Energibegreppet och
dess komplexitet
En litteraturstudie om vilka aspekter av energi som används i
didaktisk forskning
KURS:Självständigt arbete för grundlärare 4–6, 15 hp
PROGRAM:Grundlärarprogrammet med inriktning mot arbete i grundskolans årskurs 4–6 FÖRFATTARE:Ida Andersson & Jenny Pantsar
JÖNKÖPING UNIVERSITY Självständigt arbete för grundlärare 4–6 School of Education and Communication Grundlärarprogrammet med inriktning mot arbete i grundskolans årskurs 4–6 Vårterminen 2021
SAMMANFATTNING
____________________________________________________________________________________
Ida Andersson & Jenny Pantsar
Energibegreppet och dess komplexitet: En litteraturstudie om vilka aspekter av energi som används i didaktisk forskning
The Energy Concept and its complexity: A literature study on which aspects of energy are used in didactic research
Antal sidor: 24
____________________________________________________________________________________
Denna uppsats behandlar energibegreppet. Det finns flera svårigheter kopplade till undervisning om begreppet energi. En särskild svårighet är att förstå vad energi är. Syftet med studien är att problematisera forskning om energiundervisning, speciellt avseende hur energibegreppet framställs. Med hjälp av en systematisk databassökning identifierades tio internationella vetenskapliga artiklar som fått fungera som representanter för didaktisk forskning om undervisning om energi och energibegreppet. Genom att ställa dessa artiklars olika sätt att beskriva energi mot en översikt av en väletablerad fysikdidaktiker (Duit) inom energi-området har vi kunnat analysera likheter och skillnader mellan de tio artiklarna. Översikten fick därmed fungera som vårt analysredskap. Resultatet visar en stor spridning i hur energibegreppet beskrivs och flera av artiklarna använder mer än ett synsätt för att beskriva energi. Det förekom även skillnader i
huruvida energiöverföring, energiomvandling, energikvalitets-degradering och
energikonservering (nyckelidéerna) användes som utgångspunkt eller inte för att skapa en förståelse av energibegreppet. Vår studie pekar på komplexiteten i energibegreppet och pekar på att undervisning om energi ställer höga krav på lärares ämneskunskaper.
Innehållsförteckning
1. Inledning 1
2. Syfte 3
3. Bakgrund 4
3.1 Energibegreppet och de fyra nyckelidéerna 4
3.2 Undervisning om energibegreppet utifrån nyckelidéerna 5
3.3 Olika sätt att beskriva energibegreppet 6
4. Metod 8
4.1 Sökstrategi 8
4.2 Urval 9
4.3 Materialanalys 12
5. Resultat 13
5.1 Hur beskrivs energi i didaktisk forskning? 13
5.2 Vilka energiformer beskrivs i didaktisk forskning? 16
5.3 Vilka nyckelidéer beskrivs i didaktisk forskning? 17
6. Diskussion 20
6.1 Metoddiskussion 20
6.2 Resultatdiskussion 20
6.2.1 Likheter och skillnader mellan hur energiformer beskrivs i texterna 20
6.2.2 Olika synsätt och nyckelidéer 21
6.2.3 Avslutande reflektioner 23
6.3 Vidare forskning 24
Referenslista 25
1. Inledning
Energi är ett begrepp som är komplext och abstrakt vilket gör att det är svårt att förstå vad energi egentligen är. Komplexiteten utgör en av svårigheterna med att undervisa om energi för att möjliggöra att elever kan utveckla en förståelse av energibegreppet. Vi kan se att det i vetenskapliga texter finns många olika sätt att beskriva energibegreppet på, men det finns likheter i hur man beskriver vad energi kan göra. Inom naturvetenskapen är det ett vedertaget uttryck att varken materia eller energi kan försvinna, bara omvandlas. Fysikern och fysikdidaktikern Richard Feynman (Feynman et al., 1963, s.1) uttrycker det som att:
There is a fact, or if you wish, a law, governing all natural phenomena that are known to date. There is no known exception to this law – it is exact so far as we know. The law is called the conservation of energy. It states that there is a certain quantity, which we call energy, that does not change in the manifold changes which nature undergoes. That is a most abstract idea, because it is a mathematical principle; it says that there is a numerical quantity which does not change when something happens. (ibid.).
Energi beskrivs alltså inom fysiken som en storhet som är konstant, det vill säga att den varken ökar eller minskar och den kan anta olika form. Vårt intresse för energibegreppet grundar sig i två delar. Dels att energi utgör en så central del av undervisningen i naturvetenskap. Dels att skolans styrdokument (Skolverket, 2017) beskriver energi som något abstrakt. Hur kan något abstrakt göras konkret genom undervisning? En av de främsta nutida didaktikerna inom området, Duit, beskriver det som att ha en förståelse av energikonservering är grunden till en förståelse av energibegreppet (Duit, 2014, s. 77). Han anser att det finns flera svårigheter kopplade till undervisningen om energibegreppet, framförallt gällande att utveckla elevers förståelse av energikonservering (ibid.).
Enligt läroplan för grundskolan (LGR 11), ska undervisningen i fysik bidra till att elever kan “[…] beskriva och ge exempel på energikällor, energianvändning och isolering med viss koppling till energins oförstörbarhet och flöde.” (Skolverket, 2019, s. 181). Det betyder att undervisningen ska
Vi har därför sammanställt hur energibegreppet framställs i undervisningen och analyserat hur dessa beskrivningar tar hänsyn till energikonservering. Vi har också sammanställt likheter och skillnader mellan artiklarnas beskrivning av energi och ställt dessa i relation till Duits beskrivning. Denna sammanställning kan förhoppningsvis bidra till en större förståelse för komplexiteten i energibegreppet.
2. Syfte
Syftet med studien är att problematisera forskning om energiundervisning, speciellt avseende hur energibegreppet framställs. Detta syfte avser vi uppfylla genom att besvara följande frågor:
• Hur beskrivs energi i didaktisk forskning?
• Vilka energiformer beskrivs i didaktisk forskning? • Vilka nyckelidéer beskrivs i didaktisk forskning?
3. Bakgrund
Två begrepp som återkommer i den litteratur vi baserar bakgrundsavsnittet på är energy concept och the four key ideas of energy concept. I det här arbete har vi valt att översätta begreppet energy concept till energibegreppet, och the four key ideas of energy concept översätter vi till nyckelidéer. Energibegreppet
Med energibegreppet menar vi hela bredden av beskrivningar av energi, vad det är och alla dess delar (vi återkommer till vilka delar detta är). Att en elev har fullständig förståelse av energibegreppet innebär på så vis att eleven känner till alla energiformer och kan beskriva de fyra olika nyckelidéerna.
Nyckelidéer
I detta arbete förekommer ordet nyckelidéer vilket är byggstenar som tillsammans kan leda till en förståelse av energibegreppet. De fyra byggstenar som Duit och Neumann (2014) lyfter fram är energiöverföring (eng. energy transfer), energiomvandling (eng. energy transformation), energikvalitets-degradering (eng. energy degradering) och energikonservering (eng. energy conservation).
3.1 Energibegreppet och de fyra nyckelidéerna
Energi är ett begrepp som inte enkelt går att definiera. Det är ett komplext begrepp. Feynman (et al., 1963, s. 2) beskriver att vi inte vet vad energi är. Det sade han för snart 60 år sedan, men det verkar gälla än idag (Millar, 2014, s. 190). Eftersom energi är ett så komplext begrepp är det inte heller enkelt att undervisa om. Det råder ingen konsensus i hur energibegreppet bör beskrivas i undervisning (ibid, s.187). Duit (2014, s. 77) beskriver att energikonservering är den viktigaste byggstenen för att elever ska utveckla förståelse av energibegreppet. Duit och Neumann (2014, s. 63–66) beskriver att det krävs ytterligare tre byggstenar för att utveckla en förståelse av energibegreppet. Det är dessa fyra byggstenar tillsammans de beskriver som nyckelidéer.
inom ett slutet system (Duit & Neumann, 2014, s. 63). Att se på energi som om det finns inom ett system är ett synsätt som även Feynman et al. (1963, s. 1–2) beskriver. Denna syn på energi kan i sin tur kopplas samman med en av de ”stora ideérna” (big ideas) i naturvetenskapen (Harlen, 2010, s. 8). I tabell 1 följer en tydligare förklaring av begreppen, utifrån Duit och Neumanns (2014) förklaring av dessa.
