Utmaningar med undervisning och lärande av energi

Utmaningar med undervisning och l¨ arande av energi

En litteraturstudie av svenska l¨ aromedel i fysik p˚ a gymnasiet och

¨ overs¨ attning av ”Energy and Momentum Conceptual Survey”

Adi Bijedic

Projektarbete D i Fysikens Didaktik, 15 hp

Institutionen f¨or Fysik och Astronomi, Uppsala Universitet

Handledare: Bor Gregorcic

27 december 2021

Sammanfattning

Energi ¨ar ett tv¨arvetenskapligt begrepp av stor vikt inom naturvetenska- pen och f¨or samh¨allets funktion. L¨arare st¨alls emellertid inf¨or flertalet utmaningar n¨ar det kommer till att undervisa energi, och elever har ofta s¨arskilda sv˚arigheter med att f¨orst˚a energibegreppet och dess best˚andsdelar.

Syftet med denna rapport ¨ar att sammanfatta och f¨ormedla till pedagoger i Sverige vilka utmaningar som hittills p˚avisats i interationell forskning inom undervisning och elevers f¨orst˚aelse av energi, samt vilka tillv¨agag˚angss¨att som kan minska elevers f¨orvirring kring energi och f¨orst˚aelsen f¨or begrep- pet. De tre svenska l¨aromedlena Heureka, Impuls och Ergo f¨or Fysik 1 p˚a gymnasiet har analyserats med utg˚angspunkt i p˚avisade utmaningar i form av problem och sv˚arigheter, samt p˚avisade effektiva tillv¨agag˚angss¨att, f¨or att uppm¨arksamma om och i vilken utstr¨ackning l¨aromedelna bem¨oter och hanterar dessa.

Resultaten tyder p˚a att p˚avisade utmaningar inom undervisning och l¨arande av energi troligen st¨arks av inneh˚allet i de l¨aromedel som har analyserats. L¨aromedlena bidrar till redan existerande problem och elevers sv˚arigheter bland annat genom ett ovarsamt spr˚ak, slarviga formuleringar och icke h˚allbara till¨ampningar av metaforer i beskrivningar av energi. ¨Aven strategier som forskning funnit essentiella f¨or en framg˚angsrik energiunder- visning ¨ar mestadels f¨orbisedda i l¨aromedlena, medan f¨oreslagna effektiva tillv¨agag˚angss¨att, som till exempel anv¨andning av system och grafer i ener- gianalyser, f¨orekommer s¨allan eller aldrig. Utbudet av ¨ovningsuppgifter i l¨aromedlena best˚ar till st¨orst del av uppgifter som testar formler, kal- kylf¨orm˚aga och minneskapacitet, medan uppgifter av konceptuell karakt¨ar ges betydligt mindre plats.

Inneh˚ all

1 Introduktion 3

1.1 Syfte och fr˚agest¨allningar . . . 4

2 Bakgrund 6 2.1 Elevers sv˚arigheter ur flera perspektiv . . . 6

2.1.1 P-prims . . . 6

2.1.2 Missuppfattningar . . . 7

2.2 Spr˚ak, metaforer och analogier . . . 9

2.2.1 Metaforer och analogier . . . 9

2.3 Definitionen av energi . . . 10

2.4 Energiprincipen . . . 11

2.5 Ett systemperspektiv . . . 11

2.6 Potentiell energi . . . 12

2.7 Termodynamikens andra huvudsats . . . 13

2.8 V¨arme . . . 13

2.9 Inre energi, termisk energi . . . 15

2.10 Arbete-energiteoremet . . . 15

2.11 Undervisning av energi . . . 16

2.11.1 Konceptuell f¨orst˚aelse . . . 16

2.11.2 Laborationer . . . 16

2.11.3 Ett sammanh¨angande energibegrepp . . . 17

2.11.4 Kunskapspr¨ovning av energibegreppet . . . 17

3 Metod 19 3.1 Litteraturstudie . . . 19

3.1.1 Problem . . . 19

3.1.2 Sv˚arigheter . . . 19

3.1.3 Tillv¨agag˚angss¨att f¨or en framg˚angsrik energiundervisning 20 3.1.4 Ovningsuppgifternas karakt¨¨ ar . . . 20

4 Resultat och Diskussion 22 4.1 Problem . . . 22

4.2 Sv˚arigheter . . . 27

4.3 Tillv¨agag˚angss¨att f¨or en framg˚angsrik energiundervisning . . . . 30

4.4 Ovningsuppgifter och exempel . . . .¨ 32

4.5 Ovrig diskussion . . . .¨ 34

4.6 Implikationer f¨or undervisning . . . 35

4.7 Rekommendationer f¨or framtida forskning . . . 35

5 Slutsats 37

1 Introduktion

Att undervisa i fysik p˚a gymnasiet kan vara s¨arskilt utmanande. Fysik ¨ar ett unikt ¨amne inte minst p˚a grund av att m˚anga fenomen och koncept inom ¨amnet

¨ar kopplade till egna och unika erfarenheter hos varje individ som g˚ar att s¨atta i kontext i verkligheten. Detta ¨ar just vad fysik i grunden bygger p˚a, att f¨ors¨oka modellera och f¨orklara fenomen och samband som observeras i v˚ar omv¨arld.

Elever har dock s¨arskilda sv˚arigheter med att l¨ara sig fysik, i synnerhet energi.

Undervisning av ¨amnet och underliggande orsaker till sv˚arigheterna har under en l¨angre tid omdiskuterats.

Klassiskt sett har forskare inom fysikdidaktik utg˚att fr˚an ett perspektiv med missuppfattningar som den prim¨ara orsaken till elevers sv˚arigheter. Perspektivet bygger p˚a antagandet att elever som introduceras till fysik med start l˚angt tillbaka i sina liv kontinuerligt har observerat omv¨arlden och hur naturen ter sig. Under sina liv har elever genom egna erfarenheter och ofta omedvetna reflektioner bildat sig egna id´eer och uppfattningar, som ofta ¨ar alternativa eller

”inkorrekta” j¨amf¨ort med motsvarande koncept inom vetenskapen. M˚alet f¨or en fysikl¨arare b¨or s˚aledes vara att ¨andra p˚a, eller ers¨atta, missuppfattningar som elever b¨ar p˚a, eftersom perspektivet med missuppfattningar bygger p˚a att

”korrekt” utveckling av fysikf¨orst˚aelse ¨ar m¨ojligt f¨orst n¨ar missuppfattningar

¨ar identifierade och utmanade. I fysikdidaktisk forskning har dock perspektivet med missuppfattningar under en l¨angre tid ifr˚agasatts, med argumentet att fler perspektiv m˚aste unders¨okas och tas h¨ansyn till av l¨arare f¨or att se hur dessa p˚averkar l¨arares hantering av elever med sv˚arigheter inom ¨amnet [1]. Trots att missuppfattningar f¨orblir en br¨annpunkt i m˚anga studier och diskussioner kring undervisning av energi, har forskning p˚a senare ˚ar skiftat fokuset bort fr˚an missuppfattningar, d¨ar dessa numera anses kunna vara en av flera anledningar bakom elevers sv˚arigheter med fysik.

Inom fysikundervisning har det visat sig att energi ¨ar speciellt problematiskt att l¨ara ut [2], och elever har s¨arskilda sv˚arigheter kring energibegreppet. M˚anga forskare p˚a omr˚adet menar ¨aven att s˚av¨al elever som vuxna har missuppfattning- ar om energi, trots utbildning [3][4]. En av m˚anga anledningar till sv˚arigheterna och de eventuella missuppfattningarna tycks vara att undervisningen och spr˚aket kring energi skiljer sig i stor grad mellan olika ¨amnen, s˚av¨al som i olika sam- manhang [5], d¨ar vardagen j¨amf¨ort med skolan ¨ar ett tydligt exempel. L¨arare och l¨aromedel anv¨ander ¨aven ofta metaforiska uttryck och ett spr˚ak som kan f¨orv¨arra situationen. Bland annat imiterar elever ofta medvetet eller omedvetet sin l¨arare i ord och uttryck, vilket kan leda till att de f¨orvirrar sig sj¨alva och andra i felaktig anv¨andning av dessa [6]. Dessutom g˚ar m˚anga omr˚aden inom naturvetenskapen att knyta an till intryck och sinnen, men detsamma g¨aller oftast inte n¨ar det kommer till energi. Trots att det inte alltid ¨ar simpelt att g¨ora fysikaliskt korrekta kopplingar, kan detta vara ytterligare en f¨orklaring till varf¨or just energi ¨ar sv˚arbegripligt f¨or elever. Till exempel kan krafter upplevas av dragning och tryckning, tryckf¨or¨andringar av lock f¨or ¨oronen och hastighet

av r¨orelse. V¨aldigt m˚anga delar av fysiken ¨ar dessutom anknutna till det visuella sinnet och g˚ar d¨armed att ˚aterskapa eller visualisera. N¨ar det kommer till energi

¨

ar detta i regel betydligt sv˚arare. F¨orvisso kan en ”v¨armande” k¨ansla mot huden kopplas till n˚agot - men ¨ar det v¨arme eller temperaturf¨or¨andring? Hur kan olika energiformer, entropi och energiprincipen knytas an till sinnen? Energi ¨ar definitivt inte enkelt att f¨orknippa med n˚agot uppenbart. Det ¨ar inom naturve- tenskapen ett abstrakt begrepp och till f¨oljd av detta ¨ar d¨arav konceptualisering av energi mycket sv˚art [7]. Trots att energi ¨ar s˚a pass abstrakt kan det med nytta till¨ampas i extremt precisa matematiska utr¨akningar, vilket bidrar till den redan fragmenterade bilden av energi hos elever [5].

