (egen översättning).
3.2.2 Demografiska aspekter
Det finns i princip ingen forskning som tyder på att konceptuella missuppfattningar av ett visst slag skulle vara vanligare hos en specifik urvalsgrupp än någon annan. I en uppföljande studie till den ovan beskrivna Prather et al. (2008) analyseras korrelationer mellan testresultaten och olika demografiska undergrupper, beroende på kön, modersmål, etnisk bakgrund, föräldrarnas utbildningsnivå, etc. (Rudolph et al. 2010). Bland sådana
19
egenskaper, vilka kan benämnas tilldelade, fann man inga tecken på några trender. Det man kunde konstatera var att samtliga grupper gynnades av interaktiva undervisningsmetoder, men en grupp mer så än andra; studenter med huvudämne inom humaniora uppvisade av oklar anledning en betydligt starkare korrelation med interaktivitet än andra grupper. Vad gäller genusaspekten ökade män sina testresultat med i genomsnitt 9 procentenheter mer än kvinnor, men denna skillnad kan inte kopplas till de interaktiva lärstrategierna. I enlighet med tidigare forskning kan den istället bero på den differentiering mellan könen som uppkommer i högre åldrar, där kvinnors alltmer negativa attityder till naturvetenskap och matematik står i vägen (Hanson, 1996). Detta bekräftas specifikt för astronomi i årskurs 9 av Krstovic et al. (2009), som fann stora likheter och bara små skillnader mellan pojkars och flickors intresseområden inom astronomi samt deras preferenser vad gäller arbetssätt under lektionerna.
3.2.3 Mindre vardaglig astronomi
På senare tid har det uppstått en debatt huruvida man bör spendera mer tid i klassrummet på att undervisa modernare, tidsenliga koncept, såsom Big Bang, universums expansion och struktur, och kosmologi i största allmänhet, eller om mer tid bör läggas på klassiska, grundläggande områden, t.ex. årstider, månfaser och gravitation (se bl.a. Pasachoff, 2001). Forskningen har dock slagit fast att fundamentala missuppfattningar inom kosmologi är precis lika utbredda som inom klassisk astronomi. Prather, Slater & Offerdahl (2002) visade till exempel att endast 1 % av ett urval amerikanska collegestudenter i en grundkurs i astronomi hade en uppfattning om Big Bang som kunde förlikas med den vetenskapligt accepterade. Samma resultat erhölls även längre ned i åldrarna, för en grupp 12–13-åringar. I en serie om fem artiklar med början i Wallace, Prather & Duncan (2011) testas ytterligare kosmologiska koncept, och flertalet naiva tankemodeller identifieras. Oavsett var man står i den här debatten är åtminstone åsikten om att det krävs mycket undervisningstid och välutformade lärstrategier för att eleverna skall utveckla en meningsfull och djup konceptuell förståelse av komplexa idéer gemensam. I det postmoderna tillstånd vi lever i är detta kanske mer sant än någonsin, men kanske också svårare än någonsin att uppnå.
20
3.3 Astronomins roll i ämnesplanerna för fysik
Till höstterminen 2011 togs den nya läroplanen för grundskolan, Lgr11, samt den nya gymnasieförordningen, Gy11, i bruk. Detta innebar också en revision av samtliga ämnes- och kursplaner, där mer specifika riktlinjer för vad undervisningen skall innehålla introducerades i samband med det så kallade centrala innehållet. Astronomins ställning i kursplanerna för fysik är fortsatt stark, och kan inte sägas vara mindre relevant än något annat område inom fysiken, såsom atomfysik, optik, ellära eller meteorologi. Faktum är att redan den första punkten i det centrala innehållet för årskurs 1-3 (även om den inbördes ordningen inte skall uppfattas som rangordnad) behandlar viktiga astronomiska fenomen och begrepp:
”Jordens, solens, och månens rörelser i förhållande till varandra. Månens olika faser. Stjärnbilder och stjärnhimlens utseende vid olika tider på året.”
(Utdrag ur Centrala innehållet i årskurs 1-3, Lgr11, Skolverket)
Genom att även diskutera årstidsväxlingar i naturen och hur man känner igen dessa, erhåller man också kopplingen mellan himlakropparnas inbördes rörelser och fenomenet årstider. Redan under sina första skolår möter alltså eleverna på centrala begrepp som ligger till grund för tolkningen av deras plats på Jorden och i universum. Att lärarnas förklaringsmodeller och konceptuella uppfattningar redan på den här nivån stämmer med de vetenskapligt accepterade är av förklarliga skäl absolut nödvändigt.
De begrepp som introduceras under den första skoltiden vidareutvecklas i årskurs 4-6, och expanderas för att inkludera hela solsystemet, samt en mer detaljerad genomgång av dygns-, månads- och årscyklerna, men även människans utforskande av rymden och användningen av satelliter tas upp. Astronomi kommer obönhörligen också att nämnas då äldre tiders naturvetenskap behandlas, med tanke på astronomins särställning bland vetenskaperna i forna civilisationer:
”- Solsystemets himlakroppar och deras rörelser i förhållande till varandra. Hur dag, natt, månader, år och årstider kan förklaras.
