Students conceptions of energy in ninth grade and high school

Lärarexamen 270 poäng Handledare: Mats Areskoug

Naturvetenskap och lärande Examinator: Johan Nelson Vårterminen 2010

Malmö högskola

Lärarutbildningen Natur, miljö, samhälle

Examensarbete

15hp

Elevers förståelse av energibegrepp i årskurs 9 och

gymnasiet

Students conceptions of energy in ninth grade and high school

2

Innehållsförteckning

Energi som begrepp... ...6

Jordens energiflöde... ..6

Begreppsförståelse för jordens energiflöde...6

Energiprincipen och energikvalitet...6

Tidigare forskning... ...7

Internationell longitudinell studie...7

Skolverkets nationella utvärdering 1995...8

Forskning om den naturvetenskapliga diskursen i skolan...9

Varför ska skolan undervisa om energibegreppen?...10

Beskriva vardagen med ett naturvetenskapligt språk...11

Problem-/frågeställning... ...12

Metod... ...13

Urval... ...13

Etiska hänsyn………...….14

Enkätens utformning...15

Enkätens validitet och reliabilitet………...16

Enkätens genomförande………..16

Analysmetod………...17

Resultat och Analys... ...18

Fråga 1...18 Fråga 2... ...20 Fråga 3...23 Fråga 4... ...26 Fråga 5...29 Fråga 6... ...32 Diskussion... ...35 Forskningsfråga 1 & 2...35 Forskningsfråga 3...39 Forskningsfråga 4...40 Slutsats... ...44 Referenser...45 Bilagor... ...47

3

Sammanfattning

Syftet med denna studie är att undersöka kunskaper om jordens energiflöde i årskurs 9 och på gymnasiet efter genomgången kurs naturkunskap A. Vi vill även undersöka om kursplanernas mål och kriterier som täcker detta område uppfylls, samt hur eleverna tillämpar ett

naturvetenskapligt språk. I undersökningen jämfördes svaren mellan elever i åk 9, elever som går samhällsvetenskapligt program och naturvetenskapligt program på gymnasiet. Totalt deltog 144 elever i en enkätundersökning där de fick besvara frågor av öppen karaktär om energikedjor. En möjlig slutsats gällande denna studie är att en större andel elever på gymnasiet jämfört med åk 9 har i sina svar angivit fler steg i energikedjorna.

Gymnasieeleverna har tydligare beskrivit energikedjorna med flera naturvetenskapliga begrepp och termer. I både åk 9 och gymnasiet uppnår enbart en del elevsvar kursplanernas mål och kriterier. Resultaten visar på att eleverna har kunskapsbrister om jordens energiflöde och om energibegrepp. Eleverna verkar ha svårt för att förstå energiprincipen och

energihushållning med avseende på begreppen energikvalitet och energikvantitet.

Nyckelord

Energibegrepp, energiflöde, energikedjor, energihushållning, naturvetenskap, grundskola och gymnasiet.

4

Inledning

Energi är ett begrepp som figurerar i många sammanhang och kan därför missuppfattas av elever när de läser naturvetenskap. Det är intressant att se om skolgången och i synnerhet den naturvetenskapliga undervisningen kan nyansera begreppet och ge det en naturvetenskaplig innebörd som kan användas i andra sammanhang. Flera studier har tidigare genomförts där man har undersökt elevers kunskaper kring energibegreppen i grundskolan. Generellt så är ämnet ett svårt begrepp för eleverna att förstå (Andersson, 2001). Men hur ser läget ut på gymnasiet? Man kan tänka sig att elever som läser det naturvetenskapliga programmet på gymnasiet har bredare och djupare kunskap och förståelse om energi i samhället, men faktum är att den kursen på gymnasiet som behandlar energi i natur- och samhällsfrågor är

naturkunskap A. Denna kurs är ett kärnämne för alla gymnasieprogram. Vi finner det intressant att undersöka om situationen är densamma på gymnasiet som i grundskolan eller om det har skett en progression som har sin utgångspunkt i kursplanen.

5

Syfte

Syftet med detta examensarbete är att undersöka elever i slutet av grundskolan och elever som har läst kursen naturkunskap A på gymnasiet, vad gäller kunskap och förståelse kring

energiflödet på jorden och de begrepp som kursplanerna tar upp i respektive årskurs. Studien avser att undersöka i vilken utsträckning elevernas kunskaper och förståelse uppnått

kursplanernas kriterier och mål. Syftet är även att se i vilken utsträckning eleverna använder ett naturvetenskapligt resonemang och språk.

6

Bakgrund

Energi som begrepp

Energi kan förknippas med olika saker, t ex med liv, kraft, hälsa och lust. Begreppet energi används därför i flera olika sammanhang, bland annat inom naturvetenskapen, i

samhällsdebatten och i vardagslivet. I allmänhet betyder detta att naturvetenskapen inte ensamt kan använda detta begrepp (Areskoug & Eliasson, 2007).

Jordens energiflöde

Allt på jorden befinner sig i ett kontinuerligt energiflöde. Hela tiden strålar det energi från solen och en del av denna strålningsenergi träffar jorden. Denna strålningsenergi flödar igenom jorden och genomgår olika energiomvandlingar till olika energiformer som kan utnyttjas på jorden. När solens strålningsenergi omvandlas i första steget kan detta vara till olika energiformer. Detta sker i olika omvandlingsprocesser och forsätter i enskilda

energikedjor. Till exempel kan solens strålningsenergi värma upp luften så att det bildas vindar, som i tur utnyttjas i vindkraftverk. Gemensamt för alla dessa enskilda energikedjor är att de i slutändan blir värmeenergi som flödar ut från jordens atmosfär (Areskoug & Eliasson, 2007)

Björn Andersson (2001) beskriver jordens energiflöde med hjälp av en schematisk översiktsbild där källor och mottagare urskiljs (bilaga 1). Energiomvandlingarna mellan källan och mottagaren betecknas med pilar och tillsammans bildar de en energikedja.

Begreppsförståelse för jordens energiflöde

Andersson (1988) skriver att det är viktigt med skapande av helheter med genomtänkta strukturer. Ett exempel på detta vad gäller undervisning i energibegrepp är att utgå eller avsluta i en helhet i form av en bild på hela jordens energiflöde med separata energikedjor (bilaga 1). Andersson skriver att i detta stora energiflöde på jorden finns flera delar av vad som tas upp i de naturvetenskapliga ämnena. Därför kan man utgå från bilden i

undervisningen.

Energiprincipen och energikvalitet

Mängden energi är konstant, men kan omvandlas till olika former. Vissa energiformer kan omvandlas till många andra former och därmed ha många användningsområden. Då har dessa energiformer hög energikvalitet. Energiomvandlingar från en form till en annan, sker i

7

riktningen ordnad till oordnad rörelse. Energiomvandling kan ske i andra riktningen, men med låg verkningsgrad, dvs en liten del av energin blir nyttig energi efter omvandlingen.

Rörelseenergi har den högsta energikvaliteten och spill/omgivningsvärme den lägsta. Hög energikvalitet benämns exergi och låg energikvalitet benämns anergi, alltså består rörelseenergi av 100 % exergi. Exergi förbrukas i varje omvandling från hög energiform till låg – anergi.

Oordningen – entropin ökar när exergin minskar, dvs energi av god kvalitet omvandlas i varje steg och blir förr eller senare energi av låg kvalitet, som t ex spillvärme. Detta innebär att exergi förbrukas och omvandlas till anergi (Areskoug, 2006).

Tidigare forskning

Den större delen av alla undersökningar som har bedrivits om begreppsförståelse och kunskap för energibegreppen behandlar grundskolan och väldigt få undersökningar har gjorts på gymnasial nivå. Detta är ett tydligt drag både nationellt och internationellt.

Internationell longitudinell studie

Liu och Tang (2004) har i en internationell studie undersökt hur elevers uppfattningar av energi utvecklats genom hela skolgången, från årskurs 4 till 12. De har undersökt vad för slags uppfattning elever har om energi genom att ställa öppna frågor till elever och vad de refererar energi till. Svaren delades in i olika kategorier, framförallt i två huvudsakliga grupper; vardagliga uppfattningar och naturvetenskapliga uppfattningar. De kategorier som beskrev naturvetenskapliga uppfattningar valdes direkt efter begrepp såsom

energiomvandlingar och energi som föremåls förmåga till arbete. Vad gäller kategorin att energi är ett föremåls förmåga till arbete fanns ingen signifikant progression. Kategorin ”kunskaper om energiomvandlingar” uppvisade resultatet att elever i större andel besitter kunskaper om detta i sista årskursen, årskurs 12, än tidigare årskurser. Dock uppvisade endast 30 % av deltagarna kunskaper som motsvarar denna kategori i årskurs 12. Liu och Tang skriver att sådana här undersökningar är viktiga för att kontrollera om styrdokumentens mål uppfylls och att god insikt om elevers uppfattningar om energi ger läraren material för att utveckla sin undervisning. De kommer fram till att elevers uppfattningar och förståelse om energi är mångfacetterad. Vardagliga uppfattningar tycks vara närvarande genom hela skolgången och existerar sida vid sida med naturvetenskapliga uppfattningar.