Energi ¨ar ett fundamentalt begrepp av yttersta vikt inom alla grenar av na- turvetenskapen, men ¨and˚a undervisas energi med vitt olika tillv¨agag˚angss¨att inom olika ¨amnen, ofta som om konceptet vore unikt f¨or varje enskilt ¨amne [5][8].

Trots att vetenskapen om energi har utvecklats i stor utstr¨ackning sen begreppet f¨orst introducerades, ¨ar v˚ar f¨orst˚aelse av energi och hur undervisning av energi b¨or g˚a till l˚angt ifr˚an enad eller komplett [9]. Dessutom saknas en utf¨orlig mall och en gemensam uppfattning f¨or hur energi ska undervisas f¨or att fr¨amja en god grund f¨or elever att f¨orst˚a begreppet. Inkonsekvens och felaktigheter i hur energi behandlas ¨ar f¨oljaktligen tyv¨arr vanliga, b˚ade bland l¨arare och i litteratur, och undervisning utan aktsamhet f¨or dessa utmaningar bidrar till elevers sv˚arigheter [10].

Det r˚ader en allm¨an ¨overenskommelse bland pedagoger inom naturvetenskap att energi ¨ar ett s˚a pass centralt begrepp att det inte f˚ar f¨orbises i undervisning [11], men os¨akerheterna kring vad en god energiundervisning inneb¨ar och hur energi b¨or undervisas ¨ar fortsatt stora. En mer sammanh¨angande undervisning av energi ¨over hela v¨arlden skulle vara ett stort steg i att reducera on¨odiga hinder i undervisning av begreppet [12], och m˚anga forskare, fysiker och pedagoger runtom i v¨arlden arbetar st¨andigt f¨or att fastst¨alla en ny typ av global standard f¨or hur energi p˚a b¨asta s¨att b¨or undervisas [11][13].

I avsnitt 2 beskrivs bakgrunden till denna rapport, d¨ar p˚avisade utmaning- ar samt framf¨orda f¨orslag till tillv¨agag˚angss¨att som underl¨attar i undervisning och f¨orst˚aelse av energi sammanfattas. ¨Aven olika perspektiv som anv¨ands som verktyg f¨or att analysera de underliggande utmaningarna och sv˚arigheterna med undervisning av fysik beskrivs. Metoden och olika tillv¨agag˚angs¨att i projektet beskrivs i avsnitt 3, d¨ar v¨asentliga val f¨or analysen av l¨aromedlena redog¨ors f¨or. I avsnitt 4 presenteras resultaten med diskussion. ¨Aven implikationer f¨or undervisning och rekommendationer f¨or framtida forskning ges h¨ar. I avsnitt 5 presenteras slutsatserna av projektet.

1.1 Syfte och fr˚ agest¨ allningar

Syftet med denna rapport ¨ar att sammanfatta och f¨ormedla till pedagoger i Sveri- ge vilka utmaningar i form av problem och sv˚arigheter som hittills p˚avisats inom

undervisning av energi i fysik, samt att belysa i vilken utstr¨ackning Heureka, Im- puls och Ergo bem¨oter dessa. Omfattande forskning har bedrivits f¨or att kartl¨agga elevers sv˚arigheter kring energi med missuppfattningar som utg˚angspunkt. Denna rapport utg˚ar dock fr˚an att vanliga och ˚aterkommande tankes¨att som ¨ar p˚avisade inom energiundervisning kan bottna i flera orsaker. Resultaten av fysikdidaktisk forskning p˚a omr˚adet kommer att anv¨andas som utg˚angspunkt i en litteraturstu- die av svenska l¨aromedel i fysik f¨or att uppm¨arksamma problem och effektiva tillv¨agag˚angss¨att i l¨aromedlena inom energi. F¨oljande fr˚agest¨allningar unders¨oks i denna rapport:

1. Vilka utmaningar existerar i undervisning och l¨arande av energi?

2. Hur kan dessa utmaningar bem¨otas f¨or att f¨orb¨attra elevers f¨oruts¨attningar att f¨orst˚a energibegreppet?

3. I vilken utstr¨ackning hanterar l¨aromedel i fysik p˚a gymnasiet utmaningarna och m¨ojligheterna till en f¨orb¨attring av fysikundervisning?

Det ¨ar av yttersta vikt att k¨anna till sina elevers sv˚arigheter, vilket kan

˚astadkommas genom konceptuella prov. Ett sidoprojekt i detta arbete ¨ar d¨arf¨or att ¨overs¨atta ett v¨al bepr¨ovat s˚adant prov fr˚an engelska till svenska s˚a att ¨aven svenska fysikl¨arare kan ha nytta av det. Detta beskrivs mer ing˚aende under Bilagor.

2 Bakgrund

Energi ¨ar ett av de viktigaste och mest grundl¨aggande begreppen inom natur- vetenskapen. Det ¨ar ocks˚a ett tv¨arvetenskapligt begrepp [4], av extrem vikt inom olika ¨amnen och f¨or samh¨allets funktion. Elever som l¨ar sig fysik visar dock konsekvent olika typer av sv˚arigheter inom omr˚adet energi [3][10]. De bakomliggande orsakerna till dessa sv˚arigheter kan analyseras och f¨orklaras med hj¨alp av olika ramverk eller perspektiv, vilka ¨ar till nytta f¨or att f¨ors¨oka f¨orst˚a hur framg˚angsrik undervisning av fysik och energi kan bedrivas. Under en l¨angre tid har anledningen till varf¨or elever i regel finner fysik s˚a sv˚arbegripligt ansetts bottna i alternativa uppfattningar, ¨aven kallade missuppfattningar. Att uteslutande utg˚a fr˚an detta perspektiv med missuppfattningar har dock m¨ott kritik [14][15], d˚a det som utg¨or elevers kunskaper och f¨orst˚aelse om fysik h¨ogst sannolikt ¨ar betydligt mer komplext ¨an s˚a.

2.1 Elevers sv˚ arigheter ur flera perspektiv

Det finns flertalet olika perspektiv som elevers sv˚arigheter med fysik kan analy- seras ur. Dessa perspektiv ¨ar viktiga, eftersom de kan vara avg¨orande f¨or hur l¨arare anpassar fysikundervisningen f¨or att p˚a b¨asta m¨ojliga s¨att hj¨alpa elever.

Missuppfattningar, som l¨ange har varit det vanligaste perspektivet f¨or detta

¨andam˚al, anses vara kognitiva strukturer som ¨ar alternativa, eller ”inkorrekta”

i j¨amf¨orelse med en fysikers. De ¨ar best¨andiga och djupt rotade, och ¨andras inte genom traditionell undervisning. En missuppfattning som en elev b¨ar p˚a

¨ar rigid och of¨or¨anderlig, och av denna anledning m˚aste missuppfattningar hos elever uppm¨arksammas och ers¨attas f¨or att m¨ojligg¨ora utveckling av ”korrekt”

f¨orst˚aelse av fysik [15]. Elevers missuppfattningar kan emellertid bero p˚a vil- ket sammanhang en fr˚agest¨allning eller ett problem s¨atts i [14], det vill s¨aga, tankes¨attet som k¨annetecknas som en ”missuppfattning” visar sig ibland vara inkonsekvent och orsaken bakom elevens s¨att att t¨anka ¨ar d˚a sannolikt inte en missuppfattning. Detta tyder p˚a att missuppfattningar, om s˚adana finns, inte uteslutande kan ligga till grund f¨or problematiken.

2.1.1 P-prims

Elevers intuitiva tankar kring fysik kan ha sitt ursprung i mer abstrakta och fundamentala strukturer, kallade fenomenologiska primitiv (p-prims). P-prims

¨ar en upps¨attning ordnade och sammankopplade kognitiva strukturer som ¨ar baserade p˚a fenomen och orsakssammanband [14]. En fr˚aga eller ett omr˚ade inom fysik kan aktivera en upps¨attning p-prims kopplade till liknande fenomen, och hur en elever argumenterar beror allts˚a p˚a fr˚agorna som st¨alls. Till exempel kan en fr˚aga om varf¨or sommaren inneb¨ar h¨ogre temperaturer aktivera p-prim:et

”n¨armre inneb¨ar starkare” hos en elev. Just det p-prim:et aktiveras eftersom en m¨angd fenomelogiska kopplingar g¨ors: ”om jag st˚ar n¨armre en h¨ogtalare ¨ar ljudet mer intensivt”, ”h˚aller jag min hand n¨armre ett l˚aga b¨orjar det br¨annas”, eller

”lukten av vitl¨ok k¨anns starkare om jag h˚aller vitl¨oken n¨armre n¨asan”. Detta kan

allts˚a leda eleven till att tro att jorden befinner sig p˚a kortare avst˚and till solen under sommarhalv˚aret [15]. Ur detta perspektiv g˚ar det att f¨orst˚a bakgrunden till elevers tankes¨att och eftersom p-prim:et i sig inte alltid ¨ar felaktigt b¨or l¨ararens m˚al inte vara att f¨orkasta det, utan tv¨art om att bygga vidare p˚a det.

Till skillnad fr˚an missuppfattningar anses p-prim vara essentiella i elevers l¨arande och ¨ar viktiga byggstenar i deras f¨orst˚aelse av fysik [15].