- Människan i rymden och användningen av satelliter.”
21
Universum och dess uppkomst, utveckling, och beståndsdelar introduceras i grundskolans senare år. Till skillnad från de områden som tidigare behandlats, där vardagskopplingen är relativt tydlig (samtliga elever har upplevt skiftningarna mellan natt och dag, mellan sommar och vinter, osv.), är detta begrepp som kräver en någorlunda välutvecklad abstraktionsförmåga. Följande står att läsa i ämnesplanen för fysik:
”- Naturvetenskapliga teorier om universums uppkomst i jämförelse med andra beskrivningar.
- Universums utveckling och atomslagens uppkomst genom stjärnornas utveckling. - Universums uppbyggnad med himlakroppar, solsystem och galaxer, samt rörelser hos och avstånd mellan dessa.”
(Utdrag ur Centrala innehållet i årskurs 7-9, Lgr11, Skolverket)
Detta är för en stor del av befolkningen den sista utbildning de får inom astronomi och människans plats i universum, och således även sista stadiet då deras konceptuella uppfattningar av världsbilden kan bearbetas och ändras. För de som däremot går det naturvetenskapliga programmet eller någon av dess inriktningar på gymnasiet väntar ytterligare astronomiutbildning i den kurs som numera benämns Fysik 2. Förutom att modellerna av universums storskaliga struktur utvidgas, ligger fokus framförallt på hur man gör observationer i universum, t.ex. av stjärn- och galaxspektra, samt hur man upptäcker exoplaneter:
”- Orientering om aktuella modeller och teorier för beskrivningen av universums storskaliga utveckling och av galax-, stjärn- och planetbildning.
- Atomens elektronstruktur samt absorptions- och emissionsspektra.
- Metoder för undersökning av universum. Elektromagnetisk strålning från stjärnor och interstellära rymden.
- Metoder för att upptäcka och undersöka exoplaneter. Villkor för liv på andra planeter.”
22
4. Metod och genomförande
De data som ligger till grund för denna undersökning inhämtas till övervägande del med hjälp av enkät. I följande avsnitt ges således en genomgång av användningen av enkät som metod, vilket följs av en beskrivning av tillvägagångssättet.
4.1 Enkät som metod
Huvudsyftet med detta arbete är att undersöka vilka konceptuella missuppfattningar elever i årskurs 9 hyser om vardagliga astronomiska fenomen. Eftersom flera olika delområden skall behandlas, och eftersom författaren har som mål att uppnå en någorlunda statistiskt säkerställd bild av situationen, innebär det att stora mängder data behöver samlas in under en relativt kort tidsperiod. Valet av metod föll således på enkät, vars främsta egenskaper är just att den uppfyller de ovan nämnda kriterierna. En uppenbar nackdel med enkät som metod ligger i detta fall i svårigheterna att mäta elevernas faktiska konceptuella uppfattningar. Att välja ett av flera tillgängliga svarsalternativ på en enkät, utan möjlighet till diskussion och uppföljningsfrågor, ger en betydligt mindre rättvis bild av elevernas tankekonstruktioner än vad exempelvis en serie djupgående intervjuer skulle kunna ge. Intresset från förfrågade skolor att ställa upp på enkäten kan dock uttryckas som ganska ljummet, och ett antagande gjordes att intervjuer skulle bli ännu svårare att organisera. Ett upplägg med både enkäter och intervjuer får dessutom sägas ligga utanför omfattningen av detta arbete. Icke desto mindre, om frågorna och svarsalternativen är noggrant utformade för att särskilja olika konceptuella uppfattningar hos urvalsgruppen och samtidigt minimera möjligheten att ge memorerbara, faktabaserade svar, kan en enkät berätta en hel del. Ett mellanting vore också att använda sig av ett frågeformulär som kräver beskrivande,
23
motiverade svar utan tillgång till alternativ. Sådana öppna frågor har potential att avslöja vanliga resonemangssvårigheter hos eleverna, samt ge en inblick i det naturliga språk de använder sig av för att beskriva vetenskapliga fenomen (Bailey 2007). Att sådana frågor tar mer tid i anspråk är dock negativt ur tre aspekter; dels leder det till utmattning hos eleverna, vilket försämrar kvaliteten på svaren; dels tar analysen av svaren betydligt längre tid, särskilt då urvalsgruppen är relativt stor; och dels är skolor och lärare mindre benägna att ställa upp och avdela den tid som krävs, vilket försvårar insamlandet av data.