Tabell 1: Beskrivning av nyckelidéer.
Begrepp Innebörd
Energiomvandling (energy transformation) Energi kan omvandlas från en form till en annan inom ett system.
Energiöverföring (energy transfer) Energi kan överföras från en plats till en annan plats inom ett system.
Energikvalitets-degradering (energy degradation)
Energimängden som överförs eller omvandlas inom ett system förblir densamma.
Däremot kan energin bli mindre användbar – Den får lägre kvalitet.
Energikonservering (energy conservation) Energin är bevarad i ett slutet system.
3.2 Undervisning om energibegreppet utifrån nyckelidéerna
Det finns en mängd olika sätt och metoder för hur energibegreppet skulle kunna framställas i undervisning. Solomon (1983) och Duit och Neumann (2014) utgår från olika sätt och metoder för att beskriva vad energi är. Alla utgår från att elever ska ges möjlighet att utveckla en förståelse av energikonservering för att utveckla kunskaper om energibegreppet.
Duit och Neumann (2014, s. 65–66) menar att undervisningen om energi redan från start bör inkludera alla nyckelidéer. De beskriver att för att utveckla en förståelse av energikonservering måste alla övriga byggstenar tas med i beräkning. Däremot hävdar de att tidigare forskning visar att undervisningen bör utgå från elevers vardagsföreställning och stegvis introducera nyckelidéerna (ibid.). Solomon (1983, s. 50) förespråkar också metoden att introducera energi från
vardagsföreställningar med den vetenskapliga definitionen av energi. Anledningen till det är för att ge elever möjlighet att kunna arbeta inom både det vetenskapliga tänkandet och det vardagliga tänkandet och att kunna skilja dem åt. Detta för att hjälpa eleverna att kunna använda det vetenskapliga tänkandet separat (ibid.). Undervisning som utgår från elevernas vardag är också något som läroplanen för grundskolan förespråkar (Skolverket 2017, s. 6). Enligt Duit och Neumann (2014, s. 66) finns det goda skäl att utgå från denna metod i undervisningen men bara om nyckelidéerna inkluderas. De hävdar också att det kan vara rimligt att introducera idén om att energi finns i ett system för att utveckla ett systemperspektiv (system perspective). Det kan bidra till en sammankoppling av alla nyckelidéer för att kunna “förutspå fenomen mellan olika sammanhang” (ibid., vår översättning).
3.3 Olika sätt att beskriva energibegreppet
Det finns olika sätt att beskriva energi vid undervisning om begreppet (Duit, 2014, s. 72). Duit (2014, s. 72–76) har sammanfattat olika synsätt som skulle kunna användas vid undervisningen. Ett av dessa synsätt är att se på energi som former. Detta synsätt medför en otillräcklig uppfattning om energibegreppet utifrån ett fysikaliskt perspektiv (ibid. s.75). Millar (2014) förespråkar att använda energiformer som en “etikett” (label) för det vi talar om. Därför har vi i det här arbetet valt att inte se energiformer som ett synsätt utan istället se det som ett sätt att tala om energibegreppet. I tabell 2 följer vår tolkning av Duits (2014, s. 72–76) sammanställning av olika synsätt av energibegreppet.
Tabell 2: Sammanfattning av Duits (2014, s. 72–76) olika sätt att se på energibegreppet.
Synsätt Innebörd
Energy is an abstract accounting quantity Energi har alltid samma kvantitet inom ett system. Energi kan förflyttats mellan system och oavsett vad som sker i systemet förblir kvantiteten densamma. Med andra ord betyder det att om man sätter en måttangivelse på en kvantitet ser man att mängden förblir densamma oavsett vad som händer i systemet (Duit, 2014, s. 72).
Energy is the ability to do work Energi är förmåga att utföra arbete. Synsättet
behandlar mestadels mekanisk energi (Duit, 2014, s. 73).
Energy is the ability to cause changes Energi är förmågan att skapa förändringar (Duit, 2014, s. 73).
Energy is the ability to produce heat Energi är förmåga att producera värme. Synsättet har utvecklats i förhållande till att alla processer som involverar olika former av energi leder till friktion. Denna friktion resulterar i att värme produceras (Duit, 2014, s. 74).
Energy is a general kind of fuel Energi ses som ett bränsle relaterat till människans förmåga att utföra ett arbete (Duit, 2014, s. 74).
Energy is a substance-like quantity Energi är utifrån ett materialistiskt synsätt en substansliknande storhet som flödar mellan olika platser (Duit, 2014, s. 75).
4. Metod
För att åskådliggöra aktuell forskning om energiundervisning gällande energibegreppet genomfördes en litteraturstudie. Metoden lämpar sig då studien sammanställer forskares syn på energi, vilket ger en översikt över komplexiteten med energibegreppet.
4.1 Sökstrategi
De första sökningarna som genomfördes var experimentella sökningar där vi sökte brett inom området fysik och energi. De breda sökningarna gav oss indikationer på relevanta begrepp inom ämnet, som termodynamik, energiprincipen och big ideas. Sökningarna gav oss uppslag på sökord att använda i den systematiska sökprocessen. De systematiska sökningarna genomfördes i databasen ERIC. Genom att söka på energy i Thesaurus fann vi ytterligare relevanta sökord inom ämnesområdet. Sökningarna fokuserade på energibegreppet inom ämnet fysik och sökorden som användes var “energy concept” AND “educat*”. Därefter begränsades sökningarna till Academic journals och Peer reviewed eftersom vi endast eftersökte vetenskapliga artiklar. Sökningarna begränsades till nyare forskning från år 1990 och framåt. Sökresultatet för artikelsökning presenteras i tabell 3.
Tabell 3: Översikt över sökresultaten för artikelsökning.
ERIC Eventuella avgränsningar Antal
träffar “energy concept*” AND “educat*” AND
“physic*”
Academic journals Peer reviewed År 1990–2020
38
“energy concept*” AND “educat*” Academic journals
Peer reviewed År 1990–2020
4.2 Urval
Sökningen resulterade i 117 olika artiklar som genom urvalsprocessen (se figur 1) ställdes mot exklusions- och inklusionskriterier kopplade till studiens frågeställningar. Dessa kriterier var att artiklarna skulle behandla energy och understanding, students, teaching, learning, development eller physic. Det resulterade i 20 artiklar där vi valde att gå vidare och läsa abstrakt. I samband med fulltextläsning utfördes en relevansgranskning där ett antal artiklar exkluderades utifrån olika kriterier vilket resulterade i tio artiklar. Artiklar som behandlade undervisning på en högskole- och universitetsnivå exkluderades eftersom beskrivningen av energibegreppet var på en annan nivå än det vi ville undersöka. Vi uteslöt studier som handlade om en fysikundervisning som innehöll en medicinsk tolkning av energi, läromedelsanalyser och undersökningar om elevers mentala förmåga att utveckla förståelse av energibegreppet utifrån en metod. En översikt över det slutgiltiga urvalet återges i tabell 4.
Tabell 4: Översikt över tidskriftsartiklarna.
Författare År Titel
Besson & De Ambrosis.
2014 Teaching Energy Concepts by Working on Themes of Cultural and Environmental Value
Brewe. 2011 Energy as a substancelike quantity that flows: Theoretical considerations and pedagogical consequences
Dawson & Stein. 2008 Cycles of Research and Application in Education: Learning Pathways for Energy Concept
Herrmann-Abell & DeBoer.
2018 Investigating a Learning Progression for Energy Ideas From
Upper Elementary Through High School
Lancor. 2014 Using Metaphor Theory to Examine Conceptions of Energy in
Biology, Chemistry, and Physics
Megalakaki & Thibaut.
2016 Development and differentiation of force and energy concepts for animate and inanimate objects in children and adolescents Nordine, Fortus,
Lehavi, Neumann, & Krajcik.
2018 Modelling energy transfer between systems to support energy knowledge in use
Nordine, Krajcik, & Fortus.
