LÄRARPROGRAMMET
Den naturvetenskapliga
begreppstolkningens kontextberoende
Mattias Eriksson
Examensarbete 15 hp Vårterminen 2009Handledare: Ann-Christin Torpsten Humanvetenskapliga institutionen
HÖGSKOLAN I KALMAR
Humanvetenskapliga institutionen
Arbetets art:
Examensarbete, 15 hp
Lärarprogrammet
Titel:
Den naturvetenskapliga begreppsbildningens
kontextberoende
Författare:
Mattias Eriksson
Handledare:
Ann-Christin Torpsten
Sammanfattning
Inför detta arbete sattes ett primärt och ett eventuellt sekundärt mål upp. Det primära var att genom undersöka hur ungdomar på gymnasiet väljer att reflektera kring naturvetenskapliga fenomen i ämneskontexterna fysik och kemi. Med kontext menas sammanhang, omgivning och övergripande situation. Det sekundära målet var att utifall ett sådant kontextberoende gick att finna, försöka att kvalitativt avgöra vilka reflektioner kring några valda fenomen som är samt inte är kontextberoende. Vidare förs även en diskussion om hur de olika ämneskontexterna korrelerar med hur eleverna väljer att reflektera kring fenomenen.
För att nå syftet undersöktes skillnader i hur elever valde att beskriva naturvetenskapliga fenomen under en fysik respektive en kemilektion. De två testgrupperna utgjordes av två parallellklasser på NV-programmet i årskurs 3. Begreppen de skulle beskriva var i ordningen atomen, energi och laddning.
Det fanns tydliga skillnader i hur eleverna i de två klasserna valde att beskriva dessa begrepp, speciellt vad gällde energi. En del av dessa skillnader korrelerar med de räkneuppgifter som finns i deras respektive fysik och kemiböcker. Exempelvis så diskuterar eleverna i fysikgruppen runt rörelse och lägesenergi samtidigt som eleverna i kemigruppen diskuterar värme. Uppgifterna, då det handlar om energi, i fysikböckerna handlar i regel om att sätta upp någon jämvikt mellan rörelse och lägesenergi medan räkneuppgifterna i kemiböckerna handlar om tillförd eller avgiven värme vid reaktioner.
INNEHÅLL
1 INLEDNING ... 3
2 BAKGRUND... 4
2.1 Fysik och kemi på grundskola och gymnasiet ...4
2.2 Konkret och upplevd verklighet...6
2.3 Kontextberoende i vår begreppsvärld ...8
3 SYFTE ... 12
4 METOD ... 13
4.1 Undersökningsmetod...13
4.2 Utförande, testgrupper och testfrågor...14
4.2.1 Genomförande av testet ...17
4.3 Bearbetning, analys och redovisning ...17
4.4 Etiska aspekter...18 5 RESULTAT... 20 5.1 Atomen...20 5.2 Energi...22 5.2.1 Energins oförstörbarhet ...23 5.2.2 Energiformer...23 5.3 Laddning ...25 6 DISKUSSION ... 28 6.1 Atomen...29 6.2 Energi...30 6.3 Laddning ...31 6.4 Pedagogiska konsekvenser...32
1
INLEDNING
Målet med undervisningen i naturvetenskapliga ämnen är att ge en ökad förståelse för hur naturen fungerar och vilka lagar som styr den (Sjöberg 2000). Genom historien har pedagogiken kring naturvetenskap strukturerats till det vi ser idag. I korta drag, fysik beskriver naturlagarna som styr, kemi beskriver materiens sammansättning, biologi beskriver livet, och matematik är kommunikationsverktyget inom dessa ämnen. I sin tur har en finstruktur kommit till t.ex. delas fysik in i mekanik, ellära, optik osv. Denna indelning anses ofta vara till stor hjälp vid både planering av undervisning och lärande av naturvetenskap. Dock, det är viktigt att komma ihåg att indelningen endast är en kategorisering. T.ex.: protonerna i solvinden stoppas genom att de börjar gyrera (snurra runt) i jordens magnetfällt långt innan de hinner komma ner och bestråla oss, oavsett om vi kallar detta för fysik, kemi, meterlogi, astronomi, naturkunskap eller något annat (Sjöberg 2000).
Eftersom samma fenomen tas upp inom flera naturvetenskapliga ämnen menar jag att elever kan ha hjälp av att läsa flera naturvetenskapliga ämnen parallellt. I vissa fall är detta också vad jag sett under min VFU. Ibland verkar dock eleverna ha svårt att använda det de lärt i kemin under fysiken. Som exempel kan jag nämna att när behandlar kärnfysiken på gymnasiekursen fysik B. Egentligen har de elever som går den kursen redan behandlat kärnans anatomi i koppling till isotoper och det periodiska systemet under kemin. Trots det så har jag i min undervisning av atomkärnan fått börja från grunden. Detta är bara ett av många liknande exempel. När jag pratat om detta med andra lärare, i både kemi och fysik, upplever de samma sak. Eleverna har i vissa fall har svårt att omsätta det de lär i ett ämne utanför just undervisningen i det ämnet. En kemilärare har till och med utryckt att han inte är säker på att alla elever ens är helt klara över att det faktiskt är samma fenomen som diskuteras.
Hur vi väljer att lösa ett problem beror till stor del på i vilket sammanhang uppgiften är given. Kring detta fenomen finns en del forskning (t.ex. av Säljö & Wyndham 2002) i vilken stora skillnader i hur elever konfronterar samma problemställningar då de är givna inom ramen för olika ämnen, speciellt ämnen från olika delar av vår SO-NO kategorisering. Det är intressant att få en liten inblick: om det finns specifika skillnader i hur eleverna i gymnasiet löser uppgifter i fysik och kemi. I båda ämnena finns det en hel del fenomen, t.ex. atomen, ljusets natur osv. det undervisas kring.
Denna undersökning fokuseras på eventuella skillnader i elevers reflektioner av tre begrepp, atom, energi och laddning under en fysik och en kemilektion. Det skulle vidare vara av stort värde för lärare i naturvetenskapliga ämnen att veta huruvida, och eventuellt i vissa fall även något om till vilken grad, elevernas betraktande av dessa naturvetenskapliga fenomen är beroende på i vilken kontext dvs vilket av ämnena fysik eller kemi som problemet betraktas.
2
BAKGRUND
Kapitlet inleds med en genomgång och en jämförelse mellan stoffet inom grundskola och gymnasiet i de två ämnena fysik och kemi upp för att ge en klar syn på skillnader och likheter. Läroplaner och böcker jämförs jämte en generell beskrivning av ämnenas natur.
I nästliggande avsnitt redogörs kortfattat för kopplingen mellan vår upplevda värld och den konkreta världen. Denna koppling, mellan de två verkligheterna, är grunden till hur vi kontinuerligt konstruerar våra begrepp i vår upplevda verklighet och hur dessa stämmer överens med andras begrepp av samma fenomen.
Sist i kapitlet tas aspekter kring processerna mellan de upplevda och konkreta begreppen upp. Under idealiska förutsättningar skulle en undersökning av kontextberoende reflektioner kring samma begrepp kunna användas för att härleda skillnader i hur våra mentala begrepp blir sorterade. Dock skulle det kräva en minimering av felkällor vi inte är i närheten av idag. I framtiden kan sammanställningar av sådana typer av undersökningar eventuellt användas för att ge indikationer om hur våra mentala begrepp blir strukturerade.
2.1
Fysik och kemi på grundskola och gymnasiet
Avsnittet omfattar en genomgång av de senare åren i grundskolan till och med gymnasiets kurser (Utbildningsdepartementet 1994). Anledningen till att endast de senare åren i grundskolan beaktats är att ämnesindelningen inte är uttalad i de tidigare åren. Sedan många år tillbaka har elever under de sex första åren läst de naturvetenskapliga ämnena under en beteckning, naturorienterande ämnen (skolverket 2000). På en del skolor har denna modell överförts även till de senare åren och idag finns på skolverket kursplan och betygskriterier som täcker ända fram till årskurs nio i naturorienterande ämnen, parallellt med kursplaner och betygskriterier inom de olika naturvetenskapliga ämnena.
I skolverkets nationella kursplaner (skolverket 2000) finns beskrivning av syfte och mål med undervisning i de olika ämnena. Målen är också kvantifierade i ett flertal punkter. Skillnaden i grundskolans kursplaner i fysik och kemi är ganska stor, jämfört med skillnader i kursplanerna för gymnasiekurserna i de båda ämnena.
