Vardagsföreställningar i gymnasieskolan

(1)

Examensarbete

15 högskolepoäng, avancerad nivå

– värme och temperatur

Lay conceptions in the upper secondary school

– heat and temperature

Ellinor Andersson

Kompletterande pedagogisk utbildning, 90

högskolepoäng Handledare: Ange handledare

2014-01-17 Examinator: Björn Lundgren

Handledare: Lisbeth Amhag

(2)

(3)

3

Sammanfattning

I detta examensarbete undersöktes vardagsföreställningar i värme och temperatur som existerar bland gymnasieelever på det naturvetenskapliga programmet på en skola i södra Sverige. Syftet var också att undersöka eventuella skillnader i dessa vardagsföreställningar mellan de tre årskurserna. Undersökningen har skett med hjälp av en enkät i vilken nio fysikproblem med svarsalternativ besvarades av eleverna. Svarsalternativen bestod av det korrekta vetenskapliga svaret samt vanliga vardagsföreställningar från tidigare forskning. Analysen visar att det till största delen är samma vardagsföreställningar som existerar i de tre årskurserna, men att vardagsföreställningarna förekommer i olika hög grad.

Nyckelord: fysik, gymnasieelever, sociokulturellt perspektiv, specifik värmekapacitet, temperatur, termisk jämvikt, vardagsföreställning, värme, värmeledningsförmåga.

(4)

(5)

5

Förord

Jag vill tacka min handledare Lisbeth Amhag för alla tips och råd under examensarbetets gång. Tack också till de lärare som lånade ut sina klasser till mig och såklart ett stort tack till eleverna. Utan er alla hade examensarbetet inte gått att genomföra.

(6)

(7)

7

Innehållsförteckning

Sammanfattning ... 3

Förord ... 5

Inledning ... 9

Syfte och frågeställningar ... 11

Litteraturgenomgång ... 12

Begrepp ... 12

Definition av vardagsföreställning ... 12

Definition av fysikaliska begrepp ... 12

Elevers föreställningar om värme och temperatur ... 13

Vardag möter vetenskap ... 15

Teoretisk ram ... 15

Metod och genomförande ... 18

Val av metod ... 18

Genomförande - konstruktion av fysikproblem... 19

Fysikproblem 1 ... 20 Fysikproblem 2 ... 20 Fysikproblem 3 ... 21 Fysikproblem 4 ... 21 Fysikproblem 5 ... 22 Fysikproblem 6 ... 22 Fysikproblem 7 ... 23 Fysikproblem 8 ... 23 Fysikproblem 9 ... 24 Urval ... 24

Reliabilitet och validitet... 25

Tillvägagångssätt i analysen ... 25

Resultat och analys ... 26

Årskurs 1... 26

Fysikproblem 1, 5 och 8 – termisk jämvikt ... 26

Fysikproblem 2, 3 och 7 – specifik värmekapacitet/värmeledningsförmåga ... 27

Fysikproblem 4, 6 och 9 – begreppsförståelse ... 27

(8)

8

Årskurs 2... 28

Kort sammanfattning ... 30

Årskurs 3... 30

Kort sammanfattning ... 32

Jämförelse mellan årskurserna... 32

Jämförelse av svarsfördelning ... 32

Förändring av vardagsföreställningar ... 34

Diskussion och slutsats ... 35

Analys och litteratur ... 35

Vad hade kunnat göras annorlunda? ... 36

Framåtblick ... 37

Referenser ... 38

(9)

9

Inledning

Ett citat från Skolverkets läroplan för fysik i gymnasieskolan får inleda detta examensarbete:

”Undervisningen i ämnet fysik ska syfta till att eleverna utvecklar kunskaper om fysikens begrepp, teorier, modeller och arbetsmetoder. […] Genom undervisningen ska eleverna ges möjlighet att utveckla ett naturvetenskapligt perspektiv på vår omvärld” (Skolverket, 2011).

Citatet upplyser om att fysikundervisningen på gymnasiet bland annat ska lära eleverna att använda fysikens begrepp och teorier när de tolkar det som sker runt omkring dem. Ett naturvetenskapligt perspektiv ska förmedlas till eleverna. Om detta sker eller inte är något som kan diskuteras. Den senaste TIMSS-undersökningen från 2008 visar på hur svenska elevers kunskaper i fysik har försämrats sedan den tidigare undersökningen från 1995 (Skolverket, 2009, s.51). TIMSS testar elevernas kunskap i olika områden inom fysik men också kognitiva förmågor som de kallar veta, tillämpa och resonera. Veta handlar om basal faktakunskap, tillämpa är en förmåga där eleven förväntas kunna använda sitt vetande i problemlösning och resonera innebär att eleven ska kunna klara av mer avancerad problemlösning, exempelvis nya situationer eller problemlösning i flera steg (Skolverket, 2009, s.15). Resultatet från TIMSS-undersökningen skulle därför kunna användas som ett mått på huruvida syftet med fysikundervisningen uppfylls eller inte.

Detta examensarbete kommer att handla om gymnasieelevers vardagsföreställningar om värme och temperatur. Vardagsföreställningar är något som förmodligen finns hos oss alla, oavsett om vi tänker på det eller ej. Att de gör det är egentligen inte så konstigt, då vi i vårt vardagliga språk hela tiden använder oss av ord och uttryck som ur ett vetenskapligt perspektiv skulle tolkas som felaktigt. – Vad den här tröjan värmer skönt!

– Stäng dörren så inte kylan kommer in! är exempel på vanliga vardagliga

formuleringar som vi alla kan förstå men som ur en fysikers perspektiv skulle vara felaktiga (även om fysikern förmodligen använder dessa uttryck själv). Att säga – Vad

den här tröjan isolerar bra! och – Stäng dörren så att det inte uppstår en temperaturutjämning! vore mer fysikaliskt korrekt.

För att återgå till det inledande citatet väcks kanske en del frågor. Har eleverna fått möjligheten att utveckla ett naturvetenskapligt perspektiv på sin omgivning? Eller lever vardagsföreställningarna kvar efter undervisning? Enligt TIMSS-undersökningen från

(10)

10

2008 (Skolverket, 2009, s.51) och den senaste PISA-undersökningen från 2012 (Skolverket, 2013, s.14) är svaret på första frågan nej, då de svenska elevernas resultat försämrats i de naturvetenskapliga ämnena.

Mitt eget intresse för elevers vardagsföreställningar inom fysik väcktes under en didaktikkurs i naturvetenskap på lärarutbildningen. I kursen insåg jag att det finns flera olika sätt att tänka kring och försöka förstå fysikämnet, och att en viktig utgångspunkt för undervisning är att läraren försöker se vilka tankar som eleverna har om ämnet i fråga. Enligt Andersson (2008, s.26) är en av lärarens stora uppgifter, att i sin undervisning förmedla ett samspel mellan vardagstänkande och vetenskapligt tänkande. Först då har eleven chans att uppnå riktig förståelse.

(11)

11

Syfte och frågeställningar

Syftet med detta examensarbete är att undersöka vilka vardagsföreställningar som finns inom området värme och temperatur hos gymnasieelever i samtliga årskurser vid det naturvetenskapliga programmet. Syftet är också att undersöka eventuella skillnader i dessa vardagsföreställningar mellan de tre årskurserna. Följande frågeställningar ska försöka besvaras:

 Vilka vardagsföreställningar om värme och temperatur har elever i årskurs 1, 2 och 3 på gymnasiets naturvetenskapliga program?

 På vilket sätt sker en utveckling av elevernas vardagsföreställningar om värme och temperatur mellan de olika årskurserna och i så fall i vilken omfattning?

(12)

12

Litteraturgenomgång

En hel del forskning har gjorts om vardagsföreställningar inom naturvetenskapen. Denna litteraturgenomgång syftar till att, genom ett urval av tidigare forskning, ge en bakgrund i ämnet. Inledningsvis kommer en del begrepp definieras och därefter redovisas tidigare forskning relevant för vardagsföreställningar inom fysik gällande värme och temperatur. Som en avslutning kommer den teoretiska ramen att presenteras.

Begrepp

För att få en tydlig bild av begreppet vardagsföreställning kommer jag inledningsvis att definiera och belysa det med några exempel. En del fysikaliska begrepp bör också definieras, nämligen värme, temperatur, termisk jämvikt, specifik värmekapacitet och värmeledningsförmåga.

