Gymnasieelevers begreppsuppfattning i biologi

Examensarbete

15 högskolepoäng, avancerad nivå

Gymnasieelevers begreppsuppfattning i

biologi

High School Students’ Concept Understanding in Biology

Erik Borgström

Lärarexamen 270hp Handledare: Ange handledare

Lärarutbildning 90hp 2010-11-03

Examinator: Agneta Rehn

Handledare: Leif Karlsson Lärarutbildningen

3

Abstract

There are teachers who plan their teaching without examining its effectiveness in overcoming students’ misconceptions. I think that a teacher who knows what misconceptions are common and lead to wrong answers has a better chance to develop their teaching in a way that will allow students to get rid of their misconceptions and hence choose correct answers. The purpose of the present study was to examine concept understanding in biology of Swedish high school students at the beginning of the final year of the science program. The tool used to explore students’ concept understanding was the Biology Concept Inventory (BCI). The test was answered by 66 Swedish high school students in the final year of the science program. The results from the Swedish students were compared to the results from 85 high school students in the United States. The results from both countries show that many students avoid alternatives in which a biological process include randomness and prefer to choose alternatives which means that the biological process is controlled by a driving force, for instance natural selection or a concentration gradient. Applications and limitations of the BCI are discussed. Suggestions for changes in education and further research are given.

Sammanfattning

Det finns lärare som planerar sin undervisning utan att undersöka hur effektiv den är i att komma till rätta med studenternas missuppfattningar. En lärare som vet vilka missuppfattningar som är vanliga och leder till felaktiga svar tror jag har större möjlighet att utforma undervisningen på ett sätt som får eleverna att göra sig av med sina missuppfattningar och därmed svara rätt. Syftet med detta examensarbete var att undersöka hur gymnasieelever i början av tredje årskursen på det naturvetenskapliga programmet uppfattar biologiska begrepp. Verktyget som användes för att undersöka elevernas begreppsuppfattning var Biology Concept Inventory (BCI). Testet besvarades av 66 svenska gymnasieelever i sista året på det naturvetenskapliga programmet. Resultatet från de svenska eleverna jämfördes med resultatet från 85 gymnasieelever i USA. Resultaten från båda länderna visar att många elever väljer bort alternativ där biologiska processer innehåller slump och hellre väljer alternativ som innebär att den biologiska processen styrs av en drivkraft som till exempel det naturliga urvalet eller en koncentrationsgradient. Användningsområden och begränsningar hos BCI diskuteras. Förslag ges till förändrad undervisning och vidare forskning.

4

Förord

Tack till min handledare Leif Karlsson som har svarat på alla mina frågor, hjälpt mig att komma vidare och kommit med konstruktiva kommentarer under hela processen. Tack till de fyra lärare som ställde upp och lånade ut sina lektioner och klasser så att jag kunde göra testet. Tack till de 66 elever som besvarade testet och ansträngde sig för att svara på alla frågor. Tack till alla de forskare och utvecklare av begreppsförståelsetest som jag mejlat med och speciellt till Michael Klymkowsky på University of Colorado som svarade på många frågor som jag haft kring BCI, och gav mig tillgång till ett dokument med utförliga beskrivningar av vanliga missuppfattningar kopplade till varje felaktigt alternativ.

5

Innehållsförteckning

1 Inledning ... 7

1.1 Syfte ... 7

1.2 Kommentar om ordet ”missuppfattning” ... 7

1.3 Vad är ett begrepp? ... 7

1.4 Biology Concept Inventory ... 9

1.4.1 Hur föddes idén till BCI? ... 9

1.4.2 Målet med BCI ... 10

1.4.3 Vad är BCI? ... 10

1.4.4 Utvecklandet av BCI – 1: Essäfrågor och intervjuer ... 10

1.4.5 Utvecklandet av BCI – 2: Validering ... 11

1.4.6 Utvecklandet av BCI – 3: Reliabilitetstestning ... 11

1.4.7 Utvecklandet av BCI – 4: Iteration ... 11

1.4.8 BCI:s begreppsvaliditet – ger BCI oss de svar som vi vill ha? ... 11

1.4.9 BCI:s innehållsvaliditet – ger BCI oss alla de svar som vi vill ha? ... 12

1.4.10 BCI:s reliabilitet ... 12

1.4.11 Andra begreppsförståelsetest i biologi ... 14

1.4.12 Kritik mot BCI ... 14

1.4.13 Resultat av BCI från USA ... 15

1.5 Artikelsökning ... 16

1.6 Frågeställning ... 16

2 Metod ... 17

2.1 Test ... 17

2.2 Motivering till val av test... 17

2.3 Urval ... 17 2.4 Genomförande ... 17 2.5 Översättningsfel ... 18 2.6 Poängsättning... 18 2.7 Undersökningens validitet ... 18 2.8 Undersökningens reliabilitet ... 19 2.9 Etiska överväganden ... 19 3 Resultat ... 20

6

3.1 Svarsfördelning ... 20

3.1.1 Kommentar om blanksvar ... 20

3.1.2 Svarsfördelningen i tabellform ... 21

3.1.3 Figur med andel korrekta svar per fråga bland de svenska eleverna ... 22

3.1.4 Figur med andel korrekta svar per fråga för både Sverige och USA ... 23

3.2 Poängfördelning... 24

4 Diskussion ... 25

4.1 Missuppfattningar ... 25

4.1.1 Vanliga missuppfattningar hos biologistudenter i USA ... 25

4.1.2 Vilka felaktiga alternativ i BCI har de svenska eleverna främst valt? ... 26

4.1.3 Elever väljer bort slumpen ... 27

4.2 Frågor i BCI med högst andel korrekta svar ... 28

4.3 Jämförelse mellan gymnasieelever i Sverige och USA ... 29

4.4 Är svarsfördelningen slumpmässig? ... 30

4.5 Förstår eleverna frågorna? ... 30

4.6 Vem är BCI konstruerat för? ... 31

4.7 Generaliserbarhet ... 31

4.8 Slutsatser ... 32

4.8.1 Förslag till förändrad undervisning ... 32

4.8.2 BCI:s användningsområden - kan lärare ha nytta av resultaten? ... 32

4.8.3 BCI:s begränsningar ... 32

Referenser ... 34

Bilaga 1a – BCI på engelska ... 37

Bilaga 2a – BCI på svenska ... 43

7

1 Inledning

Att lära ut något är en svår konst och det är inte alltid lätt att veta vilken metod som är bäst. I min egen praktik har jag upptäckt hur viktigt det är att utgå från elevernas egna föreställningar när jag vill lära ut något nytt. Att känna igen vanliga felaktiga föreställningar hos elever tycker jag därför känns angeläget. Det skulle också vara spännande att skaffa sig verktyg för att se om det har hänt något med dessa föreställningar efter avslutad undervisning.

1.1 Syfte

Det finns lärare som planerar sin undervisning utan att undersöka hur effektiv den är i att komma till rätta med studenternas missuppfattningar (Garvin-Doxas & Klymkowsky 2007a).

En lärare som vet vilka missuppfattningar som är vanliga och leder till felaktiga svar tror jag har större möjlighet att utforma undervisningen på ett sätt som får eleverna att göra sig av med sina missuppfattningar och därmed svara rätt. Om en undersökning av elevernas missuppfattningar görs både före och efter genomgången kurs erhålls också ett mått på hur effektiv undervisningen har varit.

Syftet med examensarbetet var att undersöka hur gymnasieelever i början av tredje årskursen på det naturvetenskapliga programmet uppfattar biologiska begrepp.

1.2 Kommentar om ordet ”missuppfattning”

Konstruktörerna av testet som användes i detta arbete, använder genomgående i sina artiklar ordet ”missuppfattning” för att beskriva föreställningar hos eleverna som inte stämmer överens med den vetenskapliga teori som vanligen används på universitetets biologiska grundutbildning i USA. Även om det kan diskuteras huruvida sådana föreställningar verkligen är missuppfattningar har jag valt att använda samma ord.

1.3 Vad är ett begrepp?

Syftet med examensarbetet var alltså att undersöka hur elever uppfattar begrepp i biologi, men vad är då ett begrepp? Jag har valt att använda en definition av Halloun (1995). Enligt Halloun (1995) kan ett begrepp definieras utifrån fem egenskaper: dess domän, organisation, sätt att mäta det, uttryck och användning.