Vad gäller kursplanerna i både fysik och kemi är vad som ska tas upp i respektive ämne representerat även i kursmålen (Skolverket 2000). Dessa kursmål är ganska många och har därför delats upp i tre olika kategorier. Likheten, eller det mellan ämnena stora överlappet, vad gäller kemi och fysik är klart illustrerat genom att skolverket valt samma kategorier att dela in kursmålen i för båda ämnena. Dessa kategorier är beträffande natur och människa, beträffande den naturvetenskapliga
verksamheten och beträffande kunskapens användning (SKOLFS: 2000:49;
Inom den gemensamma ram för ämnena som likheten i ämnenas kursplaner utgör läggs tyngdpunkten olika. Fysiken är i något högre grad än kemin inriktad för att isolera begrepp och därigenom så noga som möjligt definiera dem. Kemin å andra sida syftar mer till att förklara och diskutera de naturvetenskapliga fenomenens plats i de större processer som har betydelse för oss. Ett resultat som tydliggör denna skillnad mellan de två ämnenas natur är att 60 % av målkriterierna för elever som slutar årskurs nio hamnar under kategorin beträffande natur och människa medan den största kategorin i kemiämnets kursplan, räknat i antal målkriterier är
beträffande kunskapens användning (Skolverket 2000).
Som tidigare nämnts är skillnaden mellan ämnenas kursplaner större i grundskolan än på gymnasiet. Dock, ett ansvar vilket enligt båda kursplanerna ligger på lärare i både fysik och kemi är att undervisa om begreppet atom. Att eleverna ska nå viss förståelse för atomen framgår från ett flertal av kursmålen. Exempelvis står i kemins kursplan att elever, när de slutar årskurs nio, ska ha kunskap om några
grundämnen (SKOLFS: 2000:65) och i fysikens kursplan står det på motsvarande
sätt att eleverna samtidigt ska ha insikt i hur materien är uppbyggd av atomer och
elementarpartiklar. (SKOLFS: 2000:49) Även i många fall, i skolverkets
kursplaner för fysik och kemi, där beskrivningen av mål där atomen eller grundämnen ej är explicit nämnda ingår de tydligt implicit beaktade. Se till exempel följande citat från skolverkets kursmål rörande Fy B kursen: Eleven ska
ha kunskap om joniserande strålning, radioaktivt sönderfall, fission och fusion samt kunna använda massa – energiekvivalensen för att göra beräkningar inom kärnfysiken (SKOLFS: 2000:49).
På gymnasiet finns det två kursplaner för vardera ämne. Detta beror på att det finns två kemikurser (Ke A och Ke B) och två fysikkurser (Fy A och Fy B) (Utbildningsdepartementet 1994). Jämfört med högstadiet är de gemensamma områdena fler och större mellan skolverkets kursplaner på gymnasiet än på grundskolan med hänsyn till ämnena kemi och fysik. Speciellt definieras en rad begrepp på ett ingående sätt, relativt grundskolan, i kemins och fysikens A-kurser. Efter samma typ av resonemang som atomen kan ses som ett begrepp som delas relativt lika mellan kemin och fysiken på högstadiet i förra stycket kan begreppen energi och laddning ses som delade mellan kemin och fysiken på gymnasiet.
Energi och laddning är fundamentala storheter inom naturvetenskapen. I ämnenas B-kurser tas fler härledda storheter upp (Bergström, Johansson & Nilsson 2005). Där blir den innehållsmässiga skillnaden återigen större. Låt oss ta två exempel. Entropi som tas upp är en härledd storhet från energi och temperatur vilken spelar större roll i Ke B kursen. Rörelsemängd är en härledd storhet av massa och hastighet som tas upp betydligt noggrannare i Fy B.
Atomen diskuteras både under kemin och fysiken på gymnasiet. I kemin behövs begreppet bland annat för att kunna förklara hur molekyler är uppbyggda. I fysiken går man mer in på atomens anatomi för att kunna förklara bland annat växelverkan mellan ljus och materia. Till skillnad från atomen, som tas upp mer på begreppsbasis, så spelar energi en stor roll vid en rad beräkningar i både kemin och fysiken under gymnasiet. I gymnasiets kemiböcker finns i regel många uppgifter där energimängder (värme) ingår i balansräkningar vid kemiska reaktioner. I
fysiken på gymnasiet dominerar i stället balansräkningar mellan kinetisk eller potentiell energi som exempel på räkneuppgifter i vilka energi används.
2.2
Konkret och upplevd verklighet
Grunden till vårt begreppsbildande är hur vi upplever tolkar och selekterar bland de intryck vi tar in och bearbetar skriver Dodwell (1995). Hur vi tolkar våra upplevelser är dock ingen enkel fråga. Vi tänker oss en grupp individer som utsätts för någon form av stimuli. Det kan till exempel röra sig om scener från en film som visas för ett antal biobesökare, ett föredrag om brott och straff under en lektion i samhällskunskap. I den konkreta verkligheten har individerna i dessa exempel bevittnat samma händelse. Alla såg samma film respektive hörde samma argument kring brott och straff. Det kan trots det vara stora skillnader i vad olika individer inom samma grupp upplevt, det vill säga i deras upplevda verklighet (Dodwell 1995).
Gross (2001) skriver att två personer som lyssnat på samma föredrag kan ibland ge så skilda beskrivningar av vad föredraget handlade om att det verkar som de lyssnat på helt olika föredrag. På samma sätt beskriver olika personer ofta samma filmer eller böcker ganska olika. Rent filosofiskt kan man fråga sig huruvida personer som kommer ut ur samma biosalong men ger helt olika beskrivningar av filmen de just sett verkligen har upplevt samma film. En modell för att komma till rätta med detta inom psykologin är uppdelningen av verkligheten i en konkret verklighet, inom vilken de såg samma film, och en upplevd verklighet, inom vilken de såg olika filmer. Hur olika händelser två personer är med om som resultat av samma händelse i den konkreta världen beror på en rad faktorer. I denna text tas några av dessa faktorer upp (Gross 2001).
Det är svårt att exakt förutsäga en persons perception av en händelse (Sternberg 2006). Kunskap om hur andra människor tolkar och reagerar på de mönster och påverkan de möter kan ge en vägledning inom vissa yrken, som t.ex inom läraryrket. Även om många av detaljerna kring kopplingen mellan människors mentala och konkreta värld inte är helt kända på grund av dess komplexa natur så måste det, ifall modellen ska hålla, finnas någon form av process mellan dessa världar.
Hur dessa processer genererar upplevda verkligheter från händelser i den konkreta beror på en rad faktorer. En del av dessa faktorer beror både på yttre omständigheter, som t.ex var och när händelsen inträffar samt inre omständigheter som t.ex vad vi varit med om tidigare eller hur vi för tillfället mår. Allport (1955) kallade den flervariabla funktion som genererar hur vi uppfattar fenomenen i vår omgivning för mentala set, vilket de fortfarande kallas (Ricks Turley-Ames & Kandi 2007).
Våra mentala set är komplicerade funktioner med ett flertal variabler som argument. En anledning till komplexiteten är att variablerna ofta är beroende av varandra. Förväntningar av en händelse och erfarenheter av liknande händelser är exempel på betingelser som var för sig påverkar våra mentala set och samtidigt växelverkar med varandra, alltså beroende variabler till set. Andra set som är
inbördes beroende och därigenom ytterligare komplicerar setens funktion är vår kulturella bakgrund och vår personlighet (Manstead 2002).
Från variablerna skapar de mentala seten den upplevda verkligheten vilket resulterar i både tolkningar och selektioner av det vi upplever. Snart efter Allports definition av seten följde en grov kategorisering av variablerna till de mentala seten, tidigast ute var Vernon (1955). Sedan dess har mycket arbete gjorts och många nya variabler har blivit identifierade, som t.ex. den eventuellt genetiskt betingade kognitiva stilen (Witkin, Dyk & Faterson 1962). De senare upptäckta variablerna är oftast en finstrukturering av de tidigare variablerna. Till exempel ingår den kognitiva stilen i den av Vernon bredare benämningen individuella skillnader. I följande text beskrivs kortfattat några av förhållandena som enligt Gross (2001) utgör variabler till seten.
