Malmö högskola
Lärarutbildningen
Natur, miljö, samhälle
Examensarbete
10 poängKonstruktion av analysverktyg för studie
av Nature of Science i fysikläroböcker
En studie av fem gymnasieläroböcker
Construction of a tool to study Nature of Science in physics
textbooks – A study of five secondary school textbooks
Märta Cassel-Engquist
Lärarprogrammet 60 poäng Fysik
Höstterminen 2006
Examinator: Per Jönsson Handledare: Leif Karlsson
Sammanfattning
I examensarbetet har läroboksserier inom fysik för gymnasienivån studerats med avseende på Nature of Science. Begreppet Nature of Science, NOS, handlar om naturvetenskapens epistemologi och de sammanhang som påverkar skapandet av ny kunskap inom naturvetenskap. Aspekter från andra vetenskapsområden som, historia, filosofi, ekonomi, och sociologi lyfts fram som viktiga i kunskapsutvecklingen av naturvetenskap. Som grund för studien har ett avgränsat avsnitt, som i examensarbetet benämnts vad är ljus, undersökts. Inom detta område har det studerats om och hur NOS används i läroböckerna. Ett analysinstrument skapades för att kunna jämföra och analysera böckerna likvärdigt. Studien visar att de fem undersökta läroboksserierna innehåller NOS-faktorer, såsom historiska aspekter, och att experiment är beskrivna. Resultatet från analysverktyget indikerar att NOS faktorerna oftast inte används som det drivande för utveckling av förståelsen. Utvärderingen av analysverktyget gav att verktyget behöver utvecklas för att ge en mer likvärdig bedömning av texterna.
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 7
2 Teori... 9
2.1 Nature of science ... 9
2.2 Läroböcker ... 11
2.3 Fysikavsnitt – Vad är ljus ... 13
2.3.1 Historia ... 13 3 Forskningsfrågor ... 15 3.1 Avgränsning... 15 3.2 Mål/Syfte ... 15 3.3 Frågeställning... 15 4 Metod ... 17 4.1 Ramar... 17
4.2 Metod för framtagandet av ett analysverktyg... 18
4.2.1 Definiering av mål, syfte och egenskaper för analysverktyget ... 19
4.2.2 Karaktärisering av fysikavsnitt för tillverkning av analysverktyget... 20
4.2.3 Begreppsdefiniering för tillverkning av analysverktyget ... 20
4.2.4 Skapande av frågor för analysverktyget ... 20
4.2.5 Kvalitetsuppdelning i analysverktyget ... 21 4.3 Urval ... 21 4.4 Metod för undersökningen ... 22 4.5 Metod för analys ... 22 5 Analysverktyg ... 24 5.1 Bakgrund... 24 5.1.1 Mål/Syfte ... 24 5.1.2 Egenskaper/krav ... 24 5.1.3 Problem ... 24
5.1.4 Definiering av begrepp ... 25 5.2 Verktyg ... 26 5.2.1 Begrepp ... 26 5.2.2 Metod ... 27 5.2.3 Sammanhang... 29 6 Resultat ... 30 6.1 Resultatmatris ... 30 6.2 Enskilda läroböcker ... 32 6.2.1 neXus ... 32 6.2.2 Quanta ... 37 6.2.3 Upptäck Fysik ... 41 6.2.4 Heureka!... 45 6.2.5 Ergo fysik ... 52
7 Analys och diskussion... 58
7.1 Analysverktyg ... 58 7.1.1 Problem ... 58 7.1.2 Uppfyllelse av mål/syfte/krav... 60 7.2 Undersökning ... 63 8 Slutsats ... 67 8.1 Analysverktyg ... 67 8.2 Läroböcker ... 67 Källförteckning... 68 Bilaga 1 ... 72
1 Inledning
Fysik är en vetenskap som försöker att beskriva verkligheten. Fysikområdet genomgår en utveckling som kan beskrivas som en lång dynamisk process där ny kunskap skapas kontinuerligt. Forskare försöker hela tiden komma närmare sanningen genom att kartlägga naturvetenskapliga samband. Nya teser skapas och testas utifrån vår tids krav. Resultaten av forskning inom fysik beror på många kringliggande faktorer såsom ekonomi, vänskap, kreativitet, tekniska uppfinningar, kultur, experiment, personlighet, paradigm och historiska händelser. Är detta den bild som våra läroböcker ger till de fysikstuderande?
Nature of Science, NOS, eller min svenska översättning naturvetenskapens natur, är ett
samlingsbegrepp som innefattar de ovan nämnda faktorerna för kunskapsbildning inom naturvetenskap. I NOS ses inte naturvetenskapen som en fast statisk kropp av kunskap, utan en vetenskaplig metod och olika sammanhang måste beaktas för att förstå naturvetenskapen. Bland annat måste naturvetenskapen sättas in i historiska, sociala och ekonomiska kontexter.
Sedan ett par årtionden har utbildare inom naturvetenskap börjat intressera sig för och poängterat de sammanhang som naturvetenskapen växer fram i, det som även NOS lyfter fram. Mitt intresse för NOS startade under min verksamhetsförlagda tid, vft, då jag undervisade ett NO-avsnitt. I diskussionerna med elever och kollegor väcktes mitt intresse för den vetenskapliga metod och de sammanhang som påverkar hur kunskap inom naturvetenskap utvecklas, och hur viktiga dessa faktorer är för att nå ut och skapa förståelse för naturvetenskap hos eleverna. I samtal med handledaren för examensarbetet växte mitt intresse ytterliggare för detta område och jag valde att fördjupa mig inom området NOS. Då jag redan på min vft-skola hade börjat reflektera över hur NOS förekommer i läroböcker kändes det som ett naturligt val av studieobjekt.
Rapporten omfattar åtta kapitel. Denna korta inledning, kapitel 1, följs av ett teorikapitel, kapitel 2, som innehåller: en kort beskrivning av området NOS, resultat från forskning kring användandet av NOS i undervisning och resultat från undersökningar om innehåll i och användningen av läroböcker. Det avslutande avsnittet tar upp ljusets natur i ett historiskt perspektiv. Kapitel 3 beskriver syftet, målet och avgränsningarna för studien. I kapitel 4 redogörs för metoden som användes i examensarbetet. En utförlig beskrivning av metoden för att tillverka ett
analysinstrument redovisas och likaså metod för urvalet, undersökningen och analysen. Kapitel 5 beskriver det tillverkade analysinstrumentet och vilka problem som identifierades i skapandet av det. Resultaten för de olika undersökta läroböckerna presenteras i kapitel 6. Analys och diskussion av resultaten samt en utvärdering av analysinstrumentet ges i kapitel 7. Slutligen finns slutsatserna dragna från studien i kapitel 8.
2 Teori
Teorin är det som ämnet som man vill behandla grundar sig på (Ejvegård 2003). Den teori som krävdes för att genomföra denna studie är i huvudsak hämtad från två områden. Det ena området kallas för Nature of Science, NOS och i avsnitt 2.1 beskrivs innehållet i NOS, vad begreppet NOS är och de begrepp som används för att beskriva NOS. Slutligen ges även en del information om och resultat från forskningen kring användandet av NOS i undervisningen. Det andra området kan betecknas som lärobokens roll i undervisningen. I avsnitt 2.2 beskrivs lärobokens roll i undervisningen utifrån resultat från tidigare forskning. I avsnitt 2.3 redogörs för hur ljusets natur har uppfattats genom historien, detta för att ge en bakgrund till valet av just ljusavsnittet som lämpligt fysikområde att undersöka med avseende på NOS.
2.1 Nature of science
Modern naturvetenskap bygger till stor del på en samling satser som uppkommer från en positivistisk vetenskapsteori, positivismen. Denna växte fram i Wien på 20-talet och bygger på att man rättfärdigar satser eller hypoteser genom observationer (Hartman 1998). Med vetenskaplig metod menas det sätt varpå man utifrån observationer skapar nya modeller som beskriver observationerna och ger möjlighet till att förutsäga resultat (Jennings 2006). Naturvetenskap är en vetenskap som strävar efter att finna sanningen och skapar medel för att beskriva denna. Beskrivningen av verkligheten är under ständig utveckling och justeras allt eftersom vi undersöker vår värld. Kunskapen kommer från att vi undersöker och testar de befintliga beskrivningarna.