Låt oss ta begreppet ”hund” som exempel. Domänen för begreppet ”hund” är alla de organismer som vi kallar hund. Organisationen för begreppet ”hund” handlar om hur detta

8

begrepp förhåller sig till andra begrepp. Till exempel vet vi att alla organismer som ingår i domänen för ”hund” också ingår i domänen för ”djur” medan domänen för ”schäfer” är en del av domänen för ”hund”. Domänen för ”svart” överlappar delvis med domänen för ”hund”. För att kunna mäta hur mycket ”hund” något är kan vi höra hur högt det skäller och undersöka om det kan springa och hämta en pinne. Uttryck och symboler som refererar till begreppet ”hund” är till exempel de skrivna eller uttalade orden ”hund” och ”vovve” och hundsymboler som används på förbudsskyltar. Slutligen måste den som ska förstå begreppet ”hund” lära sig hur det ska användas. När ska något kallas för ”hund”? Hur ska vi kunna ta reda på om något är en ”hund” och vilken sorts hund det är? Om vi vet att något är en ”hund”, kan vi då också dra andra slutsatser, till exempel att det inte kommer att finnas några katter i samma rum? Om vi ser något avlångt och vet att det är en del av en teckning av en hund, så kan vi dra slutsatsen att det är en svans, men om det istället hade varit en teckning av en elefant hade det avlånga lika gärna kunnat vara snabeln. Det som vi vet om begreppet ”hund” har alltså hjälpt oss att dra slutsatser som vi annars inte hade kunnat dra.

Begreppet ”hund” var ett exempel på ett objektsbegrepp, men det finns också egenskapsbegrepp, som till exempel begreppet ”kraft” i fysiken. För egenskapsbegrepp får domän, organisation, sätt att mäta, uttryck och användning en lite annorlunda betydelse. Jag använder begreppet ”kraft” som exempel och baserar min beskrivning på Halloun (1995):

En kraft utövas från ett fysiskt objekt till ett annat. Domänen för begreppet ”kraft” är därför alla par av fysiska objekt. Organisationen för begreppet ”kraft” handlar om hur det förhåller sig till andra begrepp. Till exempel vet vi att två objekt med en viss massa och ett visst inbördes avstånd utövar en viss dragningskraft på varandra. Hur kan vi då mäta storleken av en kraft? Två krafter sägs vara lika om de påverkar ett visst objekt likadant. Krafter är additiva, det vill säga två lika stora krafter påverkar ett föremål dubbelt så mycket som en. Två motsatta krafter är lika stora om effekten av att tillämpa båda krafterna på samma objekt är samma som om ingen av dem tillämpats på objektet. Symboler som refererar till kraft är till exempel bokstaven F med en pil över eller ordet ”kraft”. Ett tal följt av symbolen N eller ordet ”Newton” används för att representera storleken av en kraft. Användningen av begreppet kraft handlar till exempel om hur man kan dela upp en kraft i vertikala och horisontella komponenter eller hur man räknar ut ett objekts acceleration givet den kraft som utövas på det.

9

Att undersöka elevens uppfattning om ett begrepp fullt ut innebär alltså att undersöka hur de uppfattar begreppets alla delar: domän, organisation, mätning, uttryck och användning.

Vilken typ av frågor kan ställas om biologiska begrepp? Begreppens uttryck är det ofta lätt att ställa frågor om, till exempel: ”Föreställer denna bild en svan?” eller ”Betecknar bokstaven N grundämnet kväve?”. Frågor om begreppens domäner kan ibland vara enkla, till exempel: ”Är svanar djur?”, men det finns även svårare fall som till exempel ”kan alleler vara dominanta?”. Svaret på denna fråga är nej eftersom begreppet ”dominant” endast används för egenskaper; alleler tillhör alltså inte begreppet ”dominant”:s domän. En fråga om användning kan lyda såhär: ”Vilket protein kodar DNA-sekvensen TACCAGTAACCA för?”. En fråga om mätning kan lyda såhär: ”Om du har ett DNA-prov, hur kan du avgöra om det är mänskligt DNA?”. Organisation kan vara svårare, till exempel ”Hur förhåller sig evolution till det

naturliga urvalet?”. En del av svaret kan då vara: ”Domänerna för evolutionen och det

naturliga urvalet är samma, nämligen alla organismer. Evolutionen är den process som avgör vilka organismer som ska finnas i framtiden, givet vilka som finns nu. Det naturliga urvalet är den mekanism som avgör vilka nu levande organismer som överlever från en dag till nästa, men inte vilka nya som föds. Andra mekanismer som styr evolutionen, och som alltså inte är en del av det naturliga urvalet är mekanismerna för val av partner, förökning och mutationer”.

Detta svar beskriver alltså en del av förhållandet mellan begreppen evolution och det

naturliga urvalet. Att förstå begreppens organisation handlar om att förstå denna typ av

förhållanden.

1.4 Biology Concept Inventory

Syftet med examensarbetet var att undersöka elevers begreppsuppfattning i biologi. Jag behövde därför ett verktyg som kunde mäta detta. Verktyget som användes för att undersöka elevernas begreppsuppfattning heter Biology Concept Inventory (BCI, Bilaga 1a-f) och är ett test från USA som jag översatte till svenska (Bilaga 2a-g).

1.4.1 Hur föddes idén till BCI?

Idén till Biology Concept Inventory föddes år 2002 när Michael W. Klymkowsky på University of Colorado höll på att bygga upp en ny kurs som hette BioFundamentals och som delvis använde otraditionella undervisningsmetoder (Garvin-Doxas & Klymkowsky 2007a). När Klymkowsky utvecklade kursen insåg att han inte hade en aning om hans sätt att undervisa var bättre eller sämre än de traditionella sätten när det gäller hur väl eleverna

10

förstod de begrepp som de undervisades i. Klymkowsky saknade alltså ett verktyg som kunde mäta hur mycket eleverna förstod av de begrepp som lärdes ut. Klymkowsky och hans kollega Kathy Garvin-Doxas började undersöka vad som fanns att tillgå av tester och forskning som gjorts kring elevers begreppsförståelse i biologi. De insåg behovet av ett nytt verktyg för att testa elevers begreppsförståelse, och det var så de kom att börja arbetet med BCI.

1.4.2 Målet med BCI

Målet med BCI var att utveckla ett test på cirka 20-30 frågor som kunde mäta studenternas förståelse av grundläggande biologiska begrepp som lärs ut på universitetets grundutbildning (Garvin-Doxas & Klymkowsky 2007a). Klymkowsky och Garvin-Doxas ville se inte bara om studenterna missförstått ett begrepp utan också hur de missförstått det. Målet var att testet skulle kunna användas både för att göra sig en bild av studenternas begreppsförståelse innan påbörjad kurs och hur framgångsrik undervisningen var genom att låta eleverna göra testet igen när kursen var slut.

1.4.3 Vad är BCI?

BCI är ett flervalstest, men till skillnad från många andra flervalstest är även de felaktiga svarsalternativen väl underbyggda. Varje felaktigt alternativ svarar mot en missuppfattning som delas av många elever, och dessa missuppfattningar har identifierats genom forskning. Ursprungligen utformades testet för universitetets grundutbildning i USA, men det har nu också använts av gymnasieklasser i USA.

1.4.4 Utvecklandet av BCI – 1: Essäfrågor och intervjuer

Det första steget i utvecklandet av BCI var att dela ut en serie övergripande essäfrågor till några tusen studenter som bads besvara varje fråga med minst 100 ord (Garvin-Doxas & Klymkowsky 2007a). Förutom essäfrågorna genomfördes i detta första skede djupintervjuer med sju studenter. Under dessa intervjuer läste studenterna frågorna och uppmanades att prata fritt om hur de såg på frågorna och hur de resonerade sig fram till ett svar. Eleverna fick även komma med förslag på alternativa frågor. I den här fasen var studenterna således mycket delaktiga i utformandet av testet. Baserat på djupintervjuerna och studenternas svar på essäfrågorna togs en första serie frågor och svarsalternativ fram, där svarsalternativen baserades på studenternas eget språk. I många fall kopierades svarsalternativen direkt från studenternas svar på essäfrågorna. En första version av testet var skapad (Garvin-Doxas & Klymkowsky 2007a).

