Examensarbete i utbildningsvetenskap
inom allmänt utbildningsområde, 15 hp, ht 2010 Magisterexamen
Med sikte på konceptuellt tänkande
Undersökning av elevers kvalitativa förståelse av fysik på en Waldorfskola före och efter undervisning
Författare: Handledare:
David Björling Malena Lidar
Examinator:
Mikael Palme
1
Med sikte på konceptuellt tänkande
Undersökning av elevers konceptuella förståelse av fysik på en Waldorfskola före och efter undervisning
I detta arbete undersöks huruvida ett konceptuellt fokus på fysikundervisningen, samt en förståelseinriktad examinationsform, påverkar elevers konceptuella förståelse av fysik. Detta är intressant av två anledningar: 1) Skolans styrdokument efterfrågar (bl.a.) konceptuella förståelsekunskaper, och 2) Traditionell fysikundervisning är dålig på att skapa en korrekt, konceptuell förståelse av fysik. Det här arbetet granskar resultaten från en icketraditionell undervisning, där flervalsfrågeverktyget FCI använt före och efter undervisning ger en bild av elevernas konceptuella förståelseutveckling. Den undervisning som undersöks i detta arbete visade sig vara drygt 100 % effektivare än motsvarande traditionella undervisning vad gällde att förbättra resultaten på
diagnosverktyget FCI. Även om elevantalet var väldigt litet (endast tio elever) är resultatet så markant att det nog ändå äger viss giltighet. Arbetet undersöker även elevers föreställningar om fysik. Ett mindre påtagligt resultat i kombination med det lilla elevantalet gör det svårt att säga något om huruvida elevernas föreställningar om fysik blev mer fördelaktiga än vid traditionell undervisning. Resultaten pekar på det, men det är långtifrån säkerställt. Slutligen undersökte arbetet också varaktigheten hos de
kunskaper eleverna erhöll. Det visade sig att de fyra elever som skrev FCI efter ett uppehåll i fysikundervisningen på tio månader presterade nästan lika bra som då de skrev provet direkt efter avslutad undervisning. De hade inte tappat mer än 10 % av sina poäng.
Nyckelord: Konceptuell förståelse, Fysikundervisning, studentaktiverande undervisning, FCI, The MPEX Survey
2
Innehåll
Inledning ... 4
Syfte ... 7
Frågor ... 7
Bakgrund ... 8
Styrdokument ... 8
Teori... 9
Teoretisk grund ... 9
Force Concept Inventory (FCI) ... 12
MPEX survey ... 15
Metodologi ... 18
Val av metod ... 18
Urval ... 19
Process... 19
Validitet, fruktbarhet ... 22
Summering ... 23
Resultat ... 24
Fråga 1, resultat ... 24
Tabeller, fråga 1 ... 24
Övergripande resultat, fråga 1 ... 26
Muntliga data ... 27
Sammanfattning, fråga 1 ... 32
Fråga 2, resultat ... 33
Data, fråga 2 ... 33
Diskussion ... 34
Metoddiskussion ... 34
Analysverktyg och teori ... 34
Diskussion rörande den specifika undersökningen ... 36
Resultatdiskussion ... 37
Resultatdiskussion, fråga 1 ... 37
Resultatdiskussion, fråga 2 ... 38
Konklusion ... 39
Bidrag ... 39
Fortsatt forskning ... 41
3
Personliga tankar kring undersökningen och dess resultat ... 41
Referenser ... 44
Appendix 1 ... 47
Appendix 2 ... 48
Appendix 3 ... 55
4
Inledning
Så långt tillbaka jag kan minnas har jag ansett att prov inriktade på att återge innehåll och strategier från en viss kurslitteratur är väldigt ineffektiva sätt att testa kunskap.
Framförallt om man som elev alltid vet när skrivningen ska äga rum, samt att det
material som avhandlas inte kommer att avhandlas igen vid något senare tillfälle. Jag har dessutom upplevt att det är ett ineffektivt sätt att lära ut fysik att fokusera på att elever ska lära sig att räkna fram rätt svar på fysikuppgifter. Både inom matematiken och fysiken har jag upplevt att elever, inklusive jag själv, omformar sig själva till små räknedosor, programmerade för att lösa en snävt begränsad kategori av uppgifter.
Om man läser i kursplanerna för fysik på gymnasiet framgår det att fysiklärarens uppgift främst består i att ge eleverna en känsla för vetenskap, samt en kvalitativ känsla för fysik. Det står mycket om att eleven ska ha kunskap om olika fysikaliska fenomen, samt att man som elev ska kunna koppla fysiken till sitt liv (Kursplanen för Fysik A, 2000).
Vikten av att elever ska kunna lösa matematiska problem av fysisk karaktär med hjälp av en formelsamling är något som betonas mindre. Fokus ligger på att eleverna ska förstå vad fysiken innebär, och hur detta återspeglas i världen.
Ett problem som uppmärksammats inom fysikdidaktisk forskning, (studiet av elevers konceptuella fysikförståelse) är att elever inom det man kallar för traditionell
undervisning (lektionsbaserad undervisning med läxor och prov som mestadels, eller uteslutande, är av kvantitativ karaktär) sällan erhåller goda konceptuella
fysikkunskaper (Thacker, 2003, s. 1837). Dessutom blir den kunskap eleverna snappat upp ytterst kortvarig (Knight, 2004, s. 3). Dessa resultat äger giltighet även för den svenska skolan (Andersson, 2001, s. 10-11). De diagnostiska verktyg
fysikdidaktikforskarna använt har visat en väldigt låg konceptuell förståelse (förståelse av generaliserade principer med stor tillämpbarhet) på alla nivåer.
Den här undersökningen kommer granska elevernas utveckling på en skola som frångår den traditionella mallen (se ovan). Inom den skola som granskas läggs ett relativt stort fokus på konceptuell förståelse, och examinationsformen skiljer sig från de mestadels kvantitativa prov som är standard på många skolor. Elevernas konceptuella förståelse i ämnet mekanik, samt förståelsens varaktighet över tid, kommer att granskas och jämföras med resultat från tidigare forskning.
Ett annat centralt resultat inom fysikdidaktisk forskning, som bottnar i ett
konstruktivistiskt perspektiv på kunskap och lärande, är att alla människor bär med sig en förförståelse av fysik, som ofta är relativt förutsägbar, men sällan helt korrekt. För att effektivt kunna ersätta denna förförståelse med en mer korrekt bild av hur världen fungerar så krävs det att läraren inkluderar förförståelsen i sin undervisning,
fysikläraren bör visa hur och när en förförståelse visar fel, annars lever förförståelsen lätt vidare, vad läraren än säger (Redish, 2003, s. 26-27; Thacker, 2003, 1835).
Undervisning där läraren inte gör det har tidigare visat prov på stor ineffektivitet (Hestenes, Wells & Swackhammer, 1992, s.141).
5
Randall Knight menar att detta, enligt undersökningar som gjorts inom fysikdidaktikforskning, gäller för det fysikdidaktikerna kallar för traditionell
undervisning (Knight, 2004, s. 25). Knight menar att bara en handfull studenter verkar kunna lösa fysikproblem annat än genom slumpmässig ekvationsjakt (Knight, 2004, s.
3). Jag har, som sagt, själv erfarenheter av denna slumpmässiga ekvationsjakt, både från min egen skolgång, och från ett lärarperspektiv. Det är lätt att som elev få intrycket av att fysik är liktydigt med matematik, och egentligen inte har så mycket med världen att göra. Det är inte ovanligt att elever memorerar listor av samband och definitioner utan att ens försöka förstå vad de egentligen innebär, och var de är tillämpbara. Den kunskap eleverna då får med sig blir således kortvarig och ytlig. Att detta, enligt
fysikdidaktikforskarna, är hur vissa elever ”lär” sig fysik utgör ett stort problem (Redish, Saul & Steinberg, 1997, s. 213; s. 215; s. 218).