Med vetenskapsteori menas vetenskap om vetenskapen, d.v.s. den för varje vetenskap specifika diskurs eller natur. Inom naturvetenskap består diskursen delvis av begrepp som beskriver den vetenskapliga metoden som används när man skapar ny kunskap. Enligt Hartman behöver man för att skapa kunskap vara medveten om hur kunskapen växer fram och vara insatt i den diskurs som används (Hartman 1998). För att till exempel förstå begreppet atommodell behöver man bland annat först vara insatt i vad begreppet modell betyder, alltså vara insatt i den rätta diskursen (Matthews 1998).
Matthews delar in kunskapen inom naturvetenskap i två delar, produkten och processen. Med produkten menar han det som naturvetare skapar, d.v.s. vetenskaplig fakta, lagar, teorier, modeller etc. Processen är det tekniska och intellektuella tillvägagångssätt som används när naturvetenskap skapas och testas, d.v.s. liknande det som tidigare kallats metod. Matthews anser att elevers förståelse för produkten och processen i naturvetenskap kan förbättras genom att de läser exempel där dessa begrepp och tillvägagångssätt används. Det kan till exempel vara ett väl genomfört experiment eller skapande av en insiktsfull hypotes (Matthews 1994).
Nature of Science, NOS, handlar om naturvetenskapens vetenskapsteori och epistemologi, d.v.s. läran om kunskapen och hur den skapas. Även begreppen HPS, History and Philosophy in Science eller PS, Philosophy of Science, används för att beskriva den sammankoppling till andra ämnesområden som är nödvändig för att förstå naturvetenskap. HPS och PS fokuserar på de historiska och filosofiska sammanhangen som påverkar kunskapsbildandet inom naturvetenskap. Vidare används begreppet scientific literacy, som syftar på förståelse för de principer, metoder, tankar och föreställningar som naturvetenskap grundar sig på. Scientific literacy har länge varit högt värderat av dem som utövar och undervisar i naturvetenskap (Abd-El-Khalick, Bell, Lederman 1998). Förutom det som HPS, PS och scientific literacy innefattar inkluderar NOS även områden som sociologi och psykologi. McComas beskriver NOS som ”rich description of what science is” (McComas 1998, s. 4). Utifrån ett NOS-tänkande är det om och i den vetenskapliga metoden och de omkringliggande faktorer som påverkar naturvetenskapen man ska undervisa, inte enbart slutresultatet. Som exempel kan nämnas att några viktiga faktorer i skapandet av naturvetenskapliga modeller är, förutom observationer, även kreativitet och personlig erfarenhet (Lederman 1998).
Språket som används för att tillämpa och undervisa i naturvetenskap bidrar till förståelsen för NOS enligt Mashhadi. Han menar även att metaforer och ett bildligt sätt att tänka, liknande den kreativitet som Lederman poängterade, är av stor vikt (Mashhadi 1997, Lederman 1998).
Förutom att ha kunskap om vetenskapliga teorier menar Matthews att studenter i naturvetenskap även ska ha en förståelse för hur man utvärderar vetenskapliga teorier och hur olika teorier tävlar om att beskriva ett fenomen (Matthews 1998). Eleverna måste även förstå skillnaden mellan observationer och slutsatser eller lagar och teorier anser Lederman (Lederman 1998).
Utifrån ett HPS-perspektiv har man identifierat vissa problem i naturvetenskapsundervisningen. Exempel på problemområden anges t.ex. av Carvalho och Carvalho som:
• faktafel
• försummelse av den vetenskapliga metoden
• försummelse av den kontext där kunskap skapas, såsom sociala, politiska, ekonomiska och kulturella faktorer
• pekar på att utvecklingen skett via ett par enstaka geniala vetenskapsmän
• avsaknad av de debatter som fördes historiskt
• för ensidig syn på dagens paradigm
• avsaknad av kopplingar mellan nutida och historiska resonemang
• den naturvetenskapliga kunskapen och synen beskrivs som den sanna
Anledningarna till dessa problem förklaras bland annat genom att de historiska aspekter som idag presenteras i undervisningen är de som har haft betydelse för dagens syn (Carvalho och Carvalho 2002).
En stor del av litteraturen i området NOS är internationell och rör lärarens roll i elevernas förståelse för NOS. Flera studier har syftat till att undersöka lärarnas roll, och visar att lärarnas egen syn och språk påverkar elevernas uppfattning (Hodson 1993). Studier av hur man kan ändra lärares arbetssätt, och syn på NOS har gjorts, t.ex. Tsai 2006.
2.2 Läroböcker
Läroböcker är textböcker skrivna för ett undervisningssyfte. Läroboksförfattarna har studerat styrdokumenten och den givna tidsramen och därefter konstruerat ett innehåll. Läroboksförfattarens uppfattning och syn blir självklart en del av läroboken (Selander 1988).
Att läroboken är det dominerande läromedlet i undervisningen har länge varit ett faktum och det finns flertalet både nationella och internationella studier, t.ex. Johnsen 1993, som bekräftar det. I en studie där lärobokens användande i olika ämnen undersöktes, konstaterades att engelska och naturvetenskap var de ämnen vars lärare nyttjade läroboken mest (Englund 1999). Resultaten förklarades genom att de ämnena innehöll mest faktakunskap. Även Gallagher visar att
naturvetenskapslärare fokuserar på att undervisa faktakunskaper från läroböcker (Gallagher 1991). Ett tidigare examensarbete har visat att lärare upplever läroböcker i naturkunskap och biologi allt för fokuserade på faktakunskaper till förlust för förståelsen för de processer och tankesätt som existerar (Östrand 2005). Även en historisk variabel i läroböcker i naturvetenskap har identifierats i ett tidigare examensarbete. Förutom att textmassan har ökat har Bendelin lyckats visa på en ökning mot ett mer konstruktivistiskt tänkande, där en mer utredande och resonerande profil finns idag, jämfört med tidigare (Bendelin 2005).
Förutom att vara det dominerande läromedlet i undervisningen finns det även studier som pekar på att läroboken är den huvudsakliga källan och utgångspunkten när lärare planerar sina lektioner (Sánchez och Valcárcel 1999). Textböcker sätter en norm för ett visst ämne, vilket leder till att t.ex. samma frågor kan ställas i klassrum geografiskt långt ifrån varandra. Att läroböcker är så betydelsefulla gör dem viktiga med tanke på vilken syn som undervisas (White och Gunstone 1992).
Flera myths of science, där förklaringar till fenomen eller begrepp inte är fullständiga eller rent utav inte alls stämmer, förekommer i läroböcker. En anledning till detta anser McComas är att NOS får för lite utrymme i läroböcker och istället ges en felaktig bild till eleverna (McComas 1998). Ett exempel som han pekar på är att läroböcker beskriver hypoteser och teorier som mindre riktiga än lagar. Lagar och teorier är olika sorters kunskap, där lag är en generell förekommande princip. En teori skapas för att förklara lagarna, men ska därmed inte rangordnas som mindre sann kunskap på det sätt som görs i läroböcker. Samma problem tar Lederman upp (Lederman 1998). Ett annat exempel på myths of science är att lagar eller teorier beskrivs som absoluta sanningar (McComas 1998).
För att öka människors förståelse för naturvetenskap och deras engagemang i naturvetenskapliga frågor anser Koul att styrdokument och läroböcker behöver förändras. Koul har gjort en studie av styrdokument och läroböcker i Indien (Koul 1997). Han hävdar att om styrdokument fokuserade mer på sammanhang skulle läroböcker ändras. Genom att undersöka läroböcker, textböcker för studenterna samt lärarhandledningar, utifrån ett visst område, drog Koul slutsatser om hur läroböcker beskriver NOS samt vilka förbättringar som behövde göras. Bland annat noterades att svaren till de avslutande uppgifterna i ett kapitel, som visar hur man förstått kapitlet, enbart tar
upp ren faktakunskap eller memorering av ord (Koul 1997). I de svenska kursplanerna för Fysik A och Fysik B finns liten koppling till NOS, men bland annat beskrivs hur eleverna ska kunna beskriva vardagliga företeelser m.h.a. fysikaliska begrepp och modeller (Skolverket).
