Begreppskoherens i mekanik och attityd till fysik

Fysiska institutionen

Lärarutbildningen

Natur-miljö-samhälle

Examensarbete

30 hp

Begreppskoherens i mekanik och

attityd till fysik

bland gymnasieelever på fysik- och naturvetenskapsprogrammet på Polhemskolan i Lund

Klara Ölmedal

Magisterexamen 240 hp Examinator: Carl-Erik Magnusson

Lärarexamen Handledare: Leif Karlsson

Naturvetenskaplig fysik Per-Olof Zetterberg

3

S

AMMANFATTNING

I detta arbete undersöktes och jämfördes begreppskoherens och attityd till fysik bland elever på fysik- respektive naturvetenskapsprogrammet vid gymnasieskolan Polhemskolan i Lund. Begreppskoherensen undersöktes med Force Concept Inventory som är ett omdiskuterat flervalstest från USA som ska mäta studenters begreppskoherens för kraftbegreppet inom den klassiska mekaniken. Eftersom många undersökningar visar att intresset för fysik minskar undersöktes också elevernas attityd till fysik med ett svenskt test av Likertmodell.

Undersökningarna gjordes på elever som precis börjat åk 1 och på äldre elever som läst kursen Fysik A inom båda programmen. Resultatet av undersökningarna är att eleverna på fysikprogrammet har större begreppskoherens för kraftbegreppet än eleverna på naturvetenskapsprogrammet och att begreppskoherensen höjs efter Fysik A. Attityden till fysik är dessutom mer positiv på fysikprogrammet men eleverna på naturvetenskapsprogrammet har större spridning i attityd. Slutsatsen är att Polhemskolans fysikprogram har lyckats locka de elever som det är tänkt för.

Nyckelord: Attityder till fysik, begreppskoherens, FCI, Force Concept Inventory, klassisk mekanik, kraft, spetsutbildning

A

BSTRACT

In this paper the conceptual coherence and towards physics among students in the physics and science program at Polhemskolan in Lund were measured and compared. The conceptual coherence was measured with the Force Concept Inventory, a much debated multiple choice test from USA that is supposed to measure students’ conceptual coherence for the concept of force in classical mechanics. Since many studies show that the interest in physics is declining the students’ attitude towards physics was also measured with an attitude test of Likert model.

The study is done among students that just started year one and older students that have had instruction in physics at the Swedish correspondence to high school. The result of the study is that the students at the physics program have a higher conceptual coherence for the concept of force than the students at the science program and that the coherence

4

is improved with the physics course Fysik A. The attitude towards physics is more positive at the physics program but the attitudes among the students at the science program are more widely scattered. The conclusion is that the physics program at Polhemskolan has succeeded in attracting the students it is meant for.

Key words: Attitudes towards physics, classical mechanics, conceptual coherence, FCI, Force Concept Inventory, force

5

I

NNEHÅLLSFÖRTECKNING

INLEDNING 7

FORCE CONCEPT INVENTORY 8

UTVECKLING AV FCI 8

KRITIK AV FCI 10

BEGREPPSKOHERENS 13

Begrepp 14

Begreppskoherens med FCI 16

FCI INTERNATIONELLT 18

ANDRA LIKNANDE TESTER 21

ATTITYD TILL FYSIK 22

ATTITYD 22

ATTITYD TILL FYSIK 22

ATTITYD TILL UTBILDNING OCH YRKE 25

SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNINGAR 27

METOD 29 UNDERSÖKNINGSGRUPPERNA 30 Fysikprogrammet 30 Naturvetenskapsprogrammet 30 Undersökningsgruppernas generaliserbarhet 31 DATAINSAMLING 32 ANALYS 33 UNDERSÖKNINGENS VALIDITET 35 RESULTAT 38 GENOMFÖRANDET AV UNDERSÖKNINGARNA 38 FCI 38

Finns det en utveckling i elevernas begreppskoherens? 39 Vilken skillnad finns i begreppskoherens så som den mäts av FCI mellan elever på fysikprogrammet och elever på naturvetenskapsprogrammet? 41

ATTITYD TILL FYSIK 44

Hur skiljer sig attityden till fysik mellan elever på fysikprogrammet och elever på

naturvetenskapsprogrammet? 44

6

Hur är intresset för skolämnet fysik i förhållande till de andra naturvetenskapliga

ämnena? 49

Vilka faktorer är viktiga för ungdomars val av utbildning och yrke? 50

RESULTATDISKUSSION 54

FCI 54

Finns det en utveckling i elevernas begreppskoherens? 54 Vilken skillnad finns i begreppskoherens så som den mäts av FCI mellan elever på fysikprogrammet och elever på naturvetenskapsprogrammet? 55 Hur är de svenska FCI-resultaten i jämförelse med internationella resultat? 56

ATTITYD TILL FYSIK 57

Hur skiljer sig attityden till fysik mellan elever på fysikprogrammet och elever på

naturvetenskapsprogrammet? 57

Finns det en korrelation mellan attityd och begreppskoherens? 59 Hur är intresset för skolämnet fysik i förhållande till de andra naturvetenskapliga

ämnena? 59

Vilka faktorer är viktiga för ungdomars val av utbildning och yrke? 60

SLUTSATS 61

REFERENSER 62

7

I

NLEDNING

1992 lanserades testet Force Concept Inventory (FCI) i USA. Testet utvecklades av Hestenes m.fl. (1992) för att kartlägga elevers egna föreställningar om kraftbegreppet i den klassiska mekaniken. Föreställningar om olika fysikaliska begrepp är något som alla människor har eller har haft och där vi själva har konstruerat förklaringar till olika företeelser. Med utbildning bör dessa föreställningar ersättas av de vetenskapliga förklaringarna men Hestenes m.fl. (1992) menar att undervisningen inte tar tillräcklig hänsyn till detta utan eleverna får lära sig regler och lagar utantill utan att deras föreställningar ifrågasätts. Detta leder enligt dem inte till en större förståelse utan ett motstånd till att lära sig.

Dessutom kommer undersökningar med alarmerande slutsatser om att intresset för naturvetenskap sjunker. Ett exempel är undersökningen ROSE, tolkad av Sjöberg och Schreiner (2010), som har genomförts i länder över hela världen. Även undersökningen PISA 2006 visade att det är färre svenska ungdomar som ser samhällsnyttan med naturvetenskap än i många andra länder. Lindahl (2003) menar dessutom att fysik är det naturvetenskapliga ämne som elever är minst intresserade av.

På Polhemskolan i Lund finns spetsutbildningen i fysik som introducerades höstterminen 2009. Det är en gymnasieutbildning som ger eleverna möjligheter till djupare fysikstudier än det vanliga nationella naturvetenskapsprogrammet. Med undersökningen i detta arbete gjordes en jämförelse mellan de elever som går fysikprogrammet och de elever som går naturvetenskapsprogrammet. Eleverna fick göra FCI och en attitydundersökning för att skillnader i begreppskoherens, samband och samverkan mellan begrepp, och attityd till fysik skulle upptäckas. Eftersom undersökningarna gjordes både på elever som precis börjat åk 1 och på äldre elever som fått undervisning i fysik på gymnasiet blev det även en studie av hur elevernas begreppskoherens utvecklas med undervisning. Frågan var om eleverna på spetsutbildningen i fysik har en särskilt hög begreppskoherens för kraftbegreppet och positiv attityd till fysik.

8

F

ORCE

C

ONCEPT

I

NVENTORY

Utveckling av FCI

Vardagen för en människa är fylld av händelser som kan förklaras med fysik. Utan att vi är medvetna om det bildar vi egna föreställningar som förklarar olika fenomen, till exempel varför en boll som kastas rakt upp i luften kommer ner igen. Dessa föreställningar stämmer inte alltid överens med de vetenskapliga föreställningarna. Hestenes m.fl. (1992) anser att undervisningen kan utvecklas och effektiviseras genom att läraren förstår hur studenternas föreställningar ser ut.

För att få en bild av elevernas föreställningar utvecklades ett test av David Hestenes, teoretisk fysiker och forskare inom naturvetenskapsundervisning, Malcolm Wells, lärare i fysik och kemi i high school, och Gregg Swackhamer, fysiklärare i high school. Testet, Force Concept Inventory (FCI), skulle enligt skaparna fungera som ett instrument för att mäta studenters föreställningar om klassisk mekanik och speciellt om kraftbegreppet. Det beskrevs av Hestenes m.fl. (1992) som ett redskap att enbart ta reda på vilka föreställningar studenterna har och inte ett intelligenstest.

