Konstruktivistisk fysik i gymnasieskolan

Examensarbete

Vårterminen 2002

MALMÖ HÖGSKOLA Gymnasielärarutbildningen

Författare: Anders Elmqvist och Henrik Jönsson Handledare: Lars Jakobsson

KONSTRUKTIVISTISK FYSIK I GYMNASIESKOLAN

Arbetet syftar till att ge exempel på hur konstruktivismen kan användas praktiskt genom olika arbetssätt inom fysikundervisningen i den svenska gymnasieskolan. Arbetssätten som tas upp är demonstrationsexperimentet, den induktiva och den deduktiva klassrumslaborationen, hemlaborationen samt problemlösningen. För vart och ett av dessa arbetssätt ges ett exempel i konstruktivistisk anda, som så vitt upphovsmännen vet, inte tidigare har använts i detta sammanhang. Några av arbetssätten har testats i undervisning av upphovsmännen och därefter utvärderats.

Jag vill tala så alla kan fatta, ja, så att alla kan förstå,

både om det som är roligt och lätt och om det som verkar svårt.

Danslåt för yttrandefriheten, Hoolabandoola band

När jag blir nyfiken står tiden still Då blir jag pigg och orkar lite till …

En enkel fråga: Varför är det så?

Jag har ingen aning men det roar mig ändå Düsseldorf, bob hund

Innehåll

1 INLEDNING 5

2 SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNING 6

3 METOD 6

4 KONSTRUKTIVISMEN – VÅRT DIDAKTISKA RÄTTESNÖRE 7

4.1 Inledning 7

4.2 Konstruktivismens utveckling 7

4.2.1 Det undersökande arbetssättet 7

4.2.2 Jean Piaget 7

4.2.3 Robert Gagné, Jerome Bruner och David Ausubel 7

4.2.4 Douglas Barnes 8

4.3 Rosalind Driver och konstruktivismen 9

4.4 Exempel på konstruktivistisk metodik 10

5 LÄRO- OCH KURSPLANER – VÅRA JURIDISKA RÄTTESNÖREN 11

5.1 Inledning 11

5.2 Skollagen 11

5.3 Läroplanen för gymnasieskolan 11

5.4 Kursplanerna för fysikämnet 11

5.5 Slutsats 12

6 UNDERVISNINGSSITUATIONENS BEGRÄNSNINGAR – VÅRA PRAKTISKA RÄTTESNÖREN 13

6.1 Inledning 13 6.2 Genomgången 13 6.3 Lärardemonstrationen 13 6.4 Elevlaborationen 13 6.4.1 Klassrumslaborationen 14 6.4.2 Hemlaborationen 14 6.5 Problemlösning 14

7 GENOMFÖRANDE OCH RESULTAT 15

7.1 Inledning 15 7.2 Svävaren – en demonstration 15 7.2.1 Inledning 15 7.2.2 Utförande 15 7.2.3 Testet 17 7.2.4 Utvärdering 17 7.2.5 Diskussion – Hur bör experimentet användas för maximalt utbyte? 18 7.3 Harmoniska oscillatorn – en induktiv laboration 21 7.3.1 Inledning 21 7.3.2 Utförande 21 7.3.3 Diskussion 21

7.4.1 Inledning 22 7.4.2 Utförande 22 7.4.3 Diskussion 22 7.5 Plasma i din mikrovågsugn – en hemlaboration 23 7.5.1 Inledning 23 7.5.2 Utförande 23 7.5.3 Diskussion 23

7.6 Om en bild – en samling räkneproblem 24

7.6.1 Inledning 24 7.6.2 Utförande 24 7.6.3 Utvärdering 25 7.6.4 Diskussion 26 8 AVSLUTANDE DISKUSSION 27 9 TACK 28 10 REFERENSER 29

11 APPENDIX 1;SVÄVAREN –BAKGRUND OCH FUNKTION 31

12 APPENDIX 2;SVÄVAREN –BYGGBESKRIVNING 34

13 APPENDIX 3;SVÄVAREN –ENKÄT 36

14 APPENDIX 4;HARMONISKA OSCILLATORN –LABORATIONSHANDLEDNING 37

15 APPENDIX 5;ACCELERATORDOCKA –LABORATIONSHANDLEDNING 38

16 APPENDIX 6;PLASMA I DIN MIKROVÅGSUGN –LABORATIONSHANDLEDNING 39

17 APPENDIX 7;OM EN BILD –UPPGIFTER OCH LÖSNINGSFÖRSLAG 41

17.1 Stocken 41

17.2 Lösningsförslag till Stocken 42

17.3 Hängmattan 43

17.4 Lösningsförslag till Hängmattan, enklare variant 44 17.5 Lösningsförslag till Hängmattan, svårare variant 45

17.6 Krafterna 46

17.7 Bollen 47

17.8 Lösningsförslag till Bollen 48

1 I

Det är nyttigt att ibland fundera över vad man egentligen sysslar med och varför. Som fysikstuderande bör man därför fråga sig ”Varför skall man lära sig fysik?”.

För oss redan frälsta besvaras frågan med svar som ”För att förstå hur naturen fungerar” eller ännu enklare ”För att det är roligt”, men som elev på gymnasiet kan det ibland vara svårt att se det roliga och lustfyllda i fysikundervisningen. Detta kan bero på flera olika saker, bland andra:

• Språket vi använder för att beskriva fysikaliska skeenden är matematik, vilket kan vara svårt och onödigt abstrakt för många elever.

• Fysiken vi undervisar uppfattas inte som intressant eller spännande.

• Fysiken vi undervisar är inte kopplad till elevernas vardag; till deras verklighet. Dessa problem har utretts i många böcker, bland annat Naturvetenskap som allmänbildning [4], i vilken Svein Sjöberg konstaterar:

… naturvetenskap är svårt… det kan formuleras som en paradox: ”naturvetenskapliga ämnen är onaturliga.” Både vetenskapens tankebyggen och dess metoder är främmande för människor i allmänhet. Likaledes är vetenskapens ideologier, värderingar och världsuppfattningar på kant med de uppfattningar som delas av de flesta.

Hur skall vi komma till rätta med de här problemen?

För att minska matematikens negativa inverkan tror vi att fysikundervisningen bör byggas upp huvudsakligen kring experiment. Vår idé för att väcka elevens intresse, är att en del av dessa experiment med fördel kan vara spektakulära, men även att eleverna serveras

vardagsnära laborationer som i möjliga fall till och med kan utföras i elevens hem. Andra faktorer som vi tror kan göra undervisningen intressantare är att inte styra eleverna för mycket; att inte kväva deras kreativitet, humor och lekfullhet, samt att utnyttja deras tidigare kunskaper.

Den initierade inser kanske att det vi ovan beskriver är en kortversion av ett relativt nyutvecklat pedagogiskt tänkesätt, nämligen konstruktivism. Kanske kan man frestas att förenkla problematiken och basunera ut lösningen som ett slagord: Applicera konstruktivism! Men hur gör man detta rent praktiskt? Svaret på denna fråga är naturligtvis mycket stort, och låter sig näppeligen besvaras i ett examensarbete på fem poäng. Dock kan man fördjupa sig i några exempel på hur detta kan gå till, och det är precis vad vi vill göra med detta

examensarbete.

Vi har en spektakulär demonstration, två klassrumslaborationer, en hemlaboration och slutligen några uppgifter som kräver kreativitet av eleven samtidigt som de visar på fysiken i vardagen. I vissa fall, men inte alla, har vi testat våra idéer på eleverna vi undervisat under vår praktikperiod, och härvid har även utvärderingar av elevernas syn på experimenten gjorts.

2 S

Den inlärningsfilosofi vi mest kommit i kontakt med under lärarutbildningen, är, som sagt, konstruktivismen. Vi tycker att denna lära verkar bra som didaktiskt rättesnöre, men vi kan föreställa oss att man måste tänka efter för att på ett fruktsamt sätt tillämpa konstruktivismens idéer i gymnasieskolans fysikundervisning. Detta därför att man dels måste ta hänsyn till skolans styrdokument, dels den reella klassrumssituationen. Vår frågeställning är således:

Hur kan vi i gymnasieskolans fysikundervisning ta hänsyn till konstruktivismens pedagogiska idéer och samtidigt följa vedertagna styrdokument?

Syftet för vår egen del med detta examensarbete är att inkorporera en serie nya experiment och infallsvinklar i vår pedagogiska medvetenhet. De objekt vi i vårt examensarbete intresserar oss för, är dels experiment eller arbetsmetoder vi själva hittat på, dels sådana vi hittat på Internet eller sett i någon bok. I varje enskilt fall fokuserar vi vårt intresse på vad vi anser vara ett relevant urval av konstruktivistiska principer.

För de objekt, som vi testat under vår praktiktid, frågar vi oss även:

Hur upplevde eleven experimentet/arbetssättet, och kan det förbättras?