Definition av vardagsföreställning

Sjöberg (2010, s.394) talar om vardagsföreställningar så som barns och vuxnas föreställningar om ett visst fenomen. Dessa vardagsföreställningar skiljer sig från vetenskapens beskrivning av fenomenet i fråga. Björn Andersson som forskat mycket om elevers vardagsföreställningar, ger samma definition (Andersson, 2008, s.20). Exempel på vanliga vardagsföreställningar inom fysik är (Andersson, 2008, s.245ff.):

Definition av fysikaliska begrepp

I University Physics (Benson, 1996, s.382) definieras värme som den energi som överförs mellan två kroppar på grund av en temperaturskillnad mellan dessa. Benson påpekar att energin i form av värme upphör att existera när energiöverföringen har avstannat och termisk jämvikt uppnåtts. Detta innebär att en temperaturutjämning har skett. Det är alltså bara när energin överförs som begreppet värme kan användas. Att säga att något innehåller värme är alltså inte korrekt. En kropp kan däremot innehålla inre energi, som är summan av kinetisk och potentiell energi hos molekylerna i ämnet

Vardagsföreställning Vetenskaplig förklaring

Seende uppstår genom att ögat sänder ut blickar

Seende uppstår genom att ljus kommer in i ögat

Värme är materia Värme är energi i överföring

Energi förbrukas Energi kan ej förbrukas, utan endast

omvandlas mellan olika former

(13)

13

(Benson, 1996, s.386). Vidare definierar Benson (1996, s.404) temperatur som den genomsnittliga translationskinetiska energin hos molekylerna i ett ämne. Viktigt att nämna är det att temperatur är en intensiv storhet, vilket innebär att temperatur inte är beroende av mängden materia i systemet. Blandas en liter vatten av temperaturen 20oC med en liter vatten av samma temperatur är blandningens temperatur 20oC, och inte 40oC som hade varit fallet om temperatur inte varit en intensiv storhet.

Benson ger ingen tydlig definition av specifik värmekapacitet, utan här får Hewitts (2009, s.295) definition träda fram: ”The specific heat capacity of any substance is defined as the quantity of heat required to change the temperature of a unit mass of the substance by one degree.”. Ett ämnes specifika värmekapacitet kan med mer vardagliga ord sägas beskriva ett ämnes motstånd att ändra temperatur (Hewitt, 2009, s.295).

Det sista begreppet som behöver ges en definition är värmeledningsförmåga. Värmeledningsförmåga handlar om hur väl ett ämne leder värme. Vilken grad av värmeledningsförmåga ett ämne har beror på strukturen av ämnet (Hewitt, 2009, s.306). Ett ämne med många löst bundna elektroner leder värme bättre än ett ämne med få löst bundna elektroner.

Elevers föreställningar om värme och temperatur

I Sverige är det forskaren Björn Andersson (2003) som tillsammans med kollegor ligger bakom stora delar av forskningen om vardagsföreställningar inom fysik. Ett stort projekt, NORDLAB, genomfördes 2003 i samarbete med de övriga nordiska länderna Norge, Danmark, Island och Finland. Projektets syfte var att utveckla redskap för lärare som undervisar i naturvetenskap. Dessa redskap grundar sig i ämnesdidaktisk forskning och är avsedda att förbättra och utveckla lärarnas undervisning (2003, s.8).

Varje deltagande land ansvarade för ett delprojekt. Endast den svenska delen av projektet gås närmare in på i denna litteraturgenomgång, då det endast är den som rör vardagsföreställningar. De svenska forskarna stod för forskning om hur elever tänker kring naturvetenskap, och också deras möjligheter att förstå naturvetenskap. Utöver detta var målet också att undersöka hur denna forskning kan användas i undervisning. Den svenska delen av projektet resulterade i 23 stycken så kallade workshops inom olika områden som ingår i naturvetenskaplig undervisning. Ett av dessa områden var värme och temperatur. Forskarna har i sitt arbete sett tendenser till sju aspekter som finns bland elevers vardagsföreställningar om värme och temperatur (Andersson et. al., 2003, s.124):

(14)

14

 Värme är av materiell natur (värme är luftliknande, ett fluidum, ett ”kvasimateriellt” ämne, ibland i form av värmepartiklar).

 Kyla är också av materiell natur.

 Kyla är värmets motsats. Båda kan finnas i ett föremål, och kan neutralisera varandra.

 Värme är lätt och tenderar att stiga uppåt, kyla är tungt och tenderar att sjunka nedåt.

 Temperatur och värme tenderar att uppfattas som odifferentierade. Temperatur kan uppfattas som ett mått på mängden värme (eller kyla) i ett föremål.

 Elevernas förklaringar av termiska fenomen beror av vilka egenskaper de tillskriver ingående föremål och material (järn kan t.ex. uppfattas som tätt och därmed en dålig värmeledare).

 I sina förklaringar fokuserar eleven ofta ett delsystem och dess uppfattade egenskaper, snarare än växelverkan mellan två eller flera delsystem (exempelvis uppfattas temperatur som en inneboende egenskap hos ett föremål, och inte som ett resultat av ett termiskt jämviktsförlopp).

Det finns alltså en bild över vilka vardagsföreställningar elever har om värme och temperatur.

I en annan studie av Harrison, Grayson och Treagust (1999) har fem elevers föreställningar om värme och temperatur och hur dessa kan förändras genom undervisning undersökts. I deras resultat nämner de, precis som i listan ovan, att elever ofta har svårt att skilja på begreppen värme och temperatur. Det framkommer också att vardagsföreställningarna är svåra att ändra på och att eleverna tenderar att vid undervisning ta till sig den vetenskapliga förklaringen, för att efter undervisning gå tillbaka till sina egna föreställningar (s.82). Att vardagsföreställningar är något som är svårföränderligt lyfter också Andersson (2008, s.20) och Sjöberg (2010, s.397) fram. Sjöberg menar att föreställningar ofta är hårt förankrade hos eleverna och att några timmars undervisning eller att läraren säger att vardagsföreställningarna är fel, inte är något som kommer få elever att ändra uppfattning.

(15)

15

Vardag möter vetenskap

Att vardagsföreställningar existerar har visat sig historiskt. En tillbakablick på hur just läran om värme och temperatur har sett ut ger en möjlig förklaring till varför elever ofta pratar om värme som något materiellt (Sjöberg, 2010, s.403). Under 1700-talet var den vetenskapliga uppfattningen att värme var en osynlig vätska. Den kallades kalorik. (Benson, 1996, s.377). Värme ansågs alltså vara en sorts materia. I och med detta menar Sjöberg att det finns en tydlig förklaring till uttryck som Släpp inte ut värmen!. De förekommer helt enkelt på grund av den historiska kalorik-teorin. Att uttryck, som ur ett vetenskapligt perspektiv anses felaktiga, används i vardagen är alltså ganska naturligt sett till deras ursprung. Det som blir lärarens uppgift i undervisningen är, enligt Andersson (2008, s.26), att få till en växelverkan mellan tänkandet i vardagen och i vetenskapen. Han tänker sig att en sådan växelverkan skulle ge eleverna en djupare förståelse för de vetenskapliga begreppen och att elevernas vardagsföreställningar utmanas och förhoppningsvis utvecklas. Ett exempel skulle kunna vara att när undervisningen i skolan behandlar specifik värmekapacitet, så bör eleverna uppmanas i att fundera på varför potatismoset inte svalnar lika fort som köttbiten när de sitter hemma och äter kvällsmat. En liknande idé om vardag och vetenskap har Harrison et. al. (1999, s.82). De menar att för att ge goda förutsättningar för lärande i naturvetenskap, så bör vetenskapens sociala konstruktion gå som en röd tråd genom undervisningen. Naturvetenskapen är människans sätt att, med hjälp av modeller skapade av människan, beskriva omvärlden så som den ter sig.