8

Skolverkets nationella utvärdering 1995

Andersson m.fl. (1996) genomförde en undersökning Energi i natur och samhälle, om elevers kunskaper om energi i natur och samhälle i grundskolan. I undersökningen, som utgick från skolverkets nationella utvärdering av grundskolan 1995, fick elever svara på 19 enkätfrågor sammanlagt där 13 frågor var av öppen karaktär. Även här analyserades svaren kvalitativt genom kategorisering. Man valde att ställa upp ett antal mål som utgångspunkt för

utvärderingen. Så här beskriver projektgruppen målen,

Målen är uttryck för vår förståelse av läroplanen, undervisningspraxis, energibegreppets natur och elevernas sätt att tänka om energi.(Skolverket, 1997)

I delrapporten Energi i natur och samhälle, som var den del av undersökningen som behandlade området energi, ansågs generellt att elevernas svar innehåller för få grenar och steg vid beskrivning av energiflödet på jorden. En notering var att eleverna, när de besvarar en fråga som handlar om att de skulle följa solens energi på jorden, tenderar att beskriva

händelser och objekt snarare än energins flöde. Något noterbart var att eleverna inte kunde redovisa för vattencykeln i någon större utsträckning trots att vattencykeln behandlas på alla skolstadier och bör därför vara känd för eleverna i åk 9. Andersson m.fl. menar att man i undervisningen betonar materians, dvs. vattnets, kretslopp snarare än energiomvandlingar i samband med detta. Därför kan det vara svårt för eleverna att associera till vattencykeln i ett energisammanhang. (Andersson m.fl. 1996)

Solomons (1992) undersökning med öppna frågor om energi visade liknande resultat.

Frågorna besvarades av två grupper elever där ena gruppen ansågs vara svaga inom ämnet och den andra gruppen var elever som presterade bättre inom ämnet. Den gruppen elever som ansågs svaga inom ämnet tenderade att beskriva mer händelser och objekt som innehåller energi snarare än energins flöde.

I delrapporten Energi i natur och samhälle, anger Andersson m.fl. (1996) en hypotes om att det kanske skulle vara lättare för eleverna att följa energin bakåt från t.ex. ett vindkraftverk. Tegård (2007) undersökte detta i sitt examensarbete och kom fram till att elever presterar bättre på skriftliga uppgifter om jordens energiflöde då de får förklara enskilda energikedjor i riktning bakåt, än när de ska utgå från solen och följa energikedjorna framåt.

9

Forskning om den naturvetenskapliga diskursen i skolan

Schoultz (1998) har undersökt hur elever behärskar naturvetenskapliga diskurser. Hans resultat och slutsatser pekar på att språket är ett hinder för eleverna. Naturvetenskapligt språk är svårt för elever att använda i vardagliga situationer. Schoultz skriver att elever har svårt att använda termer och begrepp från naturvetenskapen. Elever söker oftast namn på fenomen men kan inte förklara det samband som finns. Schoultz menar att elever behöver hjälp med att kunna ta steget att behärska den naturvetenskapliga diskursen.

Geijerstam (2006) har forskat kring hur elever skriver naturvetenskapligt och tittat närmare på åk 4 och åk 8 och hur elevers skrivande utvecklar deras förståelse av naturvetenskap och en implementering av den naturvetenskapliga diskursen. Hon har kommit fram till att de naturvetenskapliga ämnena är muntligt baserade och att detta hindrar elever från att nå en högre abstraktionsnivå och tillämpande av naturvetenskapligt språk. En kombination av muntliga och skriftliga delar i undervisningen ger enligt undersökningens resultat en ökad textrörlighet i skrivandet, vilket innebär att texterna är utförligare med resonemang och att eleverna kan återberätta utefter texten i större utsträckning. Hon kommer fram till framförallt att eleverna måste behärska diskursen för att klara naturvetenskapliga ämnen. Kan eleverna bara bygga kunskap på det muntliga planet kan troligen inte eleven avancera i

abstraktionsnivåer och till slut behärska ett naturvetenskapligt språk och tillskansa sig djupare kunskaper.

Solomon (1992) ställer sig frågan varför det är svårare att bemästra naturvetenskaplig kunskap och naturvetenskapligt språk. Naturvetenskapliga begrepp är inte knutna till livets skeenden och därför är det svårare att lära sig dessa teorier och använda dem för att förklara skeenden eller praktiska ting. Svårigheten i naturvetenskaplig undervisning är att fylla gapet mellan det vardagliga och de strikt abstrakt teorierna.

Solomon (1992) skriver att när elever ska förklara energiomvandlingar finns tre typer av svar. Det första är enbart vardagliga beskrivningar, det andra en vetenskaplig beskrivning och det tredje en blandning av vardaglig och vetenskaplig beskrivning. De elever som svarar både vetenskapligt och vardagligt tenderar till att ha en djupare förståelse.

10

Driver m.fl. (1994) har undersökt elevers föreställningar kring energibegreppen. De skriver att energiprincipen misstolkas av elever. Många elever anger inte fotosyntesen och cellandningen som processer, vilka involverar bevarandet av energi genom transformation. Eleverna tror däremot att dessa processer skapar energi.

Föreställningen att energi används och tar slut är vanligt förekommande. Kvalitativa frågor bör användas för att elever ska kunna förklara fenomen och utveckla sin förståelse.

Driver m.fl. (1994) tar upp att energi ses som vätska, ingrediens eller produkt. En

föreställning är att energi flödar likt en vätska in i en produkt och ut och sedan in i en annan produkt. Föreställningen om energi som ingrediens innebär att den finns i alla objekt och sätts igång av något, t ex en process. Föreställningen om energi som produkt innebär att den skapas i en situation som biprodukt och ses som kortlivad snarare än att den bevaras och

transformeras till andra former.

Varför ska skolan undervisa om energibegreppen?

I skolverkets kursplaner ges mål som elever ska uppnå i skolans undervisning med avseende på energibegreppet.

Mål som eleverna skall ha uppnått i slutet av det nionde skolåret:

Eleven skall beträffande natur och människa:

ha kunskap om naturliga kretslopp och om energins flöde genom olika naturliga och tekniska system på jorden, (Naturorienterande ämnen grundskolan, Skolverket, 2000)

ha kunskap om olika energiformer och energiomvandlingar samt vid tekniska tillämpningar miljö-, resurs- och säkerhetsaspekter, (Fysik grundskolan, Skolverket, 2000)

Mål som eleverna skall ha uppnått efter avslutad kurs i Naturkunskap A.

Eleven skall:

ha kunskap om energiomvandlingar och energiformer samt begreppet energikvalitet.

kunna beskriva naturliga kretslopp och av människan skapade materia- och energiflöden samt ha förståelse av termodynamikens lagar.

11

Likheterna mellan kursplanen för no och fysik i nionde skolåret och kursplanen för kursen naturkunskap A i gymnasiet är övergripande att eleverna skall ha kunskap om

energiomvandlingar och energiformer, vilket begreppet energiflöde innefattar. Den största skillnaden är att kursen naturkunskap A ställer kravet att eleverna ska kunna beskriva energiflöden och även kunna använda och ha kunskap om begreppet energikvalitet. Denna skillnad i strävansmål mellan kursplanerna tyder på att det skall ske en progression från grundskolan till gymnasium i alla program då kursen Naturkunskap A är ett kärnämne på gymnasienivå.

Beskriva vardagen med ett naturvetenskapligt språk

Andersson (1988) skriver att man bör titta på fyra aspekter vad gäller elevers användning av de kunskaper de fått från sin utbildning: Hem och vardag, arbetsplatsen, samhällsliv,

personlig världsbild. Detta synsätt speglas i kursplanerna.

Det som tas upp i stycket ovan kan motiveras av det som Andersson (2008) skriver att det är viktigt att elever lär sig anamma hur man kommunicerar med teori och metod inom

naturvetenskapen. Detta för att utveckla ett hypotetiskt-deduktivt tankesätt, vilket innebär att de kan förklara vad som kommer att ske i en situation med den dokumenterade kunskapsbank som finns. Andersson menar att eleverna kan i olika sammanhang med stöd av

naturvetenskapligt språk och metodik förklara sammanhang och händelser och att dessa förklaringar kan förstås av andra.

12

Problem-/frågeställning

Forskningsfrågorna som presenteras nedan är i grund och botten baserade på den forskning som Björn Andersson m.fl. (1996) bedrivit. Denna rapport behandlar elevers förståelse av jordens energiflöde, vilket gör den relevant att utgå ifrån i våra forskningsfrågor.

