Hur utvecklas förståelsen? : Materiens partikelnatur och progressionen i grundskolan.

Hur utvecklas

förståelsen?

Materiens partikelnatur och progressionen i grundskolan.

KURS:Självständigt arbete, 15 hp PROGRAM: Grundlärarprogrammet 4–6

FÖRFATTARE: Malin Lidén och Josefin Sahlberg Examinator:Andreas Eckert

1 JÖNKÖPING UNIVERSITY Självständigt arbete för grundlärare 4–6

15 hp

School of Education and Communication Grundlärarprogrammet med inriktning mot arbete i grundskolans årskurs 4–6 Vårterminen 2021

___________________________________________________________________________ Malin Lidén och Josefin Sahlberg

Hur utvecklas förståelsen? Materiens partikelnatur och progressionen i grundskolan.

How is understanding developed? The particulate nature of matter and progression in primary education (year 1-9).

Antal sidor: 23 ___________________________________________________________________________

Abstrakt

I arbetet undersöks hur elevers progression mot en förståelse för materiens partikelnatur beskrivs i aktuella forskningsstudier. En systematisk litteratursökning leder fram till 10 vetenskapliga arbeten som alla behandlar elevers progression i ämnet. Arbetena analyseras utifrån olika aspekter; dels hur de beskriver en stegvis progression i förståelse, dels hur ”inzoomade” partikelkunskaper inledningsvis kan vara. Beskrivningarna diskuteras i relation till aktuell forskning och den svenska kursplanen i kemi. Studien bidrar med en diskussion kring materiens partikelnatur kopplat till utbildning, och uppmanar till att vidare utforska området, inte minst för att se över den svenska läroplanens beskrivning av progression i ämnet.

___________________________________________________________________________

Nyckelord: Materiens partikelnatur, partikelmodellen, atomer, molekyler, partiklar, elementarpartiklar, progression, förståelse, grundskola, basic particle theory.

2

Innehållsförteckning

3.2. Förståelse för materiens partikelnatur ... 5

3.3. Progression ... 7 4. Metod... 9 4.1. Litteratursökning ... 9 4.2. Urval ... 10 4.3. Materialanalys ... 12 5. Resultat ... 13

5.1. Beskrivning av nödvändiga ”kunskapspunkter”... 13

5.2. Beskrivning av progression i nivåer ... 14

5.3. Olika syn på introduktion ... 17

6. Diskussion ... 19 6.1. Beskrivningar av progression ... 19 6.2. Metoddiskussion ... 22 6.3. Slutsats ... 23 7. Referenser ... 24 8. Bilaga: Litteraturöversikt... 26

3

1. Inledning

Teorin om att all materia består av små partiklar har utvecklats genom århundraden. Forskning fortgår och utvecklas för att bättre förstå vilka världens minsta beståndsdelar är och hur de beter sig. Wiser och Smith (2008, s. 205) skriver fram materiens partikelnatur, bredvid Darwins evolutionsteori, som en av de viktigaste vetenskapliga teorierna. Materiens partikelnatur kan dock uppfattas som en komplex idé och att elever upplever den som abstrakt och svår att ta till sig är inte konstigt.

Den senaste PISA-undersökningen år 2018 visar att elever i Sverige ligger över genomsnittet inom naturvetenskapsämnena, framför allt inom biologi men även i kemi och fysik (Skolverket, 2019a). Det tyder på att undervisningen om naturvetenskapliga ämnen fungerar i den svenska skolan. I framkant inom svensk forskning i området finner vi grupper kring Björn Andersson. De har studerat elevers förståelse kring flera olika begrepp och sammanhang. Speciellt har de studerat elevers förståelse för materiens partikelnatur (Andersson, 2011). Det finns tecken på att vissa missuppfattningar elever har kring materiens partikelnatur kan finnas kvar långt upp i skolgången (Andersson, 2011, s. 214–217). Både i Anderssons forskning och i kursplanen för kemi ser vi förslag på progression för förståelse inom just materiens partikelnatur (Andersson, 2011, s. 211; Skolverket, 2019b, s. 186–189). Medan forskning visar på viss samstämmighet kring vilka svårigheter elever har i ämnet, har vi observerat några konflikter i beskrivningar av hur progressionen kan se ut. Vid vilken ålder är elever ”redo” att börja lära sig om partikelteori? Är det mer lämpligt att elever får analysera olika substanser och dess egenskaper innan de introduceras till konceptet att allt består av partiklar, eller kan det vara möjligt för unga elever att lära sig om komplexa system som kvarkar?

Enligt PISAs mätningar har svenska elever goda kunskaper i de naturvetenskapliga ämnena. Dock anser vi att det är relevant att undersöka olika syn på utvecklingen av förståelse för materia/partiklar. Det skulle kunna öppna upp för en diskussion kring huruvida något fortfarande saknas eller kan kompletteras kring just materiens partikelnatur i undervisningen.

4

2. Syfte

Uppsatsen syftar till att ge en överblick av elevers utveckling mot en förståelse som närmar sig en vetenskaplig förklaring av materiens partikelnatur. Detta syfte vill vi uppnå genom att svara på följande frågor:

- Hur beskrivs progressionen mot en förståelse för materiens partikelnatur i olika forskningsstudier?

- Vilka faktorer skulle kunna påverka hur forskning beskriver progressionen i olika forskningsstudier?

5

3. Bakgrund

3.1. Begrepp

Begrepp som används i forskningsstudier om naturvetenskapliga ämnen är inte alltid entydiga. Då olika studier använder sig av olika begrepp och betydelserna av dem skiljer sig åt anser vi att det är viktigt att särskilja dessa. Nedan följer några begreppsbeskrivningar.

Materiens partikelnatur

En vetenskaplig modell är en teoretisk och abstrakt förklaring av tänkta egenskaper hos ett fenomen. Exempelvis förklarar en atommodell hur vi ser på atomer och deras egenskaper (Modell, u. å.). Den teori inom naturvetenskapen, vilken beskriver materiens minsta beståndsdelar som små, osynliga partiklar, kan benämnas på olika sätt. I den svenska läroplanen benämns den ”partikelmodellen” (Skolverket, 2019b, s. 188), medan Nationalencyklopedin (Atomlära, u.å.) benämner denna teori som ”atomläran” eller ”atomismen”. I engelskspråkig litteratur kan man hitta flera olika benämningar som exempelvis ”particle nature of matter”, ”particle model of matter”, ”particulate matter” och ”atomic molecular theory”. Det finns alltså flera olika begrepp som avser samma sak. Vi har valt att hädanefter benämna denna teori om materiens beståndsdelar som ”materiens partikelnatur”.

Partiklar

De partiklar som materiens partikelnatur innefattar är bland andra molekyler, atomer och subatomära partiklar ned till elementarpartiklar. Elementarpartiklar är de minsta kända partiklarna, vilka innefattar både fotoner och kvarkar. Även elektroner räknas som elementarpartiklar. Protoner och neutroner består av kvarkar och finns i atomkärnan (elementarpartikel, u.å.). Protoner, neutroner och elektroner utgör atomen, vilken är den minsta beståndsdelen som har ett grundämnes egenskaper. Atomer kan i sin tur vara byggstenar för molekyler (Atom, u.å.). Med begreppet ”partiklar” specificeras inte vilka exakta partiklar som avses.

Makroskopiska och mikroskopiska system

Många av de artiklar som granskats använder begreppen ”makroskopisk” och ”mikroskopisk” i förklaringar av fenomen kring materiens partikelnatur. Mikroskopiska system avser fenomen som är så små att de inte kan observeras med ögat. Detta kan handla om isolerade partiklar eller små kombinationer av partiklar (Mikroskopiska system, u.å.). Makroskopiska system avser de system som är stora nog för ögat att uppfatta, eventuellt med hjälp av ett mikroskop (Makroskopiska system, u.å.). När begreppet makroskopisk används avses fenomen som kan uppfattas med ögat. exempelvis att is smälter till vatten. Den mikroskopiska förklaringen till vad som händer är att rörelserna och bindningarna mellan partiklarna förändras när temperaturen stiger. Ovanstående är ett förtydligande av vad vi menar med begreppen makroskopisk och mikroskopisk i vår uppsats.

3.2. Förståelse för materiens partikelnatur

Vilken kunskap om materiens partikelnatur är nödvändig för elever i grundskolan? Andersson (2008, s, 365–366) visar nio punkter han benämner som önskvärda insikter hos en nybörjare i kemi. De sammanfattas i tabell 1 nedan, och innefattar både kunskap om materia och kemiska

6

reaktioner. De punkter som huvudsakligen berör förståelse för materiens partikelnatur är punkt 1–5, medan punkt 6–9 bygger vidare på denna teori med fokus på reaktioner.

