School of Mathematics and Systems Engineering Reports from MSI - Rapporter från MSI
Hur ska laborationer utformas?
En studie av elevers uppfattningar om fysiklaborationer i gymnasieskolan
Martin Sandgren
Oct 2008
MSI Report 08107
Växjö University ISSN 1650-2647
SE-351 95 VÄXJÖ ISRN VXU/MSI/FY/E/--08107/--SE
Förord
Denna skrift är resultatet av en uppsats på C-nivå utförd vid Växjö Universitet. I arbetet med uppsatsen har jag utfört en enkätundersökning och studerat elever i en av mina
undervisningsgrupper. Jag vill här passa på att tacka alla de fysiklärare i Malmö som hjälpt till att genomföra enkäten i sina klasser. Jag vill också tacka eleverna i klass NV1b på Malmö Borgarskola som villigt lät sig nyttjas som försökspersoner i min praktiska undersökning.
Slutligen vill jag rikta ett stort tack till min handledare Eije Karlsson vid Växjö Universitet och till Kristina Bondesson för deras synpunkter på min uppsats.
Malmö den 14 augusti 2008
Innehållsförteckning
Sammanfattning 5
1 Bakgrund 6
1.1. Inledning 6
1.2 Motiv för laborativt arbete i fysikundervisningen 7
1.2.1 Vad säger styrdokumenten? 7
1.2.2 Didaktiska motiv 8
2 Definition av laborativt arbete 10
3 Teorier för lärande 12
3.1 Behaviorismen 13
3.2 Empirismen 13
3.3 Konstruktivismen 14
3.4 Det sociokulturella synsättet 15
4 Kritik mot laborationer 16
4.1 Ett försök till optimering 16
4.2 Vilka kan orsakerna vara till att laborationerna fungerar mindre bra? 17
4.2.1 Tidsbrist. 17
4.2.2 Problem med handhavande av utrustning. 18
4.2.3 Feltolkningar av mätresultat. 18
4.2.4 Bristfällig laborationsutrustning. 19
4.2.5 Bristande teoretiska kunskaper. 19
4.2.6 Bristande matematiska kunskaper. 19
4.2.7 Formalismen överskuggar. 20
4.2.8 Bristande bearbetning av resultat. 20
5 Syfte 21
5.1 Frågeställningar 21
5.2 Avgränsningar 21
6 Metod 22
6.1 Laborationer 22
6.1.1 Uppställning med glaskolv 23
6.1.2 Uppställning med CBL och grafritande räknare 23
6.1.3 Kolv med vev och manometer 23
6.2 Enkätundersökning 24
6.3 Validitet och reliabilitet 25
7 Resultat och analys 26
7.1 Laborationer 26
7.1.1 Uppställning med glaskolv – Observationer 26
7.1.2 Uppställning med glaskolv – Intervjuer 27
7.1.3 Uppställning CBL och grafritande räknare – Observationer 29 7.1.4 Uppställning CBL och grafritande räknare – Intervjuer 29 7.1.5 Uppställning med kolv med vev och manometer – Observationer 30
7.2 Enkätundersökning 31
7.3 Resultat kopplat till teorin 38
8 Diskussion och vidare analys 41
8.1 Hur mycket ska eleverna hinna med? 41
8.2 Tydliga instruktioner och ”rätt” utrustning är viktiga 42
8.3 Laborationer eller ej? 42
Referenser 43
Bilaga 1 44
Bilaga 2 45
Bilaga 3 46
Bilaga 4 47
Sammanfattning
I gymnasiets fysikkurser ingår som ett moment att eleverna ska planera, genomföra och utvärdera experiment. I dagligt tal kallas detta för ”laborationer”. Under min tid som lärare har jag vid flera tillfällen noterat att de mål man som pedagog ställt upp avseende
laborationerna ofta uteblir, eller åtminstone inte uppfylls helt och hållet. Man kan tänka sig en rad orsaker till detta. Instruktionerna kan vara bristfälliga och eleverna är kanske inte bekanta med den utrustning som används vid laborationen.
För att undersöka hur eleverna uppfattar laborationerna har jag genomfört en undersökning bland eleverna i en klass på Naturvetenskapsprogrammets första årskurs. I undersökningen provades tre olika laborationer som syftade till att ge eleverna kunskap om vilket samband som råder mellan tryck och volym i en innesluten gasmängd – Boyles lag.
Jag genomförde även en enkätundersökning för att utröna elevernas uppfattning om laborationerna i fysik. Undersökningen genomfördes på två kommunala gymnasieskolor i Malmö.
Mina observationer visar att utformningen av laborationerna har betydelse för i vilken grad eleverna kan tillgodogöra sig ny teori. Även instruktionerna har betydelse.
Av enkätundersökningen framgår det att eleverna anser att laborationerna är ett viktigt inslag i fysikundervisningen för att förståelsen för ämnet ska bli så stor som möjligt. Paradoxalt nog verkar det som att eleverna anser sig lära sig mer då läraren förklarar jämfört med när de genomför laborationer på egen hand. Detta faktum tycker jag är värt att beakta.
Att laborativt arbete och experiment är en viktig del i naturvetenskapligt arbete kan verka självklart. Ändå finns det tidigare forskning som visar att elever som inte fått göra
laborationer har tillägnat sig samma kunskaper som de som fått utföra laborationer i sin utbildning. Laborationer görs ofta i mindre grupper och kräver inte sällan dyr utrustning. Om inte laborationerna bidrar positivt till elevernas inlärning kan de inte anses ekonomiskt försvarbara.
1 Bakgrund
1.1. Inledning
Under mina år som verksam fysiklärare har jag ofta haft anledning att fundera över hur effektiva laborationerna är för elevernas kunskapsutveckling och begreppsbildning. Synen på laborationer varierar även mycket bland olika lärare. Uppfattningen om hur en laboration ska utformas varierar. Vilken syn man har på laborationernas betydelse hänger troligen till stor del ihop med vilka erfarenheter man själv har från sin egen skoltid och utbildning. Bland fysiklärare finner man både sådana som tycker att laborationerna är mycket viktiga och sådana som tonar ner betydelsen av laborationer. Själv tillhör jag den senare kategorin. Jag har ganska negativa minnen av fysiklaborationer, både från min egen gymnasietid och senare fysikstudier. Att laborationer och experiment är ett viktigt inslag i naturvetenskaplig forskning kan inte emotsägas. Men är det viktigt för gymnasieelever? Om det är så – hur ska i så fall laborationerna utformas för att fylla en funktion? Eller borde tiden det tar att utföra
laborationerna utnyttjas på annat sätt?
Mina egna erfarenheter av laborationer i fysik är inte speciellt positiva. Från min gymnasietid minns jag laborationerna som något frikopplat från den övriga fysikundervisningen. Ofta gick laborationerna ut på att mäta olika saker. Resultaten skulle därefter föras in i en tabell. Efter det att fysikläraren kontrollerat resultaten fick man besked om man hade lyckats eller ej.
Någon direkt idé eller syfte med laborationerna verkade inte finnas. Mina erfarenheter av fysikundervisningen från min egen skoltid är absolut inte odelat negativa. Tvärtom tyckte jag att fysik var ett av de mest fascinerande skolämnena.
Efter avslutade gymnasiestudier fortsatte jag att läsa teknik vid Lunds Tekniska Högskola.
Min utbildning innehöll till stor del fysik i olika former. Även under denna period upplevde jag laborationerna – i många fall (dock ej alla) – som svårbegripliga. På högskolan fokuserade man på redovisningen av resultaten mer än förståelsen. Många var de dagar då man gick omkring med slarvigt nedtecknade laborationsanteckningar i fysikmappen i väntan på att överföras till en laborationsredogörelse enligt den mall som alla rapporter skulle följa.
Med tanke på de erfarenheter jag delgivit ovan skulle det verka självklart att jag skulle utforma mina egna laborationer på ett sätt som satte elevens förståelse i främsta rummet. Det är emellertid inte alltid så lätt som man skulle kunna tro. Skolundervisningen är ofta
traditionsbunden och omedvetet leds man in i en utbildningstradition som kanske inte alltid är optimal men väletablerad och accepterad av både lärare och elever.