Ett tydligt personligt exempel på detta är eleven jag hade under min lärarpraktik som fick MVG på sitt fysikprov, och överraskad sa ”Oj, jag kände inte alls att jag visste vad jag höll på med!” Han löste troligen uppgifterna genom att vända och vrida på formler, men hade ingen känsla för vad han höll på med. Hans känsla var att han lika gärna kunnat få G eller VG. Denna elev kommer förmodligen få MVG i slutbetyg. Utgår man från hans egen utsaga är det inte ens självklart att han lever upp till kursplanens godkänt-kriterier.
Detta torde vara ett problem i dagens svenska fysikundervisning.
Något som dock är intressant är att det har visat sig att andra lärosätt och
instruktionsmetoder kan ge elever en bättre känsla för fysik, både konceptuellt och kvantitativt (Thacker, 2003, s. 1835; 1837; Knight, 2004, s. 25). Personligen blev jag mycket inspirerad då jag läste Ingegärd Sandström Madséns bok Samtala, läsa och skriva för att lära. Jag kände att jag ville använda mig av skrivandet som verktyg för elever att reda ut sina tankar och skapa strukturerade begreppsbilder kring det de läser om.
Framförallt ville jag ha en examinationsform som skilde sig från den gängse (prov på förutbestämda datum, där merparten av uppgifterna kan lösas genom rent mekanisk kunskap om hur man löser just den sortens numeriska problem). En examinationsform mer inriktad på det konceptuella, där ambitionen var att bättre diagnostisera de
kvaliteter som kursplan och läroplan efterfrågar. Examinationsformen torde med nödvändighet påverka det sätt på vilket många elever studerar, och var de lägger sitt fokus.
Förståelsemässig bearbetning torde dessutom innebära att eleverna själva upplever sina kunskaper som mindre mekaniska, vilket i sig är något att sträva mot, enligt läroplanen (Sandström Madsén, 2007, s. 31). Om man som elev upplever att fysikundervisningen mestadels består av en ”slumpmässig ekvationsjakt” så borde det påverka vad man tycker och tänker kring fysik och fysikundervisning. Detta påverkar i sin tur hur väl man lyckas ta till sig undervisningen (Redish, Saul & Steinberg, 1997, s. 212).
Då jag erbjöds möjlighet att utforma en undersökning på en Waldorfskola, där ett till stor del förståelseinriktat skrivandet som examinationsform är vanligt förekommande,
6
kändes det som en självklar möjlighet att undersöka hur detta påverkar elevers
konceptuella förståelse av, samt tankar kring, fysik. På den Waldrofskola jag gjorde min undersökning fokuserades det relativt lite på kvantitativa fysikfärdigheter. Det bör noteras redan här att jag agerade lärare för eleverna i undersökningen. Eleverna skrev inga prov inom fysik, utan examinationen skedde istället via s.k. periodhäften som varje elev skrev. Periodhäftet är ett sätt för eleven att själv och med egna ord, i text och bilder, sammanfatta det han/hon lärt sig. Det är också upp till eleverna att själva söka rätt på ytterligare information om det som gåtts igenom på lektionerna.
Detta är en examinationsform som skiljer sig väsentligt från kvantitativa prov som handlar om att hitta rätt formel. Frågan är om denna examinationsform påverkar elevers förståelse av, samt tankar kring, fysik. Tidigare forskning förefaller indikera att så skulle kunna vara fallet, men ingen har (mig veterligen) ännu undersökt detta. Detta arbete är ett sätt att åtminstone närma sig frågan, även om arbetet i första hand berör den
undersökta undervisningsstrukturen som helhet. Resultaten kommer att ställas i relation till resultat från tidigare forskning på (enligt fysikdidaktikernas definition) traditionell undervisning. Metoden jag använder kommer analyseras både via intervjuer och tidigare forskning.
7
Syfte
I det här arbetet granskas en särskild sorts fysikundervisning. Den är i huvudsak vad som i detta arbete kallas för konceptuell. Den bearbetar aktivt elevers förförståelse och den mynnar slutligen ut i att eleverna ska skriva egna texter, där de visar sin
begreppsliga förståelse med exemplifieringar från vardagen, om den fysik som behandlats under lektionerna.
Det här arbetet syftar till att granska resultaten av en sådan undervisning.
Frågor
Observera att arbetet inte hävdar att det per definition finns någon motsättning mellan problemlösningsfärdigheter och konceptuell förståelse. Det finns dock belägg för att en undervisning som lägger merparten av sin tid på problemlösningsfärdigheter inte ger eleverna en god kvalitativ förståelse. I det här arbetet ligger fokus på två frågor (och då främst på fråga 1):
Om man utgår från en undervisning som 1) lägger merparten av sin tid på att skapa konceptuell förståelse, till skillnad från problemlösningsfärdigheter, 2) fokuserar på elevers förförståelser, och som 3) slutligen ska mynna ut i en examination via
förståelseinriktat skrivande,
1) hur påverkar en sådan undervisning, på kort och lång sikt (i det här fallet tio månader), elevers konceptuella förståelse av fysik?
2) hur påverkar en sådan undervisning elevers tankar kring, och upplevelse av, vad fysik är, och vad det innebär att lära sig fysik?
8
Bakgrund
Under denna rubrik kopplas arbetet till skolans styrdokument, relevanta teorier introduceras, och nyckelord förtydligas.
Styrdokument
Som fysiklärare måste man förhålla sig till de svenska styrdokumenten. En viktig bakgrund till den här undersökningen är att den undervisning som i det här arbetet kallas för traditionell i praktiken ligger relativt långt ifrån det som styrdokumenten efterfrågar. Dessutom tenderar eleverna att glömma bort begrepp och konceptuell förståelse relativt snabbt (Andersson, 2001, s. 11; s. 149).
Styrdokumenten förespråkar en konceptuell förståelse av fysik, samt ett vetenskapligt förhållningssätt. Susanne Engström har i sin doktorsavhandling Att vördsamt värdesätta eller tryggt trotsa visat att en majoritet av svenska fysiklärare är medvetna om att detta, i praktiken, inte är vad de lär ut till sina elever. Engström använde en
enkätundersökning där fysiklärarna själva fick beskriva både sin undervisning och hur de tyckte att undervisning bör se ut (268 fysiklärare fick svara på ca 700 frågor). Det visade sig att fysikundervisningen (enligt lärarna själva) mestadels är strikt traditionell, såtillvida att fysikläraren tenderar att reproducera sin egen utbildning. Det är sällan (enligt lärarna) fysiken sätts i sitt sammanhang, eller relateras till eleven, på det sätt som efterfrågas i styrdokumenten. Engström framhåller att forskare inom NT-didaktik (natur- och teknikvetenskaplig didaktik) menar att elever bör ges tillfälle att relatera fysiken till sin vardag, samt få diskutera kring fysik och väva in ett eget tyckande (Engström, 2011, s. iv; s. 99; s. 100; s. 101; s. 114).
Håller kursplanen med dessa NT-didaktiker? Följande är hämtat ur kriterierna för betyget godkänt i Fysik A:
Eleven använder införda fysikaliska definitioner, storheter, begrepp och modeller för att beskriva företeelser och fysikaliska förlopp.
Eleven deltar i planering och genomför laborationer efter instruktioner.
Eleven utför beräkningar i problemställningar av rutinkaraktär.
Eleven visar genom exempel hur fysikaliska begrepp används vid beskrivning av vardagliga sammanhang.
Eleven ger exempel på hur kunskaper från fysiken bidrar till en naturvetenskaplig världsbild.
Eleven redovisar sina arbeten och medverkar i att tolka resultat och formulera slutsatser.
Som synes är punkten ”eleven utför beräkningar i problemställningar av rutinkaraktär”
(vilket ofta är vad elever testas på) bara en av många. Det gäller också att kunna sätta in fysiken i sitt sammanhang, och att kunna använda fysikkunskaper vid analyser och planering. Kursplanen kan sägas ligga i fas med vad fysikdidaktiker förespråkar, snarare
9
än den undervisning som fysiklärare, enligt Engströms undersökning, menar att de faktiskt bedriver.