2.3 Fysikavsnitt – Vad är ljus
Ljus är någonting fundamentalt för människan och vi tar det för givet och använder det varje dag, genom vår syn och vår dygnsrytm etc. Människan har länge reflekterat över vad ljus egentligen är och vilka egenskaper det har. Under olika epoker har olika modeller fått representera vad ljus är och de har fått olika genomslagskraft. Modeller har övergivits, modifierats eller förtydligats genom nya teorier. Om ljus är partiklar eller vågor var länge det stora debattämnet och har sedan 1900 talets början beskrivits av en modell som innefattar en bild av ljus som vågor och partiklar, kvantmekaniken (Pedrotti och Pedrotti 1993).
Även i målen i kursplanerna för Fysik A och Fysik B återfinns området ljus specifikt. ha kunskap om elektriska och magnetiska fält, induktion, mekaniska och elektromagnetiska vågor och deras egenskaper
ha kännedom om fotonbegreppet
(Skolverket)
Den här historiska beskrivningen av tankarna om ljusets natur kan inte ses som någon absolut sanning. Som läsare bör man vara medveten om att flera olika källor kan ge olika information, som motsäger varandra. Fastän olika information förekommer kan man slå fast att ljusets natur har förbryllat många forskare och dess historia är intressant och innehåller många möjliga kopplingar till NOS. Nedan ges en beskrivning av hur olika modeller av ljus växt fram.
2.3.1 Historia
Redan 500 år före vår tideräkning började man göra teorier och modeller över vad ljus är. Många olika tankar och modeller har förekommit, men de som fått störst genomslagskraft och som undervisas i gymnasieskolans fysikkurser är vågmodellen och fotonmodellen. Även en tidig
partikelmodell, från 1600-1700 talet, beskrivs ibland. Fotonmodellen grundar sig på den moderna fysiken med kvantmekanik.
Under 1600-talet fanns två olika synsätt på vad ljus är. Newton lade 1675 fram idén att ljus är en ström av partiklar, i sin publikation Hypothesis of Light, och åter igen 1704 i Optics. Utifrån observationer av skuggor drog han slutsatsen att ljus var en ström av partiklar eftersom ljus kan skapa en skugga med skarpa kanter, vilket ljud- och vattenvågor inte kan då de böjs av. Eftersom Newton redan vid den här tiden ansågs vara en framstående vetenskapsman togs hans tankar på stort allvar, även om han inte hade några starka experimentella bevis. Ett fenomen som motsade Newtons modell var så kallade Newtonringar, som är ett slags interferensmönster. Newton försökte förklara dessa med att materialet och ljuset växelverkade med krafter, men kunde inte göra några kvantitativa förutsägelser av experiment (Pedrotti och Pedrotti 1993). Huygens som levde under samma tid som Newton ansåg att ljus var vågor. I början av 1800-talet lyckades Young visa att ljus gav diffraktionsmönster precis som ljud och andra vågor (Ekspong 1999). Man ansåg då att vågmodellen hade bevisats riktig och det var först i början av 1900-talet som den mötte motstånd. Fram tills dess hade man experimentellt lyckats visa att ljus påverkades av magnetism, den så kallade Faraday rotationen. År 1847 föreslog Faraday att ljus därför var en elektromagnetisk våg. Snart därpå kunde Maxwell via sina numera välkända ekvationer ge en matematisk beskrivning av elektromagnetiska vågor och därmed ansågs det att vågmodellen fått mer stöd (Ronchi 1970).
I slutet av 1800-talet började forskarna observera fenomen som inte kunde förklaras med vågmodellen; till exempel ljushastighetens konstans som senare ledde till Einsteins relativitetsteori och fotoelektriska effekten som bidrog till kvantteorin.
Som alltid när observationerna inte stämmer överens med modellen måste modellen omvärderas. För att förklara den fotoelektriska effekten antog Einstein att ljus bestod av en sorts partiklar, eller energikvanta. Tillsammans med resultat från andra observationer till exempel svartkroppstrålning, formulerades en ny sorts partikelmodell, som dessutom fortfarande gav möjlighet för ljus att ses som vågor. Ljuspartiklarna kallades nu fotoner och hade dels partikelegenskaper, såsom rörelsemängd, men även vågegenskaper, såsom frekvens (Ronchi 1970).
3 Forskningsfrågor
I detta kapitel presenteras och motiveras utifrån teorin valet av undersökningsområde och de avgränsningar som gjorts. Studiens mål och syfte beskrivs och vilken frågeställning som ska besvaras.
3.1 Avgränsning
Lärarens roll i undervisning med NOS är självklar, och har som beskrivits i teorin studerats i tidigare undersökningar. Flera studier har syftat till att utveckla lärarens synsätt på ämnet och därmed sättet att undervisa. Detta examensarbete inriktar sig på lärobokens roll för att undervisa NOS-tänkandet. I arbetet fokuseras särskilt på innehållet i läroböcker. Motiveringen till detta är att läroboken är, som beskrivet i teorin, det dominerande läromedlet i naturvetenskapsutbildning. Det är även den huvudsakliga källan i planeringen av lektionerna. Det som är intressant att undersöka är vilken bild läroböcker ger av naturvetenskap. Fokus ligger på hur ett visst fysikavsnitt kopplas till diskussion och kunskap om de vetenskapliga principerna, förhållningssätten och omkringliggande faktorer. I examensarbetet ses läroboken som resurs, stöd och grund för undervisningen.
3.2 Mål/Syfte
Målet för studien är att undersöka om och hur läroböcker i fysik för gymnasieskolan representerar NOS. Syftet är att kunna ge ett underlag för en diskussion för hur läroböcker använder NOS.
3.3 Frågeställning
För att nå upp till målet formulerades en övergripande frågeställning. Denna delades sedan upp i olika delfrågor som tillsammans skulle svara på den övergripande frågeställningen. Delfrågorna skapades genom att studera tidigare forskning i området och gymnasieläroböcker i fysik. Personliga erfarenheter och synsätt påverkade hur frågorna formulerades.
Frågeställning
Finns NOS representerat i fysikläroböcker för gymnasieskolan?
Delfrågor
• Nämner läroböcker begrepp som representerar ett vetenskapligt förhållningssätt till kunskapsbildande? I vilken utsträckning samt hur används dessa begrepp?
• Finns den vetenskapliga metoden representerad i läroböcker?
• Förmedlar läroböcker betydelsen av det vetenskapliga förhållningssättet?
• Vilka NOS-relaterade sammanhang finns representerade i läroböckerna?
4 Metod
Metoden är det vetenskapliga sätt som man arbetar med ämnet (Ejvegård 2003). I detta fall bestod metoden av att först göra en grundlig litteraturstudie och sätta ramar kring studien. För att kunna jämföra läroböckernas NOS användande så likvärdigt som möjligt skapades ett analysverktyg, för att ge ett mått på om och hur NOS används i läroböckerna. I avsnitt 4.2 beskrivs hur detta analysverktyg togs fram och i kapitel 5 beskrivs det skapade analysverktyget. Innan undersökningen med analysverktyget genomfördes gjordes ett urval där undersökningsobjekten definierades. För att använda analysverktyget likvärdigt på undersökningsobjekten drogs riktlinjer upp för hur undersökningen skulle genomföras. Därefter genomfördes undersökningen med analysverktyget på fem läroboksserier. Efter det att undersökningen hade genomförts gjordes en analys av resultaten från användandet av analysverktyget samt en utvärdering av verktyget. Från resultaten och utvärderingen drogs slutligen slutsatser.
4.1 Ramar
För att undersöka hur NOS ställning är i läroböcker valdes ett specifikt fysikområde och en läsekrets ut. Detta för att inom den givna tidsramen möjliggöra en djupgående undersökning. Undersökningen kan ses som en fallstudie, där det valda fysikavsnittet får representera fysikområdet som helhet. Dock kan inte generella slutsatser om fysikområdet dras.
Fysikavsnittet, som undersöktes i studien har jag valt att benämna: vad är ljus, och syftar på det eller de avsnitt där läroboken beskriver ljusets karaktär och dess natur. Studieobjektet är läroböcker ämnade för gymnasiekurserna i Sverige. Läroböcker definierades som de textböcker som i huvuddel används i kurserna Fysik A och Fysik B. Extramaterial, som lärarhandledning, fördjupningsböcker, tidskrifter m.m. ingår inte i undersökningen.
Anledningen till valet av fysikavsnittet är som beskrivet i teorikapitlet, se sida 13 och 14, att utvecklingen av modeller och teorier om ljus har varit och är intressant och mångsidigt. Under utvecklingen har flera olika personer, modeller, paradigm och historiska händelser varit av stor vikt vilket ger stort utrymme för NOS-relaterade diskussioner.