2011 Transforming Energy Instruction in Middle School to Support Integrated Understanding and Future Learning
Takaoğlu. 2018 Energy Concept Understanding of High School Students: A
Cross-grade Study Yuenyong, J., &
Yuenyong, C.
4.3 Materialanalys
Sökproceduren resulterade i tio artiklar vilka sammanställdes i en matris (se bilaga) för att möjliggöra en analys av innehållet i artiklarna. Artiklarna lästes noggrant flera gånger med syfte att hitta delar som kunde hjälpa oss besvara denna studies frågor och därigenom uppfylla studiens syfte. Till hjälp i analysen använde vi oss av vår tolkning av Duits (2014, s. 72–76) olika synsätt av energi som analysredskap. Det blev det filter vi betraktade artiklarna genom. Artiklarna kategoriserades på olika sätt, dels utifrån hur energi beskrevs baserat på de olika synsätten, dels utifrån vilka nyckelidéer de använde. Detta avseende att synliggöra likheter och skillnader mellan hur de olika artiklarna beskriver energibegreppet kopplat till fysikundervisning.
5. Resultat
5.1 Hur beskrivs energi i didaktisk forskning?
I en övervägande del av studierna beskrivs energi utifrån något av Duits synsätt och ett flertal av dessa studier använder sig av flera. Vanligast förekommande synsätt var att se energi som energy is an abstract accounting quantity (Brewe, 2011; Lancor, 2014; Nordine, Fortus et al., 2018; Nordine, Krajcik et al., 2011; Takaoḡlu, 2018).
Takaoğlu (2018, s. 657) beskriver energi som något som existerar i ett slutet system. Han menar att mängden energi i systemet inte kan förändras. På ett liknande sätt beskriver även Nordine, Krajcik et al. (2011, s. 677) att energi alltid finns i ett system och att det kan uppfattas som en egenskap hos systemet. Nordine, Fortus et al. (2018, s. 178) beskriver att energi kan överföras mellan två system om det sker en förändring i de båda. Vidare beskrivs idén om att se på energi som att det finns i ett system ur ett annat perspektiv än de tidigare nämnda, där fokus istället ligger på systemöverföring (system-transfer). Brewe (2011) beskriver utifrån tidigare forskning att det inte går att ge en precis definition av energi. Han refererar till att Feynman menar att inte någon vet vad energi faktiskt är. Utifrån det påståendet fokuserar han på olika metaforer, varav en metafor beskriver att energi går att ses inom ett system (Brewe, 2011, s. 13). Han beskriver att användning av metaforer för energi kan ge elever förutsättningar för att skapa en förståelse av energibegreppet. Att utveckla en förståelse av energibegreppet kräver tre olika uppfattningar. Dessa beskrivs med metaforer vilka bör ses tillsammans. En av dessa metaforer lyder; energi som en substans som kan lagras eller förvaras i ett system (container) (Brewe, 2011, s. 2). Lancor (2014, s. 1247) redogör för ett synsätt på energi som överensstämmer med föregående, att metaforer ligger till grund för hur energi beskrivs. En av de metaforer som lyfts avser att energi är en substans som ingår i ett system. Samtliga artiklar ovan beskriver på något sätt att energi finns och verkar inom ett system, vilket kan kopplas till synsättet “Energy is an abstract accounting quantity” (Duit, 2014, s. 73). Brewe (2011) beskriver en annan metafor som ett karaktärsdrag hos energi som om det vore någon typ av substans; energi som en substans som kan lagras eller förvaras i ett system (Brewe, 2011, s. 2). Även Lancor (2014, s. 1258) beskriver hur metaforer kan vara behjälpligt för att skapa en grundläggande förståelse av energibegreppet. Hon redogör för sex metaforer som alla innefattar
buren, (v) energi är en substans som kan försvinna från ett system och (vi) energi är en substans som kan lagras, bli tillagd och producerad (Lancor, 2014, s. 1247). Metaforen som behandlar energi som en substans som kan flöda uttrycker hon går att jämföra med hur vatten kan flöda genom ett rör (Lancor, 2014, s. 1257). Ett exempel på hur metaforen som behandlar energi som en substans som finns i ett system kan presenteras är att jämföra detta med hur systemet är till hjälp för att se på energi som en substans som kan följas (Lancor, 2014, s. 1256). Besson och De Ambrosis (2014, s. 1312) diskuterar hur energi kan ses som en substans likt en fysisk storhet. De menar att det är fullt rimligt att prata om energi på den nivån eftersom det för många ger en förståelig förklaring av energibegreppet. Författarna menar att energi och dess komplexitet bidrar till att den här typen av resonemang även kan finnas i forskares tankebanor kring energi. Dessa beskrivningar är likvärdiga med synsättet “Energy is a substance-like quantity” (Duit, 2014, s. 75). Brewe (2011) och Nordine, Krajcik et al. (2011) använder båda ett annat sätt att se på energi, som förmågan att orsaka förändringar. Brewe (2011, s. 2) beskriver att metaforer kan vara ett redskap för att utveckla kunskaper om energibegreppet. Ytterligare en metafor som han beskriver är; energi kan flöda eller överföras från ett system till ett annat och kan då orsaka förändringar (vår kursivering). Nordine, Krajcik et al. (2011, s. 678) skriver att det är viktigt att utveckla en förståelse om vad energi gör snarare än vad energi är. Vidare menas att det energi gör är att orsaka förändringar. Dessa artiklar använder därmed en syn på energi som överensstämmer med synsättet “Energy is the ability to cause changes” (Duit, 2014, s. 73).
Att beskriva energi utifrån synsättet “Energy is the ability to produce heat” (Duit, 2014, s. 74) var något studien utförd av Herrmann-Abell och DeBoer (2018) använde. De utgår i sin studie från beskrivningen att en del av energibegreppet kan förstås som att en del av den energi som överförs från ett system till ett annat, omvandlas till omgivningen i form av värme (Herrmann-Abell och DeBoer, 2018, s. 72).
Takaoğlu (2018, s. 654) har undersökt hur elever uppfattar energi och dess relaterade begrepp på olika kunskapsnivåer. Undersökningen omfattar ett frågeformulär med öppna frågor där frågorna är utformade att besvaras med en definition av energi och dess relaterade begrepp. Författaren uttrycker i sitt frågeformulär att en korrekt definition av energi är “förmågan att utföra arbete”, och framhäver särskilt att det är just förmågan att utföra arbete och att det inte är arbetet som
med fysiklärare utformat övningar menade att utveckla elevers beskrivning av energibegreppet. De beskriver att lärare som deltagit i studien menar att förmågan att utföra arbete bör betraktas som energi. Dessa två artiklar beskriver på något sätt att energi är förmågan att utföra arbete, vilket kan kopplas till synsättet “Energy is the ability to do work” (Duit, 2014, s. 73). Synsättet “Energy is a general kind of fuel” identifierades inte i någon artikel. I tabell 5 ges en överblick över vilka synsätt på energi som vi har identifierat i vårt analysmaterial.
Tabell 5: Överblick över vilka synsätt på energi (utifrån Duit, 2014, s. 72–76) som vi har identifierat i materialet. Energy is an abstract accounti ng quantity Energy is the ability to do work Energy is the ability to cause changes Energy is the ability to produc e heat Energy is a general kind of fuel Energy is a substance -like quantity
Besson & De Ambrosis (2014)
X
Brewe (2011) X X X
Dawson & Stein (2008) X
Herrmann-Abell & DeBoer (2018)
X
Lancor (2014) X X
Megalakaki & Thibaut (2016)
Nordine, Fortus, Lehavi, Neumann (2018)
X
Nordine, Krajcik & Fortus (2011)
X X
Takaoğlu (2018) X X
5.2 Vilka energiformer beskrivs i didaktisk forskning?
Ett flertal artiklar beskriver energi som något som kan kategoriseras i olika former (Dawson & Stein, 2008; Herrmann-Abell & DeBoer, 2018; Lancor, 2014; Nordine, Fortus et al., 2018; Nordine, Krajcik et al., 2011; Takaoğlu, 2018; Yuenyong & Yuenyong, 2007). I en studie med syfte att bestämma hur elever uppfattar energi på olika kunskapsnivåer utgår Takaoğlu (2018, s. 656) från att det finns åtta energiformer, vilka är; “kinetisk energi, potentiell energi, mekanisk energi, elektrisk energi, kemisk energi, kärnenergi, ljudenergi och termisk energi” (Takaoğlu, 2018, s. 656, vår översättning). I en annan didaktisk studie (Yuenyong & Yuenyong, 2007, s. 290) framgår det att de anser att energibegreppet delvis kan förklaras utifrån energiformer. De beskriver att forskare inom fysiken kategoriserar energi i åtta olika former, vilket de benämner som; kinetisk energi, gravitationell potentiell energi, elastisk potentiell energi, kemisk energi, termisk energi, elektrisk energi, strålningsenergi och kärnenergi (Yuenyong & Yuenyong, 2007, s. 290). Vi noterar att de båda uppräkningarna av olika energiformer inte exakt överlappar.