11

1.4.5 Utvecklandet av BCI – 2: Validering

Detta avsnitt beskriver den validering som gjordes av varje ny version av testet (Garvin-Doxas & Klymkowsky 2007a). Studenter fick svara på den aktuella versionen av testet och därefter tala med någon av forskarna om sina tolkningar av varje fråga och hur de resonerade när de kom fram till sitt svar. Frågorna gicks således igenom en i taget och studenten fick motivera varför han eller hon valt ett visst alternativ. Dessa så kallade strukturerade intervjuer gjorde Klymkowsky och Garvin-Doxas för att avgöra om studenter som svarade på ett visst sätt också tänkte på det sätt som forskarna förväntade sig. Eftersom målet med testet är att få reda på hur studenterna resonerar måste kopplingen mellan valt svarsalternativ och studenternas sätt att tänka undersökas. Baserat på denna validering gjordes förbättringar av ordvalet, nya frågor utvecklades och andra förkastades (Garvin-Doxas & Klymkowsky 2007a).

1.4.6 Utvecklandet av BCI – 3: Reliabilitetstestning

Slutligen reliabilitetstestades varje ny version av testet. Garvin-Doxas & Klymkowsky (2007b) hävdar att ”reliabilitetstester gjordes för varje version av testet tills det att reliabilitetskonvergens nåddes”, även om formen för reliabilitetstestningen inte har publicerats (Doxas 2010).

1.4.7 Utvecklandet av BCI – 4: Iteration

För varje ny version av testet upprepades följande delar av proceduren ovan: frågor och svar utvecklades, valideringsintervjuer genomfördes, frågorna sågs över igen och testet reliabilitetstestades. Efter flera upprepningar av denna process hade Klymkowsky och Garvin-Doxas utvecklat testet BCI som det ser ut idag, som alltså är det test som jag översatt till svenska och använt (Garvin-Doxas & Klymkowsky 2007a).

1.4.8 BCI:s begreppsvaliditet – ger BCI oss de svar som vi vill ha?

Syftet med examensarbetet var att undersöka elevers begreppsuppfattning i biologi. Detta avsnitt handlar om begreppsvaliditet (för definition se sidan 108 i Johansson & Svedner 2006), det vill säga om det verktyg som valdes (BCI) kunde användas för att svara på frågan som ställdes (hur elever uppfattar begrepp i biologi). BCI visar vilket svarsalternativ eleven väljer. Sambandet mellan valt svarsalternativ och hur eleven uppfattar begreppet beskrivs i avsnittet ”Utvecklandet av BCI – 2: Validering” ovan. BCI visar således något om hur eleverna uppfattar de begrepp som testet behandlar, vilket var syftet med examensarbetet.

12

1.4.9 BCI:s innehållsvaliditet – ger BCI oss alla de svar som vi vill ha?

Avsnittet om BCI:s begreppsvaliditet visar att BCI säger något om hur eleverna uppfattar begrepp i biologi, men hur är det med BCI:s innehållsvaliditet (för definition se sidan 108 i Johansson & Svedner 2006), det vill säga ger BCI alla de svar som vi vill ha? Det korta svaret är naturligtvis ”nej”. Syftet med examensarbetet var alltså att undersöka elevers begreppsuppfattning i biologi. BCI tar dock bara upp frågor kring vissa begrepp; konstruktörerna av testet har delat in frågorna i följande kategorier: genetik, alleler/egenskaper, lipider/biologiska membran, DNA, genetisk drift, diffusion, slumpprocesser, evolution, mutationer, molekyler, energi och vetenskapligt tänkande (BCI Project 2010). Det finns således många begrepp som inte berörs, till exempel symbios, parasitism och angiogenes, och alla begrepp som berörs är inte heller relevanta för gymnasieelever i sista året på naturvetenskapligt program. Dessutom ställer BCI bara en eller ett fåtal frågor om varje begrepp och det finns många fler frågor att ställa. Detta gäller bland annat begreppens organisation, det vill säga hur olika begrepp förhåller sig till varandra (se avdelningen ”Vad är ett begrepp?”). Fotosyntes och respiration är till exempel två centrala intimt förknippade begrepp, men i BCI finns det inga frågor om hur de förhåller sig till varandra. Till BCIs försvar kan dock pekas på flera frågor som berör just förhållandet mellan olika begrepp. Fråga 6 handlar till exempel om hur det naturliga urvalet påverkar evolutionen, fråga 16 berör förhållandet mellan dominanta egenskaper och hög translation, fråga 19 avser förhållandet mellan katalysatorer och molekylers rymdstruktur och fråga 30 handlar om likheterna mellan genetisk drift och diffusion. Men detta är bara några av de förhållanden mellan begrepp som det går att fråga om. BCI visar alltså hur elever uppfattar vissa aspekter av några begrepp i biologi, men långt ifrån alla.

1.4.10 BCI:s reliabilitet

Reliabilitet handlar om verktygets (i det här fallet BCI:s) pålitlighet (Bryman 2001). Bryman tar upp tre typer av reliabilitet: stabilitet, intern reliabilitet och interbedömarreliabilitet.

Med stabilitet menas hög korrelation mellan resultaten när samma person gör testet vid olika tillfällen (Bryman 2001). En anledning till olika resultat vid olika tillfällen kan vara att testpersonen är osäker på vilket alternativ som ska väljas. Högre stabilitet skulle i så fall nås genom att endast räkna de svar där eleverna är säkra. Eftersom det inte är möjligt att direkt mäta hur säker testpersonen är, har utvecklarna av BCI föreslagit att testpersonen för varje fråga ombeds att förutom att välja ett svarsalternativ också anger hur säker han eller hon är på

13

svaret (Klymkowsky, Garvin-Doxas & Zeilik 2003). Frågan är nu hur tillförlitlig denna bedömning är. För att testpersonerna ska motiveras att svara ärligt på hur säkra de är på svaret, föreslår utvecklarna av BCI ett poängsystem. Högsta poäng i detta system ges till korrekta svar där eleven markerat att han eller hon är säker på sitt svar. Korrekta svar som eleven markerat med ”osäker” ges något lägre poäng, osäkra felaktiga svar ger ytterligare lägre poäng, och allra lägst poäng ger felaktiga svar där eleven markerat att han eller hon är säker på sitt svar (Klymkowsky, Garvin-Doxas & Zeilik 2003).

En annan anledning till förändrat resultat kan vara en faktisk förändring av testpersonens kunskaper eller inställning. Sådana förändringar vill vi mäta och detta ses därför inte som något problem. En tredje anledning till förändrat resultat vid upprepat testande är att det som testpersonen svarade första gången påverkar det som han eller hon svarar nästa gång. Detta var inget problem i föreliggande undersökning eftersom varje person bara gjorde testet en gång.

Med intern reliabilitet menas huruvida testets frågor mäter samma sak (Bryman 2001). Om vi till exempel har ett måttband, en linjal, en tumstock och en lasermätare, så utger dessa sig alla för att kunna mäta föremåls längd. Vi förväntar oss därför samma resultat när vi mäter ett träd oavsett vilket av verktygen vi använder. En del psykologiska test är också utformade på detta vis. Antag att ett test vill undersöka om en person tror på astrologi eller astronomi. Ett alternativ på varje fråga svarar då mot att testpersonen tror på astronomi och ett mot att testpersonen tror på astrologi. En person som tror starkt på astrologi bör ha valt astrologialternativet på alla frågor. Ribban kan ha lagts olika högt på olika frågor, så att vissa frågor kräver större övertygelse om astrologi för att välja det alternativet, men alla frågor mäter ändå samma sak. BCI är inte uppbyggt på detta viss. Vissa frågor berör till exempel hur elever uppfattar diffusion och andra hur de uppfattar evolution. Däremot finns det kluster av frågor som handlar om samma sak. Det framgår inte av de artiklar jag läst om konstruktörerna av BCI vill ha korrelation inom dessa kluster.

Interbedömarreliabilitet handlar om huruvida resultatet påverkas av vem som presenterar, delar ut och övervakar testet (Bryman 2001). Detta är vanligen inget stort problem vid slutna skriftliga test som BCI utan är istället centralt när det handlar om öppna intervjuer där intervjupersonen kan påverka den intervjuades svar.

Som beskrivet i avsnittet ”Utvecklandet av BCI – 3: Reliabilitetstestning” hävdar konstruktörerna att BCI har reliabilitetstestats även om det inte framgår hur.

14

1.4.11 Andra begreppsförståelsetest i biologi

Förutom BCI finns det flera andra test som är uppbyggda och framtagna på ett liknande sätt. Uttrycket ”validerat begreppsförståelsetest” syftar i detta arbete på ett flervalstest där kopplingen mellan valt svarsalternativ och elevens uppfattning om begreppet har undersökts. BCI är alltså ett exempel på ett validerat begreppsförståelsetest. Det engelska uttrycket ”Concept Inventory” syftar vanligen på både validerade och icke validerade tester av detta slag.