4.2 Metod för framtagandet av ett analysverktyg
För att på ett likvärdigt sätt kunna analysera hur olika läroböcker använder NOS skapades ett analysverktyg. I detta avsnitt, 4.2, beskrivs metoden för hur analysinstrumentet skapades och i nästa kapitel, se sida 24, finns det tillverkade analysverktyget beskrivet.
Syftet med att skapa ett analysinstrument är att ge en norm för de faktorer som undersöks i läroböckerna. Analysverktyget avser att sätta ett mått på fysikläroböckers koppling till och beskrivning av NOS. Att skapa ett analysverktyg som sätter ett mått på fysikläroböckers koppling till och beskrivning av NOS är kontroversiellt, eftersom det är svårt att definiera om och i vilken mån läroböckerna gjort det. Går det verkligen att sätta ett mått på om texten i läroböcker är vetenskaplig och om man behandlat NOS eller inte? Svaret till detta är nej, men att ett försök kan ändå göra det möjligt att jämföra olika läroböcker. Dessutom ger det möjlighet att peka på brister och tillgångar.
För att skapa ett analysinstrument studerades först litteratur och forskning om NOS, läroböcker och det valda fysikavsnittet ljus. Viktiga faktorer för en undervisning med NOS utifrån den undersökta litteraturen identifierades till;
• Begrepp: Elever behöver kunskap om begrepp som representerar naturvetenskapen. T.ex behöver man först förstå begreppet modell innan man kan lära sig vad atommodellen är.
• Vetenskaplig metod: Elever behöver undervisning i och om naturvetenskaplig metod. T.ex. hur experiment och processer hänger samman med ny kunskapsbildning inom naturvetenskap.
• Sammanhang: Eleverna behöver ha en förståelse för i vilka sammanhang som naturvetenskapen utvecklas.
Förutom att fördjupa sig i forskning och litteratur om NOS och läromedel studerades även hur forskare tidigare gått till väga för att mäta liknande kvaliteter i läromedel. Främst var det två tidigare studier som studerades. I den första studien ville man kartlägga hur HPS används för att beskriva atomen i läroböcker för 14- 16 åringar (Justi 2000). En tydlig metod som användes i studien som även jag valde att använda i min studie, var karaktärisering av det fysikavsnitt som man ville undersöka. För att undersöka läroböckerna kartlagde och definierade Justi de olika
modellerna av atomen innan läroböckerna undersöktes. En liknande karaktärisering av fysikavsnittet och de viktigaste modellerna gjorde jag inom det fysikavsnittet som undersöktes. Detta för att göra det enklare att identifiera vilka modeller som läroboken använder för att beskriva fysikavsnittet. Ett problem som identifierades i Justis studie var när läroböckerna redogjorde för blandningar mellan modellerna, så kallade hybridmodeller. För att klart kunna skilja vilken modell som läroboken beskriver valde jag att tydligt definiera de olika modellerna.
I den andra studien där styrdokument och läroböckers användande av ’history of science’ undersöktes, tillverkades ett analysinstrument (HsingChi 1999). Detta skapades genom att man tillverkade HOS-enheter i tre olika kategorier; föreställningsförståelse, procedurförståelse och kontextuell förståelse. Tre nivåer var definierade för att visa hur mycket HOS användes. De tre kategorierna liknar de tre punkterna som listats ovan som identifierades som viktiga för en undervisning om och i NOS när litteratur och forskning om NOS och läromedel studerades.
Utifrån den studerade litteraturen om NOS, läromedel samt tidigare studier som studerat liknande egenskaper hos läromedel så definierades tre egenskaper som analysinstrumentet skulle inneha:
• Karaktärisering av fysikavsnittet
• Indelning av studerade frågor i tre kategorier; begrepp, metod och sammanhang
• Inom varje kategori tillhandahålla tre fördefinierade svar som visar en kvalitetsförbättring
Skapandet av analysverktyget utfördes i flera steg, som beskrivs i avsnitt 4.2.1 – 4.2.6. Först sattes mål upp för vad analysinstrumentet skulle kunna göra. Därefter karaktäriserades fysikavsnittet. Begrepp som var viktiga för undersökningen definierades. Sist bestämdes det som är själva kärnan i verktyget, frågorna med tillhörande möjliga svar.
4.2.1 Definiering av mål, syfte och egenskaper för analysverktyget
Efter att ha studerat grunddragen i NOS och forskning kring läromedel, studerades olika läroböcker samt kursplanerna i fysik. Syftet för analysinstrumentet definierades och krav och egenskaper som analysinstrumentet måste besitta för att uppnå målet och syftet identifierades. Detta gjordes genom att studera frågeställningen som examensarbetet grundar sig på. Målet, syftet och egenskaperna för analysverktyget finns beskrivna i avsnitten 5.1.1 och 5.1.2.
Genom att studera förhållandet mellan den bild analysverktyget skapar och det frågeställningen efterfrågar kunde problem med skapandet av verktyget identifieras. Dessa finns beskrivna i avsnitt 5.1.3.
4.2.2 Karaktärisering av fysikavsnitt för tillverkning av analysverktyget
För att skapa ett analysinstrument karaktäriserades de modeller, teorier och historiska aspekter som finns inom avsnittet vad är ljus. En enhetlig utgångspunkt underlättar jämförelsen mellan olika läromedel. I tidigare studier, t.ex. om hur läroböcker beskriver modeller av atomen, har detta tillvägagångssätt använts (Justi 2000).
Karaktäriseringen skedde genom litteraturstudier, se sida 13 och framåt, samt genom att definiera de begrepp som används för att beskriva fysikavsnittet, såsom fotonmodellen.
4.2.3 Begreppsdefiniering för tillverkning av analysverktyget
Då begrepp används och definieras olika i källor kan en enhetlig begreppsdefinition underlätta vid undersökningen av fysikavsnittet i läroböckerna. Till exempel är det nödvändigt att veta vad som menas med en modell för att kunna identifiera om läroboksförfattaren använder en modell eller inte. De begrepp som är av intresse att definiera är sådana som förekommer för att beskriva NOS, men även sådana som är specifika för fysikavsnittet. Den resulterande begreppsdefinitionen ska inte ses som en fysikalisk sanning utan som en norm för jämförelsen.
4.2.4 Skapande av frågor för analysverktyget
För att tydliggöra inom vilka förståelseområden som NOS finns representerat användes en liknande uppdelning som HsingChi använde. Frågorna som utgjorde analysverktyget i HsingChis studie var uppdelade i tre olika kategorier; föreställningsförståelse, procedurförståelse och kontextuell förståelse. HsingChi har ingen fördjupning av motiveringen till uppdelningen. Eftersom de tre förståelseområdena överensstämmer väl med de i teorin beskrivna viktiga faktorerna för NOS, se sida 9 och framåt, utgjorde de även grunden för det i detta examensarbete tillverkade analysinstrumentet.
Inom varje kategori skapades ett antal frågor som tillsammans ska ge svar på den övergripande frågeställningen. En del frågor är generella och endast knutna till att undersöka NOS i läroboken, medan andra är mer specifika inom det valda fysikavsnittet. Anledningen till det valet är att det förekommer variationer i hur läroböcker diskuterar olika begrepp. Ett exempel är när begrepp, som ger en förståelse för NOS, definieras och beskrivs i ett avsnitt som inte behandlar ljus. Detta uppmärksammades vid den inledande läsningen av läroböcker, beskriven i 4.2.1.
Analysverktygets frågor ska besvara två olika generella frågor; om och hur. Frågan om, syftar till förekomst och frågan hur syftar till användandet. Denna indelning är nödvändig då frågeställningen är: Hur stort utrymme får NOS i läromedel? Frågeställningen har precis som delfrågorna visar på sidan 15, en del som är om NOS förekommer eller inte, men även en del hur det förekommer.
Frågorna ska inte enbart testa en del, t.ex. övningarna eller inledningarna, utan ge en hel bild av området. Frågorna ska testa alla förekommande delar av läroboken såsom bilder, text och uppgifter m.m.