Den fjärde punkten i tabell 1 beskriver hur makroskopiska egenskaper kan förklaras genom kollektiva egenskaper hos de mikroskopiska partiklarna. Elever kan ha föreställningen att varmt vatten innebär varma molekyler, när det i själva verket är den genomsnittliga hastigheten hos vattenmolekylerna som bestämmer hur varmt det är (Andersson, 2011, s. 214). Elever med uppfattningen att partiklarna blir varma har inte förstått att den varma temperaturen hos substansen beror på en kollektiv egenskap hos partiklarna (genomsnittlig hastighet). Därför anses dessa elever ännu inte ha uppnått insikten i punkt 4 (tabell 1). Enligt Andersson (ibid.) är denna missuppfattning vanlig fram till grundskolans senare år. Ytterligare vanliga missuppfattningar berör konceptet tomrum och förståelsen för att partiklarna är materien, och inte något som finns inuti materien (Andersson, 2011, s. 214–217).

Barns uppfattning om materia byggs upp tidigt, helt på perceptuell basis (Wiser och Smith, 2008, s. 205). För att nå en vetenskaplig uppfattning behöver kunskap om exempelvis partiklars rörelser, fasförändringar och lagen om bevarande av massa utvecklas vidare från den perceptuella uppfattningen. Detta kräver att elever genomgår en konceptuell förändring (Wiser och Smith, 2008, s. 212). Medan Wiser och Smith (ibid.) beskriver vilka uppfattningar små barn kan bära med sig, som ger svårigheter med att nå en vetenskaplig förståelse, har Taber (2003, s. 45) studerat hur själva undervisningen kan bidra till vissa missuppfattningar. Han menar att användningen av inadekvata förklaringar och förenklade vetenskapliga modeller, särskilt kopplade till atommodellen, kan leda till en förståelse som inte är vetenskapligt korrekt. Detta kan försvåra för elever att ta del av högre utbildning senare i livet. Komplexiteten kring materiens partikelnatur riskerar leda till att elever formar ett flertal vanligt förekommande missuppfattningar vilka kan påverka elevernas förståelse.

7

3.3. Progression

Hur kan då vägen mot en förståelse av materiens partikelnatur se ut? Andersson (2011, s. 211) beskriver en möjlig progressionstrappa för lärandet kring materia. Han menar att en progression kan börja med grundläggande kunskap om material och konkreta erfarenheter kring fasförändringar. Därefter studeras teorin om partiklar med hjälp av gaser, innan man lär sig om flytande och fast form. Därefter finns en grund för att gå vidare till att studera olika grundämnen och kemiska reaktioner, sedan organismernas kemi, och slutligen kemiska fenomen kopplat till miljö- och hälsoproblem (figur 1).

Denna progression möjliggör en djup naturvetenskaplig förståelse (Andersson, 2011, s. 211). Hadenfeldt et al. (2014, s.193) visar en annan typ av progression. De har genomfört en systematisk litteraturanalys om materiens partikelnatur och frågan om progression i ämnet. Genom att analysera tidigare forskning har Hadenfeldt et al. (ibid.) sammanställt vad de kallar ett K-12-skelett (se figur 2) som visar elevers generella kunskapsprogression kopplat till materiens partikelnatur. Begreppet K-12 representerar förskola (kindergarten) till gymnasium (årskurs 12).

Figur 1 – Möjlig progressionstrappa för undervisning om materiens former och förändringar (Andersson, 2011, s. 211)

Figur 2 – översatt version av en sammanställning av progression i förståelse gällande materiens partikelnatur från förskola till gymnasium (Hadenfeldt et al, 2014, s. 193).

8

Den ovan beskrivna progressionen visar en generell bild av hur förståelsen för materiens partikelnatur kan utvecklas genom hela skolgången. Progressionen som visas i den svenska kursplanen i kemi (Skolverket, 2019b, s. 186–189) har likheter med både Anderssons (2011, s. 211) och Hagenfeldts (2014, s. 193). Enligt det centrala innehållet ska elever i årskurs F-3 lära sig om materials egenskaper och fasförändringar kopplat till vattnets och luftens grundläggande egenskaper (Skolverket, 2019b, s. 186–187). I årskurs 4–6 ska partiklar introduceras, för att beskriva och förklara materiens uppbyggnad och oförstörbarhet. Partiklars rörelser ska här kopplas till fasövergångar (Skolverket, 2019b, s. 187–188). I årskurs 7–9 ska återigen partiklar användas för att förklara materiens uppbyggnad, kretslopp och oförstörbarhet, och det är först i dessa årskurser undervisningen går djupare in på atomer, elektroner och kärnpartiklar. Vidare ska eleverna lära sig om kemiska föreningar och reaktioner, fasövergångar, spridningsprocesser i både luft, vatten och mark, samt miljö- och hälsoaspekter kopplat till dessa processer (Skolverket, 2019b, s. 188–189).

Även om progressionen som läroplanen beskriver i många hänseenden liknar Anderssons trappa (Skolverket, 2019b, s. 186–189; Andersson 2011, s. 211), finns det också vissa skillnader. Andersson specificerar att elever bör lära sig partikelmodellen med gaser, exempelvis luft, innan de undersöker flytande och fasta ämnen. Kursplanen beskriver hur elever ska undersöka både vatten och luft inledningsvis, vilket syns i kunskapskraven för årskurs F-3 (Skolverket, 2019b, s. 186–187). En studie som argumenterar för att börja med vätskor och fasta ämnen i stället för gaser är studien av Wiser och Smith (2008, s. 234). De beskriver att det kan vara bra för elever att lära sig om vätskor och fasta ämnen först, eftersom de kan uppfattas mer konkret än gaser.

Resultaten vi ser i PISA-undersökningen (Skolverket, 2019a, s. 24–27) tyder på att den progression i lärandet om materiens partikelnatur som används i svensk skola idag möjliggör lärande. Dock ser vi att det i forskning finns olika idéer kring progression. Både Hadenfeldt (2014, s.193) och Andersson (2011, s. 211) beskriver progressionen i olika nivåer med en viss årskursaspekt. Detaljerade beskrivningar av hur utveckling av förståelse för materiens partikelnatur sker saknas dock i dessa studier, eftersom de beskriver en mer generell syn på lärandet kopplat till kemiämnet respektive materiens partikelnatur. Vi anser det relevant att undersöka mer detaljerade beskrivningar med fokus på partiklar. Genom att jämföra de olika beskrivningar vi finner och ges möjlighet att upptäcka hur de hänger ihop med den svenska kursplanen i kemi och öppna upp för en diskussion kring huruvida nya rön bör tas med i undervisningen.

9

4. Metod

4.1. Litteratursökning

En inledande experimentell sökning genomfördes i ERIC (Education Resource Information Center), vilken valdes för sin inriktning på forskning inom det pedagogiska området. För full-text-sökning användes Google Scholar och PRIMO. Den experimentella sökningen syftade till att ge en överblick över den forskning som finns kopplat till ämnet materiens partikelnatur i undervisning. Inledningsvis användes sökord som particle, model, matter, chemistry och school i varierade kombinationer. Sökningarna visade att det fanns artiklar som berör ämnet.

Efter en kort granskning av sökresultatet insåg vi att det fanns flera olika begrepp gällande partiklar. Partikelmodellen, materiens partikelnatur och partikelteori är några begrepp vars engelska motsvarigheter vi noterade inför sökningen. Eftersom vi inriktar oss på elevers förståelse och progression mot förståelse föreslogs även sökorden understanding och

progression. Under sökningen kunde vi också se att det fanns ett stort utbud av texter som

behandlade gymnasie- och högskoleålder, vilka vi inte var intresserade av. Vi valde att söka främst efter artiklar som behandlade grundskolan och särskilt grundskolans tidigare år. De möjliga sökningarna primary school och elementary school noterades.

Därefter inleddes den mer inriktade artikelsökningen (tabell 2). Sökningarna genomfördes i ERIC, och full-textsökningar i Google Scholar och PRIMO. Då begreppsanvändningen i de olika artiklarna varierar fick sökningarna göras om ett antal gånger med varierad användning av begrepp.