Testet bestod från början av 29 frågor där studenterna har fem svarsalternativ (A-E) för varje fråga (denna version kallas i fortsättningen för FCI 1). Frågorna utvecklades utifrån sex begrepp, eller begreppsdimensioner, som tillsammans bygger upp kraftbegreppet i klassisk mekanik. För vart och ett av de sex begreppen har Hestenes m.fl. lyft fram specifika elevföreställningar. Tanken var att frågorna skulle avslöja vilken förståelse studenterna har för respektive begrepp och därmed den samlade koherensen för kraftbegreppet. De sex begreppen som bygger upp kraftbegreppet som testet behandlar är kinematik, Newtons tre lagar (tre begrepp), superpositionsprincipen och olika sorters krafter. Hestenes m.fl. (1992) menar att alla dimensioner behövs för att bygga upp förståelse för hela kraftbegreppet.

FCI 1 är uppföljaren till ett tidigare test som utvecklades av Ibrahim Abou Halloun och David Hestenes för att mäta begreppsförståelsen inom mekanik. FCI 1 är enligt Hestenes m.fl. (1992) ett försök att förbättra det tidigare testet som kallades Mechanics Diagnostic test (MD). MD utvärderades noga och många frågor i FCI 1 liknar frågorna i

9

MD. Hestenes m.fl. (1992) ansåg därför att lika noggranna utvärderingar inte var nödvändiga för FCI 1.

Vid utvecklingen av MD genomgick frågorna ett antal steg för att bli så tillförlitliga som möjligt. Utvecklarna, Halloun och Hestenes (1985), sammanställde flera olika versioner under tre år och över 1000 collegestudenter fick genomföra de olika versionerna av testen. I de tidiga versionerna fick studenterna formulera sina svar själva och av deras svar gjorde Halloun och Hestenes de vanligaste föreställningarna till alternativ för flervalsfrågor. Fysikprofessorer och doktorander fick komma med förslag på förändringar i testet och doktorander fick godkänna de korrekta svaren. Utvecklarna hade intervjuer med studenter som genomfört testet för att säkerställa att de förstod frågorna och alla svarsalternativ. Utöver detta kontrollerade Halloun och Hestenes svar från studenter med betyg A i universitetsfysik för att hitta vanliga föreställningar som ännu inte var inarbetade i frågorna.

För FCI 1 gjordes alltså inte lika omfattande utvärderingar som av MD utan de två testen jämfördes istället för att se om resultaten skilde sig mycket åt. Hestenes m.fl. (1992) konstaterade att resultaten på de två testen, då de gjordes före och efter undervisning i samma kurs, var näst intill identiska vilket stärkte trovärdigheten hos FCI 1. En ytterligare kontroll av FCI gjordes genom intervjuer med studenter som gjort testet. Studenterna ombads förklara de frågor de svarat fel på och det framkom att förklaringarna var väl förankrade i de egna föreställningarna. På så sätt säkerställde Hestenes m.fl. att studenterna inte styrdes till felaktiga svar av svarsalternativen.

Hestenes m.fl. (1992) har angett tre användningsområden som de i huvudsak anser att FCI ska användas till. Dessa är

• som redskap för lärare att hitta missuppfattningar bland sina elever och att medvetandegöra bland lärare att missuppfattningar existerar.

• som redskap för lärare att utvärdera undervisningen. Detta kan göras med ett test före och ett test efter undervisning och därefter utvärdera förbättringen.

• som placeringsprov då undervisningen är uppdelad i flera olika kunskaps- eller ambitionsnivåer. Författarna trycker dock på att detta inte ska göras i gymnasieskolan (high school) där det gäller nybörjarkurser utan framförallt för universitetsstudenter.

10

1995 reviderades testet och fick då 30 frågor (denna version kallas i fortsättningen för FCI 2). Revideringen gjorde, enligt Hake (1998), att testet blev lättare att förstå och minimerade risken att eleverna svarade rätt men av fel anledning.

Kritik av FCI

FCI har blivit ifrågasatt vid ett flertal tillfällen. En del av kritiken riktar sig mot de användningsområden som testets skapare rekommenderar eftersom det är osäkert vad FCI mäter. Huffman och Heller (1995) har analyserat testresultat från FCI med hjälp av faktoranalys. Undersökningen gick ut på att analysera om studenter som är bekanta med klassisk mekanik svarar rätt och studenter som inte är bekanta med klassisk mekanik svarar fel. Studenternas svar på FCI kopplades ihop i de begreppsdimensioner som Hestenes m.fl. (1992) beskrev och resultaten analyserades. Anledningen var att Huffman och Heller menade att för en fysikprofessor är kategoriseringen av frågorna i begreppsdimensioner självklar men inte för en student i high school (svenska gymnasieskolan). De menade att studenterna kanske inte ser att en hockeypuck som färdas längs en friktionsfri bana och en rymdraket som färdas fritt i rymden följer samma fysiska modell och därmed tillhör samma begreppsdimension.

Resultatet som Huffman och Heller (1995) kom fram till var att svaren på frågorna var så dåligt korrelerade att det som mäts inte behöver vara förståelsen av en specifik begreppsdimension. Huffman och Heller skrev att det därmed är svårt att veta vad som egentligen mäts med FCI, om det är studenternas förståelse för begreppet eller hur bekanta de är med de sammanhang som beskrivs i frågorna. Studenterna är förmodligen mer bekanta med hur en hockeypuck rör sig än hur en rymdraket rör sig och detta kan ha stor påverkan på svaren. Det råd som Huffman och Heller gav till användare av FCI är att vara försiktiga i tolkningen av resultaten. Man ska inte ta det för givet att det som mäts är förståelsen av hela begrepp utan snarare förståelse av delar av begrepp.

Som svar på kritiken gjorde Hestenes och Halloun (1995) en egen tolkning av de resultat som Huffman och Heller (1995) tagit fram. Hestenes och Halloun menade att för att se om frågorna kan kopplas ihop i de sex dimensionerna måste svaren från en grupp människor som kan klassisk mekanik analyseras, som exempel på denna grupp

11

föreslog de fysikprofessorer. Då kommer ett självklart samband inom begreppsdimensionerna att träda fram. Den grupp som användes i Huffman och Hellers undersökning däremot bestod mestadels av studenter som inte har anammat den klassiska mekaniken vilket, enligt Hestenes och Halloun, ger för många rätta chansningar, svar som är rätt men där personen inte använder klassisk mekanik.

Heller och Huffman (1995) menade dock fortfarande att det är viktigt att ta reda på vad frågorna betyder för just den kategori människor som de är ämnade för, det vill säga studenterna. De menade att den svaga korrelationen mellan frågorna gör att FCI mäter delar av studenternas förståelse av begreppen och inte den hela sammanhängande begreppskoherensen. Även ytterligare faktoranalys gjordes men denna gång genom att särskilja tre grupper av studenter som gjort FCI-testet. De tre grupperna var de som fått under 60 % rätt, de som fått mellan 60 % och 85 % rätt och de som fått över 85 % rätt. Hestenes m.fl. (1992) föreslog nämligen en gräns på 60 % korrekta svar på testet då de presenterade FCI. Ett resultat över 60 % skulle enligt utvecklarna betyda att studenten precis har börjat använda den klassiska mekanikens begrepp på ett koherent sätt. Ytterligare en gräns på 85 % korrekta svar presenterades senare av Hestenes och Halloun (1995). Den högre gränsen kallade de för ”mästargräns” och om antalet korrekta svar hamnar över denna gräns tolkas det som att studenten helt har anammat den klassiska mekaniken. Vid Heller och Huffmans faktoranalys för de tre grupperna var korrelationen mellan frågorna ganska lika. De kunde därmed inte dra slutsatsen att tankegångarna för elever med hög poäng följde den klassiska mekaniken i större utsträckning än de med lägre poäng.