4.2.5 Kvalitetsuppdelning i analysverktyget
Svaren till varje fråga delas in i olika svar som är fördefinierade. Till en fråga finns en uppdelning i tre olika steg definierad och de ämnar spegla en kvalitetsförbättring. Med kvalitetsförbättring menas att NOS får större utrymme och att NOS-faktorer används för att skapa förståelse för fysikavsnittet, men även för vikten av NOS som sådant.
Anledningen till valet att definiera svaret i tre olika delar är att få in ytterliggare ett kvalitativt inslag i undersökningen. Eftersom teorin säger att många lärare upplever läroböcker allt för fokuserade på faktakunskap, se sida 11, känns det relevant att få in kvalitativa referenspunkter.
4.3 Urval
Urvalet av läroböcker skedde utifrån de redan angivna ramarna såsom att läsekretsen är gymnasieskolan och att det är läroböcker i fysik. Ett annat kriterium som skulle tillgodoses var att
flera förlag skulle vara representerade samt att i den mån det var möjligt skulle de nyaste upplagorna användas. Vissa förlag har flera böcker för Fysik A och B för gymnasieskolan, men att endast ha ett urval från ett förlag kan införa variabler som i denna studie inte vill undersökas, såsom förlagets policy eller tradition. Att i största möjliga mån ha de senaste utgåvorna motiveras med att det är dagens syn i läroböcker som ska undersökas. En variabel som historia ska undvikas, eftersom en sådan har påvisats, se sida 12. I bilaga 1 visas urvalet av läroboksserier som gjordes.
4.4 Metod för undersökningen
För att på ett likvärdigt sätt analysera läroböckerna valdes ett tillvägagångssätt för hur undersökningen av en lärobok skulle gå till samt vad som skulle innefattas i undersökningen av den aktuella läroboksserien.
Att undersöka en lärobok innefattar båda kursböckerna, fysik A och fysik B. Undersökningen inleddes med att läsa eventuellt förord, därefter studerades innehållsförteckningen, för att identifiera vilka avsnitt som tar upp det valda fysikavsnittet samt NOS specifika avsnitt, t.ex. ett avsnitt om den naturvetenskapliga metoden. De utifrån innehållsförteckningen identifierade avsnitten undersöktes vidare.
Eftersom avsnitten som undersöktes, identifierades genom innehållförteckningen kan det hända att något avsnitt som innehåller NOS eller ljus inte blir analyserat. Även om detta är ett problem räcker inte tidsramen till för att läsa läroböckerna från pärm till pärm.
4.5 Metod för analys
Två olika områden analyserades, analysverktyget och resultaten från undersökningen. Eftersom analysverktyget skapades för studien var det naturligt att analysera det efter användandet, precis som en ny produkt utvärderas efter första användningstillfället. Analys av resultaten från läroboksundersökningen var självklar eftersom det skulle ge svar på examensarbetets frågeställning.
Analys av analysverktyget syftade till att utvärdera om instrumentet klarade att nå upp till de mål som det skapades för. Vilka brister har instrumentet, t.ex. finns det områden som inte utvärderas, är det tillräckligt djupgående, är det användarvänligt, fungerar det på flera olika böcker m.m. Förslag på förbättringar gavs också.
Analys av resultaten av undersökningen gjordes först generellt där en gemensam bild av alla undersökta böckernas NOS-användande skapades, främst genom mått från analysverktyget. Därefter lyftes vissa olikheter i NOS-användandet fram och diskuterades.
Analysen av resultaten finns beskrivna i kapitel 7.
5 Analysverktyg
Analysverktyget i sig är i någon mån ett resultat i examensarbetet och har därför fått ett eget kapitel. I detta kapitel beskrivs de resultat som nåddes i skapandet av instrumentet. Först ges en bakgrund, där mål och syftet med analysverktyget beskrivs samt vilka egenskaper analysverktyget måste uppfylla. Problem som identifierades redan från början redovisas. Därefter följer begreppsdefinitioner som behövdes i skapandet av analysverktyget. Slutligen beskrivs det tillverkade analysverktyget.
5.1 Bakgrund
5.1.1 Mål/SyfteMålet var att skapa ett analysinstrument som visar om och hur läroböcker för gymnasieskolan beskriver ljus ur ett NOS-perspektiv. Syftet med analysinstrumentet var att kunna jämföra olika läroböcker med varandra. Vidare att ge en bild av hur bra NOS ställning i läroböcker är.
5.1.2 Egenskaper/krav
De utifrån forskningsfrågorna definierade kraven och egenskaperna som analysverktyget måste besitta är:
• undersöka om begrepp relaterade till NOS förekommer i läroböckerna
• göra en skillnad mellan hur begreppen används
• undersöka om den vetenskapliga metoden finns representerad i läroböcker
• göra en bedömning av hur den vetenskapliga metoden används
• ge ett mått på hur läroboken visar på betydelsen av den vetenskapliga metoden
• identifiera vilka olika sammanhang som finns beskrivna
• göra en analys av skillnaderna mellan läroböckerna tydlig
5.1.3 Problem
Ett problem som identifierades vid skapandet av analysverktyget var frågan om någonting förekommit. När kan man säga att en bok använt ett visst begrepp eller sammanhang? Lösningen till detta problem blev att tydligt definiera innebörden av att något existerar, t.ex. så finns det en
fråga som enbart undersöker om boken nämner vissa begrepp, medan andra frågor kräver att en förklaring eller att en diskussion existerar.
En annan svårighet var att få en kvalitativ uppdelning. Eftersom frågan hur ska besvaras, krävdes en kvalitativ gradering. Att skapa den krävde noggrann specificering.
Ytterliggare ett problem identifierades kring att undersöka hur den vetenskapliga metoden finns representerad i läroboken. Den vetenskapliga metoden är ett brett begrepp och kan förekomma på så olika sätt, t.ex. ett beskrivet experiment eller en uppgift som kräver förståelse för den vetenskapliga metoden. Lösningen till det problemet blev att dela upp frågorna inom metodkategorin så att de undersökte olika delar, t.ex. experimentbeskrivning och uppgifter.
5.1.4 Definiering av begrepp
För att på ett enhetligt sätt göra en jämförelse mellan läroböcker definierades begrepp som används i undersökningen. Definitionen var inte tänkt att vara generell, utan skulle ses som en bas i undersökningen. De begrepp som definierades var NOS och begrepp som syftar till att beskriva vetenskapens natur; modell, teori och vetenskaplig metod. Även inom det valda fysikavsnittet gjordes en definiering av de modeller som vanligtvis förekommer i gymnasieskolans läroböcker i fysik; vågmodellen, partikelmodellen och fotonmodellen.
Nature of Science – NOS: De faktorer och sammanhang som medverkar i skapandet av ny kunskap inom naturvetenskap.
Modell: En representation av hur verkligheten ser ut. Teori: En generell förklaring som baseras på observationer.
Vetenskaplig metod: Den metod som används för att skapa ny kunskap. Inom naturvetenskapen är till exempel experiment, observationer och modellbildning viktiga i skapandet av ny kunskap. Vågmodell: Ljus har vågegenskaper, som ger diffraktion och interferens.
Partikelmodell: Ljus kan ses som en ström av partiklar.
5.2 Verktyg
För att skapa ett mätinstrument specificerades vissa normer som skulle representera om och hur läroboken använder NOS. Generella drag skulle undersökas, men även specifika för det valda fysikavsnittet. Som beskrivet i metodavsnittet för skapandet av analysverktyget valdes att dela in frågorna i tre kategorier: begrepp, metod, och sammanhang. Inom de olika kategorierna finns frågor, som dels är av karaktären om det förekommit eller inte, men även hur det används. En uppdelning i tre olika steg är definierad och de syftar till att spegla en kvalitetsförbättring med avseende på NOS. Förtydligande görs för varje kategori i kursiv text.
5.2.1 Begrepp
1. Hur tar läroboken upp begreppen som finns inom NOS?
Begrepp, som visar på vetenskaplig metod, såsom modell, teori och hypotes, på vilket sätt används de?
1. Använder begreppen.
Orden förekommer, men förklaras inte.
2. Ger en förklaring av vad som menas med något/några begrepp. Ex. En modell beskriver ett fysikaliskt fenomen.
En modell är en bild av verkligheten. 3. Diskuterar betydelsen av något/några begrepp.
2. Hur använder läroboken modeller och teorier för att förklara ljus? De tre ovan definierade modellerna är utgångspunkten.
1. En ensidig bild av ljus ges, där en modell beskrivs som sanning.
En viss modell är dominerande eller beskrivs som sanning, t.ex. ljus är vågor.