10

Eftersom vi fick göra flera sökningar med olika begrepp blev relevansgranskning och urval en stor del av arbetet. Från de 19 artiklarna som sökts fram ovan inkluderades endast de som var peer reviewed, vilket var 15 artiklar. Därefter gjordes en rubrikgranskning för att se om innehållet ansågs relevant, varefter 12 artiklar återstod. Efter att ha granskat abstrakten på dessa artiklar exkluderades ytterligare sex artiklar. Till sist granskades fulltexten, varpå fyra artiklar var kvar (se flödesschema, figur 3).

Vi beslutade att gå vidare med en kedjesökning, som utgick från de fyra artiklarna som sökts fram. Vid analysen av de sökta artiklarna insåg vi att olika begrepp används för att förklara materiens partikelnatur och att det därför är svårt att inrikta sökningen. Av denna anledning genomfördes en sökning via referenslistor och de författare som framkom i de relevanta artiklar vi hade. Både från sökningen av författare och av verk från referenslistor noterades ett par verk. Under sökningen dök även relaterade artiklar upp. I de fall att titeln ansågs relevant noterades den. Kedjesökningen resulterade i ytterligare 12 artiklar. Urval gjordes återigen utifrån först abstrakt och sedan fulltext, vilket slutligen resulterade i sju artiklar. Inklusive litteratursökningen hade vi då 11 artiklar. Efter en noggrannare kvalitetsbedömning utifrån studiens syfte uteblev en och de 10 som återstod användes i arbetet (se flödesschema, figur 3).

4.2. Urval

Vid urvalet exkluderades först de artiklar som inte var peer reviewed. Efter det fortsatte urvalsprocessen med en relevansgranskning utifrån inkluderings- och exkluderingskriterier i tabell 3 nedan.

Tabell 3 - Inkluderings- och exkluderingskriterier

Först gjordes ett urval utifrån artiklarnas titel i sökningarna. De artiklar vars titlar ansågs relevanta gick vi vidare med och läste även abstrakten. De artiklar som platsade i urvalet var de som behandlade elevers progression i förståelse relaterat till materiens partikelnatur. Även de artiklar som hade ett lärarperspektiv inkluderades, men bara om de hade fokus på elevers utveckling av förståelse om partiklar. Både artiklar med inriktning på olika sorters partiklar som atomer eller elementarpartiklar och artiklar med inriktning på ”basic particle model” inkluderades. Artiklar som berörde väldigt avsmalnande områden som exempelvis kemiska reaktioner och bindningar eller endast gaser exkluderades. Endast artiklar som berörde grundskoleålder inkluderades. En artikel berör hela skolgången från förskola till och med gymnasieålder, men den ansågs relevant eftersom den berörde hela grundskoletiden. När fulltextläsning av artiklarna var genomförd gjordes en kvalitetsbedömning av de 11 artiklarna. Då exkluderades ytterligare en artikel. Nedan beskrivs urvalsprocessen i ett flödesschema (figur3) och en tabell över de slutgiltiga artiklarna (tabell4).

11

Tabell 4. Sökta artiklar, i bokstavsordning.

Figur 3 - Flödesschema över urvalsprocessen. Litteratursökning och kedjesökning genomgick gallring, relevansgranskning och kvalitetsbedömning och resulterade i 10 artiklar.

12

4.3. Materialanalys

Under materialanalysen söktes enligt första frågeställningen en beskrivning av hur elevers

förståelse för materiens partikelnatur utvecklas. Enligt andra frågeställningen söktes vad som skulle kunna påverka att beskrivningen ser ut som den gör. I en litteratursammanställning (se

bilaga) sammanfattades de beskrivningar av elevers progression som fanns i studierna under rubriken ”progression/kunskapspunkter”. Olika potentiella utgångspunkter som kan ha haft påverkan på hur progressionen beskrivs antecknades under rubriken ”utgångspunkter”. I litteratursammanställningen antecknades även vilka begrepp som används i studierna.

Texterna kategoriserades efter hur de motiverar och illustrerar syn på förståelse och progression, forskningens syfte samt vilken/vilka årskurser de berörde. Den huvudsakliga kategoriseringen skedde utifrån tabell 5 nedan, i tre kategorier:

• De texter som beskriver en progression utifrån vissa kunskapspunkter. • De texter som beskriver en progression stegvis, i olika nivåer

• De som beskriver en blandning av dessa

Vi fann också artiklar som i den beskrivna progressionen inte differentierar mellan olika sorters partiklar, och några som gör det. Vilken syn de olika artiklarna hade på vilka partiklar som behandlas antecknades under ”utgångspunkt” i litteratursammanställningen. Eftersom artiklarna utgick från olika årskurser antecknades även detta under rubriken ”studie” (se bilaga).

13

5. Resultat

5.1. Beskrivning av nödvändiga ”kunskapspunkter”

Ett av de centrala arbetena inom kategorin kunskapspunkter är Wiener et al. (2017). Studien bygger på resultaten från en föregående studie (Wiener et al., 2015) och i beskrivningen av kunskapsutveckling utgår de från materiens minsta beståndsdelar. Författarna undersöker möjligheten att undervisa om kvarkar redan i mellanstadieålder. I studien av Wiener et al. (2017, s. 136) definieras tio nyckelidéer (key ideas) för förståelse och progression. Vikström (2014, s. 717) har också definierat ett antal punkter för förståelse, och benämner dessa som kritiska aspekter (tabell 6).

I den tidigare studien av Wiener et al. (2015, s. 317) ingick även en elfte punkt, vilket löd ”det finns (olika) atomer, dessa kan kombineras och skapa olika ämnen”. Den finns inte med i studien från 2017. Författarna beskriver själva att den efter en elevutvärdering och intervjuer med deltagande lärare ansågs överflödig.

När punkterna från Wiener et al. (2017, s. 136) jämförs med Vikströms (2014, s. 717) kritiska aspekter syns vissa skillnader. Den mest uppenbara är att de punkter som Wiener et al. (2017, s. 136) beskriver är på elementarpartikelnivå medan Vikström (2014, s. 717) beskriver atomär nivå. Vikström (ibid.) beskriver hur förståelse av samtliga kritiska aspekter utvecklas simultant genom att de sätts i kontrast till varandra. De båda studierna från Wiener et al. (2015; 2017) utgår från att de olika kunskapspunkterna utvecklas samtidigt och att de är starkt sammankopplade med användandet av representationer.

Tabell 6. Översikt över nyckelidéer sammansatta av Wiener et al. (2017, s. 136), och Vikströms (2014, s. 717) kritiska aspekter gällande progression i förståelse kopplat till ämnet.

14

5.2. Beskrivning av progression i nivåer

Några studier beskriver progressionen som något som sker i olika steg. Johnsson (1998, s. 393) utgår från något han benämner ”basic particle theory”, vilket innebär att man inte skiljer på olika sorters partiklar. Eleverna lär sig om ”partiklar”, vilket kan vara atomer, joner eller molekyler. Fler studier beskriver en progression som tycks bygga på något som liknar ”basic particle theory”. Förståelsen byggs upp från en grundläggande uppfattning om substans eller material, till en utvecklad förståelse för att materien består av små partiklar i ständig rörelse, med endast tomrum mellan (Margel, 2007, s 147; Merrit och Krajcik, 2013, s. 12; Samarapungavan, 2017, s. 1001–1002). I figur 4 nedan presenteras de nivåer som dessa studier beskriver. Förståelsen rör sig från steg 1, vilket är en låg förståelse, till steg 3 eller 4, vilka beskriver en högre förståelse.

Vår tolkning är att de olika stegen representeras av förklaringsmodeller som eleven själv skapar kring materiens partikelnatur. De olika steg som författarna ovan beskriver är nästintill identiska. På den första nivån beskrivs substansen eller materialet som det upplevs. En elev som befinner sig på detta steg kan enligt Merrit och Krajcik (2013, s. 19–20) identifiera is och vatten som olika ämnen med olika beståndsdelar, eftersom det ena upplevs som hårt och det andra som flytande. De kan också beskriva substansen som kontinuerlig, i bemärkelsen att den endast beskrivs så som den upplevs (Johnsson, 1998, s.407). En elev som befinner sig på steg två i förståelsen kan ha inslag av både partiklar och makroskopiska egenskaper. Ett exempel för detta beskrivs som att en elev kan tro att det mellan luftpartiklarna finns ”luft” (Johnsson, 1998, s. 402). För att nå förståelsen att materialet har beståndsdelar som inte kan uppfattas med ögat, behöver de alltså förstå att materien består av mikroskopiska partiklar. På vägen till en sådan förståelse kan de hamna i en hybridförklaring, som att det finns partiklar men att det också finns ”luft”.