Annu en inv¨¨ andning mot att elevers avvikande tankes¨att enbart beror p˚a miss- uppfattningar ¨ar att detta perspektiv f¨oruts¨atter att elever vid alla svarstillf¨allen redan har ett tidigare konstruerat system f¨or att t¨anka ett omr˚ade i fr˚aga. Det kan emellertid vara s˚a att elever konstruerar ett ”felaktigt” svar just i stunden d˚a en fr˚aga st¨alls en eller n¨ar de ska uttrycka sig, utan att en bakomliggande missuppfattning existerar [15]. Eleven har allts˚a kanske inte reflekterat ¨over n˚agot liknande vid ett tidigare tillf¨alle. I s˚adana fall baseras elevens svar p˚a n˚agot annat ¨an missuppfattningar, vilket ¨ar ytterligare st¨odjer perspektivet med p-prims.

P-prims l¨agger grunden f¨or ett ramverk som utg˚ar fr˚an att kunskap och uppfatt- ningar om fysik hos elever ¨ar fragmenterad och icke-sammanh¨angande. Elevers tidigare erfarenheter och id´eer uppskattas och ¨ar v¨asentliga komponenter f¨or forsatt utveckling. Det ¨ar allts˚a inte elevers alternativa tidigare erfarenheter som b¨or klandras, utan utmaningen ¨ar snarare att f¨orena elevers vardagliga erfarenheter och tankes¨att p˚a ett vis som ¨ar applicerbart ¨aven inom fysiken.

2.1.2 Missuppfattningar

P-prims ¨ar alltmer uppm¨arksammat inom forskning i fysikdidaktik, men missupp- fattningar ¨ar fortsatt viktiga att ta i beaktning. Missuppfattningar ¨ar l¨attare att identifiera och ¨ar mer specifika till deras natur j¨amf¨ort med p-prims. Dessutom

¨ar de v¨al unders¨okta och det ¨ar tvekl¨ost bra att som l¨arare kunna identifiera brister i elevers konceptuella f¨orst˚aelse f¨or att kunna hj¨alpa elever.

Ur perspektivet att missuppfattningar ligger till grund f¨or elevers sv˚arigheter med fysik, ¨ar dessa vanligt f¨orekommande hos s˚av¨al elever som l¨arare. Elever verkar i stor utstr¨ackning b¨ara p˚a id´eer om energi som ˚aterspeglar deras syn p˚a energi i vardagen. ¨Over hela v¨arlden ˚aterfinns alternativa syns¨att som elever anv¨ander sig av kring energi [16] och Sverige ¨ar inget undantag. Elevers missupp- fattningar inom energi p˚a gymnasiet grundar sig ofta i felaktig eller avvikande tidigare konceptuell f¨orst˚aelse av energi [17], och trots att elever l¨ar sig om energi och utvecklas inom omr˚adet inneb¨ar detta inte att deras missuppfattningar per automatik reds ut. Studier visar n¨amligen konsekvent att undervisning inte i tillr¨ackligt h¨og grad f¨orb¨attrar eller f¨or¨andrar elevers alternativa tankes¨att och uppfattningar om energi [16].

Missuppfattning Bland andra p˚avisat av

Definitionen av energi

Energi f¨orv¨axlas med anstr¨angning [18]

Energi ses som orsak/drivmedel till olika fenomen (ett objekt forts¨atter att vara i r¨orelse p˚a grund av dess kinetiska energi)

[19]

Energi f¨orknippas enbart med uppenbar aktivitet eller r¨orelse (objekt i vila har ingen energi)

[20][21][22][23]

Energi f¨orv¨axlas med kraft (objekt i r¨orelse har en inne- varande kraft)

[24]

Energiformer och potentiell energi

Olika typer (inte former) av energi finns [25]

Gravitationskraft f¨orv¨axlas med gravitationell energi [3][26]

Gravitationell potentiell energi beror p˚a hastighet [3]

Elastisk energi beror inte p˚a styvheten hos en fj¨ader [3]

Elastisk energi ¨ar en egenskap fj¨adrar som inte beror p˚a hur mycket fj¨adern komprimeras eller f¨orl¨angs (l¨angre fj¨adrar har mer elastisk energi)

[3][26]

Potentiell energi ¨ar potentialen att ha energi i framtiden [23][27]

V¨arme

Levande ting har ”termisk energi” medan objekt inte har det.

[3][21][22][23][28]

Objekt som k¨anns ”kalla” har ingen energi medan objekt som k¨anns ”varma” har det

[3]

Det ¨ar kyla (inte v¨arme) som ¨overf¨ors mellan tv˚a objekt med olika temperatur

[3][29][30]

Temperatur ¨ar ett m˚att p˚a v¨arme [31]

Energiprincipen och system

Energi kan inte omvandlas inom ett system [3]

Energi kan skapas eller f¨orst¨oras [3][32][20][22][33]

Ovrigt¨

R¨orelseenergi ¨overf¨ors till kraft [3]

Enbart ting som gl¨oder eller lyser ¨overf¨or energi genom str˚alning

[3]

Energi kan enbart ¨overf¨oras mellan tv˚a objekt om de ¨ar i kontakt med varandra

[3]

Tabell 1: N˚agra av de mest f¨orekommande missuppfattningarna som p˚avisats hos elever och/eller l¨arare inom energi.

Missuppfattningar kan dock redas ut, men enbart n¨ar de identifieras och utma- nas direkt, vilket m˚anga l¨arare misslyckas med i sin undervisning [34]. F¨or att

˚astadkomma en framg˚angsrik undervisning av energi ¨ar det viktigt att vara med- veten om vilka missuppfattningar som ¨ar vanligt f¨orekommande inom omr˚adet.

N˚agra av de vanligaste missuppfattningarna som f¨orekommer presenteras i Tabell 1.

2.2 Spr˚ ak, metaforer och analogier

Studier visar att m˚anga sv˚arigheter kring energi har sitt ursprung i det vardagliga spr˚aket, d¨ar bland annat ordet ”energi” anv¨ands i m˚anga olika bem¨arkelser [35].

Det ¨ar inte ovanligt att i vardagen tala om f¨orbrukning av energi, eller h¨ora fraser som ”tr¨aning ger mig energi!” eller ”sov, s˚a f˚ar du energi till morgondagen”.

Inneb¨orden av energi i olika kontexter i vardagen ¨ar inte s¨allan vetenskapligt inkorrekta. L¨arare som f¨orst˚ar sig v¨al p˚a begreppet energi och dess id´eer kan trots detta misslyckas med att bem¨ota eventuella sv˚arigheter som elever har, och kanske till och med f¨orv¨arrar dessa, just eftersom spr˚aket som kurslitteratur och l¨arare anv¨ander sig av kan utg¨ora ett hinder f¨or elevers l¨arande [36]. En av de st¨orsta utmaningar som l¨arare inom naturvetenskap st¨alls inf¨or ¨ar d¨arf¨or att lyckas f¨orena det vardagliga spr˚aket med det vetenskapliga spr˚aket [37].

2.2.1 Metaforer och analogier

Inom m˚anga omr˚aden av fysik anv¨ands ett f¨orenklat och ibland strikt sett felak- tigt spr˚ak. L¨arares anv¨andning av spr˚aket kan f˚a allvarliga konsekvenser f¨or hur elever uppfattar olika koncept [6]. Fysiker anv¨ander sig ¨aven ofta av metaforer och analogier f¨or att underl¨atta i kommunikationen med andra. Till exempel kan fysiker n¨ar de talar om r¨orelse s¨aga ”En nettokraft accelererar objektet”.

Bokstavligt tolkat inneb¨ar detta att kraften ¨ar det som orsakar en acceleration, men detta ¨ar i sj¨alva verket metaforiskt eftersom en fysiker vet att det inte

¨ar kraften som ¨ar medlaren, utan det m˚aste finnas n˚agot annat objekt som ger upphov till en ¨andring av det f¨orsta objektets r¨orelse [38]. Metaforer som denna anv¨ands flitigt bland fysiker, eftersom det ¨ar b˚ade enklare och mer effek- tiva i kommunikation. Ett s¨att att hantera utmaningarna i energiundervisning (och i m˚anga fler omr˚aden av fysiken) ¨ar genom anv¨andning av metaforer och analogier f¨or att beskriva olika koncept. Metaforer och analogier ¨ar kraftfulla verktyg inom undervisning, men kan dock ha motsatt effekt och f¨orv¨arra den redan problematiska situationen om de anv¨ands utan aktsamhet. En anled- ning till detta ¨ar att elever ofta finner metaforiskt spr˚ak inom naturvetenskapen sv˚artolkat och ofta tolkar elever vad som uttrycks i skrift och tal bokstavligen [39].

Metaforer f¨orekommer ofta ¨aven inom energi. Vanliga metaforer inom omr˚adet

¨ar exempelvis att ”energi fl¨odar”, ”energi l¨acker ut”, och oordningsmetaforen, som ofta anv¨ands f¨or att beskriva entropi. En del analogier och metaforer anses vara icke h˚allbara, till och med skadliga, eftersom de inte ¨ar alltid ¨ar valida, och kan vid of¨orsiktigt anv¨andande fr¨amja elevers sv˚arigheter och eventuellt ¨aven missuppfattningar inom energi. Analogier och metaforer inom energi anv¨ands trots detta i stor utstr¨ackning b˚ade i kurslitteratur och av l¨arare, ofta utan att

uppm¨arksamma eventuella begr¨ansningar och falluckor i samband med dessa, vilket kan f¨orst¨arka elevers sv˚arigheter kring energi [40]. Elever kan f¨orvirra sig sj¨alva och andra n¨ar de tar efter sin l¨arares s¨att att uttrycka sig, vilket de ofta g¨or [6]. Forskare menar dock att metaforer och analogier faktiskt ¨ar oundvikliga i undervisning av naturvetenskap [41] och att ett s˚a komplext omr˚ade som energi kr¨aver att dessa anv¨ands f¨or att konkretisera och n¨arma sig de olika koncepten inom omr˚adet [40]. Oordningsmetaforen, som l¨ange har ansetts vara skadlig f¨or elevers l¨arande, ¨ar ett exempel p˚a en metafor som kan st¨arka elevers f¨orst˚aelse av entropi f¨orutsatt att den anv¨ands som en del i ett st¨orre sammanhang och att dess begr¨ansningar tydligg¨ors f¨or elever [42]. L¨arare ¨ar dessutom betydligt b¨attre p˚a att m¨ota elevers sv˚arigheter om de ¨ar medvetna om olika metaforer inom fysiken och uppskattar dess m¨ojligheter och begr¨ansningar [43]. De positiva l¨arandeeffekter som olika metaforer och analogier inneb¨ar kan allts˚a vid varsam anv¨andning inom undervisning av energibegreppet ¨overv¨aga nackdelarna [43].