1.2 Motiv för laborativt arbete i fysikundervisningen
Ett viktigt motiv för laborationer är att de är föreskrivna i styrdokumenten för ämnet fysik och kurserna Fysik A och Fysik B på gymnasieskolan. Det är därmed tvingande för gymnasie- skolor att tillhandahålla lokaler och utrustning för laborativt arbete. Det är likaledes tvingande för gymnasielärare att låta eleverna arbeta laborativt samt att beakta elevernas förmåga till laborativt arbete vid bedömning och betygsättning.
1.2.1 Vad säger styrdokumenten?
I Lpf94 (s. 31). framgår det att:
läraren skall i undervisningen skapa en sådan balans mellan teoretiska och praktiska kunskaper som främjar elevernas lärande
I samma skrift (s. 26) kan man läsa att:
Eleverna skall få möjlighet att reflektera över sina erfarenheter och tillämpa sina kunskaper
I ämnesbeskrivningen av fysik i gymnasieskolan kan man läsa:
Fysik
Mål att sträva mot
Skolan skall i sin undervisning i fysik sträva efter att eleven
utvecklar sin förmåga att föreslå, planera och genomföra experiment för att undersöka olika fenomen samt beskriva och tolka vad som händer genom att använda fysikaliska begrepp och modeller,
utvecklar sin förmåga att med hjälp av moderna tekniska hjälpmedel samla in och analysera data samt simulera fysikaliska fenomen och skeenden.
I kursmålen för Fysik A kan man läsa:
Fysik A
Mål
Mål som eleverna skall ha uppnått efter avslutad kurs
Eleven skall kunna delta i planering och genomförande av enkla experimentella undersökningar samt muntligt och skriftligt redovisa och tolka resultaten
I kursmålen för Fysik B kan man läsa:
Fysik B
Mål
Mål som eleverna skall ha uppnått efter avslutad kurs
Eleven skall ha utvecklat sin förmåga att planera och genomföra experimentella undersökningar samt muntligt och skriftligt redovisa och tolka resultaten
1.2.2 Didaktiska motiv
Följande lista kan användas för att didaktiskt motivera laborationer i fysikundervisningen (Reddish 2003, s. 162):
• Confirmation – Verifiering
Att visa riktigheten i den teori som redovisats under lektioner.
• Mechanical skills – Teknisk färdighet
Att hjälpa eleven att förvärva förmåga att hantera teknisk apparatur.
• Device experience – Erfarenhet av utrustning
Att göra eleven bekant med olika typer av mätinstrument.
• Understanding Error – Att förstå fel
Att hjälpa eleven att lära sig att redovisa sina resultat för andra med hjälp av tabeller, diagram, feluppskattning, noggrannhet och precision.
• Concept building – Begreppsbildning
Att hjälpa eleven att förstå grundläggade fysikaliska begrepp.
• Empiricism – Empiri
Att hjälpa eleven att förstå de empiriska grunderna för vetenskap.
• Exposure to research – Erfarenhet av undersökande arbetssätt
Att hjälpa eleven att få en känsla för hur forskning och vetenskapligt arbete går till.
• Attitude and expectations – Inställning och förväntningar
Att hjälpa eleverna att medvetandegöra vikten av oberoende i vetenskapligt tänkande och arbetssätt.
Håkan Hult har i skriften Laborationen – Myt eller verklighet (2000, s. 15) sammanfattat laborationens sju syften. Enligt Hult ska laborationen:
• komplettera teorin, visar tillämpningen av teorin och ger en känsla för teorin/fenomenet.
• utvecklar en analytisk och kritisk förmåga och förmågan att formulera mål.
• hjälper studenterna till ett meningsfullt lärande.
• underlättar förståelsen för vetenskapligt arbete.
• ger färdigheter och vana att använda tekniker som används i vetenskapligt arbete.
• motiverar till tekniska och naturvetenskapliga studier.
• utvecklar den sociala kompetensen och den kommunikativa förmågan.
Det kan nog vara svårt att uppfylla samtliga punkter vid varje laborationstillfälle. Man kan emellertid se listans punkter som mål att sträva mot i det laborativa arbetet i fysik i
gymnasieskolan.
Vilka av punkterna som man som lärare ska fokusera på beror även på var i
utbildningssystemet eleverna befinner sig. Fysik A på NV-programmet ska förbereda eleven för fortsatta studier i fysik – då i första hand för Fysik B. I A-kursen bör man då, i mitt tycke, fokusera på att laborationerna ska komplettera teorin, hjälpa eleverna till meningsfullt lärande och utveckla deras sociala och kommunikativa förmåga.
Fysik B ska förbereda för fortsatta studier i fysik. Min uppfattning är att laborationerna då mer ska inriktas på att ge färdigheter och vana vid vetenskapligt arbete, utveckla analytisk och kritisk förmåga samt motivera till fortsatta studier i naturvetenskap och teknik.
2 Definition av laborativt arbete
För att uppfylla punkterna i listan ovan ställs vissa krav på elevernas medverkan och undervisningens organisation för att den skall gå under begreppet laboration. Flertalet av följande punkter anser jag måste vara uppfyllda för att en undervisningssituation ska kunna betraktas som en laboration:
• Eleverna ställer upp en hypotes eller delges en hypotes som laborationen är tänkt att pröva.
• Eleverna arbetar enskilt eller i grupp med ett experiment.
• Eleverna tillämpar ett undersökande arbetssätt och har till sin hjälp i detta arbete någon typ av mätinstrument för datainsamling.
• Eleverna formulerar slutsatser och tolkar resultaten.
Håkan Hult (s. 23) skriver att Kirschner och Meester (1988) beskriver följande typer av laborationer:
1. Den akademiska eller formella
Denna typ av laboration utförs efter ett ”recept”. Instruktionerna är detaljerade och entydiga. Målet med laborationen är bestämt i förväg.
2. Öppen eller induktiv:
Denna typ av laboration appellerar till elevens kreativitet och begreppsförståelse.
Instruktionerna är mer vägledande än styrande. Eleven planerar och genomför laborationen efter ett antal på förhand bestämda förhållningspunkter.
3. Divergenta:
Tanken med denna typ av laboration är att den ska kunna utvecklas på många olika sätt utifrån olika förhållanden. Dess delar är standardiserade och bestämda i förväg.
Denna typ av laboration går ut på att eleven prövar olika möjliga alternativ, för att sedan ställa samman dessa och komma fram till ett resultat.
4. Experimentella seminarier:
Laborationens olika steg arbetas fram genom litteraturstudier och diskussioner i grupp.
Experimentet behöver inte genomföras av eleverna själva. Läraren kan utföra experimentet inför eleverna som en demonstration.
Kvist, Pålsgård och Nilsson använder i läroboksserien Ergo begreppet hemlaboration. En hemlaboration är tänkt att kunna utföras med enkla vardagliga föremål som man oftast har tillgängliga i hemmet. Även Liljeström (2000, s. 3) använder begreppet hemlaboration i anslutning till distansundervisning.
När jag i fortsättningen använder begreppet laboration avser jag lektionsbunden tid i skolan under ledning av en fysiklärare och där eleverna själva deltar aktivt i det praktiska arbetet.
3 Teorier för lärande
Varför ska man utföra fysiklaborationer i gymnasieskolan? Det enkla svaret är att det står i kursplanen: Men varför har det hamnat där?
För att en naturvetenskaplig teori ska anses trolig måste den underkastas en strukturerad prövning. Denna metod brukar kallas naturvetenskapligt arbetssätt. I grunden är detta arbetssätt undersökande och innehåller laborativa moment eller uppställning av experiment som syftar till att undersöka om en uppställd hypotes kan anses giltig. Man kan ställa upp följande lilla schema för naturvetenskapligt arbetssätt:
1. Ett problem identifieras. Detta sker genom observation eller sammanställning av tidigare resultat eller som en följd av litteraturstudier.
2. En hypotes formuleras. En hypotes är en förutsägelse som kan verifieras eller
falsifieras. En vetenskaplig teori byggs genom en logisk följd av verifierade hypoteser.
Om en hypotes i en sådan kedja kan falsifieras måste teorin omvärderas.
3. Hypotesen testas med ett experiment.
4. Resultatet av experimentet analyseras. Om resultatet överensstämmer med den
uppställda hypotesen anses denna vara stärkt. Experimentet måste kunna upprepas och därvid ge samma resultat.
I det fall experimentet inte stöder hypotesen måste denna omarbetas eller förkastas.