I de nya kursplanerna betonar man ännu tydligare vikten av konceptuell förståelse, samt att lära eleverna naturvetarens sätt att tänka och se på världen (GY2011).
I LPF-94 kan man läsa att målet är att de kunskaper som ska förmedlas ska vara
beständiga (LPF-94, 1994, s. 5). LPF-94 säger vidare att det är viktigt att elever upplever undervisningen som meningsfull och att deras kunskapsutveckling går framåt (LPF-94, 1994, s. 11). Detta torde också kräva att eleverna upplever sig erhålla bestående
kunskaper. Björn Andersson talar om att undersökningar visat att elever bör framställa fysik som en kombination mellan vetenskapligt och vardagligt språkbruk för att
förståelsekunskaperna ska bli beständiga (Andersson, 2001, s. 149). Detta ligger mycket långt ifrån de kvantitativt fokuserade prov som kännetecknar den undervisning som i det här arbetet kallas för traditionell. I det här arbetet granskas en undervisningsform som lägger stort fokus på den sortens kombination mellan vetenskapligt och vardagligt språkbruk som Andersson talar om.
Frågan är om den undervisningsform som det här arbetet granskat, precis som
styrdokumenten efterfrågar, leder till en ökad konceptuell förståelse av fysik, samt hur varaktiga de kunskaper som erhålls är. Frågan om elevers tankar kring och upplevelse av fysik är också något som tas upp i läroplanen. I LPF-94 talas det om att skolan ska uppmuntra till och ge eleverna möjlighet att föra fram egna ställningstaganden och uppfattningar (LPF-94, 1994, s. 4). Och bland läroplanens ”mål att sträva mot” kan man se att ambitionen är att elever ska få ett betydligt mer privat förhållande till kunskaper än vad vanliga prov med svar som antingen är rätt eller fel kan visa på (LPF-94, 1994, s.
9). Helt klart erbjuds eleverna möjlighet att föra fram egna ställningstaganden, och få ett privat förhållande till kunskap då de ska skriva sina egna sammanfattningar och tankar kring fysik. Påverkar detta i så fall elevers föreställningar kring och tankar om fysik på ett sätt man kan mäta? Även detta ämnar det här arbetet granska.
Teori
Här introduceras uppsatsens teoretiska grund. Teorin bakom Force Concept Inventory och MPEX survey är av största vikt för detta arbete. De undersökningar som gjorts med dessa diagnosverktyg blir referenspunkter utifrån vilka den här uppsatsens
frågeställningar kan utvärderas.
Teoretisk grund
En bakgrund till fysikdidaktisk forskning är konstruktivismen. Konstruktivism är i korthet tanken om att individen skapar sin egen kunskap, ibland individuellt, ibland utifrån en social kontext (Carlsen, 2007, s. 57). En förgrundsgestalt är Jean Piaget, som enligt en grovt sammanfattande formulering menar att ”intellektet organiserar världen genom att organisera sig självt” (citat efter Asoko, Leach & Scott, 2007, s. 32). Kunskap är alltså att betrakta som något personligt. Den här undersökningen tar sitt avstamp i tanken om att en koppling mellan det vetenskapliga och det vardagliga är gynnsam för
10
att skapa den varaktiga förståelse som styrdokumenten efterfrågar. Notera även att styrdokumenten faktiskt explicit efterfrågar just en sådan koppling. Denna tanke härstammar bland annat från Lev Vygotsky. Björn Andesson framhåller att Vygotsky menade att ”vardagliga begrepp är rika på erfarenheter, men fattiga på generalitet, systematik och förklaringsförmåga. Med de vetenskapliga begreppen är det, ur den växande människans synvinkel, tvärt om.” (Andersson, 2001, s. 13). I mötet med vardagsbegreppen kan de vetenskapliga begreppen fyllas med mening och innehåll (Andersson, 2001, s. 13).
Något som bygger på konstruktivismen är tanken om begreppsförändring.
Begreppsförändring innebär i korthet att individen hela tiden måste forma ny kunskap utifrån de koncept (den kunskap) han/hon redan bär med sig. Detta gäller framförallt inom vetenskap, där gamla koncept kanske totalt måste förkastas och ersättas av nya. I sådana fall är det viktigt att individen upptäcker att gamla tankemönster är otillräckliga och felaktiga, samt att det nya framstår som intelligent, sannolikt och användbart (Asoko, Leach & Scott, 2007, s. 36).
Naturligtvis är det inte så enkelt att man kan dela upp kunskap i avgränsade koncept, där varje givet problem kan lösas med ett specifikt konceptuellt ramverk. De
konceptuella ramverken flyter in i varandra, och interagerar. Man har alternativa, samexisterande, konceptuella ramverk inom sig. Flera av dessa utgörs av primitiva, vardagliga tumregler. En sådan tumregel kan vara principen att ”ju större ansträngning, desto större resultat”. Denna regel kan leda till alla möjliga sorters missuppfattningar.
Det gäller alltså att lära sig vilka konceptuella ramverk som är tillämpbara i olika situationer (deras avgränsningar), samt att där det behövs förfina eller utöka sina konceptioner (Asoko, Leach & Scott, 2007, s. 37-38). En vanlig källa till
missuppfattningar är exempelvis vår tendens till antropomorfism. Tydligast är detta hos barnet, exempelvis med en sol som ”vill” följa med dig, vart du än går (Piaget, 2007, s.
215). Och inom populärvetenskap kan man säga saker som att gräs inte ”vill” bli uppätet, och därför är giftigt.
Det här arbetet bygger på fysikdidaktisk forskning, som i sin tur bygger på ett konstruktivistiskt perspektiv (Redish, 2003, s. 30-36). Inom den fysikdidaktiska forskningen används både kvalitativa metoder, och kvantitativa metoder. Det man främst kommit fram till är att eleverna bär med sig en förförståelse in i undervisningen, som förhindrar en korrekt kvalitativ förståelse. De elever som inte har en korrekt kvalitativ förståelse av fysik besitter sällan några robusta, praktiskt användbara problemlösningsfärdigheter. För att komma tillrätta med elevers förförståelser krävs det att man aktivt bearbetar förförståelserna, och tydligt demonstrerar hur och när en förförståelse bidrar till felaktiga förutsägelser, samt visar upp en konception som ger bättre förutsägelser, annars lever förförståelsen lätt vidare, vad läraren än säger.
Dessutom tänker elever inte som vetenskapsmän. Det man inom den fysikdidaktiska forskningen kallar för traditionell undervisning (merparten av all fysikundervisning) lyckas dåligt med att ersätta elevers förförståelse med en mer vetenskaplig förståelse,
11
och lyckas inte skapa ett vetenskapligt förhållningssätt. Ett annat problem som tas upp är att den konceptuella förståelse som erhålls inom traditionell undervisning tenderar att vara kortvarig. Man har inom fysikdidaktisk forskning kunnat visa att viss
icketraditionell undervisning, vad man kallar för studentaktiverande undervisning, på de punkter som tas upp ovan ger ett bättre resultat än den undervisning
fysikdidaktikerna kallar för traditionell (Andersson, 2001, s. 10-11; Knight 2004, s. 3; s.
25; Redish, 2003, s. 26-27; Thacker, 2003, s. 1835-1837). Nedan förtydligas några av de nyckelbegrepp som används inom fysikdidaktisk forskning. Fokus ligger på hur de används i den här uppsatsen. Därefter beskrivs de undersökningar som gjorts inom fysikdidaktisk forskning som äger störst relevans för det här arbetet.
Förförståelse: Beth Ann Thacker menar att elever aldrig kommer till
fysikundervisningen som oskrivna blad. De bär alltid med sig någon form av
förförståelse (”naïve conceptions”, som de ofta kallas inom engelsk litteratur). Denna förförståelse kan vara korrekt eller felaktig, men den är inte vetenskaplig. Ofta rör det sig om generaliseringar kring enstaka iakttagelser (Redish, 2003, s. 26; Thacker, 2003, s.