Det var framförallt utvecklingen av fysikens Force Concept Inventory som inspirerade forskare att utveckla liknande test även i biologi (Klymkowsky, Garvin-Doxas & Zeilik 2003). Exempel på validerade test är CINS (Concept Inventory in Natural Selection (Anderson, Fischer & Norman 2002)) och Genetics Concept Assessment (Smith, Wood & Knight 2008). Andra test under utveckling är MLSCI (Molecular Life Science Concept Inventory (Wright & Hamilton 2008)) och GCI (Genetics Concept Inventory (Elrod 2008)). Det finns flera hemsidor som samlar begreppsförståelsetest. På hemsidan för Bioliteracy Project (2010) finns material om BCI. På hemsidan för Environmental Literacy (2010) beskrivs några olika test däribland Environmental Literacy Carbon Assessment och High School Water Test. På hemsidan för Diagnostic Question Clusters (2010) finns frågor om material och energi samt biologiska och geologiska processer. För en översikt av utvecklingen av begreppsförståelsetest i biologi se D’Avanzo (2008). I mars 2007 hölls en konferens om begreppsförståelsetest i biologi där bland andra utvecklarna av BCI - Kathy Garvin-Doxas och Michael Klymkowsky - medverkade (Garvin-Doxas, Klymkowsky & Elrod 2007).

1.4.12 Kritik mot BCI

En del av kritiken mot BCI, nämligen att testet bara tar upp vissa aspekter av vissa begrepp, tas upp i avsnittet om BCI:s innehållsvaliditet.

En annan invändning berör kopplingen mellan valt svarsalternativ och elevens uppfattning om begreppet. Som beskrivs i avsnitten om BCI:s validering kan den som använder BCI få en bild av hur eleverna troligen uppfattar begreppet. Det finns dock bara några alternativ (vanligen fyra) för varje fråga medan det kan finnas flera sätt att uppfatta ett begrepp. Utformarna av testet beskriver hur de kopplat samman ett visst svarsalternativ med en viss uppfattning (Garvin-Doxas & Klymkowsky 2007a, se även avsnitten om BCI:s validering), men det framgår inte i någon av de artiklar om testets validering som jag läst (Garvin-Doxas & Klymkowsky 2007a, 2007b, 2008, D’Avanzo 2008) hur stark denna koppling är. Det

15

framgår alltså inte exakt hur god överensstämmelsen är mellan valt svarsalternativ och elevens uppfattning om begreppet. Är det så att det finns fyra uppfattningar som omfattas av 90 procent av eleverna, eller är elevernas föreställningar betydligt mera spridda? Kanske finns det en grupp av elever som inte är tillräckligt stor för att få ett eget svarsalternativ, men som har en föreställning som går på tvärs mot alla de andra och som skulle vara intressant att få kunskap om av den anledningen. Begreppsuppfattningen hos elever som inte faller in i någon av de fyra kategorierna skulle troligen bättre kunna fångas upp av öppna essäfrågor.

Det skulle också vara intressant att gå tillbaka till essäfrågorna och djupintervjuerna som gjordes under utvecklandet av testet och se hur lika formuleringarna var på dessa öppna frågor bland elever som valde samma svarsalternativ på flervalstestet. Fanns det tydligt urskiljbara grupper av svar, eller var det snarare så elevernas svar på essäfrågor och djupintervjuer visade på ett kontinuerligt spektrum av tankar hos eleverna så att uppdelningen av svaren i fyra grupper blev godtydlig?

En tredje invändning mot BCI är att formerna för reliabilitetstestning inte har publicerats (se avsnittet om BCI:s reliabilitetstestning).

En fjärde invändning är att BCI spänner över ett för stort område och att antalet frågor per begrepp därmed är för litet för att ge en god bild av elevens förståelse av begreppet. Som beskrivs i avdelningen ”Vad är ett begrepp?” handlar begreppsförståelse om att förstå flera olika aspekter av begreppet. En av dessa aspekter är begreppets domän (vilka objekt ett begrepp är tillämpbart på) och en annan begreppets organisation (dess förhållande till andra begrepp). Fysikens FCI testar till exempel ett enda begrepp (kraftbegreppet) och för varje fysisk lag som berör kraftbegreppet finns det ett kluster om flera frågor (Hestenes, Wells & Swackhamer 1992, Savinainen & Viiri 2003).

1.4.13 Resultat av BCI från USA

Primärdata från testets genomförande eftersöktes och erhölls från 85 gymnasieelever och 1821 universitetsstudenter i USA (Klymkowsky 2010). Resultaten från universitetsstudenterna i USA återfinns i Bilaga 3. Resultaten från gymnasieeleverna i USA redovisas och diskuteras i anslutning till resultaten från föreliggande studie på svenska gymnasieelever. Anledningen till att jag valde gymnasieeleverna i USA och inte universitetsstudenterna i USA som jämförelsegrupp var att jag bedömde att gymnasieeleverna i USA var den grupp som var mest lik de svenska gymnasieeleverna i fråga om hur mycket biologi de läst. Gymnasieeleverna i USA gick alla första året (10th grade) på samma allmänna

16

gymnasium och tillhörde inget särskilt program, förutom att alla elever i skoldistriktet gick en obligatorisk laborationsbaserad biologikurs under det första gymnasieåret. De viktigaste slutsatserna från resultatet av testets genomförande i USA som testets konstruktörer drar, diskuteras i avdelningen om missuppfattningar i detta arbetes diskussionskapitel.

1.5 Artikelsökning

Artiklar eftersöktes i ERIC via EBSCO med sökorden ”biology concept inventory” (15 september 2010). Dessa sökord användes eftersom jag kände till begreppsförståelsetestet Force Concept Inventory och antog att motsvarande tester i biologi också skulle ha nyckelorden ”concept inventory”. Ingen tidigare forskning där validerade begreppsförståelsetest i biologi använts i Sverige hittades. Tidigare forskning om elevers begreppsuppfattning i biologi eftersöktes i MUEP (Malmö University Electronic Publishing) med sökordet ”biologi” vilket gav 66 träffar (11 oktober 2010). Sex av dessa artiklar berörde elevers begreppsuppfattning i biologi, men ingen av dem använde validerade begreppsförståelsetest.

1.6 Frågeställning

Vilka felaktiga alternativ i BCI har eleverna främst valt och hur stor andel av eleverna har valt dessa alternativ? Kopplingen mellan valt svarsalternativ och elevens begreppsuppfattning beskrivs i avsnitten om BCI:s validering. Vilka felaktiga alternativ som eleverna väljer ger oss alltså en bild av hur eleverna uppfattar begreppen, vilket var arbetets syfte.

Vilka frågor i BCI har högst andel rätta svar och hur stor andel rätta svar har dessa frågor?

Svaret på denna fråga hjälper oss att identifiera områden där eleverna redan har en god förståelse av materialet.

17

2 Metod

2.1 Test

Testet som användes i denna undersökning var min översättning till svenska av BCI (Bilaga 2a-g). Testet består av 30 flervalsfrågor. Varje fråga har fyra svarsalternativ utom fråga 23 som har tre svarsalternativ och fråga 25 som har fem svarsalternativ.

2.2 Motivering till val av test

BCI valdes framförallt av tre skäl. För det första tillhör BCI de validerade testen, det vill säga forskning har gjorts för att säkerställa att varje svarsalternativ svarar mot en viss föreställning om begreppet. Detta innebär att elevernas svar säger något om deras begreppsuppfattning i biologi, vilket var examensarbetets syfte att undersöka. För det andra antogs att det fanns resultat från liknande elevgrupper i USA, och att det därmed skulle finnas något att jämföra de svenska resultaten med. Tidigare resultat från de andra validerade testen hittades inte. För det tredje består testet till skillnad från några andra begreppsförståelsetest av enbart flervalsfrågor och är därmed lätträttat. Environmental Literacy Carbon Assessment kompletterar till exempel flervalsfrågor med öppna frågor.

2.3 Urval

Informanter var eleverna i fyra gymnasieklasser i tredje årskursen på det naturvetenskapliga programmet på en skola i en medelstor stad. Totalt 66 elever deltog. Endast de elever som var närvarande vid testtillfället gjorde testet. I de fyra klasser som gjorde testet var totalt 14 elever frånvarande och gjorde alltså inte testet. Lärarna uppgav orsaken till frånvaron som antingen sjukdom eller ogiltig. I minst fem fall var frånvaron ogiltig. Urvalet var ett så kallat bekvämlighetsurval, det vill säga jag kontaktade lärare som jag kände sedan tidigare, eftersom jag trodde att det var större chans att få låna en timme av dessa än av helt främmande lärare.