Instruktioner: Med instruktioner menar Gross (2001) händelser som sker i den
konkreta verkligheten. Den som känner sig ensam i att inte fullt ut dela sin upplevelse med andra kan trösta sig med att i alla fall dela en av variablerna till seten som konstruerar upplevelserna. Alltså, den konkreta händelsen utgör, trots att det är osäkert huruvida någon äger rätten att beskriva den exakt, i sig själv en gemensam faktor för de som få en upplevelse med denna händelse som grund. I vår växelverkan med andra människor är det denna variabel som vi har störst påverkan på. Allt vi säger eller gör i andra människors närhet kan ses som instruktioner vilka utgör variabler till formandet av deras upplevda verklighet. Lärarens strävan att hitta didaktiska verktyg för att effektivisera undervisningen kan ses som ett sätt att hitta lämpliga instruktioner som tillsammans med de övriga variablerna via elevernas set skapar önskade mentala upplevelser (Gross 2001).
Kontext: Med kontext menar Gross (2001) den konkreta omgivningen av en
händelse. Därigenom ligger begreppet kontext ganska nära den moderna definitionen av diskurs, vilket avser den kommunikativa omgivningen av händelsen. Näst efter instruktionerna är kontexten det som vi har störst möjlighet att påverka vad gäller hur andra individer uppfattar en händelse. Om vi till exempel har något vi måste berätta (instruktion) så kan vi påverka hur den vi berättar det för tar det till sig genom att välja tid och plats då vi delger informationen. Till exempel skulle nog de flesta reagera olika på, samt få helt olika associationer av, att få höra att indiska elefanter har mindre öron än de afrikanska under en geografilektion än under ett fotbollsderby.
Förväntningar: Vad vi förväntar oss vid tillfället för händelsen påverkar hur vi
senare tolkar händelsen. Det finns en stark växelverkan mellan våra förväntningar och den kontext som vi befinner oss i (Loftus 1997). Vidare har Hundeide (2006) ytterligare problematiserat effekten av våra förväntningar genom att visa att människan är meningssökande och handlar utifrån sina kognitiva processer.
Motivation: Med motivation avses vad vi önskar oss av en händelse. Om vi har
något speciellt behov så har vi en benägenhet att koppla händelser vi upplever till det behovet (McClelland & Atkinson 1948). Vidare visade McClelland och Atkinson att effekten av vår motivation inte är binär, desto angelägnare vi är om att få vårt behov tillfredställt desto mer påverkar detta vår uppfattning av oberoende händelser i vår omgivning.
Känslor: Vår perception är klarare när det gäller stimuli vi uppfattar som
behagliga än obehagliga. Att vi omedvetet ”väljer” vad vi vill höra är en fras som ofta används till vardags men är också visat vid olika försök. Bland de mest slående är McGinnies (1949) försök där han visade att förmågan att uppfatta ljud varierade med hur ”behagligt” ljudet uppfattades. Senare forskning har visat att våra känslor har mycket stark påverkan på vår perception, Manstead (2002).
Erfarenheter: Från våra erfarenheter får vi verktygen med vilka vi kan
kategorisera händelser. Erfarenheterna påverkar tillsammans med kontexten våra förväntningar (Gross 2001). Det är tydligt att våra set är mycket komplexa eftersom variablerna inte bara är många, utan också beroende av varandra. Till exempel beror vår motivation till någonting på vilka förväntningar vi har.
Personlighet: Vi är olika. Det har länge diskuterats och kommer nog diskuteras
länge än hur stor del av våra olikheter som beror på biologi och hur mycket som beror på miljö. Vi är i alla fall olika, som tur är. Hur vi är påverkar givetvis hur vi uppfattar skeenden omkring oss (Manstead 2002).
Kulturella faktorer: Den sociala omgivning vi lever i påverkar hur vi uppfattar
våra upplevelser (Dasen 1994; Hundeide 2006). Som exempel så är det sannolikt att en person uppvuxen i en tibetansk by upplever modet med hängande byxor bland dagens Svenska ungdom annorlunda än en rappare från London. I nära växelverkan med de kulturella faktorerna finns vår personlighet. I många fall kan det vara svårt att skilja dessa variabler åt.
I nedanstående ruta visas hur seten enligt Gross (2001) kan ses som funktioner som utifrån variablerna diskuterade ovan ger oss våra upplevelser.
Upplevelse = , , , , , , , kultur et personligh erfarenhet känslor motivation gar förväntnin kontext n Instruktio set
Ruta 1. Beskrivning av set som en funktion av flera variabler enligt Gross (2001).
2.3
Kontextberoende i vår begreppsvärld
Ett av lärare ofta frekvent använt verktyg, oavsett skolnivå eller ämne, är olika typer av test (William & Black, 1998). Test förekommer i många olika former som bland annat summativa prov, som syftar till att sammanställa undervisningens resultat, eller formativa diagnoser, vilka syftar till att tydliggöra elevens kunskapsutveckling och ge hjälp till elev och lärare hur undervisning bäst bör anpassas (Perrenoud 1991). Vidare kan testen vara både skriftliga, muntliga, i form av uppvisning eller redovisning (Homsi 2008). Precis som formerna för tester kan variera så är ofta syftet med skilda tester olika. Lärare gör en del tester i syfte att ta reda på vad eleverna har lärt sig inom ett område, dvs. mäta elevernas kunskapsnivå. Denna typ av tester var, och kanske fortfarande är, den vanligaste för någon generation sedan. Numera är sådana prov oftast lagda till slutet på läsår/kurser och syftar till att ge undervisande lärare ett underlag till betygsättning.
Grundförutsättningen för summativa prov är relativt enkel, provet ska täcka innehållet i tillhörande kurs så bra som möjligt.
Formativa diagnoser skiljer sig kraftigt från de summativa proven. Frågorna formuleras på ett sådant sätt att läraren och eleven har möjligheter att hitta var eleven befinner sig inom specifika områden. På det sättet blir formativa test ett effektivt pedagogiskt hjälpmedel (William & Black 1996). Nyttjandet av mer formativa test ligger även i linje med det så kallade dialogiska klassrummet, vilken präglas av en pågående dialog mellan elever och lärare och elev, varför en strävan inom skolan finns för en ökad användning av formativa prov.
Nedan följer ett resonemang kring den egna verklighetsuppfattningen som den enda sanna, vilket förklarar varför lärare behöver ha ett eftertänksamt förhållningssätt till egna konstruerade prov, tester, diagnoser och frågor som ges till elever.
Anta att en Marie köper en affärslokal. Till viss del kommer hon troligen att anpassa sina inköp av varor efter storlek, form, och möblemang i affären. Samtidigt kommer hon dock troligen att, då inte för stora ombyggnader behövs, ändra strukturen i affären för att passa till varor som hon tror hon kan ha lätt att få sålda av förbipasserande. Enligt Egidius (2000) satte Vygotskij med samma logik vårt lärande och vår kunskapsutveckling i samband med vår mentala utveckling och själva formandet av vår begreppsvärld redan under 1920-talet. Affärslokalen representeras här av vår begreppsvärld innan vi för första gången erfar ett nytt fenomen. Precis som utformningen av tidigare struktur i affären och nya varor som ska säljas påverkas av varandra påverkar nya fenomen vi erfar och sedan tidigare befintliga begrepp varandra. Därmed var Vygotskij kritisk mot de enligt honom endimensionella mentala utvecklingslinjer som han ansåg Piaget stå för (Egidius 2000). Dessa utvecklingslinjer representeras ofta som trappor där de olika trappstegen representerar olika faser för vår mentala utveckling. Piaget menar att man måste nå en viss utvecklingsnivå för att kunna lära (Gross 2001) medan Vygotskij menar att lärande krävs för utveckling (Egidius 2000). I Vygotskijs kritik mot avsaknaden av den sociala påverkan i form av lärande i rådande ”utvecklingstrappor” ligger något mycket centralt med hänsyn på hur vi uppfattar olika begrepp.
Med nedanstående figur visas Piagets, Vygotskijs och Säljös problematisering kring vår mentala utveckling.
Piaget
Vygotskij
Säljö
Figur 1. Tolkning av fenomen enligt Piaget (Gross 2001), Vygotskij (Egidius 2000), och Säljö
(Säljo 2000).
Överst illustreras hur piaget ansåg att våra mentala begrepp har kopierats från någon konkret verklighet. Den mellersta bilden illustrerar hur våra mentala begrepp enligt Vygotskij anpassats till vårt sociala liv. Nederst visas hur våra upplevelser av fenomen enligt Säljö beror på det aktuella sammanhanget.
