Newtons kraftlagar – från ord till begrepp med interaktiva metoder

(1)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

Examensarbete med ämnesdidaktisk inriktning vid VAL-programmet 1

Newtons kraftlagar – från ord till begrepp med interaktiva metoder

Linus Ryderfors

(2)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

Innehåll

Sammanfattning ... 4

Inledning ... 4

Syfte ... 5

Bakgrund ... 5

Interactive engagement metoder – översikt ... 6

Metod ... 8

Studiens urval ... 9

Etiska aspekter på elevers medverkan ... 9

Diagnostiskt prov ... 9

Intervjuer ... 10

Intervjumetodik ... 10

Interaktion ... 11

Genomförande ... 11

Resultat ... 11

Elevernas resultat på förtest och eftertest ... 11

Analys av elevernas förförståelse ... 12

Interaktion ... 17

Interaktion 1 Galileis fallexperiment ... 17

Interaktion 2 Kasta snöboll ... 17

Interaktion 3 Pyramiderna 1 ... 17

Interaktion 4 Pyramiderna 2 ... 18

Eftertest ... 18

Diskussion ... 22

Utvärdering av diagnostiska proven ... 22

Hermeneutisk analys av elevernas svar på förprovet ... 25

Vad kan man säga om lärandet av koncepten då? ... 26

Elevernas utvärdering av kursen ... 27

Slutsatser ... 28

Litteraturlista ... 30

Bilaga 1 Etiska aspekter på elevers medverkan ... 32

Intervjuplan ... 32

Workshop-plan ... 33

(3)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

Efterarbete-plan ... 33 Bilaga 2 Utvärdering ... 34

(4)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

Sammanfattning

Elevers konceptuella förståelse för begrepp som kraft och rörelse studeras inom ramen för Fysik 1 vid en gymnasieskola . Ett diagnostiskt prov togs fram och genomfördes före och efter genomgången kurs. Under kursen betonades interaktiva moment och fyra stycken interaktiva workshops

utvecklades där eleverna mötte koncepten i praktiken. Intervjuer och statistisk analys av resultaten på det diagnostiska provet före och efter kursen visar att eleverna tillägnat sig koncepten ovanligt väl under kursen.

Inledning

Galileis rörelselagar och Newtons mekanik brukar betraktas som epokgörande i uppkomsten av det moderna naturvetenskapliga paradigmet. Må så vara att de båda teorierna kanske inte har bidragit till en begreppslig omstrukturering om vårt sätt att tänka om naturen, vare sig under deras samtid eller idag (Shapin, 2000). Teorierna illustrerar fysikens metodik i att de är förenklande, renodlat deskriptiva matematiska modeller av verkliga fenomen. Newton lade fram sina tre lagar om kroppars rörelse redan 1687 och de tolkas vanligen så här:

Newtons första lag – tröghetslagen

En kropp bibehåller sin rörelse i konstant hastighet eller vila så länge den inte påverkas av några resulterande yttre krafter.

Newtons andra lag – kraftlagen

En kropp med massa m som påverkas av en resulterande yttre kraft F, kommer att ändra sin rörelse i kraftens riktning genom att få en acceleration a i kraftens riktning så att F = m*a

Newtons tredje lag – lagen om växelverkan

Om en kropp påverkar en annan kropp B med kraft, så verkar även B på A med en kraft som är lika stor men motriktad

Metodiken ger mätbara och empiriskt prövbara modeller av naturen. Fysiken är den positivistiska vetenskapen par excellence. Newtons mekanik har reviderats på avgörande sätt under

nittonhundratalet, mest bekanta är kanske kvantmekaniken och relativitetsteorin, men ger likväl fortfarande en extremt framgångsrik beskrivning av världen som tjänar vetenskapens, teknikens och i mycket även människans bästa. Det är till exempel Newtons mekanik som beskriver den fysik som gjorde det möjligt att skicka människor fram och tillbaks till Månen med livet i behåll. När elever börjar studera fysik på allvar i gymnasiet måste de lära sig ett antal nya begrepp som fysiken introducerar. Det rör sig om ord som kraft, arbete, energi, hastighet, impuls, laddning, spänning, ström, med mera- ord som även har en betydelse i vardagsspråket med ett visst mått av

mångtydighet. Orden har i fysikens modeller emellertid en väldefinierad innebörd som elever måste tillägna sig. Då har orden blivit till begrepp, vilka låter fysikern tala om vissa aspekter av världen på ett väldefinierat och mätbart sätt. Men det är inte bara det att den unga fysikeleven skall tillägna sig

Figur 1. Newtons tre kraftlagar. Resulterande kraft är summan av alla krafter som verkar på ett föremål.

(5)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

dessa begrepp och modeller. Hon har dessutom egen erfarenhet att uppleva och tolka fenomenen i världen, och måste lära sig att begränsa sitt seende omtolkat med fysikerns begrepp. De första studierna inom fysikens didaktik under 1980-talet visade att amerikanska studenter och elever på såväl universitet, college och high school hade väldigt svårt att tillägna sig koncepten i Newtons mekanik (Halloun & Hestenes, 1985a, b). Oavsett om eleverna eller studenterna klarade kursen galant eller inte, så presterade majoriteten väldigt medelmåttiga resultat på en uppsättning grundläggande frågor av konceptuell karaktär. En starkt bidragande orsak till situationen som identifierades var att undervisningen traditionellt gick direkt in på fysikers sätt att se världen. Men elevernas vardagsförståelse av fysikens fenomen var ofta djupt rotade, såväl språkligt som

erfarenhetsmässigt. Denna vardagserfarenhet gick stick i stäv med en fysikers sätt att se världen. Det hela ledde till en reform inom det amerikanska utbildningsväsendet där många elevinteraktiva metoder utvecklades vilka var bättre lämpade för att tillägna sig fysikens koncept(Hake, 2002). I Sverige fanns i början av 2000-talet ett initiativ i samma anda vid Göteborgs Universitet som hette NORDLAB-SE (http://idpp.gu.se/intresseomraden/naturvetenskap-och-teknik/resurser-for-

larare/nordlab.se). Projektet skulle på ämnesdidaktisk basis bidra till utveckling av naturvetenskaplig undervisning och lärarutbildning i Sverige. Forskarna utvecklade en omfattande serie av 23 stycken workshops som syftade till att underlätta för lärare att bedriva intresseväckande undervisning som ger varaktiga kunskaper. För att nå detta syfte ansågs undervisning om naturvetenskapens koncept viktiga och två stycken av workshopsen tog upp Newtons kraftlagar(Andersson et al., 2003). Den här uppsatsen vill ta upp tråden från den pedagogiska reformen med interaktiva metoder och NORDLAB- SE, och undersöker förförståelse, undervisning och lärande av koncepten i Newtons kraftlagar hos svenska gymnasieelever idag inom ramen för Lgy 11.

Syfte

Syftet med studien var att undersöka svenska gymnasieelevers konceptuella förståelse av vardagliga mekaniska situationer om kraft och rörelse och hur denna utvecklas efter undervisning i fysik inom ramen för Lgy 11. Forskningen hade för avsikt att bidra till kunskapsläget kring svenska

gymnasieelevers förförståelse kring koncepten i Newtons kraftlagar. Jag ville vidare utarbeta ett antal interaktiva workshops att använda i en interaktionsfas där eleverna möter koncepten i praktiken.

Intresse låg även i att bedöma hur eleverna sedan förmådde tillägna sig dessa koncept jämfört med vad som tidigare rapporterats i litteraturen.

Bakgrund

Fysikalisk problemlösning har länge betraktat som den viktigaste förmågan att bibringa elever och studenter i grundkurser i fysik på gymnasienivå och universitetsnivå(Redish & Steinberg, 1999).

Framgångsrika strategier vid problemlösning identifierades som en god förståelse av fysikens koncept, en god förståelse för hur olika delar av fysiken hänger ihop, samt rätt kognitiv attityd.

Kunskap om fysikens begrepp och modeller har idag flyttats upp som ett av fem syften med ämnet fysik i svenska gymnasieskolan och som står på jämbördig fot med förmåga till problemlösning i den senaste ämnesplanen i Lgy 2011 (Skolverket, 2011). Det är välbelagt att konceptuella begrepp från fysikens samtliga områden är svåra att tillägna sig för studenter på alla nivåer (Halloun & Hestenes, 1985a, b; Hake, 1992; Redish & Steinberg, 1999; Bernhard, 2000). Elever har byggt upp en bank av vardagserfarenheter och orden som fysiken lånat till sina begrepp är behäftade med konnotationer

(6)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

som lite att göra med det en fysiker menar i sin snäva väldefinierade mening av ordet. För att mäta studenters lärande av de konceptuella begreppen har det utvecklats diverse diagnostiska test som tar upp konceptuella frågor. Test kallade Mechanics Diagnostics (MD) utvecklades av Halloun och Hestenes i USA för att testa konceptuell förståelse av Newtonsk mekanik under 1980-talet (1985a,b).

