Gymnasieelevers utmaningar inom klassisk mekanik : En systematisk litteraturstudie

(1)

Linköpings universitet | Institutionen för Fysik, Kemi och Biologi (IFM) Examensarbete, grundläggande nivå, 15 hp | Lärarprogrammet Höstterminen 2019 | LIU-GY-L-G--20/181—SE

Gymnasieelevers utmaningar

inom klassisk mekanik

– En systematisk litteraturstudie

The Challenges of High School Students in Classical

Mechanics

– A Systematic Literature Review

Hannes Asklund

Handledare: Fredrik Jeppsson Examinator: Lars Björklund

Linköpings universitet SE-581 83 Linköping, Sweden 013-28 10 00, www.liu.se

(2)

Institutionen för Fysik, Kemi och Biologi (IFM) 581 83 LINKÖPING

Seminariedatum 2020-01-13

Språk (sätt kryss före) Rapporttyp ISRN-nummer (fyll i löpnr) x Svenska/Swedish Engelska/English Examensarbete grundnivå LIU-GY-L-G—20/181--SE Titel

Gymnasieelevers utmaningar inom klassisk mekanik - En systematisk litteraturstudie Title

The Challenges of High School Students in Classical Mechanics - A Systematic Literature Study Författare

Hannes Asklund

Sammanfattning

Den klassiska mekaniken är inte helt intuitiv. Det är något som gymnasieelever världen över upplever när du blir undervisade inom det. Det finns viss forskning inom området som undersöker vilka utmaningar som tycks finnas för gymnasieelever världen över. Målet med denna systematiska litteraturstudie är att finna och analysera forskningslitteratur som undersöker vilka utmaningar som eleverna har. Studien är skriven för att svara på följande frågor:

1. Vad karaktäriserar elevers utmaningar med klassisk mekanik?

2. På vilka sätt beskrivs orsakssambanden mellan utmaningar i klassisk mekanik med elevers förståelse inom området? För att få ett svar på dessa frågeställningar söktes det efter relevant litteratur som kunde analyseras. Detta för att kunna ge några slutsatser till frågeställningen. Efter sökningen var utförd så bedömdes tolv artiklar vara relevanta för denna systematiska litteraturstudie. Litteraturen för studien söktes främst efter i ERIC- och Scopus-databasen men även till viss del med Google Scholar. Studierna visade att eleverna har flera olika utmaningar inom den klassiska mekaniken. Men de olika utmaningarna skiljer sig åt. De största utmaningarna som eleverna möter är deras förståelse av kraft och energiomvandlingar. Något som tycks vara ett genomgående mönster inom de flesta områdena är att eleverna tolkar kraft på ett sätt liknande Aristoteles. Inom vissa områden så sågs det att mer forskning skulle vara relevant att utföra då det tycks saknas inom de områdena.

Nyckelord

(3)

Innehåll

1 Introduktion ... 1

2 Syfte och frågeställningar ... 2

3 Bakgrund och definitioner ... 3

3.1 Definitioner ... 3

3.2 Bakgrund ... 3

4 Metod ... 4

4.1 Metod för litteratursökning ... 4

4.2 Bestämning av relevans samt urval av litteratur ... 5

4.3 Bestämning av trovärdighet... 5

4.4 Metod för analys ... 7

5 Resultat... 8

5.1 Sammanställning av sökningen av litteratur ... 8

5.2 Sammanställning av de inkluderade artiklarna ... 9

5.3 Sammanställning av de exkluderade artiklarna ... 9

5.4 Sammanfattning av de inkluderade artiklarna i den systematiska studien ... 11

5.4.1 Newtons första lag ... 11

5.4.2 Newtons andra lag ... 15

5.4.3 Newtons tredje lag ... 17

5.4.4 Kinematik ... 19

5.4.5 Gravitation ... 21

5.4.6 Noteringar kring resultatet ... 22

6 Diskussion ... 22

6.1 Diskussion kring resultaten från forskningslitteraturen ... 22

6.1.1 Vad karaktäriserar elevers utmaningar med klassisk mekanik? ... 22

6.1.2 På vilka sätt beskrivs orsakssambanden mellan utmaningar i klassisk mekanik och elevers förståelse inom området? ... 26

6.2 Diskussion kring metoderna att hitta den studerade forskningslitteraturen ... 27

6.3 Diskussion kring litteraturens trovärdighet ... 28

6.4 Slutsats... 29

6.5 Implikationer för framtida forskning ... 30

(4)

(5)

1 Introduktion

I denna rapport kommer jag att beskriva en systematisk litteraturstudie som skett vid Linköpings Universitet och, som är en del av utbildningen till att bli ämneslärare på gymnasienivå med fokus på fysik.

Det är enligt min åsikt att för att få full förståelse för fysikens värld krävs en god förståelse av de teorier som utgör grunden för dagens fysik. Med en god förståelse för teorierna kan man därmed dra rimliga slutsatser som kommer att beskriva omvärlden. För att förstå den fysik som lärs ut krävs det att den är förstådd på ett korrekt sätt som för att korrekta slutsatser ska kunna dras. Den värld med förklaringar som ett barn bygger upp stämmer inte alltid överens med de fysikaliska förklaringar som finns. Denna studie ämnar sammanställa den empiriska forskningen som finns om vilka utmaningar som elever har kring klassisk mekanik på gymnasiet eller motsvarande utbildning i andra länder.

De flesta har nog haft en eller fler missuppfattningar då det kommer till klassisk mekanik. Att ha problem med förståelsen kring ämnet kommer naturligt då man lär sig något nytt, men för att kunna hjälpa de elever som har problem med uppfattningen krävs det att det finns en förståelse för vilka utmaningar med uppfattningar som eleverna kan tänkas ha. Genom att man i sin roll som fysiklärare är bekant med de eventuella utmaningar som elever har relation till exempelvis Newtons

rörelselagar redan innan eleverna får lagarna presenterade för sig kan det vara till en lärares fördel när det gäller exempelvis lektionsplanering.

Genomgående genom alla fysikkurser, förutom fysik 1b2, som ges på gymnasiet krävs det av eleverna att de ska kunna använda sig av den klassiska mekaniken för diverse beräkningar

(Skolverket, 2010b). I fysik 1a finns det centrala innehållet om rörelse och krafter, som behandlar hastighet, krafter och rörelse i homogena gravitationsfält. Detta tas även upp i fysik 1b1. Inom fysik 2 i det centrala innehållet för rörelse och krafter, ska rörelse i två dimensioner i gravitationsfält behandlas, samt även centralrörelser. Det centrala innehållet för fysik 3 för rörelse och krafter skriver om fördjupad behandling av kraft och rörelse. Skolverket (2010b) skriver även att en del av ämnets syfte är att eleven ska få ta del och förstå begrepp och teorier inom fysiken. De skriver även om hur elever ska utveckla sin förmåga att lösa ämnesrelaterade problem, vilket kräver att eleverna har en korrekt uppfattning av de modeller som finns inom dagens fysik.

Missuppfattningar och problem med förståelsen för den klassiska mekaniken är något som även genomsyrat historien. Det dröjde till 1600-talet innan den klassiska mekaniken växte fram. Då dess innan hade funnits mer felaktiga teorier om rörelser. Även dagens modeller i form av

relativitetsteorin är ej helt korrekt och kommer därmed förmodligen att ses som felaktig i framtiden. Därmed faller det sig naturligt att förstå att eleverna kommer även de ha med sig felaktiga

(6)

2 Syfte och frågeställningar

Syftet med denna uppsats är att undersöka vilka utmaningar i relation till klassisk mekanik som finns rapporterade i nationella och internationella vetenskapliga tidskrifter. Utifrån följande forskningsfrågor ämnar jag att utgå ifrån i mitt arbete:

1. Vad karaktäriserar elevers utmaningar med klassisk mekanik?

2. På vilka sätt beskrivs orsakssambanden mellan utmaningar i klassisk mekanik och elevers förståelse inom området?

(7)

3 Bakgrund och definitioner

I detta kapitel kommer bakgrunden att behandlas. Den kommer att definiera begrepp och koncept som kommer användas genom rapporten.

3.1 Definitioner

Detta avsnitt beskriver några begrepp som kan att användas i rapporten. De kommer att användas med den tolkning av de som är skriven efter begreppen. Nedan följer de begrepp som är definierade på det sätt som de kommer att användas i rapporten.

Klassisk mekanik – Den mekanik som använder sig av Newtons rörelselagar som grund. Den som idag ses som ett specialfall av relativitetsteorin då tillräckligt stora kroppar rör sig i relativt låga hastigheter.

Newtons första lag – Den första av de rörelselagar som Newton utvecklade. Den säger att en kropp som befinner sig i antingen vila eller i en likformig rörelse kommer att förbli i detta tillstånd till dess att en kraft påverkar den. Kallas även för tröghetslagen.