Dawson och Stein (2008, s. 94) beskriver energi endast utifrån två energiformer. I studien skapade de övningar som var menade att utveckla elevers vetenskapliga beskrivning av energibegreppet. När de utförde intervjustudier med elever i åldern 5–13 utgick de från energiformerna kinetisk energi och potentiell energi. Nordine, Krajcik et al. (2011) redogör för vilka effekter deras beskrivningar av energibegreppet gav på elevers förståelse av just energibegreppet. Utifrån deras tillvägagångssätt utgick de från energiformerna kinetisk energi, kemisk energi och elektrisk energi (Nordine, Krajcik et al., 2011, s. 676). I Herrmann-Abell och DeBoer (2018, s. 72) och Lancors (2014, s. 1251) studier framgår att energiformer är en del av hur författarna ser på energi. Det blir dock inte tydligt vilka former av energi de avser utan de ger endast exempel på två, vilka är kinetisk energi och gravitationell potentiell energi, i båda fallen. Nordine, Fortus et al. (2018, s. 193) argumenterar för att energiformer inte behöver lyftas i samband med energiöverföring, elever kommer ändå utveckla en fungerande förståelse av energi. Däremot förespråkar de att det är nödvändigt att använda terminologin för energiformerna för att kunna föra en diskussion om energi. Vilka energiformer som tas upp i vilka texter visas översiktligt i tabell 6.
Tabell 6: Överblick över vilka energiformer som lyfts fram i respektive artikel.
5.3 Vilka nyckelidéer beskrivs i didaktisk forskning?
Fokuset i en övervägande del av de analyserade studierna är på energikonservering, dock utifrån olika metoder (Besson & De Ambrosis, 2014; Brewe, 2011; Dawson & Stein, 2008; Herrmann-Abell & DeBoer, 2018; Lancor, 2014; Nordine, Fortus et al., 2018; Nordine, Krajcik et al., 2011; Takaoğlu, 2018; Yuenyong & Yuenyong, 2007). I ett flertal studier utvecklades någon form av strategi eller tillvägagångssätt för att skapa en undervisning där energikonservering var i fokus. Dessa studier visade att elever har svårighet med förståelsen om energikonservering, vilket författarna menar är en viktig del för att skapa en förståelse för helheten av energibegreppet (Besson & De Ambrosis, 2014; Brewe, 2011; Dawson & Stein, 2008; Herrmann-Abell & DeBoer,
Energiformer
Besson & De Ambrosis (2014) Brewe (2011)
Dawson & Stein (2008) Kinetisk energi och potentiell energi
Herrmann-Abell & DeBoer (2018)
Kinetisk energi och gravitationell potentiell energi
Lancor (2014) Kinetisk energi och gravitationell potentiell energi
Megalakaki & Thibaut (2016) Nordine, Fortus, Lehavi, Neumann (2018)
Använder “etiketter” för att benämna energiformer för att prata om energi
Nordine, Krajcik & Fortus (2011) Kinetisk energi, kemisk energi och elektrisk energi
Takaoğlu (2018) Kinetisk energi, potentiell energi, mekanisk energi,
elektrisk energi, kemisk energi, kärnenergi, ljudenergi och termisk energi
Yuenyong, C., & Yuenyong, J. (2007)
Kinetisk energi, gravitationell potentiell energi, elastisk potentiell energi, kemisk energi, termisk energi, elektrisk
svarade på. På liknande sätt har Yuenyong och Yuenyong (2007, s. 295) skapat ett test för att se vilka kunskaper elever besitter om energi. Testet innehöll frågor där eleverna skulle se på en bild, till exempel på ett batteri, och sedan berätta om objektet på bilden på något sätt kunde relateras till energi. Utifrån resultatet konstaterade de att eleverna hade otillräckliga kunskaper om energikonservering. Megalakaki och Thibaut (2016, s. 457) har i sin studie inte fokuserat på energikonservering utan de har endast med få ord nämnt det. Deras syfte var att lyfta missuppfattningar kring energi, vilket resulterade i att fokus hamnade på missuppfattningen om att kraft och energi är synonymer. Megalakaki och Thibaut (2016, s. 457) utformade tre exempel på situationer där elever skulle besvara huruvida exemplet behandlade energi eller kraft, och på vilket sätt.
Flera studier (Herrmann-Abell & DeBoer, 2018; Lancor, 2014 & Yuenyong & Yuenyong, 2007) poängterar vikten av alla nyckelidéer för att utveckla en fungerande förståelse av energibegreppet. Användningen av nyckelidéerna skiljer sig dock åt i studierna. Lancor (2014, s. 1251) menar att nyckelidéerna kan ses som egenskaper av energi, vilka tillsammans kan hjälpa en att utveckla en uppfattning av energibegreppet. Dessa egenskaper används för att formulera sex olika metaforer för att skapa en så rättvis bild som möjligt av energibegreppet (Lancor, 2014, s. 1247). Herrmann-Abell och DeBoer (2018, s. 72) använder nyckelidéerna som utgångspunkt i ett test för att synliggöra elevers progression av nyckelidéer. Yuenyong och Yuenyong (2007, s. 290) beskriver, som tidigare nämnt, vikten av att utveckla förståelse av nyckelidéerna för att vidare kunna skapa en uppfattning om energi. Deras studie fokuserar på elevers kunskaper om energiomvandling, vilket endast innefattar en nyckelidé.
Energikvalitets-degradering är den av nyckelidéerna som vi såg minst av i vårt material. Nordine, Krajcik et al. (2011, s. 673) beskriver att energikvalitets-degradering är en del av förståelsen om energibegreppet. De har skapat ett antal lektioner som stegvis ska vara till hjälp för läraren att leda eleverna fram till en djupare förståelse av energibegreppet. Deras förslag har till en början fokus på energiomvandling, för att sedan gå vidare till energikonservering och till sist sammanbinda dessa med energikvalitets-degradering (Nordine, Krajcik et al., 2011, s. 676–678). Yuenyong och Yuenyong (2007, s. 290) utgår i sina tester från nyckelidéerna men ingen fråga i deras test är direkt kopplad till energikvalitets-degradering. På motsatt sätt använder Lancor (2014, s. 1251) idén om energikvalitets-degradering sammankopplat med de resterande tre nyckelidéerna genom att
formulera sex metaforer där varje metafor innehåller minst en av nyckelidéerna. Herrmann-Abell och DeBoer (2017, s. 72) använder energikvalitets-degradering som mall för i vilken ordning elever uppfattar nyckelidéerna för att närma sig energibegreppet. I studiens test finns en riktad fråga där svaret förväntas behandla energikvalitets-degradering. En sammanfattning över vilka nyckelidéer vi kunnat identifiera i artikelmaterialet finns i tabell 7.
Tabell 7: Överblick över vilka nyckelidéer vi kunnat identifiera i artiklarna.