Vidare utvecklades testerna Force Concept Inventory, FCI (Hestenes, Wells, & Swackhamer, 1992) och Force and Motion Conceptual Evaluation, FMCE (Thornton & Sokoloff, 1998). Testen utvecklades utifrån studenters vanliga förståelse för konceptuella mekanikfrågor genom analys av bland annat öppna frågeställningar och utifrån noggranna intervjuer med studenter utifrån deras svar på provfrågorna. Testen innehåller en uppsättning flervalsfrågor, där ett korrekt newtonskt alternativ figurerar tillsammans med vanliga och mindre vanliga felalternativ, sk. distractors, vilka alltså inventerades under utprovningsfasen. De häpnadsväckande resultaten som framkom redan vid de första undersökningarna (Halloun & Hestenes 1985a,b) visade att majoriteten av studenterna vidmakthöll sina missförstånd om fysikens koncept och valde svar som motsvarar distractors, även efter genomgången kurs i universitetsfysik. Ifrån 1992 så samlade den amerikanske

fysikdidaktikforskaren Richard Hake in och sammanställde resultaten av förtest/eftertest enligt FCI- modellen och liknande test för så småningom 62 kurser i Newtons mekanik (Hake, 2002). Studien omfattande sammanlagt 6542 elever och studenter på både gymnasienivå och universitets- och högskolenivå. Hakes metaanalyser visade att traditionell undervisning i fysik ofta är otillräcklig för ett verkligt lärande av fysikens begrepp. Resultaten har stöd i pedagogisk forskning inom den

konstruktivistiska och sociokulturella teoribildningen(Bernhard, 2000; Redish, 2004). Studenter tenderade att använda fysikens formler ganska mekanistiskt och det har ofta gått att erhålla

utmärkta betyg på kurserna genom att lära sig bemästra att tillämpa matematiska formler och räkna ett antal standarduppgifter av varierande komplexitetsgrad. Fysikersamfundet såväl som svenska Skolverket idag anser att det är av stor vikt att ett konceptuellt lärande sker(Bernhard, 2000;

Skolverket, 2011). Mera framgångsrika recept för lärande än den traditionella metoden föreläsning – räknestuga – labb har diskuterats med emfas inom fysikens didaktik alltsedan Halloun och Hestenes resultat på 80-talet och mycket har även implementerats inom utbildningsväsendet. Många av de framgångsrika metoderna har det gemensamt att de är baserade på ett aktivt engagemang av studenterna och mellan studenter, och kallas för interactive engagement, IE, (Hake, 2002) eller active engagement (Redish & Steinberg, 1999) (Bernard, 2000). Hakes metaanalyser visar att elever och studenter som undervisas med IE-metoder presterar märkbart bättre i testen för konceptuell förståelse än dem som undervisas med traditionella metoder.

Interactive engagement metoder – översikt

Hake (2002) definierar IE-metoder såsom de som syftar till att främja konceptuell förståelse genom interaktivt engagemang hos eleverna genom ”heads-on (always) and hands-on (usually) experience”

av fysiken som ger omedelbar feedback genom diskussion med medstudenter och eller lärare.

Heads-on experience är lite oklart vad det betyder. Hands-on experience är ett etablerat begrepp som betyder att studenterna bör få möta fysiken i den praktiska erfarenheten genom att själva pröva på och uppleva fenomenen. Heads-on experience verkar vara ett eget uttryck från Hake för jag finner inga andra referenser till det, men heads-on torde betyda att det rör sig om djupt engagemang i konceptuella tanke-experiment såsom uppgifterna i de diagnostiska testen. Heads-on är annars en ordlek med frontalkrock, kanske att elever tillsammans slår sina kloka huvuden ihop över

(7)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

konceptuella fysikproblem. När forskningen under 1980- och- 90-talen klargjorde de stora bristerna i traditionell undervisning så utvecklades det i USA flera kurser som har ett kursplan anpassad till IE metoder, sådana kurser kallas då IE-kurser. Till exempel Hake och Bernhard ger exempel på IE- metoder och IE-kurser(Bernhard, 2000; Hake, 2002). Traditionella (T) kurser däremot använder lite eller ingen IE pedagogik utan fokuserar mest på föreläsningar, räknestugor och i viss mån

laborationer och fokuserar på att studenterna skall bemästra lösning av räkneuppgifter av standardtyp. Så var det också när jag gick i gymnasiet i mitten av nittiotalet i Karlskrona och även under universitetsstudier i fysik i början av 2000-talet vid Uppsala Universitet. Läraren gör före och studenterna försöker reproducera. Det elev-interaktiva momentet var ganska frånvarande. En laboration i IE är inriktad på att eleverna skall upptäcka och erfara fenomenen och själva vara aktiva.

En laboration i T däremot är fokuserad på att studenterna skall lösa en färdig uppgift och stoppa in sina mätresultat i formler. Föreläsningar i IE går ut på att läraren gör korta demonstrationer och inför begrepp, studenterna får prova på många experiment själva i en så kallad active learning

environment (Heuvelen, 1991). Problemlösning i IE fokuserar på det interaktiva momentet med lärande i små elevgrupper, ett viktigt moment går ut på att studenterna själva skall ta reda på väsentliga variabler som behövs för att räkna ut ett problem vilket gör upplevelsen mera hands-on.

Exempel på IE-metoder är

1) Cooperative learning methods (Johnson, Johnson, & Stanne, 2000) är ett samlat namn för alla typer av metoder som fokuserar på samarbete och diskussion mellan studenter i studentgrupper snarare än individuella och tävlingsinriktade metoder.

2) RealTime physics som använder datorassisterad teknik i realtid på ett väldigt smart sätt för att illustrera fysikaliska koncept, så kallad Microcomputer Based Labs, MBL. Ett exempel på en övning som tagits fram är att eleverna via en datoruppkopplad sensor som känner av hastigheten hos studenten får denne lära sig att tolka hastighet-tid diagram(Bernhard, 2007), vilket är en standarduppgift i fysikkursplaner och fysikläroböcker. Studentens egen rörelse kommer upp på en dataskärm i realtid och studenten skall försöka reproducera graferna med sin egen rörelse. Det interaktiva momentet är väldigt lätt att få med i studentgrupper. I en traditionell räknestuga skulle eleverna sitta och tolka hastighet-tid diagram utifrån olika standarduppgifter genom att läsa lösta exempel i lärobok eller förmedlat av en lärare.

3) Koncept-test . Genom att lösa konceptuppgifter med flervalsalternativ och diskutera olika vanliga uppfattningar om fysikaliska problem.

4) Workshops physics, Active Learning Problem sets eller Overview Case Studies – här utvecklas en typ av praktiska eller teoretiska interaktiva workshops som fokuserar på fysikaliska koncept (Heuvelen, 1991).

5) Problembaserad inlärning (PBL) är en speciell metod som utvecklats kring öppna

frågeställning i små interaktiva elevgrupper och som visat sig framgångsrik för lärande av fysikens koncept (Sahin, 2010)

6) Socratic-dialogue inducing labs (Hake, 1992). Genom att utsätta studenter för aktiva uppgifter (hands-on) som testar koncepten i Newtonsk dynamik och utmanar tidigare sunt- förnuft vanföreställningar, kan man få dem att i bästa fall att föra dialoger med sig själva, varandra, eller läraren.