Newtons andra lag – Kraften på ett objekt är densamma som tidsderivatan utav rörelsemängden. Skrivs även som 𝐹 = 𝑚𝑎.

Newtons tredje lag – Två kroppar som påverkar varandra med en kraft påverkar varandra med lika stor kraft fast motriktade. Kallas även för lagen om verkan och motverkan.

Kinematik – Beskriver hur en kropps läge ändras med avseende på tid.

Modell – Ett sätt att förklara hur kroppar interagerar med varandra då vi applicerar olika rörelselagar på dem. Jag väljer att ej specificera att i de flesta fall menas Newtons rörelselagar. Detta då vissa av elevernas tankesätt kommer att liknas med andra modeller för rörelse.

3.2 Bakgrund

Att elever har utmaningar inom den klassiska mekaniken är inget konstigt. Inom fysiken har den rådande teorin om hur rörelser sker ändrats ifrån först Aristoteles teori, till impetusteorin, till Newtons mekanik och till idag, då relativitetsteorin förutsäger hur saker rör sig genom rummet. Även om vår nuvarande teori kring rörelser är mer korrekt är det viktigt att ha i åtanke att det fortfarande bara är en modell av universum. Rörelselagarna har byggts vidare på en djupare

förståelse av vår omvärld. Förståelsen har byggts på empiriska experiment. Därför är det rimligt att anta att eleverna kommer att ha utmaningar med at ta till sig de modeller av verkligheten fysiken erbjuder. När eleverna påbörjar fysikundervisningen på gymnasiet är de inte allt helt förtrogna med begrepp som kraft och rörelse. Skolverket (2010a) skriver att för betyget E i fysik i slutet av år 9 i grundskolan, krävs följande:

” Eleven kan föra enkla och till viss del underbyggda resonemang där företeelser i vardagslivet och samhället kopplas ihop med krafter, rörelser, hävarmar, ljus, ljud och elektricitet och visar då på enkelt identifierbara fysikaliska samband. Eleven använder fysikaliska modeller på ett i huvudsak fungerande sätt för att beskriva och ge exempel på partiklar och strålning.” (Skolverket, 2010a)

Eleverna kommer därmed ha viss kunskap om de modeller som finns. För högre betyg ska de fetmarkerade orden kunna ske med större förtrogenhet. Enkelt identifierbara blir till exempel

förhållandevis komplexa. Ett högre betyg bör korrespondera med en högre förståelse av modellerna, men det är ändå rimligt att anta att fortfarande kommer att ha utmaningar inom klassisk mekanik.

(8)

4 Metod

Det som karaktäriserar att arbeta systematiskt med att söka efter vetenskaplig litteratur är att man sammanställer den forskning som finns inom området. Något som även karaktäriserar en

systematisk litteraturstudie är att den ställer relevanta frågor kring forskningen. I studien kommer en beskrivning av metoden av hur artiklar och forskning valts ut (Eriksson Barajas, Forsberg &

Wengström, 2013). I denna systematiska litteraturstudie kommer relevant forskningslitteratur att väljas ut, hur det görs beskrivs i avsnitt 4.1. Inom vissa områden kan det finnas väldigt mycket forskningslitteratur. Den som utför den systematiska litteraturstudien kan då begränsa vilken forskningslitteratur som väljs ut, till exempel genom att begränsa mellan vilka årtal forskningen är gjord.

De steg som Eriksson Barajas m.fl. (2013, s. 32) menar är karaktäriserande för en systematisk litteraturstudie är följande:

• En motivation till varför litteraturstudien genomförs. Studien genomförs för att undersöka vad vilka sorters utmaningar som finns hos gymnasielever och hur utspridda de är.

• Skapandet av frågeställningar som går att få ett svar på. Frågeställningarna som ges i denna rapport ska ge svar på motivationen till rapporten.

• Upprättandet av en plan. För att veta hur sökandet efter litteraturen ska ske och inom vilken tidsram det ska falla inom.

• Fastställande av sökterm och hur sökandet ska ske. Databaserna Scopus och ERIC användes huvudsakligen för sökningen och söktermerna redovisas senare. Även nominerat urval används.

• Ett urval av litteratur i form av vetenskapliga rapporter och vetenskapliga artiklar. De rapporter som behandlar gymnasieelevers utmaningar är de som bestämdes som relevanta för studien.

• Kritiskt granska, se till litteraturens kvalitet och därefter ett urval av litteraturen som ska beskrivas i artikeln. Granskningen skedde på sådant vis att först valdes peer-reviewed artiklar ut. Sedan lästes abstraktet och relevanta studier för studien valdes ut, och de som blev utvalda lästes igenom för att fastställa att de behandlade ämnet.

• Analys och diskussion. Resultaten presenteras i ett avsnitt i rapporten under olika avsnitt för att ge en tydligare struktur på var gymnasieelevers utmaningar ligger inom klassisk

mekanik. Efter resultaten analyseras den data som fåtts i ett senare avsnitt.

• Sammanställning och slutsatser. Resultaten från all litteratur som studeras sammanställs och från all denna information dras slutsatser för att svara på studiens frågeställningar.

4.1 Metod för litteratursökning

Forskningsartiklarna som redovisas senare i rapporten har främst tagits fram med hjälp av

databaserna ERIC och Scopus. Även sökmotorn Google Scholar har använts för att få tillgång till vissa artiklar för att öka tillgången till forskning. Google Scholar har främst använts för det som benämns som snöbollsurval. Snöbollsurval eller ett nominerat urval som det också heter och benämns i texten, är en urvalsmetod då relevant litteratur söks efter i referenslistorna i de texter som redan valts ut. I denna studie har ingen litteratur blivit bortvald på grund av vilket år den är publicerad. En begränsning som gjorts i sökningen är att alla de artiklar som används i denna litteraturstudie är peer-reviewed och är tillgängliga som fulltexter i de databaser som använts för sökningarna.

ERIC står för Educational Resources Information Center. Denna databas fokuserar på området pedagogik och psykologi, och innehåller litteratur inom området som är publicerad från år 1966 och sedan framåt. Scopus-databasen är ej begränsad till enbart psykologi och pedagogik, utan det är en

(9)

multidisciplinär databas. Den har dock en fokus på naturvetenskap, teknik, medicin och samhällsvetenskap.

För att möjliggöra sökningen i de nämnda databaserna användes booleska variabler. De fungerar på sådant sätt att de kan inkludera, exkludera eller söka på antingen den ena termen eller den andra. De tre operatorerna är AND, NOT och OR. AND används då två termer ska inkluderas i samma

sökning. Görs en sökning med X AND Y kommer den därmed bara ge tillbaka resultat som inkluderar både termerna X och Y. NOT-operatorn liknar AND-operatorn men exkluderar termer. Ifall en sökning görs med X NOT Y, kommer alla resultat som innehåller termen X att returneras, men ifall de även innehåller termen Y returneras de ej. OR-operatorn används att ifall sökningen X OR Y används kommer den att returnera alla resultat som antingen innehåller termen X eller Y (Eriksson Barajas m.fl. 2013, s 78–79). I denna studie har AND-operatorn främst använts. För att kunna inkludera mer relevant forskning kan trunkering användas. Trunkering tillåter en att ersätta början eller slutet av en sökterm med en asterisk. Databasen söker då efter alla termer som har antingen samma början eller avslut. Eriksson Barajas m.fl. (2013, s. 81) nämner två exempel, child* och *litteratur. De beskriver hur child* returnerar child, children och liknande, medan *litteratur returnerar skönlitteratur och forskningslitteratur, som några exempel.

För att få fram mer relevant forskningslitteratur används det Eriksson m.fl. (2013, s. 138) kallar snöbollsurval eller nominerat urval. Detta innebär att man ser till referenserna i den litteratur man använt sig av och använder sig av de relevanta källorna. För att finna de relevanta källorna bestäms ett antal ord som letas efter i referenslistan, och de artiklar som har dessa termer i sin titel granskas. Det nominerade urvalet fortsätter tills ett tillräckligt stort urval av litteratur finns att använda sig av (Eriksson m.fl. 2013, s. 138).

4.2 Bestämning av relevans samt urval av litteratur

Det som denna rapport kommer att ha som huvudfokus är gymnasieelevers utmaningar inom klassisk mekanik inom fysiken på gymnasienivå. Men även något yngre åldrar samt äldre åldrar kommer att inkluderas i studien. Det finns relevans i att se vilka utmaningar med klassisk mekanik som eleverna har när de börjar på gymnasiet. Även för att se vilka utmaningar de bär med sig till högre utbildningar. De studier som innefattar studenter vid högre utbildningar kommer att behandlas då de precis påbörjat deras första kurs inom klassisk mekanik, detta för att stärka relevansen till gymnasieleverna. För att yngre åldrar ska inkluderas i denna rapport ska de yngre åldrarna ingå i samma studie som gymnasieeleverna, eller det landets motsvarighet till den svenska gymnasieskolan, där forskningen utförts.