5. Resultatet av experimentet utreds och beskrivs för att bilda en del av en större vetenskaplig teori.
Svein Sjöberg (2000, s. 67) påpekar också att styrkan i en naturvetenskaplig teori inte bara innebär att den kan visas experimentellt utan också att den kan förutsäga vad som kommer att inträffa under givna förutsättningar. Sjöberg (2000, s. 386) påpekar också att observationer är en förutsättning för att vi ska kunna befästa teorier och formulera ny naturvetenskapliga teorier, men även för att kunna förkasta gamla föreställningar.
Min uppfattning är att laborationer i fysik kan ses som ett sätt att skola in eleverna i den västerländska vetenskapstraditionen. Förhoppningen är inte sällan att nya och framgångsrika forskare inom den naturvetenskapliga sfären ska bli resultatet av undervisningen i de
naturvetenskapliga ämnena i den svenska gymnasieskolan. Att utforma undervisningen med
laborativa moment har också inlärningsteoretiska motiv. Svein Sjöberg (2000) menar vidare att skolämnena endast är ”miniversioner” av de vetenskapliga disciplinerna. Meningen med naturvetenskapliga studier i grund- och gymnasieskola är att ge en helhetsbild av
naturvetenskap och hur den påverkar oss. I kursmålen fäster man även vikt vid elevens
förmåga att muntligt och skriftligt redovisa resultat. Den kommunikativa aspekten har således en viktig roll i fysikundervisningen.
Vilka prioriteringar som ska göras och hur undervisningen ska planeras beror i stora stycken på vilken inlärningsteoretisk modell man ansluter sig till.
I boken Vad är kunskap? beskriver Arne Maltén de viktigaste teorierna för lärande. Jag sammanfattar fritt, med Malténs bok som förlaga, i de följande styckena de teorier som måste anses centrala då det gäller laborativt arbete.
3.1 Behaviorismen
Psykologiprofessorn Burrhus Frederic Skinner (1904-1990) brukar anses som en
förgrundsgestalt för det behavioristiska synsättet. Hans teorier grundade sig bland annat på behavioristen John B. Watsons (1878-1958) uppfattning att allt lärande är resultat av beteendeinlärning.
Undervisningen bygger på den s. k. stimuli-respons-teorin. Undervisningen ska vara noggrant planerad och välstrukturerad – programmerad. Ett av barnet korrekt beteende leder till
belöning medan ett felaktigt beteende leder till bestraffning. I dagens svenska skola spelar den behavioristiska modellen inte speciellt stor roll.
Möjligen kan en del skollaborationer ansluta till detta synsätt. Eleverna får följa en detaljerad beskrivning vilken syftar till att leda till ett bestämt resultat. Om eleven följer ”receptet”
noggrant får denne belöningen genom att experimentet utfaller med korrekt resultat.
3.2 Empirismen
Det empiristiska synsättet kan beskrivas med att observationer och erfarenheter är den enda vägen till kunskap. Erfarenheter tillägnas genom de yttre sinnena och det inre sinnet. Yttre sinnen är t. ex. hörsel, känsel och syn. Erfarenheter som görs med hjälp av sinnena anses vara sanna och tillförlitliga. Det inre sinnet använder erfarenheter från de yttre sinnena för att
skapa generaliseringar och inre bilder som kan överföras till likartade problem. Enligt det empiriska synsättet har det laborativa arbetssättet stor betydelse. Läraren hjälper eleven genom att organisera arbetet både genom muntliga och skriftliga instruktioner. Genom praktiskt arbete överförs sedan kunskapen till eleven via laborationsmaterielen. De yttre sinnenas observationer formeras till kunskap i det inre sinnet.
Laborationer kan dock inte alltid förmedla all nödvändig kunskap. Laborativa moment bör följas upp av repetitionsfrågor och teoretiska arbetsuppgifter. Den empiristiska
undervisningen fokuserar på produkten. Föreställningar hos eleven som avviker från den vetenskapliga teorin kallas för missuppfattningar. Missuppfattningar undviks genom att eleverna leds att göra noggranna och i möjligaste mån korrekta observationer.
3.3 Konstruktivismen
Det konstruktivistiska synsättet är influerat av den schweiziska psykologen Jean Piagets (1896-1980) teorier om kognitiv1 utveckling. Omsatt till pedagogisk idé syftar det
konstruktivistiska synsättet att barnen ska tillåtas vara aktiva och utifrån sin egen nyfikenhet upptäcka saker på egen hand. Det laborativa inslaget får då en naturlig roll. Barnen ska förstå sammanhang på egen hand och inte lära sig utantill. Piaget menade att människan har en stark inneboende drivkraft att lära om sin omgivning. Genom att samla erfarenheter bygger hon upp en alltmer komplex bild av sin omvärld. Piaget visade att barn och vuxna ser omvärlden på olika sätt beroende deras olika erfarenhetsbakgrund. Vilken metodik man använder måste därför anpassas till barnets utvecklingsgrad. Det undersökande arbetssättet är alltså centralt i det konstruktivistiska synsättet. Detta sätt att arbeta kan ses som en garanti för att eleven förvärvar korrekt kunskap. Undersökningar har emellertid visat att elever kan vidhålla en felaktig uppfattning och tolka ett resultat som att det stöder en tidigare missuppfattning.
Enligt konstruktivismen kan kunskap inte överföras rakt av. Den måste byggas upp efter varje individs förutsättningar. Elevens erfarenhetsbakgrund påverkar lärandeprocessen. Min
uppfattning är att det är detta synsätt som borde vara det förhärskande då man utformar laborationer. Svårigheten är emellertid att utforma laborationerna så att de ansluter till elevernas tidigare erfarenheter. Det finns risk för att eleverna upplever överkrav och därmed inte kan tillgodogöra sig den kunskap som laborationen är tänkt att förmedla.
1 Mekanismer som ligger bakom människans tankeprocesser och begreppsbildning.
3.4 Det sociokulturella synsättet
De kulturella förhållandenas betydelse för lärandet är känt för de flesta lärare. Den ryske psykologen Vygotsky har formulerat en utvecklingssyn som i korthet innebär att
kommunikation är den viktigaste komponenten i en lärsituation. Vår uppfattning av omvärlden beror både på språklig och kommunikativ kompetens. Att vi som individer har samma kulturella referenser har även betydelse för vår begreppsbildning. En förutsättning för att en kommunikation ska leda till begreppsbildning är ju att vi som individer har en
gemensam referensram.
Säljö (2000, s. 105) menar att aktivt deltagande är en förutsättning för lärande samt att
personer i grupp kan lära sig mer än de skulle kunna enskilt. Säljö påpekar vidare att inlärning föregås av kommunikation. Den centrala faktorn enligt det sociokulturella synsättet är alltså att det är genom den kommunikativa processen som människan blir delaktig i kunskaper och färdigheter. Enligt det sociokulturella synsättet är det alltså inte den fysiska aktiviteten i sig som har den största betydelsen för begreppsbildningen utan genom de kommunikativa processer som sker individerna emellan.
4 Kritik mot laborationer
Många gånger verkar det som om laborationerna förvirrar eleverna med än de hjälper dem.
Det finns därför anledning att fundera över hur laborationerna bör utformas för att fungera optimalt.
Kritik har riktats mot laborativa moment i fysikundervisningen. Håkan Hult (s. 29) har
sammanfattat kritiken som riktats mot laborationer. En kritik som Hult tar upp avser överkrav och underkrav. Med överkrav menar Hult att eleven inte samtidigt kan koncentrera sig på de rent praktiska momenten och på den teori den är tänkt att laborationen ska illustrera.
Underkrav avser laborationer där enkla experiment ska redovisas genom ifyllande av formulär.
Kritik mot skolfysikens laborationer har även framförts av docent Kjell Prytz (Om att intressera för fysik, 2003). Prytz menar att fysiken är alltför kvantitativt inriktad. De flesta laborativa moment fokuserar på mätvärden, formler och siffror istället för begreppsmässig förståelse för fysikaliska fenomen. Prytz vill istället lägga större vikt vid kvalitativa studier av naturen. Alla fysikaliska fenomen bör studeras utomhus utan inblandning av formler eller mätinstrument. När väl detta är gjort är eleverna mogna att göra kvantitativa studier. Prytz menar vidare att mätinstrument i många fall utgör en barriär mellan eleven och naturen.
