Examensarbete
30 högskolepoäng
Att hantera elevföreställningar i ellära
- en undersökning om laborativ metod
Christin Nilsson
Sanna Pröjtz
Magisterexamen & Lärarexamen 270hp Examinator: Carl-Erik Magnusson
Naturvetenskaplig fysik Handledare: Mats Areskoug
Sammanfattning
Vi har i denna uppsats studerat elevföreställningar i ellära och laborationens betydelse för lärandet i grundskolans senare del. Forskning av elevers föreställningar i ellära har visat att elevers förståelse kring den elektriska kretsen är begränsad, och att en laborativ metod kan vara fördelaktig att använda då man vill öka elevers förståelse kring fysikaliska fenomen. Denna uppsats bygger både på litteraturstudie samt genomförd undersökning, vilken bestod dels av en enkätundersökning och dels av intervjuer. Utifrån dessa utformades en laboration följt av en ytterliggare enkätundersökning för att kartlägga laborationens inverkan på elevernas kunskaper i ellära.
Undersökningen visade att eleverna har begränsade kunskaper om ström och slutna kretsar. Resultatet visade också att det inte fanns någon generell skillnad mellan årskurs sju och nio. Undersökningen visade även att laborativ metod kan vara ett arbetssätt som till viss del kan förbättra och utveckla elevernas kunskaper kring enkla elektriska kretsar.
Nyckelord: elevföreställningar, fysik, grundskola, laborativ metod, lärande
Abstract
We have in this essay, studied student performances in electromagnetics and and the importance of laboratory education in secondary school. The research of the students' performances in electromagnetics has shown that students' understanding of the electrical circuit is limited, and that a laboratory method may be advantageous to use in efforts to increase students' understanding of physical phenomena.
This essay is based both on literature review and survey, which consisted of a questionnaire and interviews. Based on these a laboratory experiment was performed followed by a final survey to identify the labs impact on students' skills in electronics.
The survey showed that students have limited knowledge of current and closed circuits. The results also showed that there was no overall difference between grades seven and nine. The survey also revealed that the laboratory method may be an approach that can partially improve and develop students' knowledge of simple electrical circuits.
Keywords: students' misconceptions, physics, elementary school, laboratory practice, learning
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 6
2 Syfte ... 7
3 Frågeställningar ... 7
4 Lärande ... 8
4.1 Kunskap och förståelse... 8
4.2 Läroteorier... 8
4.3 Lärande enligt styrdokumenten... 9
4.4 Lärande i naturvetenskap ... 9
4.4.1 Elevföreställningar ... 10
4.5 Laborativ metod ... 11
4.5.1 Förankring i styrdokument ... 12
4.5.2 Laborationen sett utifrån lärandeteorier ... 12
4.5.3 Laborationens utförande... 13
4.5.4 Det laborativa syftet ... 14
4.5.5 Laborationens problematik... 15
4.6 Att hantera elevföreställningar med laborativ metod... 17
4.7 Analogi ... 17
5 Elevföreställningar i ellära ... 18
5.1 Vardagsföreställningar i ellära ... 18
5.2 Modelltänkande i ellära... 18
5.3 Elevföreställningar om ström ... 20
5.4 Samband mellan ström och spänning... 23
5.5 Att motverka föreställningar ... 24
6 Ellära ... 26
6.1 Laddning och potential... 26
6.2 Ström ... 27
6.3 Den elektriska kretsen ... 28
6.4 Serie- och parallellkoppling ... 29
6.4.1 Seriekoppling av komponenter... 29 6.4.2 Parallellkoppling av komponenter ... 30 7 Metod... 31 7.1 Urval... 31 7.2 Datainsamlingsmetoder... 31 7.3 Procedur ... 32 7.3.1 Enkäterna... 32
7.3.1.1 Motivering till frågor i enkät... 33
7.3.2 Intervjuer ... 34 7.3.3 Laborationen... 35 7.4 Databehandling... 35 7.5 Tillförlitlighet ... 35 7.5.1 Tillförlitlighet i urval... 35 7.5.2 Tillförlitlighet i metoden ... 36
7.5.2.1 Tillförlitlighet i enkäten ... 36
7.5.2.2 Tillförlitlighet i intervjuerna... 37
8 Motivering till laborationen ... 38
8.1 Station 1 - Få lampan att lysa ... 38
8.2 Station 2 - Spänning och ström ... 38
8.3 Station 3 – Strömmen i kretsen ... 39
8.4 Station 4 – Lampor i serie ... 39
8.5 Station 5 – Parallella lampor ... 40
9 Resultatbeskrivning ... 41
9.1 Elevsvar på kunskapsfrågor i ellära ... 41
9.1.1 Vad är ström? ... 41
9.1.2 Den slutna kretsen ... 41
9.1.3 Strömmens styrka i kretsen ... 42
9.1.4 Seriekopplade & Parallellkopplade lampor... 43
9.1.5 Spänning... 44
9.1.6 Ström och spänning... 45
9.2 Skillnad i svar mellan årskurserna ... 46
9.3 Intervjuer ... 48
9.3.1 Intervju med Anna... 48
9.3.2 Intervju med Bella... 48
9.3.3 Intervju med Calle... 49
9.3.4 Intervju med Danielle... 49
9.3.5 Intervju med Emil... 50
9.3.6 Intervju med Felicia ... 50
9.3.7 Intervju med Gustav ... 51
9.4 Skillnader före och efter laborationen... 52
9.4.1 Vad är ström? ... 53
9.4.2 Den slutna kretsen ... 53
9.4.3 Strömmens styrka i kretsen ... 54
9.4.4 Seriekopplade och Parallellkopplade lampor... 55
9.4.5 Ström och spänning... 56
9.5 Elevernas utvärdering... 56
10 Analys och diskussion ... 57
10.1 Diskussion av resultat... 57 10.2 Slutord ... 60 11 Referenser ... 61 Bilagor ... 64 Bilaga 1 - Enkät 1... 66 Bilaga 2 - Enkät 2... 69 Bilaga 3 - Stationslaborationer... 72
1 Inledning
Under våra studier på lärarutbildningen har vi funnit ett gemensamt intresse för hur man bemöter elevföreställningar. Utifrån detta intresse valde vi att dels undersöka vilka föreställningar det fanns inom ellära och dels om laborationen kan vara ett arbetssätt i att arbeta mot begreppsförändring. Elektronik utgör en stor del av vår vardag med exempelvis mobiltelefoner och datorer. Det ökade tekniska samhället förutsätter en viss kunskap i ellära exempelvis vid nya elektriska installationer i hemmet. Denna magisteruppsats behandlar frågeställningar kring hur man kan behandla elevföreställningar med ett laborativt arbetssätt med inriktning mot grundskolans senare del. Uppsatsen behandlar inledningsvis pedagogikens syn på lärande och därefter hur lärande kan knytas till laborationen. Teoriavsnittet behandlar även elevers föreställningar inom ellära samt de naturvetenskapliga teorierna på samma område. Slutligen redovisas en resultatbeskrivning av vår undersökning av elevföreställningar och därefter följer en diskussion och analys av undersökningens resultat och dess betydelse för lärande.
Elevföreställningar är teorier som eleverna använder för att förklara sin omvärld. Elevföreställningarna behöver inte vara kopplade direkt till skolundervisningen utan kan finnas långt innan eleverna börjar skolan. På samma sätt kan föreställningarna förändras och fortsätta existera resten av livet. Dessa "felföreställningar" överensstämmer oftast inte med de vetenskapliga teorierna. Då eleverna möter de naturvetenskapliga teorierna i skolan kan de ha svårt att ta till sig ny kunskap då den strider mot vad eleverna anser är rätt. De naturvetenskapliga teorierna anses inte alltid som så självklara för eleverna som de är för de utbildade lärarna. Elevföreställningar är därför mycket undervisningsresistenta och för att eleverna ska ändra sin begreppsuppfattning behövs ett stort arbete med att utmana deras teorier och introducera nya, vetenskapliga begrepp (Sewell, 2002). Elevföreställningar finns inom de flesta områdena i fysik och inom området ellära är källa-förbrukar-modellen en av de vanligaste modellerna. Eleverna ser ström som det primära begreppet där ström kan lagras i olika källor för att sedan förbrukas i elektriska föremål (Andersson, 2002) .