2.3 Definitionen av energi

Energibegreppet och termodynamiken har utvecklats extremt mycket under de senaste ˚arhundradena. Omr˚adet energi ¨ar dock mycket omfattande och i m˚anga fall sv˚arbegripligt d˚a vi ¨an idag inte p˚a ett fundamentalplan kan f¨orklara vad energi ¨ar [12]. Med detta ˚aterfinns otaliga olika f¨ors¨ok till en definition av energi f¨or att g¨ora begreppet mer begripligt. Definitioner av energi i l¨aromedel eller som framf¨ors av l¨arare faller ofta in under en av tre kategorier: energi definierat genom arbete, energi definierat som n˚agot drivande, och energi definierat som ett m˚att p˚a f¨or¨andring i ett system [41].

Med tanke p˚a sv˚arigheterna kring att l¨ara ut energi, kan en definition av energi tyckas vara l¨amplig. Det r˚ader emellertid oenigheter kring huruvida fr˚agan ”vad

¨ar energi?” ¨overhuvudtaget b¨or st¨allas till elever eftersom det faktum att det inte g˚ar att konstruera en operationell definition av energi, allts˚a en konkret definition f¨or hela energibegreppet, ¨ar en barri¨ar i elevers l¨arande [7]. Elever som l¨ar sig energi kan allts˚a inte f¨orses med endast en (korrekt) definition av hela begreppet, vilket i sig ¨ar en utmaning. Samtidigt kan elever inte heller p˚a ett enkelt s¨att knyta an sina egna observationer eller erfarenheter till begreppet som helhet. Det fyller f¨ormodligen ingen vidare funktion att f¨ors¨oka ge elever en definition av hela energibegreppet. F¨orutom att en s˚adan definition ofta ¨ar

¨oversimplifierad f¨or att vara begriplig f¨or elever, ¨ar det inte heller m¨ojligt att hj¨alpa elever till en ¨okad intuitiv f¨orst˚aelse inom omr˚adet med hj¨alp av en s˚adan definition [7]. Det g˚ar dock att definiera enskilda omr˚aden av energi, vilket kan g¨oras med nytta [41], eftersom dessa definitioner ¨ar viktiga n¨ar det kommer till att f¨orse elever med intuitiva insikter om energi [7].

Viktigare ¨an att f¨ors¨oka definiera energibegreppet ¨ar att besvara fr˚agan ”varf¨or

¨

ar energi viktigt?”, eftersom elever m˚aste ges chansen att l¨ara sig uppskatta anv¨andbarheten och nyttan i att p˚a ett korrekt s¨att kunna arbeta med energi [7] och fundera samt diskutera kring olika energiprocesser, s˚av¨al i fysik och

naturvetenskap som i ¨annu st¨orre sammanhang.

2.4 Energiprincipen

Energi kan inte skapas eller f¨orst¨oras, endast omvandlas. Denna grundl¨aggande naturlag, k¨and som energiprincipen eller termodynamikens f¨orsta huvudsats, ¨ar resultatet av hundratals ˚ar av experiment och teori [10]. Det ¨ar en av de absolut viktigaste principerna som uppt¨ackts inom naturvetenskapen, men som s˚av¨al l¨arare som elever har s¨arskilda sv˚arigheter med att begripa [3][44]. M˚anga elever tycks kunna identifiera energiprincipen och kan ˚aterkalla den likt ett mantra, men har sv˚arigheter med att applicera den i analyser p˚a verklighetsbaserade scenarion [3]. Ett ˚aterkommande tankes¨att bland elever ¨ar dessutom att energi kan f¨orst¨oras eller skapas [3][32].

Trots att det finns ett tydligt samf¨orst˚and v¨arlden ¨over kring energipricipen, r˚ader det skiljaktigheter i hur spr˚aket kring den anv¨ands, av s˚av¨al l¨arare som fysiker [45]. Spr˚aket kring energiprincipen ¨ar ofta osammanh¨angande och emel- lan˚at ¨aven mots¨agelsefullt. Termen ”bevarad” f¨orv¨axlas ofta med ”konstant” i undervisning av fysik [10]. Exempelvis talas det ofta om ”konstant energi” i ett system, utan att det uppm¨arksammas att detta enbart g¨aller n¨ar energiprincipen appliceras p˚a ett isolerat system. Om energipirncipen till¨ampas uteslutande p˚a isolerade system l¨oper elever v¨aldigt stor risk att inte l¨ara sig skilja p˚a detta mycket specifika fall, d¨ar den totala energin ¨ar konstant, fr˚an den generella energiprincipen d¨ar totala energin alltid ¨ar bevarad [10]. Att tala om ”samma energi” f¨ore och efter en process kan ocks˚a vara missvisande, eftersom det kan tolkas som att enskilda energiformer ¨ar bevarade. Elever m˚aste ges m¨ojlighet att l¨ara sig differentiera mellan inneb¨orderna av ”bevarad energi”, ”konstant energi”

och ”samma energi” [10].

2.5 Ett systemperspektiv

Energiprincipen ¨ar en fundamental princip i universum som alltid g¨aller. Denna kan med nytta appliceras p˚a alla typer av system i fysiken, men systemperspekti- vet verkar s¨allan till¨ampas i undervisning av energi. Att kunna arbeta med system

¨ar dock av s¨arskild vikt i fysiken, d˚a det har visat sig vara en v¨asentlig komponent i elevers f¨orst˚aelse av energiprincipen [12][46]. Dessutom ¨ar till¨ampning av system

¨aven djupt rotat och essentiellt i termodynamiken [47], vilket ¨ar en central del av energibegreppet. System ges mycket uppm¨arksamhet i andra omr˚aden av fysik som i exempelvis fril¨aggningsdiagram, men inom energianalyser ges valet av system ofta inte tillr¨acklig uppm¨arksamhet, vilket leder till att elever l¨att blir f¨orvirrade kring vilka former av energi som b¨or inkluderas i energianalyser, eller vad de olika energiformerna har f¨or betydelse [10][46].

F¨or att undvika problem och f¨orvirring ¨ar det viktigt att innan en energia- nalys alltid identifiera vad som ing˚ar i systemet i fr˚aga samt om systemet ¨ar isolerat eller inte [46]. I ett isolerat system ¨ar den totala energin bevarad och

¨aven konstant, d¨ar inget energiutbyte sker med omgivningen. Men att bara exemplifiera och tala om s˚adana situationer kan leda elever till att tro att ener- giprincipen och energins bevarande enbart g¨aller f¨or isolerade system [45]. ¨Aven f¨or ett icke isolerat system g¨aller energiprincipen. Energin ¨ar bevarad men inte n¨odv¨andigtvis konstant, d˚a det kan ske enerbiutbyten med omgivningen.

Det har visat sig att s˚av¨al gymnasiel¨arare som utbildade fysikstudenter har p˚atagliga sv˚arigheter med att vara konsekventa i till¨ampningar av system i energianalyser [45]. L¨arare som f¨orst˚ar vikten av val av system och som kan till¨ampa system i energianalyser ¨ar betydligt b¨attre rustade att bem¨ota elevers fr˚agor och alternativa tillv¨agag˚angss¨att n¨ar det kommer till energianalyser [45].

Elever som k¨anner till och kan till¨ampa system i energianalyser ¨ar b¨attre p˚a att hantera problem [46], och har dessutom visat sig st¨alla mer relevanta och fundamentala fr˚agor [47].

Att anv¨anda sig av system i energianalyser kan upplevas som utmanade och icke intuitivt, men det ¨ar onekligen ett praktiskt verktyg som elever finner utvecklande [45]. Definitionen av system i fysiken skiljer sig dock fr˚an andra delar av naturvetenskapen. Inom exempelvis biologin ¨ar ett system ett val av viktiga interaktioner, medan allt som p˚ag˚ar i omgivningen utanf¨or systemet ignoreras [45]. Inom fysiken kan dock omgivningen interagera med ett system.

F¨or att exemplifiera detta kan en situation med en fritt fallande boll betraktas, d¨ar bollen ¨ar det enda som ing˚ar i ett isolerat system, med jorden och luften som en del av omgivningen. Det g¨aller i en energianalys att jorden utr¨attar ett positivt arbete p˚a bollen, samtidigt som bollens kinetiska energi ¨okar, vilket ¨ar i enlighet med energiprincipen. H¨ar finns ingen potentiell energi att tala om eftersom systemet endast best˚ar av bollen (se Avsnitt 2.6). Om ist¨allet valet av det isolerade systemet inkluderar b˚ade bollen och jorden, har systemet en innevarande gravitationell potentiell energi. Denna avtar i samma grad som den kinetiska energin ¨okar. Energin bevaras ¨aven h¨ar i enlighet med energiprincipen och ¨ar ¨aven konstant i systemet eftersom det ¨ar isolerat. Om systemet i analysen

¨ar icke-isolerat, ¨overf¨ors en del av energin fr˚an systemet till den omgivande luften.