2. Olika modeller, t.ex. vågmodellen och partikelmodellen, eller tankar och experiment beskrivs, men används ej för att ge en förståelse av vad ljus är.
Bilden är inte ensidig utan flera modeller beskrivs men är inte grund till förståelsen. 3. Olika modeller, tankar och experiment används och är drivande för att skapa en förståelse av vad ljus är.
Ljus beskrivs genom skapandet av begreppen, t.ex. vågmodellen. Förståelsen för modellerna ges genom användandet av tankar, tidigare teorier och experiment.
5.2.2 Metod
1. Hur används experiment för att beskriva fysikavsnittet? Experiment, beskrivna i löptexten eller illustrerade i bilder.
1. Experiment nämns.
Redan genomförda experiment nämns, men används inte för att beskriva ljus utan ligger utanpå texten.
2. Experiment beskrivs, men används inte för att förklara.
Experimenten beskrivs så att man kan genomföra dem och följa processen, men utgör ej grunden för förståelsen av ljus.
3. Experiment utgör en grund för att förklara och diskutera kunskap om ljus.
Experiment beskrivs genomgående och sätts i ett sammanhang. Experimenten används för att skapa kunskap, inte om experimenten som sådana utan om ljus.
2. Använder läroboken en framställning av den vetenskapliga metoden för att förklara ljus?
Vetenskaplig metod är definierad enligt ovan. Främst är det löptexten som undersöks, inte uppgifter.
1. Fakta om ljus ges, och beskrivs inte genom att använda den vetenskapliga metoden.
Den vetenskapliga metoden finns inte representerad i beskrivningen av ljus. Hur modeller, teorier växer fram visas inte.
2. Den vetenskapliga metoden beskrivs men används inte för att förklara ljus.
Den ligger som en kappa kring texten, men används inte för djupare förståelse. Den vetenskapliga metoden finns beskriven när ljus förklaras, men den driver inte kunskapsbildandet eller används ej för att skapa förståelse för den.
3. Den vetenskapliga metoden används i läroboken för att eleverna ska skapa sig egen kunskap om ljus.
Ljus förklaras genom att eleverna ställs inför problem och frågeställningar som existerar och har existerat. Eleverna får tillgång till information på ett sätt som liknar den vetenskapliga metoden. De måste själva dra slutsatser och ställa frågor, och på så sätt ser de betydelsen av och får förståelse för den vetenskapliga metoden.
3. Är uppgifterna konstruerade så de visar på ett vetenskapligt sätt att tänka?
Inom fysikavsnittet ljus, representerar uppgifterna med metoden att lösa dem ett vetenskapligt förhållningssätt?
1. Det finns inga uppgifter som knyter an till förståelsen för den vetenskapliga metoden. Alla uppgifter är av att ’räkna ut ett tal’-karaktär och är inte utredande.
2. Det finns enklare uppgifter som kräver en vetenskaplig metod.
Uppgifterna är av undersökande karaktär och kräver någon förståelse och förfarandekunskap från vetenskaplig metod.
3. Det finns uppgifter som kräver en vetenskaplig metod och som visar på dess betydelse. Uppgifterna är konstruerade så att en vetenskaplig metod krävs för att lösa dem, och samtidigt tydligt visar på vikten av den. Kan även vara uppgifter där man ska föra en diskussion om den vetenskapliga metoden.
5.2.3 Sammanhang
1. Beskriver i vilka sammanhang, t.ex. historiska, sociala, kulturella eller ekonomiska, som kunskap om ljus växer fram?
1. Olika sammanhang nämns inte i någon större utsträckning.
Inga tydliga kopplingar till olika sammanhang finns, eller är väldigt få eller ensidiga. 2. Kopplingar till sammanhang finns, och fungerar som en kappa kring texten.
Sammanhang finns beskrivna, men diskuteras inte. De används inte för att skapa en förståelse för betydelsen av dem.
3. Sammanhang används för att förklara utvecklingen och skapa förståelse för dess betydelse. Sammanhang beskrivs ingående och används för att skapa en förståelse för hur och varför kunskap växer fram på ett visst sätt.
2. Vilka sammanhang nyttjas?
Omfattningen tas inte hänsyn till utan endast om det skett eller ej. Eftersom denna punkts uppdelning inte är baserad efter kvalitet, så finns det fyra grupper där olika sammanhang är tillgodosedda. Flera alternativ kan finnas presenterade. Området är utvecklingen i kunskap om ljus och vilka sammanhang som har påverkat och påverkar detta.
A. Historiska
Historiska personer, experiment, fenomen och upptäckter finns representerade. B. Sociala
Sociala aspekter, bekantskap, livssituation, religion och tradition finns representerade.
C. Ekonomiska.
Ekonomiska aspekter, vinstdrivning, företagspolicy, inflation och materiellt värde finns representerade.
D. Tekniska
Tekniska aspekter, teknisk utveckling, tekniska upptäckter och deras betydelse för utvecklingen av kunskap om ljus.
Frågor: Begrepp
1. Hur tar läroboken upp begreppen som finns inom NOS?
2. Hur använder läroboken modeller och teorier för att förklara ljus? Metod
1. Hur används experiment för att beskriva fysikavsnittet?
2. Använder läroboken en vetenskaplig metod för att förklara ljus?
3. Är uppgifterna konstruerade så de visar på ett vetenskapligt sätt att tänka?
Sammanhang
1. Beskriver i vilka sammanhang, t.ex. historiska, sociala, kulturella eller ekonomiska, som kunskap om ljus växer fram?
2. Vilka sammanhang nyttjas? Historiska, Sociala, Ekonomiska eller Tekniska.
6 Resultat
Först presenteras den resultatmatris som undersökningen med analysverktyget gav. Därefter beskrivs de olika undersökta läroböckerna närmare. I varje läroboksbeskrivning finns en betygsmotivering till de olika värdena som erhölls med analysverktyget. Detta för att underlätta förståelsen för bedömningen för läsaren.
6.1 Resultatmatris
Böckerna som undersöktes:
A – neXus B – Quanta C - Upptäck fysik D – Heureka! E – Ergo fysik
Tabell 1: Värdena från analysinstrumentet för läroböcker
Bok A B C D E Begrepp Fråga 1 3 1 1 2 1 Fråga 2 2 2 3 2 2 Metod Fråga 1 2 2 2 2 2 Fråga 2 2 2 2 2 2 Fråga 3 1 1 2 1 2 Sammanhang Fråga 1 2 2 2 2 2 Fråga 2 A, B, D A, D A A, B A, B
På tre frågor fick alla de undersökta böckerna samma värde, nämligen två. För andra frågor var variationerna större och för en fråga, begreppsfråga 1, finns alla kvalitetsgraderingar representerade. Den sista sammanhangsfrågan om vilka sammanhang som finns representerade visar att alla böckerna har med historiska sammanhang, A, och ingen har med ekonomiska sammanhang, C, i de undersökta avsnitten.
6.2 Enskilda läroböcker
Nedan beskrivs de från urvalet undersökta läroböckerna närmare. Först ges en del fakta om boken, förlag och år, därefter ges en översikt av det som valdes ut att undersökas för varje lärobok. Sist kommer en betygsmotivering. Denna ger en motivering till de satta värdena då analysverktyget användes.
6.2.1 neXus Förlag: Gleerups År: 2003
Ur innehållsförteckningen i läroböckerna för fysik A och fysik B valdes vissa kapitel ut: Fysik A. Kapitel: Vad är fysik?
Underrubrik: Vad är en fysikalisk modell? Förutsättningar för fysik Reflektera
Optik
Underrubrik: Vad är ljus? Färger Fysik B. Kapitel: Elektromagnetiska vågor
Underrubrik: Elektromagnetisk strålning Vågor och partiklar
Underrubrik. Ljuspartiklar
Redan i förordet i Fysik A-boken beskrivs fysik:
Människan har studerat sin omvärld i tusentals år. Det har lett fram till några få fysiklagar som används för att beskriva nästan allt som sker runt omkring oss. (s. 3)
Här används begreppet lag och en historisk aspekt nämns.
Fysik A
Kapitel ’Vad är fysik?’ syftar till att beskriva vad fysik är och i introduktionen till kapitlet beskrivs det så här:
för att kunna förstå och förutsäga det som sker runt omkring oss. (s. 6)
Hur en fysiker arbetar beskrivs genom att peka på modellbildandet och även modellers roll beskrivs.