(8)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

Min ingång till ämnet kom när jag läste en studie från NORDLAB-SE(Andersson et al., 2003) som ingick i en serie Ämnesdidaktik i praktiken – Nya vägar för undervisning i Naturkunskap utgiven vid Göteborgs Universitet. I boken ingick Workshop 4, Mekanik 1 – Newtons första och andra lag, samt Workshop 5, Mekanik 2 – Newtons tredje lag. Dessa workshops finns fortfarande att googla och ladda ner från internet på hemsidan(http://idpp.gu.se/intresseomraden/naturvetenskap-och- teknik/resurser-for-larare/nordlab.se). Workshopsen går igenom ett antal vanliga elevtänkande om konceptuella situationer om kraft och rörelse jämfört med hur situationerna kan tolkas med Newtons lagar. De interaktiva momenten i workshopsen var ett antal tankeexperiment kring mekaniska situationer enligt den välbelagda MD-traditionen och efterföljare, och motsvarande Hakes heads-on IE övningar eller kategori 3 i min uppräkning av IE-metoder ovan. Workshopsen ger även några så kallade Prov för lärande med interaktiv formativ bedömning kring elevsvaren, ett numera nedlagt projekt, men vilket verkligen måste varit i framkanten när texten kom ut. Proven för lärande kunde alltså dels användas som koncepttest för att bedöma elevers kunskaper, men syftet var snarare att bidra till ökad konceptuell förståelse av mekanikens begrepp genom att ge ingångar till formativ bedömning.

Metod

I det första av kunskapskraven för kursen Fysik 1a i Lgy 11 står att eleven skall kunna redogöra för begrepp för vart och ett av kursens områden, av vilka rörelse och krafter är ett, (Skolverket, 2011). En studie av elevers förståelse av begrepp inom kraft och rörelse är således både befogad och lämplig att genomföra under en kurs i Fysik 1a vid gymnasiet i en elevgrupp. För att mäta elevers förståelse av fysikens koncept och begrepp utvecklades ett formulär, av typen diagnostiskt prov, med tjugu stycken konceptuella frågor om krafter och rörelse. Formuläret gavs dels diagnostiskt före kursen och dels summativt efter kursen. Med förtest menas hädanefter provet som gavs före

undervisningsperioden och med eftertest menas när provet gavs efter, men det rör sig alltså om samma prov. Provet blev ett första redskap för att bedöma elevernas förkunskaper och lärande.

Frågorna i formuläret lämpar sig väl för intervjuer av elever för att förstå hur de resonerar om konceptuella problem inom mekaniken och hur de tillägnar sig de fysikaliska begreppen. Intervjuer planerades därför som komplement till det diagnostiska testet för att ge en mer nyanserad bild av elevernas konceptuella förståelse. Som del i examensarbetet har jag också utvecklat fyra stycken IE- workshops som illustrerar koncepten i newtonsk mekanik i praktiken och som ges under kursen som del i en interaktionsfas. Resultaten i det diagnostiska testet före och efter interaktionen analyserades enligt gängse statistiska modeller för att jämföras med andra studier. Studiens upplägg kan illustreras med ett blockdiagram:

(9)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

Figur 2. Tidslinje för undersökningen.

Studiens urval

Studien var lämplig att genomföra inom ramen för en period inom kursen Fysik 1a vid gymnasiet.

Eleverna vid den utvalda skolan gick första eller andra året på gymnasiet och var 16 eller 17 år.

Antalet elever var 8 stycken. Det ringa antalet elever som deltog i studien försvårar generaliseringen av kvantitativa analyser men utgör inget hinder för en jämförelse med tidigare forskning.

Etiska aspekter på elevers medverkan

Eleverna informerades om de forskningsetiska kodexar och krav på information, nyttjande, samtycke, frivillighet och konfidentialitet som är praxis inom humanistisk och samhällsvetenskaplig forskning (Hermerén, 2011). Denna information gavs vid två tillfällen före studien som förberedelse.

Informationen gavs även direkt före de diagnostiska proven och varje intervju och vid samtliga dessa tillfällen efterfrågades samtycke. Eftersom eleverna, som är minderåriga och dessutom står i en underordnad situation till en lärare, likväl skulle kunna ha missat att uppfatta att deras samtycke till att medverka i studien var frivillig, så frågade jag igen om frivillighet och samtycke en ytterligare gång efter studiens genomförande, genom att be eleverna fylla i ett formulär, se Bilaga 1. Alla elever samtyckte även denna gång och ingen ville ta tillbaka sin medverkan. Vid återgivande av citat från intervjuer i rapporten ges bara namnet Elev1, Elev2… Inför varje nytt begrepp som citaten berör så börjas om på Elev1. Det finns alltså ingen korrelation mellan vem som refereras till som Elev1 vid diskussioner under de olika begreppen. Däremot bevarades namnkodning i mina källdata för att göra det möjligt att stryka citat vid händelse av att någon elev skulle vilja ta tillbaka sin medverkan i studien. Neutrala pronomina används vid omskrivningar. För vidare etiska aspekter på elevers medverkan, se Bilaga 1.

Diagnostiskt prov

När jag arbetade fram mitt diagnostiska prov kunde jag ta god hjälp av workshopsen 4 och 5 ifrån NORDLAB-SE(Andersson et al., 2003). De flesta av problemen i mitt diagnostiska prov är kopior eller omarbetningar av frågorna där, men även några egna liknande frågor har konstruerats. Problemen som studenterna får ta ställning till i Göteborgsstudien eller i mitt diagnostiska prov är inte på något sätt nya eller originella. De får anses komma ur en grundbank av fysiker-, fysiklärar-,

fysikdidaktikerkunskap och frågeställningarna är gängse åtminstone alltsedan Halloun och Hestenes studier på 80-talet(1985a). Liknande frågor som mina har testats noggrant för validitet och reliabilitet i utformningen av MD(Halloun & Hestenes 1985a) och FCI-testen(Hestenes, Wells, & Swackhamer,

(10)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

1991), så inga vidare tester för att testa detta genomfördes. Hake (2002) menar emellertid att det är av vikt för fysikdidaktisk forskning att diagnostiska prov hålls hemliga, så att de kan återanvändas för att även i fortsättningen kunna jämföra elevresultaten likvärdigt år från år. Proven kan användas för att till exempel studera förändringar av elevers kunskaper över tid eller med införande av nya läroplaner och undervisningsmetoder. Jag skulle t.ex. kunna tänka mig att genomföra proven även för andra klasser och föra statistik från år till år. Jag väljer därför att inte publicera det diagnostiska provet som bilaga i Examensarbetet eftersom det då blir offentligt. Om en kopia önskas av opponent eller examinator för bedömning kan jag gärna skicka ett mot löfte om konfidentialitet.

Ett identiskt diagnostiskt prov gavs alltså eleverna direkt före och som avslutning på

undervisningsperioden. Det rör sig om tjugu frågor med illustration. Eleverna skulle i frågorna välja ett av flera alternativ, där ett av alternativen är ett korrekt newtonskt alternativ och de andra motsvaras av distractors. Syftet med det diagnostiska provet var att få ett kvantitativt mått på studenternas förståelse av fysikaliska begrepp som kraft och rörelse samt deras slutledningsförmåga samt deras tolkning av enkla mekaniska situationer. Genom att jämföra resultaten på förtest och eftertest avses att mäta elevernas lärande, se vidare under Diskussion. För att förenkla analyserna har jag valt att sätta ett enda alternativ som det korrekta newtonska. Vilket svar som är korrekt kan emellertid i vissa av frågorna bero på kontext. I så fall förväntas eleverna själva stå för kontexten under intervjuer.

Intervjuer

Intervjuer i anslutning till förtest och eftertest genomfördes för att få en mer kvalitativ förståelse av hur eleverna förstår dels situationer och dels begrepp inom fysik. Ansatsen i uppsatsen är ju även hermeneutisk till sin karaktär. Frågorna i det diagnostiska provet tvingar eleverna att ta ställning till begrepp och situationer till exempel genom sin ordförståelse av fysikens begrepp, sin praktiska erfarenhet till exempel i pulkabacken, sina förkunskaper i fysik, likväl som sin logiska

slutledningsförmåga eftersom många situationer antagligen är nya. Stödanteckningar med citat fördes under intervjuerna och ibland vid längre planerade intervjuer spelades intervjun in. Att gå igenom hela testet med en elev visade sig ta åtminstone en timme.

Intervjumetodik

Intervjuer med studenter skedde i anslutning till förtest och eftertest. Intervjuplanen med etiska aspekter finns i detalj i Bilaga 1. På grund av likvärdig behandling av elever enligt Lgy11, så erbjöds eleverna möjlighet att genomföra proven muntligt. I dessa fall passade jag på att göra intervjuerna under tiden. Intervjuerna gick så tillväga att jag bad eleverna motivera sitt val av svar i utvalda frågor genom att be dem berätta hur de tänkte när de valt sina alternativ. Målet var att låta eleverna berätta fritt själv utifrån exemplen i proven och styra deras svar så lite som möjligt. Ett mål var att jag som försöksledare skulle påverka studenternas svar så lite som möjligt under intervjuerna.