3 M

Vi började med att läsa in oss på didaktisk facklitteratur och styrdokument, samt resonera kring de idéer vi funnit särskilt intressanta och kunnat tänka oss vara väl tillämpbara. Vi ägnade under arbetets början mycket tid åt att söka och själva testa experiment och idéer som vi tyckte var intressanta, och som vi trodde vara lämpliga föremål för vår frågeställning. Vi har sedan tittat på de arbetssätt som är tillämpbara i klassrumssituationen, och vi har valt att lägga upp vårt arbete med utgångspunkt från dessa arbetssätt. För att täcka in de aktuella arbetssätten har vi härvid valt att utforma våra objekt som, i tur och ordning; en

demonstration, en induktiv klassrumslaboration, en deduktiv klassrumslaboration, en hemlaboration, samt en samling räkneproblem av öppet slag.

Det första momentet som tas upp, Svävaren, har testats med en NV2-klass om 13 elever på Ekbackesskolan i Osby. Det sista momentet, Om en bild, har testats med en NV1-klass och en NV2-klass på Spyken i Lund, och båda dessa klasser bestod av 20 elever. I dessa två fall har en anonym enkät använts för att utröna elevens upplevelse av arbetssättet. I övriga fall får läsaren själv ta ställning till om experimentet eller arbetssättet kan tänkas tas emot positivt av eleven.

4 K

–

4.1 Inledning

Det egentliga uppbrottet från äldre tiders auktoritära syn på pedagogik, kan sägas ha börjat på allvar vid Sovjetunionens uppskjutning av Sputnik år 1957. Detta satte fart på USA. Man insåg att man inte längre var överlägsen på alla områden, och drog igång stora projekt för forskning inom den naturvetenskapliga pedagogiken. Vi fann stort intresse i att läsa om den pedagogiska utvecklingen i Börje Ekstigs bok, Undervisa i fysik [1] som beskriver

konstruktivismen och dess framväxt från dessa omvälvande händelser, fram till våra dagar. Informationen i detta kapitel är hämtat ur nämnda bok, sidorna 36-71, såvida inte annorledes hävdas.

4.2 Konstruktivismens utveckling

4.2.1 Det undersökande arbetssättet

Utan att orda för mycket om de amerikanska projekten ovan, kan vi nämna att man kom fram till att elevaktivitet, problemlösning och betoning av centrala begrepp ledde till ett mer genuint intresse hos eleven, samt en djupare och mer beständig kunskap än den gamla utantillinlärningen. Det undersökande arbetssättet såg dagens ljus, och i korta drag talar man här om att all inlärning bör ske i tre steg, vilka utgör en så kallad inlärningscykel:

• Fri undersökning

• Introduktion av begrepp • Tillämpning av begrepp 4.2.2 Jean Piaget

Skillnaden mot det gamla "katekespluggandet" är redan här markant, men en fortsatt

utveckling krävde ett vidare studium av inlärningspsykologi, och ett stort namn härvidlag är Jean Piaget, som fokuserar på elevens så kallade förföreställningar. Med detta menas de tidigare erhållna föreställningar, anpassade efter elevens mognadsnivå, om hur världen fungerar. Konfrontation med nya fenomen leder till en konflikt, som föranleder eleven att tolka händelsen så att den passar in i dess världsbild (assimilation), eller i bästa fall att modifiera sin världsbild för att kunna förklara vad som händer (ackommodation). Denna omkodningsprocess leder förhoppningsvis till en ny jämvikt och kallas självreglering. Den är i regel ganska mödosam och tidskrävande för individen, vilket är viktigt för en lärare att ha insikt i.

Vidare konstaterar Piaget att barns kognitiva utveckling inte kan påskyndas mer än till en viss gräns. Han talar bland annat om den konkreta operationsnivån, på vilken barnet befinner sig under lägre skolåldern, och den vid tonåren inträdande formella operationsnivån, under vilken barnet erhåller förmågan till abstrakt tänkande. Under den konkreta operationsnivån kan barnet ännu inte tänka hypotetiskt eller abstrakt, utan begränsas till att särskilja invarianta egenskaper som volym, massa, antal, och att klassificera föremål.

Numera tar man ganska lätt på åldersbundenheten för dessa mognadsnivåer, men insikten om att en elev, oberoende av ämnet, kan begränsas av sina logiska strukturer, anses viktig. 4.2.3 Robert Gagné, Jerome Bruner och David Ausubel

På vägen mot konstruktivismen, vill vi bara kort nämna Robert Gagnés, Jerome Bruners och David Ausubels bidrag till utvecklingen:

Gagné lägger stor vikt vid att slutmålet för undervisningen klargörs för eleverna, samt att läraren vinnlägger sig om att identifiera alla underordnade delmål på vägen till detta slutmål. Sedan planen för undervisningen lagts upp bör läraren ta reda på elevernas förkunskaper, med andra ord var i hierarkin av delmål eleven befinner sig.

Bruner betonar aktivitetsaspekten samt begreppsbildningen; den omkodning av

förföreställningarna, som leder till nya begrepp och ny kunskap, är en värdefull process, som är minst lika viktig för eleven som kunskapen i sig. Det är vidare önskvärt om eleven leds in på den självreglering, som Piaget talar om, genom att upptäcka, att ställas inför en

förbryllande situation, till vilken man måste finna en förklaring på grund av sin oförställda nyfikenhet. På detta sätt integreras stoffet i elevens kognitiva strukturer på ett betydligt effektivare sätt, varvid det blir lättare att frammana ur minnet.

Ausubel kompletterar Piagets betraktelse av innehållsoberoende logiska strukturer genom att närmare granska innehållsspecifika logiska strukturer. Han dristar sig till att ifrågasätta det undersökande arbetssättet, på grund av att detta tar för lång tid, och att det kanske leder till en intolkning av händelsen utefter de redan etablerade förföreställningarna och därmed en inskärpning av dessa, istället för en omformning, vilket är det önskvärda. Det är helt enkelt inte säkert att eleven tar till sig vad som var avsett.

Det väsentliga är istället att inlärningen är meningsfull, det vill säga att den relaterar till elevens befintliga kognitiva strukturer i ämnet i fråga, till skillnad från mekanisk inlärning, vilken leder till att stoffet blir instabilt och lätt att glömma. Det spelar då mindre roll om arbetssättet är undersökande och upptäckande, eller om eleven är föremål för verbal undervisning. Direkt avgörande är dock att eleven är inställd på meningsfull inlärning, och inte har siktet inställt på att "komma lättare undan" genom utantillinlärning

Att eleven är inställd på att lägga den nya kunskapen till sina redan befintliga kognitiva strukturer säkerställs bland annat genom en väl genomtänkt introduktion till stoffet, vilken fungerar som ett skelett som underlättar den meningsfulla inlärningen.

4.2.4 Douglas Barnes

Att språket är ett redskap för inlärning kan låta självklart, men är en inom naturvetenskaplig didaktik ofta förbisedd tes, som utvecklats av Douglas Barnes. Precis som Bruner och Piaget hävdar Barnes att kunskap förändras genom att den omkodas, och att detta till stor del är en verbal process. Eleven måste alltså ges tillfälle att i tal och skrift uttrycka sina upplevelser i relation till de begrepp och den kunskap den redan har. Detta måste till en början tillåtas ske framför allt verbalt, med elevens eget språk, som för det aktuella ämnets vidkommande många gånger är trevande till en början. Detta är viktigt eftersom eleverna, genom att använda sitt eget språk, inspireras att tänka själva och att omkoda sin kunskap. Detta kallar Barnes för sonderande tal, och är det talspråk eleverna för mellan varandra och med sina föräldrar på sin fritid. Det formaliserade, tillrättalagda språk vi vill se i laborationsrapporter och skrivningar betraktas som målet för denna verbala process, och kallas redigerat tal. Rapporter på laborationer av ett mera öppet slag utgör för övrigt ett ypperligt tillfälle till övning i det redigerade talet, likväl som reflektion över upplevda fenomen och att sätta dessa i relation till

4.3 Rosalind Driver och konstruktivismen

Vi har nu kommit fram till begreppet konstruktivism, vilket kan sägas bestå av godbitarna ur de inlärningspsykologiska filosofier som presenterats ovan. Piagets självreglering kan ses som att barnet konstruerar sin egen kunskap, likaså kan detta tänkesätt skönjas i Ausubels

betonande av meningsfull inlärning, där den enskilde eleven relaterar nya upplevelser till sina befintliga kognitiva strukturer, vilket underlättar accepterandet av ny kunskap. Här nedan följer en kombinerad presentation och sammanfattning.