Håkan Hult tar även upp kritiken att laborationerna snarare ger eleverna praktiska färdigheter än förmedlar naturvetenskaplig kunskap. Frågan är dock vad vi som undervisar i
naturvetenskap har som mål. När det gäller kemi och biologi finns det flera yrkeskategorier i vilka det är vanligt med uppvägning av kemikalier samt analyser. Detta är vanliga
arbetsuppgifter i t. ex. vårdsektorn. I kemi kan man därför motivera vikten av att väga rätt och att mäta upp rätt mängd av ett ämne eller att blanda en lösning till en viss koncentration. Detta
”vardagliga” laborerande är emellertid ovanligt när det gäller fysik.
4.1 Ett försök till optimering
Vid Dickinson College i Pennsylvania arbetar Priscilla Laws. Professor Laws utformar laborationerna enligt följande schema (Claesson/Grimvall, 1997, s. 11):
1. Studenterna formerar grupper som består av 3-4 studenter.
2. Studenterna börjar med att diskutera sina förutfattade meningar om ett problem.
3. Därefter gör de enkla kvalitativa observationer.
4. Efter diskussion i grupperna hjälper läraren till att konstruera matematiska modeller och definitioner.
5. Slutligen utförs kvalitativa experiment.
Detta sätt att laborera verkar i mitt tycke ganska tidskrävande. Fördelen är att de studenter som deltar knappast kan undgå att tillägna sig kunskapen som laborationen är tänkt att förmedla. En annan kritik mot laborationen som Hult (s. 29) tar upp är att det är svårt att försvara dem ekonomiskt. Laborationer genomförs i mindre elevgrupper och ofta under längre lektionspass än den vanliga undervisningen. Håkan Hult hänvisar till undersökningar (s. 26) som visar att elever som inte laborerat hade samma kunskaper som de som genomfört laborationer. Hur elevernas kunskaper mättes redovisas dock inte.
Att mycket av den utrustning som behövs för att utföra laborationer är kostsam råder det inga tvivel om. För oss som arbetar med utbildning är de ekonomiska villkoren inte alltid speciellt gynnsamma. Resurserna för gruppdelning är också de ganska små. Laborationerna måste därför kunna motiveras genom att eleverna faktiskt upplever dem som positiva ur ett inlärningsperspektiv.
4.2 Vilka kan orsakerna vara till att laborationerna fungerar mindre bra?
Anledningarna till att en laboration inte får den avsedda effekten kan variera. En laboration som på planeringsstadiet verkar bra kan i en praktisk undervisningssituation visa sig vara fullkomligt bortkastad. Under min tid som undervisande lärare har jag själv kunnat identifiera följande faktorer som kan bidra till att laborationens syfte inte uppfylls:
4.2.1 Tidsbrist.
Eleverna hinner inte göra de reflektioner och det tankearbete man hade önskat. Laborationen blir därför inte ”komplett”.
För att en laboration ska anses vara lyckad menar jag att eleverna måste ha tillägnat sig ny kunskap efter laborationens slut. En laboration vars enda syfte är insamling av mätdata för senare bearbetning anser jag vara mindre lyckad. Tiden blir då en viktig faktor. Under laborationstiden ska eleverna hinna ta fram utrustning samt i många fall montera upp
försöksuppställningen. Därefter ska experimentet utföras och mätdata samlas in. Slutligen ska mätdata bearbetas och tolkas. Allt detta tar tid. För laborationer på gymnasiet avsätts oftast 70 – 120 minuter.
4.2.2 Problem med handhavande av utrustning.
Ofta går mycket av laborationstiden åt för att förklara hur laborationsutrustningen fungerar.
Eleverna har ofta svårt att både hantera den tekniska apparaturen och att tillägna sig den teori och begreppsförståelse som laborationen är tänkt att förmedla.
Flera av de mätinstrument som används under fysiklaborationerna är svårbegripliga för ovana användare. Oscilloskopet2 är ett mätinstrument som en gymnasieelev konfronteras med 2 – 3 gånger under gymnasietiden. I många fall hade troligen laborationen kunnat bli väl så effektiv utan att man som lärare introducerade avancerad teknisk apparatur.
Mina erfarenheter att teknisk apparatur ibland är ett hinder för lärande är inte unika. Docent Kjell Prytz (2003) anser att mätdatorutrustning för pedagogiskt bruk som är avsedd för datainsamling står i vägen för elevernas begreppsbildning.
4.2.3 Feltolkningar av mätresultat.
Vad som är ”bra mätvärden” är absolut inte okomplicerat. En elevgrupp som genom att släppa en lerklump från olika höjder och ta tiden med stoppur kommer fram till att lerklumpen accelererar med 9,4 m/s2 menar att detta värde är oacceptabelt eftersom det avviker väldigt mycket från det förväntade värdet 9,82 m/s2. I själva verket ligger elevernas värde
förmodligen närmre lerklumpens faktiska acceleration än det värde eleverna finner i sin tabell.
En central del av fysikforskning är att korrekt insamling av mätdata, bearbetning av mätdata och redovisas är förstås centralt, men även detta är väldigt tidskrävande. Även efter flera års fysikstudier är eleverna väldigt tveksamma när det gäller tolkning av mätresultat. Jag har ofta noterat att eleverna har stora svårigheter att avgöra vad som är rimliga resultat: Inte bara vid laborationer utan även vid problemlösning. En annan erfarenhet jag gjort är att mätresultat
2 Analogt elektriskt mätinstrument som mäter hur en spänning varierar med tiden. Instrumentet har ett katodstrålerör där en ljuspunkt grafiskt visar hur spänningen förändras.
som redovisas av digitala instrument alltid anses som mer tillförlitliga.
4.2.4 Bristfällig laborationsutrustning.
Skolans ekonomi och prioriteringar har betydelse för vilken utrustning som införskaffas samt hur denna underhålls. Felaktig utrustning kan ofta bidra till att försvåra genomförandet av laborationer.
Även denna faktor är värd att beakta då man planerar sina laborationer. Om mätresultaten måste kompenseras p. g. a. fel i utrustningen, eller om felen orsakar förändringar av det normala handhavandet leder detta lätt till att elevernas fokus fjärmas från det fysikaliska fenomen som ska undersökas.
Laborationerna sker ofta i grupper. Om de olika grupperna under en laboration arbetar med olika försöksuppställningar kan detta också leda till splittring.
4.2.5 Bristande teoretiska kunskaper.
Laborationernas syfte är ofta att verifiera känd teori. Om denna teori är okänd för dem som ska genomföra laborationen tenderar laborationen istället att bli en form av ”slöjd”. Mot detta kan man naturligtvis invända varför det är meningsfullt att öda tid på laborationer där
eleverna redan är medvetna om vilka resultat de kan förvänta sig att få.
4.2.6 Bristande matematiska kunskaper.
Ofta är laborationens syfte att fastställa sambandet mellan två storheter. Mätresultat bearbetas genom att man undersöker proportionaliteten mellan storheterna för att på så sätt komma fram till en trolig matematisk modell. Om denna matematiska kunskap saknas uteblir laborationens önskade effekt.
Till sin hjälp har eleverna ofta grafritande räknedosor eller olika kalkylprogram till sin hjälp för att bearbeta mätdata matematiskt. Min erfarenhet är att eleverna ofta har svårt att applicera sina matematiska kunskaper i verkliga situationer. I många fall är också här tekniska
hjälpmedel direkt kontraproduktiva. Det är därför viktigt att det som är tänkt att underlätta inte blir ytterligare en faktor som vänder elevernas uppmärksamhet från det som laborationen
är avsedd att beskriva.
4.2.7 Formalismen överskuggar.
I bästa fall innebär författandet av en laborationsrapport att teorin och kunskaperna befästs.
Det är klart att det är bättre att eleverna förstår laborationen efteråt än att de aldrig gör det.
Min känsla är emellertid att laborationsrapporterna inte får det önskade syftet. Eleverna hänger mer upp sig på den formella utformningen än att de faktiskt förstår den teori som laborationen var tänkt att förmedla.
Bättre hade kanske varit att samla eleverna för en diskussion om vilka erfarenheter de gjort under laborationen. Ur ett tidsperspektiv skulle detta innebära att antalet laborationer skulle bli mindre. Men kanske skulle det vara väl så bra att använda tiden på detta sätt.
4.2.8 Bristande bearbetning av resultat.
Själv upplever jag att jag slarvar med att bearbeta laborationsresultaten i undervisningen.
Detta bidrar till att laborationen kan upplevas som ”hängande i luften”. Detta är troligen en effekt av tidsbrist (se punkt 1).
Som lärare anser man ofta att laborationsresultaten i sig är tillräckliga för att styrka teorin.