Heller och Huffman (1995) höll dock med Hestenes och Halloun (1995) om att det är ett bra test som kan användas inom skolan men poängterade att det måste forskas mer på vad testet verkligen mäter. De menade också att man måste vara försiktig med hur man använder testet och hur resultaten tolkas. Även Savinainen och Scott (2002a) redovisar många undersökningar av FCI som visar att ett lågt resultat innebär att studenten har dålig förståelse för klassisk mekanik men att ett bra resultat inte behöver betyda att studenten har bra förståelse.

I ett svar till Heller och Huffman (1995) skrev Halloun och Hestenes (1996) att de håller med om att lärare ska vara försiktiga då resultat av FCI tolkas för enskilda elever. De

12

poängterar att för en bedömning av kunskapen hos enskilda elever så behövs ytterligare material och att FCI då bara ska ses som en del i bedömningen. Däremot håller inte Halloun och Hestenes med om att faktoranalys av elevernas svar är det sätt som kan fastställa om FCI är effektivt för att mäta studenternas koherens för kraftbegreppet. Anledningen är att Halloun och Hestenes menar att korrelationen mellan svaren beror på om studenterna svarar alla fel eller alla rätt på frågorna inom varje begreppsgrupp. De menar att det är troligt att studenter som anammat den klassiska mekaniken råkar svara fel eller att en student som inte anammat den klassiska mekaniken svarar rätt på någon fråga och då minskar korrelationen kraftigt. För att bättre analysera FCI efterlyser Halloun och Hestenes fler undersökningar med hjälp av andra mer effektiva statistiska modeller.

Andra frågeställningar som har kommit upp när det gäller FCI behandlade Henderson m.fl. (2002) i en artikel. Den fråga de ställer sig som rör denna undersökning är om studenterna tar testet seriöst även om betygen inte påverkas av resultatet. För att undersöka detta hade de resultat från de studenter som sedan 1997 gjort FCI 2 då de började fysikutbildningen på University of Minnesota. Studenterna gjorde även ett test efter första kursen, ibland som del i sluttentamen och ibland frivilligt vid sista laborationstillfället.

För att undersöka om studenterna tog testet seriöst kontrollerade Henderson m.fl. (2002) provblanketterna för att hitta tecken på att testet inte var viktigt för studenten. De tecken som de letade efter var om studenten vägrat att göra testet, om det fanns teckningar på provblanketten, om studenten inte har svarat på fler än sex frågor eller om studenten har svarat i någon form av upprepad serie, exempelvis alla A eller ABCDE.

När Henderson m.fl. (2002) jämförde de test som genomförts frivilligt med de test som var en del av tentamen blev resultatet att det var 2,8 % av studenterna som inte tog testet seriöst då det inte var en del av betygsättningen. I en annan undersökning fick studenterna göra FCI 2 som en del av tentamen först och sedan efter en tid utan ytterligare fysikundervisning fick de göra testet igen men denna gång frivilligt. Även vid denna undersökning kom Henderson m.fl. fram till att studenterna tog testet seriöst även då det inte gav resultat för betygen.

13

Savinainen och Scott (2002a) tog i en artikel upp en del av den kritik som har uppkommit mot FCI genom åren. En punkt är att FCI inte är testat helt i sig själv utan bara genom MD och att FCI 2 bara innehåller hälften av de ursprungliga frågorna från MD. Detta, menar vissa, gör det till ett nytt test som måste utvärderas. Savinainen och Scott försvarar testet mot denna kritik genom att påstå att det har blivit utvärderat många gånger eftersom det är så väl använt. Många användare har gjort testet och kommit fram till att det ger en bra bild av studenters kunskaper inom klassisk mekanik.

Svarsalternativen till frågorna i FCI kritiserades i och med en undersökning gjord av Steinberg och Sabella (1997). Studenter fick göra FCI i slutet av deras första kurs i fysik vid University of Maryland. På sluttentamen fick de dessutom frågor där de själva fick formulera svaren, öppna frågor, men som behandlade precis samma begrepp som frågorna i FCI men i annan kontext. Då svaren på frågorna analyserades skilde det mycket mellan resultaten på de öppna frågorna och FCI-frågorna. På en av frågorna svarade 54 % av eleverna rätt på FCI-frågan medan 90 % på den öppna tentamensfrågan. Detta antyder att studenterna, genom FCI, styrs att svara på ett visst sätt som inte studenten själv bestämmer. Steinberg och Sabellas slutsats var att olika sammanhang kan skapa olika svar från studenten även om fysiken är densamma. Det har visat sig att små variationer i frågorna kan ge helt skilda svar. Som exempel anger Schecker och Gerdes (1999, refererad i Savinainen, Viiri, (2003)) när en golfboll byts mot en fotboll eller en liten stålkula som kastas rakt upp i luften. Detta stämmer väl överens med många iakttagelser (t.ex. Huffman, Heller, 1995) och enligt Savinainen och Scott (2002a) är problemet med FCI att många frågor behandlar mycket specifika situationer och sammanhang.

Savinainen och Scott (2002a) skrev, trots all kritik, att FCI med fördel kan användas av lärare som vill förstå vad sina studenter har för missuppfattningar om mekanik. Detta kan hjälpa läraren vid upplägg och utveckling av undervisningen.

Begreppskoherens

Det som, enligt Hestenes m.fl. (1992), FCI ska mäta är studenternas förståelse för mekanikens kraftbegrepp. ”The Force Concept Inventory is a unique kind of ”test”

designed to assess student understanding of the most basic concepts in Newtonian physics.”(Hestenes och Halloun, 1995) För att förstå kraftbegreppet menar Hestenes

14

m.fl. att studenten måste förstå alla sex begrepp som tillsammans bygger upp mekaniken och som frågorna i FCI behandlar. De menar också att studenten måste förstå hur begreppen hänger ihop för att helt förstå mekaniken, eftersom alla begrepp är kopplade till varandra. För att veta vad utvecklarna menar mäts med FCI måste begrepp och begreppskoherens förklaras.

Begrepp

Genom århundradena har det funderats mycket på vad ett begrepp är och vad som formar begrepp. Redan Aristoteles resonerade kring detta och från den tiden lever den klassiska synen på begrepp kvar. Enligt Gilbert och Watts (1983) bygger den klassiska teorin för begrepp på att alla föremål inom ett begrepp har samma egenskaper. Alla föremål inom begreppet måste ha alla egenskaper. Detta gör att begreppet definieras av egenskaperna och att föremål med begreppets egenskaper hör till begreppet. Det har senare visat sig att denna beskrivning på ett begrepp inte räcker eftersom, som Smith och Medin (1981) skriver, olika föremål inom ett begrepp kan ha begreppets egenskaper i olika grad och de kan också tillhöra begreppet i olika grad. Smith och Medin förklarar den klassiska teorin av ett begrepp med en kvadrat. Det finns klara egenskaper som definierar en kvadrat och om ett föremål inte har alla dessa egenskaper är det inte en kvadrat. Det blir däremot svårare när begreppet kopp ska definieras. En kopp kan se ut på väldigt många sätt till exempel med eller utan öra men den kan fortfarande definieras som kopp. Här menar Smith och Medin att den klassiska teorin av ett begrepp inte räcker till.

Teorin där föremål kan tillhöra ett begrepp av varierande grad kallar Spiteri (2007) för prototypteorin. Prototypteorin bygger, precis som den klassiska teorin, på en summativ beskrivning av ett begrepp. Men skillnaden mot den klassiska teorin menar Smith och Medin (1981) är att föremålet inte måste ha alla egenskaper för att tillhöra begreppet utan bara följa begreppets mönster. Föremålet har begreppets egenskaper i olika grad. Därmed kan både en kopp med och utan öra tillhöra just begreppet kopp. Spiteri anger som exempel att en sparv ger en tydligare bild av en fågel än en emu men emun definieras trots det som en fågel.

15

Men det finns också begrepp där det inte finns egenskaper som kan appliceras på hela begreppet utan bara på föremålen ett och ett. Spiteri (2007) kallar denna bild av begrepp för typexempelteorin. Smith och Medin (1981) förklarar teorin med att varje typexempel inom begreppet är en beskrivning av begreppet. Begreppets egenskaper blir då en summa av typexemplens egenskaper. Spiteris exempel är begreppet hund som enligt typexempelteorin är uppbyggt kring de hundar som en person hittills sett.