Energiomvandling Energiöverföring Energikvalitets-degradering
Energikonserv ering
Besson & De Ambrosis (2014)
X X X
Brewe (2011) X X
Dawson & Stein (2008) X X X
Herrmann-Abell & DeBoer (2018)
X X X X
Lancor (2014) X X X X
Megalakaki & Thibaut (2016)
X Nordine, Fortus, Lehavi,
Neumann (2018)
X X
Nordine, Krajcik & Fortus (2011) X X X Takaoğlu (2018) X X Yuenyong, C., & Yuenyong, J. (2007) X X X X
6. Diskussion
6.1 MetoddiskussionVi gjorde två sökningar i ERIC vilket ledde till några dubbletter men gav också ett flertal nya relevanta artiklar. Antalet träffar vi fick var ganska få vilket troligtvis berodde på orden energy concept. Vår ambition har aldrig varit att genomföra en totalundersökning för att hitta alla vetenskapliga texter om energi. Vi har velat hitta ett någorlunda representativt urval. Med detta som mål anser vi att sökprocessen har fungerat väl, vilket har resulterat i ett antal olika artiklar som beskriver energibegreppet. Majoriteten av studierna är från UK och USA vilket naturligtvis ger en vinkling av materialet eftersom artiklar från samma land skulle kunna ha en liknande syn på energibegreppet. Det kan vara fördelaktigt eftersom UK och USA har ett likande skolsystem som Sverige vilket gör att artiklarnas syn på energi går att applicera i svensk undervisning. Varken en författarsökning eller kedjesökning genomfördes. På så vis försökte vi säkra representativiteten och att vi inte fick artiklar vinklat mot en och samma uppfattning av energi. Självklart sätter vår kunskap gränser för hur vi kan tolka studierna och därmed analysera dessa. Våra kunskaper kan därmed ha bidragit till att vi inte kunnat utläsa ett av synsätten, “Energy is a general kind of fuel”, i artiklarna. Med en annan kunskap om energi skulle det kunna leda till att man kan utläsa synsättet. Men för att säkerställa att vår tolkning inte är allt för subjektiv tog vi hjälp av ett analysredskap – Duits synsätt av energi. Fördelen med analysredskapet är att vi analyserade artiklarna på samma sätt utifrån Duits (2014) beskrivning av synssätten. Vi upplever att analysredskapet har hjälpt oss att sammanställa ett rättvist och trovärdigt resultat. Vi ser att det finns brister i det tillvägagångssätt vi haft, men vi ser också att metoden har möjliggjort att ge oss ett representativt urval av vetenskapliga texter.
6.2 Resultatdiskussion
6.2.1 Likheter och skillnader mellan hur energiformer beskrivs i texterna
Alla studier har i någon utsträckning undersökt elevers förståelse av energi. I alla studier framgår det tydligt att energi är ett komplext begrepp och att det inte går att finna en enhetlig förklaring. Vi fann dock många likheter i hur begreppet framställs. Det vanligaste var att beskriva energi som former i relation till nyckelidéerna (Dawson & Stein, 2008; Herrmann-Abell & DeBoer, 2018; Lancor, 2014; Nordine, Fortus et al., 2018; Nordine, Krajcik et al., 2011; Takaoğlu, 2018;
Yuenyong & Yuenyong, 2007). Millar (2014, s. 191–193) understryker att energiformer är lämpliga att använda i undervisningen som en “etikett” för det vi menar eller talar om. Denna uppfattning är dock inte vanligt förekommande i de analyserade studierna. Nordine, Fortus et al. (2018, s. 193) resonerar, likt Millar (2014, s. 191–193), att energiformer bör användas i undervisning som en terminologi för energi. Millar (2014, s. 191–193) menar att en användning av terminologi för energi medför att man i undervisning kan diskutera om vad som faktiskt händer med energin. Däremot finner vi att övergripande artiklar använder energiformer som ett sätt att beskriva vad energi är, det är således något som Millar (2014, s. 191–193) inte förespråkar. Ovanstående artiklar hänvisar till energikonservering men alla använder inte former som en “etikett”, hur kommer det sig? Vi tolkar det likt Millar (2014, s. 191–193) och Nordin, Fortus et al. (2018, s. 193) att det är mer passande att benämna energiformer som en “etikett” och vara noga med att beskriva energi utifrån energikonservering vilket baserar sig på Duit (2014) samt Duit och Neumanns (2014) tolkningar av energi. Anledningen till den uppfattningen är att benämna energi som att den är en “form” inte ger förutsättningar att utveckla en full förståelse för eneregibegreppet. Som framgår i vår begreppsförklaring innebär en full förståelse för energibegreppet att eleverna också kan beskriva de fyra nyckelidéerna. Varför vi anser att det är viktigt är för att en av nyckelidéerna, energikonservering, utgör grunden för att förstå att energi är en storhet som är konstant, det vill säga att den varken ökar eller minskar och den kan anta olika form. Vi vill dock poängtera att vi inte anser att Dawson & Stein, 2008; Herrmann-Abell & DeBoer, 2018; Lancor, 2014; Nordine, Krajcik et al., 2011; Takaoğlu, 2018; Yuenyong & Yuenyong, 2007 har fel i sina framställanden av energibegreppet men vi tror inte deras framställningar skulle kunna leda till en full förståelse av energibegreppet vid undervisning.
6.2.2 Olika synsätt och nyckelidéer
I studierna är det vanligt att man presenterar ett tillvägagångssätt på hur lärare skulle kunna undervisa för att eleverna ska utveckla kunskaper om energibegreppet. Analysen av alla studier indikerar likheter och skillnader mellan hur energibegreppet framställs. Att utveckla en förståelse av energikonservering framstår som det mest centrala när det kommer till att utveckla en förståelse
al., 2011; Takaoğlu, 2018; Yuenyong & Yuenyong, 2007). Det som dock skiljer studierna är vägen dit, det vill säga hur man bör beskriva energi. Duit och Neumann (2014, s. 63) hävdar att grunden för undervisningen bör vara nyckelidéerna och att man måste ha en förståelse av energiomvandling, energiöverföring och energikvalitets-degradering innan man förstår att energimängden är konstant. Vi kan se att Duit och Neumann (2014) inte var först att peka på vikten av nyckelidéerna i energiundervisningen. Det hade exempelvis Yuenyong och Yuenyong gjort redan 2007. Även Lancor (2014) och Herrmann-Abell och DeBoer (2018) pekar på att alla fyra nyckelidéerna är viktiga i undervisningssammanhang. Däremot skiljer det sig hur dessa artiklar väljer att tillämpa idéerna i deras undersökningar. Trots att nästan alla studier beskriver att svårigheterna med att förstå energibegreppet grundar sig i svårigheten att förstå energikonservering, utelämnar ett flertal av artiklarna (Besson & De Ambrosis, 2014; Brewe, 2011; Dawson & Stein, 2009; Megalakaki & Thibaut, 2016; Nordine, Fortus et al., 2018; Nordine, Krajcik et al., 2011; Takaoğlu, 2018) någon del av nyckelidéerna. Det är intressant eftersom det enligt Duit och Neumann (2014, s. 63) inte är möjligt om man vill utveckla en fungerande förståelse av energibegreppet. De hävdar även att idén om att energi finns i ett system kan hjälpa elever att närma sig en förståelse av alla nyckelidéer (Duit & Neumann, 2014, s. 66). Idén om att energi finns i ett system står i relation till det Feynman (1963, s. 1) en gång antydde, att mängden energi som finns i universum är konstant. Det är vad energikonservering innebär. Däremot är det enbart fem av dessa studier (Brewe, 2011; Lancor, 2014; Nordine, Fortus et al., 2018; Nordine, Krajcik et al., 2011; Takaoğlu, 2018) där vi har kunnat identifiera synsättet “Energy is an abstract accounting quantity”, vilket framförallt framhäver att energi kan förflyttas mellan system och att oavsett vad som sker i systemet förblir mängden energi densamma. Det uppseendeväckande med det här är att ytterligare fyra artiklar (Besson & De Ambrosis, 2014; Dawson & Stein, 2008; Herrmann-Abell & DeBoer, 2018; Yuenyong & Yuenyong, 2007) har en samsyn om att energikonservering är en viktig del i undervisning om energibegreppet trots att synsättet “Energy is an abstract accounting quantity” inte beskrivs.
Att inte någon av studierna utgår ifrån synsättet “Energy is a general kind of fuel” är intresseväckande när de övriga synsätten förkommer, vad kan det bero på? Har de medvetet valt att utelämna “Energy is a general kind of fuel” på grund av ett didaktiskt perspektiv, eftersom synsättet kan tolkas som att energin går att förbrukas vilket inte stämmer överens med hur de
energikonservering och “Energy is an abstract accounting quantity” kunna medföra ytterligare svårigheter att förstå vad energi är?