Frågor angående demografiska parametrar har medvetet utelämnats från enkäten. Syftet är enbart att utröna vilka konceptuella missuppfattningar som existerar hos elever i slutet av grundskolan. Ingen forskning finns som tyder på att elevers missuppfattningar inom astronomi skulle vara beroende av de så kallade tilldelade egenskaperna, det vill säga kön, etnicitet, etc. Vissa forskare menar dessutom att fokuseringen på skillnader mellan exempelvis pojkar och flickor endast förstärker negativa könsstereotyper, såsom att flickor skulle vara mindre begåvade i och sakna fallenhet för naturvetenskap (Hyde & Linn, 2006). Det är inte ovanligt att pedagoger i sin praktik betonar skillnaderna mellan könen, en strategi som vilar på antagandet att de psykologiska könsskillnaderna är stora och existerar på flera plan. Men Hyde & Linn (2006) påtalar vikten av att också öka medvetenheten om
likheter mellan könen. Oavsett ståndpunkt bör lärare gå varsamt fram i genusfrågor och
kommunicera den känsligheten till eleverna så att de känner sig säkra, utmanade och involverade när de interagerar med varandra (Bennett & Rolheiser, 2001).
Den enda fråga av demografisk karaktär som överlevde enkätkonstruktionsprocessen angår elevernas val av gymnasielinje. Detta av den enkla anledningen att i framtida studier kunna skilja mellan de två populationer som antingen skall läsa mer astronomi (det vill säga elever som ska gå naturvetenskaplig/teknisk linje där kursen Fysik 2 ingår), och de som har erhållit sin sista utbildning i astronomi. Det kan såklart även vara av intresse för den eventuelle läsaren att se vilka konceptuella uppfattningar den första gruppen bär med sig in i klassrummet på gymnasiet, då detta enligt ett konstruktivistiskt synsätt är fundamentalt för den fortsatta utbildningen. Slutligen går det också att undersöka om några väsentliga skillnader mellan de båda grupperna kan skönjas, där man kan anta att de som ska gå ett naturvetenskapligt program hyser ett större allmänintresse för vetenskap.
24
4.1.1 Konstruktion av enkätfrågorna
Den enkät som användes för att testa elevernas tankekonstruktioner om vardagliga astronomiska fenomen återfinns i Appendix A. Frågorna 1-5 är hämtade och översatta från ett projekt som startade i början av 1990-talet av Harvard-forskarna Matthew H. Schneps och Philip M. Sadler för att kartlägga de vanligaste konceptuella missuppfattningarna hos både lärare och elever på alla utbildningsnivåer. A Private Universe Project 2, som det kallas, visade efter ett hundratal inledande intervjuer att vissa missuppfattningar är otroligt utbredda, oavsett åldersgrupp och tidigare undervisning i astronomi. Under åren har statistik från tusentals individer samlats in, vilket möjliggör en komparation mellan de data som samlas in för den här undersökningen, och ett förmodat representativt tvärsnitt av lärare och elever i den västerländska delen av världen i allmänhet och den amerikanska befolkningen i synnerhet. Frågorna är varierade och dessutom, efter år av insamlad empiri, formulerade för att verkligen utmana den konceptuella förståelsen snarare än att enkelt låta sig besvaras av memorerbar fakta där det underliggande konceptet inte behärskas. Vosniadou (1994) ser detta som ett huvudkriterium vid konstruktion av en enkät som har för avsikt att testa konceptuell förståelse. Flera av frågorna, såsom Fråga 1,4 och 5 innebär t.ex. att man ska tolka bilder, vilket är svårt att göra korrekt om den mentala modellen skiljer sig från den vetenskapligt vedertagna. Fråga 3 är en rangordningsuppgift som testar uppfattningen av avstånd i rymden och himlakropparnas inbördes positioner, medan Fråga 2 utmanar p-primen ”Närmre betyder mer” som diskuterades i Kapitel 3.
Fråga 6 samt snabbfrågorna i sista delen har konstruerats utifrån övrig litteratur (se litteraturgenomgången i Kapitel 3, samt förteckningen över mer än 1700 missuppfattningar och andra vanliga faktafel i astronomi, kompilerad av Neil Comins vid University of Maine3) i kombination med egna erfarenheter av vilka koncept och begrepp elever har för vana att missuppfatta eller blanda ihop. De senare frågorna har formen av påståenden, till vilka det ges möjlighet att antingen instämma eller avfärda som falska. Naturligtvis testar sådana frågor inte elevens konceptuella uppfattning i samma utsträckning som frågorna 1-6 (antingen har man hört svaret tidigare eller så gissar man), men tanken är att de ska ses mer
2
http://www.learner.org/teacherslab/pup/
25
som kontrollfrågor av på vilken nivå eleverna ligger kunskapsmässigt, samt om de fortfarande är fokuserade framåt slutet av enkäten.
Ytterligare hänsyn som måste tas vid enkätkonstruktionen är enligt Henriques, Colburn & Ritz (2006) bland annat ett enkelt språk utan alltför många tekniska termer, som ska kunna förstås av individer utan särskild utbildning i ämnet. Detta har eftersträvats, även om vissa astrofysiska termer naturligtvis var oundvikliga. Vad gäller Fråga 1-5 har en översättning så lik originalet som möjligt prioriterats framför en förenkling av ordvalen, för att bibehålla validiteten i jämförelsen med den existerande statistiska databasen. Andra medvetna val i utformningen av enkäten består av att varje fråga skall avse att testa endast
ett koncept, negationer bör undvikas, och olika komponenter av samma fråga skall tydligt
avgränsas från varandra (Henriques, Colburn & Ritz, 2006). Kvarstår gör tidsaspekten. Målet var att inte låna mer än 10-15 minuter av varje lektion, vilket innefattar även tiden det tar att förklara enkätens syfte och upplägg, samt samla in de färdiga formulären. Denna uppskattning visade sig också stämma relativt bra.