Som lärare i ett naturvetenskapligt ämne kommer vi att använda och utforma laborationen i vår undervisning. Laborationer är en stor del i den naturvetenskapliga undervisningen, och att få insikt i hur laborationen kan bidra till kunskap samt hur laborationen ses ur elevernas perspektiv är en viktig del i skolutvecklingen. I denna uppsats har vi kartlagt elevernas kunskaper i ellära före och efter en laboration. Undersökningen utfördes i grundskolans senare del med inriktning på årskurs sju och nio. Syftet med undersökningen var dels att undersöka om lämpligt utformade laborationer kan vara fördelaktiga för att stärka elevernas förståelse i naturvetenskap. Tyngdpunkten i undersökningen baserades på en enkätundersökning som genomfördes både före och efter en laboration. Avsikten var att ta reda på hur laborationen påverkat elevernas kunskaper. Vi fann en klar förbättring på de frågor som laborationen behandlade, däribland kunskap om kravet på sluten krets för att ström ska flyta. Elevernas egen utvärdering av laborationen visade att majoriteten av dem ansåg sig ha ökade kunskaper i ellära.
2 Syfte
Syftet bakom detta arbete är att undersöka hur laborationer kan påverka elevers begreppsuppfattning. Vi vill med utgångspunkt från elevers föreställningar i ellära utforma en laboration för att kartlägga om den laborativa metoden kan vara användbar i att förbättra elevernas kunskaper. Vi vill även undersöka hur elevernas kunskaper i ellära utvecklas under högstadiet.
3 Frågeställningar
• Vilka elevföreställningar finns inom ämnesområdet ellära bland elever i grundskolans
senare del?
Den forskning som vi tagit del av under våra studier vid lärarutbildningen är daterad från 1970 till slutet av 80-talet där nyare forskningsrön är sällsynta. Är forskningen från 80-talet fortfarande giltig? Kan vi hitta tendenser hos eleverna att sådana elevföreställningar
fortfarande finns?
• Hur skiljer sig elevers kunskaper inom ellära mellan årskurs 7 och årskurs 9?
Vi vill jämföra elevernas kunskaper från 7:e till 9:e klass för att se om elevföreställningarna förändras med åren.
• Kan en laboration skapad utifrån elevföreställningar öka elevernas kunskaper i ellära?
Laborationer kan konstrueras på flera olika sätt för att förmedla rätt kunskap. Laborationen som vi utformar bygger på resultatet av den första enkätundersökningen som genomförs enligt ett konstruktivistiskt synsätt.
4 Lärande
Ord som kunskap och förståelse är svårdefinierade begrepp som är starkt förknippade med lärande. Lärande sker ständigt runtomkring oss och därmed inte begränsad till skolans värld. Dock associeras framförallt skolan som den plats där man förväntas lära sig bestående kunskap för livet. Inom pedagogiken, läran om hur man lär sig, finns ingen entydig teori för hur lärande och inlärning på bästa sätt ska ske utan pedagogiken grundar sig på ett flertal teorier utvecklade av pedagoger såsom Piaget och Vygotskij. Utifrån dessa teorier kan lärare inspireras för att ge elever bestående kunskap och förståelse av omvärlden.
4.1 Kunskap och förståelse
Kunskap är svårdefinierat och abstrakt då det kan ha olika betydelse för olika människor i olika situationer. I Läroplanen för den obligatoriska skolverksamheten 94 utrycks begreppet kunskap utifrån fyra former: fakta, förståelse, förtrogenhet och färdighet (Skolverket, 2006c). Dessa olika former av lärande är beroende av varandra och samspelar vid kunskaps-inhämtning. Beroende på hur man ser kunskap finns det olika sätt att tillgodogöra sig kunskapen, att lära sig. Fakta som telefonnummer kan man memorera medan färdigheten att kunna cykla är något man tränar upp. För att kunskapen på bästa sätt skall kunna bidra till ett ökat lärande krävs en relevant och varaktig förståelse hos den som lär sig (Newton, 2003). Med förståelse kan man lättare och snabbare ta till sig ny kunskap och behålla den (Ibid.). Även flexibiliteten att använda kunskapen i olika situationer främjas av förståelse (Ibid.). Förståelse kan enkelt förklaras som att veta svaret på frågan varför? och eftersträvas för att det underlättar lärandet. Därför ses förståelse oftast som mer beständig än ren faktakunskap (Ibid.).
4.2 Läroteorier
Skolundervisningen har på senare år i huvudsak präglats av två pedagogiska synsätt, det socialkonstruktivistiska- och det konstruktivistiska synsättet. Pedagogen Piagets läroteori är av kognitiv art och innebär att eleverna skapar sig egna uppfattningar och förståelse av omgivningen, utan samverkan med andra (Evenshaug & Hallen, 2001). Därför kan läraren inte överföra den egna förståelsen till eleven utan denna kunskap är individuellt inlärd. Piagets läroteori bygger på att jämvikt råder mellan samspel och anpassning till omgivningen där kunskap konstrueras genom två processer; assimilation, där eleven anpassar omgivningen efter sig själv och ackommodation där eleven anpassar sig själv efter omgivningen. Enligt Evenshaug & Hallen (2001) är Piagets teori uppbyggd kring att kunskapsbyggandet hos barn utgörs av en aktiv process. Barnen bygger sig egen kunskap och deras intellektuella utveckling till lärande bygger på mentala scheman som ligger till grund för det barnen tänker och handlar i olika situationer (Ibid.). Evenshaug & Hallen (2001) menar att alla barn går igenom samma stadier i sin intellektuella utveckling, oberoende av förutsättningar och bakgrund, och att föregående stadium inkluderas i nästkommande. Däremot kan man inte forcera utvecklingen av lärandet utan eleven måste ha uppnått ett visst stadium för att kunna tillägna sig viss kunskap. (Ibid.)
Vygotskijs syn på lärande påminner om den konstruktivistiska synen på inlärning och utveckling med en kognitiv inriktning likt Piagets läroteori (Evenshaug & Hallen, 2001). Vygotskij menar att lärande hos eleverna beror på deras förmåga till sociala interaktioner och
samspel med omgivningen. Genom socialisation anser Vygotskij att eleven utvecklar sina mentala funktioner (Ibid.). Till skillnad från Piagets läroteori, där lärandet beror på den enskilde eleven, menar Vygotskij att lärandet sker i samspel med andra. Lärandet sker inledningsvis i samarbete med andra, för att sedan utvecklas från socialt till individuellt lärande. Ett led i den sociala kunskapsutvecklingen definieras som den proximala utvecklingszonen. Den proximala utvecklingszonen är en kognitiv nivå som individen endast kan nå med utomstående hjälp (Ibid.). Evenshaug & Hallen (2001) menar att eleven på så sätt kan anta utmaningar som hade varit för svåra att klara själv men som med hjälp utifrån kan klaras. Slutsatsen av Vygotskijs teorier enligt Evenshaug & Hallen (2001) är att lärandet är sociokulturellt beroende och därför inte lika för alla.
Skillnaden mellan Piagets och Vygotskijs teorier ligger i deras syn på inlärning och utveckling. Enligt Piaget kommer utvecklingen innan inlärningen och utvecklingen sker oberoende av inlärningen. Vygotskij ansåg däremot att inlärning och utveckling är starkt beroende av varandra och alltid sker tillsammans (Dysthe, 1996). Dysthe formulerar det som att: ” Vygotskij hade […]en dialektisk syn på utvecklingen [och menade att] man kan inte lära sig utan att utvecklas och man kan inte utvecklas utan att lära sig” (Dysthe, 1996 s. 54). Ur undervisningssynpunkt skiljer sig Piaget och Vygotskij tankar åt. I den konstruktivistiska undervisningen är det eleven som efter egen förmåga söker ny kunskap, medan eleven enligt det sociokonstruktivistiska synen lär sig gemensamt och läraren kan verka genom den proximala utvecklingszonen (Evenshaug & Hallen, 2001). Piaget och Vygotskij hade på så sätt olika tankar om hur läraren skulle praktisera sin utlärning (Ibid.).
4.3 Lärande enligt styrdokumenten
För att elever ska kunna tillgodogöra sig kunskap krävs det att eleverna känner sig trygga i läromiljön, och att eleverna känner sig motiverade till att lära och att kunskapen är relevant (Illeris, 2007). Kan man ta sig över, enligt Illeris (2007), den mentala tröskel som lärande innebär, kan lärande ske och man utvecklas både kunskapsmässigt och som person (Ibid.). Detta stryks enligt Lpo 94 där det uttrycks att undervisningen ska organiseras efter varje elevs förutsättning så att eleven utvecklas efter sin fulla potential, detta för att eleven ska känna att kunskapen är meningsfull (Skolverket, 2006c). I Lpo 94 uttrycks att skolan har som uppgift att ”varje elev utvecklar nyfikenhet och lust att lära” (Skolverket, 2006c, s. 9). I Lpo 94 står det att skolan skall sträva mot att varje elev ”utvecklar sitt eget sätt att lära” samt att skolan ser till olika behov och förutsättningar för den enskilda eleven. Detta stryks enligt Lpo 94 där det uttrycks att läraren skall ”organisera och genomföra arbetet så att eleven utvecklas efter sina förutsättningar och samtidigt stimuleras att använda och utveckla hela sin förmåga [samt att eleven] upplever att kunskap är meningsfullt och att den egna kunskapsutvecklingen går framåt”. (Skolverket 2006c, s. 14). I den naturvetenskapliga undervisningen är det av vikt att läraren ger eleven möjlighet att prova, utforska samt gestalta olika kunskaper och erfarenheter för att på bästa sätt främja det individuella lärandet.