Teoretisk ram

Den teoretiska ramen för detta examensarbete kommer att utgå från det sociokulturella perspektivet på lärande. Att detta är relevant motiverar jag med att i den forskning som presenterats ovan görs kopplingar mellan elevernas föreställningar och deras vardag, alltså samhället de lever i. Enligt det sociokulturella perspektivet, med Vygotskij som grundare, handlar lärande och utveckling om individens relationer till hennes omvärld både med avseende på den kultur som hon befinner sig i och de människor som finns där. Relationerna förmedlas med hjälp av språket, som därför är en essentiell del av det sociokulturella perspektivet (Säljö, 2011, s.164). Till sin hjälp att förstå omvärlden använder sig människan av något som Vygotskij kallade medierande (förmedlande) redskap. Dessa redskap kan vara både fysiska och intellektuella, och vara allt från pennan du skriver med till själva språket. Vygotskij beskriver de fysiska redskapen,

(16)

16

också kallade verktyg, som något människan använder vid praktiskt arbete. De

intellektuella redskapen, också kallade tecken, utnyttjas vid tänkande när människan vill förstå något (Vygotskij, 1978, s.55). Ett begrepp som också bör lyftas fram är

internalisering, som beskriver det sätt på vilket människan lär sig. I det sociokulturella perspektivet sker lärande ”utifrån och in”, genom att människan först ser processer utifrån (hos andra människor) för att sedan med hjälp av tecken göra dem till inre processer hos sig själv (Vygotskij, 1978, s.56 ff.).

Hur språket som medierande redskap har utvecklats genom historien är något som Säljö (2010, s.81) ger en översikt på. Det som kan lyftas fram till detta examensarbete är det sociokulturella perspektivet om hur språket i många fall kommer före individen och hennes tänkande. Det språk vi använder idag, och de kunskaper och färdigheter vi besitter, påverkas, vilket det sociokulturella perspektivet försöker lyfta fram, av tidigare generationer (Säljö, 2010, s.81). Den vanligt förekommande vardagsföreställningen om att värme är något materiellt kan ha att göra med att den historiska kalorik-teorin (som just ansåg att värme var ett ting) lever kvar i det vardagliga språket. Det är dock viktigt att påpeka, att ”språket föregår individen” ofta rör sig om vardagsbegrepp (exempelvis bil, traktor, cykel), medan vetenskapliga begrepp ofta är något som presenteras i

exempelvis skolan (Säljö, 2011, s.169). Säljö (2010, s.45) menar att lära sig definitioner och att verkligen behärska begrepp som introduceras på detta sätt, kan ta lång tid och kräver ibland långa utbildningar. Liknande tankar har Vygotskij, som menar att begreppsutveckling är en process som börjar i en elementär generalisering till mer avancerade sådana (Vygotskij, 1999, s.256).

Bråten (1998, s.14ff.) menar att språket i sociala aktiviteter medierar tänkande hos individen. Barns utveckling av begrepp grundar sig i när deras vardagsbegrepp stöter på de vetenskapliga begreppen. De vetenskapliga begreppen kräver vardagsbegrepp att bygga vidare på, samtidigt som vardagsbegreppen utvecklas till mer strukturerade och medvetna begrepp i detta möte.

I det sociokulturella perspektivet riktas intresset inte bara mot språkets betydelse, utan också mot hur människan approprierar, det vill säga bemästrar olika kunskaper och färdigheter och gör dem till sina egna (Säljö, 2010, s. 66). Säljö lyfter fram att lärande är situationsbundet och menar på att en person som har svårt att exempelvis ensam lösa räkneuppgifter i matematik kan vara väldigt duktig på grupparbete i svenska (ibid.).

Något som inte bör utelämnas i en teoretisk ram om det sociokulturella perspektivet är den närmaste utvecklingszonen (the zone of proximal developement) som betecknar

(17)

17

avståndet mellan det som en person kan klara av på egen hand och det som den kan klara med hjälp av andra (Vygotskij, 1978, s.86). I skolans värld brukar dessa ”andra” vara främst lärare, men också elever som ligger längre fram i lärandet.

(18)

18

Metod och genomförande

Detta examensarbete består av en studie där 100 elever på det naturvetenskapliga programmet på en skola i södra Sverige får ta ställning till olika fysikproblem. Årskurs 1 består av 29 elever, årskurs 2 av 32 elever och årskurs 3 består av 39 elever. Eleverna valdes ut genom kontakt med praktikskolan.

Val av metod

För att undersöka elevernas vardagsföreställningar konstruerades nio fysikproblem som eleverna fick besvara under lektionstid i form av en enkät (se bilaga 1). Enligt Bryman (2012, s.233 ff.) har enkäten flera fördelar jämfört med en intervju. En av dessa är att genomförandet av enkäter tar kortare tid i anspråk, jämfört med om samma antal personer skulle intervjuats. Med tanke på tidsbegränsningen i detta examensarbete och syftet att jämföra årskurser sinsemellan, bedömdes intervju vara alltför tidskrävande och enkät valdes därför som metod. Bryman (ibid.) ger flera tips när det kommer till skapandet av en enkät:

 Tydlig formulerade frågor som är lätta att svara på

 Frågor som är av intresse för de svarande

 Få öppna frågor

Det som ofta kan vara ofördelaktigt vid användande av enkät är exempelvis frånvarande enkätkonstruktör som därmed inte kan svara på eventuella frågor (jämför intervju där en direkt dialog finns), ingen möjlighet för konstruktören att be om mer utvecklade svar och svårighet att ställa många frågor (Bryman, 2012, s.234ff.).

Inför undersökningen blev eleverna informerade om syftet med examensarbetet och att det var av stor vikt att de besvarade fysikproblemen enskilt. De upplystes också om att undersökningen var helt anonym. Bryman (2012, s.236) menar att detta är viktigt för att minska svarsbortfallet, som i enkätundersökningar kan bli stort (i jämförelse med intervjuer). I detta examensarbete är svarsbortfall på grund av ignorering av enkäten dock inget som inträffade då jag själv delade ut och samlade in enkäterna när de var besvarade (att besvara enkäten var dock frivilligt, men alla elever valde att ställa upp). Det är ändå viktigt att tydligt presentera syftet och belysa anonymiteten då detta kan ha avgörande effekt på hur mycket eleverna anstränger sig att svara på frågorna som ställs.

(19)

19

För att försöka minska eventuella missuppfattningar vid besvarandet av enkäten fanns jag tillgänglig under hela tiden som enkäterna besvarades. Eleverna fick ta den tid de behövde för att besvara enkäten.

Genomförande - konstruktion av fysikproblem

De nio fysikproblemen i enkäten konstruerades med syftet att undersöka elevernas vardagsföreställningar. Till varje problem finns tre eller fyra svarsalternativ, vilka består av vanliga (utifrån tidigare forskning) vardagsföreställningar samt det vetenskapligt korrekta svaret. Inspiration till denna metod hämtades från ett webbkomplement till Andersson (2011). I detta webbkomplement fanns färdiga fysikproblem rörande ellära som Andersson tänkte sig kunde passa som diagnos inför ett nytt undervisningsavsnitt, utvärdering eller slutprov, i vilka syfet kan vara att få syn på elevers eventuella föreställningar. Att svarsalternativ valdes framför öppna frågor motiveras med Brymans tips om att hålla besvarandet enkelt och att många öppna frågor kan trötta ut personen som besvarar enkäten (Bryman, 2012, s.234). För att få engagerade personer som besvarar enkäten är intresseväckande frågor lämpligt (ibid.). Jag valde därför att låta de flesta fysikproblemen utspela sig i ett vardagligt sammanhang som eleverna kan känna igen sig i. Detta är också lämpligt utifrån Anderssons (2008, s.26) resonemang om att låta vardagen och vetenskapen samspela med varandra.

Fysikproblemen är konstruerade av mig själv, med undantag från uppgift 7, som är hämtad från Andersson et. al. (2003, s.127) men dock formulerats om på så sätt att själva berättelsen kring frågan har ändrats. I skapandet av fysikproblemen valdes tre kategorier inom värme och temperatur ut. Nämligen termisk jämvikt, specifik värmekapacitet/värmeledningsförmåga samt begreppsförståelse för värme och temperatur. Till varje kategori konstruerades tre uppgifter. Syftet med detta var att försöka ge eleverna tre möjligheter att visa hur de tänker kring en viss kategori. En fråga i varje kategori uppmanade dessutom eleverna att, förutom att kryssa i ett svarsalternativ, också motivera sitt svar. Anledningen till detta är att ge eleverna en chans att utveckla sina svar, vilket förhoppningsvis kan ge en tydligare bild av hur de tänkt när de valt svarsalternativ.