4.1.2 Källkritiska hänsyn
Källmaterialet till en undersökning av det här slaget måste uppfylla vissa krav för att klassas som trovärdigt. Följande källkritiska analysmodell är hämtad ur Ejvegård (1996).
Oberoendekrav: Varje elev förväntades fylla i enkäten sanningsenligt och oberoende av
varandra. Detta poängterades också för deltagarna innan enkäten delades ut, och att svaren behandlades helt anonymt medförde inga extra incitament för att ange svar som eleven själv inte uppfattade som korrekt eller närmast sanningen. Vid varje tillfälle var både författaren och en lärare närvarande, men då eleverna inte satt avskilda (eftersom denna process skulle innebära ytterligare tidsåtgång) kan det inte garanteras att ett visst meningsutbyte inte förekom. Detta gäller för övrigt även mellan de sex insamlingsstillfällena då eleverna hade möjlighet att diskutera sinsemellan. Med tanke på frågornas natur finns det dock heller inga garantier på att ett gemensamt framtaget svar skulle vara mer korrekt än vad elevernas individuella svar hade varit. De slutgiltiga
26
enkätsvaren transkriberades manuellt till ett datorprogram och en liten reservation för oavsiktliga fel kan härvid tilläggas, även om största noggrannhet beaktades.
Färskhets- och samtidighetskrav: Enkätsvaren samlades in under en veckas tid i mitten av
mars 2012, och klassas således som färska. När det gäller elevers konceptuella uppfattningar av fysikaliska fenomen är svaren heller inte lika beroende av färskhetsaspekten som exempelvis en undersökning om attityder gentemot ett pågående projekt, då konceptuell förståelse är en långsam och svårföränderlig process. Detta är direkt applicerbart även på samtidighetskravet. Det finns ingen anledning att tro att elevernas uppfattningar kommer att ändras inom den närmaste tiden, då lärarna på den berörda skolan inte planerade någon ytterligare undervisning i astronomi för årskurs 9 under den resterande delen av terminen.
4.2 Insamling av data
Inhämtandet av all data rörande vanliga konceptuella missuppfattningar i astronomi hos niondeklassare i den svenska grundskolan förlades till en typisk, normalstor 4–9-skola i en medelstor stad i södra Sverige. Under en vecka i mars 2012 fick samtliga närvarande elever i årskurs 9 möjlighet att på fysiklektionerna fylla i enkäten som återfinns i Appendix A. Detta skedde vid sex olika lektionstillfällen, där varje grupp bestod av knappt 20 elever. Innan enkäten delades ut, informerades eleverna om syftet med undersökningen, att alla svar kommer behandlas anonymt och därför inte står till grund för någon bedömning, samt rätten att avstå helt eller delvis.
I slutändan deltog 90 elever i undersökningen (N = 90). Alla elever svarade inte på samtliga frågor, och vissa svar var tvungna att uteslutas från analysen på grund av tvetydiga markeringar i enkäten. Det kunde röra sig om för många valda svarsalternativ (mer än en ikryssad ruta för samma fråga), kompromisser mellan två svarsalternativ (ett kryss mellan två rutor), skriftliga kommentarer vars budskap motsade det valda svarsalternativet, samt tydliga missuppfattningar av hur frågan skulle besvaras. Trots detta får deltagandet i
27
samtliga frågor sägas vara mycket god, och inte på någon fråga underskred deltagandet 96 % (87 av 90 svarande). Detta sammanfattas i Tabell 1 nedan.
Tabell 1. Statistiskt underlag per fråga i urvalsgruppen (N = 90)
Antal svarande (ni) Andel svarande (%)
Fråga 1 90 100 Fråga 2 90 100 Fråga 3 87 96,7 Fråga 4 89 98,9 Fråga 5 89 98,9 Fråga 6 89 98,9 Fråga 7 A B C D E F G H I 89 90 89 90 89 88 89 87 88 98,9 100 98,9 100 98,9 97,8 98,9 96,7 97,8
Undergruppen elever som ämnar läsa ett naturvetenskapligt gymnasieprogram eller motsvarande bestod av 33 individer. Läsaren bör ha i åtanke att detta är i minsta laget då den statistiska säkerheten i resultaten av en sådan här undersökning skall valideras. Av dessa 33 elever svarade alla på samtliga frågor så när som på ett borträknat svar för Fråga 3.