Alla tre formerna av begrepp används, anser Smith och Medin (1981). Vissa begrepp, som en kvadrat, kan beskrivas med den klassiska teorin om begrepp, medan andra inte är lika väldefinierade och definieras så som prototypteorin eller typexempelteorin föreslår. De skriver att om föremål inom ett begrepp har flera gemensamma egenskaper definieras begreppet med prototypteorin och om föremålen bara har ett fåtal gemensamma egenskaper används typexempelteorin. Smith och Medin skriver vidare att det är troligt att olika sätt att se på begrepp kan användas vid inlärning i olika åldrar. De menar att i tidig ålder är inlärning där begrepp definieras enligt typexempelteorin mest effektiv. Inlärning där begrepp definieras enligt prototypteorin växer fram med ökad ålder.

Spiteri (2007) skriver att de ovanstående teorierna om hur begrepp formas bygger på likheter som föremålen inom begreppen har. Men bara för att föremål liknar varandra behöver de inte tillhöra samma begrepp. Hon använder det engelska talesättet ”om den går och låter som en and, måste det vara en and” men vi vet att så är inte alltid fallet. Andra teorier som hon föreslår bygger istället på kunskap. Begreppsformationen kan då ske med hjälp av teori- eller orsakskunskap. Spiteri förklarar det med att teorier kan bygga på hur ofta en händelse eller en egenskap inträffar och att begrepp kan bildas av det. Enligt Spiteri kan en hund definieras genom likheter i egenskaper med andra hundar men den kan också definieras genom kunskap om vad en hund är.

Thagard (1992) menar att ett begrepp är en komplex struktur som han liknar vid ett ramverk. Egenskaper inom begreppet betraktar han som regler där reglerna och begreppet är beroende av varandra. Thagard beskriver reglerna som allmänna samband mellan begrepp och som exempel på regel nämner han att kanariefåglar är gula. Thagard menar att teorin om att ett begrepp innehåller regler förklarar hur begrepp kan användas

16

till slutsatser, förklaringar och problemlösning. Även hur teorier är knutna till begrepp förklarar Thagard genom att det finns regler som avser kausala samband.

Enligt Thagard (1992) är även begreppen ordnade i system där rangordnade egenskaper kopplas ihop med hjälp av regler. Han beskriver det som ett nät av knutar där varje knut representerar ett begrepp och varje förbindelse mellan knutarna som länk mellan begreppen. För att en förändring i en människas begreppsvärld ska ske, menar Thagard att knutar eller länkar måste bildas eller försvinna. I fallet med fysikutbildning i skolan som detta arbete behandlar frammanas förändringen i studenternas begreppsvärld av undervisning. Undervisning som verktyg för förändring i begreppssystem är en omständlig process. Thagard skriver att studenten både måste bygga upp och lära sig tänka med det nya systemet.

Smith och Medin (1981) skriver att begrepp används för att skapa mönster i de föremål och företeelser som vi möter. De menar att vi behöver begreppen för att överhuvudtaget uppfatta, minnas, samtala om och tänka på föremål i vår omvärld. Utan begrepp skulle vår värld verka kaotisk för oss. Thagard (1992) har en lista på tio punkter där han tar upp faktorer som underlättas av begreppsbildning. I listan finns bland annat kategorisering, generalisering, förklaring, inlärning och minne.

Smith och Medin (1981) menar att begreppen måste ses som stabila konstruktioner, både en och för flera individer, för att de ska leda till kunskap. Att se begrepp som stabila konstruktioner anser de stämmer bäst överens med den klassiska teorin om begrepp. Enligt min mening är det just den klassiska teorins sätt att se på begrepp som kan kopplas till den begreppssyn som FCI bygger på eftersom situationerna eller föremålen måste ha begreppets alla egenskaper. Som exempel följer en kropp i rörelse Newtons första lag helt, inte bara delvis. Dessutom ses begreppen i FCI som mycket stabila konstruktioner vilket ytterligare stärker kopplingen till den klassiska teorins syn på begrepp.

Begreppskoherens med FCI

För att kunna använda begreppen som ingår i den klassiska mekaniken måste de kunna kopplas ihop på rätt sätt för att det ska finnas koherens mellan begreppen. Men för att

17

uppnå fullständig begreppskoherens, så som det mäts av FCI, är det mer än bara fysikens formler som studenten ska kunna. Enligt Savinainen och Viiri (2008) bygger begreppskoherensen i FCI på förståelse i tre delar. Den första delen behandlar vilken förståelse studenten har då begreppet presenteras med olika hjälpmedel. Med hjälpmedel menas grafer, matematiska samband, text eller bilder. Meltzer (2002) visar att studenter kan få mycket skiftande resultat på provfrågor enbart beroende på vilket sätt som problemet framställs. Han förklarar också att en student som har förståelse för ett förklaringssätt inte nödvändigtvis kan förklara det på ett annat sätt med ett annat hjälpmedel. För undersökningen med FCI betyder det att studenten måste förstå alla de sätt som problemen beskrivs på för att få ett bra resultat.

Den andra delen av förståelsen som studenterna måste ha är, enligt Savinainen och Viiri (2008), förståelsen av de sammanhang eller miljöer som förekommer i frågorna. Resonemanget med frågornas sammanhang är diskuterat tidigare i detta arbete då kritik av FCI redovisades. Som behandlats tidigare har Huffman och Heller (1995) förklarat att det är stor skillnad i miljö för en hockeypuck på en friktionsfri bana och en rymdraket i rymden men det är samma fysikaliska lagar som kan appliceras. För att få ett högt resultat på FCI måste eleven därför förstå båda miljöerna och inse att de följer samma fysikaliska mönster.

Den tredje och sista delen som studenterna måste ha förståelse av beskriver Savinainen och Viiri (2008) som det begreppsmässiga ramverket. Det betyder förmågan att koppla ihop olika begrepp och kunna tillämpa dem tillsammans på ett problem. McDermott (1993) skriver att för att studenterna ska kunna förstå olika sammanhang måste de kunna använda flera olika begrepp tillsammans men också urskilja de enskilda begreppen. Det kan även betraktas som det nät av begrepp som Thagard (1992) beskrev, där begreppen binds ihop med hjälp av regler och länkar. För FCI innebär det att eleven måste förstå hur de olika fysikaliska lagarna samverkar inom just de problem som frågorna behandlar.

Att en student inte har begreppskoherens beskriver Savinainen och Viiri (2008) som att studenten reagerar olika på olika uppgifter trots att samma begrepp behandlas. Med andra ord så är inte resonemangen konsekventa och samma problem förklaras på olika sätt. Det är detta som enligt Hestenes och Halloun (1995) ska mätas med FCI. Om

18

studenten har begreppskoherens finns den röda tråden i resonemangen och studenten svarar rätt på frågorna. Då studenten inte har begreppskoherens kan vissa svar bli rätt men den röda tråden saknas. Enligt Hestenes och Halloun ska därför elevernas totalresultat analyseras eftersom det ger den bästa bilden av elevens förståelse. De menar att det samlade resultatet bäst visar elevens begreppskoherens för begreppen inom den klassiska mekaniken.

FCI internationellt

FCI-testet har genomförts i ett flertal länder. De första resultaten kom förstås från USA där Hestenes m.fl. (1992) genomförde en undersökning på över 1500 elever i high school och över 500 universitetsstudenter. Den version som dessa studenter genomförde var FCI 1. Studenterna fick genomföra FCI 1 både före och efter undervisning för att skillnaden i begreppskoherens skulle undersökas. Syftet var att Hestenes m.fl. (1992) ville undersöka lärarnas undervisning och kompetens för att se hur det påverkar resultaten.

Resultaten från undersökningarna på high school kan jämföras med de undersökningar som i detta arbete genomförs på gymnasieskolan. Förkunskaperna och åldrarna kan dock skilja mellan amerikanska high school och svenska gymnasieskolan. Dessa undersökningar är gjorda med FCI 1 medan undersökningen i detta arbete görs med FCI 2. Detta kan ge vissa skillnader i resultaten och göra jämförelsen osäker.