Ett krav som ställdes på artiklarna var att de skulle vara empiriska studier, dock accepteras både kvalitativa och kvantitativa studier (Eriksson Barajas m.fl. 2013, s. 32). Ifall en studie är rent

teoretisk eller åsiktsbaserad kommer den ej att anses vara relevant för denna rapport. De studier som anses vara relevanta är de som mäter hur människor presterar. När sökningen av litteraturen var avklarad behövdes relevansen av litteraturen avgöras. För att avgöra ifall en artikel var relevant eller ej lästes dess abstrakt för att avgöra relevansen. Vissa artiklar ansågs vara relevanta via

abstraktet men sedan genom läsning av artikeln ansågs de ej svara på de frågor som ställs bedömdes även de som icke relevanta. De icke relevanta studierna presenteras i en tabell senare i texten som finns i avsnitt 5.3. Från den relevanta litteraturen söktes mer relevant litteratur via nominerat urval.

4.3 Bestämning av trovärdighet

I denna rapport kommer begreppet att trovärdighet, översatt från engelskans trustworthiness, att användas istället för validitet och reliabilitet. Trovärdighet kan ses som ett liknande begrepp som reliabilitet och validitet som det på sitt sätt ersätter. Men det är viktigt att poängtera att de är ej exakt utbytbara.

Shenton (2004, s. 64) ger fyra kriterier som bör beaktas för att en studie ska anses vara trovärdig. Jag kommer att presentera de fyra kriterierna och sedan i texten som följer efter kommer jag att

(10)

förklara vad de olika begreppen har för innebörd i den här kontexten. Jag har valt att översätta termerna till svenska men samtidigt försökt spegla deras engelska innebörd så gott som möjligt i denna kontext.

1. Kredibilitet 2. Överförbarhet 3. Tillförlitlighet 4. Bekräftningsbarhet

Kredibilitet är den term som används för att besvara frågan om hur väl resultaten från studien stämmer överens med verkligheten (Shenton 2004, s. 64). Kredibilitet kan jämföras, men ska ej ses som en synonym till intern validitet (Morrow 2005, s. 252). Shenton (2004, s. 64 – 69) talar om några kriterier för att öka kredibiliteten och är de som kommer presenteras härefter. För att öka kredibiliteten är det viktigt att mätinstrumentet mäter det som mätinstrumentet ämnar mäta. Han menar även att man behöver utveckla en förtrogenhet med kulturen med de deltagande deltagarna eller organisationerna. Förtrogenheten behövs för att man ska kunna ha ett välfungerande

mätinstrument. Deltagarna bör vara slumpade och inte särskilt utvalda, här bör det dock noteras att Shenton talar om kvalitativa studier och inte kvantitativa. Kredibiliteten kan även öka genom användandet av triangulering. Det betyder att man använder olika deltagare och fokusgrupper och jämför olika observationssätt för att få en mer korrekt bild, genom att de väger upp de olika svagare delarna av de olika mätinstrumenten. För att uppnå hög kredibilitet bör även en taktik för att säkra ärliga svar finnas. Detta kan uppnås till exempel med att en deltagare kan vägra att svara på en fråga eller vara med helt och hållet istället för att ge falska svar. Upprepade frågeställningar kan även se till att oärliga svar upptäcks, genom att ställa en fråga på två olika sätt går det att se om svaren är ärliga eller ej. Shenton (2004, s. 64) talar även om det som kallas negativ fallanalys. Det innebär att hypotesen förfinas tills att den innefattar alla fall som mäts. Att möten ofta sker mellan de som utför studien och deras överordnade kan öka kredibiliteten. Detta sker att de som utför studien får

presentera vad de arbetat med sedan senaste mötet för att möjliggöra en konversation mellan de två parterna. Studien kan även granskas av andra inom forskningsfältet i en process som kan liknas vid

peer-review-systemet som används vid publicering av forskningslitteratur. Utvärderandet från andra

sker löpande under arbetets gång. Ifall den som utför studien skriver ner dennes tankar och

tolkningar ökar även detta kredibiliteten då en utomstående kan förstå vilken bias som kan ha skett under studien. I en kvalitativ studie spelar forskarens erfarenhet, kvalifikationer och bakgrund stor roll för kredibiliteten. Även att medlemmarna i forskningsgruppen aktivt arbetar med att öka kredibiliteten spelar stor roll. En detaljerad beskrivning över hur studien genomförts bidrar till en ökad kredibilitet, samt även hur väl tidigare forskning stämmer överens med den nya forskningen. Överförbarheten handlar om hur väl forskningen som genomförts och dess slutsatser kan överföras och tolkas liknande på annan forskning och andra grupper. Överlag går det att tala om hur väl det går att generalisera de resultat som fåtts i studien. Detta kan uppnås när forskaren ger information om sig själv, vilken bakgrund hen har, vilken tidigare forskning hen har gjort, hur studien

genomfördes, vilken kontext den skedde i och relationen mellan forskare och deltagare är

avgörande för att kunna bestämma om slutsatserna är överförbara eller ej (Morrow 2005, s. 252). Shenton (2004, s. 70) menar att överförbarheten bör göras försiktigt i kvalitativa studier då studiens kontext och hur den genomfördes måste tas hänsyn till för att få en god förståelse om ifall

slutsatserna kan överföras eller ej.

Morrow (2005, s. 252) skriver att tillförlitligheten hanterar ett grundläggande problem. Att

forskningen eller studien ska ske på ett konsekvent sätt över tid, forskare och oberoende av vilken analysteknik som används. Därmed menar hon att den process som sker för att få fram data ska vara uttryckt på ett tydligt sätt och ska kunna ske upprepade gånger. För att uppnå detta menar Shenton (2004, s. 71 – 72) att varje process i studien ska presenteras tydligt. För att framtida forskare ska kunna använda den tidigare studien som en mall. För att sedan, om möjligt men ej nödvändigtvis, få fram liknande resultat. För att uppnå en god pålitlighet behöver de som utför studien förklara hur de

(11)

olika delarna utförts. Om data samlas in ska det förklaras hur den samlats in ges som ett exempel. Detta ska ske för att ge den som läser en förståelse för hur metoden och hur effektiv den är. Shenton fortsätter med att studien behöver ha tre delar som behandlar hur forskningen planerades och genomfördes, hur data samlades in och ett reflekterande över hur väl projektet skedde.

Den sista termen, bekräftningsbarhet är det ord som valts för confirmability. Att uppnå ett helt objektivt resultat är väldigt svårt. Då de mätinstrument som används är beroende av mänsklig förmåga och uppfattning. Studien ska i största mån möjlig basera sin forskning på data och inte egna hypoteser eller teorier som forskaren eventuellt har. Forskaren måste därmed knyta samman den data de analyser och slutsatser på ett sätt som ger läsaren möjlighet att bekräfta lämpligheten i slutsatserna. Detta kan uppnås på ett liknande vis som arbetet med tillförlitligheten arbetas med (Morrow 2005, s. 252; Shenton 2004, s. 72).

4.4 Metod för analys

Denna rapport kommer att utföras som en systematisk litteraturstudie. En systematisk litteraturstudie har följande kriterier:

1. Tydliga kriterier samt metoder för hur artiklar har sökts fram och valts ut. 2. En tydlig strategi för sökningen

3. Systematisk kodning för de studier som är inkluderade

4. En metaanalys som sammanställer resultaten från de behandlade studierna

Dessa kriterier är de som ställs enligt Eriksson Barajas m.fl. (2013, s. 27). Varje studie kommer därmed behandlas enskilt, det vill säga kommer att sammanfattas och analyseras enskilt. Resultaten från studierna kommer att presenteras genom en sammanställning av områden. De frågor i de olika studierna som behandlar samma område kommer att presenteras tillsammans. Jag väljer att

presentera resultaten på detta sätt för att tydliggöra resultaten och hur de relaterar till frågorna som ställts i syftet. Diskussionen kommer även att behandla studierna i relation till den teoretiska bakgrund som getts.

(12)

5 Resultat

I detta avsnitt kommer att resultatet från den systematiska litteratursökningen att redovisas. De olika söksträngarna som använts kommer här att presenteras i avsnitt 5.1, i avsnitt 5.2 kommer artiklarna som inkluderas att redovisas. I avsitt 5.3 kommer de artiklar som ej inkluderades att redovisas samt varför de ej inkluderades. Avsnitt 5.4 kommer att redovisa sammanfattningen av artiklarna.

5.1 Sammanställning av sökningen av litteratur

I denna del kommer resultaten från de olika sökningarna att presenteras i tabeller som visar på hur många träffar som de olika söktermerna gav. Tabell 1-3 redovisar resultaten som gavs från

sökningarna i Scopus medan tabell 4-6 redovisar resultaten från sökningarna i ERIC. Tabell 7 redovisar de artiklar som ficks fram genom det nominerade urvalet och anledning till att varför de inkluderades. Söktermen misconceptions valdes för att det ansågs väl motsvara studiens syfte.