Nedan sammanställs fysikproblemen och de tankegångar som ligger bakom konstruktionen av dem. Även det vetenskapligt korrekta svaret presenteras. Fysikproblem 1,5 och 8 hör till kategorin termisk jämvikt. Fysikproblem 2, 3 och 7 hör

(20)

20

till kategorin specifik värmekapacitet/värmeledningsförmåga och fysikproblem 4, 6 och 9 hör till kategorin begreppsförståelse. Frågorna är ordnade i slumpmässig ordning. Fysikproblem 1

Två behållare innehåller lika mycket vatten. Vattnet i behållare A har temperaturen 5oC och vattnet i behållare B har temperaturen 25oC. Vattnet från de båda behållarna töms över i en tom behållare. Vilken temperatur har blandningen?

Avsikten med detta fysikproblem är att undersöka eventuella vardagsföreställningar om termisk jämvikt. När vatten av olika temperatur men lika volym blandas, strävar systemet efter termisk jämvikt som uppnås när temperaturen har antagit det mellanliggande värdet, i detta fall 15oC. Enligt Andersson (2001, s.158ff.) är additivt tänkande vanligt förekommande hos elever i 8-9 årsåldern, medan subtraktivt tänkande dominerar i åldern 13-14 år. Också föreställningar om att vattnet med högre temperatur tar överhand existerar. Dessa föreställningar gav upphov till de resterande svarsalternativen.

Fysikproblem 2

Det är fredag kväll och såklart dags för fredagsmys. Men istället för tacos har du och familjen bestämt er för att vara lite galna och beställa pizza! Du beställer din favorit,

Husets special. Du delar pizzan i bitar och tar en rejäl tugga på en av dem. Men oj, vad

det bränns i gommen! Hur kommer det sig att pizzabottnen mot tungan går bra att äta, medan fyllningen fortfarande bränns?

Detta fysikproblem tillhör kategorin specifik värmekapacitet/ledningsförmåga. Hos en pizza som kommer direkt ur ugnen har bottnen och fyllningen samma temperatur (de har ju båda två vistats i ugnen som har en viss temperatur). Undersökningar har visat att

30oC 15oC 25oC 20oC

Pizzabottnen blir inte lika varm som fyllningen i ugnen Pizzabottnen leder värme sämre än fyllningen

(21)

21

elever tänker sig att ämnen blir olika varma beroende på materialet de är gjorda av (Andersson, 2001, s.157). Så är dock inte fallet, utan anledningen till att fyllningen men inte bottnen bränns, är med enkla ord sagt att bottnen leder värme sämre än fyllningen (som innehåller mer vatten som i sin tur har en god ledningsförmåga). Också den specifika värmekapaciteten hos ett ämne spelar roll. En högre specifik värmekapacitet hos ett ämne gör att ämnet har större motstånd att ändra sin temperatur. Fyllningen har i detta fall högre specifik värmekapacitet än bottnen, vilket innebär att fyllningen svalnar långsammare än bottnen. Mycket energi strömmar alltså snabbt från fyllningen till gommen, medan mindre energi strömmar långsammare från bottnen till tungan.

Fysikproblem 3

Du sitter i en bastu med några kompisar. Ni har med er iskall hallonsaft i glasflaskor och en kapsylöppnare av metall att öppna dem med. När du tar tag i kapsylöppnaren för att öppna din flaska släpper du öppnaren genast. Den brändes! Vad märkligt! tänker du.

Jag kan ju sätta mig på bänken utan att det bränns! Vad kan du säga om temperaturen

hos kapsylöppnaren av metall jämfört med bänken av trä?

Kategorin är specifik värmekapacitet/ledningsförmåga. Resonemanget i denna uppgift följer det i uppgift 2. Metallen och träet har samma temperatur, men på grund av en högre ledningsförmåga och högre specifik värmekapacitet hos metallen jämfört med träet, så strömmar energi snabbt till handen när den fattar tag om öppnaren och det bränns.

Fysikproblem 4

Det är snart jul och det du önskar dig mest av allt är en stickad ylletröja från farmor. Du vet ju att hennes stickade tröjor är väldigt fina, och sen värmer de skönt också! Eller ska man säga att de håller kylan borta? Kryssa i det av alternativen nedan som är vetenskapligt korrekt.

Metallen har högre temperatur än träet Träet har högre temperatur än metallen Metallen och träet har samma temperatur

Tröjan värmer

Tröjan håller kylan borta Inget av ovanstående

(22)

22

Detta fysikproblem tillhör kategorin begreppsförståelse. Enligt Andersson et. al. (2003, s.124) är vanliga föreställningar om värme och kyla att det är materiella ting. Värme är dock enkelt uttryckt energi i överföring som uppstår på grund av en temperaturskillnad, medan begreppet kyla inte existerar i fysikalisk mening. En annan ofta förekommande föreställning är den att värme och kyla neutraliserar varandra (ibid.). Svaret på detta fysikproblem är Inget av ovanstående. Mellan kroppen och tröjan finns ett luftlager som värms upp av kroppsvärmen. Tröjan fungerar som en isolator. Den fördröjer alltså utjämningen av temperatur som eftersträvas av luften intill kroppen och den svalare luften utanför tröjan. Här bör eleven alltså inse att tröjan inte värmer, då den inte är en värmekälla och att begreppet kyla inte existerar. Det är inte kyla som försöker ta sig in, utan värme som försöker ta sig ut.

Fysikproblem 5

På fysiklektionen gör ni en undersökning på följande sätt: Ni håller höger hand i en skål med vatten vars temperatur är 10oC samtidigt som vänster hand hålls i en skål med vatten med temperaturen 30oC. Efter någon minut ber läraren er att ta upp båda händerna och stoppa ner dem i en skål med vatten med temperaturen 20oC. Vad kommer höger respektive vänster hand att uppleva?

Detta fysikproblem tillhör kategorin termisk jämvikt. När höger hand stoppas ner i vattnet som har temperaturen 20oC kommer energiöverföring ske från handen till vattnet på grund av att handen har en högre temperatur än vattnet. När vänster hand stoppas ner kommer energiöverföring ske från vattnet till handen eftersom vattnet har en högre temperatur än handen. Detta gör att höger hand upplever vattnet som varmare än vad vänster hand gör.

Fysikproblem 6

De tre vännerna Carl-Erik, Evert och PO sitter och diskuterar fysik. Ämnet för kvällen är värme och temperatur, då Carl-Erik i dagens tidning fått syn på något som gjorde honom mycket upprörd! I tidningen läste han en artikel om en man som säljer ved. Artikeln hade rubriken ”Han säljer värme till frusna eldare”, och det är just rubriken

Höger hand upplever vattnet som varmare jämfört med vänster hand Vänster hand upplever vattnet som varmare jämfört med höger hand Händerna märker ingen skillnad

(23)

23

som får honom att bli upprörd. En livlig diskussion förs, där följande alternativ är de olika ståndpunkterna i frågan. Vem av herrarna har rätt?

Problemet tillhör kategorin begreppsförståelse. Precis som i fysikproblem 4 om den stickade ylletröjan, avser detta fysikproblem att undersöka huruvida det finns föreställningar bland eleverna om att värme är materia, eller ej. Korrekt svar är alltså det första alternativet. Det sista alternativet är ur naturvetenskaplig synpunkt felaktigt, då ingenting kan innehålla värme, eftersom värme är energi i överföring mellan två områden med olika temperatur. Ett ämne kan dock innehålla inre energi.

Fysikproblem 7

Du har tillgång till två behållare i vilka du kan välja att ställa din kopp med varm choklad. Du vill dricka chokladen efter att den stått en timme i en av behållarna. Vilken behållare ska du välja om du vill att drycken ska vara så varm som möjligt när du ska dricka den? Den ena behållaren är av järn medan den andra är av filt.

Kategorin är specifik värmekapacitet/värmeledningsförmåga. Uppgiften är hämtad från Andersson (2003, s.127), dock med förändringar i själva berättelsen kring uppgiften. Då järn har större värmeledningsförmåga än filt kommer drycken att svalna snabbare om muggen sätts in i järnbehållaren, jämfört med filtbehållaren som snarare isolerar genom att fördröja energiöverföringen.

Fysikproblem 8

Framför dig har du en stor behållare med 20 liter nollgradigt vatten. Bredvid behållaren finns tegelstenar som har temperaturen 70oC. Lägger du ner en tegelsten får vattnet temperaturen 20oC. Hur många av dessa tegelstenar måste du lägga ner i vattnet för att det ska börja koka?