Aven i detta fall g¨¨ aller energiprincipen, eftersom den totala energin ¨ar bevarad, men energin inom systemet ¨ar ej konstant. Det ¨ar av stor vikt att elever f˚ar chansen att skilja p˚a dessa situationer f¨or att f˚a full f¨orst˚aelse f¨or energiprincipen.

Alla som l¨ar sig energi m˚aste bem¨astra tv˚a grundl¨aggande id´eer: energi ¨ar alltid en bevarad storhet oavsett val av system (energiprincipen), och valet av system avg¨or ofta om energin i systemet ¨ar konstant eller inte [45].

2.6 Potentiell energi

Potentiell energi ¨ar ytterligare ett problematiskt omr˚ade av energibegreppet som elever kan ha sv˚arigheter med att begripa. En fj¨ader kan ha elastisk potentiell energi, men ett enda objekt inte ha gravitationell potentiell energi, vilket elever ofta tror, eftersom metaforer och analogier kring potentiell energi ¨ar vanliga, exempelvis ”stenens potentiella energi”. Att skriva och tala p˚a detta vis om

gravitationell potentiell energi kan vara mycket missledande f¨or elever [6]. Gravi- tationell potentiell energi ¨ar inte en egenskap hos ett objekt, utan en typ av inre energi i ett system, ett resultat av flera objekt som interagerar med varandra [10]. Elevers okunskap och f¨orvirring kring potentiell energi kan bland annat

˚atg¨ardas genom upprepade f¨ortydliganden om att spr˚aket kring potentiell energi ofta ¨ar metaforiskt, och med utg˚angspunkt i detta p˚aminna om varf¨or ett s˚adant s¨att att uttrycka sig kan vara missvisade f¨or den som inte ¨ar inf¨orst˚add i vad gravitationell potentiell energi faktiskt ¨ar. Alternativt, eller i anslutning till detta, b¨or anv¨andning av ett mer varsamt och fysikaliskt korrekt spr˚ak kring potentiell energi till¨ampas. Ist¨allet f¨or att anv¨anda uttryck som ”bollens potenti- ella energi”, ¨ar det s¨akrare med exempelvis f¨oljande uttryck f¨or att motverka elevers f¨orvirring: ”potentiella energin i systemet med bollen och jorden” eller

”gravitationella potentiella energin i boll-jord-systemet” [6].

Att anv¨anda grafer i olika sammanhang inom energianalyser kan vara myc- ket nyttigt f¨or elever n¨ar det kommer till att bygga en solid f¨orst˚aelse av energi, energi¨overg˚angar och hur olika former av energi f¨orh˚aller sig till varandra. Detta kan ¨aven underl¨atta f¨orst˚aelsen kring negativ potentiell energi. ¨Aven grafer med energiformer ¨over tid ¨ar mycket l¨arorika f¨or att f¨orst˚a hur olika energiformer h¨anger ihop med varandra [10].

2.7 Termodynamikens andra huvudsats

Termodynamikens andra huvudsats har m˚anga olika definitioner, och kanske en av dess viktigaste implikationer ¨ar anv¨andbarheten av den tillg¨angliga energin, eftersom det ¨ar m¨anniskans st¨orsta begr¨ansning n¨ar det kommer till att ”nyttja”

energi [48]. N¨ar elever tillfr˚agas varf¨or all v¨arme i ett givet system inte kan omvandlas till arbete kan de komma att n¨amna faktorer som d˚alig isolering och friktion som orsaker, utan att reflektera ¨over om¨ojligheten att nyttja all energi i en energiomvandling enligt termodynamikens andra huvudsats [48].

2.8 V¨ arme

M¨anniskans f¨orsta funderingar kring v¨arme kan sp˚aras l˚angt bak˚at i tiden. Eld var bland tidiga filosofer och i m˚anga antika kulturer ett av de fyra grundl¨aggande ele- menten som utgjorde allt i v˚ar omgivning [49]. I det antika Grekland f¨orklarades skillnader i temperaturer av n˚agonting som r¨orde sig mellan objekt, en typ av och icke f¨ornimbar substans med en f¨ormodad massa [49]. Under 1600-talet stod filosofer och fysiker kluvna till att erk¨anna v¨arme som en typ av v¨atska. Det verkade bland annat vara m¨ojligt att ”producera” v¨arme genom exempelvis friktion och v¨arme hade kanske d¨arf¨or kanske med molekyler i r¨orelse att g¨ora.

Diskussionerna kring v¨armens natur var fortsatt stora ¨anda in p˚a andra halvan av 1700-talet, d˚a argumenten f¨or att v¨arme ¨ar en substans fick ¨overtaget [49].

Detta lade grunden till den kaloriska teorin, som bygger p˚a att v¨arme ¨ar en typ av kalorik (eng. caloric) som kan fl¨oda mellan objekt. Idag vet vi att detta inte

¨ar fallet, men det r˚ader trots detta tvetydigheter i beskrivningar och i spr˚aket

kring v¨arme. M˚anga sv˚arigheter hos elever n¨ar det kommer till v¨arme liknar den kaloriska teorin och de tankebanor som fysiker och filosofer hade om v¨arme under 1700-talet. Det kaloriska tankes¨attet kring v¨arme ˚aterkommer ocks˚a bland annat n¨ar objekt betraktas som beh˚allare till energi (ofta lagrad i form av v¨arme) och att denna energi (v¨arme) kan ”l¨acka ut” eller extraheras till omgivningen.

Precis som begreppet energi kan skilja sig avsev¨art i dess betydelse och kon- text mellan anv¨andning i vardagen och i naturvetenskapen, g¨aller detsamma f¨or begreppet v¨arme, vars flerbottnade betydelse i vardagen otvivelaktigt ¨ar en bidragande faktor till elevers f¨orvirring kring v¨arme. V¨arme ¨ar ett av de mest missbrukade orden i dagligt spr˚ak [6], eftersom det ofta anv¨ands som en beskrivning av temperatur, temperaturf¨or¨andringar eller k¨anslor, till exempel att n˚agot ”¨ar varmt” eller ”k¨anns varmt”. Uttryck som ”v¨arma vatten i en kastrull”

kan vara korrekta att tala om inom fysiken, eftersom v¨arme just ¨ar den spontana

¨overf¨oringen av energi fr˚an ett objekt med h¨ogre temperatur till ett objekt med l¨agre temperatur. Detta s¨att att uttrycka sig ger tyv¨arr ¨aven utrymme f¨or den den kaloriska teorin: Om v¨arme tillf¨ors ett objekt s˚a ¨okar dess temperatur, och om v¨arme ”tas” fr˚an objektet s˚a minskar dess temperatur. Temperaturen hos ett objekt kan dock ¨oka ¨aven utan r˚adande temperaturskillnader mellan objekt, det vill s¨aga att temperaturf¨or¨andring ¨aven kan ˚astadkommas genom andra processer ¨an v¨arme (till exempel genom arbete). Ord som varm, kall, v¨arma och kyla, ¨ar d¨armed inte l¨ampade ord att anv¨anda sig uteslutande av i undervisning av energi, utan betydligt s¨akrare f¨or att inte bidra till elevers sv˚arigheter ¨ar att

¨aven anv¨anda sig av beskrivningar som ”temperatur¨okning/minskning” eller

”temperaturh¨ojning/s¨ankning”.

Kurslitteratur i fysik ger ibland st¨od f¨or den kaloriska teorin, d¨ar v¨arme ta- las om b˚ade som en egenskap hos objekt och som en energi som ”fl¨odar” fr˚an objekt med h¨ogre temperatur till objekt med l¨agre temperatur. Anv¨andning av termen v¨arme ¨ar ofta inkonsekvent i undervisningssammanhang [19], d¨ar kurslitteratur och l¨arare m˚anga g˚anger anv¨ander v¨arme p˚a ett detta tvetydigt vis (b˚ade som en egenskap och som en process). Detta bidrar till f¨orvirringen kring v¨arme, likas˚a n¨ar ord kring v¨arme anv¨ands p˚a en vardagspr˚aklig grund.

Det ¨ar dock mycket sv˚art, om inte om¨ojligt, att undvika anv¨andning av termer kring v¨arme som inte ¨ar strikt naturvetenskapligt korrekta n¨ar man talar om termodynamiska processer [19]. I ett f¨ors¨ok att undvika felaktigheter ¨ar det inte ovanligt att l¨arob¨ocker anv¨ander sig av samlingsbegrepp som ”v¨armeenergi” vilka innefattar b˚ade v¨arme och inre energi [19]. Detta ¨ar knappast en h˚allbar l¨osning eftersom v¨arme och inre energi ¨ar tv˚a separata koncept [31] som elever dessutom redan har sv˚arigheter med att s¨arskilja. ¨Aven felaktig anv¨andning av termisk energi, till exempel som synonym till ”v¨armeenergi” ¨ar f¨orekommande. I det svenska spr˚aket verkar ”v¨armeenergi” och felaktig anv¨andning av termisk energi ha bef¨ast sig i ¨annu st¨orre utstr¨ackning ¨an i det engelska spr˚aket.