I det tredje steget börjar elevers förklaringsmodeller bli mer vetenskapliga. Eleverna förstår att partiklarna är materien och att det mellan partiklarna finns tomrum. Det är också i de sista

Figur 4. Översikt över beskrivning av progressionen i olika nivåer. Siffrorna i rutorna symboliserar det steg i förståelsen man kan befinna sig på enligt de olika beskrivningarna.

15

stegen som viss skillnad mellan de olika nivåbeskrivningarna syns. En av de ovan beskrivna artiklarna beskriver helt enkelt det sista steget som förståelsen att materien består av partiklar (figur 4, rad 4, steg 3). De tre andra artiklarna delar upp denna del av förståelsen i två delar, en där förståelsen är delvis komplett och en där förståelsen är komplett (figur 4, rad 1–3, steg 3 och 4). Johnsson (1998, s. 399) och Samarapungavan et al. (2017, s. 1001–1002) beskriver att elever på steg 3 i förståelsen applicerar makroskopiska egenskaper på partiklarna, som om partiklarna vore små delar av den stora massan. I det här steget behandlas förståelsen om att partiklarna är materien medan förståelsen för hur partiklarna beter sig kommer i nästa steg. För att nå den sista nivån behöver eleverna förstå att substansens egenskaper beror på de

kollektiva egenskaperna hos partiklarna (Johnsson, 1998, s. 399). Enligt nivåerna beskrivna av

Samarapungavan et al. (2017, s. 1001–1002) kan elever på den sista nivån urskilja olika partiklar, vilket också Merrit och Krajciks (2013, s. 19–20) beskriver. Johnsson (1998, s. 399) beskriver däremot inte att eleverna behöver känna till några olika sorters partiklar för det sista steget i förståelsen. En fullständig förståelse enligt författarna i figur 4 innefattar alltså en förståelse för partiklars egenskaper kopplat till materialets egenskaper. Vissa författare beskriver också kunskap om olika slags partiklar som en del av förståelsen i detta steg.

Sammanfattningsvis är beskrivningarna av progression i figur 4 väldigt lika. Skillnader mellan de olika studierna rör huvudsakligen de senare nivåerna. Dessa skillnader inbegriper partiklars kollektiva egenskaper och urskiljandet av olika slags partiklar eller inte.

Även Haeusler och Donovan (2020, s. 38) har i sin studie beskrivit en progression, med i endast tre steg. De har också delat upp den i två delar – förståelse för atomer och förståelse för molekyler (se figur 5). Till skillnad från nivåbeskrivningen i figur 4 särskiljs alltså mellan olika partiklar, och det är begreppen atom och molekyl som berörs. Studien undersökte om eleverna kan förstå komplexa fenomen kopplade till materiens partikelnatur, i syfte att finna motivering till huruvida sådant lärande kring materiens partikelnatur bör komma tidigare i läroplanen.

Figur 5- Haeusler och Donovans (2020, s. 38) beskrivning av förståelse gällande två områden, molekyler (övre raden) och atomer (nedre raden).

I det sista steget i förståelsenivåerna (figur 5) läggs till skillnad från i figur 4 ett steg om strukturell förståelse in. Atomer och molekyler, dess beståndsdelar och vissa bindningar ingår. Struktur och några olika sorters partiklar ingår alltså i förståelsen enligt dessa steg.

16

Liu och Lesniak (2005, s. 444) presenterar progressionen kopplat till årskurser för att visa förståelsen hos elever från lågstadiet till högskolenivå. De beskriver, likt Wiener et al. (2015; 2017) och Vikström (2014) (tabell 6), förståelsen i något som liknar kunskapspunkter. Vardera av de fyra punkterna är i sin tur indelade i stegvis utveckling, vilken sker över årskurserna (se figur 6). Liu och Lesniak (2005, s. 445) menar att förståelsen utvecklas utifrån tidigare inhämtad kunskap inom varje område, medan områdena i sig överlappar varandra. För att få förståelse för punkten om materiens oförstörbarhet behöver man först observera förändringar kopplat till materiens oförstörbarhet, sedan förklara och representera dessa. Därefter går man vidare och differentierar materia och förändringar för att sedan kunna förklara materia och förändringar(figur 6). De olika punkterna kopplas alla till samma steg i förståelsen och utvecklingen sker simultant. Därför kan Liu och Lesniaks (2005, s. 445) progression uppfattas som en blandning mellan kunskapspunkter och progression i nivåer.

Figur 6 – Översatt version av progressionen beskriven av Liu och Lesniak (2005, s. 445).

Wiser et al. (2013, s. 100–102) har likt Liu och Lesniak (2005, s. 444–445) kopplat progressionen av förståelse till årskurser i sin studie, vilken är en del av ett större forskningsprojekt. I studien beskrivs förståelsen från förskola till årskurs 5, med ett ytterligare steg (stepping stone) i årskurs 2. Hela progressionen från förskola till årskurs 5 innefattar dock endast kunskaper om material. Författarna visar nämligen att grunden för att kunna förstå materia kopplat till partiklar har ett starkt samband med förståelsen för materials egenskaper. Därför behandlas endast materials egenskaper och inte materiens partikelnatur i denna progression (Wiser et al., 2013). Progressionen utgår från kunskapspunkter som innefattar exempelvis vikt, volym och mängd (Wiser et al., 2013, s. 100–102) men viss nivåprogression

17

inom kunskapspunkterna synliggörs också. Exempelvis inom kunskapspunkten ”material” finns en progression från baskunskaper till djupare kunskap. Likt den progression som Liu och Lesniak (2005, s. 445) beskriver syns alltså även här en blandning av kunskapspunkter och nivåer. En simplifierad sammanfattning av denna progression presenteras i tabell 7 nedan.

Tabell 7 - Sammanfattad version av tabell med kunskapspunkter kopplat till progressionen över årskurser (Wiser et al., 2013, s. 100–102). Kunskapspunkterna beskrivs under rubrikerna i fetstil och progressionen går från förskoleålder till årskurs 5.

I tabell 7 ovan ser vi att Wiser et al. (2013, s. 100–102) beskriver en progression där materiens partikelnatur inte introduceras alls under grundskolans tidigare år. Även Liu och Lesniak (2005, s. 448) uttrycker idéer om att vänta med undervisning om partiklar till högre årskurser. Årskursaspekterna som lyfts leder oss in på att vidare undersöka beskrivningar av var och när progressionen kring materiens partikelnatur kan börja.

5.3. Olika syn på introduktion

Haeusler och Donovan (2020, s. 25) utgår i sin studie från att den australiensiska läroplanen kanske introducerar materiens partikelnatur onödigt sent. Utöver frågan om när materiens partikelnatur bör introduceras undersöker de även hur elevernas motivation till ämnet kan hämmas av att vänta med att förklara komplicerade fenomen. Elevernas tidiga intresse för att få svar på hur världen fungerar ser de som ett argument till att inte vänta med introduktionen av materiens partikelnatur (ibid.). Wiener et al. (2015, s, 322) går ett steg längre och menar att elever i mellanstadieålder kan lära sig om elementarpartiklar, och undersöker möjligheten till detta. Resultaten från de båda studierna tyder på att elever kan lära sig om komplicerade naturvetenskapliga fenomen redan tidigt i skolåren. Enligt Wiener et al. (ibid.) kan en progression där kvarkar introduceras tidigt ge en god grund att bygga vidare på, mot förståelsen

18

för bland annat partiklars interaktioner och laddningar. Det kan således finnas en möjlighet att undervisa om mer komplicerade partikelkoncept redan i låga åldrar.

De artiklar som använder ”basic particle theory” för att resonera kring undervisning om materiens partikelnatur beskriver däremot en annan syn. Det framstår i artiklarna som om ”basic particle theory” betonar att det finns partiklar, snarare än att särskilja mellan olika slags partiklar (figur 4). Wiser et al. (2013, s. 119) menar att en grundläggande förståelse av materiens egenskaper är ett viktigt steg mot en djupare förståelse. De beskriver en progression där grundläggande förståelse av materia byggs upp i förskola och låg- och mellanstadieålder, och att materiens partikelnatur introduceras först i högstadiet (middle school) (Wiser et al., 2013, s.