Figuren visar att enligt Piaget handlar tolkningen om en kopiering av konkreta objekt till likadana mentala objekt. Vygotskij tillfogade att våra upplevelser till stor del är personliga och beror på vårt i övrigt sociala liv och utveckling. Det kan alltså finnas skillnader mellan våra upplevelser och den konkreta verkligheten. Säljö hävdar att begreppen blir meningsfulla först i ett sammanhang. Här finns något
spännande: Ett fenomen i den konkreta verkligheten kan alltså simultant ingå i en rad olika processer. Vi kan således ha ett flertal upplevda begrepp som samtidigt beror på samma konkreta fenomen.
Om olika individers uppfattning om sin omgivning utvecklas olika på grund av varierande sociala liv med olika respektive erfarenheter så försvinner incitamentet till att anta att ett unikt begrepp i naturen eller samhället representeras av samma fenomen i de olika personernas mentala värld. Låt oss leka med tanken att vi kan avläsa två personers mentala bilder av ett och samma begrepp. Enligt dagens västerländska paradigm, vilken troligen är influerad av de senaste hundra årens forskning även om vi oftast inte reflekterar över det, ges en möjlighet till tolkningen att båda personernas mentala bilder kan ges samma status. Detta kommer till utryck bland annat genom en rad fraser som, allt är inte svart eller vitt, eller, det beror på hur man ser på saken. Vems föreställning av begreppet som ligger närmast sanningen är då mest en filosofisk diskussion, om det ens finns något svar (Schoultz 2000).
Säljö (2000) argumenterar för att språket inte bara är ett neutralt verktyg för kunskapsförmedling utan också ger oss en innebörd för vår kunskap. I sin förlängning menar Säljö att vår kognitiva uppfattning om fenomenen i vår omvärld är beroende av den språkliga kontext i vilken hörande begrepp är oss givna. Ett sådant språkberoende för hur vi uppfattar vår omvärld är högst relevant för personal som arbetar i skolan. Inom skolan skiljer sig språkbruket åt från ämne till ämne. Till exempel kommer begreppet industrialismens orsaker att diskuteras på ett helt annorlunda sätt under en historielektion än mantelarean hos några geometriska kroppar under en matematiklektion. Med tiden har de olika ämnena utvecklat olika språkliga diskurser.
Eventuella skillnader mellan olika lärares förmedling av samma fenomen är svåra att mäta direkt. Däremot är konsekvenser av sådana skillnader i form av elevers tolkningar av fenomen inom olika kontexter mätbara. Korrelationer mellan hur elever tar sig an problem och i vilken kontext (i vilket ämne) frågeställning är given har upptäckts (Säljö & Wyndham 2002) Fig 1.
3
SYFTE
Huvudsyftet med den här studien är att undersöka skillnader i hur elever på gymnasienivå reflekterar kring samma fenomen i ämneskontexterna fysik och kemi. Mer precist så undersöks här två elevgruppers svar på samma frågeställningar under en fysik- samt en kemilektion.
Som beskrivs i bakgrunden så finns det en hel del forskning som pekar på hur våra associationer kring ett begrepp beror på i vilken miljö vi befinner oss i vid tillfället då begreppet nämns eller på annat sätt aktualiseras (Säljö 1995). Historiskt, och även för många idag, uppfattas våra tolkningar av de naturvetenskapliga fenomen som relativt fria från betraktare eller kontext, speciellt fenomen som tas upp inom ämnet fysik. Senare tidens forskning (Säljö 2000) pekar på ett ganska stort kontextberoende även inom naturvetenskapen.
Syftet nås genom att undersöka hur eleverna reflekterar kring de naturvetenskapliga begreppen atom, energi och laddning under en fysik respektive en kemilektion. Särskild vikt har lagts vid följande frågeställningar.
• Vilka delar av begreppen visar sig vara oberoende på om reflektionen sker under en kemi- eller fysiklektion?
• Vilka skillnader framträder i hur eleverna reflekterar kring de naturvetenskapliga begreppen under fysik- och kemilektioner?
• Vad korrelerar eventuella skillnader i elevsvaren från grupperna med skillnader i ämneskontexterna.
4
METOD
När elever ställs inför ett begrepp kan deras reflektioner bero på fler delar av den tillfälliga kontexten än de ämnesbundna. Således kommer denna studiens metod att väljas vilken i största möjliga mån minimerar de källor, annat än ämneskontexten, som påverkar elevernas reflektioner. I kapitlet ges först en motivering till den valda metoden, simultant utdelat test till elever under respektive fysik och kemilektion.
Därefter ges detaljerna kring undersökningen. Det fanns många aspekter att beakta. Några exempel är åldern på eleverna, kunskapsnivån på eleverna, vilka frågor som ska ingå i testet. Andra aspekter var själva utformningen av testet och hur testet genomförts. Detta beskrivs med motiveringar kring de val som gjorts.
4.1
Undersökningsmetod
Frågeställningens natur måste vara klart definierad innan lämplig metod kan väljas, skriver Patel & Davidsson (2003). Ett stöd kring mitt val av undersökningsmetoder är Lodico, Spaulding & Voegtle (2006), som summerar olika forskares tankar kring flera av aspekterna kring de olika metoderna vid pedagogisk forskning tas upp.
För många tänkbara frågeställningar inom både psykologi och pedagogik finns ringa utsikter att bryta ner respektive problem till lineärt oberoende komponenter, eller ens isolera en komponent för den delen Lodico, Spaulding & Voegtle (2006). I dessa fall är det lämpligast att undersöka problemet som en helhet, vilka i sin tur blir mer värderingsberoende än andra undersökningar. Forskning där problemen ses som helheter med aspekter i en samverkan är i vissa fall den lämpligaste ”approachen” och går under benämningen social konstruktivism.
För frågeställningen i detta arbete finns anledning till att leta efter en metod som förutsätter ett mer objektivt svar. Metoden som valts har anpassats till formerna för vad Lodico, Spaulding & Voegtle (2006) beskriver som vetenskaplig realism. Den vetenskapliga realismens metoder ska vara objektiv och baseras på insamling av data. Ett problem med ett sådant tillvägagångssätt är att resultatet av varje undersökning eventuellt är färjat av den som utförde undersökningen varför vetenskaplig realism kan ses som en utopi. Denna frågeställning är lika relevant inom alla discipliner. Går det att mäta någonting över huvud taget utan att påverka det man mäter och därigenom endast lyckas mäta produkten av vad man vill mäta och ens påverkan av detta. Lodico, Spaulding & Voegtle (2006) utrycker på ett talande sätt hur det går att komma till rätta med problemet Research realism aims
to describe the objective reality that most or all people would agree is real. Det
vill säga, inom vetenskapen gör man inte anspråk på att beskriva en totalt objektiv sanning, men strävan är att göra undersökningar så objektivt som möjligt. Detta är en modernt tankesätt som används även inom naturvetenskapen.
I så stor utsträckning som möjligt försöker jag isolera den kontextberoende aspekten kring elevernas uppfattningar kring olika fenomen. Då ligger användandet av test eller enkäter mer åt den vetenskapliga realismen. Rent
principiellt fungerar enkäter som en slags intervjuer där inverkan av personen som intervjuar är borttagen. Dock, det finns ett problem med enkätundersökningar med hänsyn till frågeställningen i detta arbete: nämligen om eleverna har olika upplevelser av samma fenomen i den konkreta verkligheten, vilka aktualiseras vid olika kontexter. Eleven har bredvid sina uppfattningar av de naturvetenskapliga fenomenen också upplevelser av de naturvetenskapliga skolämnena. I elevsvar från enkäter skulle det bli mycket svårt att skilja på vad som är resultatet av fenomenens kontextberoende och skolämnenas mentala representanter.
Låt mig konkretisera med exempel. Om eleverna i en enkät ställs frågan hur de uppfattar atomen i kemin relativt fysiken så har vi redan dirigerat dom att söka en skillnad. Låt oss anta att en elev svarar att atomen i fysiken flyger omkring fritt och består av en kärna och elektroner medans den i kemin är en odelbar kula i en molekyl. Nu finns ett stort problem då det inte går att urskilja ifall eleven egentligen bara hade en mental bild av atomen men gav två förklaringar utifrån dess olika idéer om fysik och kemi eller om den verkligen gav utryck för ett kontextberoende hos atomen. Det som undersöks i detta arbete är ju faktiskt ifall det i de flestas medvetande finns en ”fysik-atom” och en ”kemi-atom”.