1835). Begreppet förförståelse är för övrigt en viktig del av det man inom
begreppsförståelse kallar för koncept . Begreppsförståelsens koncept sträcker sig utöver det Redish och Thacker benämner som förförståelse såtillvida att en större del av det vi kallar kunskap innefattas av begreppsförståelsens koncept (även vetenskaplig kunskap) (Asoko, Leach & Scott, 2007, s. 36).
I det här arbetet används begreppet förförståelse så som Thacker och Redish använder det. Förförståelsen är ofta en fragmentarisk förståelse, där generaliseringar byggts upp kring enskilda iakttagelser. Dessa generaliseringar är tillämpbara för att handskas med situationer snarlika den/de ursprungliga observationerna. De kan dock leda helt fel om man betraktar en situation som är väsentligt olik den situation ur vilken
generaliseringen uppstod (Redish, 2003, s. 25-26).
Ett exempel är att alla människor förstår att det är svårare att få tunga föremål att börja röra sig. De flesta människor har en förförståelse om att samma ”källa” (en människa, en motor etc.) kommer att få lätta föremål att börja röra sig snabbare än tunga föremål.
Förförståelsen leder till att man skulle svara att lätta föremål faller snabbare än tunga.
Problemet med förförståelser uppstår när de, liksom i det här fallet, leder fel. Observera att detta inte är ett tecken på att elever är dumma. Anledningen till att vi generaliserar är att det har tjänat oss väl genom historien, och fortsätter göra det i vår vardag. Inom vetenskap, som bygger på väldigt exakta, väldefinierade relationer, kan förförståelsen dock vara till mer skada än nytta (Redish, 2003, s. 26).
Konceptuell förståelse: I det här arbetet syftar konceptuell förståelse till
generaliserade strukturer med en stor tillämpbarhet. Newtonsk mekanik utgör ett sammanhängande, konceptuellt ramverk. Förstår man Newtonsk mekanik så har man en mycket bred bas att stå på (Hestenes, Wells & Swackhammer, 1992, s. 150). Ett exempel:
Att förstå att stenar faller till jorden är inte i sig ett exempel på konceptuell förståelse.
12
Att förstå att alla föremål dras mot jorden är ett exempel på konceptuell förståelse. Man har förstått ett koncept, som är tillämpbart för problem man aldrig stött på förut.
Förförståelse är delvis ett exempel på konceptuell förståelse (förförståelse är en slags konceptuell kunskap, som kan vara felaktig) (Knight, 2004, s. 26). Problemet med förförståelsen är att man inte tydligt kan identifiera vad det är man har förstått. Det finns inga klara avgränsningar och definitioner. Med en konceptuell förståelse vet man mer om vid vilka tillfällen förståelsen är tillämpbar (Thacker, 2003, s. 1843). I det här arbetet undersöks elevers konceptuella förståelse kring Newtons lagar och klassisk mekanik (se Hestenes, Wells & Swackhammer, 1992 ,s. 142).
Traditionell undervisning: Susanne Engström använder begreppet traditionell undervisning för att beskriva en undervisning som reproducerar sig själv över
generationerna. I svenska skolan innebär detta alltsomoftast genomgång vid tavlan följt av uppgiftsräkning (Engström, 2011, s. iv; s. 94-95; s. 99-100). Randall D. Knight
definierar traditionell undervisning som lektionsbaserad undervisning med läxor och prov som mestadels, eller uteslutande, är av kvantitativ karaktär (Knight, 2004, s. 25).
Detta är den definition fysikdidaktikforskarna jobbat med, och den förefaller passa relativt bra till den undervisning Engström beskriver. Detta är således även den
definition av traditionell undervisning som används i det här arbetet: En undervisning som lägger merparten av sitt fokus på att eleverna med hjälp av formler och samband ska kunna finna numeriska svar till olika uppgifter. En undervisning där man
examineras via prov som går ut på att vid en given tidpunkt kunna svara rätt på så många frågor med numeriska svar som möjligt, prov som sedan är det huvudsakliga underlaget vid bedömning av elevens kunskapsnivå.
Kvantitativa prov: Prov där svaren är tal, som antingen kan vara rätt eller fel (se Knight, 2004, s. 25).
Konceptuell undervisning: Undervisning som syftar till att elever ska få en konceptuell känsla för fysikens lagar. Fysiken beskrivs mer i termer av hur begrepp rent
konceptuellt relaterar till varandra, än som ett nätverk av ekvationer och snäva problemformuleringar. Fysiken kopplas till elevens vardag (Hewitt, 2010, kapitlet Introduction). Undervisningen som undersöks i det här arbetet var konceptuell.
Studentaktiverande undervisning: Studentaktiverande undervisning definieras här (i korthet) som undervisning som aktivt syftar till att få eleverna att själva reflektera kring och analysera den fysik de introduceras för. En konstruktivistisk undervisning som syftar till att eleverna aktivt ska bygga upp sin egen kunskap utifrån de faktabitar och förklaringsmodeller de presenteras för på lektionerna. Detta går att göra på många olika sätt (Knight, 2004, s. 5; Thacker, 2003, s. 1841).
Force Concept Inventory (FCI)
Inom fysikdidaktisk forskning har det gång på gång visat sig att elevers förförståelse av fysik, byggd på egna iakttagelser och sunda förnuftet, är inkompatibel med våra
13
vetenskapliga modeller och iakttagelser av världen. Fysikdidaktikforskarna har dessutom kunnat fastslå att undervisning som inte specifikt arbetar med elevers förförståelse av fysik är närmast totalt ineffektiv för merparten av eleverna (Thacker, 2003, s. 1837; Hestenes, Wells & Swackhammer, 1992, s.141).
FCI (som står för ”Force Concept Inventory”) är ett framgångsrikt diagnostiskt verktyg, ett flervalsprov, framtaget (bland annat) för att undersöka hur effektiva olika
undervisningssätt är vad gäller att hjälpa fram en förståelse av grundläggande begrepp och samband inom den klassiska mekaniken. Det som behandlas är elevers förståelse av hur föremål faktiskt rör sig ute i verkliga världen. För att kunna diagnostisera
undervisningen skall samtliga elever skriva provet dels innan undervisningen startat, och dels efter att kursen är avklarad (Hake, 1998, s. 64; Hestenes, Wells &
Swackhammer, 1992, s.142; s. 150). Det som mäts är alltså hur elevens resultat på FCI- provet förändrats av undervisningen, och ju större framsteg eleverna gjort, desto effektivare var undervisningen vad gäller att skapa den grundläggande förståelse som FCI testar.
Varje FCI-fråga erbjuder fem svarsalternativ (se appendix 2), där elever får välja antingen det vetenskapligt korrekta svaret, som har stöd av oräkneliga empiriska observationer, eller någon av de fyra alternativ av vanliga, felaktiga förförståelser som eleverna bär med sig (hämtade från fysikdidaktisk forskning). FCI är designat för att heltäckande testa elevers konceptuella förståelse av grundläggande begrepp inom klassisk mekanik (krafter och rörelse). Frågorna är noggrant konstruerade på ett sådant sätt att sannolikheten ska vara liten för att eleven väljer rätt svar av fel anledningar (att eleven har en missuppfattning som leder till att han/hon väljer det korrekta svaret).
Frågorna är framtagna för att upplevas som väldigt grundläggande för den som förstår Newtons lagar. De ligger på en nivå så att lärare kan uppleva dem som alltför enkla, ändå tyder all forskning på att elever generellt har stora svårigheter med testet (Hestenes, Wells & Swackhammer, 1992, s. 142-145; s. 149). Dessa elever saknar således de grundläggande förståelsekunskaper som bl.a. svenska kurs- och läroplaner efterlyser.
Hestenes, Wells och Swackhammer menar att 80% rätt på FCI bör betraktas som en gräns där man kan börja påstå att eleverna tänker i enlighet med klassisk mekanik. Runt 60% rätt krävs för att eleverna ska kunna lösa fysikproblem på ett effektivt sätt
(Hestenes, Wells & Swackhammer, 1992, s. 146; s. 151).