4.4 Lärande i naturvetenskap
Att lära sig förståelse inom det naturvetenskapliga undervisningsområdet skiljer sig från andra områden. Inom den naturvetenskapliga undervisningen finns ett flertal olika didaktiska metoder. Den amerikanska psykologen Bruner (1960) menar att man kan effektivisera elevernas lärande i alla ämnen oavsett i vilket utvecklingsstadium eleverna befinner sig
(Bruner, 1960). Genom att hitta rätt kunskapsnivå och rätt metod kan elever enligt Bruner ta till sig ny kunskap oavsett ämne. Om eleven kan hitta generella strukturer i ämnet menar Bruner att eleverna kan maximera sin förståelse kring hur saker och ting hänger ihop, inom t ex fysik (Ibid.). Likt en spiral där varje utvecklingsnivå är anpassad efter elevens kunskapsstadium kan elevernas tidigare kunskaper appliceras på ny information och kunskapen utökas.
Naturvetenskap är en empirisk vetenskap där experiment är en del av ämnets utveckling. Detta arbetssätt återfinns även inom undervisningen med laborationer och hypotetisk-deduktiv metod, där genomförandet består av hypotesformande, verifierande experiment och slutligen resultatdiskussion (Imsen, 2000). Bruner (1974) hävdar att det naturvetenskapliga lärandet och tänkandet sker genom ”learning by discovery” med t ex hypotetisk-deduktivmetod (Bruner, 1974). Bruner menar att denna inlärningsmetod bygger på elevernas inre motivation och är att föredra framför mer påtvingat lärande (Ibid.). Om eleverna själva får experimentera anser Bruner att det är större sannolikhet att kunskapen fastnar i elevernas egna tankestrukturer. Denna typ av inlärning är fundamental inom laborativ metod och löser mycket av problematiken när elever påstår att de inte förstår specifika fenomen. Genom att applicera teorin praktiskt där eleverna får vara kreativa överges en teoretisk naturvetenskaplig undervisning där mekanisk inlärning hämmar elevens naturvetenskapliga förståelse (Ibid.). Även liknande tankar återfinns hos aktivitetspedagogen Dewey och hans uttryck ”learning by doing” (Imsen, 2000).
4.4.1 Elevföreställningar
Då barn inleder sin skolgång har de redan utvecklat egna förklaringar på fenomen i deras vardag. I de fall där barnens förklaringar inte överensstämmer med vetenskaplig kunskap benämns dessa som elevföreställningar eller missuppfattningar i det aktuella ämnet (Tytler, 2002). Forskning på området elevföreställningar i naturvetenskap visar att dessa föreställningar finns oberoende elevernas geografiska och kulturella bakgrund. Forskningen visar också att elevföreställningar ter sig svåröverkomliga och verkar som ett hinder mot lärande (Ibid.). Lärare missar ofta att kartlägga elevers förkunskaper i ämnet, vilket resulterar i att eleverna inte tillgodogör sig ny kunskap (Sewell, 2002). En förutsättning för att eleverna ska tillgodogöra sig ny kunskap är att de har motivation till lärande då ett nytt ämnesområde presenteras. Konstruktivism innebär att eleverna lär sig baserat på sin egen förkunskap och erfarenheter samt hur de tar till sig och behandlar den nya informationen (Ibid.). I de fall då eleverna besitter missuppfattningar i ämnet är risken stor att den nya informationen inte konkurrerar ut den befintliga missuppfattningen. Resultatet blir att elevernas kunskaper fortsätter byggas på missuppfattningar och att dessa består. För att eleverna skall kunna bygga vidare på sin kunskap och förståelse i ett ämne underlättas det om elevernas förkunskaper följer ett naturvetenskapligt tänkande (Ibid.).
I de fall då eleverna presenteras ny information som konkurrerar med missuppfattningar finns fyra möjligheter för eleven att hantera den nya informationen (Sewell, 2002). Den första innebär att eleven ersätter gammal kunskap med ny. Denna kunskap kan antingen förbli beständig eller existera under en kort tid, exempelvis inför ett prov. I det fall då kunskapen endast är temporär blir denna sorts inlärning en innantill och tillfällig inlärning där eleverna i slutändan inte lär sig något. Den aktuella missuppfattningen i ämnet försvinner inte utan återuppstår då eleven lämnar ämnesområdet bakom sig, detta oavsett om kunskapen baseras på teoretisk eller praktisk undervisning (Ibid.). Den andra möjligheten är att eleven
modifierar den gamla kunskapen till fördel för den nya och detta sker endast då den gamla kunskapen inte passar ihop med den nya. Detta alternativ kan ske under en kort tidsfrist, exempelvis inför en tentamen, men överges sedan till förmån för den gamla felaktiga kunskapen. Den tredje möjligheten är liknande ovanstående, men där eleven modifierar ny kunskap så den passar med den gamla. Detta innebär i sin tur att redan existerande missuppfattningar i ämnet förstärks av ny information. Det sista alternativet innebär att eleven helt ignorerar ny information då denna konkurrerar för hårt med det eleven redan vet. Detta alternativ innebär i sin tur att eleven inte lär sig något (Ibid.).
Elevernas förkunskaper ligger alltså till grund för hur och om ny kunskap konstrueras. Huruvida lärandet sker beror också på om eleverna besitter motivation och är öppna för att förändra eventuella missuppfattningar som de redan har i ämnet (Sewell, 2002). I de fall då lärande ändå inte sker kopplas oftast elevens intelligens till problematiken till ofullständigt lärande även om det i verklighet endast beror på att eleven besitter ett motstånd till lärande. Elever som på bästa sätt tillgodogör sig ny kunskap innehar oftast ett fåtal missuppfattningar som är lättare att modifiera (Ibid.). Majoriteten av eleverna tillhör den grupp vars missuppfattningar är svåra att förändra eller radera. Elevernas felaktiga förkunskaper och tankar kring ett ämne tas inte på allvar och istället för att ta itu med dem ignoreras de. Konstruktivismen menar istället att det är dessa missuppfattningar som undervisningen skall baseras på innan ny kunskap och information presenteras.
För att hämma eller radera de missuppfattningar som elever har krävs att eleverna får korrekt kunskap presenterad från början (Sewell, 2002). Problematiken, i framförallt naturvetenskap, är dock att lärare i de tidiga åldrarna inte alltid besitter kunskap eller utbildning för att göra ämnet rättvisa Risken finns då att lärarens eventuella missuppfattningar överförs till eleverna. Resultatet blir då att eleverna inte ges en rättvis chans att lära sig. Forskning visar också att läroböcker innehåller missuppfattningar (Shapiro, 1989 refererad i Sewell, 2002). I de fall då läraren inte innehar tillräcklig kunskap i ämnet blir resultatet att undervisningen bidrar till missuppfattningar istället för en korrekt grund för kunskap och förståelse (Sewell, 2002). Det gäller också att vi som lärare är lyhörda med vad eleverna redan vet om ämnet. På så sätt kan undervisningen planeras utifrån elevernas förkunskaper. För att förenkla övergången från felaktig och korrekt kunskap är det till fördel att sätta dem mot varandra för att eleverna skall kunna jämföra rätt mot fel (Ibid.). Ytterligare är det till fördel att möta elevens missuppfattning med en motsägelse som inte överensstämmer med elevens befintliga kunskap. Eleven tar på så sätt åt sig ny information om den befintliga kunskapen misslyckas i att förklara det eleven ser och upplever. Elever och människor i allmänhet strävar efter att kunna förstå och förklara sin omvärld för att på bästa sätt klara sig. Därför gäller det att den nya kunskapen anses vara relevant för eleven själv.