2.9 Inre energi, termisk energi

Elever finner ofta inre energi sv˚arbegripligt och kan ha s¨arskilda sv˚arigheter att skilja inre energi fr˚an andra energiformer [10]. Inre energi anv¨ands som ett samlingsbegrepp f¨or olika energiformer, d¨aribland termisk energi, kemisk energi och nukle¨ar energi. Termisk energi ¨ar den del av inre energi som ¨ar av st¨orst intresse att studera i fysik p˚a l¨agre niv˚a. Det som st˚ar f¨or temperaturen hos ett objekt ¨ar enbart den termsika energin, inte hela inre energin [50]. Termisk energi definieras som summan av den genomsnittliga kinetiska energin hos atomer, medan inre energin kan definieras olika beroende p˚a vad som ¨ar av intresse att unders¨oka [10]. Om inre energi definieras som summan av den kinetiska och potentiella energin hos atomer i ett fast objekt, kan detta mikropersperktiv bidra till en tydlig koppling mellan klassisk mekanik och termisk r¨orelse, vilket

¨ar mycket nyttigt f¨or elevers l¨arande [10]. Inre energi kan ocks˚a definieras utifr˚an ett makroperspektiv d¨ar ¨aven rotationenergi och vibrationer hos en hel kropp inkluderas [10]. Att f¨orv¨axla termisk energi med v¨arme, inre energi eller

”v¨armeenergi” ¨ar inte ovanligt, vilket leder till problem n¨ar det kommer till att tala om energi och temperaturf¨or¨andringar. Dessutom behandlas ofta inre energi som en komponent till det flerbottnade ”v¨armeenergi”, vilket ¨ar ett stort problem i energiundervisning.

2.10 Arbete-energiteoremet

Arbete-energiteoremet kan vara ¨overfl¨odig och on¨odig i elevers f¨orst˚aelse om ener- gi. Trots dess namn ¨ar arbete-energiteoremet i grunden en r¨orelsem¨angdsekvation som enbart f¨oruts¨ager f¨or¨andringen i r¨orelseenergi under en f¨orflyttning av syste- mets masscentrum [10]. Fr˚an Newtons andra lag g¨aller f¨or en kropp att

d~p_mc

dt = ~Fnet, (2.1)

d¨ar ~p_mc¨ar r¨orelsem¨angden hos kroppens masscentrum och ~F_net¨ar nettokraften som verkar p˚a kroppen. Genom integrering med avseende p˚a f¨orflyttningen av masscentrum erh˚alls arbete-energiteoremet i dess rena form:

∆ 1

2Mtotv_mc²



= Z

F~net· d~rmc. (2.2) H¨ogerledet i arbete-energiteoremet kallas ibland f¨or pseudoarbete, eftersom kraf- terna som verkar p˚a kroppen inte n¨odv¨andigtvis verkar p˚a kroppens masscentrum, och f¨orflyttningen av krafterna som verkar i respektive led motsvarar inte alltid f¨orflyttningen av kroppens masscentrum [10]. F¨or att exemplifiera detta kan ett klot som roterar kring en vertikalaxel som g˚ar genom klotets masscentrum betraktas. En hand applicerar en kraft ˚at h¨oger vid framsidan av klotet, medan en annan hand applicerar en lika stor kraft ˚at v¨anster p˚a baksidan av klotet.

Klotet b¨orjar rotera kring axeln. B˚ada h¨anderna utr¨attar ett positivt arbete och klotets rotationella kinetiska energi ¨okar. Enligt arbete-energiteoremet ¨ar dock arbetet noll, eftersom f¨orflyttningen av klotets masscentrum ¨ar noll.

Arbete-energiteoremet ¨ar allts˚a en ekvation som enbart med nytta kan till¨ampas i specialfall av energiprincipen, i system d¨ar den enda energi som tas h¨ansyn till ¨ar den translationella kinetiska energin. Elever tror dock ofta att teoremet utg¨or en fundamental ekvation inom energibegreppet [13]. En bidragande faktor till elevers f¨orvirring kring energi har visat sig vara m¨angden av alla ”olika” ekvationer, principer, lagar, huvudsatser, formler och former av energi som f¨orekommer [10].

Det ¨ar allts˚a bra att i s˚a stor utstr¨ackning som m¨ojligt undvika att introducera varianter och specialfall av olika situationer inom energi, eftersom dessa kan vara

¨overv¨aldigande f¨or elever.

2.11 Undervisning av energi

Mycket tyder p˚a att undervisningen av fysik, och speciellt energi, beh¨over utvecklas och standardiseras. Dagens undervisning av energi leder ofta inte till att elevers f¨orst˚aelse inom omr˚adet ¨okar m¨arkbart [51]. Dessutom verkar m˚anga elever vara of¨orm¨ogna att anv¨anda sig av ett vetenskapligt spr˚ak eller av vetenskapliga resonemang i klassrummet och har samtidigt stora sv˚arigheter n¨ar det kommer till att anv¨anda sig av energibegreppet i situationer i vardagen [3][16].

2.11.1 Konceptuell f¨orst˚aelse

Fysik undervisas traditionellt sett med stort fokus p˚a kalkyl och mindre fokus p˚a konceptuell f¨orst˚aelse. Lektioner som baseras p˚a muntliga framst¨allningar och utr¨akningar av l¨arare ¨ar ineffektiva som medel mot sv˚arigheter och eventuella missuppfattningar som elever har [48][52]. I m˚anga fall saknar elever konceptuell f¨orst˚aelse f¨or fysiken bakom ett problem som de st¨alls inf¨or. M˚anga elever kan utan vidare anstr¨aning identifiera formler inom fysiken f¨or att angripa och r¨akna p˚a problem, men ¨ar inte vana att st¨allas inf¨or formelfira, konceptuella problem [48]. F¨or att r˚ada bot p˚a detta b¨or konceptuell f¨orst˚aelse efterstr¨avas inom fysik- och energiundervisning.

2.11.2 Laborationer

Laborativa aktiviteter anses vara v¨asentliga inom naturvetenskap och de har en ofta sj¨alvklar roll i fysikundervisning. Laborationer kan leda till ¨okad f¨orst˚aelse av energi och termodynamik [53]. Alla laborativa aktiviteter inom fysik verkar dock inte ¨oka m¨ojligheter till elevers l¨arande och f¨ordjupad f¨orst˚aelse [54]. En anledning till detta kan vara att laborationer som ¨ar baserade p˚a specialfall snarare ¨an p˚a helheten ger s¨amre f¨oruts¨attningar f¨or elever att begripa inneh˚allet, vilket ¨aven g¨aller energi och termodynamik [53].

Aven simuleringar och datorst¨¨ odda modeller inom fysikundervisning kan vara anv¨andbara verktyg f¨or att f¨ordjupa elevers f¨orst˚aelse av energiprincipen, olika

energiformer och energiutbyten. Dessa skulle kunna anv¨andas b˚ade p˚a ett kvali- tativt och kvantitativt s¨att f¨or att komplettera den traditionella undervisningen och klassiska laborationer [55].

2.11.3 Ett sammanh¨angande energibegrepp

En ˚aterkommande sv˚arighet som elever har ¨ar att f¨orst˚a hur energibegreppets olika delar h¨anger samman, vilket inte ¨ar s¨arskilt ¨overraskande med tanke p˚a att l¨aromedel och l¨arare ofta ger en mycket osammanh¨angande bild av energi- begreppet [13]. Elever kan bland annat missta olika former av energi f¨or olika typer av energi. S¨arskild f¨orsiktighet b¨or d¨arf¨or ut¨ovas kring olika former av energi, eftersom elever tenderar att f˚a en fragmenterad bild av energibegreppet [19]. Det har framf¨orts en del kritik mot att undervisa energi med hj¨alp av olika etiketter eller energiformer, eftersom det skiftar fokuset fr˚an energiprocesser och energi¨overf¨oring, vilka anses vara av stor vikt, till energiformer vid olika tidpunkter [19]. Hittills saknas dock b¨attre tillv¨agag˚angss¨att som inte skulle bidra till sv˚arigheterna hos elever.

Elever beh¨over l¨ara sig att se p˚a energi och energibegreppet ur ett st¨orre sam- manhang. Stor vikt b¨or l¨aggas vid hur energiformer, lagar och olika principer h¨anger ihop och vilken funktion dessa fyller. Detta ¨ar enbart m¨ojligt om elever ges denna m¨ojlighet i studiematerial och av l¨arare. Genom att undervisa energi som ett tv¨arvetenskapligt och ett sammanh¨angande begrepp inom flera grenar och ¨amnen, kan elever l¨ara sig att ur olika perspektiv se vilka m¨ojligheter och begr¨ansningar som l¨aran om energi f¨or med sig. Ett samarbete mellan l¨arare inom olika vetenskaper n¨ar det kommer till undervisning av energi och system kan f¨orb¨attra elevers f¨orst˚aelse och uppskattning f¨or ¨amnena och mer specifikt f¨or energi [56]. Detta ¨ar sj¨alvklart inte unikt f¨or energi eller begr¨ansat till na- tur¨amnena, utan en tv¨arvetenskaplig undervisning b¨or till¨ampas i st¨orsta m¨ojliga utstr¨ackning inom alla omr˚aden och ¨amnen.

2.11.4 Kunskapspr¨ovning av energibegreppet

Unders¨okningar har visat att elever vars konceptuella f¨orst˚aelse i energi testas ofta presterar betydligt s¨amre ¨an vad deras betyg indikerar, d¨ar betyget ofta fr¨amst ¨ar baserat p˚a f¨orm˚agan att manipulera formler. Dessutom ¨okar elevers konceptuella f¨orst˚aelse enbart marginellt efter en kurs i fysik [48]. Eftersom elever och vuxna bevisligen har p˚atagliga sv˚arigheter och eventuella missuppfattningar inom energi, trots att det ¨ar ett s˚a pass viktigt begrepp, m˚aste energi undervisas med noga eftertanke.