Forskningsfrågorna har även sin utgångspunkt i den internationella longitudinella studie som Liu och Tang (2004) gjort, som tar upp hur elevers förståelse av energibegreppet utvecklas under skolår 4 till 12. Forskningsfrågorna baseras även på Driver (1994) m.fl. som behandlar elevers vardagsföreställningar av energibegreppet. Detta gör även Solomon (1992) i sin studie. Studien tar bland annat upp hur elever bemästrar den naturvetenskapliga diskursen. Detta behandlas även av Schoultz (1998) samt Geijerstam (2006). Innehållet som

forskningsfrågorna avser att ta upp är baserade och begränsade till kursplanerna för fysik och no i grundskolan samt naturkunskap A i gymnasiet. (Skolverket, 2000)

1. I vilken omfattning kan elever i nionde skolåret och gymnasieelever som har läst kursen naturkunskap A redogöra för enskilda energikedjor i jordens energiflöde?

2. Vilka olika tendenser till föreställningar om jordens energiflöde finns mellan elever i nionde skolåret och gymnasieelever som har läst naturkunskap A, i både det

naturvetenskapliga programmet och det samhällsvetenskapliga programmet?

3. Vilka kunskaper har gymnasieelever som har läst kursen naturkunskap A om energihushållning?

4. I vilken utsträckning har eleverna uppnått kursplanens mål och i vilken utsträckning kan eleverna i Åk 9 och på gymnasiet förklara med ett naturvetenskapligt språk energikedjor i jordens energiflöde?

Vi vill med våra frågor undersöka hur elevers föreställningar och kunskaper ser ut om energibegrepp och se om det finns eventuella tendenser till skillnader mellan åk 9 och gymnasieklasser som läst Naturkunskap A. Vår frågeställning består av frågor som söker kvalitativa svar, vilket gör att vi inte sökt efter statistiskt signifikanta skillnader utan enbart sökt efter att notera tendenser.

13

Metod

Detta arbete och dess undersökning har genomförts med enkäter som metod. Arbetets forskningsfrågor grundas på kursplanernas mål och forskning som Andersson m.fl. (1996) bedrivit i syfte att undersöka elevers kunskaper och förståelse om energibegreppen i skolan och i synnerhet energiflöde. Andersson m.fl. (1996) undersöker bland annat elevers förmåga till att skriva och förklara energiflöden framåt från solen till och på jorden. Tegård (2007) undersöker i sitt examensarbete enskilda energikedjor i jordens energiflöde bakåt för att göra en jämförelse med Anderssons m.fl. (1996) resultat.

För att få tillräckligt med information är enkätundersökning lämpligast, då stor mängd information kan fås under en kort tid. (Patel & Davidson, 2003)

Svedner & Johansson (2006) menar att enkätmetoden fungerar bra när man vill undersöka ett samband mellan en utbildning och det som är av intresse. Vidare skriver han att enkätmetoden är lämplig när svar på faktafrågor söks.

Därför använde vi som metod en enkätundersökning bestående av likartade frågor av öppen karaktär, likt de som Andersson m.fl. (1996) och Tegård (2007) använt. I vår undersökning deltog totalt 144 elever som skulle svara på 5 respektive 6 öppna frågor, och med tanke på tiden som vi har till förfogande är intervjumetoden utesluten.

Urval

Urvalsgrupp till undersökningen bestod av två skolor i en stor tätort i södra Skåne. Ena skolan utgjorde en högstadieskola med tre klasser som deltog och den andra en gymnasieskola med fyra klasser som deltog, två nv-klasser och två sp-klasser. Ena nv-klassen går andra året på gymnasiet och har läst kursen biologi A vilket möjligtvis ger bättre förutsättningar att svara korrekt på enkätfrågorna. De nv-klasser som deltog i undersökningen är enligt lärarna på skolan svaga i sina ämneskunskaper från grundskolan. Högstadieskolan ligger i en förort och klasserna är heterogena med mångkulturell bakgrund. Denna skola präglas av att vara en skola med lågpresterande elever, med stor andel elever utan avgångsbetyg. Gymnasieskolan ligger centralt i tätorten och är en av flera gymnasieskolor i tätorten. Denna skola präglas av att den har höga intagningspoäng. Skolan har dock under senare år gått igenom en förändring i elevunderlaget då intagningspoäng sjunkit, framförallt för det naturvetenskapliga

14

En motivering till varför vi valt dessa skolor är för att vår verksamhetsförlagda tid har varit i dessa skolor och därför har det varit lättare att välja dessa som urval.

Eleverna på högstadieskolan, fördelade på tre klasser, var under enkätundersökningens gång i slutet av årskurs 9. Tre klasser på gymnasiet var under undersökningens gång i slutet av kursen naturkunskap A och en klass gick andra året och var också i slutet av naturkunskap A. Samtliga klasser hade gått igenom energibegreppen i sin undervisning.

Anledning till den stora urvalsgruppen är att enkätfrågorna är av öppen karaktär, vilket troligen kan leda till att bortfallet blir större av elever som inte kan svara på frågorna av olika anledningar.

Varje elevkategori med deltagande elever var till antalet relativt små och det medförde därför en risk att det erhållna resultatet eventuellt kunde ha påverkats av olika variabler. Olika lärare i klasserna, eller olika situationer som uppstod under undersökningens gång kan ha påverkat eleverna när de svarade på enkäten. Vårt metodval kunde användas för att ta reda på rådande kunskaper och föreställningar om energibegreppen, men försvårade däremot möjligheterna till att visa på signifikanta skillnader mellan årskurs 9 och gymnasiet. Vi har kunnat titta på olika tendenser mellan elevkategorierna, men vi har inte kunnat fastsälla signifikanta skillnader då vi ej hade kvantitativ data till detta ändamål. Vi har därmed inte kunnat generalisera utan enbart påpekat att tendenser till skillnader fanns i vårt urval.

Etiska hänsyn

De skolor och elever som deltagit i enkätundersökningen försäkrades anonymitet. Lärarna för de olika klasserna fick inte tillgång till enkätsvaren. Detta beslutade vi oss för att undvika för att lärarna eventuellt inte skulle kunna ta reda på vilken elev som besvarat en specifik enkät och använda detta för att påverka elevens betygsomdöme. Eleverna informerades om syftet till vår undersökning och att medverkan var frivillig. Vi följde de punkter som tas upp av Svedner & Johansson (2001), vilka är anvisningar för forskningsetik som är utarbetad av humanistiskt – samhällsvetenskapliga forskningsrådet.

15

Enkätens utformning

För en exakt bild av enkäten hänvisas läsaren till bilaga 2. Som inledande bakgrundsfrågor i enkäten ombeds eleverna att besvara om de är kille eller tjej samt vilket gymnasieprogram de valt/går på. Anledningen till att vi i enkäten har tagit upp kön som bakgrundfråga är för att eventuellt ha den möjligheten att kunna undersöka detta, trots att detta inte avses att belysas av våra forskningsfrågor. Som andra bakgrundfråga har vi i enkäterna för åk 9 en

kontrollfråga om vilket gymnasieprogram de sökt till, för att se hur stor andel elever som sökt till SP och NV med tanke på att urvalsgruppen på gymnasiet består av elever som går nv- och sp-programmen.

Vi har övergripande valt att ha öppna frågor för att kunna samla in kvalitativa svar som kan besvara våra forskningsfrågor. Totalt innehåller enkäten för åk 9 fem frågor av öppen karaktär och för gymnasiet är det samma fem frågor samt en fråga till. Ingen fråga är kopierad från någon annan undersökning, utan istället är frågorna omformulerade efter vad vi tror är

lämpligast sätt att ta upp dem på för att besvara forskningsfrågorna. Vi har fått inspiration från den forskning vi utgått ifrån samt av Tegårds (2007) examensarbete, eftersom de

undersökningarna tar upp frågor gällande energiflöden på jorden. Framförallt har vi utgått från Anderssons m.fl. (1996).

Fråga 1 i enkäten är ett typexempel på en energikedja med bilder för att vägleda eleverna i deras svar på resterande frågor. Dimenäs & Haraldsson (2000) skriver att bilder är ett viktigt uttrycksmedel och informationskälla. Schoultz (2002) tar även upp att elevers

begreppsförståelse underlättas av bilder.

Frågorna 1-5 avser att avser att belysa forskningsfrågorna 1 och 2.

1. I vilken omfattning kan elever i nionde skolåret och gymnasieelever som har läst kursen Naturkunskap A redogöra för enskilda energikedjor i jordens energiflöde?

2. Vilka olika tendenser till föreställningar om jordens energiflöde finns mellan elever i nionde skolåret och gymnasieelever som har läst naturkunskap A, i både det naturvetenskapliga programmet och det samhällsvetenskapliga programmet?

Fråga 6 avser att belysa forskningsfråga 3.

3. Vilka kunskaper har gymnasieelever som har läst kursen naturkunskap A om energihushållning?

16

Samtliga enkätfrågor avser att belysa forskningsfråga 4.