Intervjuförfarandet diskuterades i förväg med några erfarna kollegor på skolan. Jag var noga med att göra klart förutsättningarna med eleverna före intervjuerna, nämligen att jag inte skulle ge varken negativ eller positiv feedback angående om deras svarsalternativ var rätt eller fel. Målet med min roll under intervjuerna var att agera neutralt men de långa intervjuerna innebär ändå vissa överväganden och kompromisser. Jag valde att uppträda försiktigt förstärkande och uppmuntra eleverna när de resonerar sig fram till sina svar, till exempel när de tänkt logiskt utifrån fysikaliska lagar de nämner,

(11)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

eller jämför med sin egen praktiska erfarenhet. Det kunde röra sig om neutral positiv förstärkning såsom ”Bra!”, ”Fortsätt!”, ”Berätta mer!”, ”Vad fint du resonerar!”. En lång intervju utan någon förstärkning är knappast neutral för en elev, speciellt inte om intervjuaren är en lärare. Eleven skulle snarare tendera att bli besviken över att inte få någon uppskattning för sina utläggningar, och kanske i onödan få en negativ attityd inför frågorna och därmed underprestera.

Interaktion

Vanlig undervisning såsom genomgångar av begrepp och demonstrationer, lösning av

övningsuppgifter m.m., varvades med fyra stycken workshops som tagits fram speciellt för den här uppsatsen för att träna de fysikaliska koncept som det diagnostiska provet testar. Det handlar dels om en uppgift Pyramiderna 1 och Pyramiderna 2, dels Galileis fallexperiment, samt Kasta snöboll.

Såsom diskuterades i Bakgrund är IE-metoder speciellt lämpade för lärande av fysikens koncept.

Workshopsen utarbetades därför inom metoder för IE, och var av övervägande praktisk hands-on karaktär. Eftersom undersökningen genomfördes inom ramen för kursen Fysik 1a, tillkommer många andra kunskapskrav i workshopsen än bara förmågan att resonera kring Newtons kraftlagar, men de övriga kunskapskraven diskuteras inte här. Detta betyder även att andra delar än de fyra speciella workshops givetvis kan ha bidragit till elevers kunskapsinhämtande under interaktionsfasen.

Genomförande

Undersökningen integrerades i en undervisningsperiod om cirka två och en halv vecka med sammanlagt 26 timmars undervisningstid i kursen Fysik 1a. Stoffet för undersökningen är en viktig del av kursen, men jag poängterade för eleverna att resultatet på förtest och eftertest inte skulle tas med i bedömningen för kursen utan att det var för forskningssyften. Just före avsnittet om krafter skulle gås igenom presenterade jag studien för eleverna och tog upp anonymitets-, medgivande- och frivillighetsaspekten. Så genomfördes förtest med intervjuer. Sedan följde interaktionsmomenten.

Det var speciellt under de fyra workshops som jag koncentrerade insamling av material från studenterna, i form av situationer som berättar om hur de förstår Newtons kraftlagar. Direkt efter avslutat moment följde eftertest med intervjuer. Eleverna fick veta hur klassen presterat på eftertest jämfört med förtest. De jämförande resultaten diskuterades i helklass.

Resultat

I det här avsnittet presenterar jag elevernas svar på förtest och eftertest samt gör en kortfattad redogörelse för hur de fyra olika workshopsen utföll.

Elevernas resultat på förtest och eftertest

Elevernas svar på förtest och eftertest illustreras i figur 3. Här presenteras andelen newtonska svar för de tjugo olika frågorna, det vill säga hur ofta elevgruppen valde det alternativ som anses korrekt enligt fysikens lagar.

(12)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

Figur 3. Andel korrekta elevsvar på frågorna i diagnostiskt prov före interaktion (röd stapel - förtest) och efter interaktion (grön stapel – eftertest).

Totalt antal korrekta svar före: 52 av 160, dvs 32.5%

Totalt antal korrekta svar efter: 99 av 120, dvs 82,5%

Notera att svaren anses korrekta om rätt svarsalternativ valts, oavsett om elev kan motivera sina svar på ett korrekt sätt eller inte. Resultaten visar att eleverna presterar märkbart bättre på eftertest än förtest. En statistisk analys som jämför resultaten i förtest och eftertest presenteras under avsnittet Diskussion. På förtest finns sju frågor där ingen av eleverna tänker newtonskt. Det finns emellertid även två frågor där samtliga elever hade rätt svar. På eftertest så presterar alla elever eller alla utom en elev ett newtonskt alternativ på 15 av 20 frågor. Fråga 18 sticker ut eftersom samtliga elever hade ett newtonskt svar på förtest medans flera elever hade valt en distractor under eftertest. Här hade undervisningen kanske snarare bidragit till förvirring. I Fråga 20 verkar förvirring kvarstå eftersom eleverna fortfarande har hög andel felaktiga svar.

Analys av elevernas förförståelse

Här fördjupas tolkningen av elevernas förförståelse genom analys av vilka alternativ de valde i förtest och hur de motiverade sina svar på intervjuerna. Newtons lagar presenterades i figur 1 i Bakgrund.

Men eftersom det här är ett arbete i fysikens didaktik ligger intresset vid att förstå hur eleverna tänker om fysik snarare än hur de borde tänka, d.v.s. enligt Newtons lagar. Därför väljer jag att kategorisera elevernas svar efter hur de förstår frågorna, vilket skiljer sig från till exempel analysen av NORDLAB-SE(Andersson et al., 2003). Samtliga intervjuer visade nämligen att eleverna var mycket

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Andel korrekta svar

Fråga nr

Andel korrekta svar före och eper interakqon

Förtest Epertest

(13)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

måna om att hitta förklaringsmodeller med en gemensam logik som kan förklara flera fenomen samtidigt. Svaren på förtest och analys av efterföljande intervjuer visar att frågorna på förtest kan kategoriseras utifrån 4 stycken elevlagar. Dessa kategorier stämmer väl med vad som är känt ifrån de första systematiska studierna över hur studenter brukar tänka (Halloun & Hestenes 1985a,b).

Missförstånd 1 Föremål med stor massa faller fortast (fråga 1-4) Missförstånd 2 Rörelse framåt kräver kraft framåt (fråga 5-14) Missförstånd 3 Krafter växelverkar inte (fråga 15,16,17,19)

Korrekt förståelse 1 Föremål med liten massa påverkas mer av en kraft än föremål med stor massa (fråga 18,20)

Missförstånd 1 Tunga föremål faller fortast

Det finns ett klassiskt fysiklärarproblem som frågar huruvida föremål med stor massa (tunga) faller fortare än föremål med liten massa (lätta), om allt annat är lika. Geniet med Galilei var att han kunde göra just denna reduktion, allt annat lika, medans en ovan betraktare tenderar att hänga upp sig på olika små detaljer som skulle göra att två föremål inte skulle falla riktigt lika fort. Det visade sig i förtest att hälften av eleverna tror att tunga föremål faller fortare, och hälften tror att tunga och lätta föremål faller lika fort, vilket fick utgöra det newtonska svaret på frågan. Elever hade erfarenheter till exempel från pulkabacken eller vattenrutschkanan av att tyngre personer åker fortare och generaliserar utifrån det. Vidare fanns erfarenheter av lätta föremål som fjädrar och höstlöv som sakta singlar mot marken medans stenar far rakt ner till synes utan motstånd. De som uppgav att tunga föremål faller fortare åberopade tyngdlagen, som de kände till. Tunga föremål har ju som bekant större tyngdkraft, och dessa elever slöt sig därför till att tunga föremål således borde falla snabbare till marken.

Elev 1: [Lärare: -Är det något du har lärt dig?] Nä, det är logiskt tänkande. Tungt föremål har ju större kraft, större gravitation, alltså får den större acceleration, då blir det större hastighet och den far i marken först.

Vidare:

Elev 2: Det har jag läst. Men det är lite motstridigt. Det borde vara den tyngre som faller lite lite snabbare. Två kilo mer ger väldigt lite mer tyngdkraft. Men två planeter mer skulle göra skillnad. ” Elev 3: Här tänker jag att det borde vara de tunga föremålen som faller snabbare för de är ju som tyngre. Om man släpper en fjäder och en pinne samtidigt, för dom har ju ungefär likadan form, då faller ju pinnen snabbare för att tyngdkraften påverkar väl den mer… tänker jag.[Lärare: Vad är det som får en fjäder att falla långsammare tror du då?] Ja den är ju som så lätt, så då blir det svårt för den att få som en punkt som ska dra den ner. Medans om man tar som ett bowlingklot så har den som en väldigt kompakt punkt som drar ner den.