Tabell 1. Vilken sökterm och vilket urval som användes samt antalet träffar i sökning 1.

Söktermer, operatorer och begränsningar Antal träffar

"high school" AND "classical mechanics" AND "misconceptions" 2

Källtyp: Akademisk artikel 1

"high school" AND "classic mechanics" AND "misconceptions" 0

"high school" AND "newtonian mechanics" AND

"misconceptions" 0

"high school" AND "mechanics" AND "misconceptions" 12

Som det nämndes tidigare i 4.1 är följande sökningar gjorda i databasen ERIC.

high school AND "classical mechanics" AND "misconceptions" 1

"high school" AND "classic mechanics" AND "misconceptions" 0

"high school" AND "newtonian mechanics" AND

"misconceptions" 0

"high school" AND "mechanics" AND "misconceptions" 37

Tabell 7. Det nominerade urvalet samt anledning till att de valdes.

Titel Författare (År) Anledning för inkludering

Students' Preconceptions in introductory mechanics

Clement, John. 1981)

En av de första studierna inom området och testar relevanta områden för studien.

(13)

A mechanics baseline test

Hestenes, D. & Wells, M. (1992)

Stort antal deltagare och redovisar enskilda frågor samt elevernas svar.

Students alternative conceptions and scientifically acceptable

conceptions about gravity Palmer, D. (2001)

Undersöker elevers förståelse av gravitation på ett mer djupgående sätt. Student understanding in

mechanics: A large population survey

Gunstone, R. F. (1987)

Studien har ett väldigt stort antal deltagare där de undersöker deras utmaningar inom klassisk mekanik.

Curvilinear Motion in the Absence of External Forces Naïve Beliefs About the Motion

McCloskey, M., Caramazza, A. & Green, B. (1980)

Undersöker elevers utmaningar då det kommer till cirkulära rörelser.

Anledningen till att tabell 2 och 4 redovisas är för att visa att sökningarna ansågs som relevanta men de gav ej några resultat. En del av resultaten i tabell 1, 3, 4, samt 6 är dubbletter. Totalt sett gav sökningarna 28 unika artiklar. De artiklar som inkluderades i studien går att se avsnitt 5.2, medan de exkluderade artiklarna går att finna i avsnitt 5.3 där även en anledning ges till varför de

exkluderades.

5.2 Sammanställning av de inkluderade artiklarna

I detta avsnitt kommer de artiklar som inkluderats från sökningen att presenteras i en tabell.

Tabell 8. De inkluderade artiklarna, dess författare samt i vilken tidskrift de blivit publicerade in.

Titel Tidskrift Författare (År)

Concepts in Force and Motion Physics Teacher

Sadanand, Nanjundiah & Kess, Joseph (1990)

Misconceptions on classical mechanics by Freshman University Students: A case study in a physics department in Greece

Themes in Science and Technology Education

Stylos, George, Evangelakis, George A. & Kotsis,

Konstantinos T. (2008) Students' difficulties with the force(s) acting on the

Moon

Physics

Education Whiteley, Peter (1995) Students' concept of force the importance of

understanding Newton's third law

Physics

Education Brown, David E. (1989)

Investigating primary and secondary student's learning of physics concepts in Taiwan

International Journal of Science Education

Chang, J.-P., Chen, J.-Y., Guo, C.-J., Chen, C.-C., Chang C.-Y. Lin, S.-H. … Tseng, Y.-T. (2007)

Motion implies force: Where to expect vestiges of the misconception?

International Journal of Science

Education Galili, I. & Bar, V. (1992) Development and Validation of a Diagnostic

Instrument to Evaluate Secondary School Students' Conceptions and Problem Solving in Mechanics

International Journal of

Learning Kruatong, T (2011)

5.3 Sammanställning av de exkluderade artiklarna

(14)

Tabell 9. De artiklar som ej bedömdes relevanta för studien, anledning till exkludering, dess författare samt vilken sökning som resulterade i dem.

Titel Söknummer Författare (År)

Anledning för exkludering

Error-based simulation for error-awareness

in learning mechanics: An evaluation 3

Horiguchi, T., Imai, I., Toumoto, T. & Hirashima, T. (2014)

Den undersöker inte enskilda utmaningar utan om hur de bearbetas då de uppstått.

Challenges in teaching the mechanics of breathing to medical and graduate students

3, 6 West, J. B. (2008)

Handlar ej om klassisk mekanik.

Genius is not immune to persistent misconceptions: conceptual difficulties impeding Isaac Newton and contemporary

physics students 3

Steinberg, M. S., Brown, D.E. &

Clement, J. (1990) Ingen empirisk studie. Using High Speed Smartphone Camera and

Video Analysis Techniques to Teach

Mechanical Wave Physics 6

Bonato, J. Gratton, L. M. & Onorato, P. (2017)

Ej empirisk studie och handlar ej om elevers utmaningar.

Student Mental Models Related to Expansion

and Contraction 6

Kurnaz, M. A. & Emen, A. Y. (2014)

A Century-Old Quesiton: Does a Crookes Paddle Wheel Cathode Ray Tube

Deomonstrate That Electrons Carry

Momentum? 6

Humphrey, T. E. & Calisa, V. (2014)

Handlar ej om elevers utmaningar.

Assessing the Impact of Bridging Analogies in

Mechanics 6

Yilmaz, S., Eryilmaz, A. & Geban, O. (2006)

Undersöker ej enskilda utmaningar, utan konstaterar enbart att elever har utmaningar.

High School Students' Understanding of

Projectile Motion Concepts 6

Dilber, R., Karaman, I. & Duzgun, B. (2009)

Undersöker ej enskilda utmaningar, utan konstaterar enbart att elever har utmaningar. Introducing the Idea of Entropy to the

ontological category shift theory for conceptual change: the case of heat and

sound 6

Volfson, A., Eshach, H. & Ben-Abu, Y. (2019)

Ej empirisk studie och handlar ej om elevers utmaningar.

Projectile Activity for the laboratory: a safe and inexpensive approach to several

concepts 6

Farkas, N. & Ramsier, R. D. (2006)

Handlar ej om vilka utmaningar som finns, utan hur de ska bearbetas då de uppstått. Investigation of mental models of turkish

pre-service physics students for the concept

of "spin" 6 Özcan, Ö. (2013)

Swinging into pendulums with a background 6

Barrow, L. H. & Cook,

J. (1993) Ej empirisk studie.

Force concept inventory 6

Hestenes, D., Wells, D. & Swackhamer, G. (1992)

Undersöker ej enskilda utmaningar, utan konstaterar enbart att elever har utmaningar. Physics student's understanding of relative

speed: a phenomengraphic study 6

Walsh, E.,Dall'Alba, G., Bowden, J., Martin, E.,

(15)

G., Ramsden, P & Stephanou, A. (1993) The Importance of scale drawings or : Let's

not blow things out of proportion! 6 DeBuvitz, W. (1990) Ej empirisk studie. Conceptual versus algorithmic learning in

high school chemistry: the case of basic quantum chemical concepts part 2. student's common errors, misconceptions and

difficulities in understanding 6 Papaphotis, G. & Tsaparlis, G. (2008) Handlar ej om klassisk mekanik. Remediation of student-specific

misconceptions relating to three science

concepts 6 Griffiths, A. K. (1988)

Undersöker ej enskilda utmaningar, utan konstaterar enbart att elever har utmaningar. New technology and newtonian physics 6 Osborne, J. (1987) Ej empirisk studie. The quantum understanding of

pre-university physics students 6 Ireson, G. (2000)

Error-based simulation for error-awareness

in learning mechanics: an evaluation 6

Horiguchi, T., Imai, I. &Toumoto, T. (20149

Handlar om hur man bearbetar utmaningar då de uppstått.

Start your engines…start your year! 6

Adair, L. M. &

Loveless, G. C. (1994)

Handlar om ej om elevers utmaningar. Teaching about energy through a spiral

curriculum: guiding principles 6 Trumper, R. (1996)

Handlar om hur man bearbetar utmaningar då de uppstått.

Students do not overcome conceptual difficulties after solving 1000 traditional problems

6

Kim, E & Pak, S.-J. (2002)

Redovisar ej enskilda frågor, det går ej att se vilka frågor studenterna har utmaningar inom.