4. I vilken utsträckning har eleverna uppnått kursplanens mål och i vilken utsträckning kan eleverna i åk 9 och på gymnasiet förklara med ett naturvetenskapligt språk energikedjor i jordens energiflöde?

Enkätfrågorna 2 och 3 efterfrågar ett svar där energiflödet ska beskrivas utifrån en given utgångspunkt och följas i steg så långt bakåt som möjligt. Enkätfrågorna 4 och 5 efterfrågar ett svar där solen är utgångspunkt för energiflödet. Fråga 1, 2, 3 och 4 avser att ge svar som belyser elevernas kunskap och förståelse för enskilda energikedjor i jordens energiflöden. Fråga 5 avser att ge svar på hur elevernas kunskaper ser ut angående hur energikedjor utgår från solens strålningsenergi.

Enkätens validitet och reliabilitet

Skolorna som deltog i undersökningen uttryckte ett önskemål om att enkätundersökning skulle göras så tidigt som möjligt. Detta gav inget utrymme för att genomföra en

pilotundersökning av enkäten. Samtliga enkäter delades ut under två dagar utan avbrott, vilket gjorde att vi inte hann läsa några svar och ändra på frågor som kan ha missuppfattats av eleverna. Detta kan ha påverkat undersökningens validitet och reliabilitet. Vi var dock tillgängliga för eleverna under genomförandet av enkäten och besvarade eventuella frågor. Denna tillgänglighet kan dock troligen inte kompensera för det bortfall av svar på enkätens frågor som fanns från elever som inte ville ställa frågor av olika anledningar.

Enkätfrågorna var av öppen karaktär för att eleverna med egna ord skulle kunna förklara energikedjor. Detta ger ett resultat som har högre validitet, eleverna är inte styrda till att svara på ett specifikt sätt. Reliabiliteten i enkät som metod kan diskuteras, men med öppna frågor får man en högre reliabilitet än med fasta svarsalternativ. Fasta svarsalternativ ger inte en heltäckande bild av elevers kunskap och föreställningar i detta fall om energibegrepp.

Enkätens genomförande

Lärarna till de deltagande klasserna fick inte se enkäterna före undersökningen för att undvika eventuella förberedelser inför undersökningen. Klasserna som deltog i undersökningen hade 20-30 minuter till sitt förfogande att besvara enkäten. Valet av denna tidsbegränsning motiveras av att vi inte ville att eleverna skulle tröttna under enkätens gång. Av samma anledning genomfördes undersökningarna i början av lektionerna.

17

Före utdelningen av enkäten förklarade vi tydligt att enkätundersökning ingår i vårt

examensarbete och att inga resultat eventuellt skulle komma att ges till läraren för respektive klass. Vi försäkrade även eleverna om att enkäterna skulle förbli anonyma och att även skolan skulle förbli anonym. Under enkätens gång fanns vi till förfogande om eleverna hade någon fråga.

Enkätens genomförande gick smidigt, inga elever uppvisade störande beteenden, vilket lärarnas närvaro kan ha bidragit till. Eleverna uppmanades till att inte hjälpas åt utan att genomföra enkäten själva, vilket de gjorde i stor utsträckning.

Analysmetod

Svaren på enkätfrågorna har kategoriserats enligt Anderssons m.fl. (1996) svarskategorier med vissa ändringar. Svaren delades upp i huvudkategorier och underkategorier. I

huvudkategorierna ingick energiformerna som förekommer i respektive energikedja. Underkategorierna tog upp omvandlingsprocesser och andra processer som eleverna

redovisade i svaren. När vi skulle sammanställa elevernas svar utgick vi från ett önskvärt svar för respektive fråga som vi eftersökte. Utifrån det önskvärda svaret kategoriserades

elevsvaren i huvudkategorier och underkategorier. Huvudkategorier redovisas i resultatdelen i form av stapeldiagram och underkategorier redovisas fortlöpande i resultatavsnittets text.

18

Resultat och Analys

Totalt deltog 46 elever i slutet av nionde årskurs i enkätundersökningen; varav 22 var killar och 24 var tjejer. 4 killar och 3 tjejer svarade inte alls och är därför bortfall. På gymnasiet deltog 98 elever, fördelade på 4 klasser, varav 2 sp-klasser och 2 nv-klasser. Samtliga klasser i gymnasiet, utom en, går årskurs 1 medan 1 nv-klass går årskurs 2. 46 elever var från

samhällsvetenskapliga programmet; varav 23 var tjejer och 20 killar. 50 elever var från naturvetenskapliga programmet, varav 22 tjejer och 28 killar. Samtliga elever på gymnasiet svarade på någon fråga.

För varje fråga kommer först resultaten för åk 9 att redovisas och sedan gymnasieeleverna som i sin tur delas in i två grupper naturvetenskapliga elever och samhällsvetenskapliga elever. I fortsättningen kommer vi att använda förkortningarna NV och SP för

naturvetenskapligt respektive samhällsvetenskapligt program.

Totala antalet deltagande elever för varje elevkategori varierar. I diagrammen redovisas svaren procentuellt och här måste läsaren vara medveten om att det varierande totala antalet mellan åk 9, NV och SP ger olika procentuella andelar i de olika kategorierna. Ett elevsvar i åk 9 motsvarar 2,6 % och i NV respektive SP motsvarar ett elevsvar 2 % respektive 2,2 %. De svar som är vagt formulerade och som inte kan tolkas enligt kategorierna räknas inte med i andelen elevsvar.

Svaren på fråga 2-5 har kategoriserats enligt Anderssons (1996) svarskategorier. Svaren delas upp i huvudkategorier och underkategorier som diskuteras fortlöpande i texten.

Fråga 1

I Fråga 1 skulle eleverna namnge vilka energiformer som förekommer i varje bild i

energiflödet och även namnge de kemiska omvandlingsprocesserna mellan varje energiform (bilaga 2).

Svarskategorier och önskvärda svar

Det var fem elever som inte besvarade denna fråga i årskurs nio. På gymnasiet var det två elever på NV som inte besvarade frågan. På SP svarade samtliga elever på frågan. Ett korrekt svar på frågan är att eleverna namnger energiformerna: strålnings-/solenergi, kemiskt bunden energi och värme-/spill energi. För steg 1 är fotosyntes ett önskvärt svar och för steg 2 är förbränning ett önskvärt svar.

19

Diagram 1: Jämförelse av procentuell andel elevsvar för varje kategori för åk 9, NV och SP. Totalt antal deltagande elever i åk 9: 39, NV: 50 och SP: 46.

Energiformer

En tydlig tendens som är märkbar i både åk 9 och på gymnasienivå oavsett inriktning är att en andel elever skrivit fotosyntes som energiform för illustrationen som visar träd och växter. Eleverna kan ha missuppfattat placeringen av svaren och skrivit omvandlingsprocesserna där energiformerna skulle angivits. Det skulle innebära att ett flertal elever förstår att

omvandlingsprocessen i steg ett är fotosyntesen men har angivit det fel. Dessa elevsvar finns därför inte med i diagrammet. I åk 9 har 6 elever angivit fotosyntesen på fel sätt, på NV är det 10 elever och på SP 5 elever.

Diagram 1 visar att elevsvaren på NV i förhållande till elevsvaren i åk 9 och SP i andra kategorin (kemiskt bunden energi) är betydligt färre, bara 2 % har angivit kemisk energi.

Energiomvandlingsprocesser

Eleverna på NV har i större utsträckning än de andra elevkategorierna nämnt fotosyntesen som omvandlingsprocess i steg 1 och i stor utsträckning även nämnt förbränningen som omvandlingsprocess i steg 2.

Vissa svar var extra anmärkningsvärda, t ex har en elev skrivit växthuseffekten som en energiform under bilden som illustrerar träd och växter. Eleven i detta fall kan ha associerat hela bildserien med miljöpåverkan och missuppfattat frågan helt.

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Fråga 1

20

I resultatet finns en tendens till att eleverna på gymnasiet i högre utsträckning angivit korrekta energiomvandlingsprocesser i energiflödet men i lägre utsträckning angivit de korrekta

energiformerna.

Fråga 2

I fråga två skulle eleverna följa vilka omvandlingar och former energin har gått igenom innan den utnyttjas av en person som ska springa broloppet (bilaga 2).

Önskvärt svar

Ett önskvärt svar skulle vara, steg 1: utnyttjandet av energi från mat i form av kemiskt bunden energi genom cellandningen, steg 2: den kemiskt bundna energin kan komma direkt från växter, steg 3: den kemiskt bundna energin kan komma indirekt från djur som ätit växter och utvunnit energin genom cellandningen och steg 4: den kemiskt bundna energin i växterna är från början strålningsenergi från solen som genom fotosyntesen kunnat lagras i växterna.