6.2.3 Avslutande reflektioner
Denna diversitet mellan forskningsartiklarna kan medföra svårigheter för lärare att enkelt ta till sig den didaktiska forskningen. Artiklarna beskriver inte energibegreppet på ett enhetligt sätt. De lyfter fram olika aspekter vilket gör att det också blir svårt för lärare att dra lärdom av vad forskning rekommenderar. Det medför då svårigheter för lärare att undervisa om energibegreppet, eftersom det inte framgår i läroplanen för grundskolan (LGR11) hur undervisningen ska bedrivas. Det framgår däremot att undervisningen ska behandla “[e]nergins oförstörbarhet och flöde, olika typer av energikällor och deras påverkan på miljön samt energianvändningen i samhället." (Skolverket, 2019, s. 176). Frågan är då om denna spridning av energibegreppet i kombination med ett utelämnat hur i läroplanen kan medföra en bristfällig undervisning.
I ett sammanhang där skolan ska bedriva undervisning på vetenskaplig grund är det viktigt att forskningen är tydlig och samlad. Däremot speglar olikheterna i artiklarna energibegreppets många ansikten. Det finns inte ett sätt att beskriva energi på. Energi är komplext. Om alla dessa vetenskapliga studier (Besson & De Ambrosis, 2014; Brewe, 2011; Dawson & Stein, 2008; Herrmann-Abell & DeBoer, 2018; Lancor, 2014; Megalakaki & Thibaut, 2016; Nordine, Fortus et al., 2018; Nordine, Krajcik et al., 2011; Takaoğlu, 2018; Yuenyong & Yuenyong, 2007) kan ligga till grund för undervisning om energibegreppet, vad får det då för följder för undervisningen? Enligt den svenska skollagen i 1 kap. 9 § ska utbildningen “vara likvärdig […] oavsett var i landet den anordnas.” (SFS, 2010:800). Är detta då möjligt eftersom det inte verkar finnas någon enhetlig beskrivning av energibegreppet?
Vi uppfattar resultatet som att det inte är möjligt med en likvärdig utbildning kring energibegreppet. Orsaken till det är att alla lärare, likt så som forskare, inte delar samma definition av energibegreppet. Denna frihet att beskriva energibegreppet ger lärare möjlighet att använda energibegreppet på olika sätt anpassat till olika områden inom energiundervisning. Med det menar vi att olika situationer kräver olika beskrivningar av energi, till exempel beskriver vi energi på ett
Däremot upplever vi att det känns svårt för en lärare att använda energins många ansikten på ett sätt som leder till en förståelse av energibegreppet. Lärares uppdrag är att utforma en undervisning som ska ge elever möjlighet att kunna ” […] förklara och visa på olika enkla samband mellan energikällor, energianvändning och isolering med god koppling till energins oförstörbarhet och flöde.” (Skolverket, 2019, s. 181) enligt kunskapskrav för betyget A i slutet av årskurs 6. Vi uppfattar att detta kunskapskrav kan vara svårt att ge förutsättningar för att uppnå på grund av komplexiteten med energibegreppet eftersom den didaktiska forskningen inte är enkel att ta till sig och lärares ämneskunskaper bör vara mycket goda. Med det som grund, hur ska lärare kunna skapa en undervisning som är strukturerad och välplanerad när det inte finns en, utan flera, vetenskapliga beskrivningar av energibegreppet som lärare kan använda sig av?
Sammanfattningsvis kan vi konstatera att det finns en mängd olika synsätt att beskriva energibegreppet, däremot inget entydigt sätt. Vi upplever att denna studie synliggör komplexiteten kring att undervisa om energibegreppet. För att undervisningen ska leda till ett lärande vill vi påstå att lärare behöver goda ämneskunskaper och bör vara väl insatta i komplexiteten i energibegreppet, för att skapa en framgångsrik undervisning.
6.3 Vidare forskning
Då denna studie har synliggjort komplexiteten kring att undervisa om energibegreppet och visat att lärare behöver ha goda ämneskunskaper anser vi det intressant att undersöka hur lärare ser på och beskriver energibegreppet. Ett framtida forskningsområde skulle därför kunna vara att jämföra hur lärare i årskurs 4–6 inom samma kommun beskriver energibegreppet. Ytterligare ett framtida forskningsområde skulle kunna vara att undersöka hur lärare i årskurs 4–6 använder sig av nyckelidéerna och/eller energikonservering. Avslutningsvis skulle det även vara intressant att undersöka vilken kunskap om energi nyexaminerad NO-lärare besitter.
Referenslista
Andersson, B. (2008). Att förstå skolans naturvetenskap: forskningsresultat och nya idéer (1. uppl.). Studentlitteratur.
Besson, U., & De Ambrosis, A. (2014). Teaching Energy Concepts by Working Themes of Cultural and Environmental Value. Science & Education, 23, 1309–1338.
https://doi.org/10.1007/s11191-013-9592-7
Brewe, E. (2011). Energy as a substancelike quantity that flows: Theoretical considerations and pedagogical consequences. American Physical Society, 7 (2), 1–14.
https://doi.org/10.1103/PhysRevSTPER.7.020106
Dawson, T., & Stein, Z. (2008). Cycles of Research and Application in Education: Learning Pathways for Energy Concept. Mind, Brain, and Education, 2 (2), 90–
130. https://doi.org/10.1111/j.1751-228X.2008.00037.x
Duit, R. (2014). Chapter 5 Teaching and Learning the Physics Energy Concept. I Chen, R., Eisenkraft, A., Fortus, D., Krajcik, J., Neumann, K., Nordine, J., & Scheff, A. (Red.), Teaching and Learning of Energy in K – 12 Education (s. 67–83). Cham: Springer International Publishing.
Duit, R., & Neumann, K., (2014). Ideas for a teaching sequence for the concept of energy. School Science Review, 96 (354), 63–66.
Feynman, R. (1963). Conservation of Energy. I Feynman, R., Leighton, R., & Sands, M. (Red.), The Feynman Lectures on Physics: Commemorative Issue (s. 1-4) Addison-Wesley Publishing Co.
Harlen, W. (Ed.). (2010). Principles and big ideas of science education. Association for Science Education.
Herrmann-Abell, C., & DeBoer, G. (2018). Investigating a Learning Progression for Energy Ideas From Upper Elementary Through High School. Journal of Research in Science
Lancor, R. (2014). Using Metaphor Theory to Examine Conceptions of Energy in Biology, Chemistry, and Physics. Science & Education, 23, 1245-1267.
https://doi.org/10.1007/s11191-012-9535-8
Megalakaki, O., & Thibaut, J. (2016). Development and differentiation of force and energy concepts for animate and inmate objects in children and adolescents. Research in Science Education, 46, 457–480. https://doi.org/10.1007/s11165-015-9467-9
Millar, R. (2014). Chapter 11 Towards a Research-Informed Teaching Sequence for Energy. I Chen, R., Eisenkraft, A., Fortus, D., Krajcik, J., Neumann, K., Nordine, J., & Scheff, A. (Red.), Teaching and Learning of Energy in K – 12 Education (s. 187–206). Cham: Springer International Publishing.
Nordine, J., Fortus, D., Lehavi, Y., Neumann, K., & Krajcik, J. (2018). Modelling energy transfer between systems to support energy knowledge in use. Studies in Science Education, 54 (2), 177–206. https://doi.org/10.1080/03057267.2018.1598048
Nordine, J., Krajcik, J., & Fortus, D. (2011). Transforming Energy Instruction in Middle School to Support Integrated Understanding and Future Learning. Science Education, 95 (4), 670-699. https://doi.org/10.1002/sce.20423
Solomon, J. (1983). Learning about energy: how pupils think in two domains. Centre for Science Education, 5 (1), 49-59.