Med hänsyn till vad nämnts ovan har ett test valts som metod. Genom att använda test undgicks en rad fria variabler samtidigt som eleverna blev mindre styrda än vad de varit vid en enkätundersökning. Samma test delades ut till elever som läste kemi respektive fysik. Testet var utformat så att undervisande lärare i både fysik och kemigruppen kan använda det som en liten del i framtida betygsunderlag. Eleverna visste innan testet inte om att andra gjorde samma test eller att deras svar eventuellt skulle analyseras i annat syfte än fysik/kemi. Det enda de visste var att testet kunde användas i framtida betygsunderlag.
För att en sådan analys ska ha tillfredställande relevans krävs att de valda begreppen har en någorlunda lika bäring i de två ämnena. Låt oss belysa detta med ett exempel. Anta att en grupp elever ombeds diskutera Karl Marx mitt under en fysiklektion. Eftersom ingenting om Karl Marx normalt tagits upp under fysikundervisningen för elever i vår skola kommer eleverna att hämta sitt mentala begrepp Karl Marx från någon helt annan kontext. En intuitiv gissning är att processen och resulterande diskussion bland eleverna skulle vara likartad om de fick samma fråga i datorkunskap, där Karl Marx troligen inte heller diskuterats. Dock, att ett begrepp inte ingår i ett visst sammanhang betyder givetvis inte att kontexten inte har betydelse för vilka associationer begreppet ger oss.
4.2
Utförande, testgrupper och testfrågor
Ramarna för hur detta test har utförts har i princip bestämts utifrån hur olika former av källor till feltolkningar, sk bias, kan undvikas, dvs hur eventuella skillnader i elevgruppernas svar beroende på under vilket ämne frågan ställdes kan isoleras från andra källor till sådana skillnader. För att i största mån undvika sådana störningar gjordes en reflektion kring vilka dessa felkällor kan vara. Genom att känna till vilka saker som kan orsaka feltolkningar ökar chansen till att undvika dessa feltolkningar (Lodico, Spaulding & Voegtle 2006). Analysen av möjliga
felkällor hade sedan mycket stor verkan på hur genomförandet av försöket gick till. Därför har jag valt att presentera olika aspekter av metodvalet parallellt med dessa felkällor. Här följer en beskrivning av vilka grepp som har använts och varför dessa valdes.
Samma kunskapsnivå i grupperna
Var i vår kunskapsutveckling vi befinner oss inom ett ämne påverkar hur vi väljer att utrycka olika begrepp (Kucuk 2005). Till exempel är det inte troligt att en nioåring ger samma beskrivning av stjärnor som en gymnasiestudent. Olika kunskapsnivå/erfarenheter med hänsyn till de valda begreppen mellan testgrupper i studier av denna typ kan resultera i generella skillnader mellan gruppernas svar. Att vid senare tillfälle, vid analys av deras svar, försöka avgöra huruvida skillnader i svaren mellan grupperna beror på olika generella kunskapsnivåer eller det eventuella kontextberoende som målet med denna analys är att undersöka är både svårt och riskabelt. Alltså, risken med att använda grupper med olika kunskapsnivå är att aspekter som är kunskapsberoende tolkas som kontextberoende.
Fem ramar för försöket sattes upp för att nå så stor likriktning mellan de två testgruppernas kunskaper som möjligt. Båda grupperna går samma program. Eleverna går på NV-programmet. Valet följer av det naturliga skälet att Fy B och Ke B endast läses på TE och NV. Testgrupperna går samma årskurs. Eleverna går i årskurs tre. Dels kan eleverna i årskurs tre mer än de yngre eleverna om testfrågorna, dels är deras ämnesspråk troligtvis mer utvecklat varför ett eventuellt kontextberoende torde vara enklare att analysera. Testgrupperna går i samma skola. Genom att välja två parallellklasser med lärare med nära samarbete inom programarbetslaget nås stor sannolikhet för att testgrupperna gått igenom mycket liknande stoff. Ur testgrupperna valdes endast elever som hade samma betyg i båda kurserna Fy A och Ke A ut för vidare analys. Detta för att undvika att elevernas svar i för stor utsträckning blir en funktion av vilket av ämnena de tycker bäst om. Elevsvar för vidare analys valdes på ett sådant sätt att betygsspridningen inom de två grupperna blev identisk (Tabell 1).
Tabell 1. Betygsfördelning i elevgrupperna
Grupp/Betyg G VG MVG
NV3A 2 6 4
NV3B 2 6 4
I testgrupperna ingick vid själva försöket fler än tolv elever per grupp. Sedan valdes elevsvar ut på ett sådant sätt att de slutliga testgrupperna, vilka utgörs av de elevsvar som valts ut, uppfyllde följande fem kriterier. Eleverna i testgrupperna ska ha samma betyg i kurserna Ke A och Fy A. Vidare ska betygsammansättningen vara densamma för de två grupperna.
Samma motivation vid testet
Hur vi väljer att formulera svar på en fråga beror på fler aspekter än frågans ämneskaraktär. En viktig faktor för hur vi problematiserar ett begrepp är vad vi uppfattar med syftet med vårt svar (Emanuelsson, J. 2001). Till exempel tillåter vi oss vara mer spekulerande vid statistiska undersökningar där vi är anonyma än ifall vi uppfattar det som att våra svar kommer att utgöra underlag vid bedömning av våra färdigheter (Lodico, Spaulding & Voegtle 2006). För att i största möjliga mån skapa samma attityd och förväntan av testet av båda testgrupperna har en strikt
mall framtagits för testet. Hur testet sedan presenterades och vad respektive lärare gav för information följde sedan denna mall.
Testet i denna studie gavs till alla informanter samtidigt, en måndag eftermiddag, och vid mitten av både Fysik B och Kemi B kurserna. Vidare gavs testet tidigt under lektionen och presenterades som ett oförberett prov. För att understryka vikten av provet skulle eleverna i båda testgrupperna skriva sina namn på provet.
Kontakt mellan testgrupperna
Eftersom testgrupperna var från klasser på samma skola så var strävan att undvika att individer från den ena gruppen visste om testet innan det var deras tur, vilket skulle kunna påverka studien. Därför gavs testet till båda grupperna vid samma tillfälle, måndagen 22 september 2008 klockan 14:00. Ingen av eleverna visste i förväg om testet.
Samma relevans inom fysik och kemi
Uppmärksamheten en elev visar för en fråga kan bero till hur relevant eleven uppfattar frågan med hänsyn till kontexten inom vilken den är given (Lodico, Spaulding & Voegtle 2006). Till exempel känner sig troligen elever ganska ambivalenta till frågeställningar om RC-kretsar givna vid en lektion om kemi. Vikt har därför lagts vid att välja begrepp som har samma relevans för eleverna inom både fysik och kemi. Därigenom har begrepp som har en tydligt starkare koppling till det ena ämnet än det andra inte varit aktuella begrepp till testet. Eleverna skulle till exempel med högsta sannolikhet ta mer seriöst på frågor om aminosyrors uppgifter under en kemilektion än under en fysiklektion.
Efter en första grovsortering så hade jag kvar ungefär tio ”kandidat”-begrepp. Därifrån, och som ytterligare ett stöd i processen att välja begrepp med samma bäring i båda ämnena tog jag hjälp av personer i min omgivning (vänner, släkt och kolleger) som läst både fysik och kemi motsvarande minst gymnasiets Fy A och Ke A kurser. Genom att de svarade på vilket/vilka ämnen de främst associerade till när de olika kandidatbegreppen nämndes togs en del av dessa begrepp bort från analysen.
Att en del av de begrepp, som jag själv tyckt känts ämnesneutrala med hänsyn till kemi och fysik, verkade vara starkt etiketterade som fysik eller kemi bland de tillfrågade är förutom att det gav en god hjälp vid urvalet intressant i sig. Exempelvis verkade begreppen molekyl, reaktion, värme och substans associeras starkare till kemi samtidigt som till exempel krafter, rörelsemängd och naturlagar oftare ansågs tillhöra fysiken.
Tre begrepp uppfattades dock så lika att någon större dragning mot kemi eller fysik inte kunnat uppmärksammas vid denna studie. Det gäller begreppen atom, energi och laddning. Därför utgör just dessa begrepp basen i testet.
4.2.1
Genomförande av testet
Testet genomfördes måndagen den 22 september 2008 klockan 14:00 simultant på två klasser i var sitt klassrum utan att eleverna i respektive klass visste om att samma prov gavs i parallellklassen. Den ena gruppen (NV3A) började en lektion i Ke B samtidigt som den andra klassen (NV3B) påbörjade en lektion i Fy B. Några minuter in i lektionerna, när alla kommit i ordning, förklarade respektive lärare att ett prov skulle genomföras med syfte att testa deras kunskap inom några viktiga begrepp.