Svarskategorier

Lämpliga svar kategoriserades i steg med energiformer och omvandlingsprocesser som är viktiga i det energiflödet. De omvandlingsprocesser som är av relevans är cellandning och fotosyntes. Det första steget i energiflödet i form av energiformer som är av relevans är kemiskt lagrad energi (mat), det andra är kemiskt lagrad energi (växter), tredje är kemiskt lagrad energi (djur som konsumerat växter eller andra djur) och det sista steget är

strålningsenergi (solen). Resonemang kring omvandlingsprocesserna kommer att behandlas, som underkategorier och tas upp fortlöpande i texten. Huvudkategorierna redovisas i diagram 2.

I åk 9 var det 21 elever som inte har besvarat frågan. På NV var det bara en elev som inte svarade och på SP har samtliga elever svarat.

21

Diagram 2: Jämförelse av procentuell andel elevsvar för varje kategori för åk 9, NV och SP. Totalt antal deltagande elever i åk 9: 39, NV: 50 och SP: 46.

Underkategorier

Elever på gymnasiet har i större andel än elever i nionde årskurs angivit fotosyntesen som omvandlingsprocess och diskuterat den. Vad gäller cellandningen är andelen elever som nämner och tar upp den inte lika stor som andelen elever som nämnt och tagit upp

fotosyntesen. En större andel av nv-eleverna har nämnt det än eleverna i åk 9 och på SP. Detta kan möjligtvis bero på att en av nv-klasserna gick andra året och därmed har hunnit läsa även biologi A som behandlar cellandning.

Sammanfattning övriga samband

I åk 9 angav 5 elever att vatten var en del av stegen i energiflödet.

Flera elever i åk 9 förklarar att energin kommit till människokroppen genom att skriva t ex:

Av allt vatten man druckit, alla vitaminer.

Detta förekom även på gymnasienivå på NV och SP, men enbart i enstaka fall. På gymnasiet och framförallt NV använde eleverna vatten som ett viktigt steg att förklara att kroppens system måste kylas ner då spill/värmeenergi avges från kroppen.

Flera elever på NV skriver t ex:

Mat han äter  protein  transporteras runt i kroppen  vi uträttar ett arbete  energin omvandlas till värme (svett) som ”kyler” ner kroppen.

Dessa två olika svar vad gäller vattnets roll i energiflödet tyder på att eleverna på NV i större utsträckning använt ett mer vetenskapligt resonemang i sina förklaringar. Detta då de kan se

0% 20% 40% 60% 80% 100% 120%

Fråga 2

22

kroppen som ett system som vattnet påverkar. Svaret i citatet ovan är dock inte ett önskvärt svar men det tenderar till att vissa ytterligare dimensioner i ett vetenskapligt resonemang. Citatet från åk 9 visar på att eleverna tror att vatten är en energiform som kan utnyttjas av människokroppen. Det märktes i större andelen elevsvar från gymnasiet, i synnerhet på NV, att eleverna kunde resonera mer naturvetenskapligt, genom att förklara processerna mer ingående och separat i steg.

En liten andel av eleverna på gymnasiet och i åk 9 skrev att energi förloras vid fysiskt arbete. Med dessa svar tror vi att eleverna menade att materian i form av mat förloras genom att de andas ut CO2 snarare än att energin tar slut. Förhållandet mellan materia och energi verkar

vara vagt för den andelen elever.

Eleverna i åk 9 skrev energiflödet både framåt från solen till personen och bakåt från

människa till solen. På gymnasiet skrev eleverna energiflödet även här både framåt och bakåt. Stegen från solen till människokroppen uppfattas nog som lättare för eleverna att skriva då detta förekom bland de flesta av elevsvaren.

Inga elever i åk 9 har angivit det önskvärda svaret med samtliga steg i sina svar. På NV och SP har 2 respektive 1 elev/-er beskrivit samtliga steg. Majoriteten av eleverna både i åk 9 och i gymnasiet beskrev energiflödet istället för att rita och illustrera energiflödet på ett lämpligt sätt. Här följer ett exempel på ett typiskt svar i åk 9 där en elev skriver att:

Personen äter mat (kemisk energi). Detta kommer från djur och grönsaker. För att djuren ska kunna andas och leva behövs det växter. Vi får syre och druvsocker från fotosyntesen. Till sist alltså strålningsenergi → kemiskenergi → rörelseenergi.

En tendens i svaren från eleverna på gymnasiet är att de tog upp steg och energiomvandlingar som frågan inte avsedde att täcka. Framförallt att energin i form av kemisk energi i mat omvandlas till rörelseenergi och värmeenergi i kroppen. Det är givetvis intressant att dessa elevsvar tog upp ytterligare steg än vad som frågas efter. Detta kan tyda på att eleverna på gymnasiet kan se helheten på ett annat sätt och ta ett steg längre. Det kan även tyda på att eleverna eventuellt inte förstått instruktionerna.

Här följer ett exempel på ett sådant svar på gymnasiet. Det är en elev som skrev att:

Energin kommer från kolhydrater genom maten. Maten bryts ned av kroppen så man kan utvinna energi genom sockret i form av cellandning som ger rörelseenergi och värmeenergi som kan användas vid fysiska aktiviteter.

23

Fråga 3

I fråga tre skulle eleverna följa vilka omvandlingar energin gått igenom innan den kommer till tv:n i steg bakåt med vattenkraft som energikälla (bilaga 2).

Önskvärt svar

Ett önskvärt svar skulle vara i första steget alstring av elektricitet från vattenkraftverket och att det drivs av en turbin som är kopplad till en generator som genererar elektricitet. Andra steget är att rörelseenergin i ett vattenflöde driver turbinen och ger rörelseenergi i form av rotation som driver generatorn. Tredje steget är att rörelseenergin i vattenflödet omvandlas från dess lägesenergi i fallhöjden. Fjärde steget innefattar processen som dammar upp vattnet, dvs. vattencykeln som bidrar med nytt vatten till systemet. Sista steget är att solens

strålningsenergi bidrar till vattencykeln som värmer vattnet som i sin tur avdunstar och sedan kyls ned och ger nederbörd som fyller på dammarna i vattenkraftverket (vattencykeln).

Svarskategorier

Vi delade upp svaren i huvudkategorier och underkategorier. Huvudkategorier täcker energiformerna i energikedjan. Dessa är elektrisk energi, rörelseenergi i vattenflödet, lägesenergi i vattnets fallhöjd och solens strålningsenergi som sätter igång vattencykeln.

Underkategorier är resonemang kring det tekniska systemet och de energiomvandlingar som sker i vattenkraftverket samt resonemang och förklaringar kring vattencykeln. Resultaten för huvudkategorierna redovisas i diagram 3 och underkategorierna fortlöpande i texten.

I åk 9 är bortfallet 11 elever. En liten andel elever kom inte längre än vägguttaget. På gymnasiet är bortfallet 7 elever på NV och 6 på SP.

24

Diagram 3: Jämförelse av procentuell andel elevsvar för varje kategori för åk 9, NV och SP. Totalt antal deltagande elever i åk 9: 39, NV: 50 och SP: 46.

Underkategorier

Samtliga elevgrupper beskrev vilka energiformer som finns i varje steg i energiflödet hela vägen från vattnets lägesenergi till elektrisk energi. I både åk 9 och gymnasiet kunde inte eleverna förklara vad som händer i vattenkraftverket på ett utförligt sätt. Majoriteten av de elever som i sina svar förklarade den tekniska processen i vattenkraftverket verkar inte förstå vilka uppgifter turbinen och generatorn har.

Ett exempel på svar från åk 9 är:

Vattnet får en turbin att snurra. På det sättet bildas energi. Sedan åker det från kraftverket till hemmet.

Ett exempel på svar från gymnasiet är:

I vattenkraftverket faller vattnet från en höjd till en turbin som omvandlar energin till elenergi. Därefter leds energin till hushållet genom ledningar.

Citaten tyder på svårigheter bland eleverna att beskriva mer utförligt vad som händer i vattenkraftverket.

I åk 9 har inga elever fört resonemang kring vattencykeln. På gymnasiet på NV och SP har 8 % respektive 17 % angivit vattencykeln på något sätt. En elev från SP har med bilder beskrivit

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Fråga 3

25

hur solens strålningsenergi påverkar vattencykeln genom avdunstning och nederbörd som bidrar med vatten till vattenkraftsystemet.

Sammanfattning övriga samband

Noterbart är att de första tre kategorierna har stor andel svar. Frågan är utformad på ett sådant sätt att vattenkraftverket är utgångspunkten för frågan och kan då av vissa elever uppfattas som slutsteg i energikedjan. Detta kan vara en bidragande faktor till varför de tre första kategorierna har större andel svar. Dock har vi skrivit att energiflödet ska följas så långt bakåt som möjligt.

I åk 9 var det inga elever som kunde ge ett önskvärt svar med ett energiflöde hela vägen tillbaka till solen. Däremot kunde 3 elever på NV och 8 elever på SP följa hela energiflödet till solen. Majoriteten av eleverna på både SP och NV lyckades följa stegen att elenergi kommer från vattenkraftverket och att rörelseenergin i vatten omvandlas till elenergi i en turbin. De kunde inte redogöra för generatorns inverkan.