Den största undersökning som gjorts med FCI var när Richard Hake i en metastudie (innefattande 6542 elever och 62 kurser) för en rad skolor sammanställde resultaten från FCI före samt efter undervisning i syfte att utvärdera olika undervisningsformers effektivitet. Den kvantitet Hake mätte för att evaluera detta är vad han kallar för
normaliserad medelvärdesförbättring (average normalized gain). Den enskilde elevens förbättring definieras som andelen rätta svar efter undervisning minus andelen rätta svar innan undervisning. Om man dividerar detta värde med den maximala förbättring som eleven skulle kunna uppnå får man en normaliserad förbättring. Att normalisera ger ett värde på hur mycket en elev har förbättrats, relaterat till hur mycket han/hon
14
maximalt kunnat förbättras. Detta innebär i praktiken att man jämställer två elever som halverat sitt avstånd till maxpoängen, oavsett vilken nivå de låg på från början. Om man inte normaliserade skulle det vara omöjligt för någon med hög poäng innan
undervisning att förbättra sig lika mycket som någon som började på en lägre nivå. Man skulle inte få jämförbara resultat. Normaliserad förbättring är alltså:
Normaliserad medelvärdesförbättring får man genom att ta medelvärdet för flera elevers normaliserade förbättring. I Hakes fall var han intresserad dels av hur
traditionell undervisning stod sig mot studentaktiverande undervisning, och dels av hur enskilda skolor presterade.
Hake upptäckte att traditionell undervisning enbart lyckades höja elevers konceptuella förståelse av den grundläggande mekanik som FCI representerar med 23% ± 4% av vad den skulle kunnat göra. Värdena på normaliserad medelvärdesförbättring för olika klasser på olika startnivåer pekade på att både de som redan kunde mycket, och de som knappt kunde någonting, fick ut förhållandevis lite av undervisningen. För
studentaktiverande undervisning låg snittet på att elever ökade sin konceptuella
förståelse med 48% ± 14% av vad de skulle kunnat göra (Hake, 1997, s. 64). Nedan visas en mer detaljerad bild av Hakes resultat.
15
Fig. 1: De heldragna, tjocka linjerna representerar normaliserad medelförbättring för traditionell
respektive studentaktiverande undervisning. HS står för Highschool, ett mellanting mellan högstadium och gymnasium. COLL står för College och UNIV står för Universitet, där college ska vara
universitetsförberedande. De streckade linjerna är Hakes indelning av vad som är att betrakta som låg normaliserad förbättring, medelmåttig normaliserad förbättring samt hög normaliserad förbättring. OBS!
Detta diagram skall inte avläsas genom att dra horisontella linjer från datapunkten till förbättrings-skalan.
Man måste dra en linje från nedre högra hörnet, genom datapunkten och mot förbättrings-skalan, och inte ens då får man ett exakt värde för Pretest-skalan är lite avklippt i början (den börjar på 15). De redan utritade, sluttande linjerna är din bästa hjälp att tolka figuren.
Som synes i figur 1 så spelar utbildningens nivå, eller elevers startnivå i princip ingen roll för hur stor elevernas förbättring blir (Hake, 1997, s. 65-66). Förutom detta visade Hake att det fanns en stark korrelation mellan att prestera bra på FCI och att kunna lösa kvantitativa fysikproblem (Hake, 1997, s. 68). Notera dock att man kan vara duktig på att lösa kvantitativa problem utan att prestera bra på FCI. Konceptuell förståelse är till hjälp när man löser kvantitativa fysikproblem, men man kan vara duktig på att lösa kvantitativa problem utan att ha någon större konceptuell förståelse.
Rent statistiskt visar Hakes undersökning med väldigt hög säkerhet att
studentaktiverande undervisning är bättre på att skapa konceptuell förståelse (och beräkningsfärdigheter) hos elever än vad traditionell undervisning är. Hake identifierar ett flertal möjliga felkällor; svårighet att förstå frågorna, att lära ut till testet, samt hur lång tid läraren har lagt på mekanik. Hake konstaterar att dessa felkällor i genomsnitt borde påverka traditionell och studentaktiverande undervisning lika.
Den största felkällan har förmodligen att göra med psykologiska faktorer. Hake samlade in sitt underlag genom att be lärare att skicka FCI resultat från sin egen undervisning till honom. Det verkar sannolikt att det finns lärare som låtit bli att skicka in resultat som varit pinsamt dåliga. Detta skulle troligen leda till en än större skillnad mellan
effektiviteten i traditionell och studentaktiverande undervisning (Hake, 1997, s. 65).
Ett svenskt arbete som utgått från FCI är John Lantz examensarbete Bilder av fysik. Lantz har bl.a. undersökt korrelationen mellan hur bra elever presterar på ”vanliga”
provbanksprov och hur bra de presterar på FCI (provbanken är en stor databas av provuppgifter som används inom många skolor). Undersökningen använder alltså inte FCI som ett diagnostiskt verktyg för att se hur effektiv undervisningen är, utan för att se om en elev som presterar bra på vanliga prov presterar bra på FCI. Lantz kommer fram till att på de fyra skolor som deltog i undervisningen (totalt 128 elever) så kunde resultaten på vanliga prov knappt säga någonting om hur elever skulle prestera på FCI.
En elev som skriver MVG på ett konventionellt prov kan mycket väl få samma FCI-poäng som någon som bara gissar på frågorna. Lantz menar att traditionella prov generellt inte mäter konceptuell förståelse (Lantz, 2007, s. 1; s. 15).
MPEX survey
En annan sak som visats påverka hur väl elever tar till sig fysikundervisning är deras föreställningar om vad fysik är, och vad som är viktigt att ta till sig i undervisningen. Det
16
är mycket allvarligt om det finns ett stort glapp mellan vad studenter tror de bör göra, och vad deras lärare (och kursplanerna) förväntar sig att de ska göra. Även MPEX survey är ett diagnostiskt verktyg, i det här fallet för att ta reda på hur studenters föreställning om fysik och fysikundervisning egentligen ser ut (Redish, Saul & Steinberg, 1997, s. 212;
s. 214).
Det forskarna är intresserade av är följande: 1) Tror eleven att det krävs egen
ansträngning och tankemöda, eller att det bara går att enkelt snappa upp det som sägs på undervisningen? 2) Tror eleven att fysik är ett löst nätverk av en massa faktabitar, som det gäller att lära sig utantill, eller har han/hon en känsla av att allt hör samman som små pusselbitar som utgör en större, överblickbar helhet? 3) Tror eleven att fysik handlar om ett matematiskt nät av formler, där huvudsaken är att hitta rätt formler att använda och få fram rätt svar, eller att formlerna bara är till för att beskriva något annat, världen? Tycker de att fysik är intimt kopplat till deras erfarenheter även utanför
skolan? (Redish, Saul & Steinberg, 1997, s. 214).
Frågeformuläret är framtaget för att snabbt kunna ge en inblick i hur utbredda vissa föreställningar (som undersökts mer på djupet via intervjuer inom fysikdidaktisk forskning) är. Formuläret består av ett antal påståenden, som det är upp till den som deltar i undersökningen att antingen hålla med om, inte hålla med om eller förhålla sig neutrala till (se appendix 3). Dessa svar ställs sedan i relation till vad en stor grupp av experter (lärare) säger sig vilja att deras studenter skulle svara. Där det som elever faktiskt tänker sammanfaller med vad lärare hoppas att de ska tänka menar man i undersökningen att eleverna har en fördelaktig inställning. Där elev och
lärarförhoppning är motsatta menar man att elever har en ofördelaktig inställning (Redish, Saul & Steinberg, 1997, s. 213-214). Ett problem som tas upp som bakgrund är att en tidigare undersökning visat att den ”fördelaktiga” inställningen ofta inte är en bra strategi för att klara sig igenom enskilda kurser. Där är det den ”ofördelaktiga”
inställningen som leder till framgång (Redish, Saul & Steinberg, 1997, s. 215).