Elev 4: [Den tunga faller fortare]. För att om vi skulle ta Hulken och mig, då kommer Hulken att dras med mycket mer tyngdkraft mot marken, just för att han väger mer.

(14)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

Elevernas resonemang att tunga föremål utsätts för större tyngdkraft är givetvis helt korrekt. Vad ingen av eleverna tänkte på var att de måste tänka i ett led till för att lösa frågan, nämligen att föremål med stor massa även är trögare att accelerera. Detta är naturligtvis något som även unga människor har erfarenhet av, men dessa kunskaper appliceras av någon anledning inte här. En annan kategori av svar på frågan var att vissa elever har lärt sig att tunga och lätta föremål faller lika fort.

Men de medgav att det är mot intuitionen, eller erfarenheten.

Elev 5: Jag trodde A när jag var liten. [dvs att tyngre föremål faller fortare] Men vi testade med min pappa [och kom fram till att det inte var så]. Vi har nog testat i sjuan också, du visade med en planka att tunga och lätta föremål faller lika.

Elev 6: Jag har lärt mig att det var så, det var på nationella provet i nian. Vi testade med en pendel och kom fram till att det gick lika fort, alltså tog lika lång tid.

Således visar båda typer av svar, både de elever som valde ett newtonskt alternativ och de som valde en distractor, på att eleverna tycker att det är logiskt att tunga föremål faller fortare till marken.

Missförstånd 2 Rörelse framåt kräver kraft framåt

En mycket vanlig förförståelse hos studenterna är den att en rörelse i en riktning kräver en kraft i riktningen(Andersson et al., 2003). Det kan handla om en rörelse med konstant hastighet hos en bok som en gående person håller upp i handflatan eller en passagerare i ett flygplan som rör sig med konstant marschfart:

Elev 1: Ja jag ger den ju en kraft! Även om den ligger i min hand så blir det ju kraft från mig, fast annars skulle den bara vara stilla. Jag har hört att allt har kraft!

Elev 1: Man har ju samma kraft som flygplanet. A! För om passageraren åker med i planet och ingen kraft påverkar så skulle man ju inte åka med.

Svaren motiveras utifrån observation och logiska slutledningar av fysikaliska lagar som eleven känner till. Observation: Boken rör sig framåt. Fysikalisk lag (implikation A medför B): Om ett föremål

påverkas av en kraft framåt, så rör sig föremålet framåt. Logisk deduktion: icke B medför icke A.

Slutsats: Boken påverkas ej av en kraft från handen. Eleven är här en fullfjädrad empiriker, fast arbetar utifrån en korrupt naturlag.

Som ses i figur 3 fanns det även elev som hade korrekt alternativ i fråga 7 på förtestet.

Elev 2: Det är ju planet som rör sig. Man rör sig ju inte inuti. Man kan ju gå runt i planet utan att man påverkas av planet. Så det borde ju vara B.[dvs att passageraren inte påverkas av någon kraft framåt från planet]

Svaret motiverades utifrån erfarenheten, att en kraft ifrån planet borde ju vara påtaglig, men det känns ju inget, förutom under start och landning. Eleven har antagligen en egen erfarenhet av att röra sig i flygplan, och att det inte känns väsentligen annorlunda än att gå på marken. Eleven menar ändå att personen som sitter i flygplanet inte rör sig framåt, i förhållande till planet, och alltså inte kan påverkas av en kraft från flygplanet. Den fysikaliska lagen som eleven tillämpar här är snarare:

(15)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

Om ett föremål F påverkas av en kraft från föremål G, så rör sig F framåt i förhållande till G.

Slutledningen följer samma logiska struktur som hos Elev 1 just ovan. Även Elev 2 gör alltså korrekta empiriska slutledningar. Men trots korrekt svar, så är även denna elev fast i samma missuppfattning som de andra eleverna, nämligen att rörelse framåt kräver kraft framåt. Eleven mäter bara rörelsen från en annan referensram, planets.

Eleverna förmår vidare utvidga kraftbegreppet till att omfatta resulterande krafter i likhet med Newtons definition av resulterande krafter.

Elev 3: Om motkraften hade varit lika stor så hade den ju inte kommit någonstans.

Fråga 8-9 ger en modifiering av elevernas kraftlagar i en slags tröghetslag: En kropp befinner sig i vila om den resulterande kraften som verkar på den är noll, en felaktig motsvarighet till Newtons första lag. Fråga 6-7 låter eleverna formulera en slags Kraftlag, motsvarighet till Newtons andra lag, nämligen att En resulterande kraft som verkar på en kropp gör att föremålet rör sig i kraftens riktning. Eleven fäster ingen vikt vid acceleration, det är hastigheten som räknas. Eleven kan alltså inte hålla isär rörelse och förändring av rörelse (Redish & Steinberg, 1999). Betraktande av en pucks sakta inbromsning på isen eller en boll som skjuts uppåt för att sedan nå ett vändläge och vända neråt visar emellertid att eleverna har en uppfattning om vad accelererad rörelse innebär.

Missförstånd 3 Krafter växelverkar inte

Samtliga elever var övertygade att Solen påverkar Jorden med en dragningskraft och att en magnet påverkar en liten spik med en magnetisk kraft. Vissa elever trodde att det bara var magneten som utövade en kraft på spiken och att spiken inte utövade någon kraft på magneten alls. Däremot trodde alla att Jorden påverkade Solen med en mindre kraft, och drog analogi med att Månen ju påverkar Jorden. Alla elever tänkte sig att den mer potenta kroppen i kraftparet (dvs. Solen respektive magneten) utövar en större kraft på den andra än vise versa, i motsats till Newtons tredje lag.

Elev 1: Åh Gud! Kunde du inte förenklat dom här frågorna? Solen har ju större kraft än oss.

Konstaterat! [Eleven och läraren snurrade sedan in sig i att försöka läsa alternativen och elevens motivering slarvades bort. Svarsalternativen fick förenklas inför eftertest.]

Elev 2: Det är två saker som enligt mig är logiska. Det är ju typ dragkraft. Jorden borde ju påverka Solen lite eftersom den har ju massa, men Solen bryr sig inte eftersom Solen är ju så mycket större.

Solen har ju så mycket större kraft själv. Om den är stor så drar den ju hårdare. Massa ger ju mer tyngdkraft.

Elev 3: Nej, vår [kraft från Jorden] är väl så svag. Så jag vet inte varför vi skulle påverka.

Elev 3: Det känns inte som att spiken utgör någon kraft. Den utgör inte någon kraft som påverkar magneten i alla fall. Tror jag. För jag tänker… Jag gissar det.

Problem nummer 17 handlade om två barn i varsin kundvagn. Den ena personen, den som väger mindre, puttar på det andra barnets kundvagn. Vem påverkar den andre med mest kraft? Alla elever jag intervjuade utom en hade egen erfarenhet av situationen att sitta i kundvagn och putta, så situationen var bekant.

(16)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

Elev 4: Jag har suttit i många kundvagnar, och puttat bort med någon i. Och då åker jag bakåt med.

Men det berodde på en väldig massa saker. Och saker jag inte vet. Så jag gjorde ole dole doff.

Elev 5: Båda utövar en kraft på varandra. Båda kommer till att åka bakåt. [Läraren: Då frågar jag om krafterna!] Båda utövar en kraft på varandra. När A puttar ifrån får A mer kraft än B. För den andre väger 15 kg mer.

Om man tolkar elevens svarsalternativ i fråga 17 så anses person A vara mer potent än B. Liksom i exemplen med Solen och Jorden ansågs A vara mer potent för att det var han som puttade. Tre av åtta elever tycker inte att personen som blir puttad på påverkar den puttande personen med någon kraft alls. De andra tyckte att kraften från den puttande personen är större. Elever har svårt att hålla isär på kraft som verkar på en person jämfört med kraft som verkar från en person. Personen A verkar i alla fall vara mest potent för det är den som puttar, eller för att den är lättast och alltså borde fara bakåt mest, och alltså borde ha en större kraft på sig eftersom den påverkas mest. En vanlig förståelse verkar alltså vara att förstå kraftverkan i par genom att identifiera en av två som är mer potent och utövar större kraft, eller all kraft. Denna tolkning är i kontrast till Newtons tredje lag om växelverkan.