5.4 Sammanfattning av de inkluderade artiklarna i den systematiska

studien

I detta avsnitt kommer resultaten från de inkluderande artiklarna att sammanfattas. Det kommer presenteras på ett sådant sätt att de som behandlar samma områden inom den klassiska mekaniken presenteras tillsammans. Det vill säga att alla artiklar som behandlar gravitation på något sätt kommer att presenteras inom avsnittet om gravitation, de som handlar om Newtons andra lag hamnar inom avsnittet om Newtons andra lag. Detta leder till att en artikel kan presenteras flera gånger fast inom olika avsnitt, beroende på hur många olika områden inom klassisk mekanik som studien undersökte. De fetmarkerade styckena ämnar uppmärksamma vad eleverna har utmaningar kring. Fetmarkeringen är vald för att öka läsbarheten och göra det tydligare vad som är resultat och vad som tycks påvisa en trend. Även resultat blir fetmarkerade då de används som grund i

diskussionen.

5.4.1 Newtons första lag

I Sadanand och Kess (1990) studie undersöks Newtons första lag med hjälp av två frågor. Den första frågan behandlar en boll som kastas upp i luften. Eleverna ska svara på vilka krafter som agerar på bollen om luftmotståndet försummas. Sadanand och Kess (1990) andra fråga handlar om en boll som rullar av ett bord. Eleverna ska förutsäga vilka krafter som påverkar bollen om

luftmotståndet försummas. I frågan som behandlar bollen som kastas upp i luften och med försummat luftmotstånd svarade 88% av de tillfrågade att det fanns en uppåtriktad kraft som

agerade på bollen. 72% av de tillfrågade svarade att krafterna som påverkade bollen var bollens vikt som var nedåtriktad men samtidigt påverkades den av en uppåtriktad kraft som minskar ju längre

(16)

upp i kastet den kommer. Totalt valde enbart 12% av eleverna det korrekta svaret i detta fall. På Sadanand och Kess (1990) andra fråga svarade 95% av eleverna att det fanns en eller flera icke-vertikala krafter som påverkade bollen då den rullat av från bordet. Av de som svarade fel svarade 80% av eleverna att bollens vikt påverkade den, men att det antingen fanns en kraft horisontellt eller i bollens rörelseriktning. Det tycks finnas vissa utmaningar för eleverna om hur krafter

påverkar ett objekts rörelse.

Även Chang m.fl. (2007) undersöker elevers utmaningar kring krafter som påverkar objekts rörelser. Chang m.fl. (2007) har i deras studie undersökt flera områden inom fysiken. Från deras undersökning lyfter de fram fem olika frågor där de uppfattar att eleverna har haft utmaningar. En av dessa frågor handlar om en boll som åker in i en trekvartscirkel. Bollen åker runt i banan och lämnar sedan trekvartscirkeln där banan pekar uppåt. Chang m.fl. (2007) presenterade fem olika alternativ för eleverna att svara på. Eleverna fick även svara på fyra förklaringar till varför de valde svaret de gjorde. Av de som gick i junior high svarade 15% rätt på både bollens riktning då den lämnade trekvartscirkeln samt varför den rörelsen var den korrekta, motsvarande för de som gick i

senior high var 12%. Studien av Chang m.fl. visar även att 26% av de som gick i junior high kunde

identifiera vilken rörelse kulan skulle ha efter att den lämnade trekvartscirkeln, men de kunde inte ge en korrekt förklaring till varför den följde den banan. 41% av junior high gav en korrekt

förutsägelse av bollens bana, men färre än hälften gav en korrekt anledning. Kroppars banor tycks vara svåra att förutse med de mentala modeller som eleverna använder sig av. En av de

tidigaste som undersökte detta var Clement som ses i nästa stycke.

Clement (1981) undersöker studenters förståelse av tröghet. Clement (1981) ställer frågan om en raket som först glider horisontellt i yttre rymden. Raketens motorer pekar ortogonalt jämfört med rörelseriktningen. När raketen når en viss punkt startas raketens motorer och efter en viss tidpunkt stängs motorerna av igen. 9% av studenterna svarade korrekt på förutsägelsen av raketens bana, 27% svarade delvis korrekt. Vad delvis korrekt är beskrivs ej. Att raketen återgår till att åka i sidled igen anges av 41% av studenterna, 5% anger att den delvis återgår till att åka i sidled. 17% av studenterna anger att något övrigt händer, det anges ej vad detta kan motsvarar. Gunstone (1987) bygger vidare på Clements (1982) resultat där han använder sig av samma raketproblem i sin studie för att se om Clements (1982) resultat står sig 5 år senare.

Gunstone (1987) undersöker Newtons första lag i sin studie med en fråga om en raket som färdas med en viss hastighet i sidled. Det antas att raketen befinner sig i yttre rymden och påverkas ej av några externa krafter, samma raketproblem kan ses hos Clement (1981). Eleverna får 6 olika banor som raketen kan färdas i och de ska sedan välja den bana som de anser bäst förutsäga raketens bana. Av de elever som svarade lyckades 39,2% av eleverna att förutsäga raketens bana korrekt. Men 37,4% svarade att raketen skulle behålla dess nya riktning efter motorerna slogs av igen, men deras bana förutsade att raketen skulle accelerera direkt till dess nya hastighet och sedan ej

accelerera mer. Resterande elever svarade mer eller mindre korrekt med accelerationen. De svarade att raketens hastighet skulle avta eller helt avstanna efter att raketen slog av sina motorer. Att vara ute i rymden är dock ej den verklighet som de flesta studenter och elever har upplevt, utan något mer jordnära undersöks i Stylos, Evangelakis och Konstantinos (2008) studie.

Stylos m.fl. (2008) undersöker studenters utmaningar i deras studie som har börjat på en utbildning under fysikinstitutionen på Ionanninas universitet. Fråga 1 – 3 i deras studie behandlar Newtons första lag. Deras första fråga behandlar en bok som är placerad på ett bord, där frågan ställs om vad det är som gör att boken befinner sig i vila. På den här frågan svarar 89% av studenterna rätt svar, medan 9% svara att bordet hindrar boken från att falla och 2% svarar att gravitationen håller boken å plats. Den andra frågan handlar om att en bil åker på en rak väg med en konstant hastighet. De undrar vad summan av alla krafter som verkar på bilen är då. Av studenterna svarade då 69% korrekt, medan 22% svarade att summan av alla krafter är i hastighetens riktning, 8% av

studenterna menar att summan av alla krafter är beroende av bilens massa, samt 2% som menar att summan beror på bilens fart. Den tredje frågan handlar om en bil som rör sig med konstant

(17)

svarar 56% att den totala kraften är 0, medan 38% svarar att kraften har en riktning åt höger, och 6% svarar att den har en kraft åt vänster. Att sätta in frågorna i en mer verklig kontext som eleverna kan relatera till kan ge bättre resultat. Galili och Bar (1992) undersöker fler verkliga exempel i sin studie som följer i nästa stycke.

Galili och Bar (1992) undersöker i sin studie flera områden och flera åldrar. Exakta siffror är ej utskrivna i texten utan kommer avläsas från en tabell. I de första frågorna presenteras endast en grupp av high school-studenter medan i senare frågor presenteras fler grupper från olika high

school-studenter. Hs-10 är grupp med 15-åringar. HS1-11 är en grupp 16-åringar från en, vad de

forskarna kallar för normal skola, HS2-11 är en grupp 16-åringar som kommer från en prestigefylld skola. De kommer att presenteras som en grupp. HS-12 är en grupp 18-åringar från samma

prestigefyllda skola som HS2-11. En elevs svar kan inkluderas i flera kategorier. Galili och Bars (1992) fjärde fråga i studien är om en man som befinner sig i en hiss som har konstant hastighet. Eleverna ska svara på vilka krafter som verkar på mannen. I denna fråga presenteras två korrekta svarsrubriker, men jag väljer att bara presentera en då den ena är en underkategori av den ena. I nästa stycke kommer resultatet att presenteras.

På Galili och Bars (1992) fjärde fråga så skrevs korrekta krafter ut av 9% av 15-åringarna, 82% av åringarna och 75% av 18-åringarna. En galileisk princip angavs av 1,5% av 16-åringarna och 5% av 18-16-åringarna. Ingen av 15-16-åringarna angav detta svar. Ett av svaren som angavs var att den uppåtriktade kraften ej var lika med den nedåtriktade kraften, detta svar gavs av 63% av 15-åringarna, 18% av 16-åringarna och 24% av 18-åringarna. En tredje kraft, vilken kraft det var anges ej, angavs av 58% av 15-åringarna, 10,5% av 16-åringarna och 22% av 18-åringarna. Att det var en kraft som agerade på mannen som motsvarar massan gånger accelerationen. Det svaret gavs av 6,5% av 16-åringarna och 3% av 18-åringarna, men ingen av 15-åringarna gav detta svar. En integration av problemet, som i detta fall menar att mannen integrerades i hissen. Med detta menas att de krafter som verkade på hissen verkar på mannen. Detta svar angav 48% av 15-åringarna, 10% av 16-åringarna och 20% av 18-åringarna. Vissa av studenterna svarade att ingen kraft verkade på mannen, 64% av 15-åringarna svarade detta, 8,5% av 16-åringarna svarade detta och 16% av 18-åringarna svarade det. Ett svar som angavs var att ingen tyngdkraft fanns, 8% av 15-åringarna svarade det, 1,5% av 16-15-åringarna svarade det och ingen av 18-15-åringarna angav det. 18% av 15-åringarna angav inget svar och 1,5% av 16-åringarna gav heller inget svar. Genomgående tycks det som om 16-åringarna är de som presterar bäst på frågorna som ställs. I nästa stycke presenteras mer av Galili och Bars studie.