SFS. 2010:800. Skollag. https://www.riksdagen.se/sv/dokument-lagar/dokument/svensk-forfattningssamling/skollag-2010800_sfs-2010-800
Skolverket. (2017). Kommentarmaterialet till kursplanen i fysik: Reviderad 2017. https://www.skolverket.se/publikationer?id=3789
Skolverket. (2019). Läroplan för grundskolan, förskoleklassen och fritidshemmet 2011: Reviderad 2019. https://www.skolverket.se/publikationer?id=4206
Takaoğlu, Z. (2018). Energy Concept Understanding of High School Students: A Cross-grade Study. Horizon Research, 6 (4), 653–660. https://doi.org/10.13189/ujer.2018.060409 Yuenyong, C., & Yuenyong, J. (2007). Grade 1 to 6 Thai Students’ Existing Ideas about Energy.
Bilaga: Översikt över analyserad litteratur
Författare Publikations år Titel Tidskrift Syfte Urval Datainsamling LandHur beskrivs energi i didaktisk forskning?
Vilka energiformer beskrivs i didaktisk forskning?
Vilka nyckelidéer beskrivs i didaktisk forskning?
1.
Besson, U., & De Ambrosis, A., (2014). Teaching Energy Concepts by Working on Themes of Cultural and Environmental Value Springer Science Syftet med studien var att utveckla en strategi för att skapa en förståelse för de fysikaliska grunderna för växthuseffekt en och global uppvärmning. Med det ville de sammanföra miljöaspekten med vetenskapligt innehåll och energikoncept et. 121 elever totalt. 4 klasser med 17– 18 år. 2 klasser med 15– 16 år. USA
Med energikonceptet menar de: differentiating the concept of work, internal energy, temperature; considering the role of radiation in the tremal phenomena;
understanding energy conservation and energy balances in stationary situation and thermal non-eguilibrium (s.1310).
I artikeln skriver de att frågan “vad är energi?” kan ha en dubbel betydelse. Man kan fråga om “essence of energy! (energi i sin helhet) eller som en operativ och matematisk definition av energi som en fysisk kvantitet (storhet) (s.1312)
De beskrivare att man bör UNDVIKA en kort och enkel förklaring till vad energi är. De anser att man inte kan utveckla en förståelse för energi om man beskriver energi som temperatur eller massa. Energi kan endast
Ur ett undervisningsperspektiv är det värt att skilja på ledning och strålning (värme) som två sätt att överföra energi på. “Radiative transfer of energy to be added to mechanical and thermal transfer of energy. (s.1312).
Eleverna bör utveckla en god förståelse för; Energy
conservation principle and the first law of thermodynamics. Eleverna ska utveckla en förståelse för “transferring energy” “transformation of energy” (s.3112).
De anser att det är nödvändigt när det gäller energifrågor att fördjupa fysikinnehållet i ett vetenskapligt kulturläge genom att diskutera olika tolkningar och uppfattningar som förespråkat historiska debatter, ibland inte helt lösta, inte ens idag. (s.1315)
sammanhang och problem (s.1314).
Ur ett undervisningsperspektiv är det värt att skilja på ledning och strålning (värme) som två sätt att överföra energi på.
“Radiative transfer of energy to be added to mechanical and thermal transfer of energy. (s.1312).
2. Brewe, E., (2011) Energy as a substancelike quantity that flows: Theoretical considerations and pedagogical consequences American Physical Society Ett förslag på hur kursplanen skulle kunna ändras för att göra energy concept mer centralt i fysikundervisn ingen. Fokus på metaforer för energi som om det vore någon typ av substans. 30 universitetsstude nter (s. 10). USA.
Han beskriver (utifrån andra forskare) att det inte går att ge en precis definition av energi. Han skriver att Feynman säger “We have no idea what energy is.” Utifrån det konstaterandet väljer han att fokusera på att undervisa elever om energikonceptets egenskaper (s. 2).
Han väljer att beskriva tre
metaforer för energi, som ska vara till hjälp för elevers förståelse: Energi som en substans som kan lagras eller “contained in a container”. Alltså att det finns i ett system.
Energi kan flöda eller överföras från en behållare till en annan och kan då orsaka förändringar. Energi behåller sin identitet efter att ha “blivit överförd”. (s. 2). Att prata om energi som något substansliknande kan gynna förståelsen av “energy conservation, storage, and transfer” (s.3). Ett verktyg för att utveckla den förståelsen kan vara att se energi inom ett system.
Han menar att man bör undvika att prata om energi som former som omvandlas.
Energy conservation. Energy transfer.
Att prata om energi som något substansliknande kan gynna förståelsen av “energy
conservation and transfer” (s.3). Ett verktyg för att utveckla den förståelsen kan vara att se energi inom ett system.
3. Dawson, T., & Stein, Z., (2008) Cycles of Research and Application in Education: Learning Pathways for Energy Concepet Mind, Brain, and Education
Syftet med studien var att i samarbete med fysiklärare i “grade 9” utföra en studie för att utveckla övningar som utvecklar elevers användning för energikoncept et. Det genomfördes genom att analysera hur eleverna lärde sig energikoncept et. 96 intervjuer med “9-graders” 43 intervjuer med 5 – 13 åringar. USA
De fann att man ofta använder kraft och energi som synonymer till varandra (s. 94).
Lärare i studien uttryckte att eleverna hade svårigheter att förstå energikonceptet (s. 90). De beskrev att eleverna förknippade energi med rörelser samt att de blandade ihop kraft och energi (s. 93).
I den här studien analyserade de elevernas förståelse utifrån dessa energibenämningar; Kinetic, and potential energy Utifrån en lärares syn borde puttande och dragande demonstrera kraft medan “ability to do work” borde ses som energi (s. 94).
I studien nämner de att läraren utgår ifrån “concept of
transformation and transfer and the principle of concervation of energy”. (s. 94).
I studien utgår de inte ifrån de “key ideas” utan de väljer att fokusera på elevers “conceptual content” (s. 99).
4. Herrmann-Abell, C., & DeBoer, G., (2018). Investigating a Learning Progression for Energy Ideas From Upper Elementary Through High School Journal of Research in Science Teaching Studiens syfte var att bestämma på vilken nivå elevernas förståelse för energikoncept et ligger i tre olika “klassnivåer”. (s. 71). 20,551 elever. 2967 i år 4-5. 10207 i år 6-8. 7377 i år 9-12. (s. 80) USA
De beskriver energi utifrån fyra key ideas (major categories):
Energy forms and transformation Energy transfer
Energy dissipation and degradation Energy conservation
Energy transfer; idén om att energi kan överföras från en plats till en annan på olika sätt.
Energy conservation; idén om att den totala mängd energi i ett system förblir konstant om inte energi läggs
till eller släpps från systemet. (s. 72)
Energy forms and
transformations; idén om att energi visar sig i olika former, tex kinetic energy and gravitational potential energy. Kan omvandlas.
Energy dissipation and degradation; idén om att när energi har omvandlats eller överförts så överförs alltid lite energi till omgivningen som värmeenergi.
Energy forms and transformations Energy transfer Energy dissipation and degradation
Energy conservation
De testar i vilken ordning fyra kategorier av energiidéer lärs in (key ideas) (s. 70)
5. Lancor, R., (2014). Using Metaphor Theory to Examine Conceptions of Energy in Biology, Chemistry, and Physics Science & Education
Att lyfta olika typer av metaforer om energi i undervisning i ämnena kemi, biologi och fysik. Hon vill visa hur metaforer kan hjälpa till att skapa en uppfattning om energy concept. Hon vill även visa på hur energi skiljer sig beroende på i vilket ämne det behandlas. Litteraturstudie USA
Hon menar att energi är ett abstrakt koncept, det går inte att observera och det är omöjligt att direkt mäta det, vilket gör det svårt att definiera.
Hon menar dock att det är användbart att definiera de egenskaper som kännetecknar energins roll i olika vetenskapliga sammanhang. De använder sig av dessa fem kännetecken:
Energy conservation, i ett slutet system kan energi varken förstöras eller skapas.
Energy degredation, den totala mängden användbar energi i ett system kan över tid minska. Energin förstörs inte men den är inte längre användbar.
Energy transformation, energi kan omvandlas från en form till en annan.
Energy transfer, energi kan
överföras mellan komponenter i ett system “in a collision, one billiard ball transfers its kinetic energy to another.”
Energy source, energi kan
tillkomma till ett system. (s. 1251). Dessa kännetecken arbetar tillsammans för att skapa en bild av
Energy conservation
Energy degradation Energy transformation Energy transfer
If students are not taught about energy transformation and degradation alongside energy conservation, the energy crisis will make no sense to them.
energikonceptet som kan användas i olika sammanhang.