Eleverna på high school var indelade i olika grupper beroende på vilken kurs de läste. Det fanns ”regular physics”, ”honor physics” och ”advanced placement”. De två första kurserna lästes under det första året medan den tredje kursen lästes andra året och byggde på universitetsfysik. Eftersom de tre kurserna skiljde sig åt genom hur avancerade de var blev också resultaten väldigt olika. Då Hestenes m.fl. (1992) beräknade andelen korrekta svar för de tre grupperna blev resultatet för den första gruppen, ”regular physics”, före undervisning 27 % och efter undervisning 48 %. För gruppen ”honor physics” blev resultatet högre både före och efter undervisning, 33 % före och 62 % efter. Den tredje gruppen, ”advanced placement”, fick högst resultat, 49 % före och 64 % efter undervisning.

19

Resultaten av en nyligare genomförd undersökning med FCI publicerades 2006 av School Science and Mathematics. Phillips och Barrow (2006) genomförde undersökningen i en high school med syftet att ta reda på hur kön, nivå på gruppen och fysikupplevelser utanför skolan påverkar begreppsförståelsen. För att undersöka detta fick 58 elever, 36 elever som läste ”honor physics” och 22 elever som läste ”regular physics, göra FCI-testet och ett ytterligare test som skulle svara på hur mycket fysik eleverna upplevde utanför skolan.

De svar som är relevanta för denna undersökning är endast hela gruppens andel korrekta svar. Phillips och Barrow (2006) beräknade dessa till 25 % då testet genomfördes före undervisning och 67 % då det genomfördes efter undervisning. Standardavvikelsen var ganska stor, 12 procentenheter (p.e.) på testet före undervisning och 15 p.e. på testet efter undervisning vilket är vanliga storleksordningar på standardavvikelse vid undersökningar med FCI.

FCI har också genomförts ett flertal gånger i Finland bland gymnasieelever. Vid de två undersökningar som jag har tagit del av användes en finsk översättning av FCI 2. Testet gjordes både före och efter undervisning för att undersöka effektiviteten av undervisningen. Den undervisningsmetod som användes var ”Interactive Conceptual Instruction” som, enligt Savinainen och Scott (2002b), togs fram för att eleverna skulle få begreppskoherens inom den klassiska mekaniken och det är detta som FCI anses testa. Savinainen och Scott (2002b) beräknade andelen korrekta svar som eleverna hade i den första undersökningen till 28 % (standardavvikelse 14 p.e.) då testet gjordes före undervisning och 69 % (standardavvikelse 17 p.e.) efter undervisning.

På den andra undersökningen som genomfördes i Finland gjorde Savinainen och Viiri (2003) även en uppdelning i de begrepp som Hestenes m.fl. (1992) har föreslagit. Det innebär att frågorna har delats upp i sex olika begreppsdimensioner. Begreppen är kinematik, Newtons tre lagar (tre kategorier), superpositionsprincipen och olika sorters krafter. Begreppen delar Savinainen och Viiri (2003) vidare upp i underkategorier som beskriver hur uppgiften förklaras, om det är en textfråga eller om det är en fråga med någon form av bild eller diagram till. Underkategorierna bygger på att, som tidigare beskrivits, begreppskoherensen även beror på de sätt som frågorna framställs. Den version av FCI som används för detta test är FCI 2. Två frågor faller dock bort ur

20

Savinainen och Viiris (2003) analys. Det är fråga 9 som ensam behandlar superpositionsprincipen och fråga 21 som är den enda bildfråga som behandlar Newtons andra lag. Eftersom dessa frågor är de enda som behandlar respektive begrepp eller undergrupp tyckte Savinainen och Viiri (2003) att de innehöll för lite information för att ge en tillförlitlig analys. Indelningen av frågorna visas i tabell 1.

Kinematik Newtons första lag Newtons andra lag

Newtons tredje lag

Olika sorters krafter Gravitation Kontakt Diagram Text Diagram Text Text Text Text 12, 14, 19, 20 10, 17, 24, 25 6, 7, 8, 23 22, 26, 27 4, 15, 16, 28 1, 2, 3, 13 5, 11, 18, 29, 30 Tabell 1. Indelning av frågorna i FCI med avseende på begrepp och framställning. (Savinainen, Viiri, 2003)

Analysen av resultaten på testet gjordes dels med den totala procentsatsen korrekta svar men också med hjälp av kategorierna i tabell 1. Man kan då se hur begreppsförståelsen har ändrats i och med undervisning inom respektive begreppsdimension eftersom Savinainen och Viiri (2003) beskriver förståelsen i tre nivåer. De tre nivåerna är ingen

begreppsförståelse då ingen av frågorna inom begreppsdimensionen besvarats korrekt, del av begreppsförståelse då minst två svar är rätt och minst ett svar är fel och fullständig begreppsförståelse då alla svar inom begreppsdimensionen är rätt. Genom

att Savinainen och Viiri (2003) analyserade resultaten på detta sätt visade det sig att förståelsen inom de olika begreppsdimensionerna gick från en dominans av del av

begreppsförståelse före undervisning till en dominans av fullständig begreppsförståelse

då undervisningen är genomförd.

De totala resultaten på Savinainen och Viiris (2003) undersökning var att andelen korrekta svar gick från 57 % före undervisning till 82 % efter undervisning (standardavvikelse 19 p.e. resp. 14 p.e.). Det begrepp som, enligt Savinainen och Viiris (2003) undersökning, eleverna hade lägst andel korrekta svar på var Newtons andra lag och det begrepp de hade högst på var Newtons tredje lag.

En amerikansk undersökning har gjorts under längre tid av Hake (1998). För sin undersökning har han samlat in resultat från olika high school i USA sedan 1992 med

21

syfte att studera om undervisningen utvecklas så att eleverna får större förståelse med tiden. Totalt samlade han ihop resultat från 1113 elever.

Resultaten i denna undersökning är beskrivna i andel korrekta svar före undervisning och ökningen som Hake (1998) införde. Ökningen beskrivs som ekvation 1 där de procentuella resultaten på FCI före och efter undervisning används.

< ݃ >=൫%ழௌ೐೑೟೐ೝவି%ழௌ೑öೝ೐வ൯

൫ଵ଴଴ି%ழௌ೑öೝ೐வ൯

Ekvation1. Ökning i begreppskoherens enligt Hake (1998).

Hake (1998) skriver att för high school blev resultatet före undervisning 28 % och när ökningen, <g>=0,55, räknas om så blev resultatet efter undervisning 68 %. Resultaten kan jämföras med de resultat som fås i denna undersökning men den version av FCI som använts i Hakes undersökning är FCI 1 så skillnader på grund av det kan förekomma.

Andra liknande tester

Sedan FCI utvecklades har det kommit en uppsjö av liknande tester inom olika ämnesområden. År 2002 beskrev Hufnagel ett test inom astronomi som kallades Astronomy Diagnostic test. Testet var en utveckling av två tidigare test, Astronomy Concept Inventory och en version av Astronomy Diagnostic från 1998. Syftet med testet var att det skulle visa vilka kunskaper och föreställningar som studenterna hade med sig då de började sina universitetsstudier.

Ett test som mäter studenters kunskap om elektricitet och magnetism kom 2006 och utvärderades av Ding m.fl. Testet skulle användas till att mäta utvecklingen i kunskap och föreställningar hos collegestudenter som läste en introduktionskurs i elektricitet och magnetism. Tanken var att testet skulle genomföras två gånger, tre månader respektive fem terminer efter kursens slut.

Flera test som ska mäta förståelse inom olika områden finns namngivna i Lindell m.fl. (2007) där de jämför hur de olika testerna är uppbyggda och vad de anses mäta.

22

A

TTITYD TILL FYSIK

Attityd

Attityder spelar en stor roll för människan. Det är ett sätt att utvärdera de föremål och tankar som människan dagligen stöter på. Bohner och Wänke (2001) skriver att attityder kan väcka olika reaktioner. De reaktioner de nämner är känsloreaktioner, reaktioner som påverkar beteendet och kognitiva reaktioner. Reaktionerna kan förekomma var för sig eller tillsammans i olika kombinationer.

Hur attityder uppstår har varit debatterat länge. En teori, som beskrivs av Wilson, Lisle och Kraft (1990, refererad i Bohner och Wänke, 2001), är att attityder samlas som minnen under en lång tid och att dessa minnen används för att utvärdera nya objekt. Andra forskare tror helt annorlunda och Bohner och Wänke skriver också om teorin att attityder inte alls är någonting som bildas över tid utan en utvärdering som skapas vid tillfället med hjälp av den information som då finns tillhands.