4.2.1 Konfidensintervall
Urvalsgruppen på 90 elever är endast ett stickprov i den stora populationen elever i årskurs nio i den svenska grundskolan. Någon form av mått på osäkerheten i resultaten behövs för att skatta den bakomliggande populationens fördelning. Då jämförelser kommer att göras mellan urvalsgruppen som helhet och undergrupperna av naturvetare och icke-naturvetare,
28
samt mellan urvalsgruppen som helhet och det stora statistiska underlaget från A Private
Universe Project, behöver man också kunna avgöra huruvida det rör sig om två distinkta,
statistiska säkerställda populationer. Detta uppskattas med hjälp av konfidensintervall. Medelfelet SEM (från engelskans Standard Error of Mean) ges av:
där p är proportionen av det sökta utfallet (t.ex. rätt svar), q är proportionen av de andra utfallen, det vill säga (1 – p), och n är antalet individer i stickprovet. Ett 95 % konfidensintervall beräknas sedan som:
där faktorn 1,96 uppkommer av att 95 % inte riktigt utgör två hela standardavvikelser. Innebörden av ett 95 % konfidensintervall är att vid upprepade slumpmässiga stickprov av samma storlek från samma population under identiska förhållanden skulle 95 % (eller 19 av 20 om man så vill) av dessa intervall innesluta det verkliga populationsvärdet. Detta är inte detsamma som att sannolikheten för att det verkliga populationsvärdet återfinns innanför det beräknade konfidensintervallet vid ett stickprov är 0.95.
29
5. Resultat och analys
I detta avsnitt presenteras och analyseras resultaten från enkätsvaren i föregående kapitel, utifrån det teoretiska ramverket i Kapitel 3. Dels studeras urvalsgruppen som helhet och dels kontrolleras de båda underpopulationerna av framtida naturvetare och icke-naturvetare. Där möjligheten finns görs även en jämförelse med resultaten i den stora databasen knuten till A Private Universe Project (hädanefter PUP). Dessa är kategoriserade efter åldersgrupp, och såvida inget annat nämns så gäller all data de mer än tusen amerikanska elever i årskurser 9–12 (”High school”), motsvarande elever i årskurs 9 och gymnasiet, som hittills deltagit i projektet. Tyvärr fanns ingen möjlighet att separera ut en grupp med enbart 15– 16-åringar. Frågorna kommer att behandlas var för sig, utom i ett fåtal fall där det sammanlänkade resultatet är mer intressant än resultaten av de enskilda frågorna.
5.1 Fråga 1 – Jorden bana kring solen
I den första frågan skall eleverna välja en av fyra bilder som de tror bäst representerar Jordens verkliga omloppsbana kring solen. Det korrekta svaret är A; omloppsbanan är nästintill perfekt cirkulär. Johannes Kepler visade visserligen redan på 1600-talet att alla planeter rör sig i elliptiska banor med solen i ena brännpunkten, men ellipserna i alternativ C och D är kraftigt överdrivna. I läroböcker är detta också vanligt förekommande i syfte att få fram ett budskap. Det är också vanligt att solsystemet illustreras snett uppifrån (i alla fall vad som allmänt sett betraktas som uppifrån – universum föredrar inga specifika riktningar framför andra), vilket får de nästan cirkulära planetbanorna att framstå som mer elliptiska än vad de i själva verket är. P-primen ”Närmre betyder mer” är också av stor betydelse här; om man okritiskt antar att det huvudsakliga skälet till årstiderna är avståndet till solen är det
30
lätt att välja något av de tre felaktiga alternativen, särskilt om man tidigare också har hört eller sett att planeternas banor är elliptiska (se också Fråga 2 nedan). Det intressanta med den här frågan är att sannolikheten att välja ett felaktigt alternativ faktiskt ökar ju mer astronomi man har studerat.
Resultatet kan beskådas i Figur 1 längst ned på sidan. Färgkodningen representerar de olika urvalsgrupperna. Som synes har en klar majoritet, mer än 50 %, av deltagarna i denna undersökning valt alternativ C. Som vi skall se är detta resultat särskilt intressant i ljuset av resultaten på Fråga 2. Andelen som valt rätt alternativ ligger på strax under en tredjedel av samtliga elever, vilket inom felmarginalerna är helt i paritet med det stora underlaget i PUP-gruppen (betänk att medelåldern i denna med största sannolikhet också är högre). Det skall dock sägas att i den sistnämnda gruppen är distributionen av svar något annorlunda, och alternativ A är faktiskt det vanligaste svaret. Tittar man på undergruppen av framtida naturvetare och tekniker ökar andelen rätt svar något, men inte tillräckligt för att kunna särskilja dem från övriga elever. Sammantaget kan alltså sägas att svenska niondeklassares uppfattning om Jordens omloppsbana kring solen är normal för åldergruppen. Tyvärr innebär detta också att riktade kraftansträngningar behövs även här för att kunna förändra elevernas konceptuella uppfattningar .
Figur 1. Resultaten av Fråga 1 från denna undersökning i jämförelse med PUP-undersökningen.