100–102). Liu och Lesniak (2005, s. 448) hävdar också att materiens partikelnatur inte bör introduceras så tidigt som i mellanstadiet, trots att det är vanligt förekommande. I stället lyfter de fram möjligheten att vänta med undervisning om materiens partikelnatur så långt som till gymnasiet, och då i huvudsak för de elever som läser en naturvetenskaplig inriktning. Det finns alltså både en syn om att partiklar kan introduceras relativt tidigt, men att olika partiklar inte behöver differentieras, och en syn att vänta helt med materiens partikelnatur till högre årskurser. De olika studiernas beskrivning av elevers utveckling mot en förståelse av materiens partikelnatur skiljer sig åt i väsentliga delar. Huvudsakligen ser vi två olika typer av beskrivningar – de som beskriver progression utifrån olika steg i nivåer och de som beskriver progression utifrån kunskapspunkter. Det skulle kunna beskrivas som en linjär kontra icke-linjär syn på progression. Dessutom finns det olika beskrivningar kring åldersaspekten. Å ena sidan finns det en antydan att elever i unga åldrar kan vara mottagliga för komplexa naturvetenskapliga system. Å andra sidan finns det flera studier där det antyds att det är bättre att bygga en god grundförståelse för material innan materiens partikelnatur introduceras. En annan möjlighet är att introducera elever till generella ”partiklar”, men att inte beskriva olika slags partiklar.

19

6. Diskussion

6.1. Beskrivningar av progression

I några av studierna definieras nödvändiga kunskaper (Vikström, 2014, s. 717; Wiener et al., 2015, s. 317; Wiener et al., 2017, s. 136). Dessa studier har både likheter och skillnader med Anderssons (2008, s, 365–366) önskvärda insikter hos nybörjaren i kemi. Exempelvis kan förståelsen för att det förutom partiklar endast finns tomrum, vilket både Vikström (2014, s. 719–723) och Wiener et al. (2015, s. 319) beskriver, jämföras med Anderssons (2008, s. 365– 366) punkt om att materien är partiklarna och partiklarna är materien. Däremot kan vi inte hitta någon motsvarighet till Anderssons första insikt om materiens bevarande och omstrukturering (figur 1) hos vare sig Vikström eller Wiener et al. Materiens oförstörbarhet skrivs fram som viktig i kursplanen för kemi (Skolverket, 2019b, s. 185). Även Liu och Lesniak (2005, s. 444– 445) beskriver materiens bevarande och omstrukturering som en viktig förståelse. Ändå finns det några artiklar som inte lyfter denna aspekt alls, vilket är ett exempel på en utmärkande skillnad i beskrivningen av viktiga delar av materiens partikelnatur. Uppenbarligen finns det fler skillnader mellan de olika artiklarna, vilket leder oss till vår andra frågeställning, nämligen vilka faktorer som skulle kunna påverka hur beskrivningen av progressionen är upplagd?

Möjliga orsaker till skillnader

Vad kan det bero på att de olika studierna landar i olika beskrivningar av vad som är nödvändig kunskap för att elever ska sägas förstå materiens partikelnatur? Till att börja med använder de olika beteckningar för vad elever behöver kunna. Andersson (2008, s. 365–366) beskriver ”önskvärda insikter hos nybörjaren i kemi” medan Wiener et al. (2017, s. 144–146) beskriver ”nyckelidéer för att förstå materia”. Vikström (2014, s. 717) benämner sina punkter som ”kritiska aspekter”. Anderssons (2008, s. 365–366) punkter beskriver inte bara förståelsen för materia, utan även kunskap om kemiska reaktioner och förändringar. Eftersom de punkter som Wiener et al. (2017, s 136) och Vikström (2014, s. 717) beskriver i stället fokuserar på kunskap om materia saknas sådana punkter i deras listor. En uppenbar orsak till skillnaderna blir därför hur brett ämnesområde de berör.

Även om man bortser från punkterna om kemiska reaktioner i Anderssons lista kan vi se skillnader. Wiener et al. (2017, s. 136) beskriver exempelvis orbitalen i vilken elektroner kan hittas, och går därmed djupare in i kvantfysiken än de övriga texterna. En orsak till detta kan vara att Wiener et al. (2017) utgår från undervisning om elementarpartiklar och interaktioner mellan partiklar, medan Vikström (2014) inte berör elementarpartiklar alls. Anderssons önskvärda insikter (2008, s. 365–366) visar endast insikter om ospecifika partiklar, vilket ligger i linje med flera av de andra artiklarnas ”basic particle theory” (Johnsson 1998; Margel et al., 2007; Merrit och Krajcik, 2013; Samarapungavan et al., 2017). Skillnaden kan därför bero på att de har olika ingång till partikelundervisningen. Vi ser också att det kan vara en fråga om detaljbeskrivning. Wiener et al. (2017, s. 136) är detaljerade i sin beskrivning av nödvändiga kunskaper. Andersson (2011, s. 365–366) beskriver området kemi mycket bredare och har därför inte samma höga grad av detaljbeskrivningar om vilka kunskaper om partiklar som innefattas i sina önskvärda insikter. En möjlig orsak till hur progressionen beskrivs kan alltså vara hur detaljrika författarna är i sin beskrivning.

20

Om vi i stället jämför Hadenfeldts (2014, s.193) K-12-skelett och Anderssons (2011, s. 211) progressionstrappa med de artiklar som i någon form beskrivit progressionen i nivåer (Johnsson 1998; Liu och Lesniak, 2005; Margel et al., 2007; Merrit och Krajcik, 2013; Samarapungavan et al., 2017; Wiser, 2013) kan vi se vissa skillnader. Återigen kan vi se en skillnad i hur brett ämnesområde som berörs. Medan Anderssons (2011, s. 211) progression berör hela kemiämnet beskriver de andra artiklarna en progression som endast berör materiens partikelnatur. Det skulle kunna förklara varför de andra artiklarna inte har med exempelvis delar som miljöpåverkan i sin progression (Johnsson 1998; Liu och Lesniak, 2005; Margel et al., 2007; Merrit och Krajcik, 2013; Samarapungavan et al., 2017; Wiser, 2013). Både Andersson (2011, s. 211) och Hadenfeldt (2014, s.193) beskriver en mer generell progression över årskurserna. De beskriver inte detaljer som hur eleverna behöver uppfatta tomrummet mellan partiklarna, vilket de andra beskriver tydligt. Vilka aspekter som lyfts fram i själva beskrivningen kan alltså bero på hur mycket detaljer man valt att lyfta fram.

En intressant skillnad är just att Andersson (2011, s. 211) beskriver att kunskap om gaser bör komma först, medan varken kursplanen eller artiklarna som beskrivit progressionen i steg gör det (Johnsson 1998; Liu och Lesniak, 2005; Margel et al., 2007; Merrit och Krajcik, 2013; Samarapungavan et al., 2017; Skolverket 2019b, s. 186–189; Wiser, 2013). De analyserade artiklarna, och kursplanen, skulle i den frågan kunna anses ligga närmre Wiser och Smiths (2008, s. 205) åsikt om att flytande och fasta ämnen ger större möjligheter att uppleva ämnen med konkreta erfarenheter. I det här sammanhanget verkar alltså Andersson (2011, s. 211) vara ganska ensam om att fokusera på gaser inledningsvis.

Missuppfattning som grund

Vår tolkning är att samtliga studier genomförs med samma motiv – en ökad möjlighet att ge elever en fullt fungerande förståelse av materiens partikelnatur. En utgångspunkt för flera av studierna verkar vara att undersöka hur man kan undvika att elever utvecklar missuppfattningar kring ämnet. En stor del av den grund som Wiener et al. (2015, s. 314) presenterar handlar om de missuppfattningar elever kan få som ett resultat av undervisningen och om hur de vill motverka dessa. Johnsson (1998, s. 410) beskriver däremot att missuppfattningar kan fungera som en byggsten mot förståelsen. De två första stegen i figur 4 kan uppfattas som felaktiga förklaringar av materiens partikelnatur, eftersom elever i de stegen beskriver materien som en kontinuerlig massa eller att mikroskopiska partiklar har samma egenskaper som makroskopiska ämnen. Däremot kan missuppfattningarna enligt Johnsson (ibid.) vara nödvändiga steg mot att bygga en korrekt förståelse för materiens partikelnatur.

De missuppfattningar som Andersson (2011, s. 214–217) beskriver som vanliga återfinns i flera av de analyserade artiklarna (Vikström, 2014, s. 717–724; Wiener et al., 2015, s. 314). Exempelvis beskriver Vikström (2014, s. 717–724) ur ett lärarperspektiv vikten av att betona kopplingen mellan vad som observeras på makroskopisk nivå och mikroskopisk nivå. Särskilt konceptet med tomrum och att atomerna är materien är viktigt, vilket även beskrivs av Andersson (2011, s. 214–217). För att motverka eller komma runt vanligt förekommande missuppfattningar i ämnet är det viktigt att känna till dem, poängterar (Vikström, 2014, s. 712). Just elevers missuppfattningar skulle kunna vara en anledning till hur kunskapspunkter, kritiska aspekter, eller progressionsnivåer i studierna har utformats.