Eleverna uppfattar det inte alltid så. Elever som är ovana vid naturvetenskaplig metod söker efter det i resultatet som stärker deras förutfattade uppfattning – även om denna råkar vara felaktig.
5 Syfte
Att undersöka hur laborationer bör utformas för att underlätta elevens lärande samt undersöka hur eleverna på NV-programmet upplever de laborativa momenten i fysikundervisningen.
5.1 Frågeställningar
1. Förstår eleverna instruktionerna till laborationerna?
2. Tycker eleverna att laborationerna underlättar lärandet?
3. Har laborationens utformning någon betydelse för elevens lärande?Med utformning avses här instruktionernas utformning samt laborationsutrustningen.
4. Hur bör laborationerna utformas?
5.2 Avgränsningar
I mina undersökningar fokuserar jag på hur eleverna upplever de laborativa momenten för att försöka utröna vad de anser. Några undersökningar av lärares uppfattningar har inte gjorts.
Eftersom jag själv sedan många år arbetar som lärare är det emellertid svårt att helt bortse från egna och andras erfarenheter av undervisning i fysik.
I enkätundersökningen har jag inte gjort någon uppdelning beträffande kön på som svarat.
Enkäten ska mer ses som ett komplement till den kvalitativa undersökningen av olika laborationer. Laborationerna har endast genomförts i årskurs 1. För att undersöka närmare vilken betydelse elevernas laborationsvana har i sammanhanget borde undersökningen utvidgas till att omfatta även årskurs 2 och 3.
6 Metod
För att undersöka hur eleverna upplever laborationernas utformning avseende instruktioner och materiel valde jag att studera några elevgrupper under det att de genomförde laborationer.
Utifrån resultaten av denna undersökning är min förhoppning att jag ska kunna ge några exempel på saker som bör beaktas då man väljer materiel samt hur man utformar
instruktionerna till en laboration. Studien följdes sedan upp med intervjuer med elevgrupperna.
För att undersöka hur eleverna upplever laborationerna mer generellt genomfördes även en enkätundersökning. Det är av intresse hur eleverna upplever att de laborativa momenten bidrar till deras kunskapsutveckling.
6.1 Laborationer
För att besvara frågorna i 2 valde jag att använda en av de klasser jag undervisar i fysik.
Klassen är en NV1:a. Vid tillfället för undersökningen hade klassen läst ca halva kursen Fysik A. Anledningen till att jag gjorde detta urval var att det passade bra i min planering att utföra laborationen. Jag behövde heller inte så ingående förklara för eleverna att de deltog i ett
”forskningsarbete”. På detta sätt kunde jag genomföra försöket på ett naturligt sätt.
Laborationen som eleverna skulle utföra behandlade sambandet mellan tryck och volym i en konstant mängs luft vid konstant temperatur3. Målet med laborationen var att eleverna skulle komma fram till sambandet p=k(1/V) samt även utifrån sina insamlade data komma fram till värdet på k.
Eleverna fick en instruktion som de skulle ta del av innan de monterade försöks-
uppställningen. Under laborationen handledde jag eleverna och gav dem diverse tips om hur de skulle samla in mätvärden samt tolka bearbeta sina mätdata.
Under laborationen iakttog jag eleverna i deras arbete och efter laborationen ställde jag frågor till eleverna för att få en uppfattning om hur de uppfattade laborationen. Tre olika laborations- uppställningar användes. Två grupper utförde laborationen för var och en av de tre
laborationsuppställningarna. Laborationerna utfördes under 2 x 70 minuter med tre grupper på
3 Boyle’s lag pV = konst
varje laborationspass. Alla grupperna fick en del information gemensamt. Därefter fick varje grupp be om ytterligare instruktioner för sin specifika laborationsuppställning.
6.1.1 Uppställning med glaskolv
I den första laborationsuppställningen används en vertikalt monterad glaskolv. Kolven är graderad i cm3. För att förändra trycket i den inneslutna gasmängden belastas kolven med vikter. I laborationen finns flera saker eleverna måste inse innan de kan komma fram till korrekta mätdata. Eleverna måste t. ex. inse att även kolvens tryck påverkar gasmängden.
Förutom detta måste de addera aktuellt lufttryck. De måste även ta reda på kolvens area för att kunna beräkna vilket tryck som de belastande vikterna utövar på gasen.
Dessa beräkningar är förvisso nyttiga, men om syftet med laborationen är att eleverna ska förstå sambandet mellan tryck och volym för en konstant gasmängd kanske dessa moment ska vänta till ett senare tillfälle.
I bilaga 1 finns den laborationsinstruktion som delades ut till eleverna inför laborationen.
6.1.2 Uppställning med CBL
4och grafritande räknare
Den andra lab-uppställningen bestod av en CBL och en grafritande räknare av typen TI82 (En typ av miniräknare som alla NV-elever i Malmö Stad får låna under gymnasietiden.).
Eleverna började med att ladda över ett program till sina miniräknare. Till en trycksensor anslöts en vanlig plastspruta med volymen 20 cm3. Trycksensorn anslöts därefter till CBL:en.
Slutligen anslöts räknedosan till CBL:en. Därefter registrerades trycket vid olika volymer i sprutan. Mätdata lagrades automatiskt i tabeller i miniräknarens minne.
I bilaga 2 finns den laborationsinstruktion som delades ut till eleverna inför laborationen.
6.1.3 Kolv med vev och manometer
I denna uppställning användes en apparat med en skruv med vilken den inneslutna
gasmängden kunde komprimeras. På apparaten fanns även en manometer så att det aktuella
4 Calculator Based Laboratory – Texas Instruments
trycket kunde avläsas. I laborationsanvisningarna finns uppgifter om apparatens dimensioner så att eleverna kan beräkna den inneslutna gasmängdens volym.
I bilaga 3 finns den laborationsinstruktion som delades ut till eleverna inför laborationen.
6.2 Enkätundersökning
Förutom den laborativa undersökningen genomfördes en enkätundersökning (bilaga 4).
Enkäten genomfördes i NV-klasser i åk. 1 – 3 på två kommunala gymnasieskolor i Malmö.
Elever från 18 av totalt 23 klasser besvarade enkäten. Totalt svarade 392 elever på enkäten.
För att utvärdera enkäten genomfördes inledningsvis enkäten i min egen undervisningsgrupp.
Då inga problem angående tolkningen av enkätfrågorna uppkom har jag använt även dessa enkäter.
Jag kontaktade själv lärare på de båda skolorna. Erforderligt antal enkäter delades ut till lärarna som därefter själva genomförde enkäterna i sina undervisningsgrupper. Lärarna ombads att kortfattat förklara syftet med enkäten samt redogöra för att deltagande inte var obligatoriskt och att alla som deltog i undersökningen skulle vara anonyma. Instruktionerna till lärarna var att enkäten skulle ta ca 10 minuter. Därefter skulle enkäterna samlas in och läggas i ett kuvert. Kuvertet skulle därefter förslutas för vidare befordran till mig.
Frågorna i enkäten besvaras på en skala 1-6, detta för att undvika dragning mot ett
mittalternativ. På detta sätt tvingas personerna som svarar på enkäten ta ställning. Enkätens syfte är framförallt att ge en överblick av hur eleverna uppfattar de laborativa inslagen i fysikundervisningen. Frågorna är därför utformade som ett antal påståenden av typen:
Jag har lätt för fysik. Eleven ska därefter gradera hur väl påståendet överensstämmer med hans/hennes uppfattning.
För att kunna bearbeta resultatet av enkäten skrev jag ett JAVA-program med vars hjälp jag snabbt kunde mata in enkätsvaren. Programmet var så skrivet att svaren på en enkät skulle sparas som siffror på en rad i en textfil. Innehållet i textfilen kunde sedan importeras till Excel för vidare bearbetning.
6.3 Validitet och reliabilitet
Hur de olika elevgrupperna upplever de olika typerna av laborationsupplägg kan svårligen direkt jämföras med varandra. Eleverna har olika erfarenhetsbakgrund vilket gör att de olika elevgrupperna inte uppfattar laborationerna på samma sätt. Resultatet av undersökningen av laborationerna kunde mycket väl ha blivit annorlunda om grupperna tilldelats andra
laborationsuppställningar än den de faktiskt fick. Detta påverkar reliabiliteten i
undersökningen. Trots detta anser jag att jag kan dra vissa slutsatser av min undersökning.