Under avsnittet ’Vad är en fysikalisk modell’ definieras begreppet fysikalisk modell: Fysikaliska modeller ska vara formulerade så att man med
experiment har en möjlighet att visa om de är fel. (s. 7) Därefter följer en diskussion som förtydligar definitionen.
Under samma underrubrik finns ett avsnitt med rubriken ’Hur utvecklas fysikaliska modeller’ Här beskrivs hur en modell växer fram genom ett exempel.
Tänk dig att Åsa lägger fram en teori som säger ”Vatten fryser vid 0˚C ”. …
Hennes modell är formulerad så att den skulle kunna motbevisas med experiment. Andra forskare undersöker om Åsas teori verkar stämma. (s. 8)
Här pratar man om hur modellen är formulerad samtidigt som man pratar om Åsas teori. Som läsare är det svårt att förstå om det är samma sak eller olika saker. Ingen definition av teori har gjorts.
Samma avsnitt beskriver även att en modell kan förkastas.
Om en modell inte stämmer kan man komma på en ny (s. 8)
Underrubriken ’Förutsättningar för fysik’, är uppdelat i avsnitten: ’Dokumentation’ och ’Experiment’. I avsnittet ’Dokumentation’ beskrivs dokumentationens roll i fysik. Här tas tekniska upptäckter som betytt mycket för fysikens framväxt upp, såsom tryckpressen och datorn. Avsnittet ’Experiment’ handlar om experiment och det förklaras att på 1600-talet började man flytta experiment till laboratorier. Här finns både sammanhangen historiska aspekter och teknisk utveckling representerade.
I kapitlet ’Vad är fysik?’ finns det en uppgift med givet svar där man ska säga om tre olika påståenden är fysikaliska modeller, t.ex. Alla böcker har 200 sidor. Det finns också sju reflektionsuppgifter som inte har något angivet svar. Exempel på reflektionsuppgifter:
- Vad är skillnaden mellan experiment och observation
- sant eller falskt: Fysiker försöker motbevisa andras modeller. - sant eller falskt: Fysikens lagar är sanna för alltid.
Här ges läsaren möjlighet att ifrågasätta och fundera igenom begreppen.
I kapitlet ’Optik’ under underrubriken ’Vad är ljus’ beskrivs ljusets egenskaper, såsom ljusets hastighet och dess förmåga att skapa skuggor. Ljusets natur eller karaktär beskrivs inte. Först under underrubriken ’färger’ beskrivs ljusets natur och då dess vågnatur.
Ljus är en egendomlig företeelse med många egendomliga egenskaper. En av dessa är att ljus kan uppfattas som en vågrörelse. (s. 204)
Det framgår tydligt att det endast är ett sätt att se på ljus och att det inte är någon godtycklig bild. I det reflekterande avsnittet finns ingen uppgift som rör ljusets natur.
Fysik B
Kapitlet ’Elektromagnetiska vågor’ i fysik B-boken inleds med en historisk beskrivning av utvecklingen kring kunskapen om ljus. Här beskrivs hur Newton på 1700-talet ansåg att ljus var partiklar och Huygens att ljus var vågor. Det förklaras att på grund av att Newton var en ansedd vetenskapsman fick hans teori mest slagkraft fram till 100 år senare då Fresnel, trots att dåtidens vetenskapsmän hånade honom, experimentellt lyckades visa att ljus har vågegenskaper. Inledningen innehåller historiska och sociala sammanhang samt visar på experimentets betydelse. Dock är dessa faktorer inte avgörande för att förstå ljusets natur. Det man förstår är att olika vetenskapsmän tyckt olika.
Efter introduktionen till kapitlet ’Elektromagnetiska vågor’ ställs läsaren inför en fråga i underrubriken ’Elektromagnetisk strålning’:
Om ljus är en vågrörelse, vad är det då som oscillerar? (s. 163)
Hur man drog slutsatsen att ljus var en vågrörelse förklaras genom att den hastighet som Maxwells ekvationer resulterade i gav den elektromagnetiska vågens hastighet i vakuum.
Utbredningshastigheten kunde alltså beräknas till 3,00·108 m/s. Detta var för likt ljushastigheten för att kunna vara en slump och
Här ges ingen experimentell beskrivning eller något resonemang om hur man kom fram till slutsatsen, mer än att experiment och beräkningar överensstämde.
Senare i samma underrubrik finns ett avsnitt som heter ’Temperaturstrålning’ och här behandlas fenomenet svarta kroppar. Här beskrivs hur forskarna fick problem med vågmodellen av ljus.
När forskarna började arbeta med problemet att bestämma temperaturstrålningens färg antog de att ljus var en vågrörelse som kunde ha vilka energier som helst. Det visade sig då att man hela tiden fick helt orimliga modeller. År 1900 löste Max Planck
problemet genom att anta att ljus består av små energiknippen och att endast ett helt antal knippen är tillåtet. (s. 166)
Här ges problemet med vågmodellen innan den nya modellen beskrivs. Dock får läsaren aldrig riktigt möjlighet att reflektera över detta då lösningen presenteras direkt.
Det nästkommande kapitlet ’Vågor och partiklar’ beskriver i introduktionen kvantmekanikens begynnelse.
I början av 1900-talet skedde enorma omvälvningar inom fysiken. Den mystiska kvantmekaniken föddes. (s. 194)
Underrubriken ’Ljuspartiklar’ börjar med en koppling till ett historiskt experiment.
I slutet av 1800-talet arbetade Hertz med gnisturladdningar. Det var med hjälp av dessa gnisturladdningar som han lyckades visa att de elektromagnetiska vågor som Maxwells ekvationer beskriver verkligen existerar. När Hertz arbetade med sina försök upptäckte han
dock en liten detalj som skulle visa sig mycket intressant. Hertz såg att gnistorna blev kraftigare om elektroderna belystes med ultraviolett ljus. (s. 195)
Därefter ges en utförlig beskrivning av hur experimentet är utformat och exempel på resultat som man fick från observationerna. Fastän läsaren redan fått reda på att det är någon detalj som är förbryllande får läsaren möjlighet att själv fundera igenom experimentet och reflektera över vad det betyder. Som hjälp har läroboksförfattaren hjälpt till med en slutsats.
Om ljus vore en vågrörelse så borde elektronernas energi öka om ljusintensiteten ökade. (s. 195)
Därefter ges den modell som skapades av Einstein för att förklara fenomenet, fotonmodellen. Den förklarande modellen beskrivs inte som självklar utan istället påpekas att den är svår att förstå.
Det här är mycket märkligt. Tänk dig att man låter ljuset passera en dubbelspalt och att vi placerar ett litet metallstycke precis bakom spalten. Då kommer ljuset att bete sig som en
våg när det passerar dubbelspalten och som en partikel när den träffar metallytan. Ljus beter sig alltså både som en partikel och en våg samtidigt. (s. 196)
I uppgifterna finns en uppgift om vem som förklarade den fotoelektriska effekten och när det skedde (s. 199). Även om uppgiften i första anblick kan ses relatera till NOS, är det enbart ett namn och ett årtal som är svaret. Hur och vilka faktorer som fanns runt omkring för denna upptäck frågas inte efter.
Betygsmotivering
Av de begrepp som beskriver den vetenskapliga metoden finns främst en förklaring av modell med och detta framförallt i det första kapitlet i fysik A-boken. En definition på fysikalisk modell ges plus att läroboken därefter försöker skapa en förståelse för begreppet. Till exempel ges ett utförligt exempel på hur en modell växer fram. Det finns även uppgifter där man ska identifiera vad som är en modell. Därmed får begreppsfråga 1 värdet 3.
Redan från början ges ingen ensidig bild av ljusets natur. Det framgår tydligt att vågmodellen endast är en modell. Efter att ha sagt att ljus har vågegenskaper beskrivs vissa fenomen som styrker påståendet. Dessa används inte för förståelsen för skapandet av modellen. Däremot beskrivs fotonmodellen utifrån experiment. Läsaren får där först läsa om experiment som gjorde att vågmodellen ifrågasattes och därefter drar läroboksförfattaren slutsatser. Fastän fotonmodellen närmar sig värdet 3 på begreppsfrågan 2 får läroboksserien ändå bara 2, på grund av hur partikelmodellen och vågmodellen förklarades.