21

Vikström (2014, s. 718) lyfter också särskilt fram vikten av att betona var man inte hittar partiklar, så att elever inte bildar missuppfattningar kring detta. Det faktum att vissa fenomen inte behöver en partikelmodell för att förklaras, såsom ljus eller värmestrålning, är därför en kritisk aspekt enligt henne. Det skulle kunna innebära att andra delar av fysik- och kemiämnena också kan ha påverkan på förståelsen för materiens partikelnatur.

Missuppfattningar kan både tolkas som ett hinder för lärande, och som ett steg mot en korrekt förståelse. Vissa progressionsbeskrivningar och kunskapspunkter kan ha formats med just avsikten att motverka missuppfattningar som grund. Även andra delar naturvetenskapens fenomen och relationer mellan dessa skulle kunna bidra med viktiga insikter för att utveckla förståelsen för just materiens partikelnatur.

Kontraster i beskrivningarna

Ovanstående resonemang leder till en stor kontrast i hur studierna beskriver undervisning om materiens partikelnatur – nämligen hur och när utvecklingen av förståelsen kring materiens partikelnatur bör börja. I de studier som analyserats kunde vi identifiera två nästan helt motsatta åsikter om var undervisning om materiens partikelnatur bör ta sin utgångspunkt: de som anser att kvarkar kan introduceras redan i låg- och mellanstadieålder (Wiener et al., 2015; Wiener et al. 2017), och de som anser att inga partiklar bör beröras innan högstadieålder (Liu och Lesniak, 2005; Wiser et al., 2013). Dessutom finns det en kontrast i vilka partiklar som bör beröras – atomer, molekyler och kvarkar (Haeusler och Donovan, 2020; Wiener et al., 2015; Wiener et al. 2017), eller ej specificerade partiklar enligt ”basic particle theory” (Johnsson 1998; Margel et al., 2007; Merrit och Krajcik, 2013; Samarapungavan et al., 2017).

De argument vi finner för att progressionen kan utgå från elementarpartiklar, som exempelvis kvarkar, är hur en fundamental del av naturvetenskapen ligger i just förståelsen för partiklar och dess rörelser. Att bygga hela undervisningen på kunskaper om elementarpartiklar kan ge stora därför möjligheter (Wiener et al. 2015, s. 322). De flesta andra studier i analysen visar däremot en progression som överensstämmer med Johnsson (1998); lärandet kring materiens partikelnatur börjar med ”basic particle theory”. Wiser et al. (2013, s. 199) antyder att en grundläggande förståelse för olika materials egenskaper är ett viktigt steg i förståelsen. I figur 4 beskrivs en sådan förståelse som det första steget för samtliga fyra studier. Därför tolkar vid det som att alla författare representerade i figur 4 anser det är viktigt, men att Wiser et al (2013) i sin progressionsmodell lägger särskilt stor fokus på materials egenskaper och väntar med partiklar till efter årskurs 5. Taber (2003, s. 46) menar att elever kanske inte bör skilja mellan olika sorters partiklar, såsom atomer, molekyler och joner i yngre åldrar (11–14 år). Haeusler och Donovan (2020) föreslår däremot en progression där atomer och molekyler introduceras tidigt även om de inte går så långt som till kvarkar (figur 5). Detta kan tolkas som ett mellanting mellan ”basic particle theory” och synpunkten att börja med kvarkar. Progressionen i den svenska kursplanen kan snarare tolkas som att det är på högstadiet olika sorters partiklar som atomer och kärnpartiklar introduceras (Skolverket, 2019b, s. 186–189). Idéer om hur och när undervisningen ska introducera olika slags partiklar anses alltså vara delad.

Är progressionen linjär?

Under analysarbetet noterades en olikhet som rör kunskapsstegen och om progressionen ska betraktas som linjär eller inte. Hadenfeldt (2003, s. 193) och Andersson (2011, s. 211) beskriver

22

båda en stegvis progression mot högre nivå av förståelse. Några av studierna utgår från steg eller nivåer för att visa en progression i elevers förståelse (se figur 4 och 6). Elevers utveckling av förståelse genom stegen beskrivs i en nästintill linjär ordning. Johnsson (1998, s. 399) menar att det inte måste vara så linjärt. Förståelsen kan gå från exempelvis steg 2 till steg 4, och hoppa över steg 3, men ändå ske i någon sorts kronologisk ordning. Liu och Lesniak (2005, s. 444– 445) beskriver hur ny inhämtad kunskap bygger på den tidigare kunskap man har i ämnet, vilket man skulle kunna se som en linjär progression. Dock beskrivs även en relation mellan de fyra beskrivna kunskapspunkterna. Snarare än en linjär progression kan man se Liu och Lesniaks (ibid) progression som ett nät där olika kunskaper vävs samman. Även Vikström (2014, s. 718) beskriver hur lärandet kring flera kunskapspunkter sker parallellt och öppnar upp för möjligheten att utveckla konceptet om materia jämsides med andra delar av naturvetenskapen. En linjär progression där förståelsen går från steg 1 till steg 4 kan således vara en väldigt simplifierad representation av hur lärande går till.

6.2. Metoddiskussion

I den forskning vi fann återkom flera författarnamn i artiklarna, och studierna var ofta inbördes refererade till varandra. Det kan därför tyckas vara ett ganska smalt och relativt outforskat kunskapsområde, särskilt när det kommer till grundskoleålder vilket denna uppsats fokuserar på. Så långt vi kunnat se är Wiener et al. (2015; 2017) ensamma om att ha undersökt om undervisning om kvarkar kan ha effekt så tidigt som i låg- och mellanstadieålder. I sökningarna hittade vi inga andra författare som undersökt denna möjlighet. Eftersom vi inte tagit del av andra studier som genomförts med syftet att undersöka om unga elever kan lära sig om elementarpartiklar kan denna uppfattning förefalla ensidig. För den här studien anses den dock relevant, eftersom vårt syfte är att studera just hur förståelse och progression i ämnet kan beskrivas.

Eftersom artiklarna kan ha olika syfte och olika utgångspunkter skulle området kunna anses vara brett att utforska. Styrkan i att undersöka ett så brett spektra av artiklar, med olika årskurser och olika utgångspunkt, skulle kunna vara att få en bredare syn på förståelse och olika infallsvinklar. Hade man i stället sökt en tydlig bild av progressionen av förståelse utifrån vissa årskurser skulle en analys av artiklar som berör samma åldrar varit lämplig. En annan möjlig ingång kunde vara att ha en smalare syn gällande progressionen. Det hade eventuellt gett större möjlighet att observera skillnader inom exempelvis just synsättet ”basic particle theory”. Vi valde att fokusera på grundskoleåren och ta med flera olika syner på progression i den här studien. Detta beror delvis på att vi anser att den bredare synen ger en större överblick, och dels på utbudet av artiklar i området. Antalet artiklar inom vissa begränsade årskurser och med begränsad syn på progression ansågs vara för lågt för att kunna göra en tillförlitlig analys. Det finns naturligtvis en risk att vårt eget intresse har påverkat tolkningen av de olika beskrivningarna av progression. Trots att studien behandlar artiklar från flera årskurser är vi på grund av vår yrkesinriktning mest intresserade av hur elever utvecklar förståelse under just mellanstadieåren. Det kan därför vara så att vi tittat mest på de delar som berör just dessa årskurser, och därför inte tagit ett tillräckligt brett tag om hela grundskoletiden. Trots detta kan vi visa en ganska samstämmig progression gällande förståelse för materiens partikelnatur, vilket var det vi syftade till att göra.

23

6.3. Slutsats

I aktuella forskningsstudier finns flera olika beskrivningar av progressionen i förståelse gällande materiens partikelnatur. Resultatet i studien pekar på att det finns flera likheter i beskrivningarna. Flera studier beskriver hur progressionen går från en perceptionsbaserad uppfattning om materia, till en förståelse för att egenskaperna hos en substans beror på de kollektiva egenskaperna hos mikroskopiska partiklar, och en förståelse för interaktion och beståndsdelar i dessa. Vissa viktiga steg mot denna förståelse beskrivs också, exempelvis förståelsen av att partiklar är materien.