Korrekt förståelse 1 Föremål med liten massa påverkas mer av samma krafter än föremål med stor massa

Två frågor handlade om att avgöra vem som får störst hastighet i kraftparen barnen i kundvagnarna eller magneten-spiken.

Elev 1: Min magkänsla säger att A har större hastighet. Om man trycker ifrån något med fötterna, då är det ju mer den som puttar. Om vi tänker att B är en vägg, då kommer ju jag flyttas fort bakåt om jag är bra på att putta. A får större kraft eftersom den puttar ifrån.

Elev 2: A får större fart för att det är A som puttar

Elev 3: A får större hastighet… Det är ju svårare för en tyngre att få det att röra på sig.

Elevernas svar i frågorna som rör växelverkan visade sig att eleverna kunde korrekt identifiera att den lättare kroppen (barnet som väger minst eller spiken) skulle få störst hastighet i växelverkansparet.

De här svaren är i enlighet med Newtons andra lag, ett visst Newtonskt tänkande alltså. Men analyskategori 3 ovan visade ju att eleverna inte hade någon erfarenhet eller förförståelse av växelverkan. Ingen kunde avgöra att både den stora och lilla kroppen i kraftparet påverkades av en lika men motriktad kraft. Elevernas analys av situationen är att den kropp som påverkas mest utsätts för störst kraft och vidare att den som har lägst massa påverkas mest. Det verkar inte som om eleverna kan hålla isär kraft och massa i situationen. En newtonsk förståelse är istället att den som har minst massa påverkas mest, eftersom krafterna alltid är lika stora (men motriktade) vid växelverkan, en kombination av Newtons andra och tredje lag.

Det vardagliga begreppet dragningskraft är en missledande beteckning för gravitationskraft eftersom det får elever att felaktigt tro att det bara är Solen som drar i Jorden, eller Jorden som drar i Newtons äpple, när det i själva verket rör sig om en växelverkan där båda kropparna dras mot varandra.

Betydelsen i begreppet dragningskraft har samma semantik som betydelsen av elevernas korrekta

(17)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

förståelse att Föremål med liten massa påverkas mer av samma krafter än föremål med stor massa, eftersom det är effekten av kraften som åsyftas i båda fallen. Men denna låt vara korrekta

tankekategori bygger alltså på ett inkonsekvent och ofysikaliskt betraktande av världen.

Interaktion

Av utrymmesskäl var jag tvungen att lyfta ut genomförande och analyser av de fyra IE-workshopsen ur uppsatsen, och de redovisas bara ytterst kortfattat här. Den besvikne läsaren är välkommen att höra av sig till mig för en kopia av detta moment.

Interaktion 1 Galileis fallexperiment

Eleverna tvingas arbeta praktiskt och interaktivt med koncepten huruvida tunga eller lätta föremål faller fortast, samt även skapa en konceptuell förståelse för rörelse med konstant acceleration.

Workshopen är av kategori 4 i min lista över IE-metoder.

Interaktion 2 Kasta snöboll

Eleverna tvingas arbeta praktiskt och interaktivt i en praktisk övning att kasta en snöboll så högt som möjligt och försöka räkna ut hur högt den kom genom att analysera tiden bollen är i luften.

Workshopen torde även denna av typ 4 min uppräkning av IE workshops. Emellertid visar det sig att koncepten i denna övning var så svåra att förstå att det hela utvecklade sig till en sokratisk dialog med läraren, av typen 6 min uppräkning alltså och inte speciellt interaktiv. Analysen syftar till att eleven skall förstå vilka krafter som verkar på bollen under olika lägen under bollbanan. Den matematiska analysen av kastet som rörelse med konstant acceleration satt mycket långt inne och även denna blev av typen sokratisk dialog med läraren. Det interaktiva momentet i workshopen blev inte så starkt som jag hade tänkt.

Interaktion 3 Pyramiderna 1

Workshopen är en heads-on interaktiv övning i att läsa och diskutera en vetenskaplig artikel som tvingar eleverna att diskutera krafter och kraftlagar som är inblandade då ett föremål dras med konstant hastighet genom ökensanden. Workshopen förbereder även eleverna för egna praktiska experiment inspirerade av artikeln. Den vetenskapliga artikeln som eleverna studerade var ifrån Physical Review letters (Fall, 2014) och blev omnämnd i dagspressen och den populärvetenskapliga pressen i Sverige när den publicerades. Frågeställningen i artikeln handlar om den eviga frågan om hur sjutton de gamla Egyptierna gick till väga när de transporterade de stora stenblock som behövdes för att bygga Pyramiderna långt ut i öknen. Forskarna i artikeln hade gjort en ny tolkning av en gammal väggmålning från en egyptisk gravkammare, möjligen inspirerade av lata dagar med barnen på stranden. Väggmålningen kanske inte hade vare sig mytologisk eller rituell karaktär, utan kunde det röra sig om en rent praktisk informationsbild om hur någon hällde vatten framför slädarna?

Vattnet gjorde sanden mera kompakt och hållfast, vilket även ett litet barn har erfarenhet av.

Proceduren skulle underlätta transporter av tunga statyer och stenblock genom öknen ut till Pyramiderna. Forskarna hade undersökt sand av olika fuktighet och kornstorlek i laboratoriet.

Dragexperiment för att bestämma friktionskrafter och friktionstal är just en typisk illustration av Newtons lagar. En av frågorna till uppgiften Pyramiderna 1 handlade om att studenterna skulle kunna analysera kraftjämvikter relevanta för en sten som släpas på en släde genom öknen med

(18)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

konstant hastighet och förklara hur forskarna fick ut friktionstalet. Eleverna diskuterade forskningsfrågorna i interaktiva smågrupper.

Interaktion 4 Pyramiderna 2

Övningen är återigen en kategori 4 interaktiv workshop. Klassen företog en resa till en vacker sandstrand. Eleverna skulle testa sandens bärighet för olika ekipage. Målet var att praktiskt prova på hur det är att dra tunga lass i sanden, se Figur 4, såsom de gamla Egyptierna kanske gjorde för att frakta stenblocken ut till Pyramiderna i öknen(Fall, 2014). Det var en eftermiddag i början av april, sanden var ganska blöt på grund av snösmältningen och dessutom hade det börjat regna lätt cirka en timme innan experimentet började.

Figur 4. Friktionsexperiment i de gamla Egyptiernas anda, fast i modern tappning vid stranden av ett vattendrag vid svensk vår. Boben dras med en bagagevåg av personen med hatten vid konstant hastighet och dragkraften mäts.

Friktionstalet kan då beräknas efter en newtonsk analys av ingående kraftjämvikter. Bilden är anonymiserad.

Eleverna preparerade en jämn sandbädd och förberedde sina slädar genom att koppla på

dynamometrar på slädarna och lägga på belastning, till exempel en stor eller liten sten. Dragkrafter mättes genom att dra ekipaget med horisontell draglina och låg konstant hastighet så gott det gick.

Eleverna upplevde att de fick hyfsat reproducerbara och konstanta värden för dragkrafterna när de drog sina ekipage med konstant långsam hastighet över den preparerade sandbädden. För att mäta tyngdkrafter lades ekipaget i en bärkasse och tyngden mättes. Efter en newtonsk analys av

kraftjämvikter kunde friktionstal beräknas och jämföras med den vetenskapliga artikeln (Fall, 2014).

Eftertest

Gemensamt för elevernas resultat på eftertest var alltså att de hade mycket större andel korrekta svar, vilket visades och presenterades i anslutning till i Figur 3. En statistisk analys av resultaten redovisas i Diskussion nedan. Här presenteras valda resultat av intervjuerna och jämförs med

(19)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

elevernas förförståelsekategorier. Samtliga elever svarade nu att tunga och lätta föremål faller lika fort. Elever kunde argumentera utifrån Newtons lagar:

Elev 1: Det var ju en av Newtons lagar. De har samma form och friktion så då faller de lika snabbt.

Om den tunga massan blir större så blir även den tröga massan större.

Elev 2: Det hade ju med gravitation att göra och tunga massan delat med tröga massan är ju ett.

Ett annat sätt att argumentera var utifrån experiment som de mindes:

Elev 3: Det visade ju du med kritan och träblocket. Men det är fortfarande olika om man tar en fjäder och en sten för fjädern svävar ju på luften.