Galili och Bars (1992) femte frågan handlar om två block där det ena blocket är staplat på det andra. Det undre blocket dras i med en kraft vilket gör att båda blocken rör sig med en konstant hastighet. Frågan eleverna ska svara på i detta fall är vilken kraft som agerar på det övre blocket. efter att de har accelererats till den konstanta hastigheten. Ett korrekt svar gavs av 23% av 16-åringarna, 46% av 16-åringarna och 33% av 18-åringarna. En balanserad kraft, det vill säga lika stor kraft i rörelseriktningen som i negativ rörelseriktning gavs av 11% av 16åringarna, 19% av 18-åringarna men ingen av 15-åringarna. 30% av 15-åringarna och 15% av 16-åringarna svarade att den drevs av en kraft framåt, medan 21% av 18-åringarna svarade det. Ett svarsalternativ var att en större kraft motverkade den bakåtriktade kraften. För detta svar såg fördelningen ut på följande vis, 30% av 15-åringarna, 2,5% av 16-åringanra och 12% av 18-åringarna. Vissa elever menade att det enbart var en bakåtriktad kraft på blocket, 4% av 15-åringar menade detta, 22,5% av 16-åringarna svarade det och 11% av åringarna. Inget svar gavs av 5% av15-åringarna, 1% av 16-åringarna och 3% av 18-åringarna. Galili och Bars (1992) sjätte fråga handlar om en inbromsande bil som har en konstant inbromsning, den accelererar konstant i negativ färdriktning tills det att bilen stannat. Elevernas svar delades in i tre olika kategorier på denna fråga. 10% av 15-åringarna svarade korrekt, 52,5% av 16-åringarna svarade rätt här och 25% av 18-åringarna. 72% av 15-åringarna svarade att det fanns en framåtdrivande kraft, 43,5% av 16-åringarna och 62% av 18-åringarna gav också det svaret. Den sista kategorin av svar faller inom att det inte fanns några horisontella krafter alls, det svarade 18% av 15-åringarna, 4% av 16-åringarna och 13% av 18-åringarna. För att undersöka hur väl elever

(18)

förstår accelerationer är ett sätt att ta bort överflödiga distraktorer och bara fokusera på

accelerationen i sig. Hestenes och Wells (1992) undersöker accelerationer på det sättet i sin studie som följer i nästa stycke.

Hestenes och Wells (1992) undersöker 5 olika high school-elevgrupper i sin studie. AZ Regular, AZ Honors, AZ AP, Wells Regular samt Wells Honors, totalt var det 796 elever som deltog i studien. De olika elevgrupperna kommer att räknas samman till en gemensam procent. Hestenes och Wells (1992) studie har en fråga som undersöker Newtons första lag, och den handlar om en kropp som accelererat till en viss hastighet i en dimension enligt en figur i fråga 1. Eleverna ska då svara på hur accelerationskurvan ser ut enligt de graferna som presenteras. På den här frågan svarade 43,3% av eleverna rätt. Även Kruatong (2011) undersöker tröghetslagen i sin studie men hennes studie svarar även på med hur stort förtroende eleverna har för sitt svar.

Kruatong (2011) undersöker i sin studie 240 elever som går gymnasiet i Thailand. I sin studie undersöker hon flera olika områden inom klassisk mekanik. Eleverna fick svara på om de svarade med högt förtroende eller lågt förtroende på frågorna. Svaren avlästes från en graf med intervall om 50. Resultaten kommer att presenteras på följande vis, först kommer andelen av de som svarade rätt med högt förtroende för sitt svar, sedan de som hade rätt men med lågt förtroende för sitt svar, sedan de som svarade fel men med högt förtroende, och sist de som svarade fel med lågt förtroende. Elevernas svarsförtroende utgick från de fyra alternativ de hade att välja mellan, en vild gissning, inte särskilt högt förtroende, ganska högt förtroende och jag är säker på att jag har rätt. I Kruatongs studie behandlar fråga 4, 5, 7, 8, 9,10 samt 11 Newtons första lag. På fråga 4 ska eleverna svara på vilken graf som motsvarar att en kropp rör sig med konstant hastighet, y-axeln motsvarar sträcka, och x-axeln motsvarar tid. På denna fråga svarade 8,3% av eleverna rätt med högt förtroende, 7,5% svarade rätt med lågt förtroende, 51,7% svarade fel med högt förtroende och 32,5% svarade fel med lågt förtroende. Fråga 5 frågar även den efter vilken graf som motsvarar en konstant hastighet, men y-axeln representerar acceleration och inte sträcka. På denna fråga svarade 9,6% av eleverna rätt med högt förtroende, 10,4% svarade rätt med lågt förtroende, 41,3% svarade fel med högt förtroende samt 38,7% svarade fel med lågt förtroende. Fråga 7 handlar om vad som händer om en ballong som bär på en påse med sand rör sig uppåt med en viss hastighet. Vid en viss höjd släpps påsen med sand och når marken efter en viss tid. Eleverna ska då svara på vilket

påstående som bäst stämmer överens med händelseförloppet. Här svarade 12,5% av eleverna rätt med högt förtroende, 22,1% svarade rätt med lågt förtroende, 14,6% svarade fel med högt förtroende och 50,8% svarade fel med lågt förtroende.

Kruatongs (2011) 8e fråga handlar om två block med identisk massa. De är sammankopplade med ett snöre över en talja, det ena blocket står på en friktionslös yta och det andra block hänger fritt, eleverna ska då svara vad som händer när systemet släpps från vila. Här svarade 17,1% av

eleverna rätt med högt förtroende, 22,5% svarade rätt med lågt förtroende, 16,7% svarade fel med högt förtroende och 43,7% svarade fel med lågt förtroende. Även fråga 9 handlar om två massor som är sammankopplade över två taljor. Eleverna ska svara på vilket påstående som stämmer bäst överens med accelerationen på ett av blocken. 17,1% av eleverna svarade rätt med stort förtroende, 22,5% svarade rätt med lågt förtroende, 16,7% svarade fel med högt förtroende samt 56,2% svarade fel med lågt förtroende. Nästa fråga som behandlar Newtons första lag handlar om en student som håller en påse med en viss vikt i ena handen i en hiss. Eleverna ska jämföra kraften som handen påverkas med då hissen är i vila och då den accelererar med en viss

acceleration nedåt. Här svarade 15,8% av eleverna rätt med högt förtroende, 27,9% svarade rätt med lågt förtroende, 14,6% svarade fel med högt förtroende och 49,2% svarade fel med lågt förtroende. Den sista frågan inom detta avsnitt ställer frågan om hur hissen ska röra sig för att det ska maximera smärtan i elevernas knän. 17,1% av eleverna svarade rätt med högt förtroende, 17,5% svarade rätt med lågt förtroende, 16,2% svarade fel med högt förtroende och 49,2 svarade fel med lågt

(19)

5.4.2 Newtons andra lag

Sadanand och Kess (1990) behandlar krafter på kroppar. Tre av deras frågor i deras studie kommer behandlas i detta avsnitt. Två frågor av deras frågor belyser samma koncept men på två olika sätt. Den tredje frågan behandlar två bollar som är upphängda i varsitt snöre. Där den ena bollen är i vila och den andra bollen är i en pendlande rörelse. Deras första fråga frågar eleverna om vilka krafter som agerar på en skivstång då en person håller upp den, medan deras andra fråga behandlar ett block som ligger på ett bord. Av 57 tillfrågade elever valde 30% fel på någon av frågorna, men enbart 1% av de tillfrågade svarade fel på båda frågorna, och 21% av eleverna som svarade fel på frågan om bordet svarade rätt på frågan om skivstången. Sadanand och Kess (1990) tar upp

möjligheten att eleverna kan försökt svara att nettokraften på objekten är 0. Men det visade sig inte enligt de svar som eleverna gav. Det vanligaste felet som eleverna svarade var att eleverna angav att gravitationen påverkade objekten, men att de inte angav en motriktad uppåt. Deras tredje fråga var inte utformad som en flervalsfråga utan eleverna fick rita ut krafterna själva. Av de tillfrågade eleverna svarade 76% att olika krafter påverkade de två olika bollarna. 63% svarade att det fanns en horisontell kraft som påverkade den pendlande bollen. Det tycks som att elever har utmaningar med att isolera krafterna. I den nästkommande studien undersöks det hur eleverna förstår

sambandet mellan kraften och ett objekts massa och acceleration. Gunstone (1987) undersöker även hur väl eleverna kan isolera krafterna och frilägga objekten.