Åsikter om huruvida elever bör undervisas om olika sorters partiklar i tidig ålder eller inte skiljer sig åt. Flera studier visar att elever utvecklar olika nödvändiga kunskaper om materiens partikelnatur parallellt och eventuellt parallellt med kunskap om andra fysikaliska fenomen (Liu och Lesniak, 2005, s. 444–445; Vikström, 2014, s. 718). Det finns tecken på att komplicerade koncept kring materiens partikelnatur kan introduceras tidigare, och att det är möjligt för unga elever att förstå koncept med atomer, molekyler, och till och med elementarpartiklar (Haeusler och Donovan, 2020; Wiener et al., 2015; Wiener et al., 2017). Baserat på det låga antalet studier som pekar på detta anser vi dock att ytterligare forskning krävs för att undersöka saken mer i detalj.

Det finns många delar i den forskning vi tagit del av som stämmer överens med hur den svenska kursplanen för kemi är uppbyggd för att leda till en fungerande förståelse av materiens partikelnatur. Även om det finns skillnader i forskning kring vilken kunskap som är nödvändig inom ämnet, och hur progressionen kan se ut, ser vi att forskningen visar flera möjliga alternativ. Huruvida den del av kursplanen i kemi som berör materiens partikelnatur behöver göras om eller inte behandlar vi inte i den här uppsatsen. Däremot ser vi en poäng med att vidare undersöka nya rön i området, för att utforska om något kan kompletteras i kursplanen.

24

7. Referenser

Andersson, B. (2008). Att förstå skolans naturvetenskap. Forskningsresultat och nya idéer. Studentlitteratur.

Andersson, B. (2011). Att utveckla undervisning i naturvetenskap: kunskapsbygge med hjälp

av ämnesdidaktik. Studentlitteratur.

Atom (u.å.). Nationalencyklopedin. Hämtad 2021-03-03

från http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/lång/atom Atomlära (u.å.). Nationalencyklopedin. Hämtad 2021-03-03

från http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/lång/atomlära Elementarpartikel (u.å.). Nationalencyklopedin. Hämtad 2021-03-03 från

http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/lång/elementarpartikel

Hadenfeldt, J. C., Liu, X., & Neumann, K. (2014). Framing students’ progression in understanding matter: a review of previous research. Studies in Science

Education, 50(2), 181-208.

Haeusler, C., & Donovan, J. (2020). Challenging the science curriculum paradigm: Teaching primary children atomic-molecular theory. Research in Science Education, 50(1), 23-52.

Johnson, P. (1998). Progression in children's understanding of a ‘basic’particle theory: A longitudinal study. International Journal of Science Education, 20(4), 393-412. Liu, X., & Lesniak, K. M. (2005). Students' progression of understanding the matter concept

from elementary to high school. Science Education, 89(3), 433-450. Makroskopiska system (u.å.). Nationalencyklopedin. Hämtad 2021-03-03 från

http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/lång/makroskopiska-system

Margel, H., Eylon, B. S., & Scherz, Z. (2008). A longitudinal study of junior high school students' conceptions of the structure of materials. Journal of Research in Science

Teaching: The Official Journal of the National Association for Research in Science Teaching, 45(1), 132-152.

Merritt, J., & Krajcik, J. (2013). Learning progression developed to support students in building a particle model of matter. I Concepts of matter in science education (s. 11-45). Springer.

Mikroskopiska system (u.å.). Nationalencyklopedin. Hämtad 2021-03-03 från http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/lång/mikroskopiska-system Modell (u.å.). Nationalencyklopedin. Hämtad 2021-03-03 från

http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/lång/modell

Samarapungavan, A., Bryan, L., & Wills, J. (2017). Second graders’ emerging particle models of matter in the context of learning through model‐based inquiry. Journal of Research

25

Skolverket (2017). Kommentarmaterial till kursplanen i kemi (reviderad 2017). Skolverket. Hämtad 2021-03-03 från https://www.skolverket.se/publikationer?id=3810

Skolverket (2019a). 15-åringars kunskaper i läsförståelse, matematik och naturvetenskap Rapport 487. Skolverket.

Skolverket (2019b). Läroplan för grundskolan, förskoleklassen och fritidshemmet 2011.

Reviderad 2019. Skolverket.

Taber, K. S. (2003). The atom in the chemistry curriculum: Fundamental concept, teaching model or epistemological obstacle? Foundations of Chemistry, 5(1), 43-84.

Vikström, A. (2014). What makes the difference? Teachers explore what must be taught and what must be learned in order to understand the particulate character of

matter. Journal of Science Teacher Education, 25(6), 709-727.

Wiener, G. J., Schmeling, S. M., & Hopf, M. (2015). Can Grade-6 Students Understand Quarks? Probing Acceptance of the Subatomic Structure of Matter with 12-Year-Olds. European Journal of Science and Mathematics Education, 3(4), 313-322. Wiener, G. J., Schmeling, S. M., & Hopf, M. (2017). Why Not Start with Quarks? Teachers

Investigate a Learning Unit on the Subatomic Structure of Matter with 12-Year-Olds. European Journal of Science and Mathematics Education, 5(2), 134-157. Wiser, M., Frazier, K. E., & Fox, V. (2013). At the beginning was amount of material: A

learning progression for matter for early elementary grades. I Concepts of matter in

science education (s. 95-122). Springer.

Wiser, M., & Smith, C. L. (2008). Learning and teaching about matter in grades K-8: When should the atomic-molecular theory be introduced. International handbook of research

26

8. Bilaga: Litteraturöversikt

Studie Utgångspunkt Progression/kunskapspunkter Begrepp Övriga anteckningar

Haeusler, C., Donovan, J. 2017

Challenging the Science Curriculum Paradigm: Teaching Primary Children Atomic-Molecular Theory.

Ålder: 9 år

Studien: elever i årskurs fyra där 90 % av eleverna inte kunde något om atomer eller molekyler innan undervisningen. Undersöker elevers förståelse efter undervisning.

Diskuterar Piagets idéer. Andra, nyare forskare väger in. Ser istället lärandet som en dynamisk och icke-linjär process.

Urskiljer mellan atomer och molekyler.

Tabell ( s. 38). Kategorier av förståelse för tolkning av elevers ritningar av representationer. Uppdelat i molekylär förståelse och atomförståelse.

(tabell i fullstorlek längst ned i dokumentet). Har definierat förståelsenivåer för att kunna analysera resultatet.

Atoms Molecules

27

Studie Utgångspunkt Progression/kunskapspunkter Begrepp Övriga anteckningar

Johnsson, P. 1998

International Journal of Science Education, vol 20, no 4. Progression in children's understanding of a ‘basic’ particle theory: a longitudinal study. Ålder: 11-14 år. (åk 7-9) Utgår ifrån - konstruktivistisk syn - att lärandet ses som en existerande förståelse och nya erfarenheter (s. 395) - ”basic particle idea” - olika forskares idéer om vad många elever

missförstår kring partiklars natur:

(1) Tomrummet mellan partiklar i relation till tillstånd (fast, flytande, gas).

(2) Partiklars rörelser. (3) Idéer kring krafter och attraktion mellan partiklar. (4) Tomrummet mellan partiklar.

(5) Själva materiens partikelnatur. (s. 394).

Fyra olika mentala

partikelmodeller elever besitter identifieras. Författaren menar att kunskapsutvecklingen mot en ”egentlig” partikelmodell går via dessa stadier.

X. Partiklar har ingen mening A. Partiklar ritas men massan är mellan partiklarna.

B. Massan är partiklar, men partiklarna har makroskopiska egenskaper. Exempelvis när is smälter, smälter också partiklarna. C. Partiklarna är massan och egenskaperna hos ett ämne ses som kollektiva egenskaper hos partiklarna.

(s. 399).

Undersökningen undersöker vilken kunskapsnivå som eleverna befinner sig på.

“basic particle idea” ”nature of particles”

Eleverna kan röra sig genom nivåerna. Det vanligaste är att de går via A-B-C, men de kan också hoppa A-C.

Elever kan befinna sig på nivå B för ett ämne, exempelvis socker, och nivå C för ett annat, exempelvis vatten. (s. 406).

28

Studie Utgångspunkt Progression/kunskapspunkter Begrepp Övriga anteckningar

Liu X. and Lesniak, K. M. 2005

Students’ Progression of Understanding the Matter Concept from Elementary to High School

Fischers dynamiska modell för kognitivt lärande. Menar att ämneskunskaper inhämtas samtidigt som levers kognitiva utveckling går framåt.

Beskriver progression över hela skolgången. Ej olika sorters partiklar förrän senare åldrar.