2.4 Genomförande

Testet gjordes under den 5:e till 7:e skolveckan av höstterminen 2010 på lektioner som jag fick tillgång till av ansvariga lärare. Dessa lektioner inträffade under olika delar av dagen, två före lunch och två efter lunch. Tre av klasserna började lektionen med att göra testet men i en klass gjorde eleverna testet efter 30 minuters vanlig lektion. Alla elever hade fått reda på minst en dag i förväg att de skulle göra ett test i biologi, men de visste inget om dess innehåll.

18

När jag kom till klassen informerades eleverna om syftet med undersökningen, att testet var anonymt och att ingen skulle kunna se deras enskilda resultat. Det finns en svarslista per elev, med det går inte att ta reda på vilken svarslista som hör till vilken elev. Vid denna typ av test är det praxis att också informera eleverna om att de har rätt att avbryta när de vill. Jag missade att informera om detta. De svenska eleverna fick 35 minuter på sig att göra testet, medan universitetsstudenterna i USA bara fick 20 minuter på sig (Klymkowsky 2010). De svenska eleverna gavs mer tid eftersom jag antog att de inte läst lika mycket biologi som universitetsstudenterna i USA och därför behövde mer tid för att sätta sig in i frågorna. Gymnasieeleverna i USA fick 42 minuter på sig. De svenska eleverna tvingades att sitta minst 30 minuter eftersom jag hoppades jag de därmed skulle ta sig tid att tänka noga på varje fråga. Inga hjälpmedel fick användas. Eleverna satt utspridda och övervakade som under vanlig provskrivning. Eleverna uppmanades att svara på alla frågor även om de inte kunde svaret.

Förutom att de svenska eleverna gjorde testet på svenska och inte fick samma tid på sig (mer tid än universitetsstudenterna men mindre tid än gymnasieeleverna i USA) var genomförandet likadant som i USA.

2.5 Översättningsfel

Efter testets genomförande upptäcktes ett översättningsfel på fråga 29. Felet ansågs tillräckligt allvarligt för att svaren på frågan inte skulle kunna användas. Resultaten från denna fråga har därför inte använts i analysen.

2.6 Poängsättning

Förutom att studera svarsfördelningen för varje fråga, gjordes en poängsättning för varje elev, där varje korrekt svar gav en poäng. Eleven kunde alltså få mellan 0 och 29 poäng.

2.7 Undersökningens validitet

I avsnitten om BCI:s validitet har redan diskuterats om resultaten från BCI kan svara på de frågor som ställdes i ”Syfte”, men detta gällde testet såsom det gjordes i USA, och samma fråga bör ställas igen när vi ser på hur testet genomfördes i Sverige.

Den första skillnaden var att de svenska eleverna svarade på en översättning av testet. Förutom den fråga som kasserades, kan brister i översättningen även på andra frågor och olika bibetydelser hos engelska och svenska ord göra att frågorna uppfattades annorlunda av de svenska eleverna.

19

En annan skillnad mellan testets genomförande i Sverige och USA är tiden: de svenska eleverna fick 35 minuter på sig medan studenterna i USA bara fick 20 minuter. Att eleverna fick olika långt tid på sig kan påverka svaren även om det är svårt att säga hur. En möjlighet är att mindre tid får eleverna att svara mer spontant och välja det första de kommer att tänka på medan mer tid gör att eleverna har tid att vara kritiska mot sitt första val och ändra sig när de tittar på frågan en gång till.

Ett tredje problem är att valideringen av testet gjordes i en kontrollgrupp i USA. Inom denna kontrollgrupp svarar således ett visst svarsalternativ mot en viss föreställning kring begreppet, men det är inte säkert att samma förhållande gäller hos svenska elever. En motsvarande validering i Sverige - vilken skulle bestå av djupintervjuer med elever som valt olika svarsalternativ – var inte möjlig inom ramen för detta arbete.

2.8 Undersökningens reliabilitet

I denna avdelning diskuteras mätnoggrannheten i metoden. Har allt material i den svenska studien samlats in på samma sätt, eller har förutsättningarna varierat?

Alla elever fick samma tid på sig att göra testet. Att några klasser började lektionen med att göra testet medan en klass gjorde testet efter 30 minuters vanlig lektion kan ha påverkat hur koncentrerade eleverna var. Att testet gjordes vid olika tider på dagen kan också ha påverkat koncentrationen. Även om alla elever gick sista året på det naturvetenskapliga programmet på samma skola, kan det finnas skillnader i hur mycket biologi de har läst, vad de har läst om och framförallt vilka områden som återstår att ta upp under det tredje läsåret.

2.9 Etiska överväganden

Den etiska diskussionen utgår från Vetenskapsrådet (1990). Eleverna informerades innan de gjorde testet om dess syfte och formerna för genomförandet, speciellt att testet var anonymt. Jag missade dock att informera eleverna om att de har rätt att avbryta när de vill. Eleverna kan därför ha känt sig tvingade att delta och göra hela testet. Eftersom testet är anonymt finns det inga uppgifter om enskilda personers resultat. Det finns en svarslista per elev, men det går inte att ta reda på vilken svarslista som hör till vilken elev. Eftersom testet bara består av flervalsfrågor om biologiska begrepp behöver eleverna inte skriva några känsliga uppgifter om sig själva. Det som kommer fram för eleverna själva när de gör det här testet är hur bra de klarar dessa frågor och eventuella associationer som väcks i samband med detta. Eleverna kan ändå uppleva det som jobbigt att göra testet om de känner att de inte klarar frågorna.

20

3 Resultat

Detta kapitel redovisar både resultatet av den svenska undersökningen (n=66) och de primärdata som erhölls från en gymnasieklass i USA (n=85, Klymkowsky 2010). Den första avdelningen redovisar svarsfördelningen fråga för fråga och den andra avdelningen visar poängfördelningen bland de svenska eleverna.

3.1 Svarsfördelning

I en tabell och två figurer redovisas svarsfördelningen fråga för fråga. Figur 1 visar endast resultaten från Sverige medan Figur 2 och Tabell 1 redovisar resultaten från både Sverige och USA. Observera att resultaten från USA kommer från en tidigare undersökning (Klymkowsky 2010) och är med i detta resultatkapitel enbart som jämförelsematerial.

3.1.1 Kommentar om blanksvar

Andelen blanksvar bland de svenska eleverna var i genomsnitt 0,2 procent per fråga, att jämföra med 11,3 procent bland gymnasieeleverna i USA. Eftersom andelen blanksvar bland gymnasieeleverna i USA var hög gjordes en korrigering för att underlätta jämförelsen mellan länderna. I resultatet för gymnasieeleverna i USA redovisas inte blanksvar, utan endast hur många procent av de som valde något alternativ som valde ett visst alternativ.

21

3.1.2 Svarsfördelningen i tabellform

Tabell 1 visar för varje fråga hur många procent av eleverna från Sverige (n=66) och USA (n=85) som valde de olika alternativen. Korrekt alternativ är markerat med gult. Procent korrekta svar längst till höger. Notera att fråga 4 hade den högsta andelen korrekta svar bland de svenska eleverna (88 procent), medan fråga 2 hade den högsta andelen korrekta svar bland eleverna i USA (72 procent). Observera att resultaten från USA kommer från en tidigare undersökning (Klymkowsky 2010) och redovisas i denna tabell enbart som jämförelse.

Tabell 1: Svarsfördelning i procent

Sverige USA

Fråga a b c d e blanka Andel rätt Fråga a b c d e Andel rätt

1 6 18 3 73 0 73 1 32 24 1 43 43 2 8 83 9 0 0 83 2 6 72 17 5 72 3 5 9 33 53 0 53 3 3 13 57 26 26 4 9 2 88 2 0 88 4 4 24 69 3 69 5 6 6 79 9 0 9 5 11 17 55 17 17 6 42 3 52 3 0 42 6 22 7 56 14 22 7 20 44 32 5 0 44 7 43 27 20 10 27 8 48 17 11 24 0 48 8 55 20 4 21 55 9 9 38 3 50 0 50 9 12 32 7 49 49 10 33 55 6 6 0 6 10 57 22 9 12 9 11 5 50 39 6 0 50 11 13 25 36 26 25 12 36 14 5 45 0 45 12 30 41 17 13 13 13 27 33 27 12 0 33 13 21 11 32 37 11 14 2 67 21 11 0 21 14 20 12 31 37 31 15 36 15 20 29 0 36 15 11 25 46 17 11 16 50 6 24 20 0 24 16 81 9 6 4 6 17 5 2 45 48 0 45 17 15 8 3 75 3 18 35 41 20 5 0 41 18 71 18 3 9 18 19 52 14 11 24 0 14 19 43 25 24 9 25 20 17 17 36 30 0 30 20 11 22 56 10 10 21 12 11 47 30 0 30 21 24 29 21 26 26 22 53 5 8 35 0 53 22 36 15 21 27 36 23 38 30 30 2 30 23 39 35 26 35 24 41 20 11 27 2 27 24 32 39 11 18 18 25 15 9 41 17 17 2 17 25 26 16 43 7 9 9 26 15 36 26 21 2 36 26 19 41 23 16 41 27 11 17 52 21 0 17 27 22 32 40 6 32 28 36 42 8 14 0 8 28 25 22 8 45 8 30 21 5 23 52 0 23 30 15 16 32 36 32

22

3.1.3 Figur med andel korrekta svar per fråga bland de svenska eleverna

Figur 1 visar för varje fråga hur många procent av de svenska eleverna (n=66) som valde det korrekta alternativet. Notera att fråga 4 hade den högsta andelen korrekta svar bland de svenska eleverna (88 procent).