Bohner och Wänke nämner två huvudanledningar till att attityder skapas. Den första anledningen är för att organisera kunskap och för att avgöra vad som är bra och vad som är dåligt. Den andra anledningen är andra psykologiska behov. Det kan vara till exempel att avgöra vad som är trevligt och otrevligt, vad som kan leda till smärta eller behag. En specifik attityd kan användas av flera olika anledningar, det är tillfället som avgör.

I ungdomsstyrelsens studie ”De kallar oss unga” från 2003 skriver författarna att attityder är hierarkiskt ordnade. Det som påverkar individen mest är överordnat andra mindre viktiga företeelser. De överordnade attityderna är ofta mycket svåra att ändra.

Attityd till fysik

Många undersökningar som studerats av Osborne m.fl. (2003) visar att intresset för att studera naturvetenskap minskar. De skriver dessutom att attityden till och intresset för naturvetenskap sjunker ju äldre eleverna blir. En skillnad mellan pojkar och flickor som Simpson och Oliver (1990) skriver om är att pojkarnas attityd till naturvetenskap är mer positiv än flickors men flickornas motivation att prestera bra i naturvetenskap är högre än pojkarnas. Trots det minskade intresset för naturvetenskap visar undersökningen

23

PISA 2006 att många ungdomar kan hålla med om att naturvetenskap är viktigt för samhället. Däremot visar samma undersökning att det är färre svenska 15-åringar som tror att utveckling av naturvetenskapen kan gynna ekonomin än medelvärdet av OECD-länderna.

Simpson och Olivers (1990) undersökning visar att det som mest påverkar ungdomars attityd till naturvetenskap är vänkretsens attityd och grupptryck. Men de säger att skolan kan påverka attityden genom att utveckla undervisningen och anpassa den mer till eleverna. PISA 2006 visar också att hur ungdomar presterar ofta korrelerar med elevens självkänsla och självtillit inom naturvetenskap. Det kan vara en anledning till att pojkars attityd till naturvetenskap är positivare än flickors, de har större självkänsla för ämnena. Dessutom visar undersökningen att intresset för naturvetenskap också är starkt kopplat till prestation.

Skolans roll när det gäller elevernas attityd mot naturvetenskap är viktig. Osborne m.fl. (2003) menar att skolan ofta har svårt att koppla naturvetenskapen till det vardagliga livet vilket gör att det inte känns relevant för eleverna. De skriver att elever ofta tycker att biologi är mer relevant än fysik, framförallt då biologin handlar om människokroppen där eleverna kan lära sig om sin egen kropp, sjukdomar och annat som direkt påverkar dem. Samma iakttagelse gör också Lindahl (2003) där hon säger att intresset för biologi är som högst då det handlar om människokroppen men dalar då det handlar om mossor och alger. Ointresset för fysik och kemi tror Lindahl kan komma ifrån att de ofta beskrivs som auktoritära ämnen som inte uppmuntrar till diskussion.

Söktrycket till högskole- och universitetsutbildningar inom de naturvetenskapliga ämnena ger en bild av hur populära de fyra ämnena är i jämförelse med varandra. I VHS sammanställning ”Sökande till samtliga programutbildningar HT2010” redovisas antal förstahandssökande och totala antalet sökande för universitetsutbildningar i Sverige till höstterminen 2010. Då söktrycket till kandidatprogram i biologi, fysik, kemi och matematik jämförs är det biologiutbildningarna som har flest sökande. Efter biologi kommer fysik och matematik medan för kemi är söktrycket lägst på de flesta av Sveriges lärosäten. Detta stämmer överens med tidigare forskning, t.ex. Lindahl (2003) som menar att biologi anses vara det mest populära naturvetenskapliga ämnet.

24

Svenska ungdomar har svårare att se nyttan med naturvetenskapen än ungdomar i andra länder. I undersökningen PISA 2006 redovisas det att bara 69 % av de svenska ungdomarna tror att naturvetenskapen kan hjälpa dem att förstå sin omvärld medan medelvärdet för samtliga OECD-länder ligger på 76 %. Dessutom visar undersökningen att det är färre svenska ungdomar som tror att de kommer att ha nytta av naturvetenskap i sitt vuxna liv än i övriga OECD-länder. Detta stämmer väl överens med den kartläggning som Lindahl (2003) gjort. Hon menar att elevernas intresse för ämnet är den största faktorn för framtida yrkesval och om eleverna inte tycker om naturvetenskap så vill de alltså inte jobba med det.

Sjöberg och Schreiner (2010) visar med sin tolkning av undersökningen ROSE att ungdomar i världen tycker att naturvetenskap och teknik är viktigt för samhället. Det svenska resultatet är dock lägre än för många andra länder, 75 % svarade 3 eller 4 på en fyragradig skala. Skillnaderna är inte stora, men resultaten för de flesta länder ligger över 80 % och flera länder ligger mellan 90 % och 100 %. När Sjöberg och Schreiner dessutom tolkar svaren på frågan om naturvetenskap och teknik gör våra liv enklare, hälsosammare och mer bekväma är det de nordiska länderna och Japan som tror minst på påståendet.

Undersökningen ROSE visar också att ungdomar i rika länder är mindre intresserade av att överhuvudtaget lära sig i skolan medan ungdomar i fattiga länder tycker att allt är intressant. Sjöberg och Schreiner menar att detta beror på att det i fattiga länder räknas som lyx och ett privilegium att få utbildning när man är 15 år medan det i rika länder ses mer som ett tvång. De menar därmed att man inte får dra slutsatsen att intresset för naturvetenskap och teknik sjunker ju rikare ett land är.

Ett annat problem med skolans naturvetenskapsundervisning är att den inte behandlar den forskning som bedrivs idag. Osborne m.fl. (2003) skriver att då elever uppmanas att namnge kända naturvetare nämns till exempel Einstein och Newton. De anser att det utgör ett problem i dagens naturvetenskap eftersom eleverna då kommer att betrakta naturvetenskapen som statisk och någonting som inte utvecklas. Dagens elever behöver nutida förebilder, tycker Osborne m.fl.

25

Även Sjöberg och Schreiner (2010) påpekar att det är viktigt att skapa en god attityd till naturvetenskap i skolan. Den attityd som eleverna får med sig från skolan kommer att finnas kvar även när fakta de har lärt sig glömts bort. Sjöberg och Schreiner oroas av att ungdomar i de länder som får bra resultat på undersökningarna TIMSS och PISA, som är mer inriktade på kunskap, har ett så lågt intresse av naturvetenskap och matematik. De tror att detta kommer att ha betydelse för naturvetenskapen i ett långt perspektiv och påverka hur människor framöver ser på naturvetenskap och teknik.

Attityd till utbildning och yrke

Undersökningen ”De kallar oss unga” gjordes 2003 av ungdomsstyrelsen. Med undersökningen ville man kartlägga ungdomars attityder och värderingar till frågor som rör samhället. Frågorna behandlade allt från skola, utbildning och arbete till lag och moral. Undersökningen har skickats ut till 5000 ungdomar i åldern 16-29 år och 1500 vuxna i åldern 35-74 år. Materialet har behandlats och analyserats av en rad forskare som bidragit med reflektioner inom de olika områdena.

De delar i ungdomsstyrelsens undersökning som även rör undersökningen i detta arbete är de som behandlar utbildning och yrke. Enligt ”De kallar oss unga” så tror knappt 45 % av ungdomarna i åldern 16-19 år att de kommer att studera minst tre år på högskola eller universitet efter gymnasiet. Det tillkommer knappt 20 % som tror att de kommer att studera enstaka högskolekurser eller annan utbildning.

När det gäller arbete så visar undersökningen ”De kallar oss unga” att det viktigaste för ungdomar i åldern 16-29 år är att ha trevliga arbetskamrater. Därefter kommer en bra ledning och intressanta och omväxlande arbetsuppgifter. Bra lön och löneutveckling rankas högre än att kombinera arbete, familj och fritid och att ha goda möjligheter till att göra karriär.