Det är anmärkningsvärt att samtliga elever på gymnasiet beskriver energiflödet framåt istället för bakåt. Detta är en tendens även i åk 9 där majoriteten beskriver energiflödet framåt. Detta är ett återkommande fenomen, då detta skedde även i elevsvaren på fråga 2.

26

Fråga 4

I fråga 4 skulle eleverna beskriva vilka omvandlingar energin går igenom fram tills att den utnyttjas i en bensindriven bilmotor (bilaga 2).

Önskvärt svar

Solens strålningsenergi utnyttjas av växter och omvandlas till kemiskt bunden energi genom fotosyntesen. Växterna kan konsumeras av djur. Växter och djur lagras i marken under högt tryck och lång tid. Denna process leder till att fossila bränslen bildas. Av fossila bränslen kan olja raffineras och bildar i detta fall bensin som förbränns i bilmotorn.

Svarskategorier

Svaren delades upp i huvudkategorier och underkategorier. Huvudkategorierna tas upp i följande ordning: första steget tar upp sol-/strålningsenergi, andra steget innefattar kemiskt lagrad energi i växter och i djur som konsumerat andra växter och djur. Tredje steget är kemiskt lagrad energi i olja. Fjärde steget är energiomvandlingsprocessen i bilmotorn, dvs. förbränning av bensin.

Underkategorierna av svaren behandlar resonemang kring omvandlingsprocessen fotosyntes och resonemang kring processen hur fossilisering av växter och djur går till. Sista

underkategorin är resonemang om hur olja blir bensin.

27

Diagram 4: Jämförelse av procentuell andel elevsvar för varje kategori för åk 9, NV och SP. Totalt antal deltagande elever i åk 9: 39, NV: 50 och SP: 46.

22 elever i åk 9 har inte svarat på frågan. Av de elever som besvarat frågan har ingen förklarat förbränningen i motorn. Eleverna kan ha missuppfattat frågan och trott att energikedjan slutar vid bilen. 13 elever på NV-programmet och 4 elever på SP-programmet har inte svarat på frågan.

Huvudkategorier

Diagram 4 visar att eleverna på gymnasiet har större andel svar för varje kategori jämfört med eleverna i åk 9. Nv-eleverna har större andel svar än sp-eleverna för huvudkategorierna: kemisk energi (olja) och marginellt bättre på förbränning. Sp-eleverna har större andel svar för huvudkategorierna: Solen, kemisk energi (växter och djur), än både nv-eleverna och åk 9.

Underkategorier

I åk 9 är det en mindre andel elever som nämner fotosyntesen antingen som begrepp eller i ett resonemang jämfört med SP och NV.

En elev i åk 9 skriver följande om fotosyntesen:

Solen sänder ut strålar som blir strålningsenergi. Sedan omvandlas det till kemisk energi när det kommer till växterna.

En elev på gymnasiet skriver följande om fotosyntesen:

Soltrålningen fångas av växterna och omvandlas till kemisk energi i fotosyntesen. 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Fråga 4

28

Endast 10,4 % av eleverna i åk 9 har i någon form fört resonemang kring att solens

strålningsenergi omvandlas i fotosyntesen och förklarat energiflödet fram till fossila bränslen. På gymnasiet var denna andel större då 40 % av eleverna totalt har visat detta i sina

förklaringar av energiflöden. De två citaten, som är två typsvar, visar att eleverna på

gymnasiet använt begreppet fotosyntes i sammanhanget, vilket är en tydlig tendens i svaren på gymnasiet.

En elev i åk 9 skriver följande om fossiliseringsprocessen:

Växterna trycks ner i jorden som omvandlas till olja.

En elev på gymnasiet skriver följande om fossiliseringsprocessen:

Växterna dör och bryts ut och längre ner i jorden. Sedan lagras de i form av olja under jorden i många miljoner år och högt tryck.

I åk 9 är det en mindre andel elever som tagit upp fossilisering av växter och djur än på SP och NV på gymnasiet. Eleverna har på gymnasiet i större utsträckning förklarat hur fossila bränslen skapas. På gymnasiet visste majoriteten av eleverna att solen är den ursprungliga källan men endast 57 % av eleverna gav resonemang kring fossiliseringsprocessen. Resonemangen kring lagring i mark och fossilisering kan bidra till större förståelse kring problematiken fossila bränslen.

Sista underkategorin behandlar resonemang kring hur bensin bildas ur olja. I åk 9 var andelen i denna kategori mindre, 23,4 %, jämfört med SP och NV där andelen var 75,6 % som

nämnde denna process på något sätt.

Ett typiskt elevsvar i åk 9 kunde vara:

Döda djur och växter trycks ner i jorden som omvandlas till olja. Oljan ”pysslar” man med så det blir bensin.

Ett typiskt elevsvar på NV på gymnasiet kunde vara:

Människan tar upp oljan genom utvinning och vi raffinerar den i oljeanläggningar. Där förbränns oljan och sorteras efter kemiska bindningar. Därifrån kan vi få bensin.

Ett typiskt elevsvar på SP på gymnasiet kunde vara:

Idag efter många miljoner år så borrar vi upp olja som vi sedan raffinerar. Det körs bensin till macken.

29

I citaten ovan märks en intressant tendens att eleverna på gymnasiet använt fler termer och begrepp i sina förklaringar.

Fråga 5

I fråga 5 skulle eleverna nämna så många olika alternativa omvandlingar som kan ske från solenergi till andra energiformer efter att en del av solens energi träffat jorden.

Huvudkategorierna för denna fråga är tagna från Anderssons (1996) fråga om att följa solens energi i undersökningen Nationell utvärdering av grundskolan 1995, delrapport Energi i natur och samhälle och är indelade i resonemang som innefattar solenergins växelverkan med geofysiska system, solenergins påverkan på biologiska system och solens energipåverkan på tekniska system. Resultaten för huvudkategorier redovisas i diagram 5. Underkategorierna redovisas och analyseras fortlöpande i texten i stycket nedan.

Diagram 5: Jämförelse av procentuell andel elevsvar för varje kategori för åk 9, NV och SP. Totalt antal deltagande elever i åk 9: 39, NV: 50 och SP: 46.

I åk 9 gav 21 elever inte något svar. På gymnasiet var det 5 elever som inte angav något svar på SP-programmet och på NV-programmet var det 17 elever som inte angav något svar.

Huvudkategorier

Diagram 5 visar att en större andel gymnasieelever svarar för varje kategori än åk 9, i synnerhet NV. 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Geofysiska system Biologiska system Tekniska system Ej svarat

Fråga 5

Åk 9 NV SP

30

Underkategorier

Åk 9: Flera underkategorier till huvudkategorierna kunde identifieras av de svar som erhölls.

För huvudkategorin solenergins påverkan på geofysiska system förklarade två elever växelverkan mellan solenergi och vinden. 5,2 % av eleverna kunde förklara växelverkan mellan solenergi och vågor. 5,2 % av eleverna nämnde att solenergin bidrar till avdunstning av vatten, dvs. påverkar vattencykeln.

För huvudkategorin solenergins påvekan på biologiska system kunde en underkategori av svar identifieras. 2,6 % av eleverna nämnde solenergins påverkan på biologiska system genom att ta upp begreppet fotosyntes.

När det gäller huvudkategorin solenergins påverkan på tekniska system kunde 5,2 % av elevernas svar identifieras som underkategorier. Eleverna gav inga konkreta svar på vilka tekniska system som kan omvandla solenergin, däremot kunde de nämna att solenergin kan omvandlas till elektrisk energi.

Exempel på ett sådant svar är:

En elev som skrev: Strålningsenergielektrisk energi. Strålningsenergikemisk energi. Strålningsenergivärmes energi.

De resterande svaren anger inte fullständiga beskrivningar på omvandlingar mellan energiformer.

SP: Inom huvudkategorin Solenergins växelverkan med jordens geofysiska system kunde

följande typer av underkategorier noteras: 19 % av eleverna nämnde att solenergin värmer jorden och två elever nämnde att solen påverkar vattencykeln.

Inom huvudkategorin Solenergins påverkan på tekniska system kunde 16,8 % av svaren identifieras som underkategorier. Hälften av eleverna angav solfångare och hälften solceller som tekniska system.

Inom huvudkategorin Solenergins påverkan på biologiska system gavs två typer av svar. Båda svaren identifieras under samma underkategori, varav den ena nämnde begreppet fotosyntes och den andra beskrev indirekt fotosyntesen.

31

NV: Inom huvudkategorin Solenergins växelverkan med jordens geofysiska system återfanns

17 svar. De var av olika underkategorier. 10,2 % av eleverna resonerade att solenergin påverkar luftsystemet och orsakar vindar. 21 % av eleverna nämnde att solenergin värmer jorden. 8,4 % av eleverna diskuterade hur solenergin påverkar vattencykeln.