4.5 Laborativ metod
Praktiska moment, såsom laborationer, är en central del i den naturvetenskapliga undervisningen. En laboration definieras enligt Svenska Akademins ordbok som att utföra praktiska vetenskapliga experiment (Svenska Akademin, 2010). Syftena med laborationsundervisningen är flera och har varierat under århundraden. Under början av 1900-talet användes laborationer som ett verktyg för att demonstrera och verifiera olika naturvetenskapliga fenomen, men redan under 1800-talet kunde man konstatera att laborativa inslag i undervisningen gav eleverna möjlighet att dra slutsatser om naturens principer (Lunetta 1998). Sedan slutet av 1900-talet har syftet med laborationer övergått till att
fokusera på att förbättra elevers kunskaper och förståelse i den naturvetenskapliga undervisningen. Den laborativa metoden har även utvecklats till förmån för mer undersökande och hypotesverifierande undervisning (Ekstig, 1990).
4.5.1 Förankring i styrdokument
Skolverket menar att experimentella metoder skall genomsyra den naturvetenskapliga undervisningen. (Skolverket, 2000b). Man kan även i kursplaner i fysik för grundskolan läsa att skolan i sin undervisning skall sträva mot att eleven ”utvecklar kunskap om den
fysikaliska vetenskapens kunskapsbildande metoder, särskilt vad gäller formulering av hypoteser samt mätningar, observationer och experiment” samt ”ha inblick i hur experiment utformas och analyseras utifrån teorier och modeller” (Skolverket, 2000a). För att även knyta an styrdokumenten till den laborativa metoden kan man i Lpo 94 läsa att skolan ska sträva efter att varje elev ”lär sig att lyssna, diskutera, argumentera och använda sina kunskaper som redskap för att formulera och pröva antaganden och lösa problem” (Skolverket 2006c, s. 10)
4.5.2 Laborationen sett utifrån lärandeteorier
Sett utifrån konstruktivismen kan både assimilativt och ackommodativt lärande ske beroende på laborationens utformning. Det eleven upplever under laborationen kan antingen förklaras med den kunskap eleven har eller utmana det eleven tror sig veta. För att man ska genomgå en begreppsmässig förändring, enligt konstruktivismen, måste man hamna i en konflikt där ens egen föreställning inte fungerar. För att man ska ta till sig det nya begreppet måste det vara begripligt, trovärdigt och mer användbart än den gamla föreställningen (Ekstig, 1990).
Lärandet enligt Vygotskij äger rum i samarbete med andra och kan sedan utvecklas från socialt lärande till individuellt. Att prata, diskutera och ventilera med andra är enligt Vygotskij en del av inlärningsprocessen ur ett sociokulturellt perspektiv (Illeris, 2007). En laboration är en social situation då man får tillfälle att ventilera och diskutera med de andra eleverna (Ibid.). Under en laboration påverkas eleven av flera intryck, men det är inte förrän eleven har satt sina egna ord på den nya kunskapen som en begreppsmässig förändring sker (Ekstig, 1990). Att med egna ord förklara teorin och det som upplevts under experimentet kan vara ett led i ökad kunskap och för att göra kunskapen till sin egen (Ibid.).
Gunstone& Champagne (enl. Hofstein & Lunetta, 2002) hävdar att meningsfullt lärande kan ske om eleven får tid och tillfälle att reflektera över laborationens centrala delar med fokus på de metakognitiva förmågorna. Eleverna ska uppmuntras att utveckla och tillämpa den egna kunskapen så att eleven tar kontroll över den egna läroprocessen. Gunstone & Champagne menar att det inte räcker att bara utföra laborationer enligt handledning. Eleverna bör inte bara vara hands-on utan även minds-on (Ibid.). Först då kan begreppsförändringar ske (Ibid.) Enligt konstruktivismen är det eleverna som själva konstruerar sin kunskap utifrån egna erfarenheter och genom att lösa genuina och meningsfulla problem. Lärandet är därför en aktiv process som är kontextberoende. Dock är enbart laboration inte tillräcklig för att bygga komplex begreppsförståelse utan måste kompletteras med t ex analogier och begreppskartor (Van den Berg et al, refererad i Hofstein och Lunetta, 2002).
4.5.3 Laborationens utförande
Laborationer kan byggas på olika metoder beroende på laborationens arbetsgång. Två olika arbetssätt är det deduktiva och det induktiva upplägget. Den deduktiva metoden innebär att man utifrån en princip eller regel skapar en förutsägelse som sedan verifieras genom ett experiment (Ekstig 1990). Med en induktiv laborationsmetod utgår man ifrån praktiska försök och kommer utifrån försökets resultat fram till en teori eller princip (Ekstig 1990). Ekstig beskriver laborationen som en cykel, experimentcykel, där eleven går igenom olika faser (se Figur 1).
Figur. 1:. Experimentcykel (efter Ekstig, 1990)
Beroende på metoden som används börjar man på olika platser i cykeln. Utför man en deduktiv laboration utgår man ifrån teorin och bekräftar den med ett experiment medan en induktiv metod utgår ifrån observationen.
För att en laborativ metod skall kunna förmedla förståelse och på så sätt lärande på bästa möjliga sätt menar Björn Andersson (1989) att det krävs att den laborativa metoden struktureras. Detta kan göras genom att låta eleverna strukturera upp ett problem, välja en experimentell undersökningsmetod och sedan utifrån givna tankemodeller och förklaringsmodeller tolka resultatet. Ett sätt att klassificera olika laborationer är att utgå ifrån antalet frihetsgrader som laborationen har (Andersson 1989; Ekstig, 1990). Antalet frihetsgrader är baserat på om frågeställningen, genomförandet och svaret är öppet eller givet. Den första frihetsgraden symboliserar de laborationer där läraren själv bestämmer problemet och upplägget av laborationen. Eleverna följer en laborationshandledning men tolkar själva resultatet. Om läraren istället presenterar ett problem för eleverna och där eleverna sedan får välja en egen undersökningsmetod och tolka resultatet talar man om en laboration med två frihetsgrader. En laboration med tre frihetsgrader är då eleverna helt och hållet styr, från start till mål. Eleverna får själva besluta vad de vill undersöka, hur de vill undersöka det och sedan diskutera och tolka resultatet (Ibid.).
Enligt Lunetta (1998) bör en laboration innehålla moment där man testar och tolkar olika teorier och modeller. Eleverna bör kunna jämföra olika förklaringsmodeller mot varandra så att eleverna själva kan dra slutsatser och göra analyser (Ibid.). Lunetta anser att en laboration generellt kan delas in i fyra faser och för att få en bra laboration bör den innehålla samtliga faser (Ibid.). De fyra faserna är planeringsfasen, genomförandefasen, analysfasen och återkopplingsfasen. I den första fasen, planeringen, formulerar man frågeställningar och hypoteser. Man planerar utförandet och gör förutsägelser inför försöket. I genomförande- fasen observerar och samlar man in data och sedan följer analysfasen där man sammanställer och tolkar materialet. I sista fasen, återkopplingen, formuleras nya hypoteser och tankar kring
hur den nya kunskapen kan användas (Ibid.). Dessa faser ger eleven möjlighet till formulering av frågeställning, undersökning, resultatdiskussion samt reflektion till om principen kan appliceras i nya situationer.
Fördelen med det deduktiva upplägget är att det följer en röd tråd i undervisningen där läraren styr vilken väg eleverna skall ta, vilket kan spara tid (Ekstig, 1990). Samtidigt är den negativa aspekten av metoden den att läraren riskerar utveckla en mekanisk inlärning där eleverna fungerar som en informationscentral utan förståelse. Man förlorar också möjligheten för eleverna att utöka den egna kreativa, laborativa förståelsen eftersom undervisningen helt och hållet styrs av läraren och eleverna riskerar därför sitta likgiltiga och på så sätt saknar deltagande i undervisningen (Ibid.). Till skillnad ifrån den deduktiva metoden kan den induktiva vara mer tidskrävande och hämma inlärningen hos de elever som saknar fundamentala kunskaps- och förståelsenivåer som krävs för att kunna genomföra laborationen. Samtidigt är denna metod som skapad för läraren att undersöka på vilken begreppsnivå som eleverna ligger baserat på elevernas dialog med läraren (Ibid.)
4.5.4 Det laborativa syftet
Laboration som del i undervisningen kan ledas tillbaka till början av 1800-talet då laborationen hjälpte eleverna att se vetenskapen i demonstrationer (Lunetta, 1998). Runt mitten av 1900-talet användes laboration för att illustrera och bevisa den teori som lärarna och läroböckerna stod för. Denna form av laboration har fortfarande en stor plats i dagens utbildning eftersom den enligt Lunetta är både pedagogiskt och retoriskt väl motiverat (Ibid.). Under 70-talet gjordes framsteg på det pedagogiska och didaktiska planet, vilket ökade insikten av hur lärande går till. Detta resulterade i ett ifrågasättande av laboration som undervisningsform då undersökningar visat att eleverna inte uppnådde kunskapsmålen genom den laborativa arbetsmetoden (Ibid.). På senare år har laborationsmetoden utvecklats mot att sätta processen i fokus med begreppsbildning som en viktig del i lärandet(Ibid.). Detta har i sin tur bidragit till en förflyttning ifrån lärarledda laborationer mot mer självständiga och undersökande laborationer som av Hofstein & Lunetta (2002) anses som mer meningsfulla. Därmed har elevernas ansvar ökat på så sätt att de själva får ställa upp frågeställningar och bestämma metoder för undersökningarna (Lunetta, 1998).