0 10 20 30 40 50 60 A B C D A n d e l (%)
Fråga 1
Alla NV Övriga PUP31
5.2 Fråga 2 – Årstiderna
Eleverna ombeds i Fråga 2 förklara varför det är varmare i Malmö i juni än i december, eller helt enkelt orsaken till årstidernas uppkomst. Denna fråga hänger starkt samman med föregående fråga, men enligt Figur 2 är det få som reflekterat över kopplingen dem emellan. Nästan 75 % av alla svarande hyser uppfattningen att det norra halvklotet är närmare solen i juni. Skälet att välja alternativ C istället för B beror med största sannolikhet på att man någonstans har hört att Jordens rotationsaxel lutar i förhållande till omloppsplanet, och att denna lutning har något med årstiderna att göra. Detta visar dock att man har dålig uppfattning om Jordens storlek och avstånd till solen – om norra halvklotet är närmare solen på sommaren borde rimligtvis även södra halvklotet vara det. Att Jorden skulle vara närmre solen i juni är också fel. Faktum är att den låga grad av ellipticitet som faktiskt existerar bidrar till att Jorden är något längre ifrån solen då norra halvklotet upplever sommar. Detta tolkas av författaren som ett utmärkt exempel på det Hargreaves (1994) pratar om som trygga simuleringar och globaliseringens paradox; övertron på jaget, i kombination med västvärldens ’nationalistiska’ och okritiska förhållningssätt till norra halvklotet som normen.
Figur 2. Samma som Figur 1, fast för Fråga 2.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 A B C D A n d e l (%)
Fråga 2
Alla NV Övriga PUP32
Endast 12 % angav den rätta förklaringen (alternativ D). Korrelerar man svaren på Fråga 1 och 2 finner man förvånansvärt nog att endast 2 av de 11 elever som svarade rätt på den senare frågan också hade rätt på Fråga 1. Detta är enligt konceptförändringsteori ett tydligt tecken på att de båda uppfattningarna aldrig tidigare tvingats stöta på varandra och därigenom utmanats. P-primen ”Närmre betyder mer” i kombination med lösryckta fakta får härska fritt. Glädjande nog är det inte en enda elev som tror att årstiderna beror på solens undulerande värmeproduktion (alternativ A), man är således på det klara med att det är solens och Jordens inbördes positioner som är avgörande. I jämförelsen med PUP-underlaget går det att säkerställa en skillnad i populationerna, där en betydligt större andel av de amerikanska high school-eleverna visar på konceptuell förståelse av fenomenet. Även i PUP-gruppen anser dock majoriteten att alternativ C är rimligast.
5.3 Fråga 3 – Himlakropparnas avstånd
Att rangordna välbekanta objekt efter deras avstånd till Jorden, som i Fråga 3, bereder inte eleverna i årskurs 9 några väsentliga problem, se Figur 3. Hela 70 % angav den rätta ordningen (alternativ C), vilket tyder på att de har en uppfattning av stjärnor som väldigt avlägsna objekt. Självaste Piaget fann bland en del väldigt unga barn uppfattningen att solen, månen och stjärnor befinner sig framför molnen4 (motsvarande alternativ A). Detta är dock en konstruktion som snabbt bryts ned då vi observerar att objekt som är närmare skymmer objekt som ligger längre bort, och inte en enda elev valde detta svar. Alternativ B och D förutsätter att stjärnor existerar mellan planeterna i vårt solsystem, vilket nära 30 % av eleverna ansåg vara sant. Kontrollfråga 7c bekräftar detta. Upphovet till dessa missuppfattningar kan härstamma från det faktum att månen och stjärnorna till följd av Jordens rotation tycks färdas tillsammans över himlen och därför måste befinna sig på ungefär samma avstånd (alternativ B), eller den uppfattningen vi tidigt ges att Pluto befinner sig mycket långt borta och att stjärnorna därför bör ligga någonstans mitt emellan Jorden och Pluto (alternativ D). De ofantliga avstånden i rymden är en svårgreppbar abstraktion, och att i klassrummet konkretisera de fyra kriterier för konceptuell förändring
33
som anges i Posner et al. (1982) är en rejäl utmaning. Slutligen kan nämnas att distributionen av svar är i stort sett identisk med kontrollgruppen i PUP.
Figur 3. Samma som Figur 1, fast för Fråga 3.
5.4 Fråga 4 – Månfaserna
En ständig källa till konceptuella missuppfattningar utgörs av orsaken till månens faser, vilket behandlas i Fråga 4. I föregående fråga nämndes konstruktionen att skymda objekt ligger längre bort än objektet som skymmer. Denna (korrekta) p-prim appliceras ofta (felaktigt) på förhållandet mellan solens, Jordens och månens inbördes positioner. Någonting ser ut att skymma delar av månen från solens ljus och detta måste naturligtvis vara Jorden. Av deltagarna i denna undersökning var det 42 % som delade ett sådant synsätt (Figur 4). Med denna konceptuella missuppfattning har man dock underskattat de tre kropparnas storleks- och avståndsförhållande (se Fråga 5). I verkligheten är månen så långt bort och så pass stor att månförmörkelser (då månen faktiskt hamnar i Jordens skugga) bara sker ett fåtal gånger per år. När så väl sker försvinner dock inte månen helt utan lyser med
0 10 20 30 40 50 60 70 80 A B C D A n d e l (%)
Fråga 3
Alla NV Övriga PUP34
ett mörkt rött sken. De fåtal som svarade med alternativ B borde med relativ lätthet kunna ändra uppfattning om man till exempel utförde observationer under klara nätter. Den vetenskapligt accepterade förklaringsmodellen, alternativ C, hölls av en majoritet av eleverna (52 %), men statistiskt sett är det ingen skillnad mellan de båda grupper som svarade antingen A eller C.