Inom huvudkategorin Solenergins påverkan på biologiska system gav samtliga elever svar på samma underkategori, fotosyntesen.

Inom huvudkategorin Solenergins påverkan på tekniska system gav 12 elever svar vilka kan delas upp i två underkategorier. 21 % av dessa elever nämnde solceller och 4,2 % nämnde solfångare. Noterbart här var att eleverna hade svårt att skilja på vad för sorts funktion de olika systemen har. Eleverna blandade ofta ihop dem med varandra. Detta är en intressant tendens som även kan noteras i elevkategorin SP och i åk 9.

32

Fråga 6

Fråga 6 är endast avsedd för gymnasieelever. I fråga sex fick eleverna argumentera för och emot tre energikällor vad gäller energikvalitet och energikvantitet för ändamålet uppvärmning av bostadshus (bilaga 2).

Önskvärt svar

Ett önskvärt svar för varje punkt för denna fråga skulle vara att redovisa energiformens kvalitet och föra resonemang kring hur stor mängd energi som utnyttjas för ändamålet, dvs. energikvantitet.

Energikvantitet

Elvärme: All den el-energi som används för att värma upp ett hus går åt till det ändamålet, vilket gör att det inte slösas med energikvantiteten. 100 % elenergi omvandlas till

värmeenergi. Detta är god energihushållning vad gäller kvantitet.

Värmepump: För att driva värmepumpen utnyttjas en liten mängd elenergi. Den mängd energi som fås ut i form värmeenergi har 3 till 4 gånger så stor kvantitet som den mängd elenergi som användes för att driva den. Detta är god energihushållning vad gäller kvantitet.

Solfångare: En solfångare utnyttjar endast en liten del av den sol-/strålningsenergi som träffar ytan. Detta gör att kvantitativt är solfångaren inte effektiv och mycket sol-/strålningsenergi utnyttjas inte. Solfångaren är i detta avseende dålig vad gäller hushållning med

energikvantitet. Dock ska det noteras att flödet av sol-/strålningsenergi är ofantligt stor så länge solen är uppe.

Strålningsenergi som solfångaren utnyttjar samt omgivningsvärmen som värmepumpen utnyttjar är kostnadsfri energi, medan elenergi är köpesenergi. Detta innebär att ur ekonomisk synvinkel t ex att elvärme inte är god hushållning. Ur ett energiperspektiv stämmer dock resonemanget ovan.

Energikvalitet

Elvärme: El-energi kan omvandlas till många andra energiformer och har därför hög kvalitet. Denna höga kvalitet är det slöseri med när den omvandlas till värmeenergi som är av låg kvalitet. Detta är dålig hushållning med energikvalitet.

Värmepump: Omgivningsvärmen som utnyttjas av värmepumpen är av låg kvalitet. Likaså är värmeenergin som utvinns ur värmepumpen. Detta är god energihushållning med

33

energikvalitet. Elenergin som används för att driva värmepumpen är av hög kvalitet, men mängden är så pass liten jämfört med vad som fås ut, vilket inte gör den värd att nämna i detta sammanhang.

Solfångare: Strålningsenergin från solen som utnyttjas av solfångaren är av låg kvalitet. Likaså är den värmeenergin som utvinns ur solfångaren. Detta är god energihushållning med energikvalitet.

Elevernas svar

Samtliga elevsvar är kortfattade, majoriteten är i punktform. Detta kan troligen bero på tidsbrist och att eleverna eventuellt tolkat frågan fel.

På SP har 16,8 % av eleverna inte svarat. På NV har 16,8 % av eleverna inte svarat. Mer än hälften av eleverna valde att argumentera och värdera istället ur ett miljöperspektiv. Ett

mycket tydligt drag i deras svar och resonemang var att de gärna använde ordet effektivitet för att besvara hur pass kvalitativ energin är, det vill säga hur många andra energiformer den kan omvandlas till. Vad gäller energimängd använde eleverna inte det begreppet för att förklara om mängden energi utnyttjas till fullt eller att en viss del inte utnyttjas i onödan. De skrev istället hur mycket energi som används eller utvinns i respektive system. Resultaten redovisas i en sammanfattande text nedan för SP respektive NV.

Sammanfattning av förklaringar på SP

Vad gäller elvärme skrev 18,9 % av eleverna att det är bra energikvalitet utan vidare förklaring. 25,2 % av eleverna skrev att det är god användning av energimängder, även här utan vidare förklaring. Det råder delade värderingar angående elvärme som energihushållning, då 10,5 % angivit att det är bra och 10,5 % angivit att det är dåligt. Resten gav inga argument eller resonemang som besvarar frågan korrekt. Eleverna har värderat istället för att ge sakliga argument.

Vad gäller värmepump hade majoriteten av eleverna inte svarat. 4,2 % av eleverna nämnde att det är bra kvalitet utan vidare förklaring. Eleverna nämnde i enkäterna att de inte gått igenom värmepumpen som energikälla i skolan.

Vad gäller solfångare skrev 16,8% av eleverna att det var dålig användning av energimängder. 8,4 % av eleverna värderar även att energikvaliteten är dålig, vilket var det enda som stod i svaren. Här fanns också delade värderingar vad gäller energihushållning.

34

Sammanfattning av förklaringar på NV

Vad gäller elvärme så råder en enighet bland 29,4% av elevsvaren att elenergi är av god kvalitet. Inga elever resonerar kring energimängden, 14,7 % av eleverna ansåg att det är dålig energihushållning och inga angav att det är bra energihushållning.

Vad gäller värmepump angav 10,5 % av eleverna att det är bra energihushållning. Inga elever antydde att det var dålig energihushållning. Resterande svarade inte på frågan.

Vad gäller solfångare tyckte 24,2 % elever att det är bra energihushållning. Resterande elever angav inte något relevant svar på frågan.

Sammanfattning

Generellt har eleverna inte fört resonemang kring de olika energikällorna, utan har svarat i punktform med enstaka ord. Detta innebär att inga vidare slutsatser kan dras huruvida eleverna förstår begreppen. Lärarna förklarade att de inte har gått igenom värmepumpen och termodynamikens lagar, vilket påverkar elevernas möjligheter till att ange ett bra svar. Elevernas svar på frågan har inte kunnat påvisa att de kan skilja på energimängd och energikvalitet.

35

Diskussion

I det här avsnittet diskuteras resultaten som erhållits från enkätundersökningen. Först kommer vi att ta upp forskningsfråga 1 och 2 och jämföra resultaten från undersökningen med den forskning vi gått igenom i litteraturbakgrunden, i synnerhet Anderssons (1996), Liu och Tang (2004) samt Driver m.fl. (1994). Forskningsfråga 3 och 4 kommer att diskuteras med

kursplanens mål som utgångspunkt. Vi kommer också diskutera hur elevernas förmåga att använda ett naturvetenskapligt språk ser ut i respektive elevkategorier. Läsaren måste

uppmärksamma att totala antalet deltagande elever för varje årskurs varierar, vilket betyder att ett svar i respektive årskurs ger olika procentuella andelar. Ett elevsvar i åk 9 motsvarar 2,6 % och på NV respektive SP motsvarar ett elevsvar 2 % respektive 2,2 %.

Forskningsfråga 1 och 2

Enkätfrågorna 1, 2, 3, 4 och 5 avser att ge resultat åt forskningsfråga 1 och 2. Enkätfrågorna finns i bilaga 2.

Enkätfråga 1

Enkätfråga 1 användes som exempel för att ge de deltagande eleverna en övergripande blick över hur en energikedja kan se ut. Med den hade vi för avsikt att se om eleverna känner till de enkla energiformer och omvandlingsprocesser som förekommer i naturen. I resultatdelen, diagram 1, ses att i åk 9 har 8 % angivit fotosyntes som första omvandlingsprocess och 3 % har angivit förbränning som andra omvandlingsprocess. På NV i gymnasiet har 66 % angivit fotosyntes och 32 % förbränning. På SP har 37 % angivit fotosyntes och 15 % förbränning. På gymnasiet är det en större andel av eleverna som angivit rätt omvandlingsprocesser. Något att notera är att elever i samtliga grupper har angivit fotosyntesen som energiform och inte som omvandlingsprocess. Detta är intressant med tanke på det som Drivers m.fl. undersökning kommer fram till. Vårt resultat stämmer överens med vad de har kommit fram till, dvs. att energiprincipen misstolkas och många elever kan inte ange t ex fotosyntesen som

omvandlingsprocess. Det resultat vi fått kan dock ifrågasättas då enkätfråga 1 förutsätter att eleverna vet vad en omvandlingsprocess är och detta varierar från klass till klass som undersöktes.

36

Enkätfråga 2

Enkätfråga 2, 3 och 4 avsedde att ge eleverna möjlighet till att rita och förklara olika energikedjor i jordens energiflöde. Till skillnad från enkätfråga 1 skulle eleverna inte bara ange energiformer och omvandlingsprocesser utan genom text och figurer illustrera energikedjorna. Detta ger en möjlighet att bedöma eleverna kunskaper och föreställningar kvalitativt, dvs. om de kan koppla rätt omvandlingsprocesser till rätt steg i energikedjan.