Lärarna skrev sedan uppgifterna på tavlan med svart tavelpenna samt delade ut papper för eleverna att skriva på. Det som skrevs på tavlan vid fysik- respektive kemilektion följer nedan.
Fysikgruppen Kemigruppen
Test Fy B
Ge en beskrivning av följande begrepp: 1) Atomen
2) Energi 3) Laddning
(Tid: 20 min)
Test Ke B
Ge en beskrivning av följande begrepp: 4) Atomen
5) Energi 6) Laddning
(Tid: 20 min)
Figur 2. Det som skrevs på tavlan vid testtillfället för respektive grupp
Eleverna fick sedan 20 minuter på sig att skriva sina svar, varpå lärarna samlade in testsvaren. Efteråt placerades testen i sex olika högar efter respektive elevs betyg från A-kurserna i kemi och fysik så att en G, VG och MVG hög för varje klass fanns. För att uppfylla villkoret att det skulle vara samma betygsammansättning i båda grupperna begränsades urvalet till två från G, sex från VG och fyra från MVG högen. Tillsammans utgjorde dessa 12 elevsvar från varje klass, dvs totalt 24 elevsvar, materialet till detta arbete.
4.3
Bearbetning, analys och redovisning
Först sammanställs elevreflektionerna kring atomen. Denna sammanställning utgörs av en frekvenstabell (se avsnitt 5.1) i vilken de olika aspekterna av atom som eleverna nämnt finns med. I tabellen är även den relativa frekvensen i de olika grupperna med.
Därefter avgjordes vilka aspekter av begreppen som eleverna över huvud taget valde att lyfta fram i sina svar. Att urskilja och kvantisera elevernas funderingar över de tre aktuella begreppen var en inte helt enkel uppgift som krävde en del
eftertanke. Den kanske största anledningen till detta är att många av elevernas olika funderingar oftast inte är oberoende av varandra. En tydlig koppling finns mellan aspekter av atomen som bygger på varandra i någon form av hierarkisk mening. I vissa fall har elever diskuterat aspekter som klart visar att de haft mer grundläggande aspekter i åtanke utan att för den delen nämnt dessa så tydligt att notering kan göras.
Vissa aspekter som nämnts av elever medför att de nämnt andra aspekter med. Till exempel är det uppenbart att då någon elev diskuterar protoners och neutroners olika funktion så har den kunskapen om att atomen har en kärna. Ett annat exempel på aspekt av begreppet atom kring vilken det är svårt att skapa noteringsunderlag är kvarken. Det var till exempel inte helt enkelt om den av en elev givna formuleringen ”… atomen är inte minst för det finns kvarkar …” skulle noteras i kategorin ”nukleonernas beståndsdelar” trots att denna elev ej kopplat kvarken till atomen.
Elevsvaren genomgick en analys syftande till att uttyda så många reflektioner kring atomen som möjligt. Detta resulterade till exempel för atomens del i en lista med 27 olika elevreflektioner. Därefter analyserades samtliga elevsvar på nytt. Nu handlade det i stället om att notera vilka av de 27 olika aspekterna som vart och ett av del olika elevsvaren reflekterar kring. Som nämnts i föregående stycke var det ibland svårt att kategorisera vissa elevreflektioner. Det kan bero på att en reflektion ligger mitt emellan två av de 27 kategorierna eller endast till viss del passar i någon kategori. För det mesta var det dock ganska enkelt att passa elevreflektioner till kategorierna.
Därefter beskrivs elevsvaren rörande begreppet energi. Vad gäller energi formulerade sig eleverna så att det inte gick att göra en effektiv kvantifiering så som för atomen. Resultatet visade dock på kvalitativa skillnader i hur eleverna reflekterar kring energi under kemi relativt fysiklektion.
Sist sammanställs elevernas texter om begreppet laddning. Precis som för energi gick det inte att utföra en kvantifiering i elevreflektioner, som för atomen. I stället valdes tre fundamentala egenskaper hos laddning kring vilka elevsvaren från de två testgrupperna jämfördes.
Resultatet från analysen visas under rubrikerna atomen, energi och laddning.
4.4
Etiska aspekter
Att göra testet var inte per automatik att medverka i undersökningen. Testet utgör en del, om än ganska liten del, i deras betygsunderlag. Detta gäller även de elevsvar som inte ingår i de 24 valda för vidare studie. Efter testet tillfrågades, för att uppfylla samtyckeskravet (vetenskapsrådet 2002, härefter VR) om elevernas tillåtelse att använda deras svar i denna undersökning vilket i samtliga fall erhölls. Eleverna var också informerade att de kunde avbryta sin medverkan när de ville. I det fall att någon elev av någon anledning ej hade velat medverka hade dennes elevsvar inte analyserats för detta arbete. Eleverna var införstådda med vad syftet med arbetet var. Därigenom var också informationskravet uppfyllt (VR).
Ingen av eleverna är nämnda vid namn i detta arbete. Inga andra personuppgifter än klass och namn finns på elevsvaren, vilka jag har i säkert förvar. Detta för att med säkerhet uppfylla konfidentialitetskravet (VR). Resultaten från elevernas svar hade redan innan eleverna tillfrågades om medverkan genom att utlåta sina svar till undersökningen värderats av respektive kemi och fysiklärare. Efter det att deras elevsvar tagits in i undersökningen kommer de inte att användas till något annat än denna undersökning. Därigenom är nyttjandekravet uppfyllt (VR).
5
RESULTAT
Det sätt kring vilket eleverna valt att reflektera skiljer sig ganska mycket åt mellan de tre begreppen. Detta är förståeligt då skillnaden mellan de tre begreppen är mycket stor. Till exempel så är atomen ett objekt vilket varken energi eller laddning är. I detta kapitel redovisas resultaten av elevernas reflektioner i ordningen atomen, energi och laddning.
5.1
Atomen
Först sammanställdes vilka noteringar som kunde göras av varje elevsvar. Dessa noteringar sammanställdes i en frekvenstabell, dvs. en tabell som visar i hur många elevsvar varje notering kunde hittas. Nedan visas denna statistik.
Tabell 2. Frekvens av elevreflektioner i elevsvaren
Elevreflektion Frekvens (Fysik) Frekvens (Kemi) Andel i procent (Fysik) Andel i procent (Kemi) Kärna + elektroner 12 11 100 92 Protoner + neutroner 11 11 92 92
Alla ämnen består av atomer 1 10 8 83
Kvarkar 10 2 83 17
Ger ett ämne dess egenskaper 0 8 0 67
Elektronsskal eller moln 7 3 58 25
Finns överallt 0 7 0 58
Bygger molekyler 1 8 8 67
Koppling till joner 7 7 58 58
Elektriska krafter 7 2 58 17
Periodiska systemet 0 4
uud och udd 3 0
Ritat figur med orbitaler 2 0
Energinivåer 2 0 KLM skal 0 2 Odelbar 1 1 Påverkas av gravitationen 1 0 Stark kraft 1 0 Molmassa 0 1 Mycket liten 1 0 Isotoper 0 1 Kärnkraft 1 0 Masskoncentration i kärnan 1 0 Aggregationsformer 0 1 Något om atomstruktur 1 0
Elektroners relativistiska hastighet 1 0
Utifrån ovanstående tabell är det tydligt att eleverna utryckte sig annorlunda under kemi respektive fysiklektionen. Speciellt talande är detta när man betraktar raderna tre till fem i tabellen. Totalt hittades 142 noteringar kring atomen vilket motsvarar ungefär ett genomsnitt på elevreflektioner kring 5 noteringar per elevsvar. Som nämnts i avsnitt 4.3 så förekom 27 olika kategorier av elevreflektioner. Det betyder att det fanns en ganska stor divergens med ett genomsnitt av endast 4 noteringar per reflektion.
Nedanstående figur visar exempel på de noteringar som gjordes utifrån elevsvaren.
Elev A, från fysikgruppen
A1: Uppdelning av atomen i kärna och elektroner A2: Diskussion om elektronmoln
A3: Diskussion om kärnans anatomi, protoner och neutroner A4: Diskussion om neutronernas uppgift
A5: Beståndsdelarnas laddning och något om vad deras laddning innebär A6: Förklaring till vad en jon är
B1: Start till diskussion om enkel atomstruktur B2: Förklaring om hur atomer binder till varandra Elev B, från fysikgruppen
A1: Uppdelning av atomen i kärna och elektroner
A2: Diskussion om kärnans anatomi, protoner och neutroner A3: Notering om kopplingen molekyl och atom.