En viktig del i en lyckad undervisning ¨ar att kunna identifiera vad elever kan och inte kan [3][48]. L¨arare kan utveckla specialiteter f¨or att identifiera detta efter flera ˚ar av undervisning i ett ¨amne, men inom omr˚adet energi ¨ar sv˚arigheterna s˚a pass ˚aterkommande och ˚atskilliga att specifika verktyg utformade f¨or ¨andam˚alet kan underl¨atta i att synligg¨ora sv˚arigheterna. Individuella intervjuer utformade

med eftertanke kan underl¨atta f¨or l¨arare att synligg¨ora elevers sv˚arigheter, men detta ¨ar ofta en tids- och resurskr¨avande process som kan vara mycket omfat- tande. Ett annat alternativ f¨or detta ¨andam˚al ¨ar prov med h¨og reliabilitet och h¨og validitet (i den m˚an detta ¨ar m¨ojligt f¨or flervalsprov) som ¨ar utformade just f¨or att pr¨ova konceptuell f¨orst˚aelse inom ett specifikt omr˚ade. Ett exempel p˚a ett s˚adant prov inom omr˚adet energi ¨ar det v¨al bepr¨ovade testet Energy and Momentum Conceptual Survey (EMCS) [57][58].

Konceptuella prov som EMCS, till exempel motsvarande prov som testar kon- ceptuell f¨orst˚aelse av kraft (Force Concept Inventory), ¨ar dock omdebattera- de, eftersom det bland annat saknas bevis f¨or att s˚adana prov faktiskt m¨ater f¨orst˚aelsen av begreppet i fr˚aga [59]. Pedagoger och forskare ¨ar ense om att ett l˚agt resultat p˚a s˚adana prov tyder p˚a kunskaps- och f¨orst˚aelsebrist, men inneb¨orden av ett h¨ogt resultat kan emellertid ifr˚agas¨attas [1]. Som tidigare beskrivits i Avsnitt 2.1 finns det olika perspektiv ur vilka kunskap och f¨orst˚aelse inom fysik och energi kan begripas och d¨artill finns ¨aven lika m˚anga perspektiv att till¨ampa n¨ar det kommer till att pr¨ova denna kunskap. Det ¨ar d¨arf¨or av yttersta vikt att vara medveten om att kunskap inom fysik minst sagt ¨ar kompli- cerat att pr¨ova, eftersom det inte finns n˚agon enad eller tydlig uppfattning om vad som utg¨or denna kunskap [1].

Konceptuella prov ¨ar trots ovanst˚aende viktiga och anv¨andbara i m˚anga avseen- den, inte minst f¨or att de driver utvecklingen av kunskapspr¨ovning inom fysik fram˚at, men ¨aven f¨or att uppm¨arksamma brister med traditionell fysikunder- visning och traditionella prov [1]. De fyller ¨aven det extremt viktiga syftet f¨or l¨arare att kunna identifiera sv˚arigheter och bristande kunskaper hos elever.

3 Metod

3.1 Litteraturstudie

Vanliga l¨aromedel som anv¨ands i Sverige i Fysik 1 p˚a gymnasiet kommer att analyseras utifr˚an p˚avisade utmaningar och sv˚arigheter inom undervisning av energi, vilka ¨ar sammanfattade i bakgrunden till denna rapport. P˚avisade ut- maningar och sv˚arigheter kommer att kategoriseras, varp˚a l¨aromedlena kommer att analyseras f¨or att unders¨oka om och i vilken utstr¨ackning f¨orfattarna har hanterat dessa. De l¨aromedel som valts ut f¨or analys i detta projekt ¨ar Heureka [60], Impuls [61] och Ergo [62], vilka alla ¨ar popul¨ara l¨aromedel idag i Fysik 1 p˚a gymnasiet. F¨or att avgr¨ansa analysen och g¨ora den s˚a relevant som m¨ojligt, kommer enbart de kapitel och avsnitt som ber¨or just energi att analyseras.

Energibegreppet i denna analys delas in i tv˚a underkategorier som f¨orekommer i alla tre l¨aromedel: Energi och Arbete och Termodynamik. Kapitel som behandlar energif¨ors¨orjning och h˚allbar utveckling kommer ej att ing˚a i analysen. Analysen delas in i fyra delar: Problem, Sv˚arigheter, Tillv¨agag˚angss¨att f¨or en framg˚angsrik undervisning samt ¨Ovningsuppgifter och exempel. ¨Aven antal sidor och antal avsnitt som ing˚att i respektive analys kommer att r¨aknas i den sistn¨amnda delen.

3.1.1 Problem

Allt inneh˚all i relevanta avsnitt kommer att analyseras f¨or att hitta f¨orekomster av ordval och beskrivningar av energi som forskning p˚avisat ¨ar problematiska i undervisning av energibegreppet. Ord som i vanliga fall klassas som proble- matiska, men som satts inom citationstecken, eller som p˚a annat s¨att f¨orklaras vara vetenskapligt ogiltiga, kommer att tolkas som valda av f¨orfattarna med medvetenhet kring problematiken och kommer s˚aledes att bortses fr˚an.

Exempel som f¨orekommer i kapitlena och dess l¨osningar kommer att inklu- deras i denna del av analysen. Om fler ¨an ett problem av samma karakt¨ar p˚atr¨affas inom en och samma mening eller inom ett och samma exempel, kommer detta enbart att r¨aknas som en (1) f¨orekomst av problemet. Uppgifter i slutet av kapitlena kommer ej att analyseras i denna delanalys. Ovanst˚aende kommer att g¨ora resultatet av delanalysen mer relevant, eftersom inneh˚all och ordval i uppgifter och l¨osningsf¨orslag ofta ¨ar repetitivt.

3.1.2 Sv˚arigheter

Fysikdidaktisk forskning om elevers sv˚arigheter med fysik och energi har l¨ange utg˚att ifr˚an ett ramverk med missuppfattningar som f¨orklaring till p˚avisade sv˚arigheter. Genom detta ramverk ¨ar missuppfattningar ofta direkta och relativt okomplicerade att identifiera. I denna rapport analyseras dock elevers sv˚arigheter kring energi ur ett st¨orre perspektiv och p˚avisade ”missuppfattningar” som

˚aterfinns i Tabell 3 tolkas s˚aledes som sv˚arigheter, utan n˚agon betoning p˚a ursprunget till dessa.

L¨aromedlena kommer att genoms¨okas efter meningar och ordval som riskerar att f¨orst¨arka elevers sv˚arigheter med energibegreppet. Om fler ¨an en sv˚arighet av samma karakt¨ar p˚atr¨affas inom en och samma mening eller inom ett och samma exempel, kommer detta enbart att r¨aknas som en (1) f¨orekomst av sv˚arigheten.

Ord som i vanliga fall kan ge st¨od f¨or elevers sv˚arigheter, men som satts inom citationstecken (exempelvis ”energif¨orlust”), eller som p˚a annat s¨att f¨orklaras vara vetenskapligt ogiltiga, kommer att tolkas som valda av f¨orfattarna med medvetenhet kring riskerna med ordet eller f¨orklaringen. Dessa kommer s˚aledes att bortses fr˚an.

Exempel som f¨orekommer i kapitlena och dess l¨osningar kommer att inklu- deras ¨aven i denna del av analysen. Om fler ¨an en uppmuntran till en sv˚arighet av samma karakt¨ar p˚atr¨affas inom en och samma mening eller inom ett och samma exempel, kommer detta enbart att r¨aknas som en (1) f¨orekomst. Uppgifter i slutet av kapitlena kommer ej att analyseras i denna delanalys. Ovanst˚aende kommer att g¨ora resultatet av delanalysen mer relevant, eftersom inneh˚all och ordval i uppgifter och l¨osningsf¨orslag ofta ¨ar repetitivt.

3.1.3 Tillv¨agag˚angss¨att f¨or en framg˚angsrik energiundervisning Allt inneh˚all i relevanta avsnitt kommer att analyseras f¨or att hitta eventuella ord- val och beskrivningar som forskning p˚avisat kan motverka elevers sv˚arigheter och underl¨atta utveckling och f¨orst˚aelse inom omr˚adet. Uppgifter i slutet av kapitlena kommer att r¨aknas i denna delanalys enbart f¨or de effektiva tillv¨agag˚angss¨att som r¨or laborationer och uppgifter, eftersom ¨ovningsuppgifter generellt sett inte

¨ar ¨amnade att beskriva och redog¨ora f¨or nya koncept, utan snarare att testa om en eleven begriper olika koncept och kan arbeta med de. Spr˚aket i uppgifter ¨ar dessutom ofta repetitivt, vilket ¨ar ¨annu en f¨orklaring till varf¨or dessa prim¨art inte inkluderas i analysen.

3.1.4 Ovningsuppgifternas karakt¨¨ ar

Relevanta exempel i kapitlena och uppgifter i slutet av kapitlena kommer att analyseras i denna del. Av intresse ¨ar hur m˚anga uppgifter de olika l¨aromedlena inneh˚aller, samt hur f¨ordelningen av uppgifter ser ut. Varje uppgift och deluppgift kommer att karakt¨ariseras och delas in i en av tre kategorier: Kalkylbaserade uppgifter, Konceptuella uppgifter och ¨Ovriga uppgifter.

Kalkylbaserade uppgifter karakt¨ariseras av att eleven ska l¨osa en uppgift som kr¨aver en algebraisk eller numerisk ber¨akning eller presentation av n˚agot slag.

Varken sv˚arighetsgraden eller utvecklingspotentialen av sj¨alva uppgiften kommer att analyseras. Kalkyluppgifter kan ¨aven inneh˚alla konceptuella utmaningar, men detta utesluter inte risken f¨or att elever genom uppgiften ser p˚a fysik som en konst att leta fram och kombinera ihop formler f¨or att hitta en l¨osning.