När det gäller enkäten är den genomförd på två kommunala skolor i Malmö som har en lång tradition av framgångsrik undervisning i de naturvetenskapliga ämnena. Skolornas
elevklientel är vidare tämligen likartade. Till båda skolorna rekryteras elever som har de högsta avgångsbetygen från grundskolan i Malmö. För att öka reliabiliteten i undersökningen kunde undersökningen ha kompletterats med elevsvar från ytterligare gymnasieskolor i Malmö. När det gäller bortfall i undersökningen har jag tidigare nämnt att 18 elevgrupper av totalt 23 som enkäten delades ut till besvarade enkäten. Bortfallet kan bero på att en del lärare inte anser sig ha tid att genomföra undersökningen i sina undervisningsgrupper. En annan orsak kan vara att de inte anser enkätfrågorna relevanta för sin undervisningsgrupp. Ingen undersökning av orsaken till bortfallet har emellertid gjorts.
Det finns inte heller några garantier för att samtliga elever i de 18 undervisningsgrupper som deltog i undersökningen var närvarande då enkäten genomfördes. Inga undersökningar av detta eventuella bortfall har gjorts.
Enkäten testades i en undervisningsgrupp. Då inga oklarheter verkade råda efter denna testomgång ansåg jag enkätfrågorna utformade på ett tillfredsställande sätt. Testgruppens enkätsvar ingår som en del av det statistiska materialet.
Avseende fråga 8 på enkäten kan det finnas viss tveksamhet angående tolkningen. Eleven kan tro att frågan gäller laborationer som utförs utan lärares närvaro, d. v. s. själv skulle ha
betydelsen utlämnad till sig själv. En annan missuppfattning skulle kunna vara att eleven uppfattar ordet själv i betydelsen ensam. Eftersom laborationer inte genomförs på de ovan beskrivna sätten på de skolor där enkäten genomförts anser jag emellertid att dessa typer av feltolkningar inte är speciellt frekventa. Jag bedömer därför validiteten för
enkätundersökningen som tillfredsställande.
7 Resultat och analys
I detta kapitel kommer jag att redovisa resultaten av mina undersökningar. I kapitel 7.1 redovisas mina observationer av eleverna då de laborerade. Genom mina observationer hoppades jag kunna få svar på om instruktionerna till de genomförda laborationerna är tillräckligt tydliga. En annan fråga ska försöka besvara är om valet av laborationsutrustning har någon betydelse för hur eleverna har uppfattat laborationen. Utifrån detta hoppas jag kunna föreslå vilka ställningstaganden som är lämpliga att göra då man planerar en laboration i fysik.
I kapitel 7.2 redovisar jag resultatet av min enkätundersökning. Enkäten finns redovisad i bilaga 4. Utifrån min analys av enkätsvaren kommer jag att besvara frågorna angående hur eleverna uppfattar laborationerna samt på vilket sätt de anser att laborationerna är ett stöd för lärande.
7.1 Laborationer
Under laborationerna observerade jag eleverna i deras arbete. Eleverna fick ställa frågor om de körde fast. Jag gav dem även tips om jag upptäckte att de hanterade utrustningen felaktigt eller om de verkade tveksamma. Hela tiden förde jag minnesanteckningar över elevernas frågor och inbördes dialoger samt angående deras handhavande av utrustningen. Efter det att eleverna genomfört laborationerna intervjuade jag eleverna i de olika grupperna. Under intervjuerna bad jag eleverna besvara följande frågor:
1. Kan ni förklara vad laborationen gick ut på?
2. Vilka erfarenheter tycker ni var viktigast efter det att ni genomfört laborationen?
3. Vilket var mitt (lärarens) syfte med laborationen?
4. Tyckte ni att instruktionerna var lätta att förstå?
5. Var instruktionerna tillräckliga för att ni på egen hand skulle kunna påbörja laborationen?
6. Var laborationsutrusningen lätt att använda?
7.1.1 Uppställning med glaskolv – Observationer
Eleverna som använde denna laborationsuppställning visade uppenbara svårigheter att utföra nödvändiga beräkningar för att ta reda på vilket tryck som faktiskt rådde i den inneslutna
gasmängden. Grupperna som använde uppställningen fick tillgång till en våg och ett skjutmått för att på så vis bestämma kolvens area och massa. Under laborationen hade båda grupperna problem med att få kolven att vara tät. Då eleverna läste av aktuell volym fortsatte kolven att sjunka vilket bidrog till att eleverna fick läsa av volymen många gånger vid samma
belastning.
Det tog förhållandevis lång tid för båda grupperna att komma fram till vilket samband som rådde mellan gasens volym och trycket. Alla grupperna fick samma frågeställningar angående tryck och volym.:
1. Hur ändras volymen om trycket dubblas?
2. Hur ändras volymen om trycket ökar med 50%?
Enligt mina observationer tog det längst tid för grupperna med denna laborationsuppställning att komma fram till svaren på de här frågorna. En av grupperna kom inte fram till svaren på frågorna förrän jag suttit ner med dem en ganska lång stund.
Observationen ligger i linje med de resultat jag hade förväntat mig. Laborationsutrustningen har vissa brister eftersom trycket måste beräknas. Detta moment kan leda till att eleverna koncentrerar sig på ”fel sak”. Syftet med laborationen är ju att hitta sambandet mellan tryck och volym. Laborationsutrustningen kan därför sägas ”dölja” syftet med laborationen.
En invändning man kan göra är att eleverna ska kunna bedöma noggrannhet i mätningar som görs under laborationer. Detta har vi berört tidigare i kursen genom att mäta sträckor med olika mätinstrument. I det fallet är dock målsättningen att eleven ska kunna välja lämpligt mätinstrument för olika mätningar samt att kunna ange ungefärlig mätnoggrannhet för mätinstrumentet i fråga. I det fallet har eleverna ganska omfattande erfarenhetsbakgrund. I den här laborationen stöter eleverna på nya begrepp och storheter vilket kan vrida elevernas fokus från laborationens syfte till den utrustning som används.
7.1.2 Uppställning med glaskolv – Intervjuer
Båda grupperna kunde ge en bra beskrivning av vad laborationen gick ut på. När det gäller nyttiga erfarenheter framhåller båda grupperna sambandet mellan tryck och volym. Även förmågan att hantera sin grafritande räknare framhålls som en viktig erfarenhet.
En av grupperna påtalar det viktiga med att göra en konkret observation av sambandet mellan tryck och volym ser ut. Att arbeta praktiskt, menar de, ökar förståelsen och gör det lättare att söka samband mellan olika storheter i kommande laborationer.
Båda grupperna svarade att lärarens syfte med laborationen var att de själva skulle komma fram till sambandet mellan tryck och volym.
Båda grupperna tyckte att laborationsanvisningarna var lätta att förstå (bilaga 1). Den ena gruppen behövde dock en muntlig förklaring av hur experimentet skulle utföras. I princip tillfördes inte någon ny information utöver vad som står i anvisningarna. Gruppen fick hjälp med att bestämma kolvens area och med beräkningen av trycket i den inneslutna gasmängden då kolven var obelastad. Man kan uttrycka det så att informationen var otillräcklig för att eleverna på egen hand skulle kunna utföra laboration. Eleverna behövde lärarens hjälp för att komma vidare med sin laboration. I tidigare avsnitt nämns begreppen överkrav och
underkrav. Laborationens utformning kan tolkas vara aningen för komplex för att eleverna ska kunna utföra den helt på egen hand. Den verkar dock inte så svår att eleverna inte själva kommer vidare efter lite hjälp i rätt riktning.
En av grupperna anser sig inte alls ha kommit fram till det korrekta sambandet. Gruppen blev inte färdig med laborationen under lektionen utan fick stanna kvar en stund efteråt för att få hjälp med att tolka sina mätdata. De säger att de trots omfattande hjälp inte kunde förstå hur trycket skulle beräknas. Anledningen till att eleverna i denna gruppen hade så stora
svårigheter kan förklaras med att de försökte anpassa en andragradsfunktion till sina uppmätta värden. Eleverna hade således klart för sig hur de skulle gå tillväga då de använde sin
räknedosa för att anpassa en kurva. Vad de inte kunde tillgodogöra sig var vilket matematiskt samband som rådde mellan de båda storheterna tryck och volym. I det här fallet berodde alltså svårigheterna på bristande matematisk förmåga.
När det gäller laborationsutrustningen tyckte båda grupperna att utrustningen var lätt att använda. Den ena gruppen menar emellertid att man inte visste riktigt vad det var man samlade in för mätdata.