Syftet med laborationer har i mångt och mycket varit detsamma under de senaste århundraden. Man vill engagera eleverna och ge dem en möjlighet att se de olika fenomenen i naturvetenskapen (Newton, 2003). Man kan enligt Börje Ekstig (1990) peka på fyra skäl till att laborationer ska vara en del av undervisningen:
1. Naturvetenskap är i många fall ett komplext och abstrakt ämne och många begrepp kan bara förstås om man får se och uppleva fenomenet.
2. Laborativt arbete är ett naturvetenskapligt arbetssätt med principer och metoder som kan tillämpas inom flera områden.
3. Laborationens praktiska moment utvecklar användbara färdigheter, så som att kunna avläsa instrument, hantera datorsimuleringar mm.
4. En laboration är ett social och praktiskt arbete som elever oftast uppskattar. Det blir en brytning ifrån det mer teoretiska arbetet (Ibid.).
Liknade syften återfinns i en undersökning utförd av det europeiska undersökningsprojektet
Labwork in Science Education där Welzel et. al. (1998) har undersökt vilka syften europeiska
syften som att koppla teori till praktik, lära sig att utföra ett experiment samt att lära sig metoder för naturvetenskapligt tänkande rankades högt. Man fann att lärare ifrån olika undervisningsstadier och olika ämneskategorier prioriterade olika mål. Lärarna för de lägre stadierna prioriterade samarbete och förstärkning av elevens självkänsla. Biologilärare på högre stadier tyckte att det viktigaste syftet var att lära sig naturvetenskapliga tankesätt medan fysiklärare på samma stadium rankade syftet att koppla teorin till praktiken högst (Welzel et al., 1998). Undersökningen behandlar även lärarnas syn på hur laborationen ska utformas så att målen med laborationen och undervisningen uppfylls. Mest fördelaktigt ansågs vara laborationer där eleverna själva har stor frihet att utforma laborationen, följt av öppna laborationer. Starkt styrda laborationer och demonstrationer ansågs mindre fördelaktiga i sammanhanget (Ibid.).
Newton (2003) menar att om syftet med undervisningen är att eleven ska påvisa ett fenomen eller ett begrepp är det till fördel att låta eleven utföra en egen undersökning genom laborativ metod. Detta menar Newton kan utveckla kunskap och förståelse såväl medvetet som omedvetet (Ibid.). Vidare hävdar Newton att det inte är tillräckligt att introducera en frågeställning om eleverna inte har tillräckligt med relevant kunskap eftersom eleverna når bästa förståelse genom att kunna göra kopplingar mellan tidigare och ny kunskap. Därför är laborationen bara en del av undervisningen som sedan kan byggas på med analyser av mönster och samband med tidigare observationer (Newton, 2003). Med laborationer i undervisningen uppmuntrar man även andra kvalitéer såsom att kritiskt förhålla sig till omvärlden (Wickman, 2002). Laborationen ger också metoder för att söka kunskap vilket kan appliceras i andra sammanhang (Ibid.). Vidare menar Wickman att laborativa arbetsmetoder är av konkret art där eleven kan observera naturvetenskapliga fenomen och i sin tur kanske kan öka förståelsen (Ibid.).
Enligt Sjøberg (2000) kan laborationen i skolan användas i flera olika syften. Laborationen kan ha som syfte att härleda lagar och samband eller bekräfta redan kända lagar och teorier. I vissa experiment kan man även försöka återskapa ett historiskt försök. Utifrån detta hoppas man på så sätt att eleverna genom laborationen kopplar teorin till praktiken i hopp om ökad förståelse (Sjøberg, 2000). Ser man till dessa olika syften finns det både för och nackdelar. I de försök där eleven förväntas härleda och se samband är försöken ofta generaliserade och tillrättalagda så att eleverna drar de slutsatser som försöket syftar till. Att försöken är enkla och att de alltid ger ett förväntat resultat menar Sjøberg kan ge en felaktig och förvriden bild av hur verkliga försök och vetenskaplig forskning bedrivs (Ibid.). Enligt Sjøberg är ett av de vanligaste genomförandena av en laboration att bekräfta att en teori stämmer, med andra ord ett ytterligare led i att försäkra eleverna att teorin stämmer. Man ser det som en pedagogisk förstärkning av läromaterialet i hopp om att eleverna lättare kommer ihåg teorin samt att utifrån flera perspektiv vill visa på att en teori fungerar teoretiskt, matematiskt och praktiskt (Ibid.).
4.5.5 Laborationens problematik
En problematik inom naturvetenskapen är att elevernas främsta mål med en laboration tycks vara att följa givna instruktioner, applicera det på en given experimentuppställning för att sedan få fram det svar som läraren förväntas av dem (Lunetta, 1998). Ekstig (1990) menar att det oftast saknar återknytning i den laborativa undervisningen, vilket resulterar i att eleverna förlorar möjligheter att diskuterar resultatet av laborationen och eventuella frågeställningar. Detta skapar i sin tur en avsaknad av sammanhang där det lätt kan uppstå brister i kopplingen
mellan mål, teori och praktik (Ekstig, 1990). Wickman talar också om laborationernas moment 22; ”[l]aborationerna förväntas hjälpa eleverna att se allmänna principer. Men eftersom eleverna behöver just de allmänna principerna för att förstå de praktiska upplevelserna, så ser eleverna bara en samling lösa fakta”(Wickman, 2002 s 99). Wickman hävdar att det som skulle kunna binda ihop den samling lösa fakta som framkommer i försöken är de teorier som eleverna förväntas upptäcka genom laborationen, vilket blir en verklig paradox. Lärare undviker detta genom att laboration blir till att följa ett recept och eleverna får ingen möjlighet att analysera och diskutera hypoteser (Lunetta, 1998). Ytterligare ett problem med att ge eleverna större frihet kan leda till att elevens ansvar blir för stort och eleven vet inte vad den ska göra eller observera (Wickman 2002). Eleverna blir enligt Wickman (2002) hjälplösa.
Dimenäs och Haraldsson (1996) talar i Undervisning i naturvetenskap om elevaktivt arbetssätt och på vilket sätt en lärare behöver organisera sin undervisning för att motivera eleverna att uppnå de mål som förväntas av dem. Författarna menar att lärarna i sin undervisning bör sträva mot att skapa jämvikt mellan det praktiska utförandet av laborationer och reflekterandet (Dimenäs och Haraldsson, 1996). Vidare påstår de att en av lärarens främsta uppgift är att arrangera sin undervisning på sådant sätt att eleverna blir motiverade till att lära, vilket kan förmedlas genom undersökande metoder som i sin tur bidrar till att eleverna försätts i situationer där de kan reflektera över den egna kunskapen och slutligen dessutom kunna beskriva och bedöma den (Ibid.).
Enligt Psillos & Niedderer (2002) finns det i forskarvärlden en övertygelse om laborationens värde som undervisningsmetod, men det finns även en tveksamhet mot hur effektiv laborationen är för att förmedla förståelse i naturvetenskap. För att få förståelse för naturvetenskapen krävs att eleverna får förståelse för naturvetenskapliga modeller och begrepp samt kunskap om den naturvetenskapliga processen (Psillos & Niedderer, 2002) . De menar att laborationers effektivitet kan delas in i två kategorier; hur effektiva eleverna är under själva laborationen, så kallad hands-on tid, och hur effektiv laborationen är som kunskapsförmedling i förhållande till laborationens mål. Det svåra i bedömningen är att skilja på vilken kunskap eleverna får till följd av laborationen och den kunskap som eleverna lär sig på andra sätt (Ibid.).