Redish, Saul och Steinberg var bland annat ute efter att visa dels hur studenters tankar och förväntan kring undervisning varierade för studentaktiverande respektive
traditionell undervisning, samt att visa hur undervisningen påverkar sagda tankar och förväntningar. Deras undersökning visar att det finns ett visst stöd för att
studentaktiverande undervisning ger elevattityder som bättre stämmer överens med vad lärare skulle önska. Undersökningen visar vidare att studenter innan undervisning (i allmänhet) väljer i enlighet med vad lärare skulle önska, fördelaktiga svar, ca 50-60%
av gångerna, och väljer motsatta alternativen, ofördelaktiga svar, ca 15-30% av
gångerna. Efter avslutad undervisning var det konsekvent så att elever blev påverkade i negativ riktning (uppemot 10 procentenheter) (Redish, Saul & Steinberg, 1997, s. 212; s.
217-218; s.221).
17
18
Metodologi
Det här arbetet undersöker resultaten av en undervisningsform där åtminstone en parameter är radikalt annorlunda relativt det som här kallas för traditionell
undervisning, nämligen examinationsformen. Den examinationsform som använts fokuserar på att elever skriftligt ska kunna verbalisera konceptuell förståelse (såsom att kunna beskriva vardagen med hjälp av kunskaper i fysik). För att erhålla
undersökningsresultat används flervalsfrågeverktygen FCI och MPEX Survey.
Med hjälp av tidigare undersökningar utgående från samma diagnostiseringsverktyg kommer den här undersökningens resultat att kunna jämföras med en stor mängd tidigare data. Det har tidigare visat sig att det som i den här undersökingen kallas för traditionell undervisning ger anmärkningsvärt dåliga resultat, sett till konceptuell förståelse (Hake, 1997, s. 65-66). Det har också visat sig att elevers tankar kring fysik påverkas negativt av fysikundervisning (både inom traditionell och studentaktiverande fysikundervisning) (Redish, Saul & Steinberg, 1997, s. 212; s. 217-218; s.221).
Val av metod
Huvudsakligen utgår arbetet från kvantitativa metoder, där redan befintliga diagnostiska verktyg har använts. Detta gör det enkelt att jämföra resultaten med tidigare empirisk forskning. Om man utgår från konkret statistik, utan större utrymme för tolkningsmöjligheter, så har man ett kraftfullt redskap för att med stor säkerhet uttala sig om verkligheten. Världen är dock inte svartvit. Problemet är att en kvantitativ undersökning alltid vilar på, och innefattar, kvalitativa premisser. Den här
undersökningen gör det definitivt. Följande citat av Rodney Åsberg belyser poängen:
Fenomenens egenskaper kan vi säga är av bland annat kvantitativ eller kvalitativ art och de speglas i numeriska (kvantitativa) eller icke-numeriska (kvalitativa) data. Men de metoder genom vilka data skapas kan inte
karakteriseras i denna mening, eftersom sättet man samlar in data genom vare sig kan vara kvalitativt eller kvantitativt. Lika lite som min
undervisningsmetod i någon mening skulle kunna vara kvantitativ därför att jag undervisar om matematik och kvalitativ därför att jag undervisar om livsåskådningsfrågor (Åsberg, 2001, s. 274).
De kvantitativa data som insamlats vore meningslösa om arbetets frågeställningar inte grundade sig på omfattande kvalitativ forskning. I det här fallet har det kvalitativa arbetet i huvudsak redan blivit utfört. Arbetet lånar kvantitativa verktyg som lutar sig mot (bitvis) kvalitativ fysikdidaktisk forskning som sträcker sig decennier bakåt i tiden (Hake, 1997, s. 64; Redish, Saul & Steinberg, 1997, s. 212). Sammanfattningsvis:
metoden för den här undersökningen är kvantitativ, med resultat som är kvantitativt självklara. Men anledningen till att dessa kvantitativa redskap har valts är att deras teoretiska premisser bedömts som meningsfulla.
19
Det är alltså en premiss för arbetet att den kvalitativa forskning som FCI och MPEX survey vilar på har något relevant att säga om skolundervisning. Hestness, Wells och Swackhammer pekar på att den generella inställningen hos amerikanska fysiklärare är att FCI-frågorna är alldeles för grundläggande, sådant som eleverna bara ska kunna, och de svar som anses vara tillfredställande i MPEX survey är vad fysiklärare vill att eleverna ska svara (Hestenes, Wells & Swackhammer, 1992, s.142; Redish, Saul & Steinberg, 1997, s. 215).
För att höja validiteten genomfördes intervjuer av fyra Waldorfelever i syfte att problematisera diagnosverktygets giltighet (FCI). Intervjuerna filmades och analyserades, en kvalitativ analys av arbetets kvantitativa data.
De svenska kursplanerna ger en fingervisning om att uppsatsens resultat även är relevanta här i Sverige. I den kontext skolan verkar bygger undersökningen således på goda premisser, och ger ett förhållandevis självklart resultat utifrån dessa (ju högre normaliserad medelförbättring en viss undervisningsform ger, desto bättre). Risken ligger i utförandet av undersökningen (bland annat i att osäkerheten blir långt större för en enskild, liten undersökning, än för en stor metaundersökning).
Urval
Till undersökningen används data från en gymnasieetta på tolv elever. För att besvara den första frågan, i enlighet med principerna för FCI, räknas bara de tio som gjorde FCI både före och efter undervisningen. Av dessa har de fyra elever som läste vidare fysik även fått göra provet en tredje gång, drygt tio månader efter att de senast hade
fysikundervisning. Dessa fyra elever har dessutom intervjuats angående provet efter att de sista gången skrivit det. Undersökningen inkluderar även FCI-statistik om man
exkluderar de elever som missade minst 25% av undervisningen (två stycken), eftersom detta kan ge en sannare bild av undervisningens effektivitet. Samma princip gäller för resultaten från MPEX survey, där de sju elever som svarade både före och efter
undervisning användes.
Den skola FCI-resultaten i första hand jämförs med är en traditionell highschool i Arizona med drygt 600 elever. Arizonaeleverna hade närmast identiska resultat med eleverna i den här undersökningen inför undervisning (även om det, vilket Hake påvisat, inte bör påverka vilken normaliserad medelvärdesförbättring eleverna får). Även Hakes metaanalys används som jämförelse.
Process
I princip följs processen från de undersökningar som gjorts med de två diagnosverktyg arbetet lutar sig mot, FCI och MPEX survey. I samtliga fall skall diagnosverktygens frågor besvaras genom att eleven ringar in sitt valda svar, eller skriver ner ett nummer mellan ett och fem (se appendix 2 och 3). För FCI finns det bara ett rätt svar på varje fråga, och för MPEX survey delas svaren in i fördelaktiga, ofördelaktiga och neutrala enligt
numeriskt självklara definitioner. De numeriska resultaten för en korrekt skriven diagnos blir således ovedersägliga. I vilken mån samma elev skulle svara på samma sätt
20
om diagnoserna gjordes upprepade gånger är svårt att säga. I fallet FCI bör det påpekas att fysikdidaktisk forskning kommit fram till att elevers förförståelser är ytterst robusta, samt att de olika diagnossvaren bygger på de vanligaste förförståelser som elever har med sig in i fysikundervisningen (Andersson, 2001, s. 11; Hestenes, Wells &
Swackhammer, 1992, s.141, Redish, 2003, s.26). Reliabiliteten borde vara mycket hög för FCI. Vad gäller MPEX survey torde reliabiliteten för en liten grupp vara lägre. Hur man känner/tänker inför olika påståenden kan vara mer flytande (Redish, 2003, s. 97).