I Gunstones (1987) studie ställs en fråga om vilka krafter som agerar på en pendel. På denna fråga svarar 78,9% av studenterna rätt, de skriver ut tyngdkraften samt spännkraften från snöret. Det näst vanligaste svaret som ges är en variant av det korrekta, 17,8% av studenterna anger detta. De skriver ut spännkraften och tyngdkraften, men de skriver även ut en kraft i den riktning som pendeln rör sig. Resterande svar tar ej med spännkraften. Nästa fråga som Gunstone (1987) ställer behandlar också detta avsnitt. Den handlar om en boll och en kub som är sammankopplade med ett snöre som går över en talja. De båda objekten hänger med lika stort avstånd till marken och

befinner sig i jämvikt. Sedan förflyttas kuben nedåt så att bollen dras uppåt. Studenterna ska efter detta förutsäga vad som kommer hända i systemet. 45,8% av studenterna svarade att kuben inte kommer att röra sig då inte någon kraft kommer att verka på den. Det näst mest populära svaret var att kuben skulle röra sig uppåt och bollen neråt och utgå till den första positionen, för att de var jämviktspositionen. Detta svar angavs av 25,9% av eleverna. Det tredje mest populära svaret angavs av 18% av studenterna. Det svaret var att kuben skulle fortsätta röra sig nedåt för att

gravitationskraften var större på kuben vid den lägre nivån. 10% av eleverna svarade att kuben skulle röra sig uppåt till jämviktspositionen för att det bevarade den potentiella energin. Resterande svar var kombinationer av alternativ eller inget svar alls. Gunstones (1987) sista fråga här tycks visa på att elever har viss utmaning med att skilja på vad deras intuition säger och vad Newtons andra lag förutsäger. Stylos m.fl. (2008) undersöker hur väl eleverna förstår sambandet som Newtons andra lag förutsäger.

Stylos m.fl. (2008) undersöker Newtons andra lag med några frågor. Den första handlar om en man som applicerar en konstant horisontell kraft på en tom skottkärra. Precis då mannen börjar att putta på skottkärran börjar det att regna som gör att skottkärran sakta fylls med vatten. Studenterna ska anta att friktionen försummas. 71% av studenterna svarade då att skottkärrans acceleration minskade hela tiden. 15% av studenterna menade att accelerationen var konstant medan 14% menade att skottkärran rörde sig med en konstant hastighet. Stylos m.fl. (2008) andra fråga handlar om två kroppar som liknar varandra, som ligger på en jämn, översatt från smooth, horisontell yta, den ena ligger på jorden och den andra på månen. Frågan undrar då vilken kraft som behövs för att båda kropparna ska få lika stor horisontell acceleration. 56% av svaren sa att kroppen på jorden skulle behöva större kraft för att accelereras lika mycket som kroppen på månen. Att de behövde lika stor kraft angavs av 27% medan 17% menade att kroppen på månen behövde störst kraft. En relaterad fråga som ställdes var att samma sten vägdes på jorden och på månen.

(20)

studenterna att stenen vägde mest på jorden, 5% svarade att den vägde mest på månen, och 3% svarade att den vägde lika mycket.

På frågan efter fortsattätter Stylos m.fl. (2008) att undersöka ifall studenterna kunde skilja på massa och vikt. Frågan som ställdes handlade om två olika stenar. Den ena vägdes på jorden och den andra på månen men de väger lika mycket. Studenterna skulle då svara på vilken av stenarna som har störst massa. 79% av eleverna svarade att stenen på månen har störst massa, 11% att stenen på jorden hade en större massa, medan 10% svarade att de hade lika stora massor. Deras sista fråga undersöker då en kub och en hink med samma massa är sammanknutna med ett snöre som går över en talja som är friktionsfri och saknar massa. Dessa två objekt hänger i en jämvikt. Bilden som de refererar visar att kuben hänger något lägre än hinken. Studenterna ska då svara på vilket objekt som har störst vikt. 41% av eleverna svarade att båda väger lika mycket, 41% svarade att kuben väger mest och 18% svarade att hinken vägde mest. Eleverna tycks ha utmaningar på att skilja mellan ett objekts massa och dess vikt i vissa fall. En fråga i Stylos m.fl. (2008) studie betraktar en golfboll som flyger genom luften. Studenterna ska där avgöra vilka krafter som verkar på

golfbollen. De kan välja en av flera av dessa alternativ, gravitationen, B, krafter från slaget av klubban, F, samt kraften av luftmotståndet T. 42% av studenterna angav att bollen påverkades av krafterna B, F och T, 30% angav att bollen påverkades av B och T, 14% angav B och F 11% F och T samt 3% som angav enbart B. Vissa elever tycks likt den tidigare frågan med pendeln vilja sätta en kraft i bollens färdriktning. Galili och Bar (1992) försöker att isolera just frågan om var krafterna finns.

Galili och Bar (1992) undersöker tre frågor som de anser vara igenkännliga för eleverna. I de två första frågorna i deras studie ska eleverna bortse från all sorts friktion. Den första frågan betraktar en kastad kropp där eleverna ska skriva ut krafterna på den Det är enbart 16-åringarna svarar på denna fråga. Här svarar 79% av 16-åringarna korrekt, 8% svarade att det fanns en framåtdrivande kraft. 15% av 16-åringarna svarade att det inte fanns några krafter på toppen av kastparabeln för kroppen. Galili och Bars (1992) andra fråga handlade om att eleverna skulle skriva ut de krafter som verkar på en pendel som svänger. På denna fråga svarade 92% av 16-åringarna korrekt och 8% lämnade inget svar. På deras tredje fråga skulle en boll som rullar på en slät yta beskrivas med hjälp av förklaringar av vilka krafter som verkar på den. På denna fråga svarade samtliga åldersgrupper. Ett korrekt svar gavs av 24% av 15-åringarna, 84,5% av 16-åringarna, 69% av 18-åringarna. Att det fanns en framåtdrivande kraft angavs av 36% 15-åringarna, 11% av 16-åringarna och 18% av 18-åringarna. Ett icke-fullständigt svar eller inget svar gavs av 40% av 15-åringarna, 4,5% av 16-åringarna och 13% av 18-16-åringarna. Eleverna verkar till viss del ha utmaningar kring förklaringen till krafterna på en rullande boll. Hestenes och Wells (1992) undersöker detta vidare till viss del i deras studie.

Hestenes och Wells (1992) undersöker elevers förståelse av Newtons andra lag i 7 olika frågor. Deras första fråga som undersöker detta är nummer tre i deras rapport. I denna uppgift ska eleverna besvara vilken graf som har tid på x-axeln och kraft på y-axeln som motsvarar en hastighetsökning i en annan graf. Här svarade 34,4% av eleverna rätt. Fråga nummer 8 handlar om en metallcylinder som vilar på en roterande skiva. Eleverna skulle då svara på vilka vektorer som bäst motsvarar de krafter som verkar på cylindern. De tre olika vektorerna hade storheterna kraft, hastighet och acceleration. 27,7% av eleverna svarade korrekt på den här frågan. Den följande frågan ger metallcylindern en massa, skivan en friktionskoefficient och metallcylindern får ett avstånd från skivans mittpunkt. Eleverna får sedan frågan om vad den maximala hastigheten som metallcylindern kan färdas med innan den åker av. På den här frågan svarade 21,2% av eleverna rätt.

I den 12e frågan som Hestenes och Wells (1992) ställer ska eleverna svara på hur stor spännkraften är i ett rep vid en punkt y. Frågan refererar till en figur där en människa svänger i ett 5m långt snöre. Där personen börjar sin färd sitter hen 1m ovanför referenspunkten och eleverna ska då svara på spännkraften vid y. Där y är den lägsta punkten som personen når. Här svarade 12,7% av

(21)

om en kvinna som åker i en hiss som färdas uppåt i ett hus. När hissen närmar sig våningen som kvinnan ska till sker en negativ acceleration. Frågan som ställs är då vad den genomsnittliga kraften som hissens golv påverkar kvinnan med. Här svarade 16,5% av eleverna rätt. De två sista frågorna som behandlar Newtons andra lag undersöker hur väl eleverna förstår då det finns ett

massberoende.