6.
Megalakaki, O., & Thibaut, J., (2016) Development and Differentiation of Force and Energy Concepts for Animate and Inanimate Objects in Children and Adolescents Springer Science Målet med studien var att lyfta missförstånd, “underlying conceptions” och konceptuella (begreppsliga) skillnader. I studien utformade de tre experimentella situationer, där varje situation innefattar ett samspel mellan “animate agent” och “inanimate” objekt. Vilket baserar sig på tidigare resultat av missförstånd mellan kraft och energi.
90 elever mellan 10–17 år. USA
De beskriver energi utifrån levande och döda ting. Eleverna bör beskriva energi som en relation mellan vikt och höjd när det gäller “inanimate” objekt (s.461). När det gäller det “animate” objekt ska energi beskrivas som en relation mellan höjd och vikt och begreppet överföring.
När de sammanfattade elevernas resultat valde de att kategorisera eleverna efter deras förståelse för energi.
1. Utifrån den här förståelsen ser eleverna energi i relation till en människa resultat av en handling och enbart det.
2. Den andra förståelsen kopplar eleverna energi till handling som utförs av en människa men tar bara hänsyn till ansträngningen som utförs.
3. I den tredje förståelsen beskriver eleverna energi men hänsyn till både ansträngning och resultat i beräkningen.
4. Om eleverna kategoriserade i den 4:e kategorin klassades de som att deras svar motsvarar den vetenskapliga synen på energi (ingen ytterligare förklaring) (s. 466).
När man refererar till kraft hänvisar man oftast till kinetic energi (s.459)
Energy Transfer nämns men beskriv inte i relation till “the key ideas”.
”Fenomenet” med conservation en degradation nämns när de talar om elevernas förståelse av energibegreppet (s458). De nämnder också Energy transformation i kombination med elevers förståelse (s. 458).
För att utveckla en förståelse för energi behöver eleverna ta hänsyn till alla komponenter som påverkar varandra i systemet (Enda gången de beskriver energi som ett system)
7. Nordine, J., Fortus, D., Lehavi, Y., Neumann, K., & Krajcik, J., (2018). Modelling energy transfer between systems to support energy knowledeg in use Studies in science education De har gjort en “review” och fokuserat på hur befintliga tillvägagångss ätt adresserar energiformer, rollen för energiöverföri ng mellan system och hur energikoncept et kan vara kopplat till idén om fält mellan interagerande objekt. Handlar om undervisningen om energi i mellanstadiet UK
De använder ett tillvägagångsätt där man inte pratar om
energiformer i undervisningen utan pratar istället om energiöverföring vilket då ger en tydligare bild av att energi är en “singel quantity” som måste relateras till ett fysikaliskt system, som kan var ett objekt eller området. (I vanligt fall benämns det som “potentiell energi” men denna förklaring ger en mer rättvis bild (s.178).
De beskriver energi som ett “fenomenen” som sker mellan två system där det måste ske någon förändring i båda systemen (s.185). De anser att det är ett bra verktyg för att förstå energi.
Att få en förståelse för att energi är en "single quantity” som måste associeras med ett fysikaliskt system som kan inkluderas av objekt, skapar en mer rätt förklaring av energi (s.185). Enligt deras tillvägagångsätt för att utveckla en förståelse för
energikonceptet, framförallt “transformation” ska man; Inte börja med att introducera begreppet energi utan prata om det som fenomen inom ett system (s.187)
De ser på energi utifrån vad de kallar ett “systems-transfer
Att kunna första att “potential energy” är lika verkligt som “kinetic energi” är
grundläggande för att förstå “energy conservation” (s.185). Detta perspektiv utgår inte ifrån energiformer men man
använder sig av
energiformernas terminologi när man pratar om energi (s.193).
Energy conservation “system perspective” Energy must be transferred Systems-transfer
En fördel med att introducera utifrån “system-transfer” perspektivet är att det ger en inblick i “energy transfer” på en partikelnivå (s.192).
Det är vanligt förekommande att man pratar on “transformation” i fysiken och mer vanligt att parta on “energy transfer” inom biologin och kemin (s.185).
perspectiv” vilket ska bidra till en förståelse av energi på en mikroskopis skala (s. 192).
8. Nordine, J., Krajcik, J., & Fortus, D., (2011). Transforming Energy Instruction in Middle School to Support Integrated Understanding and Future Learning Science Education Syftet med studien var att beskriva hur deras tillvägagångsä tt för att förklara/beskri va energikoncept et hade för effekter på elevers förståelse för just energikoncept et. 8th, 9th, 10th, 11th graders UK
Oavsett inom vilket område (biologi, kemi, fysik), energi beskrivs anser de att energiprincipen är enkel (s.671).
De vill att eleverna ska skapa sig en förståelse
för “energy conservation and degradation” (s.673).
I den här studien har de utformat sex lektioner men olika
tillvägagångssätt för att utveckla en förståelse
för energikonceptet (s.676). 1. Första lektionen ska eleverna identifiera olika typer av energi genom olika
laborativa arbetssätt som kan observeras fysiskt. De olika fenomenen som eleverna får möta är förknippat med fenomen som de möter dagligen i sin vardag; brödrost, gitarr, bärbara högtalare. 2. Lektion två ska skapa en förståelse
för “energy transformation”. D enna lektion fortsätter att knyta an till fenomen i vardagen, så som före och efter tillstånd (s.677). Under lektion började eleverna acceptera att
energi “transfoming into each
Elever måste läras sig om olika typer av
energi (kinetic, chemical, electri cal),
“energy transformeation and co nservation”, energiförlust och energikällor (s.676).
Vi förknippar “kinetic energy” med massa och hastighet efter som det går att räkna via en formel (s.676).
Law of concervation of energy (s.671).
De anser att lärare inte prata om “energi transformation” vilket är något som eleverna möter dagligen i sin vardag (s.672). Resultat: Tillvägagångsättet hjälper eleverna att utveckla en förståelse för energikonceptet relaterat till
“energy transformation” vilket ger eleverna goda förutsättningar för framtida studier om energi (s.682
3. Lektion tre handlar om “energy conservation”. Det valde att
introducera “conservation” so m en kvalitativ egenskap hos energi. Eleverna behöver skapa sig en förståelse för att energi finns inom ett system. 4. Lektion fyra handlar om att eleverna ska förklara “energy transformation” som äger rum när sopor brinner till varm ånga, och ångan använda för att snurra en turbin för att producera elektriskenergi (s.677)
5. Lektion fem handlar om att eleverna ska använda sin befintliga kunskapa om energi och reflektera över det för att kunna skapa ett diagram över “energy transformation” (s.678).
6. Lektion sex handlar det om jordens energiresurser. Eleverna får använda sig av sina tidigare kunskaper och utveckla en korrekt förklaring av en “ofullständig” förklang av jordens
energiresurser som de hitta i en tidning artikel. Det viktig är att eleverna utvecklar en förståelse för vad energi gör
förstöras, och att
“energy transfomation” oftast skapar värmeenergi som är svår att återanvänd (s.678).
9. Takaoğlu, Z., (2018). Energy Concept Understanding of High School Students: A cross-grade Study Horizon Research Syftet med studien var att bestämma hur elever uppfattar energi och relaterade begrepp på olika nivåer (abstract) Totalt 173 studenter. 15–17 år. 57 från år 9, 94 från år 10, 22 från år 11. Frågeformulär uppdelad i fyra delar med öppna frågor: definition of ener gy concept, energ y types, classifyin g energy types oc h conservation of energy (s. 654). Turkiet.
Energi är abstrakt. (abstract).
Deras definition av energi är att det är förmågan att utföra arbete (s. 655).
Med conservation of energy menar de att den totala mängd energi som finns i ett slutet system inte förändras (s. 657).
De anser att man kan prata om former av energi och att det finns åtta energi typer; kinetic, potential, mechanical, electrical , chemical, nuclear, sound och thermal (s. 656).
De framhäver energiformer och fokuserar på att eleverna ska hitta en definition av energi (s. 654).
Conservation of energy pratas det om men inte