Alternativa referensramar och deras betydelse

Rosalind Driver, som är en av dem som utvecklat konstruktivismen, fokuserar liksom nämnda herrar på förföreställningar (i hennes vokabulär alternativa referensramar), vilka hon menar inverkar såtillvida att olika individer, med olika alternativa referensramar, med osviklig lagbundenhet lär sig olika saker av samma situation. Varje individ konstruerar alltså, utifrån sina föreställningar, hypoteser vilka den sedan testar, varvid dess egen mening och tolkning av fenomenet byggs upp. Möjligheten finns härvid också att de konstruerar innebörder eller tolkningar som inte alls var avsedda, eller till och med befäster felaktiga kognitiva strukturer. Ett problem med alternativa referensramar är att de ofta är svåra att bryta upp. Som exempel på detta vill en av författarna här passa på att anföra vad som hände då han en gång i en svunnen tid genomförde sin halkkörning:

Vid den inledande teorigenomgången fick en av de andra eleverna se en bild där en bil körde med höger sida på is och vänster på torr asfalt. Frågan löd: "Vad kommer nu att hända vid inbromsning?" Eleven tänkte efter ett slag, tillämpade vad han fått lära sig på teorilektionerna, och svarade sedan mycket riktigt att bilen på grund av den högre friktionen på asfalten kommer att svänga åt detta håll. När eleven senare ställdes inför samma situation ute på banan, svarade han märkligt nog precis tvärtom, nämligen att bilen skulle åka ut på isen.

Det framstår som uppenbart att eleven hade olika referensramar i klassrummet och ute i verkliga livet. Det verkliga livets referensram hade lämnats totalt opåverkad av vad han lärt sig på teorilektionerna. Vidare är det bra att känna till att den begreppsmässiga förändring som föranleder omtolkning av referensramarna, av många individer kan uppfattas som hotfull. En stödjande omgivning, som uppmuntrar elevens försök till förändring, underlättar därför inlärningen.

Inlärning är begreppsmässig förändring

Inlärning ses alltså inom konstruktivismen som begreppsmässig förändring, och man betonar att eleven för fruktbart utbyte av undervisningen måste vara otillfredsställd med de befintliga begreppen, och att det nya begrepp som ska integreras i dess tänkande förefaller begripligt, troligt och fruktbart i att ge nya tolkningar.

Led eleven till medvetenhet om sitt sätt att tänka

Ovanstående ger vid handen att det första steget vid undervisningen bör vara att läraren tar reda på vad eleverna har för förföreställningar, och att eleven bringas till insikt om sina referensramar och sitt sätt att tänka, och upptäcker att detta kanske leder till problem vid tolkningen av nya fenomen.

Språklig bearbetning

Barnes idéer återspeglas i att Driver rekommenderar användning av det sonderande talet, samt att eleverna ska ges tillfälle att beskriva sina upplevelser i tal och skrift, något som ovan konstaterats ha goda effekter på förändringen av elevens tolkningsgrund.

Förståelse är en social process

Även om konstruerandet av egna meningar och tolkningar ligger på individens ansvar, betonar Driver att förutom att vara en intellektuell process, är inlärning en social process. Lärarens roll i denna bör vara förhandlarens, snarare än förmedlarens. Att i diskussion med eleverna, gärna under användande av sonderande tal, leda dem till nya hypoteser, tolkningar och begrepp, anses vara eftersträvansvärt.

Den vetenskapliga processen som undervisningsinnehåll

Vidare poängteras inom konstruktivismen att kunskapsmålet i sig inte får tränga undan de processintriktade begrepp som spelar sådan nyckelroll i naturvetenskapen; klassificering, serieordning, systemtänkande, variabelkontroll och modelltänkande, utan att även dessa utgör ett undervisningsinnehåll. Ett mål härmed är att eftersträva en ökad självständighet hos eleverna, vilken befrämjar deras egen kreativitet och aktiverar dem. Detta betonande av elevens egen aktivitet ställer konstruktivismen i nära släktskap med det undersökande arbetssättet.

4.4 Exempel på konstruktivistisk metodik

Vi vill härnäst kort ge en exemplifierad genomgång av konstruktivistisk metodik, hämtad ur Undervisa i fysik [1] sidorna 62-63:

Lyssna och iaktta aktivt eleverna i deras tal och experimenterande. Ta reda på deras förföreställningar. Inled resonemanget genom att bringa dem till insikt om sina egna förföreställningar. Använd deras eget språk.

Putta på ett bord. Det rör sig så länge du skjuter på det. När du slutar putta, stannar bordet. Alltså skulle eleven kunna dra slutsatsen att ett föremål måste påverkas av en kraft för att röra sig. (En aristotelisk uppfattning, omhuldad av många elever.) Påvisa den bristande tillfredsställelsen i deras tolkning, utmana deras föreställningar. Sätt fart på en bok. Denna glider ju faktiskt ett stycke. Vad beror det på?

( – Friktionskraften är inte lika stor för boken som för bordet.)

Starta en gruppdiskussion, led dem genom försiktiga frågor gradvis mot att upptäcka de små delsteg som leder i rätt riktning. Förhandla.

Vad händer om vi ser till att vi inte har någon friktion? Visa en luftkuddebana. Eleverna kan nu själva konstruera insikten om den princip vi ville förmedla.

Så länge ingen kraft verkar på föremålet, fortsätter det med oförändrad fart – Newton I.

5 L

-

–

5.1 Inledning

Skollagen med timplanerna, läroplanerna och kursplanerna är de nationella styrdokument som skall styra verksamheten i barnomsorg och skola. Dessa lagar och förordningar är alla som arbetar inom barnomsorg och skola skyldiga att följa. Nedan har vi gjort korta

sammanfattningar av styrdokumenten, och givetvis är informationen under respektive avsnitt hämtat ur tillhörande styrdokument [6].

5.2 Skollagen

Skollagen reglerar kommunernas rättigheter och skyldigheter i drivandet av skolan, men innehåller även regler för elever och föräldrar gällande till exempel skolplikt.

I skollagen finns även fastställda timplaner för grundskolan, men inte för gymnasieskolan. För gymnasieskolan regleras istället det totala antalet undervisningstimmar för de nationella programmen och skollagen ger rekommendationer för hur dessa timmar bör delas mellan ämnena [6].

5.3 Läroplanen för gymnasieskolan

Regeringen fastställer läroplaner för förskolan (Lpfö 98), det obligatoriska skolväsendet, förskoleklassen och fritidshemmet (Lpo 94) och för de frivilliga skolformerna (Lpf 94). Den läroplan som är aktuell för oss blivande gymnasielärare fastställdes 1994 och kallas Lpf 94, och hädanefter kommer endast denna att behandlas. Läroplanen är indelad i två

huvuddelar varav den första behandlar skolans värdegrund och uppgifter och den andra skolans mål och riktlinjer. Här, i denna andra del, kan man bland målen på sida 9 läsa

Skolan skall sträva mot att varje elev i gymnasieskolan …

• kan använda sina kunskaper som redskap för att - formulera och pröva antaganden och lösa problem - reflektera över erfarenheter

- kritiskt granska och värdera påståenden och förhållanden - lösa praktiska problem och arbetsuppgifter

…

Längre bak ibland riktlinjerna på sida 14 kan man läsa

Läraren skall

…

• låta eleverna pröva olika arbetssätt och arbetsformer …

5.4 Kursplanerna för fysikämnet

Kursplanerna är komplement till läroplanen som specificerar målen för och syftet med undervisningen i varje ämne, och i gymnasieskolan, även målen för varje enskild kurs inom ämnet. Under syftet med fysikämnet finns bland annat att läsa

Syftet är att eleverna skall uppleva den glädje och intellektuella stimulans som ligger i att kunna förstå och förklara fenomen i omvärlden.

Bland målen står det

Skolan skall i sin undervisning i fysik stäva efter att eleven …

utvecklar sin förmåga att kvantitativt och kvalitativt beskriva, analysera och tolka fysikaliska fenomen och skeenden i vardagen, naturen, samhället och yrkeslivet …

Detta mål, med betoning på skeenden i vardagen, anses så viktigt att det återkommer i de specifika målen för både kurserna Fysik A och Fysik B.

I kursplanen beskriver man även fysikämnets karaktär och uppbyggnad, där man bland annat slår fast

Karaktäristiskt för fysiken, som för andra naturvetenskapliga ämnen, är att kunskapen byggs upp i ett samspel mellan å ena sidan experiment och observationer och å andra sidan modeller och teorier. Även i skolans fysikundervisning har experiment en central roll. Genom laborativa inslag övar eleverna sin färdighet att planera experiment, använda mätinstrument och analysera mätdata. Att ställa upp hypoteser och göra experiment för att undersöka fenomen, testa en modell eller revidera den utgör väsentliga inslag. Kunskaperna används för att diskutera och förklara företeelser i vardagen, naturen och samhället.

5.5 Slutsats

Sammanfattningsvis kan vi säga att vi inte någonstans ser några motsättningar mellan skolans styrdokument och konstruktivismen – tvärt om verkar nästan styrdokumenten skrivna på en konstruktivistisk bas. Dock finns det delar av styrdokumenten som kanske inte alltid

praktiseras ute på skolorna, och vissa av dessa vill vi försöka lyfta ut i ljuset med hjälp av detta arbete.