I undersökningen ROSE frågades det hur viktigt ett antal påståenden är för ett framtida yrke. Sjöberg och Schreiner (2010) tolkar resultaten som att flickor i första hand ville jobba med och hjälpa människor. Ungefär 73 % av flickorna svarade 3 eller 4 på påståendet där 4 anger mycket viktigt och 1 inte viktigt. Pojkarna däremot ville jobba med händerna och med saker och maskiner. Samma tendens finns över hela världen.

26

Sjöberg och Schreiner skriver också att alla ungdomar vill ha ett meningsfullt och värdefullt yrke. Däremot redovisar de att endast ca 20 % av de svenska ungdomarna vill bli naturvetare i framtiden och ca 35 % vill ha ett jobb inom teknikbranschen. Sjöberg och Schreiner sammanfattar läget för naturvetenskapsbranschen som kritiskt och att arbete behöver göras för att rekrytera ungdomar.

För framtiden så tycker Sjöberg och Schreiner (2010) att undervisningen måste utvecklas så att eleverna förstår att naturvetenskap och teknik används i många fler yrken än de tror. De tycker att eleverna måste få se allt som naturvetenskapen används till och inte bara studera teoretisk naturvetenskap. Sjöberg och Schreiner skriver att det är viktigt att eleverna får se att naturvetenskap spelar en viktig roll även i vår historia och att det utgör en hörnsten i vårt moderna samhälle.

27

S

YFTE OCH FRÅGESTÄLLNINGAR

Syftet med detta arbete är att undersöka ungdomars begreppsföreställningar om mekanik och deras attityd till ämnet fysik. Detta görs med en svensk översättning av den amerikanska undersökningen Force Concept Inventory, FCI 2. Dessutom undersöks gymnasielevers attityd till fysik genom en enkätundersökning.

Sedan spetsutbildningarna införts i svenska gymnasieskolan är det intressant att se vilka ungdomar som söker sig till dessa utbildningar. I det här fallet jämförs spetsutbildningen i fysik på Polhemskolan i Lund med det vanliga naturvetenskapsprogrammet på samma skola. Att genomföra både ett test som mäter begreppskoherens och ett attitydtest ger möjlighet att jämföra både elevgruppernas förståelse av och inställning till fysik. Det är dessutom mycket intressant att undersöka om det finns en korrelation mellan en positiv attityd till ämnet och en god förståelse eller kunskap.

Jag har valt att använda mig av FCI 2 vid denna undersökning för jag anser att FCI ger en bra och framförallt jämförbar bild av elevernas förståelse för fysik. Det är även intressant att se hur undersökningen tas emot av svenska gymnasieelever eftersom jag inte har hittat dokumentation om tidigare genomförd undersökning med FCI i Sverige.

De frågeställningar som genom undersökningen ska besvaras är följande.

• Finns det, genom undervisning, en utveckling i elevernas begreppskoherens så som den mäts med FCI? Genom att elever i olika årskurser får göra testet kan denna utveckling undersökas.

• Vilken skillnad finns i begreppskoherens så som den mäts av FCI mellan elever på fysikprogrammet och elever på naturvetenskapsprogrammet? Eleverna på fysikprogrammet bör ha ett särskilt intresse för fysik och därför är det intressant att undersöka om de också har en fördjupad förståelse för mekanik.

• Hur är de svenska FCI-resultaten jämfört med internationella resultat? Detta förhållande kan undersökas genom jämförelser med de FCI-undersökningar som genomförts internationellt. Jämförelsen kan ge en fingervisning om hur svenska elevers förståelse för mekanik är i förhållande till elever i andra länder.

28

• Hur skiljer sig attityden till fysik mellan elever på fysikprogrammet och elever på naturvetenskapsprogrammet? Eftersom eleverna på fysikprogrammet har valt en inriktning med särskilt mycket fysik borde deras attityd till fysik vara positiv. Frågan är om eleverna på naturvetenskapsprogrammet är lika positiva.

• Finns det en korrelation mellan attityd och begreppskoherens? Undersökningen PISA 2006 visar att intresse för naturvetenskap korrelerar med bättre prestationer inom detsamma vilket gör det intressant att undersöka om det finns en korrelation mellan positiv attityd och begreppskoherens, så som den mäts med FCI.

• Hur är intresset för skolämnet fysik i förhållande till de andra naturvetenskapliga ämnena? Undersökningar visar att fysik ofta anses som det minst omtyckta naturvetenskapliga ämnet (t.ex. Lindahl, 2003). Det är intressant att se om detta stämmer för eleverna på Polhemskolan och om det finns någon skillnad i intresse för elever på fysikprogrammet och naturvetenskapsprogrammet.

• Vilka faktorer är viktiga för ungdomars val av utbildning och yrke? Enligt Simpson och Oliver (1990) påverkas ungdomars attityder till naturvetenskap mycket av vad bland annat vänkretsens attityd är. Det är därför intressant att undersöka vad eleverna anser påverkar dem då de väljer gymnasieutbildning och universitetsutbildning. Det är dessutom intressant att undersöka vad eleverna har för mål med sin utbildning och därmed vad som är viktigt för framtida yrke.

Genom att besvara de ovanstående frågorna vill jag undersöka vilka elever som har sökt sig till spetsutbildningen i fysik. Har utbildningen fångat upp ”rätt” elever?

29

M

ETOD

För att undersöka elevernas föreställningar om mekaniken distribuerades en svensk översättning av FCI 2. Översättningen är gjord av Jonte Bernhard 1997 och finns som bilaga. Valet av FCI som undersökning för att mäta begreppskoherensen gjordes eftersom det är ett väl utbrett och beprövat test. Testet är kritiserat av många men de flesta tycker att det är det bästa som nu finns tillhands. Dessutom är testet enkelt att distribuera och att analysera. Eftersom det är utfört många gånger finns mycket dokumentation för jämförelser att tillgå vilket också stärker valet.

För att dessutom få reda på elevernas attityd till fysik så fick eleverna vid samma tillfälle göra en attitydundersökning. Denna undersökning är gjord av Anders Jönsson och är uppdelad i olika delar: fysik som vetenskap, fysik som skolämne, val av gymnasiestudier, val av universitetsutbildning och val av yrke. Detta eftersom det, enligt Osborne (2003), skiljer mycket mellan elevers intresse av vetenskapen fysik och skolans fysik, samt att det ofta är mycket annat än ämnesinnehåll som får eleverna att välja utbildning. Attitydundersökningen finns som bilaga.

Undersökningen görs på elever på gymnasieskolan Polhemskolan i Lund. De elever som genomför testet är elever som HT-10 börjar årskurs 1 på fysikprogrammet, FY1, och på naturvetarprogrammet, NV1, samt de elever som HT-10 börjar årskurs 2 på fysikprogrammet, FY2, och årskurs 3 på naturvetarprogrammet, NV3. Dessa årskurser är valda för att eleverna på de båda programmen ska ha läst lika mycket fysik, dvs. högstadiets fysik för de elever som börjar årskurs 1 och Fysik A för de senare årskurserna. Att just dessa undersökningsgrupper är valda beror på intresset av att undersöka skillnader mellan elever på spetsutbildningen i fysik och elever på vanliga naturvetenskapsprogrammet.

FCI görs ofta för att mäta effektiviteten av undervisning. För att göra det så får eleverna göra testet två gånger, en gång före undervisning och en gång efter undervisning. De elevgrupper som deltar i denna undersökning är valda för att i så hög utsträckning som möjligt kunna jämföras med dessa tester. De elever som börjar årskurs 1 i gymnasiet är därmed den grupp som gör testet före undervisning och de som läst Fysik A på

30

gymnasiet är den grupp som gör testet efter undervisning. Därmed blir undersökningen en utvärdering av vissa aspekter på Fysik A vid Polhemskolan.

Undersökningsgrupperna

Fysikprogrammet

Fysikprogrammet vid Polhelmskolan startade hösten 2009 som en del i det nationella försöket med spetsutbildning i gymnasieskolan (Skolverket, 2009). Antagning sker med det vanliga poängsystemet från högstadiets slutbetyg och dessutom extrapoäng från ett test i fysik och matematik (Nilson, 2010). Hösten 2010 började den andra kullen elever på fysikprogrammet. Programmet har hittills haft fler platser än sökande vilket har gjort att alla sökande har blivit antagna. Enligt slutlig intagning Lund 09/10 och 10/11 var lägsta antagningspoängen till fysikprogrammet 200 p hösten 2009 och 192 p hösten 2010. Poängen motsvarar poäng för betyg adderat med poäng från antagningstest där maxpoäng för betyg är 320 p och maxpoäng på antagningstestet är 40 p.