En ytterligare problematik är att elevernas främsta mål med en laboration är att följa givna instruktioner, applicera det på en given experimentuppställning och sedan få fram det svar som läraren förväntas av dem (Lunetta, 1998). Ekstig (1990) menar att det oftast saknas återknytning i den laborativa undervisningen, vilket resulterar i att eleverna förlorar möjligheter att diskutera resultatet av laborationen och eventuella frågeställningar. Detta skapar i sin tur en avsaknad av sammanhang där det lätt kan uppstå brister i kopplingen mellan mål, teori och praktik (Ekstig, 1990). Lunetta (1998) är också kritisk mot det laborativa arbetssättet och anser att eleverna ofta missar sambandet mellan varför man gör laboration och teorin bakom, "…[t]o many student, a "lab" means manipulating equipment but not manipulating ideas" (Lunetta, 1998 s 250) . Även Dimenäs & Haraldsson (1996) tycker att det läggs för mycket tid på själva utförandet och för lite tid på att reflektera. Han anser att det är upp till läraren att hitta en bra balans mellan dessa och att laborationerna bör ha ett meningsfullt innehåll sett ur elevernas perspektiv (Dimenäs, 1996). Enligt en undersökning av Bisdikian et.al. (enl. Psillos & Niedderer, 2002) ifrågasatte man om eleverna använde sin kunskap i fysik när de laborerade. Man fann då att eleverna under laborationen inte använde sig av de teoretiska förklaringar som läraren eller läroböckerna stod för. Istället använde eleverna sig av alternativa förklaringar. Den andra tendensen de fann var att största
delen av laborationstiden dominerades av praktiskt utförande, vilket bidrog till att tiden eleverna lade på att relatera teorin till experimentet blev förhållandevis liten (Ibid.).
4.6 Att hantera elevföreställningar med laborativ metod
En problematik man ofta möter inom naturvetenskapen är att elever ofta har svårt att föreställa sig saker som inte syns (Thorén, 1999). För de yngre barnen kan det handla om simpla ting som vad luft är. De upplever att det blåser och att vi andas in luften, men att det dessutom finns vatten i luften eller att det finns luft i en tom flaska anser de som egendomligt och svårförståeligt. Thorén menar att lärandet i dessa situationer kan bearbetas med laborativ metod där man gör osynliga fenomen synliga, vilket hjälper eleverna att associera till konkreta bilder (Ibid.). Genom att införa denna metod i tidig undervisning hävdar Thorén att eleverna övar upp sin förmåga att observera och på så sätt se såväl likheter som skillnader i ett naturvetenskapligt sammanhang. Att ställa hypoteser, utföra en laboration och få svar på en frågeställning menar Thorén inte bara stärker elevernas arbetssätt utan även deras förmåga att utvärdera förklaringar som de hade innan laborationens början (Ibid.).
Laborativa metoder är också fördelaktiga att använda för att utrota elevföreställningar som har uppkommit. Björn Andersson (1989) har i en undersökning bland 14-åringar undersökt hur en laborativ metod kan vara till förmån för att häva elevföreställningar. Eleverna fick fyra olika bilder presenterade för sig om hur strömmen i en enkel elektrisk krets med en lampa skulle kunna flöda. Syftet med undersökningen var att eleverna inledningsvis skulle skapa sig en tankemodell och vad de trodde skulle ske och sedan undersöka detta praktiskt. Efter genomförandet visade det sig att laborationen hävde majoriteten av de elevföreställningar som fanns, däribland att strömmen är olika på vardera sidan lampan (Andersson, 1989). I undersökningen av Björn Andersson kan man lätt se hur laborativ metod kan minimera elevföreställningar, då flera naturvetenskapliga fenomen går att bevisa experimentellt. Att låta elever utforska sina tankemodeller med laborationer är ett sätt att uppmuntra till diskussion för att hitta ett sammanhang som fungerar. Att ge eleverna möjlighet att skapa analogier för bättre förståelse kan även häva missuppfattningar och istället utveckla elevernas förklaringsmodeller. På så sätt kan eleverna utnyttja detta som bas för förståelse och applicera detta på fenomen som de upplever som svårbegripliga. Att låta eleverna resonera sig fram till de rätta förklaringarna skapar möjlighet för läraren att utveckla en dialog med eleverna och på så sätt uppmuntra till initiativtagande och att eleverna undersöker sina modeller genom laboration (Ibid.).
4.7 Analogi
För att underlätta den naturvetenskapliga förståelsen hos eleverna kan man med fördel introducera analogier. Genom att låta eleverna utveckla liknelser med begrepp eller situationer som de förstår, kan eleverna sedan applicera liknelsen på de delar i naturvetenskapen som de anser är svårbegripliga. Newton (2003) beskriver analogin som ett verktyg där man med parallell situation hjälper resonerandet kring en annan situation (Newton, 2003). Analogin förutsätter dock att eleverna har vissa förkunskaper om fenomenet i fråga för att kunna skapa en analogisk modell. Förutom att förståelse och resonemang förbättras vid införandet av analogier så menar Newton även att det kan minska bearbetningsprocessen och ge nya perspektiv på naturvetenskapliga fenomen. (Ibid.) Problemet med analogier är att de inte är kompletta utan fungerar bara i vissa liknelser. Analogier kräver också att eleven ser en parallell mellan analogin och målet, vilket inte alltid är fallet. Risken med analogier är att det aldrig är perfekta utan kan dras för långt så att felaktigheter uppstår (Ibid.).
5 Elevföreställningar i ellära
5.1 Vardagsföreställningar i ellära
I det dagliga vardagslivet omges vi ständigt av elektriska apparater. Datorer, mikrovågsugnar eller lampor är alla ting som drivs med elektricitet Dessa elektriska apparater är exempel på apparatur med sladd och det ligger nära till hands att tänka sig att det överförs elektricitet ifrån vägguttaget genom sladden till apparaturen ifråga. En logisk vardagsföreställning skulle då kunna vara att strömmen eller elektriciteten uppstår i en källa och förbrukas av en förbrukare. En vardaglig formulering av detta skulle kunna vara ”Slösa inte med strömmen” eller ”hur stor är strömmen i vägguttaget ”. Denna problematik inom elläran, kallad källa-förbrukarmodellen kan förklaras med att ström eller elektricitet är ett osynligt fenomen som man endast kan observera effekterna av (Andersson, 1989). I skolverksamheten medför denna ”osynlighet” att många elever har svårt att se logiken i ämnet då de inte kan relatera till vardagserfarenheter (Ibid.).
Figur 2: Elektricitet i vardagen (Andersson, 1989)
5.2 Modelltänkande i ellära
Inom naturvetenskap finns forskning som talar för ett generellt modelltänkande (Hart, 2007). Dock bidrar dessa modeller enligt Christina Hart (2007) inte till att studenten blir hjälpt till ökad förståelse, utan snarare som ett krav för att studenten skall få betyg. I dessa modeller läggs tyngdpunkten på rimlighet (passar med data), samstämmighet (överensstämmelse med andra förklaringar till liknande naturvetenskapliga fenomen), generalisering (överlåtelse), samt effekt (möjlighet att utveckla frågor, ge förutsägelser, föreslå experiment och observationer) (Gilbert et al. refererad i Hart, 2007). Hur modellen appliceras på ett problem och dess eventuella lösning står endast eleven för självt.
Forskare har funnit att det råder en rad missuppfattningar kring ämnet elektricitet, från såväl grundskola som universitet (Mazur, refererad i Hart, 2007) Detta gäller bland annat förståelsen kring spänning och ström i en enkel elektrisk krets. Det råder en problematik till vilket modelltänkande som är att föredra för att förbättra elevernas förståelse i fysik. När det gäller elektriska kretsar är förklaringsmodeller ofta mycket abstrakta och svårförstådda för nybörjare. Med dessa erfarenheter som grund är det naturligt att elever skapar en föreställning om att elektriska fenomen i vardagslivet konstrueras efter en källa-
förbrukarmodell (se Figur 3). Vägguttagen betraktas som strömkällor, liksom batterier av olika slag.
Figur 3: Elektricitet i vardagen (Andersson, 2001)
I skolundervisningen ligger den huvudsakliga problematiken i kunskaper om den elektriska kretsen, med inriktning mot ström, spänning, batteri och lampor. (Ibid.) Eleverna skapar en förbindelse mellan strömkällan och apparaten där förbrukaren tar ström ifrån källan, liksom sockerdricka rinner ut ur en flaska (Driver et al, 1994) Samtidigt saknar eleverna sambandet mellan ström, spänning och effekt och anser att det endast är ström som ger apparater möjlighet att fungera (Ibid.).
Att det råder olika typer av modelltänkande hos elever inom elläran visar en undersökning gjord av Shipstone (enl Andersson 1989). Hans undersökning visar att eleverna ofta sammankopplar sekvenstänkande med hur strömmen flyter i en enkel elektrisk krets. Bland 230 elever i åldrarna 12-16 år ökade sekvenstänkandet från 35 % till 75 % i åldrarna 12-14 år. Sekvenstänkandet i detta fall påvisas då eleverna ansåg att strömmen i kretsen saktades ner av komponenten i kretsen, i detta fall lampan. Detta kan jämföras med källa-förbrukarmodellen där strömmen istället konsumeras av lampan i fråga (Ibid.).