6 U

–

6.1 Inledning

Det finns bra arbetsmetoder som är helt i linje med båda våra ovanstående rättesnören, men som inte går att utföra med en klass i skolmiljö, kanske mest för att skolans ekonomi inte tillåter det. Vi kan exempelvis inte låta en klass få uppleva tyngdlöshet eller förse eleverna med var sitt exemplar av dyrbar mätutrustning av alla de slag. Dessa fantasifulla experiment och arbetsmetoder är därmed inte intressanta för vårt arbete, eftersom de arbetsmetoder vi beskriver skall vara genomförbara inom den svenska gymnasieskolan.

De arbetssätt vi traditionellt har att tillgå är den gamla hederliga tavelgenomgången, demonstrationsexperimentet samt elevlaborationen och problemlösningen som båda kan utföras antingen enskilt eller i grupp. Vi fysiklärare inte bara bör, utan är enligt läroplanen skyldiga att, variera vårt och elevernas arbetssätt [6]. Detta är naturligtvis för att hindra att vi tråkar ut eleverna, samt att tillse att även de, som har svårt att använda sig av lärarens

arbetssätt, kan ta till sig kunskapen som vi vill förmedla.

6.2 Genomgången

Den traditionella tavelgenomgången är i vissa fall nödvändig, men det är författarnas och många andras åsikt, att den inte får bli för teoretisk eller långrandig, utan bör ha sin

utgångspunkt i något eller några av de andra arbetssätten. Ett exempel på detta har vi visat i avsnitt 4.4, där genomgången sker genom förhandlingstekniken, och därmed ämnar vi inte vidare behandla denna arbetsmetod.

6.3 Lärardemonstrationen

Det är naturligtvis viktigt att som lärare tänka igenom demonstrationen väl och se till att uppställningen är så okomplicerad som möjligt, att förklara uppställningen väl samt att se till att alla elever ser uppställningen. Demonstrationer kan användas på de mest skilda sätt och rätt utförda blir de alltid källor till diskussioner i klassrummet, speciellt om de ställer eleverna inför sådana förbryllande situationer som Bruner talar om [1]. Med hjälp av demonstationer kan läraren introducera nya begrepp, bekräfta begrepp som redan introducerats, samt sammanfatta kursavsnitt. Dessutom kan demonstationer användas för att kontrollera att eleverna följer med i undervisningen och har läst läxan, genom att läraren helt enkelt ber eleverna förutse utgången av experimentet.

6.4 Elevlaborationen

Laborativt arbete skall, som vi konstaterade ovan, inta en mycket central del av

undervisningen enligt kursplanen [6]. Elevlaborationen kan, liksom lärardemonstrationen, utföras på olika sätt. Den kan introducera ett nytt samband genom att låta eleven själv komma fram till detta, eller den kan låta eleven få bekräfta en uppställd hypotes. Den första,

introducerande, varianten kallas induktiv och den andra, bekräftande, varianten kallas

deduktiv. Av tradition är det så att de flesta laborationer i skolan är deduktiva till sin karaktär, men det är författarnas åsikt att en större andel av laborationerna borde vara induktiva. Detta eftersom dessa låter eleven uppleva den verkliga processen en forskare inom fysikämnet genomgår, vilket, som vi sett, även konstruktivismen uppmuntrar. Detta påbjuder också kursplanen då den säger att eleven skall ”ställa upp hypoteser och göra experiment för att undersöka fenomen, testa en modell eller revidera den” [6]. Dock kräver detta att

Då kan eleven även öva sin ”färdighet att planera experiment” [6]. Det är författarnas erfarenhet att öppenhet i laborationer uppskattas. Under praktikperioden samtalade en av författarna med elever som utförde en mycket sluten och ledande laboration, varvid en av eleverna sade

Det här är så onödigt – vi följer bara ett recept – det hade en tränad apa kunnat göra.

Vi är säkra på att elevens uttalande inte var menat nedsättande mot apor utan snarare att han, på grund av den höga styrningen av laborationen i fråga, inte upplevde sig lära sig så mycket av densamma.

Eventuella rapporter i samband med elevlaborationer är också ett lysande tillfälle att låta eleven öva sig att använda redigerat tal.

6.4.1 Klassrumslaborationen

Detta är den klassiska laborationen som lättast utförs i mindre undervisningsgrupper, oftast halvklass, och kan ha både induktiv och deduktiv natur. Eleverna tillåts ofta arbeta i små grupper om två eller tre personer med uppgifter givna av läraren. Temat kan naturligtvis varieras i det oändliga med enskilt arbete, olika stationer med mera.

Läraren går under tiden runt och hjälper till samt, i viss mån, kontrollerar verksamheten. 6.4.2 Hemlaborationen

Hemlaborationen är, som namnet antyder, en laboration liknande klassrumslaborationen som kan utföras med så enkla medel att den kan utföras i elevens eget hem. Detta ger naturligtvis en lysande koppling mellan skolfysiken och elevens vardag. Nackdelar med hemlaborationen är att den av praktiska skäl oftast genomföres av eleverna en och en, och inte som i

klassrumslaborationen i grupp. Eftersom inte heller läraren finns till hands vid utförandet av hemlaborationen har eleven ingen från skolan att samtala med och få hjälp av, vilket ställer mycket höga krav på lärarens utformning av laborationshandledningen.

Hemlaborationen erbjuder dock, som tidigare nämnts, ett gyllene tillfälle för elevens familj att ta del av vad denne gör på fysiklektionerna, och eventuellt uppstår en diskussion hemma om det fysikaliska problemet i fråga. Denna diskussion kommer med största sannolikhet att vara sonderande till sin natur, något som vi sett underlättar omformningen av elevens

referensramar.

6.5 Problemlösning

De flesta fysikprov och däribland de nationella kursproven består i att eleven skall lösa ett antal räkneuppgifter. Därför är det naturligt att man i undervisningen låter eleverna lösa dylika uppgifter. Detta upplevs ofta av eleven som en mindre intressant sysselsättning. Därför är det av vikt, att utöka bokens förhoppningsvis pedagogiska uppgifter, genom att frambringa ytterligare uppgifter som främjar elevens kreativitet, väcker dess intresse och, om möjligt, även knyter an till dess vardag.

7 G

7.1 Inledning

Vi har valt att exemplifiera vart och ett av de ovan beskrivna arbetsmomenten i skolan med ett moment utvecklat av oss i enlighet med såväl konstruktivismens och styrdokumentens idéer. Vår förhoppning är att läsaren tar dem till sig och använder dem enligt eget tycke och smak.

7.2 Svävaren – en demonstration

7.2.1 Inledning

Detta är ett exempel på en spektakulär demonstration, som syftar till att repetera och befästa elevens kunskaper om laddningar och elektriska fält. Den kan säkert användas även i ett inledande skede, men vi har valt att testa den i egenskap av en sammanfattande

demonstration. Experimentet består i att få en liten farkost, byggd i balsaträ, aluminiumfolie och koppartråd, att lyfta. Detta sker genom att högspänning om 25 kV kopplas till farkosten, som kan sägas vara en asymmetrisk kondensator. Svävaren är inte vår egen konstruktion, utan hittades på en Internetsida som heter JLN labs homepage [3]. Mer om bakgrund och funktion finns att läsa i Appendix 1.

7.2.2 Utförande

Den svävare vi har byggt utnyttjar en tunn tråd ca 3 cm ovanför en 4 cm bred

aluminiumremsa, för att erhålla ett på djupet asymmetriskt E-fält. Asymmetrin är, vilket framgår av Appendix 1, absolut nödvändig för svävarens funktion. Svävaren byggs lämpligen på en ram av balsaträ och cyanoakrylatlim, se byggbeskrivning i Appendix 2. Det färdiga resultatet finns att beskåda i Figur 7.1. Den skarpögde kan måhända se den knappt skönjbara, men för funktionen så vitala, koppartråden.

Figur 7.2. Försöksuppställningen.

Försöksuppställningen i sin helhet kan betraktas i Figur 7.2. För att skapa en stabil försökssituation rekommenderas att två stora E-kolvar används som baser för de tunna

koppartrådar som förser tråden respektive folien med laddning, samt att svävarens tredje hörn förankras medelst sytråd i till exempel ett metallstativ. Vanlig "laboratoriesladd", försedd med krokodilklämmor, tejpas lämpligen fast på E-kolvarna och ansluts till

högspännings-aggregatet. Trådarnas längder justeras så, att svävaren befinner sig förankrad i dessa i ett horisontellt läge då maximal spänning är påkopplad. För att undvika att svävaren sugs fast i underlaget på grund av elektrisk influens, kan med fördel en 4 cm tjock paraffinplatta användas som startplattform för svävaren.