Elev C, från kemigruppen
A1: Uppdelning av atomen i kärna och elektroner
A2: Diskussion om kärnans anatomi, protoner och neutroner A3: Notering om kopplingen molekyl och atom.
A4: Diskussion om det periodiska systemet. A5: Nämner att allt består av atomer.
A6: Nämner att atomer och molekyler bestämmer ämnens egenskaper
Figur 3. Exempel på noteringar från elevsvaren
I följande citat visas hur eleverna reflekterat kring begreppet atom. Deras svar är återgivet utan ändringar, dvs stavfel och dylikt är inte korrigerat. De första två exemplen är tagna ur fysikgruppen och det tredje från kemigruppen. Att just dessa tre är valda beror på att deras elevreflektioner har hög frekvens i respektive elevgrupper och därigenom är ganska representativa.
Elev A:
atomen består av en kärna som det kretsar ett antal elektroner runt. elektronerna är minusladdade och kretsar i olika ”skal”. skalen är en förenkling. Egentligen har elektronerna olika energinivåer. Elektronerna bildar ett sk elektronmoln av negativ laddning. Kärnan består av positiva protoner och oftast även av neutralt laddade neutroner. Neutronernas uppgift är att hålla ihop protonerna (som pga sin lika laddning skjuter ifrån sig varandra). Det finns lika många protoner som elektroner i en atom (annars är det en jon). De flesta atomer kan binda till sig andra atomer. Hur de kan binda bestäms av antalet valenselektroner. Atomerna ”vill ha” fylda ellektronskal. elektronerna i yttersta elektronskalet kallas valenselektroner. i innersta skalet finns flats för två elektroner, nästa skal 8 osv Atomer delar valenselektroner för att få fyllda elektronskal- de binder till varandra. Atomer är små.
Elev B:
Atom) En atom är en väldigt liten partikel som är uppbyggd av protoner, neutroner och elektroner. Protonerna + och neutronerna finns samlade i den så kallade atomkärnan, medans elektronerna – sitter ”löst” runt kärnan. Atomer bygger upp molekyler
Elev C:
Atomen. Flera atomer kan tillsammans bilda molekyler. Atomerna i dessa molekyler bestämmer ämnens egenskaper. Allting består av atomer. En atom har en extremt liten kärna och större elektronskal. I kärnan finns protoner och neutroner. I skalen finns elektroner. Protonerna bestämmer vart i periodiska systemet atomen finns.
Efter att alla elevsvar analyserats mer ingående en andra gång erhölls en frekvenslista. Klart är att åtskilliga av eleverna har ett flertal associationer till begreppet atom (vilket gör mig som fysiklärare glad). Vissa associationer är gemensamma för många av eleverna. Till exempel nämner 22 av de 24 eleverna i denna studie att en atom har en kärna och elektroner. I de flesta elevsvaren finns denna reflektion att hitta bland de första meningarna.
Vissa reflektioner har gjorts av enskilda elever. Några sådana exempel är elevsvar som innehåller diskussion om masskoncentrationen i atomens kärna, elektronens relativistiska hastighet, eller andra reflektioner.
.. atomer är små
.. allt i vår kropp består av atomer
Med hänsyn till riskerna med att övertolka resultaten har i denna undersökning högfrekvent återkommande elevreflektioner (i 6 eller fler elevsvar) skilts från mer lågfrekventa reflektioner (under 6 elevsvar). Samtliga noteringar tillsammans med frekvensen inom respektive kemi och fysikgrupp är presenterad i tabell 2. För de högfrekventa associationerna har en procentuell frekvens för fysikgruppen och kemigruppen angetts.
Sammanfattande från ovanstående citat och tabell framgår det att elevernas svar i kemigruppen handlat mer om atomens roll, dvs. att den ingår i alla ämnen, ger dess egenskaper samt att de finns överallt. Samtidigt innehåller fysikgruppens svar mer om atomens anatomi, då en stor andel av fysikeleverna nämnde kvarkar, elektronmoln osv. se tabell 2.
5.2
Energi
Vad gäller elevernas reflektioner kring atomen var den individuella spridningen ganska stor, med som nämnts innan 26 olika aspekter funna vid analysen av elevernas svar. Vid analysen av elevsvaren rörande energibegreppet visade det sig att deras reflektioner var betydligt mer samlade. Endast 9 aspekter lyckades identifieras ur elevernas reflektioner rörande energibegreppet. Dessa 9 olika elevreflektionerna kring energibegreppet är så sammanflätade att en kvantifiering av dessa motsvarande den kring atomen i tabell (2) inte skulle löna sig. I stället redogörs i löpande text för elevernas reflektioner kring energibegreppet där både generella och mer ämnesberoende aspekter lyfts fram. Nedan ges också två exempel av elevsvar som kan ses som något av typsvar, delar sina reflektioner med majoriteten av elevsvaren från sin grupp, från respektive elevgrupp.
Exempelsvar från fysikgruppen:
Energi, det finns olika slags energi, t.ex. lägesenergi, rörelseenergi. Energi kan aldrig förstöras bara omvandlas till annan energi. Lägesenergi på en boll omvandlas till rörelseenergi då den trillar ner. Sen omvandlas det till värmesenergi.
Exempelsvar från kemigruppen:
Energi: Olika typer: värmeenergi, ljus och potentiell energi. Ingen energi kan försvinna utan bara omvandlas till andra former. t.ex när du cyklar omvandlas en del den energi som man tagit upp från maten till rörelseenergi och värmeenergi. Energi är en förutsättning för liv och för att kemiska föreningar ska kunna ske.
5.2.1
Energins oförstörbarhet
De två punkter som förekom med högst frekvens var teromdynaikens första huvudsats vilken nämndes av 24 av eleverna) samt den andra huvudsatsen (nämnt av 23 av eleverna).
Energi kan inte skapas eller förstöras Energi kan omvandlas mellan olika energiformer
Här har vi en egenskap hos ett naturvetenskapligt begrepp kring vilket eleverna reflekterar likadant i kemin som i fysiken. Vidare söktes noga efter eventuella skillnader i hur energins bevarande utrycktes mellan de två grupperna. Dock hittades inga sådana skillnader.
5.2.2
Energiformer
Energins egenskap att kunna byta form är något eleverna i båda grupperna tog fasta på. Däremot fanns det en stor skillnad på vilka exempel som var mest frekventa i fysik eller kemigruppen. Totalt är de mest frekventa exemplen på energiformer i elevsvaren potentiell, kinetisk, värme, ljus och kemisk energi. De energiformer som typiskt var nämnda i elevgruppen på fysiklektion var kinetisk och potentiell energi som t.ex. i följande citat ur elevsvaren.
när energi går från lägesenergi till rörelseenergi
omvandlas till olika former som potentiell och rörelseenergi
Hela 10 (över 80%) av eleverna på fysiklektionen nämnde dessa energiformer i sina elevsvar. Noteras bör också att ingen elev nämnde endast den ena av dessa energiformer, nämndes den ena nämndes också den andra.
Endast en elev i gruppen som fick frågan under kemilektionen gav potentiell och kinetisk energi som exempel. Istället gav de i första hand exemplet termisk energi, vilket de kallade för värme.
kan avges i form av värme eller ljus utan energi ingen värme
Hela 10 stycken av eleverna i kemigruppen gav värme som exempel på en energiform. Två andra energiformer som nämndes frekvent i elevsvaren ur denna grupp var strålningsenergi som dom kallade ljus och kemisk energi. Här följer ett citat ur ett elevsvar från denna grupp.
Kan avges som värme eller ljus
På liknande sätt som exemplen på energiformer givna av fysikgruppen korrelerar med uppgifter som är vanliga under gymnasiefysiken, korrelerar exemplen från kemigruppen med uppgifter vanliga under gymnasiekemin. Med nedanstående figur presenteras en schematisk bild av hur elever reflekterar över energibegreppet i de olika ämnena.
Figur 4. Skiss över fysik och kemigruppernas mest frekventa reflektioner.
Figuren visar hur energins oförstörbarhet samt förmåga att byta energiformer, spelar en central roll i elevreflektionerna från båda grupperna. Men det fanns även en del andra intressanta reflektioner, om än av lägre frekvens. T.ex. energins ekvivalens med massa har nämnts av en elev från kemigruppen
Energi är samma sak som massa
och tre stycken från fysikgruppen, t.ex.