Genom en rad granskande intervjuer och undersökningar har forskare kartlagt en rad elevföreställningar i ellära som i mångt och mycket kan förklaras med såväl källa-förbrukarmodellen som sekvenstänkande (Tsai et. al., 2007). I Taiwan genomfördes en studie bland 10 000 elever i åldrarna 14-18 år. Studien baserades på enkätundersökningar med påståendefrågor, öppna som slutna, och visade att den vanligaste modellen bland samtliga årskurser var källa-förbrukarmodellen (Ibid.). I en enkätuppgift angavs en enkel elektrisk krets med frågan om vad som hände med strömmen i kretsen. Här hävdade 22 % av eleverna i årskurs 8-9 att lampan förbrukar ström, vilket även konstaterats av andra forskare såsom Shipstone och Osborne. 22 % av eleverna i samma årskurs svarade korrekt medan det för årskurs 11 visade sig vara 38 %, vilket till stor del beror på att dessa elever hade fått mer undervisning i ellära (Ibid.).
Ovanstående studie visade även på att eleverna, oavsett ålder, frångick källa-förbrukarmodellen för att förklara strömmens storlek i svårare kretsar (Tsai et. al., 2007). Eleverna valde i större utsträckning "The energy-view" för att förklara strömmens storlek i serie- eller parallellkopplingar. Författarna till studien menar att eleverna lättare behärskar elektrisk ström i en seriekoppling än vad de gör i en parallellkoppling och det är inte ovanligt att eleverna behandlar en seriekoppling på samma sätt som en parallellkoppling. Samtidigt menar författarna att eleverna har större svårigheter med spänning i en seriekoppling än i en parallellkoppling med motivering att fysiklärare behandlar seriekoppling med ström samt parallellkoppling med spänning.
Kring lampor och batterier finns en huvudsaklig elevföreställning om enpolighet. Andersson(1989) menar att eleverna inte resonerar kring lampor som tvåpoliga utan att som
en komponent med skruvgängor där lampan skruvas fast i en anordning samt en knopp där sladden till batterier ansluts. Lättare är det dock att se att batterierna är tvåpoliga då de består av två sidor där sladdar kan anslutas. Hur strömmen i en enkel krets flödar leder också till missuppfattningar där eleverna inte resonerar klart i vilket håll strömmen går (Andersson, 1989). Det ligger också nära för eleverna att tillämpa källa-förbrukarmodellen då de resonerar kring hur stor strömmen är i kretsen före och efter lampan. I de fall då lampor kopplas i serie är det naturligt att tänka sig att strömmen förbrukas i lamporna, alternativt delar på strömmen Detsamma gäller för parallellkoppling då missuppfattningar leder till att eleverna resonerar att lamporna lyser olika starkt med motiveringen att strömmen delar på sig eller förbrukas under vägen (Ibid.).
Då det gäller en enkel krets finns det i huvudsak tre missuppfattningar om vad som krävs för att en lampa ska lysa. I en undersökning genomförd på grundskolan gavs eleverna uppgiften att avgöra vilka lampor som lyste enligt nedanstående tabell 1 (Andersson, 1989). Undersökningen visar att cirka 80 % av tillfrågade elever i årskurs sex till nio hade en enpolig lampuppfattning (Ibid.). En liknande undersökning genomfördes i de högre åldrarna där procentandelen för en enpolig lampuppfattning steg till närmare 90 % för gymnasieelever (Ibid.).
Tabell 1: Procentuell fördelning av elevsvar på olika lamp- och batteriuppfattningar. (Andersson 1989)
5.3 Elevföreställningar om ström
Ibland de främsta att undersöka elevernas strömbegrepp i Sverige är Björn Andersson (1989). Många av hans undersökningar baseras på elevernas kunskaper inom ellära däribland en underökning genomförd bland ca 550 elever i årskurserna 6 till 9 (Andersson, 1989). Eleverna ställdes frågan om hur de skulle definiera begreppet ström och utifrån svaren konstaterades att 50 % av eleverna tolkade elektricitet som någon sorts partikel som rör sig i ledningar. Partiklarna kunde förklaras som både neutroner, joner eller små partiklar som rusar. Endast 60 % av dessa elever beskrev dessa partiklar som elektroner. Av de tillfrågade eleverna hävdade också 40 % att elektronerna fungerade som stötar som krävde vatten eller
metall för att ta sig fram. Av de 550 tillfrågade gav 10 % förklaringen att elektricitet endast
var orsaken till att apparater fungerar. Att elektricitet är något som t.ex. "gör så att elektriska saker fungerar eller någonting som får lampor att lysa". Utöver detta gav också 10 % av de intervjuade eleverna analogier mellan exempelvis energi och ström (Ibid.).
Denna typ av analogiskt tänkande har även von Rhöneck (enl. Andersson 1989) undersökt bland tyska och franska elever i åldrarna 13-16 år. När det kommer till att kategorisera
batteri enpoligt enpoligt tvåpoligt tvåpoligt lampa enpolig tvåpolig enpolig tvåpolig
åk 6 (n=131) 56 6 22 14
åk 7 (n=171) 46 5 31 18
åk 8 (n=118) 39 4 37 19
elevernas strömbegrepp utifrån synonymer visar det sig att elevernas strömbegrepp ofta har energikaraktär. Strömmen förklaras enligt den klassiska källa-förbrukarmodellen (som angavs tidigare) eller något som lagras och transformeras i exempelvis batterier. Man kallar denna syn på elektricitet som ”the energy-view”. Von Rhöneck har även genomfört en undersökning bland 100 elever i Tyskland respektive Frankrike där han fann att efter undervisning i energi uppgav hela 80 % av eleverna att spänning och ström var likvärdiga och att de existerade samtidigt. 20 % av de tillfrågade ansåg i denna undersökning att lampan i en elektrisk krets förbrukar ström (Ibid.).
Även Osborne och Freyberg ( enl. Driver et al, 1994), forskare i Nya Zeeland respektive USA har efter undersökningar konstaterat att elever tänker på ström som synonymt med elektricitet och elektrisk energi. I exempel där en lampa lyser hävdar eleverna att detta endast kan ske eftersom det sker en fysisk metallkontakt mellan energigivare (batteriet) och energitagare (lampan) och att detta är tillräckligt för att lampan ska lysa (Driver et al, 1994). Även i den taiwanesiska undersökningen bland elever i åldrarna 14-18 år visade det sig att eleverna besatt en klar föreställning om att energi och ström beror av varandra (Tsai et. al., 2007). Majoriteten av eleverna innehade tron om att energin (strömmen) förbrukas i kretsen. Detta resultat pekar på att det bland eleverna finns svårigheter att skilja mellan energi och ström. Skillnaden mellan årskurserna var inte nämndvärd trots att eleverna i årskurs 11 hade kommit längre i sin undervisning kring energi och elektriska kretsar (Ibid.).
Även Shipstone (enl. Driver et. al., 1992) har visat på liknande resultat. Anledningen till denna föreställning tros bero på att ström ofta introduceras med hjälp av analogier som något, exempelvis en vätska, som flödar i en ledning. För att lösa denna typ av problematik är det till fördel att introducera tankemodeller, analogier följt av experiment för att uppnå en förbättrad förståelse. Cosgrove et. al. (enl. Andersson, 1989) har i en undersökning bland cirka 2000 elever i åldrarna 10-18 kartlagt uppfattningar kring hur strömmen i en enkel krets flödar. Undersökningen utgick ifrån fyra olika strömmodeller där alternativ A, B och C kunde ses som klassiska källa-förbrukarmodeller där strömmen styrka och riktning varierar (se Figur 4).
Figur 5: Testuppgift "strömmodeller ". Procentuell fördelning av elevsvar på olika kategorier. (Andersson, 1989)
Man kan ur figur 5 se att det sker en klar förminskning av elevernas uppfattning om att strömmen helt förbrukas av lampan. Detsamma gäller strömmodell C där strömmen varierar i styrka före och efter lampan. I åldern 17-18 år besitter nästan 80 % av eleverna en korrekt strömmodell (Ibid.).