Figur 1: Andel korrekta per fråga bland svenska elever. 73 83 53 88 9 42 44 48 50 6 50 45 33 21 36 24 45 41 14 30 30 53 30 27 17 36 17 8 23 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 30 % Fråga nummer

23

3.1.4 Figur med andel korrekta svar per fråga för både Sverige och USA

Figur 2 visar för varje fråga hur många procent av eleverna (n=66 för Sverige och n=85 för USA) som valde det korrekta alternativet. Notera att fråga 4 hade den högsta andelen korrekta svar bland de svenska eleverna medan fråga 2 hade något högre andel korrekta svar bland eleverna från USA. Observera att resultaten från USA kommer från en tidigare undersökning (Klymkowsky 2010) och redovisas i detta diagram enbart som jämförelse.

Figur 2: Jämförelse mellan Sverige och USA. 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 30 % Fråga nummer

24

3.2 Poängfördelning

Förutom att studera svarsfördelningen för varje fråga, gjordes en poängsättning där varje elev kunde få mellan 0 och 29 poäng (se avdelning 2.6). Figur 3 visar poängfördelning bland de svenska eleverna (n=66). Notera att den högsta poängen var 18 och den lägsta poängen var 5. Den genomsnittliga poängen per elev var 10,8 av 29 möjliga, jämfört med 7,8 för gymnasieeleverna i USA. Den förväntade poängen om eleverna hade svarat slumpmässigt på alla frågor hade varit 7,3. I snitt var de svenska eleverna alltså 3,5 poäng bättre än slumpen. Medianen var 10 poäng (jämfört med medelvärdet på 10,8), så fördelningen är alltså förskjuten något åt höger.

Figur 3: Poängfördelning bland de svenska eleverna. 0 2 4 6 8 10 12 14 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 A nt a l e le v e r Poäng Poängfördelning

25

4 Diskussion

Arbetets första frågeställning var vilka felaktiga alternativ i BCI som de svenska eleverna främst valde. Diskussionen inleds därför med en avdelning som berör detta samt de vanligaste missuppfattningarna hos biologistudenter i USA. Diskussionen fortsätter med en avdelning om arbetets andra frågeställning, nämligen vilka frågor som hade högst andel korrekta svar. Kapitlet fortsätter sedan med en jämförelse mellan Sverige och USA och frågorna om resultatet är slumpmässigt, vem testet är gjort för och resultatets generaliserbarhet. Avslutningsvis diskuteras vilken nytta lärare kan ha av resultatet och förslag på förändrad undervisning.

4.1 Missuppfattningar

Denna avdelning börjar med ett avsnitt om de missuppfattningar som konstruktörerna av testet identifierat hos studenter i USA, fortsätter med en genomgång av de mest valda felaktiga alternativen i BCI bland de svenska eleverna och avslutas med ett avsnitt om att många elever väljer bort alternativ som innehåller slumpprocesser.

4.1.1 Vanliga missuppfattningar hos biologistudenter i USA

Ett resultat som utvecklarna av BCI slogs av var att många av de problem som eleverna upplevde i molekylär och evolutionär biologi grundade sig i djupt rotade missuppfattningar om slumpprocesser (Garvin-Doxas & Klymkowsky 2008). Elever har fått lära sig att biologiska system är väldigt effektiva medan de ser slumpprocesser som ineffektiva. De har därför svårt att föreställa sig att slumpprocesser ligger till grund för fenomen som evolution och diffusion, vilka båda betraktas som effektiva processer. I stället tänker sig eleverna vanligen att fenomen som evolution och diffusion hålls igång av en aktiv drivkraft och stannar så fort denna drivkraft inte längre är närvarande. Drivkraften för evolutionen anses vara det naturliga urvalet, och drivkraften för diffusion anses vara en koncentrationsgradient. Att slumpprocesserna inte avstannar utan att till exempel diffusion fortgår även i avsaknad av en koncentrationsgradient är det många elever som inte förstår. Även studenter som tagit avancerade kurser i fysik och kan diskutera diffusion korrekt i det sammanhanget, ser inte att samma processer finns även i biologi. Denna bristande tro på slumpprocessernas effektiv i biologiska processer kvarstår även hos många studenter som läst flera vanliga biologikurser (Garvin-Doxas & Klymkowsky 2008).

26

4.1.2 Vilka felaktiga alternativ i BCI har de svenska eleverna främst valt?

Examensarbetets första frågeställning var vilka felaktiga svarsalternativ i BCI som valdes av flest elever. Nio av de 29 frågorna hade något felaktigt svarsalternativ med en andel på minst 50 procent. Detta avsnitt behandlar de sex mest valda felaktiga alternativen.

Det mest valda felaktiga svarsalternativet tillhörde fråga 5. Frågan handlade om en population där två varianter av en gen försvinner trots att varianten inte innebär någon skillnad för hur framgångsrikt bäraren fortplantar sig. 79 procent valde det felaktiga alternativet att bärarna av dessa varianter sorterades bort av det naturliga urvalet, 12 procent valde något av de två felaktiga alternativ som handlade om mutationer medan bara 9 procent valde det korrekta alternativet att slumpmässiga variationer ledde till att de två varianterna av genen försvann. Detta är i linje med resultaten från USA (Garvin-Doxas & Klymkowsky 2008) som visar att elever ofta undviker förklaringar där biologiska fenomen baseras på slumpprocesser. I det här fallet beskrivs ett fenomen som vanligen beror på det naturliga urvalet, nämligen förändringar i frekvensen av olika varianter av gener. Eftersom en av premisserna i frågan är att varianten inte påverkar bärarens fortplantningsframgång, kan emellertid det naturliga urvalet som förklaring strykas. Den troligaste förklaring som återstår är istället genetisk drift, det vill säga slumpen. Faktum är att den genetiska driften alltid är närvarande men ibland överskuggas av det naturliga urvalet.

Det näst mest valda felaktiga svarsalternativet tillhörde fråga 14. Frågan handlar om hur en mutation kan vara produktiv. 67 procent har här felaktigt svarat att det är om mutationen inaktiverar en gen som var skadlig. 21 procent har valt det rätta alternativet, att mutationen ändrar genproduktens aktivitet, 11 procent har valt att mutationen inte påverkar genproduktens aktivitet, medan 2 procent har valt alternativet att alla naturligt förekommande mutationer är destruktiva. Jag tycker själv att alternativen på denna fråga var dåligt formulerade och att det mest valda alternativet också är rätt, även om det till skillnad från det korrekta svaret inte fångar upp alla fall när en mutation kan vara produktiv.

Det tredje mest valda felaktiga svarsalternativet tillhörde fråga 10. Frågan handlar om vad som gör DNA till ett bra ställe för att lagra information. 55 procent har här felaktigt svarat att det är att baserna alltid binder till rätt partner. Detta är avgörande för kopieringen av DNA till RNA, men inte viktigt för lagringen av den genetiska informationen. Det rätta svaret som bara 6 procent av eleverna har valt är att DNA är ett bra ställe för att lagra information eftersom bassekvensen inte påverkar molekylens struktur särskilt mycket.

27

De fjärde mest valda felaktiga alternativen tillhörde frågorna 30, 27 och 19.