Vi använde oss i vårt försök av ett aggregat byggt av högspänningsdelen från en gammal TV från vakuumrörseran, med kapacitet till någon milliampere i läckström. Vi är medvetna om att högspänningsaggregat av denna kaliber är sällsynta på gymnasieskolor. För den händige

7.2.3 Testet

Under praktiken har svävaren demonstretats för en NV2:a, med påföljande enkät om nyttan med detta experiment. Så som experimentet nu användes, kom det att spela en samman-fattande och befästande roll efter avsnitten om laddningar och elektriska fält. Ett antal väl beprövade experiment (kattskinn och ebonitstav i kombination med kulor av flädermärg och aluminiumfolie, nyduschad långhårsperson vid van de Graafgenerator, och så vidare) som illustrerade kraftpåverkan mellan laddningar hade genomförts. Likaså hade elektriska fält ingående diskuterats, samt illustrerats med matolja och mannagryn. Jonbegreppet hade diskuterats i samband med ett experiment som demonstrerar rökgasrening mellan två kondensatorplattor.

Tanken var att eleven nu skulle få använda sig av vad de lärt sig och få insikt i den

naturvetenskapliga processen att arbeta fram en hypotes. Efter försöket ombads eleverna att fundera hemma på hur svävaren fungerade.

7.2.4 Utvärdering

Enkäten om svävaren finns att beskåda i Appendix 3, samt redovisas nedan i en anpassad variant, där resultaten för varje fråga skrivits in, samt frågorna numrerats för större klarhet i diskussionen. Klassen består av endast 13 elever, varav två var frånvarande vid enkättillfället, varför vårt statistiska underlag inte hör till de största. I brist på bättre presenterar vi ändå vår undersökning, och överlåter åt läsaren att avgöra dess tillförlitlighet.

7.2.4.1 Enkät om svävaren

1. Vilket coolhetsbetyg skulle du vilja ge experimentet?

IG G VG MVG

18 % 82 %

2. Vad får genomförandet för betyg i begriplighet?

IG G VG MVG

18 % 73 %

(Ej där vid demonstrationstillfället 1 st. = 9 %)

3. Tyckte du att experimentet tillförde något till dina kunskaper om elläran, och vad lärde du dig i så fall mer om?

Jag lärde mig mer om E-fält.

Inte precis, i så fall om E-fälten. Kommer ej ihåg.

Hur el kan påverka saker utanför kretsar. Jepp.

Jag visste inte att elektriciteten kunde orsaka vindar. Ja, påverkan som strömmen kan ha på omgivningen. (Inget svar: 36 %)

4. Hade du någon egen liten idé om hur svävaren fungerade innan jag förklarade, eller var det för svårt?

JA NEJ, FÖR SVÅRT

18 % 82 %

5. Var det bra att ni fick fundera hemma över påsklovet, eller borde lektionstid avsatts för eftertanke och diskussion?

JA, det var bra Ingen åsikt NEJ, lektionstid borde ha avsatts 27% 55% 18%

6. Kan du kort beskriva hur svävaren fungerade? (Detta är inte ett prov, men rita gärna en förklarande bild.)

På denna fråga hade 36 % inte lämnat något svar, och av de övriga varierade kvalitén. Det var allt från enbart skisser av hur svävaren såg ut, till mer relevanta skisser av fältet, samt ingående resonemang om hur jonerna skapas vid tråden och accelereras i E-fältet.

7.2.5 Diskussion – Hur bör experimentet användas för maximalt utbyte?

Diskussionen om hur denna demonstration bör läggas upp sker lämpligen i ljuset av de brister enkäten påvisar, samt sådant vi själva i efterhand funderat över. Vi har funnit det praktiskt att utgå från tillämpliga delar av konstruktivismen och att väva in resonemang om förbättringar under respektive punkt. Analysen av hur eleverna upplevde experimentet är inbakad i resonemanget. Vidare väljer vi att låta fråga 3 och 6 tala för sig själva.

Att väcka elevens intresse

Av fråga 1 och 2 ser vi att så gott som samtliga elever gav MVG i coolhetsbetyg och VG i begriplighet. I efterklokhetens tecken, hade vi valt att direkt efterfråga om eleven upplevde att dess intresse för elektriska fenomen ökade. Det är ju ingalunda självklart hur eleven tolkar ordet coolhet; bara för att någonting är häftigt, ball eller fascinerande, betyder ju inte detta automatiskt att man blivit förbryllad i Brunersk mening, eller att man vill lära sig mer om saken. Dock tycker vi att det faktum att så många gav oss VG i begriplighet, indikerar att de även förstått fenomenet. Vi har alltså inte med detta experiment bara "trollat" inför eleverna och lämnat dem vind för våg med sin eventuella häpnad, vilket ju allmänt är risken med experiment av spektakulär natur.

Sammantaget tycker vi att man ur de båda betygen kan dra slutsatsen att eleven kommer att minnas detta experiment. Vi tror att vi har ställt dem inför en förbryllande situation, vilket har väckt deras intresse. Naturligtvis kan allt förbättras, och vi tror att elevens intresse ytterligare hade kunnat stärkas, om lektionstid hade avsatts för eftertanke och diskussion. Mer om detta nedan.

Att knyta an till elevens tidigare kunskaper

Man skulle möjligen kunna hävda att betyget VG i begriplighet indikerar att eleverna upplevde att förklaringen knöt an till deras tidigare kunskaper och att abstraktionsnivån inte

Att inspirera eleven till att utnyttja sina tidigare kunskaper på ett kreativt sätt

Till vår sorg ger fråga 4 vid handen att merparten av eleverna tyckte att det hade varit alldeles för svårt att på egen hand komma på hur svävaren fungerade. De flesta hade så att säga kört huvudet i väggen.

Även om vi från fråga 5 ser att de flesta inte hade någon åsikt om huruvida lektionstid borde ha avsatts för eftertanke och diskussion om fenomenet, tycker vi själva i efterhand att detta vore att föredra. Antingen hade detta kunnat ske i smågrupper för att utnyttja elevernas eget sonderande tal, eller så hade man kunnat skapa en förhandlingssituation av det slag som beskrivs i avsnittet om konstruktivistisk metodik. Då hade troligtvis fler elever kunnat bidra i framställandet av en hypotes om svävarens funktion.

Till sist skall sägas att vi i efterhand ser en brist med fråga 5. Den är förvisso svår att missförstå om man läser den noggrant, men risken är att en och annan elev har bråttom och inte läser hela frågan. Denne uppfattar det i så fall som att vi helt enkelt efterfrågar huruvida det var bra att de fick fundera hemma, och svarar kanske utan vidare eftertanke ja på frågan. Det är svårt att sia om, men med en smartare formulering hade vi kanske fått en annan svarsfördelning.

Att låta eleven språkligt bearbeta sin upplevelse

Eftersom eleven ombads funderar hemma gled oss detta också ur händerna. En

gruppdiskussion enligt ovan, där eleverna ombads att åstadkomma ett skriftligt förslag till hypotes, hade troligtvis medfört en mer bestående integration av de aktuella begreppen i elevens föreställningar. Vid ett eventuellt krav om inlämning, hade även det redigerade talet kunnat tränas. Ska vi vara rättvisa mot oss själva, så är dock frågan om man hade kunnat försvara ett så pass tidskonsumerande arbetssätt i det läge svävarexperimentet genomfördes. Att ge eleven en inblick i en vetenskaplig process

Tanken var ju att eleverna skulle komma på en hypotes om hur svävaren fungerar, vilket kan sägas vara en inblick i en vetenskaplig process. Vi kan avslöja att endast två elever hade mer långtgångna funderingar om svävarens funktion, vilket måste betraktas som ett misslyckande. Vi missade tyvärr ett gyllene tillfälle att även låta eleverna prova hypotesen. Att till exempel fråga eleverna: "Kan vi komma på något experiment som skulle kunna stärka eller motbevisa vår hypotes?", och genom lämpliga frågor leda dem in på tanken att man borde prova den i vakuum. En mindre, fungerande modell av svävaren hade då kunnat placeras i

vakuumkammare, varvid ingen kraft hade kunnat konstateras, vilket stärker vår hypotes. Eleverna hade då fått inblick i hur forskaren i sin strävan mot en teori stärker eller dementerar sin hypotes med experiment, samt ett exempel på ett sådant experiment. Även

modellbegreppet hade på ett elegant sätt kunnat införas i undervisningen. Sammanfattning

Reflektionerna ovan indikerar att demonstrationen med stor sannolikhet väcker elevens intresse, men kanske är för svår för att genomföras i årskurs 2, alternativt att pedagogiken vid genomförande och diskussion kan förbättras enligt ovan. I sin genomförda form hade

svävaren möjligen fungerat i årskurs 3, även om det även här vore att föredra att genomföra de förbättringar vi pratar om. Med de förbättringar som diskuterats tror vi definitivt att svävarexperimentet har potential både för årskurs 2 och 3.

Slutligen kan vi också konstatera att även vi själva tyvärr befinner oss i ett stadium av inlärning, och att det är lätt, men kanske också bra, att vara efterklok. Efterklokhet är ju trots allt ett ganska bra sätt att lära sig.