7.1.3 Uppställning CBL och grafritande räknare – Observationer
Instruktionerna till den här laborationen är mer ”instruktiva” än i föregående laboration. Om föregående laboration i viss mån ledde till överkrav kan denna laboration ge intrycket av motsatsen. Både instruktionen och instruktionerna i programmet har formen av ”formulär- ifyllande”. Mätdata kommer in i räknaren automatiskt via programmet. Eleverna samlar in data genom att följa instruktionerna och den grafritande räknaren presenterar de insamlade data i ett diagram så att eleverna direkt kan se sambandet.
De båda grupperna som hade denna laborationsuppställning blev färdiga med den praktiska delen av laborationen väldigt snabbt. Det tog dock ganska lång tid innan de kom fram till vilket matematiskt samband som rådde mellan tryck och volym i den inneslutna gasen. Båda grupperna behövde lite hjälp med att komma vidare. När de väl fått lite tips gick det fort eftersom mätdata redan fanns i deras räknedosor. Precis som för de båda föregående
grupperna hade eleverna svårt att se vilket samband som rådde mellan tryck och volym. Efter att ha fått hjälp med att tolka frågorna:
Hur ändras volymen om trycket dubblas?
Hur ändras volymen om trycket ökar med 50%?
gick det ganska snabbt för eleverna att komma fram till det korrekta sambandet.
7.1.4 Uppställning CBL och grafritande räknare – Intervjuer
Båda grupperna hade klart för sig vad laborationen gick ut på. När det kommer till vad de tycker är viktigt att ta med sig från laborationen går dock meningarna isär. Den första gruppen framhåller det observerade sambandet mellan tryck och volym som den viktigaste
erfarenheten. Eleverna i den andra gruppen menar att den viktigaste erfarenheten är hur man använder räknedosans listfunktioner och hur man kan plotta samband med sin räknedosa. De nämner även möjligheten att skicka data mellan räknedosorna som en viktig lärdom.
Även när det gäller vilket lärarens syfte är med laborationen går meningarna isär. Den första gruppen säger att lärarens avsikt är att eleverna genom praktiskt arbete ska komma fram till sambandet. Den andra gruppen fokuserar på den tekniska apparaturen. Detta kan bero på att eleverna inte använt sig av CBL tidigare under laborationerna. Eleverna uppfattar därför inte
den tekniska apparaturen som ett hjälpmedel utan som ett självändamål. Detta är ett vanligt problem när det gäller laborationer i fysik. Mycket av laborationsutrustningen används endast vid ett fåtal tillfällen. Eleverna får inte möjlighet att lära sig hur utrustningen fungerar och hur pålitlig den är samt i vilka sammanhang den bör användas. Detta hade kunnat undvikas genom att använda CBL vid någon tidigare laboration.
Båda grupperna tyckte att instruktionerna var lätta att förstå. De behövde hjälp med att ladda över programmet till räknedosan. För övrigt var det inga problem att slutföra det praktiska arbetet på egen hand.
Båda grupperna tyckte att laborationsutrustningen var lätt att använda. Elever från båda grupperna tyckte att deras laborationsuppställning verkade bättre än de andra gruppernas eftersom den var mer exakt. Med ”mer exakt” avses i det här fallet att mätresultaten redovisas digitalt och att mätresultaten samlas in direkt till räknedosan. Detta är en vanlig uppfattning när det gäller mätinstrument. Digitala instrument (termometrar, multimetrar, skjutmått,
stoppur etc.) upplevs som mer lättanvända och exakta än motsvarande analoga instrument. Att avläsningen är lättare att göra råder det inga tvivel om, men detta förväxlas ofta med
noggrannheten hos mätinstrumentet. Tvärtom är det ju så att avvikelsen i volym förmodligen är störst i denna laborationsuppställning.
7.1.5 Uppställning med kolv med vev och manometer – Observationer
Båda grupperna började med att bekanta sig med apparatens funktion. Eleverna förstod snabbt hur den skulle användas. Samtidigt fick de omedelbar respons på hur trycket förändrades då volymen minskade. Det enda problemet som jag kunde observera var att eleverna inte hittade ventilen som öppnar förbindelsen mellan luftmängden och den inneslutna gasmängden. Efter detta förstod eleverna i de båda grupperna att det rådde atmosfärstryck i behållaren efter det att ventilen öppnats. Båda grupperna kunde enkelt beräkna volymen av den inneslutna gasen.Det som skiljer mellan denna uppställning och uppställningen med glaskolv är att man här beräknar volymen istället för trycket. Eleverna verkar ha större förståelse för hur volymen beräknas jämfört med hur trycket beräknas. Beräkningarna i den här uppgiften verkar mer naturliga för eleverna och verkar snarare hjälpa eleverna att komma vidare i laborationen. Att stanna upp och ägna tid åt en tämligen trivial och välkänd beräkning gör att det blir naturliga pauser i laborationen. Sambandet mellan tryck och volym växer fram naturligt i deras tabell. I
ett tidigt skede av laborationen började den ena gruppen resonera om vid vilken volym som trycket borde vara fördubblat. Ett resonemang som senare visade sig stämma. Båda grupperna behövde lite hjälp med att omvandla enheten på manometern (10 N/cm2) till pascal.
Eleverna i en av grupperna provade också att expandera gasen för att se hur trycket förändrades.
7.1.6 Uppställning med kolv med vev och manometer – Intervjuer
Eleverna i båda grupperna kunde klart redogöra för laborationens syfte. De kunde efter laborationen klart redogöra för hur sambandet mellan tryck och volym såg ut och ansåg att detta var den viktigaste lärdomen av laborationen.Båda grupperna trodde att lärarens avsikt med laborationen var just att de skulle komma fram till sambandet pV=k.
Båda grupperna tyckte att apparaten var mycket lätt att använda. De förstod genast hur den skulle användas. Den ena gruppen var tvungen att få lite hjälp med att hitta skruvventilen med vars hjälp man evakuerar gasen. Denna grupp tyckte också att det kunde framgå av
instruktionerna hur man omvandlar N/cm2 till N/m2 (pa).
Båda grupperna tyckte att utrustningen var mycket lätt att använda. De behövde dock lite hjälp med att plotta sambandet på sina räknedosor.
I mitt tycke var det den här laborationen som fungerade bäst. Eleverna i de båda grupperna arbetade metodiskt och fick mycket bra resultat. Ganska snabbt kunde de resonera sig fram till sambandet. Laborationsutrustningen är enkel att använda och eleverna förstår snabbt hur den ska användas och vilka värden som ska läsas av samt vilka beräkningar som behöver göras.
7.2 Enkätundersökning
I detta avsnitt kommer en redovisning av resultatet av enkätundersökningen. Genom att analysera hur eleverna svarat hoppas jag uttala mig om hur eleverna upplever instruktionerna till laborationerna samt vilken betydelse eleverna anser att laborationerna har för deras kunskapsinhämtning.
I undersökningen har jag inte frågat efter elevernas kön. Däremot har eleverna fått svara på vilken kurs de läser. För det mesta har jag valt att titta på resultatet för gruppen som helhet. I vissa av frågorna har jag emellertid valt att kommentera skillnader i grupperna som läser Fysik A respektive Fysik B.
Till att börja med ville jag veta vad eleverna anser om gymnasiefysiken. Jag bad därför eleverna uttala sig om de ansåg att fysik var ett viktigt ämne. Resultatet redovisas i fig. 1 nedan.
Fråga 1
"Jag tycker att fysik är ett viktigt äm ne"
113 116
85
42
26
10
0 20 40 60 80 100 120 140
1 2 3 4 5 6
Figur 1 Resultat av enkätfråga 1.
Av elevernas svar att döma anser de uppenbarligen att fysik är ett viktigt ämne. Det finns en tydlig dragning mot svarsalternativ 1-3. Detta kan förklaras med att fysik är ett av
karaktärsämnena på Naturvetenskapsprogrammet där enkäten genomförts. Majoriteten av eleverna på de båda undersökta skolorna är också mycket studiemotiverade och har vanligtvis höga avgångsbetyg från grundskolan.
En separation av grupperna åk. 1 (som läser Fysik A) och åk. 2 och 3 (som läser Fysik B) visar att 89 % av eleverna i åk. 1 avger något av svarsalternativen 1-3 medan motsvarande andel i åk. 2 och 3 är 72 %. Hur viktigt man anser att fysiken är avtar alltså en aning i de högre årskurserna. Detta kan förklaras med att de naturvetenskapliga ämnena är ganska krävande och att det behövs en tämligen stor arbetsinsats för att erhålla ett högt kursbetyg.