Beskriver inte bara en progression utan kopplar det även till

årskurser. Fyra områden. (s.455) • Informellt lärande om materia • Konservation/fysiska egenskaper och förändringar

• Kemiska egenskaper och förändringar

• Struktur och sammansättning Visar på något som liknar ett spindelnät där områdena

överlappar och utvecklas parallellt

Intressant kognitiv aspekt Baseras på TIMSS resultat och litteratur som är relevant för området.

29

Studie Utgångspunkt Progression/kunskapspunkter Begrepp Övriga anteckningar

Margel, Hannah; Eylon, Bat-Sheva; Scherz, Zahava 2007

A Longitudinal Study of Junior High School Students’ Conceptions of the Structure of Materials. Åk 7-9 Studien undersöker förändringen av elevers uppfattning om materia och dess strukturer när de studerar material efter en ny kursplan i naturvetenskap och teknologi. Den nya metoden utgår ifrån en elevcentrerad

konstruktivistisk modell med spriraltänk kring inlärningen av

fundamentala koncept. Urskiljer ej mellan olika sorters partiklar.

Studien identifierar i huvudsak tre mentala modeller (s. 147)

gällande elevers uppfattning av materia och dess struktur.

Spiralmodellen. Ämnet presenteras I flera steg. An additional method is to teach this subject based on a "spiral" model, which involves teaching the topic in several steps, so that at each step, the basic ideas are presented, repeated, and refined, and consequently, a deeper and more

meaningful understanding is acquired

Talar om utvecklandet av mentala modeller när de genomfört studien. Studien är dock baserad på åk 7-9. Den är sprungen ur den nya kursplanen Matmon som behandlar material i olika stadier och nivåer och kopplar modeller, strukturer på makroskopisk och mikroskopisk nivå.

30

Studie Utgångspunkt Progression/kunskapspunkter Begrepp Övriga anteckningar

Merritt, J and Krajcik, J 2013

Learning Progression Developed to Support Students in Building a Particle Model of Matter Ålder: 11-14 år (åk 7-9) (med ett par undantag med elever som var äldre)

Utgångspunkten är missuppfattningarna. Learning progressions (s. 16-17)

Urskiljer ej mellan olika sorters partiklar.

“Particle model of matter construct map”. This map illustrates how students’ understanding of the particle model builds over time”. 4 nivåer:

Descriptive model Mixed model Basic particle model Complete particle model

“The particle model of matter” (PMM)

Particle nature of matter Learning progressions (s. 16-17)

Progress variables (s. 17) Progress variables

visualiseras med “construct maps” som delar upp utvecklingen i nivåer.

Måste bygga på elevers tidigare kunskaper för att komma framåt.

Kopplar till

språkanvändning också. Kan ha betydelse för utvecklingen av förståelse.

31

Studie Utgångspunkt Progression/kunskapspunkter Begrepp Övriga anteckningar

Samarapungavan, A., Bryan, L., and Wills, J. 2017

Second Graders’ Emerging Particle Models of Matter in the Context of

Learning Through Model-Based Inquiry

Åk 2.

”big ideas”

Modell-baserad approach Urskiljer ej mellan olika sorters partiklar.

De frågor som ställdes kategoriserades genom att identifiera svaren utifrån en lista definierade förståelsenivåer. Varje fråga sattes i relation till listan separat för att se vilka situationer som förståelsen var utvecklad i. (s. 1001-1002)

MPG (modeling in the primary grades).

Model-based inquiry: målet är att stödja integrerat naturvetenskapligt lärande som engagerar elever i naturvetenskapligt arbetssätt.

The goal of model-based inquiry approaches is to support integrative science learning that engages students in the practices of scientific investigation. (s. 989)

32

Studie Utgångspunkt Progression/kunskapspunkter Begrepp Övriga anteckningar

Vikström, A. 2014

What Makes the Difference? Teachers Explore What Must be Taught and What Must be Learned in Order to Understand the Particulate Character of Matter

6 deltagande lärare Åk 7-9

Variationsteori användes genom hela processen. 1.Fokus på inlärning. Försöka identifiera kritiska aspekter elever måste går runt/ta sig förbi för att förstå och lära in.

2.Använda tre olika sorters variation i processen. Variationen i elevers sätt att förstå ämnet. Variationen i lärares sätt att förstå och lära ut. Variationen som en guidande princip för en pedagogisk design;

identifiera kritiska aspekter, skapa mönster av variation på ett systematiskt sätt för att göra det möjligt att gå runt dessa kritiska aspekter. Pratar mycket om atomer.

Lärarna i studien summerade sina erfarenheter och kom fram till de kritiska aspekterna när det gäller naturvetenskaplig undervisning gällande materia. (s.717) Kunskapspunkterna eller de kritiska aspekterna bearbetas parallellt genom variationsteori och kontrasteras mot varandra för att minska missuppfattningar.

33

Studie Utgångspunkt Progression/kunskapspunkter Begrepp Övriga anteckningar

Wiener, G. J., Schmeling, M. och Hopf, M.

2015

Can Grade-6 students understand quarks? Probing acceptance of the subatomic structure of matter with 12-year-olds.

Åk 6

Utgår ifrån The permanent model character of science (Hertz, 1899) där modeller är en grundsten i

undervisningen. Undervisningen byggs kring dessa modeller där man förankrar det man gått igenom i en modell, som man sedan besöker om och om igen för att befästa ny kunskap. Ex. med den här modellen beskriver vi… Språkriktighet. Viktigt med att vara konsekvent och använda adekvat ordförråd. Ex. nucleus = nucleus space för att minska missförstånd. Typografiska illustrationer Utgår från att elever kan lära sig om kvarkar.

Studiens slutliga input täcker 11 nyckelidéer (key ideas)(s.317) Nyckelidéerna bygger på varandra men förståelsen djupnar och utvecklas simultant genom idéerna.

Varje nyckelidé introducerar ett begrepp eller fenomen som studiens resultat visat vara viktiga för förståelsen

permanent model character of physics key ideas kvarkar och elementarpartiklar Använder sig av educational researchers istället för ordinarie lärare under studien.

34

Studie Utgångspunkt Progression/kunskapspunkter Begrepp Övriga anteckningar

Wiener, G. J., Schmeling, M. och Hopf, M.

2017

Why not start with quarks? Åk 6

Utgår ifrån användningen av modeller

(representationer) i undervisningen samt språkriktighet och

typografiska illustrationer. Den slutgiltiga versionen av learning unit baseras på tio “key ideas” (nyckelidéer) som är grundläggande för introduktionen av

subatomiska strukturen hos materia. Dessa

grundläggande steg rekonstruerades för att passa introduktionen av ämnet för 12 åringar som påbörjar sin

fysikundervisning. Utgår från att elever kan lära sig om kvarkar.

Bygger på en tidigare studie (Wiener et al, 2015)

De här “key ideas” (nyckelidéer) kan delas upp i två sektioner. 1-2 som generella idéer och 3-10 som partikelmodell idéer, som

motsvarar specifika modeller av partikelfysik som undersöks. S. 136

Efter studien 2015 reviderades listan och resulterade i tio key ideas key ideas kvarkar och elementarpartiklar novel typographic illustrations Del av en serie undersökningar gjorda i samma ämne.

35

Studie Utgångspunkt Progression/kunskapspunkter Begrepp Övriga anteckningar

Wiser, M., Frazier, K. E., and Fox, V.

2013

At the Beginning Was Amount of Material: A Learning Progression for Matter for Early

Elementary Grades

Ålder: Förskola till årskurs 2 (och upp till åk 5)

LPM (learning progression for matter) definierat av tidigare forskning. LPM är baserat på kognitiva idéer om hur materiakoncept lärs in, och är organiserat utifrån core concepts. Tittar på LPM (lärande progressionen för materia) jämfört med läroplaner. Elever lär sig inte om partiklar alls förrän efter årskurs 5.

Delar upp level of progression i de olika årskurserna.

Core concepts – idéer som måste utvecklas.

Lever concepts – ett steg mot ett core concept. Man kan befinna sig på olika nivåer mot förståelsen av ett core concept.

Finns olika stepping stones på vägen.

Table 2 – core concepts och lever concepts, s. 101-102

Nivåer som studien nämner lower anchor och upper anchor. Lower anchor börjar på förskolan. Upper anchor beskrivs som den nivån av förståelse som bör finnas vid årskurs 5. Detta kan sedan vara en stepping stone mot förståelse i högre årskurser.

Finns små steg man tar hela vägen. Stepping stones beskrivs som de ”stora stegen”.

Den här studien fokuserar på vad som händer mellan Level 1 och Grade 2 stepping stone, alltså hur de når dit.

atomic-molecular theory (AMT)

Learning progression for matter

Core concepts Lever concepts