Övriga reflektioner

Vi har funderat över möjligheten att demonstrera detta experiment redan i inledningen av elläran, och vi tror att detta skulle kunna fungera. Tanken är då att man inleder avsnittet genom att väcka elevernas intresse med detta spektakulära experiment, kanske med orden: "Just ni har vi ingen aning om hur detta fungerar, men under de närmsta tre veckorna ska vi ta reda på tillräckligt om elläran för att ställa upp en hypotes." Denna idé är helt i

samstämmighet med Gagnés filosofi att i början av undervisningsavsnittet precisera målet därmed [1].

En risk med detta arbetssätt är möjligen att eleven skulle hinna bli blasé på experimentet. När väl förklaringen uppdagas, känns det kanske inte så fantastiskt spännande längre. Detta är dock något som vi får prova och utvärdera i framtiden.

7.3 Harmoniska oscillatorn – en induktiv laboration

7.3.1 Inledning

Den harmoniska oscillatorn har många tillämpningar inom vitt skilda områden av fysiken, och det är av vikt att den förstås till fullo av eleven. Den är kanske inte en av de mest

komplicerade delarna av gymnasiekursen, men för att ge eleven förståelse krävs, enligt författarna, en klar och tydlig laboration. Detta är vad vi försökt åstadkomma.

7.3.2 Utförande

Laborationen är formulerad som en induktiv, introducerande, laboration, men kan även lätt omformas till en lärarledd demonstration. För handledning se Appendix 4. Som laboration använd kräver den rätt mycket av eleven, men vi överlåter det till läraren att avgöra om den aktuella elevgruppen skulle klara att göra den som laboration eller om han bör göra den som demonstration i stället.

Svårigheter med experimentet kan vara att rikta CBR så att den endast mäter på vagnens frigolit- eller kartongbit och inte annat runt omkring. Detta brukar dock gå att ordna ganska lätt genom att helt enkelt pröva sig fram ett par gånger.

7.3.3 Diskussion

Laborationen använder sig av elevens egen miniräknare, och elevens förtrogenhet med denna gör att behandlingen av datamängden från experimentet inte blir onödigt svår. Den vidlyftiga beskrivningen av bakgrunden till och syftet med laborationen syftar till att skapa en inledning av det slag som Ausubel talar om [1] och därmed ställa in eleven på meningsfullt lärande. Vidare är frågeställningen i laborationshandledningen relativt öppen vilket kräver att eleven är självständig och använder sin kreativitet, och laborationen ger eleven en inblick i den vetenskapliga processen. Som vi sett tidigare betonas detta av konstruktivismen som ett medel att få aktiva elever som lär sig mycket.

7.4 Acceleratordocka – en deduktiv laboration

7.4.1 Inledning

Ett svårt moment i gymnasiefysikens B-kurs utgörs av begreppet centralrörelse. Det övergripande problemet för eleverna är att acceptera att kraften som böjer av rörelsen är riktad inåt cirkelns centrum och inte, som man tycker sig känna varje gång man kör bil i en kurva, utåt. De flesta har dessutom hört begreppet centrifugalkraft och väldigt få begreppet centripetalkraft, vilket gör att fysiken vi försöker lära dem inte tycks knyta an till och stämma överens med vad eleverna vet sedan innan och upplever i vardagen – elevens

förföreställningar stämmer inte överens med det vi försöker lära dem.

Nyckeln till problemet är, som alla fysiklärare vet, att förklara det hela ur två olika referenssystem; det stillastående och det som följer med cirkelrörelsen.

7.4.2 Utförande

Lägg en gummisnodd runt midjan på en böjlig, gärna sladdrig, docka och fäst den i en av de accelerometrar som finns att, via CBL, koppla till elevens miniräknare. När sedan dockan och accelerometern snurras runt som beskrivs i laborationshandledningen i Appendix 5 syns tydligt på miniräknaren att accelerationen, och därmed kraften som påverkar dockan, är riktad inåt cirkelns centrum. Samtidigt syns på dockans armar och ben att de, sett ur dockans

synvinkel, dras utåt – detta är den så kallade centrifugalkraften. 7.4.3 Diskussion

Trots att vi som fysiker vet hur kraftsituationen ser ut vid en cirkelrörelse är det inte alltid det lättaste att förklara detta för elever; det är lätt att diskussioner om de två olika

referenssystemen blir för teoretiska och konstiga för eleverna. Detta på grund av att elevens förföreställningar är annorlunda än de föreställningar vi försöker lära dem, helt enligt konstruktivismens idéer. Då gäller det enligt Driver att visa på situationer då elevens gamla, felaktiga begreppsföreställning inte räcker för att förklara den uppkomna situationen [1]. Detta gör vi genom att helt enkelt mäta accelerationen i rörelsen och därigenom sluta oss till att kraften måste vara riktad in mot centrum.

Vi relaterar sedan, på Ausubels vis [1], elevens redan befintliga kognitiva strukturer till de nya, i form av dockan vars armar och ben tycks dras utåt från cirkelns centrum och den objektiva mätningen av accelerationen. Lyckas vi i vår strävan att få eleven att ackommodera den nya kunskapen kommer vi att ha uppnått ett av målen med fysikundervisningen i skolan som läroplanen satt upp; eleven får uppleva den glädje och intellektuella stimulans som ligger i att kunna förstå och förklara fenomen i omvärlden [6]. Att det dessutom är ett fenomen som många andra, även fysikstuderande, har mycket luddiga föreställningar om tror författarna bara ökar elevens glädje och stimulans.

7.5 Plasma i din mikrovågsugn – en hemlaboration

7.5.1 Inledning

När man i gymnasieskolan behandlar atomen, och då speciellt excitation, deexcitation och ljusutsändning, nöjer man sig ofta med att titta på spektrallinjer från gasurladdningsrör. Författarna fick, på sin tid, inte göra ens detta; atomen behandlades mycket teoretiskt. Vi vill här introducera ett experiment som är spektakulärt, samt kan genomföras hemma av eleven själv, och därför kan användas för att föra in det sonderande talet, som Barnes talar om [1], i hemmet. Även detta experiment har vi funnit på JLN labs homepage [3].

7.5.2 Utförande

Utförandet finns beskrivet i laborationshandledningen i Appendix 6. Vi har funnit att en rundkolv med 8 cm diameter och 7 cm lång hals fungerar bra för ändamålet. Förvisso kan man få till stånd ett plasma även i en vanlig honungsburk, men denna har en tendens att spricka av värmen efter en kort stund. Funktionen för den lilla porslinsbägaren är att rundkolven ska ligga stabilt, med halsen vilande mot underlaget. Det är lämpligt att göra i ordning små lådor med rundkolv, bägare och all övrig materiel till eleverna. Det är ju inte säkert att alla har blomsterpinnar och ståltråd hemma. Eftersom fickspektroskop är dyra, och de flesta skolor inte har en klassuppsättning, har vi utelämnat detta ur laborationen. Måhända finner läsaren det lämpligt att göra om experimentet som stationslaboration under lektionstid, varvid eleven kan iaktta det kontinuerliga spektret, samt vissa linjer i detta. Experimentet kan med stor fördel följas upp av en diskussion om i vilken grad föräldrar och syskon förstod fenomenet.

7.5.3 Diskussion

Som synes i laborationshandledningen är denna laboration mycket styrd. Som hemlaboration betraktad är den ju faktiskt ganska komplicerad, och eftersom läraren inte är där och hjälper till, har vi sett denna styrning som nödvändig, om laborationen skall kunna genomföras på en kväll. Vi tror heller inte att det är fel om eleven någon gång tränar sitt tålamod genom att följa en instruktion.

Har man mycket tid att avsätta, är det är förvisso inget som hindrar att laborationen

formuleras mer öppet. Kanske kan man utforma laborationen tillsammans med eleverna på lektionstid. Man kan till exempel diskutera hur man ska lyckas tända tändstickan med hjälp utav mikrovågsugnen. Med vetskapen om att elektromagnetisk strålning accelererar

laddningar, kan möjligen eleverna själva komma på att den kan användas för att öka joners och elektroners termiska energi, och därmed öka temperaturen i ett ledande föremål. Steget att gå via ett grafitstift kan man måhända försiktigt leda dem fram till med hjälp av en

förhandlingsdiskussion i sant konstruktivistisk anda.

Tanken med denna laboration är emellertid främst att eleven ska få använda sitt eget språk, för att i enlighet med Barnes idéer [1] verbalt bearbeta sin upplevelse. Att förklara ett

fenomen för människor man känner väl och kan tala sonderande med, och som dessutom inte har några förkunskaper eller åtminstone mycket luddiga sådana, tror vi vara en oerhört nyttig övning för eleven.