Carl-Erik: Rubriken är fel! Du kan inte sälja värme, det är ju ingen materia Evert: Rubriken är ok! Du kan sälja värme, värme är visst det materia PO: Veden innehåller ju värme, så rubriken är ok

Jag ska välja behållaren av järn. Jag ska välja behållaren av filt.

(24)

24

Fysikproblemet avser att testa eventuella föreställningar om termisk jämvikt. Termisk jämvikt innebär att vid temperaturskillnader kommer energi överföras (värme) från området med högre temperatur till området med lägre temperatur. Detta innebär i sin tur att vattnet som mest kan uppnå en temperatur på 70oC, då tegelstenarna som läggs i har denna temperatur. Det första alternativet visar tankar om att termisk jämvikt inte finns med i elevens funderingar, utan snarare att temperatur är additivt. Val av alternativ två innebär att eleven inte heller här tänker i form av termisk jämvikt, utan att det på något sätt går att få vattnet att koka men att mer information behövs. Rätt svar är alltså alternativ tre, det går inte att få vattnet att koka på detta sätt.

Fysikproblem 9

En tidig morgon innan du ska gå till skolan tittar du på utetermometern. Den visar på 5oC. Kallt! tänker du och ryser till. Termometern visar temperaturen ute, men vad är

temperatur egentligen? funderar du vidare. Ja, det är frågan. Vad är temperatur?

Kategorin är begreppsförståelse. Temperatur är ett slags mått på molekylernas rörelse, närmare bestämt den genomsnittliga translationskinetiska energin i materialet. Vanliga föreställningar enligt Andersson et. al. (2003, s.135ff.) är att temperatur är ett mått på värme.

Urval

Eleverna i undersökningen är mellan 16 och 19 år gamla och går det naturvetenskapliga programmet på gymnasiet. 29 elever (13 killar, 16 tjejer) tillhör årskurs 1, 32 stycken (15 killar, 17 tjejer) tillhör årskurs 2 och 39 elever (20 killar, 19 tjejer) går i årskurs 3. Eleverna valdes ut genom kontakt med min praktikskola. Enkäten besvarades av eleverna under lektionstid i fysik en vanlig skoldag.

5 stycken tegelstenar

Det finns inte tillräcklig information för att lösa uppgiften Det går inte att få vattnet att koka på detta sätt

Temperatur är ett slags mått på värme Temperatur är ett slags mått på kyla

(25)

25

Etiska aspekter

Enligt Vetenskapsrådets rapport God forskningssed (2011, s.18) bör de personer som deltar i en studie ge sitt samtycke till att medverka samt informeras om studiens syfte. Det är också viktigt att de som medverkar i studien inte utsätts för kränkningar utan behandlas med respekt. När enkätundersökningen skulle göras kontaktades först elevernas ansvariga lärare som gav sin tillåtelse för mig att komma och genomföra undersökningen. Vid undersökningstillfället förklarades examensarbetets syfte för eleverna och de informerades om att deltagandet var frivilligt och att besvarandet sker helt anonymt. Alla elever valde att ställa upp, men hade någon motsatt sig detta hade självklart detta respekterats.

Reliabilitet och validitet

Slutsatserna som dras i detta examensarbete kan inte göras till generella sådana, då underlaget är för litet. En mer omfattande undersökning med fler elever hade tagit för lång tid, men reliabiliteten hade dock ökat. Slutsatserna kommer att gälla endast för de undersökta klasserna. Ett annat sätt att ytterligare öka reliabiliteten hade varit att låta en testgrupp besvara enkäten för att upptäcka eventuella otydliga formuleringar i fysikproblemen. Validiteten, alltså hur väl enkäten mäter det som ska mätas, bör vara tillräcklig då utarbetandet av enkäten har gjorts med inspiration från liknande undersökningar (webbkomplement, Andersson, 2011).

Tillvägagångssätt i analysen

Analysen startade med en genomgång av alla enkäter, därefter sammanställdes svarsfördelningen genom att räkna antalet svar i respektive ruta och föra in dessa i tabeller. Förutom att undersöka vilka svar eleverna har valt på alla fysikproblem (vilket visar på eventuella vardagsföreställningar), så har också en analys av varje kategori gjorts. De fysikproblem där möjlighet att motivera sitt svar har också utgjort en del av analysen. I dessa ”motiveringsrutor” framkommer elevernas tankar om varför de valt det aktuella svarsalternativet.

(26)

26

Resultat och analys

Analysen av elevernas svar på fysikproblemen följer här. Först redovisas svarsfördelningen årskursvis i tabeller. För varje årskurs undersöks varje kategori genom att vissa motiveringar lyfts fram för att ge en mer nyanserad bild av elevernas svar. Analysen avslutas med jämförelser mellan de tre årskurserna.

Årskurs 1

En första konstatering utifrån sammanställningen i tabell 2 är den att över 70 % av eleverna i årskurs 1 har gett rätt svar när det gäller fysikproblem 5, 6, 8 och 9. Detta behöver dock inte innebära att de eleverna har goda kunskaper om det som rör dessa problem, då möjligheten att gissa rätt svar finns. Denna gissningsproblematik uppmärksammas av en av eleverna i motiveringen på fysikproblem 3: ”Sannolikhetslära! Har 1/3 chans att gissa rätt”. I analysen av datamaterialet bör alltså en medvetenhet om att eleverna kan ha gissat svar på en del av problemen. Det går dock inte att avgöra helt säkert när detta har skett (bortsett från fallet med citatet ovan!). Nedan följer en granskning av varje kategori.

Fysikproblem 1, 5 och 8 – termisk jämvikt

I kategorin termisk jämvikt har de flesta av eleverna gett ett korrekt svar på fysikproblem 5 och 8. Svarsfördelningen på fysikproblem 1 visar dock att det finns tydliga vardagsföreställningar om ett subtraktivt tänkande om temperatur, då närapå hälften av eleverna valt alternativ D. Detta pekar i sin tur på att funderingar om någon

Årskurs 1, 29 st Problem A B C D Andel rätt svar (%) 1 15 2 12 52 2 7 19 3 66 3 20 9 31 4 7 8 14 48 5 25 2 2 86 6 21 2 6 72 7 15 14 48 8 3 1 25 86 9 4 1 24 83

Anm. Grönt fält visar korrekt svar. Blå färg representerar kategorin termisk jämvikt, röd färg specifik värmekapacitet/värmeledningsförmåga och gul färg står för begreppsförståelse.

(27)

27

slags temperaturutjämning existerar, men hur denna sker är alltså något som 48 % av eleverna har fel uppfattningar om.

Motiveringar på fysikproblem 8 visar att bland de 86 % av eleverna som har angett det korrekta svarsalternativet, så finns det en del felaktiga föreställningar. Exempel på en sådan är att tegelstenarnas temperatur kommer att minska när de läggs i vattnet och det omöjliggör kokning. En korrekt motivering som förekommer ofta är: ”Man kan inte få vattnet att bli mer än tegelstenens temperatur.”.

Fysikproblem 2, 3 och 7 – specifik värmekapacitet/värmeledningsförmåga

Denna kategori är den där andelen rätta svar är bland de lägsta. Eleverna har en hel del vardagsföreställningar inom just denna kategori. I fysikproblem 3 finns den absolut lägsta andelen rätt svar, 31 % har här gett ett korrekt svar. De resterande 69 % har alla valt alternativ A, vilket säger att metallen kommer ha en högre temperatur än träet i bastun. Vardagsföreställningen att temperaturen beror på vilket material föremålet är gjort av framträder här tydligt. En av eleverna motiverar sitt val av alternativ A med formuleringen ”Eftersom metall leder värme bättre än trä så måste det vara så. Alltså absorberas värmen mer i metallen än i träet.”. Här syns en tydlig tanke om att materialet är avgörande för temperaturen hos föremålet.

Fysikproblem 4, 6 och 9 – begreppsförståelse

När det rör sig om rena definitioner av begrepp (fysikproblem 6 och 9) anger en stor del av eleverna korrekt svar. I fysikproblem 4, där begreppen värme och kyla sätts på prov i en mer vardaglig situation, visar sig dock vardagsföreställningar. Särskilt när det kommer till motiveringar. En av eleverna, som har svarat alternativ B (tröjan håller kylan borta), motiverar sitt svar med att tröjan gör så att ”det tar längre tid för kylan att komma in”. Eleven har inte klart för sig att begreppet kyla kan beskrivas som avsaknad av värme. Dessutom tänker eleven sig att kylan försöker ta sig genom tröjan in mot kroppen, när flödet av energi (värme) i själva verket sker i motsatt riktning.