Fråga 3 handlade om en tung och en lätt vagn som rullade nerför ett lutande plan, dvs en situation som eleverna borde känna igen utifrån sina experiment i workshopen Galileis fallexperiment. Elev 2 hade gjort experiment enligt vilken den tungt lastade vagnen rullade lite snabbare, men valde ändå att svara att vagnarna rullade lika snabbt.

Elev 2: Våran massa måste varit en tillfällighet eller nåt.

Elev 3 däremot höll fast vid sina experiment framför att repetera upp fysikens lagar:

Elev 3: Vi såg på experimentet att den tunga vagnen rulla lite snabbare. [Läraren: Var det lite snabbare eller mycket snabbare?] Det beror på vilket avstånd och vilken lutning.

Som analyserades under resultaten i förtest så hade eleverna ett missförstånd att rörelse framåt kräver en kraft framåt. Under eftertest hade detta missförstånd väsentligen rätats ut. På frågorna 6-9 och 11-14 svarade alla elever utom en med genomgående newtonska svarsalternativ. Eleven som hade svarat avvikande i fråga 8-14 kunde tyvärr inte intervjuas. På frågan som handlade om de horisontella krafterna som verkar på en bok som hålls i en hand och bärs sakta med konstant hastighet framåt svarade en elev:

Elev 1: Den är i konstant hastighet om du inte räknar med luftmotståndet så då är det ingen kraft som påverkar den. Så då är det tröghetslagen. [Lärare: Så vad säger tröghetslagen?] Att den kommer att fortsätta så.

En elev hade missförstått Newtons tredje lag och ändrat sina Newtonska svar i fråga 6 och 7 under förtest till distractors. På frågan om boken i handen uppgavs att en kraft framåt från handen verkar på boken och får den att röra sig framåt:

Elev 2: För att allting utövar en kraft på varandra… Det är Newtons tredje lag. Det är samma sak som om man puttar på ett bord.

Jag hade under lektionerna demonstrerat Newtons tredje lag genom att putta på ett bord som satt fast i golvet i föreläsningssalen. Det som hände när jag puttade tillräckligt hårt var att jag fick en rörelse bakåt, dvs när motkraften från bordet på mig blev större än mina skors gldifriktion mot golvet. Flera elever hade tagit intryck av detta experiment som en bra illustration av Newtons tredje lag, men här hade eleven alltså misstolkat när lagen applicerade. Eleven upprepade en fysikalisk lag

(20)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

som den inte hade förstått, och gick därmed ifrån sin intuition ifrån förtestet där den resonerade utifrån en uppmärksam analys av sin praktiska erfarenhet.

I en fråga frågades om de horisontella krafter som verkar på en kloss som släpas med konstant hastighet genom sanden i öknen, en uppgift som illustrerades i workshopsen om Pyramiderna. I förtest så var samtliga elever övertygade om att dragkraften som verkar framåt på klossen är större än motståndskraften från sanden eftersom klossen far framåt. Alla utom en elev hade nu ändrat sig till alternativet att krafterna är lika stora.

Elev 1: Annars, om dragningskraften är större, så skulle den ju få en acceleration. Och skulle motståndet vara större så skulle hastigheten minska, så den skulle få en retardation.

En elev tyckte att båda alternativen applicerade:

Elev 2. Det beror på vilket underlag det är. Är det blöt sand ja, men inte torr sand. Är det perfekt sand blir det en plan yta som den kan glida på men torr sand, då blir det en vall. Det blir jobbigare att dra.

Då blir dragkraften större.

Eleven har varit uppmärksam och tagit djupt intryck av sina erfarenheter ifrån pyramidexperimenten.

Det visade sig emellertid att eleven inte hade förstått att man drar med större kraft i torr sand för att dra med konstant fart. Tydligen hade experimentet inte illustrerat Newtons tredje lag tydligt nog för eleven. Eleverna mäter ju bara dragkraften för att dra med konstant hastighet, inte friktionskraften.

En annan fråga handlade om en puck som sköts iväg på isen. Alla elever hade under förtest trott att det fanns en kraft framåt under hela puckbanan, även efter det att pucken lämnat klubban. Under eftertest behövde inte eleverna denna kraft längre för att förklara puckens bana och eleverna svarade alltså newtonskt.

Elev 1: Kraft gör att en kropp ändrar sin hastighet och eftersom pucken saktar inså måste det finnas en åt motsatt håll. [Läraren: Och mer då?] Nej! Den kraften finns ju bara när man skjuter på pucken.

När den har lämnat klubban så är det bara luftmotstånd och friktion.

Elev 2. Det är ju friktion bara, eventuellt luftmotstånd också. Men [kraften] K släpper direkt när den lämnar klubban.

Flera frågor handlade om krafterna som verkar på en boll under bollbanan för en boll som slås uppåt och får röra sig fritt tills den slår i marken. De missförstånd som diskuterades under förtest hade rättats till i eftertest. Undantaget var en elev som jag alltså inte hade möjlighet att intervjua.

Elev 1: Det är ju bara tyngdkraften, så det [hastigheten] ändras så det går långsammare. Och på nervägen går det snabbare.

Elev 2: Samma hela vägen för det är ingen kraft när den väl lämnat knät. [Läraren: Varför då?] Det har jag förstått att det är så.

Rörelser av typen 9, 11-14 hade analyserats i workshopen Kasta snöboll. Det måste alltså erkännas att även om eleverna misslyckades att genomföra korrekta beräkningar i problemlösningen, så hade

(21)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

de förstått de konceptuella frågorna om vilka krafter som verkade på bollen under bollbanan som ett take-home message. Workshopen verkar ha varit framgångsrik för konceptuellt lärande även om det elevinteraktiva inslaget blev mindre än förväntat.

Det sista missförhållandet som identifierades under förtest var det om kraft som växelverkan i fråga 15, 17 och 19. Även i dessa frågor så hade eleverna under eftertest övervägande givit newtonska svarsalternativ, utom en elev som inte kunde intervjuas.

Elev1: Jag jämför med när du puttar på bordet.

Elev2: För att du sa att om man puttar på bordet så puttar det tillbaks.

Jag hade demonstrerat Newtons tredje lag genom att putta hårt mot ett bord som var fastskruvat i golvet. Resultatet var att jag började glida bakåt när motkraften på mig från bordet översteg friktionen mellan mina skor och golvet.

Elev 2: De [Solen och Jorden] utgör en lika stor kraft på varandra men Jorden påverkas mer på grund av mindre massa.

Elev 1: Lika stor kraft, för annars skulle de dras in i varandra och de gör de inte. De har som en gravitation mot varandra.

Under förtestet så visade det sig även att eleverna hade en korrekt förförståelse att föremål med liten massa påverkas mer av samma kraft än ett föremål med stor massa. Intressant nog så verkade undervisningen ha bidragit till missuppfattningar i denna fråga. I Fråga 18 hade nämligen samtliga elever hade givit ett newtonskt svar i förtest, men två stycken hade ändrat sig till distractors vid eftertest. I fråga 20 hade tre elever givit ett felaktigt svar, vilket var mest av alla frågor i hela testet.

Intervjuerna visade emellertid att det inte verkade som att undervisningen hade fått eleverna att ändra på sin enda korrekta förförståelse om Newtons lagar.

Elev 1. Va!? (Förnärmad). Jag minns inte varför jag svarade så. Jag borde svarat B.

I Fråga 20 hade tre elever svarat magneten och nålen i fråga 20 får samma hastighet. Intervjuer avslöjade att det snarare var så att en annan information i frågeställningen hade skapat osäkerhet hos eleverna, nämligen informationen att vagnarna kunde röra sig utan motstånd.

Elev 1. Om det inte finns någon friktion så har inte tyngden samma påverkan.

Det här var under gruppintervjun efter jag presenterade Figur 3 för eleverna. En annan elev som svarat med en distractor höll med Elev 1 och den tredje eleven gick inte att intervjua. Eleverna trodde alltså fortfarande att lätta föremål är lättare att få i rörelse, men visste inte hur de ska tolka det här med att vagnarna kan röra sig utan motstånd. Att tolka in den informationen i newtonska begrepp kräver att eleverna tänker in konceptet med resulterande krafter, vilket inte lyckades. Men i bokstavlig mening betyder att röra sig utan motstånd kanske just att massan inte skulle spela in.

Eleverna har ju lärt sig Newtons första lag att tröghet är motstånd mot rörelseändring, och att tröghet är massa. Intervjuerna var tyvärr inte specifika nog för att avgöra om eleverna verkligen tänkte så, men det verkar rimligt att tänka sig att de här ambitiösa eleverna kunnat skapa sig en

(22)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

sådan intuition. Analysen visar i alla fall att eleverna har brottats aktivt med att tillägna sig begreppen.