Den uppföljande diskussionen tror vi kan vara nyttig såtillvida, att eleven uppmärksammas på just det här med olika individers sätt att tänka och vilka begränsningar detta kan medföra, vilket vi sett att Rosalind Driver talar om [1]. Kanske någon yttrar "Pappa trodde det var ultraljud i mikron!", eller något liknande som orsakar munterhet och medlidande med fadern, och säkert hjälper detta eleverna att, som kursplanen påbjuder [6], "... uppleva den glädje och stimulans som ligger i att kunna förstå och förklara fenomen i omvärlden."

7.6 Om en bild – en samling räkneproblem

7.6.1 Inledning

Det fanns en gång ett program i Sveriges Television, som vi tror hette Om en bild, där det visades en gammal, svartvit bild under ett par minuter medan Hans Villius berättade små, ibland påhittade, historier om personerna på bilderna. Detta tror vi är ett lysande sätt att undervisa fysik!

I våra fotoalbum finns mängder med fotografier föreställande situationer som innehåller massvis med fysik, och vår idé är att använda dessa genom att låta eleverna, likt Hans Villius, beskriva vad som sker i bilden. Om de inte vet så uppmuntras de att hitta på – de använder sin fantasi och antar saker om skeendena i bilden. På detta vis kan man som elev förenkla

uppgiften och lägga den på den nivå man själv finner lämpligt. Exempel på uppgifter som vi använt under vår praktiktid finns i Appendix 7.

Den första uppgiften, Stocken, är den lättaste av de tre, och den syftar till att låta eleven öva på att använda sig av begreppet fysikaliskt arbete. Uppgift nummer två, Hängmattan, är betydligt svårare, och behandlar krafter och dess sammansättning. Den sista uppgiften i samlingen, Bollen, behandlar kaströrelse.

7.6.2 Utförande

Vi har introducerat uppgiften genom att berätta om programmet Om en bild, vad man ser på bilderna och i vilka situationer de är tagna. Första gången klassen fick en av de här

uppgifterna krävs naturligtvis en förklaring till hur de skall lösa uppgiften rent formellt med hjälp av antaganden, uppskattningar samt information de kan få tag på i böcker och tabeller. Vi har låtit klassen arbeta med uppgiften i läxa, och har gett dem gott om tid på sig innan den skall vara inlämnad så att de hinner med att tänka efter, slå upp saker och läsa i böcker. Vi har sedan sparsamt kommenterat deras lösningar skriftligen och delat ut de lösningsförslag som också finns bifogade i Appendix 7. Tyvärr kom vi på den här idén så sent under vår praktik att det inte fanns tid att ta upp problemen till allmän diskussion i klassen efter att eleverna löst dem. Dock skrev vi ett litet papper med kommentarer till de vanligaste ”felen” eleverna gjort, och delade ut detta tillsammans med lösningsförslagen. Dessa bestod i att eleverna inte tillräckligt klart talade om var de fått information ifrån; om det är ett antagande, om det är ett uppmätt värde eller om det kommer från någon form av litteratur samt att de inte avrundade sitt svar till ett rimligt antal värdesiffror.

Vid lösning av Stocken var det ingen av eleverna som löst uppgiften på det sätt som författarna gjort i avsnitt 17.2, genom att uppskatta stockens volym, utan alla försökte

uppskatta stockens massa direkt. Detta ledde till en mycket stor variation hos stockens massa eleverna emellan; den varierade mellan 5 kg och 30 kg. I övrigt klarade eleverna denna uppgift med bravur.

Bollen användes i en annan klass och mer än hälften av lösningarna var av den typ som vi visat i avsnitt 17.8. Ytterligare lösningar bestod i att eleverna beräknade tiden efter utslaget genom att mäta hur långt bollen fallit i y-led sedan utslaget. Med hjälp av denna tid och sträckan bollen rört sig från utslagsplatsen kan de sedan beräkna bollens hastighet.

Resten av eleverna använde sig av mer eller mindre förenklande antaganden, vilket gjorde att alla lösningarna åtminstone ledde fram till ett svar. Många elever har, till skillnad från

författarna, använt coca-colaflaskan och inte Jonas till att bestämma längdskalan i bilden. Detta är naturligtvis bra ur den synpunkten att man vet hur hög en dylik flaska är, medan man måste anta hur lång Jonas är.

7.6.3 Utvärdering

Under praktiken lät vi, som sagt, två olika klasser arbeta med de tre bilderna, och för att få reda på vad de tyckte om vårt arbetssätt lät vi dem skriftligen och anonymt utvärdera det. Utvärderingen ingick som ett knippe frågor i en större enkät, vilken utvärderade författarens totala insats under praktiktiden. Vi har inkluderat de aktuella frågorna från en av enkäterna i Appendix 8. Den andra klassen fick likvärdiga frågor. Eleverna uppmuntrades att svara långt och uttömmande på frågorna, och det gjorde de allra flesta, varför presentation av samtliga elevsvar i detta arbete skulle bli väldigt omfångsrik. Vi har därför valt att presentera några av de mest frekventa och välformulerade elevsvaren nedan och sedan sammanfatta

andemeningen i de övriga.

Om en bild var en väldigt bra uppgift som får en att se bort från all systematisk fysik och får en att inse den matematiska komplikationen i vardagen. Huruvida detta är bra eller dåligt vet jag ej, men det var mäkta upplysande! Hälsa Bengt och Tessy!

Man lärde sig ”uppskatta” fysik, dvs. både att bestämma vikter på gubbar och liknande plus att man insåg att det mesta runt omkring en faktiskt har med fysik att göra.

Lär en att uppskatta rätt. Hängmattan var lite svår (om man ville det). Det är ett lite roligare sätt att lära sig fysik.

Det var ganska svårt att förstå hur man skulle göra exakt, men alla lösningar var ju möjliga – både lätta och svåra – övningen kan därför passa alla.

Det var roligt, men man kunde göra så himla mycket på uppgiften att jag inte riktigt visste var jag skulle börja…

Bra att man kunde hitta på lite själv på uppgiften!

Det var inte ett bra sätt [att lära sig fysik] eftersom man skrev det man själv kunde sedan tidigare och lärde sig inget nytt. Du borde istället ha gjort uppgiften på tavlan inför klassen och gått igenom möjliga lösningar.

Det visade sig att alla utom personen ovan tyckte att idén var bra och att uppgiften var både rolig och givande. Bland de övriga kommentarerna framkom att häftet med lösningsförslag och kommentarer var väldigt uppskattat bland många, men att de gärna skulle vilja ha haft en gemensam diskussion i klassrummet angående problemen och dess lösningar.

7.6.4 Diskussion

Uppgifterna är medvetet mycket öppna till sin natur, och precis som nämnts tidigare leder detta, enligt konstruktivismen [1], till att eleven tvingas tänka självständigt och därmed arbeta mer kreativt och aktivt. Författarna kan här inte annat än samtycka med teorin; de lösningar och svar som eleverna lämnade in tydde på att de allra flesta tänkt till ordentligt och varit aktiva. Vår slutsats av utvärderingen är att eleverna tyckte om uppgiften, men vissa hade problem med uppskattningarna och öppenheten i frågorna – efteråt frågade många om de hade gjort rätt eller gjort tillräckligt. Vi tror att detta beror på att de inte stött på liknande uppgifter förr, och att problemet kommer att lösas av sig självt om man låter dem få flera sådana här uppgifter.

Beträffande själva bilden har det visat sig uppskattat att använda ”riktiga” och ej tillrättalagda bilder som gärna föreställer läraren och/eller dennes kompisar och släktingar – eleven får se fysiken i, åtminstone lärarens, vardag. Detta påpekas ju som sagt också på flera ställen i kursplanen för fysikämnet [6].

Dessutom tror vi det är nyttigt och utvecklande att som elev få känna friheten i att få lösa uppgiften hur man vill, uppskatta hur man vill, samt att det inte finns något facit, utan att elevens lösning oftast är lika rätt som lärarens. Poängteras detta tillräckligt noga kommer eleven att dels få bättre självförtroende när det gäller fysik och även, tror vi, få en djupare insikt i hur själva fysikämnet har uppstått genom människans betraktelse av världen runt omkring henne, vilket är en viktig poäng inom konstruktivismen [1].

Uppenbara förbättringar som bör göras angående användningen av uppgiften är att avsätta lektionstid att efter uppgiftens lösande diskutera olika lösningsmetoder med eleverna. Detta skulle ge eleverna en chans att även uttrycka sina tankesätt verbalt, vilket enligt Barnes [1] inspirerar till tankeverksamhet och eventuellt omkodning av elevens kunskap.

Som en liten parentes kan vi, med våra ringa erfarenheter som lärare till trots, påstå att det tycks som om uppgifter där eleverna själva får anta och uppskatta, ”hitta på”, saker blir väl mottagna av elever. Detta tycker vi att man bör utnyttja så ofta som möjligt, inte bara inom fysiken utan även matematiken, och spinna vidare på elevers kommentarer i klassrummet.