I ytterligare en undersökning av Andersson (1989) gavs en grupp på 20 elever i åldern 14 år möjligheten att skapa sig en tankemodell eller analogi kring hur de trodde att strömmen färdas i en enkel elektrisk krets bestående av en lampa och ett batteri och huruvida detta batteri förbrukade ström. Utifrån denna modell skulle eleverna sedan koppla upp kretsen för att undersöka ifall deras tankemodell överensstämde med resultatet. Efter kopplingen och mätningar av strömstyrkan utmanades flera av elevernas tänkande då 70 % av dem ansåg att strömstyrkan borde skilja på vardera sida om lampan, vilket den inte gjorde (Andersson, 1989). Anderssons undersökning visade också på att trots bevis av en felaktig tankemodell fanns det elever som fortfarande inte ville överge sin tankemodell. Konflikter likt denna är vanliga inom naturvetenskapen och leder till flera missuppfattningar och föreställningar hos eleven. Genom att uppmuntra diskussion i dessa sammanhang och låta eleverna förklara sitt tänkande genom exempelvis analogier menar Andersson att eleverna stöds att utveckla sina förklaringsmodeller. Poängen är att man utnyttjar en bas för analogin som eleverna förstår och sedan kan avbilda det system som är svårbegripligt. Vidare hävdar Andersson att läraren måste uppmuntra, och vid behov ta initiativ till samtal om och kring dessa experiment och frågeställningarna som kan uppstå (Ibid.).
Maichle (enl. Andersson 1989) har i en ytterligare undersökning studerat föreställningar om batterier (se Tabell 2). Undersökningen omfattade 400 västtyska elever i åldern 13-15 (Grupp 1 och 2), 36 blivande fysiklärare (Grupp 3) samt tio fysiker (Grupp 4). Inledningsvis ställdes frågan om det i ett nytt batteri finns en viss mängd ström varav 85 % av eleverna i grupp 1 och 2 svarade att så var fallet. I grupp 3 var motsvarande siffra 40 %. På frågan om ström förbrukas i ett batteri svarade cirka 85 % av eleverna i grupp 1 och 2 att detta stämde. Samma föreställning visade sig ibland framtida lärarkandidater i grupp 3, där procentandelen var 41 % som trodde att strömmen i batteriet förbrukades (Ibid.).
Tabell 2: Procentuell fördelning av elevsvar på "ja" eller "nej". (Andersson, 1989)
5.4 Samband mellan ström och spänning
Maichle (enl. Andersson 1989) visar i en undersökning att flertalet elever påstår att ström och spänning är en konsekvens av varandra och att spänning ses som en egenskap hos ström (Ibid.). Maichle hävdar att denna kunskap ofta leder till ytterligare missuppfattningar kring sambandet mellan ström och spänning. Han har i en undersökning bett 400 västtyska elever i åldern 13-15 (Grupp 1 och 2), 36 blivande fysiklärare (Grupp 3) samt tio fysiker (Grupp 4) ta ställning till olika påståenden gällande ström och spänning (se Tabell 3). Det inledande påståendet hävdade att spänning kan finnas även om det inte finns någon ström. 25 % i grupp 1 menade att så var fallet medan det för övriga grupper var 94 % respektive 100 %. Undersökningen visar också på en klar sammankoppling mellan ström och spänning. Det tredje påståendet hävdade att spänning är en del av strömmen och på detta svarade 72 % av eleverna i grupp 1 att så var fallet medan även 11 % av de blivande fysiklärarna hävdade att det stämde. Bland fysikerna blev svaret ett entydigt nej (Ibid.).
Tabell 3: Håller du med om påståendet? Procentuell fördelning av elevsvar på ‘ja’ och ‘nej’. (Andersson, 2002)
Grupp 1 Grupp 2 Grupp 3 Grupp 4
(real) (gymn) (lärarkand) (fysiker)
påstående
Ja Nej Ja Nej Ja Nej Ja Nej
I varje nytt batteri finns en viss mängd elström lagrad 84 12 85 14 40 60 0 100 Strömmen i ett batteri förbrukas med tiden av elektriska apparater 82 14 87 13 41 59 0 100
Grupp 1 Grupp 2 Grupp 3 Grupp 4
(real) (gymn) (lärarkand) (fysiker)
påstående
Ja Nej Ja Nej Ja Nej Ja Nej
Spänning kan finnas även om det inte finns någon ström 23 63 30 69 94 6 100 0 Spänningen är intensiteten eller kraften hos strömmen. 40 49 24 69 6 94 0 100 Spänningen är en del av strömmen 70 22 77 22 11 89 0 100
Maichle har i ytterligare en undersökning gjord bland 300 tyska elever i åk 8 visat att 23 % av eleverna anser att ström och spänning är identiska (Maichle, refererad i Andersson 1989). Eleverna tror enligt Maichle att då spänningen ökar så ökar även strömmen. Eleverna är enligt Maichle väldigt motvilliga till att försöka förstå och tolerera att även om det inte finns någon ström mellan två punkter så kan det fortfarande existera en spänning. Denna elevföreställning kan dock dämpas genom att introducera voltmetrar och amperemetrar i enkla elektriska kretsar (Ibid.). En annan av Maichles undersökningar bland elever i åldern 13-15 visar elevers uppfattningar om ”ström och spänning” enligt följande figur 6 (Ibid.).
Figur 6: Bild från Maichles undersökning, (Andersson 1989)
Endast 2 % av eleverna i grupp 1, 8 % i grupp 2 och 75 % i den tredje gruppen besvarade denna uppgift korrekt, det vill säga de angav att det går ström i C och att det finns spänning i A, B och C. Liknande procentsiffror med en nästan identisk uppgift har rapporterats av von Rhöneck (enl. Driver et. al. 1994).
Kombinationen mellan spänning och ström anses vara en vanlig föreställning bland elever, oavsett ålder (Tsai et. al., 2007). I en undersökning gavs studenterna i årskurs 11 två frågeställningar om dessa begrepp i såväl seriekopplingar som parallellkopplingar (Ibid.). I fallet med de seriekopplade lamporna A och B, där lampa A hade större resistans än B svarade 34 % av 950 tillfrågade studenter att spänningen över två lampor skulle vara densamma, med motivering att spänningen beror av strömmen. 30 % av eleverna hävdade att spänningen över en lampa A (första lampan i kretsen med störst resistans) borde vara större med hänvisning till Ohms lag (korrekt svar). 21 % ansåg däremot att spänningen över en lampa B (lampan med lägst resistans) borde vara mindre, med hänvisning till Ohms lag. Ett vanligt svar bland eleverna var också att ju mindre resistansen är i lampan desto större är spänningen över lampan. Denna föreställning visade sig även gälla för parallellkoppling där frågeställningen gällde hur stor spänningen över två parallellkopplade lampor med olika resistans. 55 % svarade korrekt att spänningen över de båda lamporna var lika, medan 35 % svarade att spänningen var olika eftersom resistansen i lamporna var olika (Ibid.). Von Rhöneck (1983) förklarar denna missuppfattning med att eleverna kopplar ihop ström och spänning på ett felaktigt sätt, det vill säga att om strömmen minskar minskas även spänningen vice versa (Ibid.).
5.5 Att motverka föreställningar
För att motverka föreställningar har man i undersökningar på universitetsnivå valt att övergå ifrån en mer teoretisk undervisning till att ha alternativa kreativa lösningar där studenterna får möjlighet att testa sina tankemodeller på mer än bara ett vis (McDermott & Redish: Redish, refererad i Finkelstein, 2005). För att kartlägga hur man på bästa sätt förmedlar förståelse gäller det att utveckla en undervisningsmiljö som ser till individen genom bland annat
begreppsmässig undervisning. Författaren menar att det råder en komplexitet i undervisningsmiljön och hävdar att undervisningen måste anpassas efter elevernas behov och förutsättningar samt vad elevernas besitter för förkunskaper den dagen då de inleder en ny undervisningssekvens (Ibid.). Författaren menar också att elevernas modelltänkande beror på undervisningens sammanhang samt hur långt gångna studenternas är i sitt mentala tänkande i fysik. Dock innebär inte en förändring likt denna automatiskt att studenten förbättrar sitt lärande (McCullough, refererad i Finkelstein, 2005).
Leander & Brown (enl. Finkelstein 2005) har kartlagt hur man får eleverna att interagera lättare i ett fysikklassrum. De hävdar att det som påverkar studentens dynamik till undervisningen i dessa klassrum framför allt bygger på en dialogiskt och begreppsmässig undervisning, vilket påverkar elevernas inlärning. Innehållet i undervisningen omvandlas till en källa-mottagaresituation i lärandeprocessen där eleverna projicerar sin kunskap vid de tillfällen då den uppfattas användbar (Ibid.). En ytterligare definition av undervisnings-innehåll menar Cole är att undervisnings-innehållet i undervisningen är något som skapas i samband med elevernas inlärning (Cole, refererad i Finkelstein 2005). Elevernas motivation till inlärning och undervisningens innehåll följs av varandra och det krävs att de samverkar för att främja lärandet (Ibid.).