Kort sammanfattning

I årskurs 1 är de mest förekommande vardagsföreställningarna följande:

 Ett ämnes material är avgörande för dess temperatur

 ”Subtraktivt tänkande” om temperatur

 Termisk jämvikt kan ske genom energiöverföring från område med lägre temperatur till område med högre temperatur.

(28)

28

Årskurs 2

Eleverna i årskurs 2 visar på höga siffror överlag när det kommer till korrekta svarsalternativ. Här ligger andelen rätta svar över 70 % på alla fysikproblem förutom 4 och 8. Observera att i tabell 3 syns att fysikproblem 4, 8 och 9 har ett svar mindre än övriga fysikproblem. Fysikproblem 4 har motiverats av eleven, som sedan förmodligen har glömt att kryssa i ett alternativ. En annan elev missade hela sista sidan i enkäten, som utgjordes av just fysikproblem 8 och 9.

I denna kategori har fysikproblem 1 och 5 inte vållat några större bekymmer för eleverna. Fysikproblem 8 har däremot en avsevärt lägre andel rätta svar jämfört med de andra problemen i samma kategori (66 % jämfört med 88 % respektive 97 %). En analys av elevernas motiveringar på fysikproblem 8 visar att tre av tio elever som valt fel svarsalternativ, har tänkt ett steg längre än problemkonstruktören (alltså jag!). Som motivering har alla de resonerat om att omgivningens tryck är en avgörande faktor för vattnets kokpunkt, vilket är helt korrekt. En elev har formulerat sig såhär: ”Behövs mer information. Det går trots allt att påverka vattnets kokpunkt. 70oC kan mycket väl få vattnet att koka”. En omformulering av problemet borde därför vara på sin plats, där det förklaras att trycket är normalt lufttryck. Resterande sju elever som har valt svarsalternativ B har däremot inte fört samma resonemang, utan lyfter fram argument om att mer information om tegelstenens egenskaper behövs. Exempelvis specifik värmekapacitet och storlek. Dessa elever visar att de inte tänkt i form av termisk

Årskurs 2, 32 st Problem A B C D Andel rätt svar (%) 1 28 4 88 2 1 28 3 88 3 6 26 81 4 3 15 13 41 5 31 1 97 6 24 2 6 75 7 8 23 1 72 8 10 21 66 9 4 1 26 81

(29)

29

jämvikt. Med hänsyn till motiveringarna har alltså 24 angett ett korrekt svar, vilket ändrar andelen rätta svar till 75 %.

Även här är andelen rätta svar ganska höga, men det som är värt att uppmärksamma är främst fysikproblem 3 och 7. I fysikproblem 3 är många motiveringar lika varandra, trots att vissa elever valt alternativ A (metallen har högre temperatur) och resten alternativ C (metallen och träet har samma temperatur). Motiveringarna handlar om att metall leder värme bättre än trä. Sex av eleverna (de som valt alternativ A) är alltså inte helt medvetna om vad en bättre värmeledningsförmåga innebär, eftersom de menar att den medför en högre temperatur hos metallen.

Att jämföra svar på fysikproblem 3 och 7 är också intressant. Av de 8 eleverna som valt alternativ A på fysikproblem 7 (att man ska välja järnbehållaren för att drycken ska hålla värmen bäst), har 6 svarat rätt på fysikproblem 3 med motiveringen att metall leder värme bättre. Insikten om att metall är en god värmeledare har alltså någonstans mellan fysikproblem 3 och 7 ”försvunnit”, eller så är måhända elevernas kunskaper bundna till vissa sammanhang som de kanske sett tidigare.

Svarsfördelningen i denna kategori visar att de flesta eleverna i årskurs 2 vet vad temperatur är, samt att de är medvetna om att värme inte är materia. Men i fysikproblem 4 syns tydligt att begreppet värme används ur ett vardagsperspektiv, och att vardagsföreställningen om att kyla ses som något materiellt existerar. Exempel på motiveringar är:

 ”Tröjan stänger in den naturliga värmen från kroppen, men stänger även ute kylan. Tröjan bevarar kroppens värmeenergi.”

 ”Tröjan håller inne värmen och kylan ute. Ylletröjor har mycket plats för luft och luft leder i stort sett ingen värme/kyla.”

Dessa motiveringar visar på elever som tänker sig värme och kyla som något materiellt som hålls inne eller stängs ute. Att termisk jämvikt sker från stället med högre temperatur till stället med lägre temperatur har inte helt insetts av dessa elever, då de talar om ett flöde utifrån och in. Det finns motiveringar som tydligare pratar om termisk jämvikt och inte blandar in begreppet kyla: ”Tröjan isolerar, minskar värmeövergången från kroppen till luften.”.

(30)

30 Kort sammanfattning

De vanligaste vardagsföreställningarna i årskurs 2 är:

 Värmeledningsförmåga avgör ett ämnes temperatur

 Kyla anses vara något materiellt som kan flöda från ett område med lägre temperatur till ett område med högre temperatur

Årskurs 3

I årskurs 3 ligger andelen rätt svar över 70 % på fem av fysikproblemen. I fysikproblem 3 är andelen rätta svar så låg som 36 %, en närmare undersökning av hur eleverna motiverat sitt svar bör göras. Även fysikproblem 4 bör granskas noggrannare.

Enligt svarsfördelningen har eleverna relativ god kännedom om termisk jämvikt, sett till de situationer som presenterats i de aktuella uppgifterna. Endast fyra respektive tre elever har avvikande föreställningar när det kommer till fysikproblem 1 respektive 5. En analys av fysikproblem 8 där en motivering ska ges bidrar med mer information om hur eleverna tänkt. En elev som valt svarsalternativ C motiverar sitt svar såhär:

”Vattnet kan inte bli varmare än 70o

C eftersom att stenarna har den temperaturen. Det kommer inte ske något energiutbyte mellan stenarna och vattnet om de har samma temperatur. Alltså kommer inte vattnet att börja koka.”

I sin motivering visar eleven tydligt ett resonemang kring termisk jämvikt, då det är energiöverföring som ger upphov till termisk jämvikt. En vanligare motivering, där dock resonemang om termisk jämvikt ligger bakom, är helt enkelt att vattnet aldrig kan

Årskurs 3, 39 st Problem A B C D Andel rätt svar (%) 1 35 4 90 2 6 26 7 67 3 25 14 36 4 2 19 18 46 5 36 1 2 92 6 29 4 6 74 7 15 24 62 8 3 3 33 85 9 4 35 90

(31)

31

bli varmare än tegelstenarna, vilket krävs om vattnet ska börja koka. Elever som valt andra svarsalternativ motiverar sitt svar med exempelvis ”5*20=100o” för alternativ A och ”Massan för tegelstenarna?” för alternativ B.

Denna kategori har lägst andel rätta svar. I fysikproblem 3 har endast 36 % angett korrekt svarsalternativ. Av de elever som valt ett felaktigt svarsalternativ är de mest förekommande motiveringarna att metall är en bättre värmeledare och motiveringen att metall ”tar åt sig värme bättre” än trä. Den första motiveringen säger att eleverna tänker sig att värmeledningsförmågan avgör ämnets temperatur, vilket är en felaktig föreställning. Den andra motiveringen tolkar jag som en variant av att metall leder värme bättre än trä. En elev uttrycker tydligt att det är så resonemanget har förts då motiveringen är följande: ” Metallen absorberar värme (mer ledande) än trä.”. Fem elever motiverar sitt val av alternativ A med att metall har en lägre specifik värmekapacitet än trä. Att metaller har en lägre specifik värmekapacitet än trä är inte alltid sant, utan det är olika från metall till metall. Om öppnaren antas vara av metallegeringen stål, vilket är ett rimligt antagande, så är metallens specifika värmekapacitet (0,46 kJ/kg*K) högre än träets (0,4 kJ/kg*K). Specifik värmekapacitet kan med enkla ord sägas ange ett ämnes motstånd mot att ändra temperatur, vilket innebär att precis i starten av bastun är träet varmare än öppnaren då det krävs mindre energi att förändra temperaturen hos träet. En elev uppmärksammar detta i sin motivering, dock med ett resonemang om att metall har lägre specifik värmekapacitet än träet:

”Metall är en bättre värmeledare. Om bastun istället nyligen startats, så har skillnader i specifika värmekapaciteter gjort att metallen har högre temperatur än träet.”