Figur 4. Samma som Figur 1, fast för Fråga 4.
I jämförelse med de mer än 1000 individerna i PUP går det dock att fastställa en skillnad med 95 % konfidensintervall. Bland dessa är det tydligt att den korrekta modellen är i övervägande majoritet (67 %), vilket också är betydligt högre än motsvarande andel bland de svenska eleverna i årskurs 9.
5.5 Fråga 5 – Avståndet till månen
Fråga 5 hänger samman med Fråga 4. Det skalenliga avståndet mellan Jorden och månen skall pekas ut från tre olika förslag. Resultaten ges i Figur 5 nedan.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 A B C A n d e l (%)
Fråga 4
Alla NV Övriga PUP35
Figur 5. Samma som Figur 1, fast för Fråga 5.
Detta är den fråga som visade sig ge upphov till flest felaktiga svar. Endast lite drygt 4 % kunde peka ut den skalenliga modellen (alternativ A), och av dessa var det endast en elev som också hade rätt på Fråga 4, vilket indikerar att det mycket väl kan ha rört sig om gissningar snarare än välutvecklad konceptuell förståelse. En god tumregel är att man får plats med 30 jordklot på rad mellan Jorden och månen. Bland övriga alternativ var det kortaste avståndet (C) det mest attraktiva. Anledningen till att välja B eller C beror troligtvis på att man utsatts för felaktiga visuella representationer, t.ex. i läroböcker eller tredimensionella byggmodeller, som anpassats för att få plats på en sida i boken eller på katedern i klassrummet. Kraven på den postmoderna läraren som flexibel och individuell ger enligt Hargreaves (1994) paradoxalt nog mindre tid till läraryrkets verkliga natur där planering av undervisningen är en central komponent, vilket också innebär att läraren måste förutsätta att vissa tankemodeller redan finns förankrade hos eleverna, tvärtemot vad konstruktivistiska idéer förespråkar. Att således förklara bristerna i läromaterialet utifrån konceptuell modellkonstruktion blir helt väsentligt.
Alla tre grupper av svarsalternativ för hela stickprovet är för övrigt statistiskt säker- 0 10 20 30 40 50 60 70 A B C A n d e l (%)
Fråga 5
Alla NV Övriga PUP36
ställda. Detsamma kan sägas om skillnaderna mellan de båda populationerna svenska niondeklassare och amerikanska high school-studenter. I den sistnämnda gruppen är svaren jämnt fördelade mellan alternativen, vilket innebär en relativt hög andel (34 %) personer med rätt svar, klart mycket högre än för deltagarna i denna studie.
5.6 Fråga 6 – Teleskop i omloppsbana
Sista frågan med svarsalternativ kan till en början te sig vara ytterligare en fråga om avstånd, men behandlar fler koncept än så. Eleverna skall svara på vilket det huvudsakliga skälet är till att placera teleskop i omloppsbana kring Jordan, istället för att bara använda sig av de som finns på marken. En djup konceptuell förståelse av en sådan här uppgift visar man om man inser att den relativa avståndsminskningen till stjärnorna är försumbar och inget giltigt skäl (18 % trodde dock att så var fallet och valde alternativ A, vilket inom felmarginalerna stämmer överens med den andel som svarade fel på Fråga 3 och Fråga 7a), att teleskop inte observerar elektromagnetiska vågor med samma våglängd som mobiltelefonsignaler (17 % valde alternativ C), samt att Jordens atmosfär är mindre genomtränglig för vissa frekvenser och helt ogenomtränglig för andra och därmed nödvändiggör rymdbaserade teleskop. En så pass hög andel som 64 % svarade rätt på denna fråga (se Figur 6). Den grupp elever som på gymnasiet skall läsa ett naturvetenskapligt program gör här bättre ifrån sig än gruppen med resterande elever. Skillnaden på 13 procentenheter är dock inte tillräcklig för att tala om reell trend, inte ens med ett 68 % konfidensintervall, vilket beror på de fåtaliga urvalsgrupperna på 33 respektive 57 elever.
5.7 Fråga 7 – Påståenden
Sista delen av enkäten består av nio stycken påståenden som antingen skall bekräftas eller avfärdas. De kan till viss del ses som kontrolluppgifter där man kan förvänta sig en ungefärlig fördelning, eller som kontrolluppgifter på föregående frågor, eller för att helt
37
Figur 6. Resultaten av Fråga 6 för urvalsgruppen som helhet, samt för de båda undergrupperna.
enkelt kontrollera vanliga förväxlingar av mer faktamässig karaktär. Dessa frågor är av det enklaste slaget och ligger därför inte till grund för någon analys av konceptuell förståelse. Resultaten för samtliga påståenden återfinns i Figur 7.