8 A

Vi har ovan gett exempel på hur de konstruktivistiska idéerna kan utnyttjas inom de olika arbetssätten i skolan. Vi hoppas också att vi i någon mån bidragit till utveckling inom fysikundervisningen genom att presentera en del nya experiment för läsaren.

Angående den andra delen av vår frågeställning, huruvida det föreligger någon konflikt mellan konstruktivismen och styrdokumenten, kunde vi tidigt konstatera att så inte var fallet; styrdokumenten verkar vara näst intill baserade på samma pedagogiska rön som

konstruktivismen. Dock har vi, där vi funnit det passande, påpekat ur vilka aspekter våra arbetssätt anknyter till styrdokumentens strävansmål.

Vad gäller den första delen av frågeställningen, hur vi tar hänsyn till konstruktivismen i fysikundervisningen, har denna behandlats i anslutning till varje arbetssätt på ett sätt som vi funnit relevant i respektive fall.

De diskussioner vi själva funnit vara mest givande, är de som följer på Svävaren och Om en bild. Detta på grund av att vi testat dessa under vår praktikperiod, vilket givit oss en chans att relatera de konstruktivistiska idéerna till verkligheten. Det är naturligtvis så, att man vid ett test konfronteras med en del oförutsedda problem, som hjälper en att reflektera över

arbetssättet på ett mer uttömmande sätt. Vi finner det därför olyckligt att vi inte testat alla experimenten i en verklig undervisningssituation, och hade gärna testat fler under

praktikperioden, men har sett oss nödgade att begränsa oss till de kursavsnitt som handledaren avsett behandla. Dessutom har vi i dessa fall föresatt oss att utröna elevens upplevelse av arbetssättet, vilket vi gjort genom anonyma enkäter, vilka i respektive fall inkorporerats i diskussionen.

Vad gäller det statistiska underlaget begränsas detta till de klasser vi har undervisat under praktiken. Det är bara att beklaga att vi inte hade fler och större klasser, men vi kan försäkra att vi kommer att testa våra metoder mer uttömmande i vår framtida lärargärning.

9 T

Vi vill tacka Jean Louis Naudin och hans hemsida [3] för beskrivning av svävaren och plasmaexperimentet, samt Per Olof Zetterberg och Fysicum i Lund för stor entusiasm och hjälp med diverse apparatur och inspiration. Tack även till Hanna Gunnard, som öppnade våra ögon för svävarfenomenet.

Givetvis vill vi även tacka vår handledare, Lars Jakobsson, för hjälp med och värdefulla synpunkter på arbetet.

Även våra praktikhandledare, Arnold Kroon och Ingrid Nilsson är vi stort tack skyldiga, eftersom de gett oss fria händer att testa våra idéer under, och i viss mån även efter, vår praktikperiod.

Slutligen vill vi även tacka våra nära och kära för överseende med många kvällars mer eller mindre galet experimenterande.

10 R

[1] Ekstig, Börje: Undervisa i fysik, Studentlitteratur 1990.

[2] Handbook of Chemistry and Physics, 31st _{edition, 1949, Chemical rubber publishing co.} [3] JLN Labs homepage: http://jnaudin.free.fr

[4] Sjöberg, Svein: Naturvetenskap som allmänbildning, Studentlitteratur 2000. [5] United States Patent and Trademark Office homepage: http://www.uspto.gov [6] Skolverkets hemsida: http://www.skolverket.se

11 A

1;

S

–

B

Första gången en av författarna hörde talas om den elektrostatiska svävaren var våren 2001, då denne, tillsammans med ett gäng entusiaster från Fysicum i Lund, medverkade i den årliga vetenskapsfestivalen i Göteborg. Gruppen hade just framfört en av de sedvanliga fysik- och lasershowerna under ledning av Per Olof Zetterberg, på ett avantgardistiskt ställe som heter Röda Sten. En dam vid namn Hanna Gunnard, kom fram och undrade om man inte på Fysicum kunde göra ett försök att få hennes svävare att lyfta. Hon hade byggt den själv utifrån en byggbeskrivning hon kommit över, och det hela var en ganska sladdrig

konstruktion av två horisontella metallnät. Det nedre var cirkelformat, med stor area, och det övre var format som ett kors och hade betydligt mindre area. För separation näten emellan användes fyra vertikala balsaträpinnar. Fenomenet uppgavs uppträda då näten kopplades till varsin pol på ett högspänningsaggregat. När sedermera, hemma på Fysicum, svävaren hängdes upp i en dynamometer och påkopplades en spänning på 25 kV, upptäcktes till laboranternas oförställda förvåning en kraft på ca 0,01 Newton, riktad mot det kryssformade nätet oavsett om svävaren hängde rättvänd eller uppochner. Som lyftkraft betraktat motsvarar detta gott och väl ett gram, men tyvärr, denna presumtiva svävare vägde hela 17 gram.

På grund av detta mystiska fenomen underblåstes intressentens gamla perversa intresse för antigravitation och andra obskyra drömmar som fysiker traditionellt fnyser åt, och började ett frenetiskt sökande på Internet. Efter mycket frustrerat letande bland allsköns skräp, hittades till sist en sida som heter JLN labs homepage [3]. Denna hålls av en fransman vid namn Jean Lous Naudin, som med till synes outsinlig energi och entusiasm kastar sig över alla

experiment han kan komma åt i fysikens utmarker. På sidan finns i skrivandets stund ett otal videofilmer föreställande triangelformade, prasslande farkoster, som, förtöjda i tunna trådar, leviterar ett stycke över underlaget, till synes tack vare ett hittills okänt fysikaliskt fenomen. Det finns också en länk till ett patent på principen, taget av NASA, i vilket fenomenet påstås uppstå även i vakuum. Hur entusiastisk monsieur Naudin än må vara, saknar han emellertid mycket av det vetenskapliga tillvägagångssätt man har lärt sig hålla för heligt, ty istället för att kontrollera påståendet att denna tingest verkligen fungerar i vakuum, sväljer han detta med hull och hår, och koncentrerar sig på att bygga allt större och mer spektakulära svävare. Författarna var inte ens säkra på att det påstådda NASA-patentet inte var en falsifikation, utan gick på Hannas rekommendation in och tittade på United States Patent and Trademark Office [4]. Jodå, patentet finns, och som uppfinnare uppges en man vid namn Jonathan W. Campbell. Det framgår också att denne man är statsanställd. Den intresserade kan själv, för att förvissa sig, gå in på denna sida och utnyttja dess sökfunktioner, samt det på JLN labs homepage publicerade patentnumret; 6 317 310.

Vidare ska det konstateras att fenomenet ingalunda är nytt. Som exempel kan nämnas patent nr 3 130 945 från april 1964 av Alexander P. de Seversky, i vilket en svävare liknande vår finns beskriven. Till vår förvåning och glädje hittade vi även ett patent nr 2 765 975 från oktober 1956, i vilket en herre vid namn Nils E. Lindenblad beskriver ett slags elektriskt fläkt utan rörliga delar, som bygger på samma fenomen.

Det är alltså ingalunda, som monsieur Naudin tycks tro, fråga om något revolutionerande nytt framdrivningssätt, utan mest en kul grej. Fenomenet har sedan dess länge varit bortglömt av naturvetenskapen eftersom de Seversky aldrig lyckades bygga ett högspänningsaggregat effektivt nog för att få en dylik svävare att lyfta dess egen vikt.

Funktion

När vi började experimentera med svävaren visste vi inte hur den fungerade, men under arbetets gång funderade vi fram en hypotes som verkade rimlig, och som vi också sedan i stora drag återfann i en artikel som vi upptäckte att Hanna hade kopierat och överräckt till Per Olof Zetterberg vid mötet i Göteborg. Tyvärr kan Hanna inte dra sig till minnes vilken

tidskrift artikeln är hämtad ur, men den beskriver i populärvetenskapliga ordalag Alexander P. de Severskys svävare från 1964.

Till att börja med kan vi konstatera att vår svävare inte fungerar i vakuum, varför man kan fråga sig vad NASA ska med sitt patent till. Möjligen kan den då användas för framdrivning av lätta farkoster vid undersökningar av främmande planeter med atmosfär. Vid våra

undersökningar noterades inte minsta antydan till framdrivningseffekt, ens när en liten, fullt fungerande modell av svävaren, hängde på sidan i ett evakuerat utrymme. Fenomenet måste alltså ha med saker som finns i luften att göra, och vi kunde mycket riktigt, på plebejiskt manér, med en vanlig tändsticka, konstatera en svag vind under svävaren. Men hur uppkommer denna?

Det första steget i ett resonemang om vad som händer är att reda ut E-fältets utseende. För att få en uppfattning härom, förfärdigades en fristående triangelsida, vilken sattes i en

pepparkaksburk av plast, i vilken någon centimeter olivolja med mannagryn på ytan hade anbringats. Mannagrynens orientering efter att spänning pålagts, indikerade att E-fältet har ett utseende enligt Figur 11.1.

Figur 11.1. E-fältets utseende vid gapet mellan tråd och aluminiumfolie.