Till det här arbetet användes en något nerskuren, översatt variant av FCI, samt en nerskuren, översatt variant av MPEX survey (de frågor som ställdes återfinns i appendix 2 och 3). Frågorna valdes med ambitionen att få en representativ spridning över de olika aspekter respektive diagnosverktyg undersöker. Frågorna delades ut till eleverna vid första och sista lektionstillfället. Runt 50% av frågorna användes, och endast
korresponderande bitar (samt till viss del helhetsintrycket) har jämförts (anledningen till att korta ner diagnosverktygen var att säkerställa att de skulle hinnas med). FCI- resultaten jämfördes som sagt med en highschool i Arizona. Även Hakes metaanalys användes, eftersom Arizonaelevernas poängandel knappt förändrades på detta arbetes urval av frågor relativt hela provet. Detta arbetes urval av frågor ger Arizonaeleverna ett snitt på 26,6% rätt på provet, inför undervisning. Deras snitt för hela provet, inför
undervisning, låg på 27%. Efter avslutad undervisning svarade Arizonaeleverna i snitt rätt på 45% av frågorna i det här arbetets urval. Deras snitt på hela provet efter avslutad undervisning låg på 48%.
Här följer en beskrivning av själva undervisningsförloppet. Observera att den här uppsatsens författare även var lärare på skolan ifråga vid tiden för undersökingen.
Uppsatsförfattaren hade således en god inblick i undervisningens struktur. Det är dock inte själva läraren och hans val som är i fokus. Elevernas lärare kommer därför att betecknas som ”läraren” i fortsättningen, trots att läraren och uppsatsförfattaren är samma person.
Det hela rörde sig om en undervisningsperiod på tre veckor, med dagliga lektioner på en och en halv timme. Första lektionen fick eleverna skriva FCI och MPEX survey. Andra lektionen diskuterades FCI-resultatet utifrån statistik över vilka felaktiga förförståelser som var särskilt utbredda i klassen (som t.ex. att två stenar som väger olika mycket faller olika fort). Där det var möjligt försökte läraren utmana elevernas felaktiga
förförståelser med hjälp av enkla demonstrationer. Läraren undvek att diskutera utifrån svaret på frågor.
Under periodens gång behandlades följande ämnen: historisk astrologi, Galileis tröghetskoncept, Newtons tre lagar, begreppet rörelsemängd, begreppet moment, energibegreppet, Newtons gravitationslag (cirkelrörelser, satelliter, tidvatten etc.). I princip utgick undervisningen från upplägget i Paul G. Hewitts bok Conceptual Physics.
Boken är rik på analogier, och exempel från livet och vardagen. Tanken är att eleverna ska få en konceptuell känsla för fysiken bakom ekvationer och problemformuleringar.
21
Att kunna koppla fysiken till sin vardag (Hewitt, 2010, kapitlet Introduction).
Undervisningen var mestadels förståelseinriktad. Fokus låg inte på beräkningar, men det förekom en hel del beräkningar och bevis. Eleverna fick under periodens gång genomföra beräkningar av rutinkaraktär. Ett flertal av principerna som presenterades demonstrerades, och eleverna involverades genom att uppmuntras till att försöka knyta an fysiken till sina tidigare erfarenheter (av att cykla, ramla, sätta saker i rörelse etc.).
Läraren var tydlig med att eleverna var tvungna att knyta an fysiken till sina egna
erfarenheter och världen i stort då de skrev sina examinationshäften. Vid varje veckoslut begärde läraren in kopior av elevernas anteckningar för att kunna ge feedback och kontrollera att de studerade kontinuerligt.
Vid sista lektionen fick eleverna skriva FCI (med frågorna presenterade i omvänd ordning) och MPEX survey igen. Läraren ställde lite spontana frågor kring det fåtal felaktiga svar som valts av en majoritet av eleverna. Elevernas svar nedtecknades. De flesta av eleverna hade inte skrivit sina examinationshäften inför sista lektionen. Detta var heller inte något läraren hade krävt, med motiveringen att det är bra att få bearbeta materialet utifrån ett helhetsperspektiv. Tanken var att de skulle lämna in sina häften direkt efter helgen (men de flesta lämnade in betydligt senare än så, 3-7 dagar efter undervisningens slut). En elevbearbetning av undervisningsmaterialet skedde alltså även efter sista lektionen.
Det som skiljde undervisningen från den traditionella (amerikanska och svenska) undervisningen är att den inte i första hand strävade efter att eleverna skulle bli duktiga på att lösa fysikproblem (se Knight, 2004, s. 25). Vid undervisningen pågick ett aktivt arbetat med elevers förförståelser av fysik, vilket i tidigare undersökningar visat sig vara så viktigt (Hestenes, Wells & Swackhammer, 1992, s. 141; s.151). Att kunna lösa
fysikproblem riskerar att bli till den slumpvisa ekvationsjakt som Randall Knight talar om, och att främst fokusera på problemlösning blir då ett dåligt sätt att erhålla de kunskaper som efterfrågas av kursplanen för fysik A, och som behövs för att kunna lösa FCI (Knight, 2004, s. 1-2). Eleverna i undersökningen visste dessutom hela tiden om att de skulle bli tvungna att skriva en reflekterande, självständig text om den fysik de gått igenom.
Det som undersökningens normaliserade medelvärdesförbättring faktiskt visar (såvida man kan lita på resultatet) är effektiviteten hos den undervisning som beskrivits ovan, där eleverna ännu inte har skrivit sina examinationsarbeten. Vid sammanställningen av arbetets data användes flera olika sätt; tabeller av hur elev för elev gjorde ifrån sig på FCI och svarade på MPEX survey (hur de svarade på fråga efter fråga) före och efter undervisning, tabeller över procentandelen elever som valde varje givet svarsalternativ på varje fråga i FCI före och efter avslutad undervisning (samt en motsvarande tabell för hur drygt 600 elever från en highschool i Arizona svarat på de utvalda frågorna, för att kunna jämföra fråga för fråga). Alla tabellerna finns inte representerade i detta arbete.
Naturligtvis sammanställdes även elevernas normaliserade medelvärdesförbättring
22
enligt samma princip som Hake använde, och det noterades hur stor procentandel av eleverna som svarade fördelaktigt respektive ofördelaktigt på frågorna i MPEX survey.
Slutligen fick de fyra av eleverna som läste vidare fysik i tvåan på gymnasiet göra FCI- provet igen, efter att ha haft ett uppehåll från fysik på drygt tio månader. Efter att de gjort provet denna tredje gång genomfördes personliga intervjuer med varje elev.
Intervjuerna handlade om hur de tänkt kring varje fråga. Syftet med intervjun var att upptäcka eventuella svagheter med analysverktyget av relevans för just den här undersökningen. Samtalen filmades (utan att eleven var i bild), och analyserades fråga för fråga. De fall där elever uppvisade en större, eller mindre, förståelse än vad som kunde utläsas ur svaret på frågorna presenteras som muntliga data, och ligger till grund för en diskussion om analysverktyg och teori. Varje intervju tog runt en halvtimme.
Innan intervjun fick eleverna läsa en kort villkorstext kring intervjun, som de fick godkänna. Texten försäkrade eleverna om att intervjun enbart skulle användas i vetenskapligt syfte, att de skulle vara anonyma, att de när som helst kunde avbryta intervjun, samt informerade dem om intervjuns syfte;”… att upptäcka eventuella svagheter i, och giltigheten hos, det diagnostiska prov du skrivit” (se appendix 1).
Validitet, fruktbarhet
Själva undersökningsmetoden är, vilket framförts tidigare, vetenskaplig förutsatt att de arbeten den baserar sig på är det. Det finns en hel del att anmärka på vad gäller
analysverktygen (se resultatdiskussionen), men vid en metaanalys av det slag Hake använt sig av vore det orimligt att hävda att FCI inte påvisar en markant skillnad mellan det han kallar traditionell och det han kallar studentaktiverande undervisning.
Angående relevansen i att jämföra arbetets resultat med amerikanska resultat så bör det påpekas att svensk undervisning generellt är förhållandevis traditionell, enligt
definitionerna i detta arbete och utifrån Engströms undersökning (Engström, 2011, s. iv;
s. 99; s. 100; s. 101; s. 114). Dessutom påvisar Andersson att samma sorts missuppfattningar som FCI är uppbyggt kring även är utbredda inom svensk
fysikundervisning (Andersson, 2001, s. 204; s. 222-226). I ett examensarbete påvisar Tommy Dalmo samma sak (Dalmo, 2009, s. 10-18). Dessutom visade sig
Waldorfeleverna ligga på en närmast identisk startpunkt som eleverna i en amerikansk highschool.