Polhemskolans hemsida skriver att eleverna på fysikprogrammet läser de naturvetenskapliga kurserna i snabbare takt än på vanliga naturvetenskapliga programmet. Klas Nilson (2010) säger att eleverna på fysikprogrammet läser 150 poäng mer matematik och fysik än naturvetenskapsprogrammet första året. Detta möjliggör att de redan i årskurs två kan påbörja breddningskurser, mer avancerade kurser, i fysik och matematik. Dessa kurser sker i ett samarbete med Fysikum vid Lunds Universitet.

De elever som spetsutbildningen i fysik söker är, enligt Klas Nilson (2010), ungdomar med ett särskilt intresse för matematik och fysik. De ska också klara av den höga studietakt som programmet har. Klas Nilson berättar att marknadsföringen av utbildningen bestod i början mest av uppmärksamhet i dagspress och en folder som användes vid gymnasiemässor. Senare har en hemsida skapats där alla spetsutbildningar i Sverige finns samlade. Hemsidan har adressen www.spetsutbildningar.se.

Naturvetenskapsprogrammet

Det naturvetenskapliga programmet vid Polhemskolan är ett av de nationella programmen i gymnasieskolan. Det riktar sig till elever som planerar att studera vidare

31

efter gymnasiet och programmet ger behörighet till de flesta eftergymnasiala utbildningarna. Enligt slutlig intagning Lund 09/10 och 10/11 var den lägsta antagningspoängen till det naturvetenskapliga programmet på Polhemskolan 220 p hösten 2009 och hösten 2010. Enligt Polhemskolans hemsida kan eleverna på det naturvetenskapliga programmet välja på tre olika nationella inriktningar och fyra olika profiler.

Undersökningsgruppernas generaliserbarhet

De elever i gymnasieskolan som deltar i undersökningen utgör två skilda grupper. Eleverna på fysikprogrammet antas ha en positiv attityd till fysik med tanke på deras val. De elever som går naturvetenskapliga programmet har valt att inrikta sig mot samtliga naturvetenskapliga ämnena och kan därför ha en mindre positiv attityd till just fysik än de på fysikprogrammet. Naturvetenskapsprogrammet är krävande och eleverna bör ha ett intresse av de naturvetenskapliga ämnena där fysik ingår.

Eftersom de elever som går fysikprogrammet specifikt har valt en inriktning mot fysik utgör de inte ett snitt av gymnasieungdomar i Sverige. Tack vare deras specialintresse för fysik förväntas resultaten på FCI vara högre än snittresultatet för gymnasieungdomar. För de elever som går naturvetenskapsprogrammet är det troligt att resultaten utgör ett snitt av de svenska gymnasieungdomar som går naturvetenskapsprogram. Detta antagande görs eftersom alla grundskolor i Sverige ska ge eleverna en likvärdig utbildning. Därför bör förkunskaper och undervisning kunna betraktas som lika för alla elever på naturvetenskapsprogram i Sverige däremot stämmer detta inte alltid med verkligheten.

De elever på Polhemskolan som ännu inte har läst Fysik A har bara fått undervisning i mekanik från grundskolan där målet som Skolverket (2000b) redovisar är att de ska känna till grundläggande begrepp. I kursplanen för Fysik A ingår, enligt Skolverket (2000a), att eleverna ska kunna utnyttja kunskaper om krafter och kraftmoment för att beskriva jämvikttillstånd och linjär rörelse. Detta är kunskaper som frågor i FCI kretsar kring och eleverna bör därför ha förbättrat sin begreppskoherens i mekanik med undervisning i Fysik A.

32

Eleverna på Polhemskolan jämförs i internationella undersökningar med elever i amerikanska high school. Enligt U.S. Department of Education (2008) är det vanligaste att eleverna går årskurs 9 till 12 i high school vilket gör att en jämförelse med svenska gymnasieskolan är möjlig. Årskurserna i high school kan dock variera beroende på delstat. Vidare görs FCI ofta före och efter undervisning i en specifik kurs eller utbildningssekvens (oftast mekanik) vilket betyder att förkunskaperna kan skifta mycket. Undersökningarna som jag har tagit del av nämner inte elevernas åldrar eller förkunskaper och därför blir jämförelsen med de internationella resultaten osäker. Att jämförelse ändå görs beror på att det är intressant hur de svenska gymnasieungdomarna klarar FCI i förhållande till ungdomar i internationella undersökningar.

Datainsamling

Undersökningarna på Polhemskolan skedde i slutet av vårterminen 2010 och i början av höstterminen 2010. På vårterminen genomfördes undersökningarna på de elever som precis gått ett år på fysikprogrammet och resten av undersökningarna genomfördes på höstterminen. Uppdelningen gjordes för att en analys skulle kunna förberedas under sommaren och att elevernas svar skulle vara så rättvisande som möjligt. Fysik och matematikläraren Klas Nilsson trodde nämligen att eleverna på naturvetenskapsprogrammet kunde vara omotiverade till att göra undersökningen innan sommaren eftersom de inte läste någon kurs i fysik och för att läsåret började närma sig sitt slut. Fysikprogrammet däremot hade undervisning i fysik och var därför mer motiverade till undersökningen. Därför delades undersökningen upp så att bara de äldre eleverna på fysikprogrammet gjorde undersökningen på våren och resten gjorde den på hösten.

Eleverna svarade på båda undersökningarna vid samma tillfälle. Först gjorde de attitydundersökningen och när den lämnades in så fick de FCI. Att eleverna fick göra undersökningarna i denna ordning hade två anledningar. För det första kunde eleverna bli trötta efter FCI och svar på attitydundersökningen kanske inte skulle bli tillförlitliga om den gjordes efteråt. För det andra fanns risken att resultatet av attitydundersökningen visar elevernas attityd till mekanik och inte till fysik som helhet om eleverna gör FCI före attitydundersökningen.

33

Många av eleverna som genomförde undersökningen på Polhemskolan var under 18 år vilket gjorde att de måste ha vårdnadshavarens tillåtelse för att få göra undersökningen. Därför skickades ett brev hem till vårdnadshavare med eleverna innan undersökningen genomfördes. I brevet beskrevs undersökningen och vad den ska användas till. Brevet finns som bilaga.

Analys

Analysen av datamaterialet gjordes med hjälp av Excel och SPSS. För FCI beräknades varje elevs procentuella antal rätt och med hjälp av detta kunde undersökningsgruppernas procentuella resultat beräknas. Att det totala resultatet på FCI analyserades kommer av att Hestenes och Halloun (1995) menar att detta resultat ger den bästa bilden av elevens förståelse. Dessutom kan resultaten jämföras med varandra och med internationella undersökningar. En begreppsindelning av frågorna enligt tabell 1 (sida 20) gjordes också och därmed kunde skillnader i förståelse mellan de olika begreppen visas.

Attityden till fysik analyserades efter undersökningsdelen Fysik som skolämne. Frågorna i undersökningsdelen Fysik som vetenskap ansågs vara för inriktade på personliga värderingar för att ge tillförlitliga resultat i denna undersökning. Detta beroende på att det är svårt att tolka om en personlig värdering uttrycker positiv eller negativ inställning till fysik. Attityden mättes genom att vissa frågor i delen Fysik som

skolämne valts ut och svaren poängsatts så att varje elev får ett tal som representerar

attityden. Summeringen kallas för Attityd till fysik.

Svaren på frågan om elevens intresse att lära sig mer inom olika ämnen poängsattes mellan 1 och 4. 1 betyder inte alls intresserad och 4 betyder mycket intresserad. För påståendena användes poängen 1 till 5, som anges i undersökningen, där 1 betyder instämmer inte alls och 5 betyder instämmer helt. Svaren på frågorna som valts att representera attityden viktades på olika sätt beroende på om frågan är positiv eller negativ till fysik. Summan för de negativa svaren drogs från summan för de positiva svaren. De frågor som valdes att representera attityden är följande (+ anger positivt och - anger negativt)