Hestenes och Wells (1992) 17e fråga handlar om en bil som har en viss acceleration. Frågan handlar då om vad bilens acceleration blir om den skulle bärga en bil som väger dubbelt så mycket jämfört med bilen som bärgar den. På den här frågan svarade 28,5% av eleverna korrekt. Den sista frågan handlar om två puckar som ligger på ett bord. Den ena pucken väger 4 gånger så mycket som den andra pucken. De båda puckarna ligger en viss längd från en mållinje. Båda puckarna knuffas på med var sin lika stor kraft. Frågan handlar då om vilken av puckarna som kommer fram till mållinjen först. Andelen elever som svarade rätt var 63,7%. Även Clement (1981) undersöker elevernas förståelse av krafter som verkar på ett objekt i rörelse. Frågan som studenterna får är att de ska svara på vilka krafter som verkar på ett mynt som kastas rakt upp i luften. Denna fråga är vald enligt Clement för att isolera var utmaningen ligger i krafter. Till skillnad från frågan med en pendel som Gunstone (1987) undersöker. På denna fråga svarade 12% av de tillfrågade korrekt. Det redovisas ej vilka fel som de som svarade fel på frågan gjorde. Det som redovisas är att det typiska felaktiga svaret har en uppåtriktad kraft. Det tycks finnas en stor utmaning för eleverna då det kommer till krafter på massor. Kruatong (2011) undersöker detta i sin studie i en av hennes frågor, detta presenteras i nästa stycke.

Fem av frågorna i Kruatongs (2011) studie handlar om Newtons andra lag, dessa är 1, 2, 3, 13 och 14. Den första frågan handlar om en golfare som slår en boll horisontellt. Eleverna ska här

identifiera riktningen och magnituden på hastigheten, accelerationen och vilka krafter som verkar på golfbollen då den rullar. Här svarar 0,8% av eleverna rätt med högt förtroende, 13,8% svarar rätt med lågt förtroende, 17,1% svarar fel med högt förtroende och 68,3% svarar fel med lågt förtroende. Andra frågan handlar om en fotboll som blivit sparkat vertikalt uppåt. Likt

föregående fråga ska de identifiera riktningen och magnituden på hastigheten, accelerationen och vilka krafter som verkar på fotbollen då den är på väg uppåt. 3,3% svar här rätt med högt förtroende, 19,2% svarar rätt med lågt förtroende, 12,5% svarar fel med högt förtroende och 65% svarar fel med lågt förtroende. Tredje frågan är identisk med fråga två, förutom att bollen är på väg neråt i detta fall. Här svarar 17,9% svarar rätt med högt förtroende, 55% svarar rätt med lågt förtroende, 5% svarar fel med högt förtroende och 22,1% svarar rätt med lågt förtroende. Fråga 13 handlar om två block med olika vikt som glider längs en friktionsfri ramp. I botten av rampen finns en streckad linje. Eleverna ska här svara på vilket block som passerar den streckade linjen först. Eleverna svarade då att 12,1% svarade rätt med högt förtroende, 12,9% svarade rätt med lågt förtroende, 20% svarar fel med lågt förtroende och 55% svarar fel med lågt förtroende. Fråga 14 är en följdfråga, de frågar då vilket av blocken som har störst rörelsemängd, 17,5% svarar då rätt med högt förtroende, 47,1% svarar rätt med låt förtroende, 2,1% svarar fel med högt

förtroende och 33,3% svarar fel med lågt förtroende.

5.4.3 Newtons tredje lag

En av frågorna i Sadanand och Kess (1990) studie handlar om vad som orsakar att en kvinna knuffas bakåt då hon knuffar mot en vägg. Totalt svarade 49% av eleverna adekvat. Att det var väggens motriktade kraft som verkade på kvinnan vilket gjorde att hon knuffades bakåt. Av de som svarade fel svarade ungefär hälften att det var kvinnans kraft på väggen som verkade på henne så att hon knuffades bakåt. Författarna uppmärksammar att frågan kan ha varit för vilseledande att svaret är korrekt genom orsaken. De menar att frågan bör formuleras om så att det tydliga

orsakssambandet tas bort. Med författarnas åsikter bör nog inte detta resultat låtas ta för stor del, men även Stylos m.fl. (2008) har undersökt Newtons tredje lag. Deras frågor är tydligare och de själva anser ej att det finns risk att deras frågor blir misstolkade.

(22)

Tre av frågorna i Stylos m.fl. (2008) handlar om Newtons tredje lag. Den första frågan som Stylos m.fl. (2008) ställer under detta avsnitt behandlar en kastrull som står på ett bord. Den visar en kraft som är riktad nedåt. De frågar då om vad kraften som motverkar denna är. På detta svarar 86% av studenterna att den motverkande kraften är från bordet till kastrullen, 10% säger att det är vikten av kastrullen, och 4% menar att det är kraften mellan jorden och kastrullen. Frågan efter handlar om en låda som hänger i ett snöre. På bilden finns en kraft som motsvarar lådans vikt som är riktad nedåt. Frågan för studenterna är då att säga vad den motverkande kraften på lådans vikt är. 59% av studenterna menar då att kraften mellan snöret och lådan är den motverkande kraften, 21% svarar att det är mellan lådan och snöret, 16% svarar att det är mellan lådan och jorden, samt 4% som menar att det är mellan taket som snöret sitter fast i och snöret. Stylos m.fl. (2008) tredje fråga handlar om att ifall man står på en våg och man drar i ens skosnören. Då undrar de vad vågen kommer att visa. 42% av studenterna menade att vågen kommer visa samma vikt, 31% svara att vågen kommer indikera en lägre vikt, medan 27% svarar att vågen kommer att indikera en större vikt. Från elevernas svar i denna studie tycks det som att ju mindre direkt kraften är, desto svårare blir det att säga vad den motriktade kraften blir. Hestenes och Wells (1992) undersöker även de elevers utmaningar kring Newtons tredje lag. Men i flera av deras frågor är det någon rörelse som eleverna behöver ta hänsyn till. Till skillnad från Stylos m.fl. (2008) då det generellt är stillastående tillstånd eleverna behöver ta hänsyn till.

Hestenes och Wells (1992) studie undersöker Newtons tredje lag med tre olika frågor. Den första frågan handlar om en person som svänger sig i ett rep. Personen börjar sitt svängande ett visst avstånd ovanför marken och frågan som ställs är hur stor spännkraften är i repet är då personen befinner sig i det lägsta läget den kan befinna sig i. Här har 12,7% av eleverna rätt. Den följande frågan som undersöker Newtons tredje lag handlar om två block, block 1 och block 2. Block 1 hänger ihop med block 2 med ett rep, rep 1, och block 2 hänger i något som ej är representerat med rep 2. Frågan som ställs är vad kraften som rep 1 utövar på block 1 då blocken åker uppåt med en konstant hastighet. På denna fråga svarade 35,0% av eleverna korrekt. Frågan som följer direkt efter betraktar samma system som beskrevs vid förra frågan, men frågan som ställs är med vilken kraft som rep 1 drar i block 2, men när systemet ej rör sig. På den här frågan ökar elevernas andel rätt och har stigit till 55%. Kruatong (2011) undersöker en liknande fråga i sin studie. Eleverna ska svara på vilket påstående som stämmer gällande spännkraften i snörena i två olika figurer. På den här frågan svarar 14,6% rätt med högt förtroende, 20% svarar rätt med lågt förtroende, 17,1% svarar fel högt förtroende och 48,3% svarar fel med lågt förtroende. Gunstone (1987) undersöker Newtons tredje på ett sätt som skiljer sig från de andra. Men han undersöker det enbart med en fråga.

Den frågan som Gunstone (1987) ställer handlar om en stålboll som släpps från höjd. Stålbollen kommer i kontakt och studsar ifrån ett bord som är stålbeklätt. Bollen är i kontakt med bordet under 0,01s och förlorar endast väldigt lite kinetisk energi. Frågan som studenterna skulle svara på var att välja det påstående som bäst stämde överens för att beskriva den genomsnittliga kraften på bollen under kollisionen. På denna fråga var svaren relativt jämt fördelade. 28% av eleverna valde det korrekta alternativet, att kraften bollen utsattes för var större än tyngdkraften. Att kraften som bollen utsattes för var något lägre än tyngdkraften, då kollisionen ej var helt elastiskt var det svaret näst flest studenter valde, 25,3% av dem valde detta. Det tredje mest populära svaret, något som 23,5% av studenterna gav var att kraften är större än den som bollen utsätter bordet för annars skulle den inte studsa. 22,7% av studenterna valde att kraften var lika med tyngdkraften. Resterande svar var kombinationer av alternativ eller ej något svar givet. Likt Gunstone undersöker de flesta studierna som tas upp här tidigare om eleverna har rätt eller inte. Nästa studie som tas upp undersöker vilka utmaningar elever har kring krafter.

Studien som Brown (1989) genomfört skiljer sig från de andra studierna då han undersöker till stor del vilken uppfattning av krafter som studenter har. Han undersöker även hur stor del av eleverna som kan förutsäga resultatet korrekt med hjälp av Newtons tredje lag. Brown (1989) utformade sex frågor som studenterna fick svara på. Det kommer att redovisas resultatet först av de svar som är