Vid en liten undersökning, som den här, är risken för icke-representativa utslag från svagheter i analysverktyget betydligt mer problematiska. Dessutom finns en risk att undersökningen har utförts på ett sätt som är icke-representativt, men den största faktorn är förmodligen ändå den statistiska osäkerheten. Det här arbetet kan ses som ett starkt indicium, som understödjs av och understödjer tidigare forskning. På egna ben är arbetets resultat inte tillräckligt starka för att med säkerhet besvara arbetets
frågeställningar.
23
Den statistiska osäkerheten inom en standardfördelning är hög, vilket den är inom alla elevgrupper, oavsett storlek. I kombination med att elevantalet var så litet ger det dock en relativt stor effekt ifall man skulle byta ut en ”duktig” elev mot en mindre ”duktig”.
Om man bytte ut eleven med högst förbättring mot en elev med samma resultat som den som hade lägst skulle resultatet bli runt 17% lägre (17% högre om man gjorde det omvända bytet). En så här liten undersökning är naturligt nog känslig för variationer i elevsammansättning.
Arbetets övergripande resultat vad gäller fråga 1 torde dock vara pålitliga, eftersom det finns väldigt gott om marginal relativt de resultat som påvisats för traditionell
undervisning (bland annat en drygt 100% högre normaliserad medelvärdesförbättring).
Vad gäller fråga 2 är resultaten mindre pålitliga.
Man skulle således kunna hävda att arbetet äger vetenskaplig relevans. Resultaten skulle med fördel kunna användas vid framtida metasammanställningar, och även en antydan om ett resultat kan vara en inspirationskälla till att forska vidare kring vissa frågor, samt tjäna som underlag vid diskussioner. Om man förutsätter att resultaten faktiskt, i grova drag, är pålitliga, så visar resultat från fysikdidaktisk forskning och resultat framställda av Sandström-Madsén och Andersson att de (utifrån kursplanen) goda resultaten sannolikt har med undervisningens struktur att göra (vilket ”besvarar” arbetets frågeställningar).
Summering
Det här arbetet baserar sig på en kvantitativ undersökning som baserar sig på
ställningstaganden och slutsatser som är väl förankrade inom fysikdidaktisk kvalitativ forskning. Det som faktiskt mäts (hur undervisningen har påverkat elevers konceptuella förståelse av mekanik, samt deras tankar kring fysik) ger inte ett entydigt svar på
arbetets frågeställningar. Det är dock osannolikt att anta att samma resultat skulle ha erhållits även om undervisning varit traditionell.
24
Resultat
Undersökningen påvisade markanta skillnader relativt jämförelsegrupperna. Arbetets initiala frågeställningar var:
Om man utgår från en undervisning som 1) lägger merparten av sin tid på att skapa konceptuell förståelse, till skillnad från problemlösningsfärdigheter, 2) fokuserar på elevers förförståelser, och som 3) slutligen ska mynna ut i en examination via
förståelseinriktat skrivande,
1) hur påverkar en sådan undervisning, på kort och lång sikt (i det här fallet tio månader), elevers konceptuella förståelse av fysik?
2) hur påverkar en sådan undervisning elevers tankar kring, och upplevelse av, vad fysik är, och vad det innebär att lära sig fysik?
Fråga 1, resultat
Här presenteras data rörande fråga 1. Observera att provfrågorna finns tillgängliga i appendix 2. En viktig del av den här undersökningen är möjligheten att jämföra numeriskt erhållna data med data från tidigare forskning. För enkelhets skull
presenteras data från undersökningens jämförelsegrupp (Arizonaeleverna) i samma tabell som de data som erhållits till den här undersökningen.
Tabeller, fråga 1
Waldorfeleverna och Arizonaeleverna inför undervisning
Fråga A (%) B (%) C (%) D (%) E (%)
Wal Ari Wal Ari Wal Ari Wal Ari Wal Ari
1 20 11 20 8 60 45 0 27 0 9
2 60 73 10 3 0 1 0 3 30 21
3 60 21 20 19 10 6 10 48 0 7
4 30 13 50 42 10 16 0 10 10 19
5 10 2 40 31 50 55 0 9 0 3
6 20 10 0 13 20 34 10 6 50 38
7 20 27 60 63 10 8 10 1 0 1
8 10 19 80 35 0 31 0 2 10 13
9 0 1 10 40 10 8 60 43 20 8
10 20 16 0 7 10 8 30 41 30 28
11 0 29 0 7 50 42 30 6 0 16
12 40 40 40 21 20 13 0 26 0 0
13 0 10 10 23 30 23 40 25 10 19
14 20 24 0 30 30 10 40 28 0 8
15 10 17 0 23 20 16 40 38 30 6
Fråga A (%) B (%) C (%) D (%) E (%)
Tabell 1: En redovisning av hur eleverna i de olika skolorna i genomsnitt presterade på de olika frågorna inför undervisning, det man ser i tabellen är procentandelen elever som valde varje alternativ. Wal står för
25
Waldorfeleverna, medan Ari står för Arizonaeleverna. Det korrekta alternativet är markerat i rött och är understruket. Tabellen innehåller data för de tio Waldorfelever som skrev FCI både innan och efter undervisning, samt för 612 elever från en vanlig Highschool i Arizona. Notera att det var vissa frågor som inte besvarades av alla Waldorfeleverna.
Det man kan säga om tabellen är att förutsättningarna inför undervisning i dessa två skolor (Waldorfskolan och Arizonaskolan) var ganska lika. I båda fallen svarade eleverna rätt på ca 26% av frågorna (ca 4 rätt av 15). I båda fallen hade eleverna förhållandevis lätt för att förutsäga hur saker faktiskt faller och rör sig i kastbanor (frågorna 1, 3, 4 och 7), även om Waldorfeleverna var snäppet bättre. Arizonaeleverna svarade dock något bättre i övrigt (då man mer specifikt skulle tala om krafter). Det var flera frågor där ingen av Waldorfelever svarade rätt, detta är säkert delvis en följd av det lilla statistiska urvalet (10 elever jämfört med 612 elever). Notera att 26% bara är aningen bättre än om man skulle gissat på varje fråga. Då skulle man i snitt haft 20%
rätt. Måhända värt att notera att de Waldorfelever som svarade rätt på fråga 2, som berör Newtons tredje lag, svarade fel på fråga 9, som också berör Newtons tredje lag (och vice versa). Nedan följer information om hur siffrorna förändrades efter
undervisning:
Waldorfeleverna och Arizonaeleverna efter undervisning
Fråga A (%) B (%) C (%) D (%) E (%)
Wal Ari Wal Ari Wal Ari Wal Ari Wal Ari
1 0 7 0 4 100 75 0 11 0 3
2 0 66 0 1 0 0 0 0 100 33
3 90 35 10 22 0 5 0 35 0 3 4 0 4 80 72 0 6 10 3 10 15
5 0 6 0 14 90 48 10 30 0 1
6 10 17 20 28 50 39 10 3 10 13
7 10 9 90 88 0 3 0 1 0 0
8 20 16 0 18 70 60 0 2 10 5
9 0 0 0 8 10 6 0 53 90 33
10 30 23 0 3 10 6 20 31 40 38
11 0 19 0 5 40 32 60 37 0 8
12 0 26 0 15 0 11 100 47 0 0
13 0 4 10 20 10 28 40 26 30 22
14 0 32 10 38 0 4 90 20 0 5
15 0 14 0 15 10 28 90 40 0 3
Fråga A (%) B (%) C (%) D (%) E (%)
Tabell 2: En redovisning av hur eleverna i de båda skolorna i genomsnitt presterade på de olika frågorna efter undervisning. Principen är densamma som för tabell 1.
Waldorfeleverna uppvisar fortfarande att de har problem med grafiska representationer av kontinuerlig rörelse (fråga 10 och 11), samt eventuellt hur acceleration påverkar en kropp i rörelse (fråga 13 och 14). Mer om detta senare. På de frågor som rör Newtons