Fokus flyttas då förmodligen till kurser som kräver lägre arbetsinsats för att uppnå samma betyg.
I min undersökning ville jag också ta reda på hur eleverna såg på sin egen förmåga. Resultatet av fråga 2 redovisas i diagrammet nedan.
Fråga 2
"Jag har lätt för fysik"
23
75
104
72 72
46
0 20 40 60 80 100 120
1 2 3 4 5 6
Figur 2 Resultat av enkätfråga 2.
Inte helt oväntat förskjuts svaren mot högre värden på skalan. Fysik brukar uppfattas som svårt. Detta kan förklaras med att ämnet är en kombination av begreppsförståelse och matematik. En separation av de båda grupperna åk. 1 och åk. 2 + åk. 3 visar att en mindre andel i den andra gruppen anser sig ha lätt för fysik. I B-kursen ökar både den matematiska behandlingen av fysiken och ämnets abstraktionsnivå vilket kan vara en av förklaringarna till att eleverna tycker att fysiken blir svårare i de högre årskurserna.
Frågorna 3-8 behandlar mer specifikt elevernas uppfattning om laborationerna. Den första frågan gäller huruvida eleverna uppfattar laborationerna som lärorika. Svaren på den här frågan är koncentrerade till mittenalternativen 3 och 4 med en liten dragning mot de lägre alternativen. Svarsfördelningen är alltså i paritet med den i fråga 2. Det kan synas lite olyckligt att eleverna anser att fysik är ett viktigt ämne, men att eleverna inte upplever laborationerna som lärorika i samma utsträckning. Det finns således anledning att fundera över hur laborationerna utformas för att på så vis möta elevernas behov i större utsträckning.
Resultatet av fråga 3 redovisas i figur 3 nedan.
Fråga 3
"Jag tycker fysiklaborationerna är lärorika"
43
92
113
82
39
23
0 20 40 60 80 100 120
1 2 3 4 5 6
Figur 3 Resultat av enkätfråga 3.
Fråga fyra handlar om hur eleverna upplever instruktionerna till laborationerna.
Svarsfördelningen är ungefär densamma som för fråga 3. Uppenbarligen finns det anledning att fundera över hur instruktionerna utformas. Visserligen överväger frekvensen för de lägre alternativen, men att mer än en tredjedel av eleverna valt svarsalternativen 4-6 borde beaktas.
Fråga 4
"Instruktionerna till laborationerna är tydliga och lätta att förstå"
32
104
118
61
50
27
0 20 40 60 80 100 120 140
1 2 3 4 5 6
Figur 4 Resultat av enkätfråga 4.
Fråga fem på enkäten behandlar elevernas uppfattning om laborationsutrustningen. Glädjande är att dragningen mot lägre svarsalternativ är tydligare i denna fråga än för fråga 4. Eleverna kan alltså ha vissa problem med att förstå instruktionerna, men när väl dessa klargjorts verkar utrustningen inte vara något större problem. Mer än tre fjärdedelar av eleverna har avgett något av svarsalternativen 1-3. Genom att förtydliga instruktionerna till laborationerna är det möjligt att även laborationsutrustningen skulle upplevs som mer lättanvänd. Om vi återgår till laborationsuppställningen med glaskolven i föregående avsnitt beror förmodligen en del av elevernas problem med laborationsutrustningen på ofullständiga instruktioner.
Min erfarenhet är att lärarnas åsikt om hur tydliga instruktioner som skall ges går isär. En del lärare framhåller vikten av att eleverna kommer i kontakt med olika mätinstrument och blir förtrogna med mätnoggrannhet. Andra lärare menar att förmågan att göra uppskattningar och att få ökad förståelse för vilka resultat som kan anses rimliga måste ges högsta prioritet.
Meningarna går alltså isär när det gäller lärarnas åsikter om laborationernas utformning. I min undersökning tar jag emellertid ingen hänsyn till dessa aspekter. Vid utformningen av
instruktionerna är det av största vikt att man lägger sig på ”rätt” nivå. Instruktionerna ska vara lätta att förstå utan att laborationen för den skull reduceras till ett ”ifyllande av formulär”.
Fråga 5
"Laborationsutrustningen är lätt att använda"
54
131
113
53
27
14
0 20 40 60 80 100 120 140
1 2 3 4 5 6
Figur 5 Resultat av enkätfråga 5.
I fråga sex undersöker jag hur ”lustbetonade” eleverna anser att laborationerna är. Frågan saknar inte relevans för elevernas kunskapsinhämtning. Laborationerna kan tänkas ses som ett avbrott i den traditionella undervisningen. Eleverna får möjlighet att arbeta i grupper och diskutera olika problemställningar inom fysiken med varandra. Enligt det sociokulturella synsättet är kommunikationen en förutsättning för en god lärmiljö.
Enligt diagrammet nedan är det 277 av 392 elever som angett något av svarsalternativen 1-3.
Detta kan jämföras med resultatet av fråga tre där 248 av 392 svarat något av alternativen 1-3.
Laborationerna har alltså större betydelse för att eleverna ska uppfatta fysikämnet som roligt än deras betydelse som lärorika. Här finns det också anledning att ta upp skillnaden mellan åk. 1 – elever och övriga elever. Hela 78 % av eleverna i åk. 1 svarade något av alternativen 1-3. Detta ska jämföras med 64 % för gruppen elever i åk. 2 och 3.
I mina observationer av eleverna som laborerade tyckte jag att grupperna som använde uppställningen med kolven med vev och manometer var de grupper som arbetade mest kontinuerligt med sina uppgifter. Instruktionerna upplevdes som tydliga och utrustningen var lätt att använda. Eleverna i samtliga grupper diskuterade med varandra, men i de grupper som använde den nämnda laborationsuppställningen verkade diskussionen hela tiden leda framåt utan att de var i något större behov av hjälp från läraren.
Nedan redovisas resultatet av enkätfråga sex.
Fråga 6
"Laborationerna gör fysiken roligare"
78
99 100
54
24
37
0 20 40 60 80 100 120
1 2 3 4 5 6
Figur 6 Resultat av enkätfråga 6.
Resulatet av fråga sju måste ses i kombination med resultatet av fråga åtta. Endast 29 elever av 392 har avgivit något av svaren 1-3. Detta visar ju med all önskvärd tydlighet att
laborationerna fyller en viktig funktion i fysikundervisningen. I gruppen åk. 1 – elever är det endast 4,5 % av eleverna som svarat något av alternativen 1-3 jämfört med 9,5 % för de högre årskurserna. Trots att en stor majoritet av eleverna anser att laborationerna bidrar till en ökad förståelse visar svaren på fråga åtta att laborativt arbete kanske inte är ett effektivt sätt att hushålla med lektionstiden. Som tidigare nämnts har kritik riktats mot laborationerna som varande ineffektiva och förhållandevis resurskrävande. En majoritet av eleverna tycker, av svaren på fråga åtta att döma, att de lär sig mer då läraren förklarar. Detta talar för att laborationer, i den mån de ska utföras, bör vara utformade med tydliga och lättbegripliga instruktioner. Viktigt vid utformningen är även att den materiel som används inte är för komplicerad.
Nedan visas resultaten av enkätfrågorna sju och åtta.
Fråga 7
"Fysiken hade varit lättare att förstå utan laborationerna"
5 8 16
63
118
182
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
1 2 3 4 5 6
Figur 7 Resultat av enkätfråga 7.
Fråga 8
"Jag lär mig mer när läraren förklarar än när jag laborerar själv"
61
88
101
71
34 37
0 20 40 60 80 100 120
1 2 3 4 5 6
Figur 8 Resultat av enkätfråga 8.
Den sista enkätfrågan gäller huruvida eleverna anser sig vara praktiskt lagda och tycker om att arbeta med händerna. Vilken uppfattning man har om sin händighet skull kunna ha betydelse för hur man upplever laborationerna samt hur dessa borde utformas. Svaren på frågan är ganska väl spridda med en övervikt för svarsalternativen 1-3. Det finns således ingen anledning att tro att elevernas upplevelse av sin händighet skulle inverka negativt på hur de upplever laborationerna.
Nedan visas resultatet av enkätfråga nio.