Fråga 30 handlar om likheten mellan genetisk drift och molekylär diffusion. 52 procent har här valt det felaktiga alternativet att diffusion vanligtvis har en riktning medan genetisk drift är slumpmässig. 21 har valt att båda är resultatet av en riktad rörelse, 5 procent att båda handlar om at ta sig igenom en barriär och 23 procent det korrekta alternativet, nämligen att båda innehåller slumpmässiga händelser utan hänsyn till slutligt utfall. Detta är återigen ett exempel på att eleverna väljer bort alternativ där biologiska fenomen innehåller slumpprocesser. Diffusion är ett begrepp som eleverna troligen stött på i gymnasieundervisningen, kanske både i biologi och kemi. Diffusion innebär att slumpmässiga rörelser gör att en partikelfördelning som från början var ojämn med tiden har en tendens att bli jämnare. Det finns dock ingen kraft som driver partiklarna att fördela sig jämnt, det är bara den mest sannolika utveckling om de enskilda partiklarna rör sig slumpmässigt.

Fråga 27 berör hur deletionen av en gen från den ena av kromosomerna hos en diploid organism kan producera en ny fenotyp. 52 procent valde det felaktiga alternativet att den borttagna allelen var dominant. Detta är ett exempel på bristande kunskap om begreppet ”dominant”:s domän eftersom endast egenskaper och inte alleler kan vara dominanta; alleler tillhör alltså inte domänen för begreppet ”dominant”.

Fråga 19 berör varför dubbelsträngat DNA inte är en bra katalysator. 52 procent valde det felaktiga alternativet att dubbelsträngat DNA är stabilt och inte binder till andra molekyler. Valideringen av BCI (BCI Project 2010) visade att elever som väljer detta alternativ tror att DNA är mer eller mindre oförmöget att reagera med andra molekyler. Det korrekta svaret som valdes av 14 procent är att dubbelsträngat DNA inte är särskilt flexibelt och inte kan vikas till olika former.

4.1.3 Elever väljer bort slumpen

De svenska resultaten är i linje med resultaten från USA som visar att elever ofta väljer bort alternativ där biologiska processer innehåller slump. På fråga 5, 25 och 30 som var de frågor där slumpprocesser var det korrekta svaret, valde endast 9 (p=0,001), 17 respektive 23 procent detta alternativ, alltså färre än man kunde vänta sig om fördelningen mellan alternativen varit slumpmässig med lika hög sannolikhet för varje alternativ1.

1 _{p-värdena som används i detta examensarbete är sannolikheten för att alternativet skulle få minst så hög}

28

4.2 Frågor i BCI med högst andel korrekta svar

Denna avdelning berör examensarbetets andra frågeställning, nämligen vilka frågor i BCI som hade högst andel korrekta svar bland de svenska eleverna. De tre frågor som hade högst andel korrekta svar var fråga 4, 2 och 1 med 88, 83 respektive 73 procent korrekta svar. Ytterligare fyra frågor har minst 50 procent korrekta svar.

Fråga 4 handlade om hur en katastrofal global händelse kan påverka evolutionen. 88 procent svarade korrekt att endast vissa arter överlever händelsen, och har valt bort alternativen att oönskade varianter av gener tas bort eller att nya gener skapas. Ett problem som diskuterats i samband med utlärandet av evolutionen är att många elever tror att evolutionen är målstyrd (Garvin-Doxas & Klymkowsky 2008), det vill säga att det finns en drivkraft som ser till att åstadkomma nödvändiga förbättringar, som att plocka bort oönskade gener eller skapa nya gener. Endast 11 procent valde emellertid något av dessa två alternativ, och åtta gånger så många valde alltså det korrekta alternativet. De återstående 2 procenten valde det sista alternativet, att det finns kortsiktiga effekter som försvinner med tiden.

Fråga 2 handlade om energi och frågar hur växter och djur skiljer sig åt när det gäller hur de skaffar energi. 83 procent svarade korrekt att växterna till skillnad från djuren använder energi direkt från solen. 8 respektive 9 procent trodde att skillnaderna handlade om vilken organismgrupp som använder ATP eller vilken organismgrupp som lagrar energi i sockermolekyler, medan ingen valde det sista alternativet att djuren till skillnad från växterna framställer socker från enklare molekyler.

Fråga 1 handlade om ett allmänt känt fenomen från våra fönsterkarmar: att slokande växter reser sig när de vattnas. 73 procent svarade korrekt att detta beror på att vatten kommer in i och expanderar växtens celler, alltså en rent mekanisk process. 18 procent har svarat att det beror på att vatten används för att skapa energi som reser växten, 6 procent att vatten reagerar med och förstärker cellvägen och 3 procent att vattnet ändrar salthalten i växten. I detta sista alternativ är det förvisso korrekt att salthalten ändras, men det är inte den ändrade salthalten som är orsaken till att växten reser sig. Trots att eleverna här presenteras alternativ som har en vetenskaplig jargong och ”låter bra” väljer alltså de allra flesta det korrekta alternativen. Av de övriga fyra frågorna med minst 50 procent korrekta svar berör ytterligare en växters och djurs energi, en vetenskapligt tänkande, en varför det är enkelt att kopiera

29

nukleinsyrornas genetiska information och en hur lik en individs genetiska information är föräldrarnas.

4.3 Jämförelse mellan gymnasieelever i Sverige och USA

Gymnasieeleverna i USA hade i genomsnitt lägre resultat än de svenska gymnasieeleverna. Den genomsnittliga andelen korrekta svar per fråga var 27 procent i USA mot 37 procent i Sverige. Elva frågor i USA mot endast tre i Sverige hade en andel korrekta svar på mindre än 14 procent.

En möjlig förklaring till det lägre resultatet i USA är att eleverna som skrev testet i det landet troligen läst mindre biologi, eftersom de gick första året på gymnasiet medan de svenska eleverna gick sista året. Elever i USA börjar dessutom vanligen skolan ett år tidigare än svenska elever.

En annan möjlig förklaring till det lägre resultatet i USA är att testet är baserat på svaren på essäfrågor i USA och att de felaktiga svarsalternativen därför svarar mot vanliga missuppfattningar i det landet. De vanligaste missuppfattningarna i USA finns alltså med som svarsalternativ på BCI och kan ”fresta” många elever i USA att välja bort det korrekta alternativet. Om de vanligaste svenska missuppfattningarna skiljer sig från de i USA kan det hända att de inte finns med som alternativ och att de svenska eleverna därför ”frestas” mindre. Ett test med svarsalternativ baserade på de vanligaste svenska missuppfattningarna hade i så fall gett ett lägre resultat för svenska elever.

Den största skillnaden mellan länderna i andel korrekta svar finns på fråga 17 som handlar om hur en molekyl hittar rätt partner och undviker felaktiga bindningar. Bara 3 procent av eleverna i USA valde det korrekta alternativet att korrekta bindningar resulterar i lägre energi än felaktiga, medan 75 procent valde det felaktiga alternativet att rätt bundna molekyler passar perfekt ihop som pusselbitar. Även i Sverige var detta felaktiga alternativ populärast och hade en svarsandel på 48 procent, men det korrekta alternativet hade nästan lika hög andel, nämligen 45 procent. En möjlig förklaring är att energinivåer är ett begrepp som diskuteras på gymnasiet och att eleverna i USA som går första året därför ännu inte studerat begreppet tillräckligt. Att molekyler binder till varandra för att de passar ihop som pusselbitar representerar i så fall den ”naiva” föreställning som elever har innan de lärt sig mer om fenomenet.

30

De två frågor som hade högst andel korrekta svar var i båda länderna fråga 2 och 4. De två frågor som hade lägst andel korrekta svar i Sverige hade under 10 procent korrekta svar även i USA. Korrelationen mellan andelen korrekta svar för varje fråga i de båda länderna var 0,68.

4.4 Är svarsfördelningen slumpmässig?

Den genomsnittliga andelen korrekta svar sett över alla frågorna var 37 procent, medan den andel korrekta svar som hade förväntats om alla elever svarade slumpmässigt är 25 procent. Trots att andelen korrekta svar i genomsnitt inte var mycket högre än man hade kunnat vänta sig av slumpen, är svaren emellertid inte slumpmässigt fördelade. I stället är det stor variation i andelen korrekta svar från fråga till fråga2. De tre frågor som hade högst andel korrekta svar hade 88, 83 respektive 73 procent korrekta svar (p=10-26, p=10-22 respektive p=10-15) medan ytterligare fyra frågor hade minst 50 procent korrekta svar (p=10-6). Samtidigt hade tre frågor mindre än 10 procent korrekta svar (p=0,001).