I problemformuleringen borde det stått att bastun varit igång en längre tid och att öppnaren befunnit sig där inne sedan igångsättning. Vilken metall öppnaren är gjord av borde också preciserats för att undvika missförstånd.

Att temperatur är ett slags mått på molekylernas rörelse har de flesta eleverna varit medvetna om, närmare bestämt 90 %. När det kommer till begreppen värme och kyla, dyker en del vardagsföreställningar upp. I fysikproblem 6, där begreppet värme behandlas med hjälp av rubriken till en tidningsartikel, har en del elever skrivit en

(32)

32

motivering, trots att ingen sådan krävts. De har valt alternativ C och menar att veden innehåller energi, som vid förbränning ger värme. Detta är visserligen korrekt, men alternativet är fortfarande fel då det står att veden innehåller värme.

I fysikproblem 4 har de flesta valt alternativ B, att tröjan håller kylan borta. I motiveringarna har många av eleverna som valt detta alternativ skrivit att tröjan bevarar/håller inne kroppsvärmen samtidigt som kylan stängs ute. Detta visar på att kylan ses som något materiellt och att termisk jämvikt inte helt uppmärksammas i denna situation då de tänker sig ett flöde åt båda håll. Eleverna som valt alternativ C motiverar vanligen sitt svar med att tröjan isolerar, det vill säga fördröjer energiöverföringen från den varma luften nära kroppen till den kallare luften utanför tröjan. En motivering som tydligt visar förståelse hos eleven är följande:

”Kyla är avsaknad av värme och således inget man kan ”hålla borta”. Tröjan i sig alstrar inte värme utan den isolerar bara och hindrar att värmen som vi alstrar sprids till omgivningen. (Naturen strävar hela tiden efter en ”utjämning”.)”

I motiveringen syns ett klart resonemang om termisk jämvikt samt en korrekt syn på begreppet kyla.

Kort sammanfattning

I årskurs 3 är följande de vanligaste vardagsföreställningarna:

 Värmeledningsförmåga avgör ett ämnes temperatur

 Kyla anses vara något materiellt som kan flöda från ett område med lägre temperatur till ett område med högre temperatur

Jämförelse mellan årskurserna

Jämförelsen mellan årskurserna kommer göras genom att först jämförs andel korrekta svar på fysikproblemen, både sett till alla fysikproblem samt till de tre kategorierna. Därefter kommer en närmre analys av hur vardagsföreställningarna eventuellt har ändrats genom åren att göras. En faktor som bör tas hänsyn till i jämförelsen mellan årskurserna är när undervisning inom området värme och temperatur har skett. Årskurs 1 hade vid enkätens genomförande ännu inte haft någon undervisning, årskurs 2 hade undervisning för ungefär ett år sedan och årskurs 3 fick undervisning i området för ungefär ett och ett halvt år sedan.

Jämförelse av svarsfördelning

Nedanstående stapeldiagram visar andelen rätta svar på fysikproblemen för alla tre årskurser.

(33)

33

Diagrammet visar att årskurs 1 har lägst andel rätta svar på fysikproblem 1-3 och 5-7. På fysikproblem 4, 8 och 9 är det årskurs 2 som står för den lägsta stapeln. Årskurs 2 har i fysikproblem 2, 3 och 5-7 högst andel rätta svar. Årskurs 3 ligger i 7 av 9 problem i mitten när det kommer till andel rätta svar. I fysikproblem 1 och 9 har de dock den högsta stapeln. Årskurs 1 ligger etta på fysikproblem 8. I diagram 2 visas andelen rätta svar för varje årskurs inom de olika kategorierna.

Diagrammet visar hur andelen rätta svar har ökat, vilket innebär en minskning av vardagsföreställningar, i kategorin termisk jämvikt (fysikproblem 1, 5 och 8). För de

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A n d e l r ät ta sv ar ( % ) Fysikproblem Årskurs 1 Årskurs 2 Årskurs 3

Diagram 1. Jämförelse mellan årskurserna.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Fysikproblem 1, 5, 8 Fysikproblem 2, 3, 7 Fysikproblem 4, 6, 9

A nd el r ät ta sv ar ( % ) Kategori Serie1 Serie2 Serie3 Årskurs 1 Årskurs 2 Årskurs 3

(34)

34

övriga kategorierna kan en sådan ändring inte ses, utan för kategorin specifik värmekapacitet/värmeledningsförmåga (fysikproblem 2, 3 och 7) har andelen rätta svar först ökat för att sedan minska och i kategorin begreppsförståelse (fysikproblem 4, 6 och 9) sker först en ytterst liten minskning som följs av en nästan lika liten ökning.

En tydligare översikt fås kanske när ett medelvärde räknas ut för andelen rätta svar. I årskurs 1 är då andelen rätta svar 64 %, i årskurs 2 är motsvarande siffra 76 % och i årskurs 3 är 71 % av svaren korrekta.

Förändring av vardagsföreställningar

Sett till medelvärdena av andelen rätta svar är förändringen av vardagsföreställningar sådan att det sker en minskning från årskurs 1 till årskurs 2, och därefter sker en ökning till årskurs 3. Ökningen är dock inte så stor att den når upp till samma nivå som i årskurs 1. Kategorimässigt syns samma trend i kategorin specifik värmekapacitet, men i kategorin termisk jämvikt minskar vardagsföreställningarna för varje årskurs. I kategorin begreppsförståelse syns inga tydliga förändringar.

(35)

35

Diskussion och slutsats

Syftet med detta examensarbete är att undersöka vilka vardagsföreställningar som finns bland elever på gymnasiets naturvetenskapliga program vid en skola i södra Sverige. Syftet är också att jämföra vardagsföreställningarna i de tre årskurserna. Följande diskussion kommer ske enligt ett upplägg där analysen först kopplas samman med litteraturgenomgången. Därefter följer en diskussion av tillförlitligheten i examensarbetet och slutligen lyfts tankar som väckts under arbetets gång.

Analys och litteratur

Analysen av enkätundersökningen med de nio fysikproblemen har visat att de vardagsföreställningar som existerar är till största delen samma i varje årskurs, men förekomsten varierar. Detta stämmer överens med tidigare forskning av Harrison, Grayson och Treagust (1999), som visade på att de vetenskapliga definitionerna är något som eleverna anammar under undervisning för att sedan gå tillbaka till sina vardagsföreställningar. Att detta är fallet kan tänkas bero på det Vygotskij (1999, s.256) säger om begreppsbildning. Nämligen det att begreppsbildning är en process som går från elementära till mer avancerade generaliseringar, vilket Säljö (2010, s.45) sedan benämner som en lång process. Eleverna i gymnasiet får under de tre åren kanske inte tillräckligt med tid att bearbeta begreppen och göra dem till sina. Detta skulle kunna vara en förklaring till varför det sker en återgång till vardagsföreställningarna.

För att undvika en tillbakagång till vardagsföreställningar är det, sett från det sociokulturella perspektivet på lärande, viktigt att i undervisningen tydligt förklara begreppens betydelse och att använda dem frekvent och på rätt sätt. Människan lär sig genom att studera sociala situationer och försöker sedan göra dem till sina egna med hjälp av medierande redskap. Att hitta undervisningssituationer där fysikens begrepp diskuteras med läraren och andra elever är också eftersträvansvärt, utifrån Vygotskijs tankar om den närmaste utvecklingszonen.

Sett till vilka föreställningar som existerar bland eleverna i detta examensarbete, kan slutsatsen dras att en överensstämmelse finns till viss del med det som Andersson et. al. (2003, s.124) fann i sin forskning i NORDLAB-projektet. Exempel på dessa är föreställningar om att värme är materiellt och att termiska fenomen förklaras av de egenskaper elever tänker sig att olika material har (till exempel att metall på grund av en god värmeledningsförmåga är varmare än trä som befinner sig i samma rum). En föreställning som dock förekom i alla årskurser i detta examensarbete, men inte finns

(36)

36

med i sammanställningen av Andersson et. al. (ibid.) är föreställningen om att termisk jämvikt kan uppnås genom energiöverföring från ett kallare område till ett varmare (när det i verkligheten sker i motsatt riktning).

Vad hade kunnat göras annorlunda?