a) Detta påstående utgör en av få kosmologiska anknytningar i undersökningen. Konceptet
är inte intuitivt och kan te sig svårgreppbart för en grundskoleelev, även om man tidigare fått det förklarat för sig. Det är också öppet för tolkning huruvida det ingår i de centrala målen eller ej. Förväntningarna var därför att majoriteten skulle avfärda påståendet som falskt, vilket också visade sig stämma (39 % för, 60 % emot, 1 % svarade ej).
b) Här testas uppfattningen om luftmotstånd och vetskapen om månens avsaknad av
atmosfär. Inte heller detta påstående är särdeles intuitivt och den höga andelen som instämmer i påståendet kan tyckas något förvånande (66 % för, 34 % emot).
c) Resultaten av detta påstående bekräftar inom felmarginalerna för Fråga 3 och 6 att
någonstans mellan 20 och 30 % av eleverna i årskurs 9 är av uppfattningen att det finns stjärnor mellan planeterna i vårt solsystem (30 % för, 69 % emot, 1 % svarade ej).
0 10 20 30 40 50 60 70 80 A B C A n d e l (%)
Fråga 6
Alla NV Övriga38
Figur 6. Resultaten av Fråga 7 för urvalsgruppen som helhet, samt för de båda undergrupperna. Färgkodningen är densamma som i tidigare figurer.
d) Tillsammans med efterföljande påstående testas elevernas förmåga att skilja på
begreppen vikt och massa. I urvalsgruppen som helhet klarar de flesta av det, även om fler är osäkra på begreppet vikt (61 % för, 39 % emot) än på begreppet massa (82 % för, 17 % emot, 1 % svarade ej). Däremot kan man nätt och jämnt inom gränserna för ett 68 % konfidensintervall slå fast att gruppen med framtida naturvetare presterar något sämre på den förstnämnda frågan (15 procentenheter lägre andel svarade rätt på påståendet om vikt jämfört med gruppen med övriga elever).
0 20 40 60 80 Stämmer Stämmer ej A n d e l (% ) a) 0 20 40 60 80 Stämmer Stämmer ej A n d e l (% )
Fråga 7
b) 0 20 40 60 80 Stämmer Stämmer ej A n d e l (% ) c) 0 20 40 60 80 Stämmer Stämmer ej An d e l ( % ) d) 0 50 100 Stämmer Stämmer ej An d e l ( % ) e) 0 20 40 60 Stämmer Stämmer ej An d e l ( % ) f) 0 50 100 Stämmer Stämmer ej A n d e l (% ) g) 0 20 40 60 80 Stämmer Stämmer ej A n d e l (% ) h) 0 20 40 60 80 Stämmer Stämmer ej A n d e l (% ) i)39
e) Se ovan.
f) Enligt egen erfarenhet är ett vanligt faktafel bland såväl unga som gamla att blanda ihop
Vintergatan (vår galax) med vårt solsystem. Detta bekräftas här, där ungefär hälften av de tillfrågade ansåg påståendet vara sant (48 % för, 50 % emot, 2 % svarade ej). Det noteras att samma distribution skulle förväntas i en urvalsgrupp där samtliga deltagare gissar.
g) En övervägande majoritet av eleverna är, föga förvånande, medvetna om att vår galax
inte befinner sig i mitten av universum (14 % för, 84 % emot, 2 % svarade ej).
h) I likhet med förra påståendet är detta av grundläggande kosmologisk natur, och det
förväntades därför att majoriteten skulle ha hört talas om universums expansion. Så var också fallet (70 % för, 27 % emot, 3 % svarade ej).
i) Resultatet för detta påstående väcker frågor. Att nästan 60 % av eleverna i årskurs 9
skulle ha en felaktig uppfattning om varför vi har natt och dag verkar osannolikt (59 % för, 39 % emot, 2 % svarade ej). Tittar man enbart på de elever som inte kommer få någon ytterligare utbildning i astronomi växer siffran till skrämmande 72 %. För gruppen framtida naturvetare och tekniker är förhållandet således det motsatta och endast 36 % instämmer med påståendet (vilket i och för sig kan tyckas ganska högt det med). Frågan är dessutom den enda där en skillnad mellan grupperna naturvetare och icke-naturvetare kan säkerställas på 95 % konfidensnivå. Vad orsakerna till detta förvånande resultatet är kan diskuteras. En brist på koncentration och önskan att bli färdig hos eleverna kan drabba denna fråga i egenskap av att vara den sista. De två föregående frågorna ger dock inget stöd för denna teori. Frågans utformning (meningsuppbyggnad och ordval) kan möjligtvis ha lett till förvirring. Ordvalet ”snurrar kring” var en medveten förenkling av ”går i omloppsbana runt” i enlighet enkätkonstruktionsteori (se Kapitel 4), men kan i detta fall ha orsakat mer skada än nytta. Det förklarar dock inte den stora skillnaden mellan de båda undergrupperna. Oavsett vilka anledningar som kan tänkas påverka är en så pass stor siffra som 72 % svår att argumentera ner till acceptabla nivåer, vilket föranleder tron på en förvånansvärt utbredd fundamental missuppfattning om ett av de allra vardagligaste fysikaliska fenomen.