I de fall som ett felaktigt alternativ har valts, är inte heller valet av alternativ slumpmässigt. För 9 av 29 frågor fick något felaktigt alternativ minst 50 procent (p<10-5). För en av de frågor som hade lägre än 10 procent korrekta svar, hade ett av de felaktiga alternativen 79 procent (p=10-20).

Resultatet ska därför inte tolkas som att eleverna chansade på de flesta frågor, snarare är det så att många elever har likartade föreställningar; för vissa frågor var den föreställning som delades av många elever korrekta, för andra frågor var den föreställning som delades av de flesta elever felaktig.

4.5 Förstår eleverna frågorna?

I idealfallet förstår eleverna innebörden av alla svarsalternativ och väljer det alternativet som svarar bäst mot deras föreställning. Övriga alternativ sorteras då bort för att de på något sätt inte passar ihop med elevens föreställning. Om eleverna däremot inte förstår vissa alternativ eller inte ens känner igen begreppen som används kan istället alternativ förkastas för att de inte förstås. Om det alternativ som flest elever förstår tidigt i utbildningen också är det korrekta, kan andelen korrekta svar sjunka med ökad undervisning, i takt med att eleverna förstår även de andra alternativen. En hög andel korrekta svar uppnås i så fall igen först när

2 _{p-värdena som används i detta examensarbete är sannolikheten för att alternativet skulle få minst så hög}

31

eleverna inte bara förstått innebörden av de olika alternativen utan också fått verktyg för att avfärda de som är felaktiga.

4.6 Vem är BCI konstruerat för?

BCI utformades ursprungligen för studenter på universitetets grundutbildning i biologi i USA (Garvin-Doxas & Klymkowsky 2007a), medan de svenska eleverna gick i början av tredje årskursen på gymnasiet. De svenska eleverna saknade således både större delen av sista gymnasieårets biologi och de kurser på college och universitet som studenterna i USA läste innan de gjorde testet. Jag tror till exempel att de svenska elever som gjorde testet har fått lite eller ingen undervisning om genetisk drift, överkorsning, nukleinsyrors rymdstruktur, genuttryck och ATP. Stöd för att använda testet på yngre elever ges av att konstruktörerna av testet har använt det på elever som går första året på gymnasiet i USA (Klymkowsky 2010).

4.7 Generaliserbarhet

I vilken grad kan resultaten från denna undersökning generaliseras till att gälla alla gymnasieelever i Sverige som är i början av sista läsåret på naturvetenskapligt program?

För det första gick alla elever som gjorde testet på samma skola och förutsättningar som är speciella för denna skola kan ha påverkat resultatet. Undervisningen på denna skola kan skilja sig från genomsnittet. Framförallt kan resultatet ha påverkats av vilka biologiska begrepp som eleverna redan undervisats i när de gjorde testet och vilka som skulle presenteras senare under det sista läsåret. Eleverna på skolan som deltog i testet var inte heller slumpmässigt utvalda, utan utgjordes av de klasser där läraren gett mig tillåtelse att göra testet. Att alla elever gick på samma skola ser jag som det viktigaste hindret för att kunna generalisera resultaten.

För det andra var 14 elever frånvarande vid testtillfället och gjorde alltså inte testet. Av dessa var några rapporterade som sjuka, men minst fem saknande giltig frånvaro. Om dessa fem skilde ut sig från snittet kan det ha påverkat resultatet. Jag kan tänka mig att de som var frånvarande var mindre intresserade av lektionerna än de som var närvarande, och därför också skulle ha presterat sämre resultat på testet. Jag tror att resultaten hade blivit något lägre om alla elever hade varit närvarande och gjort testet.

Slutligen kan det lilla urvalet (66 elever) ha gjort att slumpen fått stor inverkan. Jag tror inte att detta är ett stort hinder för att kunna generalisera resultaten.

32

4.8 Slutsatser

4.8.1 Förslag till förändrad undervisning

Resultat från både Sverige och USA visar att elever ofta väljer bort alternativ som handlar om att biologiska processer som evolution och diffusion innehåller slump (se resultaten från denna undersökning samt Garvin-Doxas & Klymkowsky 2008). Kanske borde undervisningen ändras för att bättre lyfta fram hur i grunden slumpmässiga processer med hjälp av det naturliga urvalet kan ge resultat som till synes är målstyrda, det vill säga få djur som går upp på land att utveckla lungor att andas med, djur som lever på savannen med höga träd långa halsar som gör att de kan äta blad långt upp i trädkronan, djur som lever i kyla tjock päls och djur med många fiender som igelkottar och klotgråsuggor förmågan att rulla ihop sig.

4.8.2 BCI:s användningsområden - kan lärare ha nytta av resultaten?

Som nämndes i inledningen av detta arbete finns det exempel på lärare som planerar sin undervisning utan att undersöka hur effektiv den är i att komma till rätta med studenternas missuppfattningar. Resultaten från BCI visar något om elevernas missuppfattningar. Jag tror att lärare som vet vilka missuppfattningar som är vanliga och leder till felaktiga svar har större möjlighet att utforma undervisningen på ett sätt som får eleverna att göra sig av med sina missuppfattningar och därmed svara rätt. Jag tror också att det kan vara bra att låta eleverna besvara BCI eller liknande tester efter avslutade kurser för att se hur effektiv undervisningen har varit när det gäller att rätta till missuppfattningar. Det sparar mycket arbete att använda ett färdigt och lätträttat test jämfört med att utforma egna undersökningar för att undersöka hur ens elever tänker.

4.8.3 BCI:s begränsningar

BCI kan användas som ett verktyg för att undersöka elevernas begreppsuppfattning på bara ett fåtal områden, framförallt genetik och evolution (se avsnittet om BCI:s innehållsvaliditet). Antalet frågor per begrepp är litet jämfört med till exempel FCI (se avsnittet om kritik mot BCI) och frågan är därför om begreppen undersöks ordentligt. Eftersom BCI är utformat för studenter på universitetets grundutbildning så avser många av frågorna begrepp som inte är relevanta för gymnasieelever (se avsnittet om BCI:s innehållsvaliditet). Vidare forskning behövs således för att undersöka hur elever uppfattar gymnasiebiologins begrepp (se även avsnittet ”Andra begreppsförståelsetest i biologi” för förslag på andra test).

33

Även om BCI visar något om vilka missuppfattningar som är vanliga hos många elever, säger testet inget om vilka förändringar av undervisningen som kan användas för att rätta till dessa missuppfattningar. Vidare forskning kring effektiva undervisningsmetoder behövs alltså. I denna forskning kan BCI användas som ett av flera verktyg för att mäta undervisningens effekter.

34

Referenser

Anderson, Dianne L.; Fisher, Kathleen M.; Norman, Gregory J. (2002). Development and Evaluation of the Conceptual Inventory of Natural Selection. Journal of Research in Science

Teaching, Vol. 39, s. 952-978, No. 10. 2002.

BCI project (2010). BCI – Biology Concept Inventory V1b: Question annotation. Beskrivning av vanliga tankesätt hos elever som valt olika svarsalternativ på BCI. Erhållet av Michael Klymkowsky per e-post den 14 sep 2010. Copyright 2005-2010 BCI Project – UC Boulder. Opublicerat.

Bioliteracy Project (2010). Tillgänglig på http://bioliteracy.colorado.edu/ den 11 oktober 2010.

Bryman, Alan (2001). Samhällsvetenskapliga metoder. Första upplagan. Malmö: Liber Ekonomi.

D’Avanzo, Charlene (2008). Biology Concept Inventories: Overview, Status and Next Steps.

BioScience, Vol. 58, s. 1-7, No. 11. December 2008.

Diagnostic Question Clusters (2010). Tillgänglig på http://dqc.crcstl.msu.edu/ den 11 oktober 2010.

Doxas, Isidoros (2010). University of Colorado. Epostkorrespondens 2010-10-12.

Elrod, Susan (2008). Genetics Concept Inventory (GENCI) Development. Conceptual

Assessment in Biological Sciences conference, 3-6 januari 2008, Asilomar, California, USA.

Environmental Literacy (2010). Tillgänglig på http://edr1.educ.msu.edu/EnvironmentalLit/ index.htm/ den 11 oktober 2010.

Garvin-Doxas, Kathy & Klymkowsky, Michael W. (2007a). Building the Biology Concept Inventory. Conceptual Assessment in Biology conference, mars 2007, Boulder, Colorado, USA.

Garvin-Doxas, Kathy; Klymkowsky, Michael W. (2007b). Biology Concept Inventory - One Page Summary. Workshop on Concept Inventories in S.T.E.M disciplines, 10-12 maj 2007, Washington, D. C., USA.