Analysen visade att förtydligande behövde göras i fysikproblem 3 och 8. I fysikproblem 3 borde ett tillägg om att bastun varit igång en längre tid varit på sin plats, då om detta inte varit fallet hade alternativ B istället för alternativ A varit det korrekta. I fysikproblem 8 borde det omgivande trycket anges vara normalt lufttryck, ty det är då vatten kokar vid 100oC. Vid ett annat tryck hade kokpunkten kunnat vara lika med eller lägre än 70oC, vilken är den temperatur som vattnet högst kan uppnå. Hade tid funnits till att genomföra enkätundersökningen i en testgrupp hade förmodligen detta kunnat upptäckas och korrigeras till den ”riktiga” undersökningen. Med den tid som fanns till förfogande fattade jag dock beslutet att inte använda mig av en testgrupp. Frågan är hur detta kan ha påverkat resultatet. Som svar på denna fråga anser jag att motiveringarna i fysikproblem 8 ger tydligt besked på att ingen större påverkan har skett på resultatet. Detta eftersom endast tre av de 20 elever som valt ett felaktigt alternativ har motiverat sitt svar med att omgivningens tryck är avgörande för vattnets kokpunkt. I fysikproblem 3 bör missen av hur länge bastun varit igång inte heller påverkat resultatet nämnvärt, då ingen elev har valt alternativ B (träet har högre temperatur än metallen) som skulle varit det rätta om bastun precis har startats. Endast en elev (som dock valt det korrekta svarsalternativet) resonerar i sin motivering kring hur länge bastun har varit igång och att detta påverkar föremålens temperatur. Sju av 51 elever motiverar sitt val av alternativ A (metallen har högre temperatur än träet) med metallens specifika värmekapacitet. Dock antar de att metallen har en lägre specifik värmekapacitet än träet, vilket inte är fallet.

En annan problematik är möjligheten att gissa rätt svar. I de tre fysikproblemen där motivering krävs kan detta dock anas, i de fall där motiveringen är helt felaktig eller saknas. Ett sätt att uppdaga fler gissningar hade därför kunnat vara att kräva motivering på alla fysikproblem. Detta valdes dock bort, eftersom Bryman (2012, s.233 ff.) menar att många öppna frågor riskerar att tråka ut de som besvarar enkäten, och därmed äventyras ansträngningen hos besvararna. En avvägning gjordes och jag kom fram till att svarsalternativ med ett fåtal motiveringskrav var det som lämpade sig bäst.

(37)

37

Sammanfattningsvis existerar alltså främst två stycken vardagsföreställningar inom området värme och temperatur, nämligen de att värmeledningsförmåga avgör ett ämnes temperatur samt att kyla ses som något materiellt som kan flöda från ett område med lägre temperatur till ett område med högre temperatur. Jämförelsen mellan årskurserna visar att det är i stort sett samma vardagsföreställningar som existerar men att graden av förekomst varierar med årskursen.

Framåtblick

Detta examensarbete har varit givande på många sätt. Genom att ha satt in mig djupare i det sociokulturella perspektivet har jag fått en ny syn på lärande, vilket jag hoppas kommer vara till nytta i mitt framtida yrke. Men det som har varit mest intressant är att analysera elevernas svar på fysikproblemen och att få ha tagit del av deras tankar kring värme och temperatur. Att detta är något som kommer hjälpa mig i framtiden har jag inga tvivel om. Jag hoppas också att detta examensarbete kan bidra till den framtida skolverksamheten genom att lärare får upp ögonen för vikten av att ta reda på vad elever tänker kring olika fenomen innan undervisning. Jag anser att det är avgörande för hur väl undervisningen kommer gå, eftersom vardagsföreställningar ofta är djupt rotade hos elever och därför har en avgörande påverkan på hur väl eleverna kommer ta till sig de vetenskapliga definitionerna och resonemangen.

En tanke som dykt upp under arbetets gång är att en liknande undersökning hade varit spännande att göra i alla möjliga områden inom fysik, och för de som inte är intresserade av det kan det mycket väl göras i andra ämnen också. För att kunna göra än mer intressanta jämförelser borde dock flera klasser följas genom de tre årskurserna på gymnasiet. Först vid en sådan undersökning kan mer generella slutsatser dras.

(38)

38

Referenser

Andersson, Björn (2001). Elevers tänkande och skolans naturvetenskap. Skolverket.

Andersson, Björn, Bach, Frank, Frändberg, Birgitta, Jansson, Ingrid, Kärrqvist,

Christina, Nyberg, Eva, Wallin, Anita och Zetterqvist, Ann (2003). ’Att förstå naturen – från vardagsbegrepp till fysik’, Ämnesdidaktik i praktiken – nya vägar för undervisning

i naturvetenskap, Nr 3.

https://gupea.ub.gu.se/bitstream/2077/10627/1/gupea_2077_10627_1.pdf 2014-01-18.

Andersson, Björn (2008): Att förstå skolans naturvetenskap: forskningsresultat och nya

idéer. Lund: Studentlitteratur.

Andersson, Björn (2011). Att utveckla undervisning i naturvetenskap – kunskapsbygge

med hjälp av ämnesdidaktik. Lund: Studentlitteratur.

Benson, Harris (1996). University Physics. Hoboken: John Wiley & Sons.

Bryman, Alan (2012). Social research methods. Oxford: Oxford University Press.

Harrison, Allan G., Grayson, Diane J. och Treagust, David F. (1999). ‘Investigating a Grade 11 Student’s Evolving Conceptions of Heat and Temperature’, Journal of

Research in Science Teaching, 36(1): 55-87.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/(SICI)1098-2736(199901)36:1%3C55::AID-TEA5%3E3.0.CO;2-P/abstract 2014-01-18.

Hewitt, Paul G. (2009). Conceptual Physics. San Fransisco: Pearson Addison-Wesley.

Sjöberg, Svein (2010). Naturvetenskap som allmänbildning – en kritisk ämnesdidaktik. Lund: Studentlitteratur.

Skolverket (2009). TIMSS Advanced 2008. Svenska gymnasieelevers kunskaper i

avancerad matematik och fysik i ett internationellt perspektiv.

(39)

http://www.skolverket.se/om-skolverket/visa-enskild-39 publikation?_xurl_=http%3A%2F%2Fwww5.skolverket.se%2Fwtpub%2Fws%2Fskolb ok%2Fwpubext%2Ftrycksak%2FRecord%3Fk%3D2291 2014-01-18. Skolverket (2011). http://www.skolverket.se/laroplaner-amnen-och-kurser/gymnasieutbildning/gymnasieskola/fys?tos=gy&subjectCode=FYS&lang=sv&courseCo de=FYSFYS01a#anchor_FYSFYS01a). 2013-11-15.

Säljö, Roger (2010). Lärande och kulturella redskap. Om lärprocesser och det

kollektiva minnet. Stockholm: Nordstedts.

Säljö, Roger (2011). ’L. S. Vygotskij – forskare, pedagog och visionär’, i Anna Forssell (red.), Boken om pedagogerna. Stockholm: Liber.

Vetenskapsrådet (2011). God forskningssed.

https://www.vr.se/download/18.3a36c20d133af0c12958000491/1321864357049/God+f orskningssed+2011.1.pdf 2014-01-18.

Vygotskij, L.S. (1978). Mind in Society. The Development of Higher Psychological

Processes. Cambridge: Harvard University Press.

(40)

40

Bilaga 1

Värme och temperatur

Svara på frågorna genom att sätta ett kryss i den ruta du tycker svarar på frågan. Sätt

endast ett kryss för varje fråga!

1. Två behållare innehåller lika mycket vatten. Vattnet i behållare A har

temperaturen 5oC och vattnet i behållare B har temperaturen 25oC. Vattnet från de båda behållarna töms över i en tom behållare. Vilken temperatur har

blandningen?

2. Det är fredag kväll och såklart dags för fredagsmys. Men istället för tacos har du och familjen bestämt er för att vara lite galna och beställa pizza! Du beställer din favorit, Husets special. Du delar pizzan i bitar och tar en rejäl tugga på en av dem. Men oj, vad det bränns i gommen! Hur kommer det sig att pizzabottnen mot tungan går bra att äta, medan fyllningen fortfarande bränns?

30oC 15oC 25oC 20oC

Pizzabottnen blir inte lika varm som fyllningen i ugnen Pizzabottnen leder värme sämre än fyllningen

Pizzabottnen leder värme bättre än fyllningen Kvinna

Man