I beskrivningen av ljusets natur finns experiment beskrivna, ibland väldigt ytligt och ibland mer ingående. Experimenten sätts inte i ett sammanhang och är inte det bärande för förståelsen. Därmed får metodfråga 1 värdet 2.
Den vetenskapliga metoden finns med i beskrivningen av ljus, men av varierande kvalitet för de olika modellerna. Beskrivningen av den vetenskapliga metoden är aldrig på något sätt drivande eller grunden till förståelsen i de undersökta avsnitten. Istället finns den runt texten som en kappa och därför får metodfråga 2 värdet 2.
Uppgifterna är av ’räkna ut’-karaktär och därför får metodfråga 3 värdet 1.
Sammanhang, främst historiska aspekter finns beskrivna, men används inte ingående. De är inte beskrivna så att betydelsen av sammanhangen blir tydligt. Sammanhangsfråga 1 får därför värdet 2.
De sammanhang som finns nämnda i de undersökta områdena är historiska och om tekniska upptäckter. En social aspekt är att Newtons modell fick genomslagskraft på grund av att han var en framgångsrik forskare och en ansedd vetenskapsman, finns även representerad. Därför får sammanhangsfrågan svaren A, B och D.
6.2.2 Quanta
Förlag: Natur och kultur År: 2000, 1997
Ur innehållsförteckningen i läroböckerna för fysik A och fysik B valdes vissa kapitel ut: Fysik A. Kapitel: Optik
Underrubrik: Fysik och kosmos – avsnitt: Fysik är ett sätt att tänka Ljus, ögat och färger
Sammanfattning – avsnitt: miniprojekt och övningar Fysik B. Kapitel: Vågor
Underrubrik: Ljus
Sammanfattning, Miniprojekt, övningar Kvanta
Fysik A
Inget förord eller introduktion finns till böckerna, däremot finns en liten introduktion i början av varje kapitel. Varje kapitel avslutas med uppgifter och ett par miniprojekt.
I kapitlet ’Optik’ beskrivs fysik:
Fysik är den vetenskap som utforskar och söker förklara världen omkring oss. …
Fysiker har funnit att ljus och materia kan beskrivas i minsta odelbara enheter, kvanta. (s. 5) Att en modell som innefattar kvanta beskrivs så pass tidigt i boken är på grund av bokens titel.
I en röd ruta i kapitlet med överskrift ’Fysikens natur’, s. 7, beskrivs hur Galileo Galilei tillverkade och använde en kikare. Kopplingen till överskriften är inte tydlig. Vad det betyder att det står i en röd ruta finns inte beskrivet.
I avsnittet ’Fysik är ett sätt att tänka’ beskrivs flera faktorer som kopplar till NOS:
du [måste] också veta om hur vetenskapsmän arbetar och hur vetenskapen utvecklas. Fysik är inte bara faktakunskap, den är ett sätt att tänka på. (s. 9)
Här beskriver läroboksförfattaren precis det som denna studie syftar till att undersöka och anser viktigt, men bara genom att säga att det är viktigt innebär det inte att NOS finns representerat i läroboken.
I underrubriken ’Ljus, ögat och färger’ finns ett avsnitt som beskriver ljuset som en vågrörelse och utgår från fenomenet att ljus delar upp sig i ett prisma för att förklara detta.
Newton lyckades inte förklara ljusets dispersion på ett tillfredsställande sätt. Vid tolkningen av sina försök betraktade han ljus som en följd av partiklar.
I en annan modell beskrivs ljus som en vågrörelse. (s.31)
Newtons modell är den som definierats till partikelmodellen och nämns endast i ett par meningar. Ingen modell beskrivs som den enda. Experiment finns inte väl beskrivna, men är ändå till viss del nämnda.
Övningarna och miniprojekten innehöll inget som kopplade till NOS eller ljusets natur.
Fysik B
I introduktionen till kapitlet ’vågor’ finns den enda beskrivningen i de undersökta delarna av boken som sätter utvecklingen i ett sammanhang.
År 1900, ett nytt sekel, ett nytt samhälle och svindlande teknisk utveckling, en utveckling som fysiken starkt bidragit till.
…
av det sunda förnuftets föreställningar (s. 162)
Kapitlet inleder med att beskriva två olika modeller för ljus, partikelmodellen och vågmodellen. Newton visade experimentellt att vitt ljus är en ström av små partiklar.
Den något äldre holländske fysikern Christian Huygens (1629-1695) menade för sin del att ljus är en vågrörelse. (s. 143)
Vissa fakta kan ifrågasättas, som att Newton verkligen visade att vitt ljus var en ström av små partiklar. Ingen referens ges. Inget experiment finns heller beskrivet. Det är även svårt att säga om lärobokens beskrivning av ljus som små partiklar ska ses som sanning eller inte. Den säger att ljus är en ström av små partiklar, för att senare säga att en annan fysiker menade att ljus var vågrörelse
Senare i kapitlet domineras förklaringen av ljus av vågmodellen och denna bild beskrivs som sann. Därmed fick Maxwells teoretiska arbeten ett starkt stöd och man
kunde slå fast att ljus är elektromagnetisk vågrörelse. (s. 145)
Som läsare är man här förvirrad. Först beskrivs att ljus är partiklar och senare att man kunde slå fast att ljus är vågor.
Ljus skiljer sig från ljud på flera viktiga punkter. Det som förenar de båda är att de är vågrörelser. (s. 146)
Att ljus är en våg beskrivs som sanning och förklaras inte genom experiment. Istället finns experiment beskrivna efteråt, men någon diskussion om ljuset verkligen är vågor, eller att man konstaterat det med experimenten finns inte.
Först i nästkommande kapitel ’Kvanta’ börjar en ny modell tas fram. Denna härleds ur experiment och läsaren får själv möjlighet att dra slutsatser, och förundras över om ljus verkligen är en våg. Till exempel ställs olika resultat upp för ett experiment om den fotoelektriska effekten som visar att ljuset består av fotoner innan författaren har dragit den slutsatsen åt läsaren.
Resultaten kan sammanfattas i fyra olika punkter:
1. Den fotoelektriska effekten inträffar vid belysning med ljus av lämplig våglängd. Då UV-ljus träffar zinkplattan frigörs elektroner från metallytan. Ljuset från en vanlig strålkastare ger ingen effekt.
2. […]
4. Elektronernas maximala energi beror inte av ljuskällans intensitet. (s. 173)
Läroboksförfattaren ger också läsaren möjlighet att reflektera över hur resultaten fungerar ihop med den tidigare modellen, vågmodellen, genom att sätta upp en del punkter.
Låt oss ändå hålla fast vid vårt antagande att ljus är en vågrörelse. Kan vi i så fall finna en förklaring till de effekter som vi har observerat? Vi undersöker dem punkt för punkt.
1. En vågrörelses energi kan vara liten eller stor oavsett våglängd. Energin hos en våg är därför oberoende av dess våglängd. Det finns alltså ingen förklaring till att ljus av kort våglängd som från en UV-lampa skulle avge mer energi till en elektron än ljus med större våglängd.
2. […]
3. Större intensiteter bör medföra att allt fler elektroner kan frigöras. Detta stämmer med experimentet.
4. Vid en ökad strålningsintensitet borde elektroner kunna frigöras med en större kinetisk energi. Experimenten visar något helt annat. Elektronernas maximala energi påverkas inte av ljuskällans intensitet men som vi ska se av ljusets frekvens.
Slutligen kommer man i slutet av kapitlet fram till den tredje definierade modellen. Ljus innersta natur kan vi inte komma åt.
Man kan också säga att ljuset har både våg- och partikelkaraktär. (s. 180)
I boken används fotonmodellen som en partikelmodell och omnämns så. När författaren skriver ”våg eller partikel”, syftar partikel på foton. Författaren tar även steget att gå vidare till att fråga om elektroner också kan ses som partiklar, eller energikvantum.
Betygsmotivering
I böckerna förekommer inte någon förklaring till modell, teori eller lag i de undersökta avsnitten. Ändå används dessa begrepp för att beskriva ljusets natur. Därför får läroboken betyget 1 i begreppsfråga 1.
Läroboken börjar med att beskriva att det finns olika modeller för att beskriva ljus men säger senare att ljus är vågor. Denna modell sätts som sanning fram till kvanta-kapitlet i fysik B-boken