Återstår fråga 10 som handlade om krafterna som verkar när någon går med konstant hastighet längs med golvet. 4 av eleverna hade korrekt uppfattning att gångaren trycker ifrån med en kraft riktad bakåt mot golvet för att komma framåt. Denna analys kan man komma fram till genom en korrekt analys av hur Newtons lagar verkar eller genom att vara vaken på hur det känns i kroppen när man går:

Elev 1: Jag tänker att när man går så trycker man ju ifrån för att komma fram.

Elev2: När du trycker ifrån bakåt så svarar golvet med en kraft framåt på dig. Det är ingen motsägelse i det.

Två elever hade svarat att inga krafter verkar på den som går framåt med konstant hastighet, en ytterligare slags educated distractor från en ytlig förståelse av Newtons första eller andra lag.

Elev 3: Jag tänkte på konstant hastighet, att det inte är några resulterande krafter. Problemet är ju att man går ju. [Läraren, lätt uppbragd: Men man trycker ju bakåt när man går! Är det ingen kraft då?] Nej, i så fall hade du ju accelererat.

Det verkar alltså som om Elev 3 hade en felanalys av tröghetslagen. Eleven förstod inte skillnaden på kraft och resulterande kraft.

Diskussion

Utvärdering av diagnostiska proven

För att jämföra elevernas resultat på det diagnostiska provet före och efter kursen med tidigare studier måste statistiska mått tas fram. Resultaten är lämpliga att analysera enligt Hake (2002), eftersom ett sådant mått låter elevernas förbättring på eftertestet jämföras med hans stora metaanalys av över 62 studier. Det relevanta statistiska måttet att beräkna är ett mått som kallats averaged normalized gain ! (Hake, 2002), vilket definieras som den procentuella ökningen av medelresultaten i eftertestet % !"#$ normerat med den maximala procentuella ökningen för medelresultaten % !"#$ !"#:

! =_{% !"#$}^{% !"#$}

!"# (1a)

Således,

! =% !"#$%#$&# !% !ö!"#$"

!""!% !ö!"#$" (1b)

Där % !"#$%#$&# och % !ö!"#$" är medelvärdet av klassens procentuella andel korrekta svar i eftertest och förtest respektive. Vi kan kalla ! för normaliserat gain på svengelska. Som

redovisades i Resultat gavs andelen korrekta svar i förtestet som 52 av 160. I eftertestet hade andelen korrekta svar ökat till 99 av 120. En sammanräkning av elevernas resultat ger då att

(23)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

% !"#$%#!"# = 82,5% och % !ö!"#$" = 32,5%. Således blir % !"#$ = 82,5% − 32,5% = 50% och % !"#$ !"# = 67,5%. Ekvation 1a ger då att elevernas averaged normalized gain blir

! = % !"#$

% !"#$ _!"#= 50%

67,5%= 0,74

Ett värde på ! = 0,74 visar på en stor förbättring av elevernas resultat. Detta värde är högt jämfört med de resultat som redovisas av Hakes sammanställning av 62 kurser och totalt 6542 studenter.

Medelvärdet av ! för de 48 ingående IE kurserna var 0,48±0,14 (1 standardavvikelse), medans medelvärdet av ! för de 14 ingående traditionella kurserna var 0,23±0,04. I plotten över Hakes sammanställning av resultat i hans Figure 1 (Hake, 2002) kan resultatet i min studie passas in som en datapunkt med % !"#$ = 50% och !"#$#%$ = 32,5%. Jag har tagit mig friheten att pricka in datapunkten på en kopia över Hakes Figure 1 som en orange fyrkant som ligger på den övre lila streckade linjen, se Figur 5.

Figur 5. Kopia av Hakes sammanställning Figure 1 av 62 stycken kurser över elevers förbättringar på konceptuella test i Newtonsk mekanik (Hake, 2002). Linjer i plotten är områden med konstant normaliserat gain ! . Resultaten i min kurs har prickats in som en orange fyrkant i Hakes figur med % !"#$ = !"% och !"#$#%$ = !", !%..

(24)

Linus Ryderfors

VT2017

Examensarbete 15 hp

Mitt diagnostiska test är framtaget efter NORDLAB-SE snarare än till exempel FCI (Hestenes, Wells, &

Swackhamer, 1992) eller MD (Halloun & Hestenes 1985b) som ligger till grund för de flesta av proven i Hakes jämförelse, dvs efter en andrahandskälla. Men en snabb besiktning visar att mitt test tar upp de flesta av aspekterna i MD- och FCI-testen och är ungefär lika omfattande. Många av proven i Hakes studier är också avsiktligt konfidentiella. Vidare återfanns alla vanliga typer av

missuppfattningar som mina elever hade i Halloun & Hestenes (1985a). Det finns alltså inget som talar emot att en jämförelse. Däremot är det riskabelt att generalisera utifrån min studie eftersom det bara var sex personer som fullföljde min kurs, vilket gör att materialet är väl tunt för att dra statistiskt vederhäftiga slutsatser. Men för kvalitativa syften är det ändå intressant att göra en jämförelse. Hake har med resultat från nio gymnasiekurser som har undervisats med IE-metoder och fyra stycken som undervisats med traditionella metoder. Resultaten i min studie betyder att eleverna i min kurs tillsammans med två övriga gymnasiekurser presterat högst normaliserat gain av samtliga kurser. Det finns bara en kurs i Hakes studie som har högre ökning. Likväl passar min datapunkt bra in i mönstret i Hakes sammanställning. Hakes metadata visar en trend att en gymnasiekurs vanligen har ett lågt mått på korrekta förkunskaper, vanligen runt eller strax under !"#$#%$ = 35%. Rimligen borde studenter på universitet och högskola ha mött stoffet tidigare (på gymnasiet åtminstone), och fått med sig åtminstone vissa förkunskaper. Mina studenter hade ett resultat på förprovet

!"#$#%$ = 32,5% , vilket var lite sämre än de flesta av gymnasiekurserna som ingick i Hakes studie.

Hakes metaanalys redovisar en stark korrelation mellan att prestera ett lågt värde på förtestet och att sedan få en stor förbättring i eftertestet. Det ser man i Hakes figur 1 att de 62 datapunkternas kurser liksom de norrländska älvarna rinner från nordväst mot sydost. Det är helt enkelt enklare, i medeltal, att förbättra sig om man börjar från ett lågt värde och svårare att förbättra sig om man börjar från ett högt värde. Den enda kurs som hade ett högre gain än min kurs startade också från en väldigt låg nivå på förtestet. Eftersom mina elever hade ett förhållandevis lågt resultat på förtestet är en stor förbättring rimlig om undervisningen är framgångsrik och bedrivs med IE metoder. Att min kurs hade ett högt värde även för normaliserat gain visar att kursen varit framgångsrik även om man tar hänsyn till de förhållandevis låga förkunskaperna. I så fall skulle mina elever ha lärt sig koncepten bra. Det skulle kunna betyda att eleverna i min studie idag är mer öppet sinnade att ändra sina tankekategorier än de amerikanska elever och studenter som deltog i de flesta av de tidiga studierna ifrån 1980- och 1990-talen(Hake, 2002). En jämförelse mellan mina återgivna citat och de av

Hestenes & Halloun, (1985a) verkar bekräfta denna hypotes. Det är emellertid riskabelt att dra sådana slutsatser eftersom jag kan vara benägen att selektera lyckade citat och Hestenes & Halloun snarare ville visa att missförstånden kvarstod.

Ett annat bra sätt att mäta betydelsen av en intervention är uppkattning av effektstorlek, vilket används i Hatties stora översikt av metaanalyser (2013). Här jämförs resultatet efter en intervention med resultatet i någon referensgrupp som gjort en annan typ av intervention, till exempel en kurs med läxor eller utan läxor. Föreliggande studie anser sig ha ett betydande inslag av kamratstödd samverkan i pedagogiken. Hattie rapporterar att kamrateffekter har en hög påverkan på lärande (effektstorlek d = 0.52), vilket ofta är ännu högre om negativa delar av kamratpåverkan kan mildras(2013, sid. 110). På grund av studiens begränsning så utvärderas inte effekten av IE- momenten här mot någon referensgrupp. Likväl kan effektstorleken av interventionen i den här studien beräknas med avseende på elevernas förkunskaper. Elevernas resultat på förtest var 6.5