Samtliga tre från fysikgruppen som nämner energins och massans ekvivalens har även med formeln, vilken inte eleven från kemigruppen hade. Två stycken från kemigruppen tar upp energins betydelse för liv.
Utan energi skulle vi varken ha värme, rörelse eller annat liv på jorden
energi är livsviktigt för allt levande
Sammanfattande för skillnaden mellan gruppernas reflektioner kring energi finns en ännu tydligare kontextberoende skillnad än vad gällde atomen. I majoriteten av kemigruppens elevsvar står det om energiformerna värme och ljus medans det i majoriteten av fysikgruppens svar diskuteras kinetisk och potentiell energi.
5.3
Laddning
Eleverna skrev ganska mycket om begreppet laddning. Det är svårt att ge ett entydigt mått på volymen av vad någon skriver. I detta fallet gjordes en beräkning av antal rader som eleverna skrev i genomsnitt. Per person skrev eleverna i de två testgrupperna 7.7 rader om laddning, 6.0 rader om atomen och 4.3 rader om energi.
Eftersom materialvolymen var ungefär, om än något större, för laddning som för atomen så försöktes först en kvantifiering av elevreflektioner liknande den för atomen (se tabell 2). Detta visade sig snart inte vara lämpligt. Medan det bland elevernas reflektioner kring atomen gick att hitta 27, ganska oberoende, olika reflektioner så var motsvarande antal betydligt färre i materialet kring laddning. Då den totala volymen trots allt var större kring laddning måste detta betyda att elevsvaren kring laddning var relativt lika varandra.
Elevsvaren i dessa grupper ger alltså en relativt mer konvergent bild av begreppet laddning och mer divergent bild av begreppet atom. Dessutom lyckades det inte att finna lämpligt sätt att ”klippa ut” bitar av elevreflektionerna. Dessa eventuella bitar skulle bli allt för starkt sammanflätade med andra delar. För att konkretisera följer här ett exempel ur en elevreflektion, från fysikgruppen, kring laddning.
3. laddning: kan vara plus- och minusladdad. Olika laddningar dras till varandra medans lika repellerar. Uppstår vid över/underskott av elektroner. Olika laddningar vid kontakt, under förutsättning att de neutraliseras är lika stora
Vid försök att kvantifiera detta elevsvar finns tydliga osäkerheter. Det är till exempel oklart huruvida eleven reflekterar till exempel om joner. Joner som ord inte givet och inte heller är någon direkt beskrivning av atomer med underskott eller överskott av elektroner givet. Däremot nämner eleven att laddning uppstår som en konsekvens av ett över eller underskott på elektroner. Även om det intuitivt känns som han/hon nog tänkt sig detta över eller underskott i relation till atomer är det inte helt säkert. Till vilka elevreflektioner detta svar kan räknas är inte klart och en kvantifiering kan inte utföras på tillräckligt förlitligt sätt.
Det bestämdes att en kvantifiering som gjordes kring atom inte skulle utföras för laddning. I stället togs ett antal aspekter tas fram mot vilka elevsvaren skulle jämföras. Målet för dessa aspekter är att de i så stor utsträckning som möjligt ska utgör de mest fundamentala egenskaperna hos laddning enligt både fysik och kemikollegiet. Även om det inte går att hitta några med säkerhet korrekta uppfattningar kring ett begrepp så är det möjligt att definiera aspekter som får definiera människans perception av laddning enligt Lodico, Spaulding & Voegtle (2006) (se sect. 4.1).
Laddning är ett klart definierat begrepp, varför jag redan från början hade en ide om vilka de aspekter, kring vilka elevsvaren skulle jämföras skulle vara. Dock, för att ytterligare försäkra mig om att dessa aspekter kan ses som fundamentala för laddning utfördes ett litet snabbt extra test. På samma skola som studien utförts på togs en diskussion upp med fyra av skolans lärare. Två av lärarna undervisade i fysik och två i kemi.
Lärarna fick vid olika tillfällen, under ganska informella omständigheter, frågan om vilka aspekter av laddning dom tyckte var de mest fundamentala. Deras svar överensstämde både med varandras samt med de antaganden jag gjort tidigare. Slutligen bestämdes tre olika aspekter kring laddning till att utgöra mall för analys av elevsvaren. Därigenom kom analysen av laddning att till viss del likna en rättning. De tre ”fundamentala” aspekterna kring laddning är:
Två poler: Eleven nämner något om att laddning finns i två motsatta former.
Normalt kallas dessa former för plus och minus
Elementarladdning: Eleven nämner att elektroner och protoner har motsatt
laddning eller att det finns en minsta laddning ”e” och partiklar som har denna laddning. Alternativt nämner eleverna att laddade joner bildas då neutrala atomer tar upp en extra eller tappar en elektron.
Elektrisk kraft: Eleven tar på något sätt upp kraftväxelverkan mellan
partiklar/objekt av olika laddningar.
Samtliga av de 24 eleverna som var med i studien beskrev på något sätt att atomerna har två poler.
Laddning finns som plus och som minus
Oftast var detta något som eleverna beskrev med första meningen i sina elevsvar om atomen. Uppenbarligen är de två motsatta polerna det mest fundamentala hos laddning som begrepp, enligt både elever och lärare, inom både fysik och kemi.
Efter aspekten om två poler var det kring elementarladdning som mest diskussion förekom. Oftast var det i form av elektroner och protoner som en indirekt diskussion kring elementarladdningen gick att härleda. Elva elever i kemigruppen och nio i fysikgruppen skrev något om protoner och elektroner eller beskrev på annat sätt elementarladdningen.
elektronerna har laddning –e och protonerna har lika stor, fast positiv laddning
Skillnaden i frekvens (f) mellan kemi och fysikgruppen är så liten (σ ≈ 90.5 = 3;
∆f=2) att slutsatser inte bör dras baserat på denna skillnad. Dock kan laddningens
koppling till partiklar med en viss enhetsladdning (e = 0.16 aC) anses vara en av de aspekter vi som individer starkast kopplar till begreppet laddning, inom både kemi och fysik, dvs i detta fall helt kontextoberoende.
Vad gäller elevernas formuleringar av elektrisk kraft fanns det en apparent skillnad. Tio av eleverna i fysikgruppen tog upp en eller flera aspekter av elektrisk kraftväxelverkan mellan olika eller lika laddade partiklar eller objekt. Samtidigt var det endast fyra av eleverna i kemigruppen som nämnde något om krafter i anslutning till laddning. Denna skillnad mellan elevgrupperna var något som de två kemilärarna som tidigare fått formulera vad de tyckte definierade laddning blev aningen överraskade av. Den elektriska kraften ligger bakom så gott som alla processer inom kemin. Den är helt avgörande för hur olika atomer binder till molekyler, vilket för många är själva kärnan i kemi. På grund av detta är elektrisk kraftväxelverkan minst lika central i undervisningen i kemi som i fysik.
Innan vidare funderingar av denna skillnad gjordes därför ytterligare analys. Den senaste månadens fysik och kemiundervisning för de två grupperna beaktades. I kemi har de två grupperna samma lärare, vilken bedriver sin undervisning parallellt, dvs klasserna från vilka de två grupperna är hämtade har studerat samma begrepp vid ungefär samma tid. Senaste månaden har de studerat organsik kemi. Däremot har de två klasserna olika lärare i fysik. Eleverna i dessa klasser har fått styra ganska mycket själva över vilken ordning som de olika begreppen ska tas upp och även en del om hur mycket tid som ska läggas på de olika begreppen. Detta har lett till att de olika klasserna vid tillfället för testet, som i tid räknat ligger halvvägs in i kursen, har gått igenom olika delar av Fy B kursen.
Fysikgruppen hade under den senaste månaden innan testet studerat elektriska och magnetiska fält medan kemigruppen hade studerat mekanik. Det är alltså rimligt att anta att elektriska krafter var mer aktuella för fysikgruppen. Den statistiska skillnaden mellan elevgrupperna med hänsyn till frekvensen av reflektioner kring kraftväxelverkan kan alltså lika gärna vara ett mått på hur nära i tid ett begrepp diskuterats som ett mått på kontextberoende. Därför måste en stor försiktighet tas till statistiken tio till fyra.
Relativt både atomen och energi är en eventuell kontextberoende skillnad mellan gruppernas reflektioner kring laddning mycket liten. Istället var laddning vara ett fenomen som beskrevs mycket likartat i båda grupperna