Enkätfråga 2, se bilaga 3, ger ett resultat som visar att gymnasieeleverna i större andel har angivit fotosyntesen och cellandningen som omvandlingsprocess och del av energikedjan än eleverna i åk 9. Det är en liten andel elever som angivit omvandlingsprocesserna på

gymnasiet, men dock större än åk 9. Överlag ses tydligt sambandet att eleverna har svårt för att ange rätt omvandlingsprocess och förklara energiomvandlingarna korrekt. Detta

överensstämmer med Drivers m.fl. (1994) resultat att elever har svårt att ange fotosyntesen och cellandningen som processer. Liu och Tangs (2004) undersökning visar på att elevers kunskap om energiomvandlingar utvecklas till gymnasiets senare del. Eleverna kan i större utsträckning ta upp energiomvandlingar i sina förklaringar av energibegrepp. Denna tendens kan vi också notera i våra resultat.

Driver m.fl. (1994) anger att föreställningen att energi används och tar slut är vanligt förekommande bland elever, vilket visade sig i resultatet från enkätundersökningen. Många elever uppfattande mat som en ändlig energikälla som förbrukas under aktivitet.

Enkätfråga 3

Enkätfråga 3, se bilaga 3, avser att ge information om hur elever kan beskriva energikedjan bakåt från el-energi till solen. Översiktligt gav frågan resultatet, vilket ses i diagram 3, att den största andelen av eleverna kunde redogöra för de olika energiformerna i stegen. En mindre andel kunde redogöra för hur processen vattencykeln och i slutändan att solen bidrar med vatten till systemet. I åk 9 har inga elever angivit detta i sina förklaringar. På NV på gymnasiet har 8 % respektive 6 % angivit vattentillgång och kopplat till solen. På SP på gymnasiet är andelen 17 % för båda kategorierna. Detta resultat är intressant med tanke på att vattencykeln är något som tas upp under hela skolgången i grundskolan. Andersson m.fl. (1996) anger förklaringen för detta att man i undervisningen betonar materians, dvs. vattnets, kretslopp snarare än energiomvandlingar i samband med detta. Därför kan det vara svårt för eleverna att associera till vattencykeln från ett energisammanhang.

37

Enkätfråga 4

Enkätfråga 4, se bilaga 3, avser att ge information om hur elever kan förklara energikedjan framåt från solen till förbränning av bensin i bilmotorn. Resultatet visade att eleverna på gymnasiet har i större andel svarat inom varje kategori än eleverna i åk 9. Här har vi satt fotosyntesen och fossiliseringsprocessen som viktiga underkategorier. I åk 9 var andelen liten som nämnde fotosyntesen eller förde ett resonemang om processen. På gymnasiet var denna andel betydligt större och svaren var i allmänhet bättre formulerade samt att de flesta noterade specifikt att i omvandlingsprocessen fotosyntes omvandlas energi snarare än att den skapas. I åk 9 var detta inte lika förekommande. Detta överensstämmer återigen med det som Liu och Tang (2004) kommit fram till, nämligen att kunskaper kring energiomvandlingar utvecklas senare i skolgången. Vi tror att detta kan bero på att eleverna har läst mer naturvetenskap desto högre upp i årskurserna de kommer. Resultatet överensstämmer även med Drivers m.fl. (1994) resultat att i yngre åldrar är föreställningarna kring energi att det bildas i processer såsom fotosyntes.

Detta gäller även omvandlingsprocessen förbränning. Inga elever i åk 9 beskrev

förbränningen överhuvudtaget, medan på gymnasiet var det 12 % på NV och 11 % på SP som kunde på något sätt nämna förbränning. Frågan kan ha skapat viss förvirring då den explicit inte visar på att det i svaret ska ingå en förklaring av förbränning som omvandlingsprocess.

Enkätfråga 5

Enkätfråga 5 avsåg att ge komplimenterande information om elevernas förståelse av hur energiflödet påbörjas på jorden genom att ange vilka de första alternativa energiomvandlingar som sker från solen. Detta för att se om eleverna har någon översiktlig förståelse om jorden energiflöde då endast förståelse om enskilda energikedjor undersökts i enkätfråga 1, 2, 3 och 4. Översiktligt var det flest elever på NV som kunde ge flera olika alternativ. 36 % kunde länka solenergi till biologiska system medan det var enbart 3 % respektive 4 % i åk 9 och på SP. Detta kan motiveras med att eleverna på NV har läst även kursen Biologi A och har mer ingående kunskaper om just biologiska processer. Det är mer ”fräscha” kunskaper för dem. Det var generellt låg andel svar för denna enkätfråga och detta beror nog på att enkäten inte var anpassad efter den tid som vi hade till förfogande med klasserna. Många elever skrev på enkäterna att de inte hann med att svara på frågan.

38

Sammanfattning

Med de fem enkätfrågorna som behandlar jordens energiflöde har vi fått fram ett resultat som överensstämmer med den forskning som vi har till grund för vårt arbete. Liu & Tang (2004) visar på att elevers kunskap kring energiomvandlingar utvecklas i de senare delarna av skolgången, i synnerhet gymnasiet. Denna tendens kan vi också påvisa med hjälp av vår undersökning. Vi har i vårt resultat kunnat notera att elever har svårt att skilja på materia och energi, vilket överensstämmer med Anderssons m.fl. (1996) delrapport där de anger

förklaringen att man betonar materians roll i processerna snarare än energiomvandlingarna i samband med dessa i undervisningen. I resultatet kan även noteras att eleverna har

problematik med begreppet omvandlingsprocesser, vilket Driver m.fl. (1998) förklarar genom att energiprincipen misstolkas och att många elever tror att energi bildas i

omvandlingsprocesserna. Resultatet visar att majoriteten av samtliga elever som deltog i undersökningen inte kunde redogöra fullständigt för enskilda energikedjor i jordens

energiflöde. Vi har sammanfattningsvis kommit fram till att de klasser och elever som deltagit i vår undersökning inte har goda kunskaper och vetenskapliga föreställningar om jordens energiflöde. De har inte uppnått de förväntningar vi hade i form av de önskvärda svar vi ville att de skulle ge på frågorna i enkätundersökningen.

I vår undersökning har vi valt att formulera enkätfrågorna 2 och 3 så att eleverna förklarar energikedjorna så långt bakåt som möjligt medan enkätfrågorna 4 och 5 avser förklaringar från solen och framåt till angiven mottagare i energikedjan. I Anderssons m.fl. (1996) delrapport motiverade han att eleverna kanske kunde få bättre resultat om de istället följde energikedjan bakåt. Detta kunde Tegård (2007) visa med sitt examensarbete. Resultaten som vi fick från vår undersökning visar dock att eleverna i vårt urval i större utsträckning hellre beskriver energikedjan framåt än bakåt. Eleverna hade tendensen att beskriva energiflödet framåt även i de frågor som avsågs att följa energin bakåt i kedjan vilket kan kännas mer naturligt. Dock kan vår första fråga, som är en exempeluppgift, implicit ha angivit den bilden till eleverna att svaren skall följa energin framåt i energikedjan.

39

Forskningsfråga 3

Enkätfråga 6 avser att ge resultat som kan användas till att besvara forskningsfråga 3. I enkätfråga 3, se bilaga 2, fick eleverna argumentera för och emot vad gäller hushållning med energikvalitet och energikvantitet för 3 energikällor: elvärme, värmepump och solfångare. Svaren motsvarade inte det önskvärda svar som vi hade förväntat oss. När eleverna skulle besvara denna fråga började tiden rinna ut, vilket kan ha bidragit till de kortfattade svaren som eleverna gav. I resultatet kunde vi notera tendensen att elever gärna beskrev de olika

energikällorna efter uppvärmningssyfte med den grad av effektivitet som dem tros ha.

Majoriteten elever angav effektivitet som argument för eller argument emot energikvaliteten. Detta var svårt att tolka då varje elev har sitt specifika tankemönster kring denna fråga. En uppföljningsintervju med en mindre andel elever från varje klass hade varit bra att genomföra för att reda ut vad eleverna menar med effektivitet. Det har tyvärr inte funnits någon tid åt detta. Detta är dock ett område som kanske kan uppmärksammas av framtida lärarstudenter som vill skriva ett arbete inom hållbar utveckling. De flesta svar som framgick var i

punktform och inte av det argumenterande slag som vi sökte. Detta innebär att utförliga slutsatser kan dras. Felkällorna kan vara tidsnöd och att eleverna inte förstod frågan, vilket motiveras av att majoriteten av eleverna värderade frågan ur miljöperspektiv. En ytterligare bidragande orsak är framförallt att eleverna inte gått igenom värmepump och

termodynamikens lagar, vilket bör betraktas som underligt, då värmepump är vanligt förekommande i Sveriges hushåll.