Konceptuella uppgifter ¨ar s˚adana uppgifter som p˚a ett konceptuellt plan pr¨ovar eleven. ¨Aven uppgifter som kr¨aver en fysikalisk f¨orklaring till ett fenomen utan att involvera kalkyl kommer att r¨aknas till denna kategori. Exempel p˚a en s˚adan uppgift ¨ar: ”Vad skulle h¨anda ur ett termodynamiskt perspektiv om du vispar vatten? Motivera”.

Ovriga uppgifter ¨¨ ar uppgifter som varken ¨ar konceptuella eller kalkylbaserade.

Fr˚agor av typen f¨orh¨orsfr˚agor, till exempel ”vad menas med energiprincipen?”, som inte n¨odv¨andigtvis pr¨ovar elevers f¨orst˚aelse utan ofta snarare minneskapa- citet, faller under denna kategori. ¨Aven uppgifter som ¨ar divergenta av typen

”fundera p˚a...”, h¨or hit. Exempel p˚a en s˚adan fr˚aga ¨ar ”vad tror du ¨ar l¨osningen p˚a energiproblemet i samh¨allet?”.

4 Resultat och Diskussion

Alla existerande problem med undervisning av energi och huruvida dessa hanteras v¨al eller ej g˚ar inte att avg¨ora enbart genom analyser av kurslitteratur. Ett stort ansvar ligger sj¨alvfallet ¨aven hos fysikl¨arare och skolor. En analys av pedagogers hantering av energiundervisning och dess problematik ¨ar dock utanf¨or ramen av detta projekt. De problem med energiundervisning som presenterats i bakgrunden och som g˚ar att identifiera i l¨aromedlena ¨ar d¨armed de enda punkter som presenteras i tabellerna nedan.

4.1 Problem

I Tabell 2 presenteras utvalda problem som existerar i dagens undervisning av energi, samt hur ˚aterkommande dessa problem ¨ar i Heureka, Impuls och Ergo. Tabellen avsl¨ojar att l¨aromedelna p˚a de flesta punkter i relativt stor utstr¨ackning anv¨ander sig av tillv¨agag˚angss¨att, spr˚ak och formuleringar som f¨orv¨arrar utmaningarna med att f¨orst˚a energibegreppet.

Definitionen av energi

L¨aromedlena undviker att f¨ors¨oka sig p˚a en definition av vad energi i sin helhet ¨ar, vilket ¨ar viktigt i arbetet att g¨ora energibegreppet mer begripligt f¨or elever. Det kan dock vara nyttigt f¨or elevers l¨arande med tillf¨alliga definitioner av energi [41], f¨orutsatt att det i s˚adana fall tydligg¨ors att definitionerna inte alltid ¨ar giltiga [11]. Impuls definierar vid ett tillf¨alle energi som den storhet som f¨or¨andras n¨ar fysikaliskt arbete utf¨ors [61, s. 141], utan att f¨orklara begr¨ansningarna med definitionen. En definition av energi genom arbete ligger n¨ara den vanligt f¨orekommande sv˚arigheten att energi enbart har med uppenbar aktivitet att g¨ora, och kan s˚aledes vara problematisk. Dessutom kan en s˚adan definition leda till ¨okad f¨orvirring kring vad energi ¨ar och vad som utg¨or begreppet, eftersom arbete inte ¨ar inblandat i alla processer med energi¨overg˚angar.

Energiprincipen och systemperspektiv

Ett gemensamt problem i alla tre l¨aromedel ¨ar att ingen av dem anv¨ander sig av eller n¨amner vikten av system i energianalyser. Vid enstaka tillf¨allen f¨orekommer anv¨andning av termen ”system”, men ingen vidare f¨orklaring till dess roll ges, vilket inneb¨ar att denna v¨asentliga komponent f¨or en framg˚angsrik energiundervisning f¨orbises i alla tre l¨aromedel. Detta ¨ar mycket problematiskt, eftersom avsaknaden av system p˚averkar m˚anga delar av energibegreppet och tillv¨agag˚angss¨attet i undervisning av detta.

Problem Antal f¨orekomster

Exempel Heureka Impuls Ergo

F¨ors¨ok till en operationell

definition av energi ges 0 1 0 Impuls: ”Energi ¨ar det som f¨or¨andras n¨ar man utf¨or fysikaliskt arbete.” [61, s. 141]

F¨orv¨axlar

konstant/of¨or¨andrad med bevarad i energiprincipen

12 12 (1)

Heureka: ”Vad vi vet ¨ar att den totala energin alltid

¨ar konstant. Detta faktum brukar kallas energiprinci- pen...” [60, s. 109]

Impuls: ”Vi g¨or nu p˚ast˚aendet att den totala energin f¨or ett system inte ¨andras utan bara v¨axlar mellan olika energiformer.” [61, s. 152]

Ergo: ”Att energin bevaras, g¨or att vi kan st¨alla upp ett samband som s¨ager att energin f¨ore en process ¨ar lika med energin efter processen.” [62, s. 112]

Potentiell energi beskrivs

som egenskap hos ett objekt 15 8 7

Heureka: ”Ett f¨orem˚als l¨agesenergi ¨andras om det lyfts eller s¨anks.” [60, s. 101]

Impuls: ”F¨orem˚alet har allts˚a st¨orre energi p˚a en h¨ogre h¨ojd.” [61, s. 14]

Ergo: ”En kl¨attrare p˚a bergsv¨aggen har potentiell energi som ¨ar knuten till tyngdlagen.” [62, s. 120]

Termen ”v¨arme” anv¨ands i vardaglig bem¨arkelse, eller konceptet v¨arme beskrivs vetenskapligt felaktigt

48 56 25

Heureka: ”V¨armer¨orelsen hos ett f¨orem˚als atomer kan aldrig utan vidare omvandlas till r¨orelseenergi hos f¨orem˚alet.” [60, s. 214]

Impuls: ”V¨arme ¨ar energi som beror p˚a att molekyler vibrerar.” [61, s. 141]

Ergo: ”N¨ar du s¨atter en kastrull med kallt vatten p˚a en varm kokplatta, s˚a g˚ar v¨arme fr˚an kokplattan genom kastrullen till vattnet.” [62, s. 198]

V¨armeenergi anv¨ands, eller termsik energi anv¨ands felaktigt

18 21 6

Heureka: ”Ju l¨agre temperatur v¨armeenergin har...”

[60, s. 213]

Impuls: ”Om man tillf¨or v¨armeenergi till en gas kan det h¨anda att gasen utf¨or ett volym¨andringsarbete.”

[61, s. 253]

Ergo: ”Den v¨armeenergi som g˚ar ˚at f¨or att ¨overf¨ora massan m av ett ¨amne fr˚an fast form till v¨atska...”

[62, s. 204]

Arbete-Energiteoremet eller

motsvarande definieras 0 0 1

Ergo: ”Resultantkraftens arbete ¨ar lika med f¨or¨andringen av kinetisk energi,

Wres=¹₂mv²−¹₂mv²0” [62, s. 119]

Tabell 2: Inom forskning p˚avisade problem i fysikundervisning och dess f¨orekomster inom l¨aromedlena Heureka, Impuls och Ergo i Fysik 1. F¨orekomster som satts inom parentes ¨ar diskutabla, det vill s¨aga po- tentiellt oproblematiska. Den h¨ogra kolumnen visar utdrag ur respektive bok.

Heureka och Impuls har p˚afallande m˚anga f¨orekomster av alternativa beskriv- ningar av energiprincipen, d¨ar termen ”bevarad” f¨orv¨axlas med termer som

”konstant”, ”samma”, ”densamma” och ”of¨or¨andrad”. Detta kan vid en f¨orsta anblick framst˚a som obetydligt, men kan f˚a konsekvenser n¨ar energiprincipen ska appliceras i energianalyser. Id´eer om att energiprincipen inte alltid g¨aller uppmuntras bland annat vid anv¨andning av dessa ”synonyma” termer. Den veten- skapligt korrekta och av forskare rekommenderade termen ”bevarad” f¨orekommer enbart i Ergo. I Tabell 2 ¨ar den enda f¨orekomsten av en potentiellt problematisk formulering av energiprincipen i Ergo diskutabel: ”Att energin bevaras, g¨or att vi kan st¨alla upp ett samband som s¨ager att energin f¨ore en process ¨ar lika med energin efter processen” [62, s. 112]. Beskrivningen i sig ¨ar inte n¨odv¨andigtvis felaktig, men eftersom inget om slutna eller ¨oppna system n¨amns kan detta leda elever till att tro att energin alltid ¨ar lika/konstant, ¨aven inom icke slutna system. Eftersom energiprincipen ¨ar en extremt viktigt del av energibegreppet

¨

ar det av yttersta vikt att beskriva den riktigt och att vara konsekvent i dess olika beskrivningar och till¨ampningar.

I Heureka st˚ar det bland annat: ”Den mekaniska energin ¨ar summan av r¨orelse- energin och potentiella energin. Om friktionen kan f¨orsummas ¨ar den mekaniska energin konstant” [60, s. 110]. Detta ¨ar inte n¨odv¨angtivis falskt, men det ¨ar inte heller alltid sant beroende p˚a val av system. I Impuls ˚aterfinns f¨oljande beskrivning: ”M˚anga vardagliga situationer kan man f¨orenkla och anta att den mekaniska energin ¨ar of¨or¨andrad. Om ett f¨orem˚als l¨agesenergi minskar s˚a kommer den mekaniska energin att ¨oka och vice versa” [61, s. 152]. ¨Aven h¨ar misslyckas f¨orfattarna med att f¨orklara energiprincipen p˚a ett h˚allbart s¨att, eftersom detta ¨ar en unik situation d¨ar ett slutet system analyseras, vilket ¨ar varf¨or den totala ener- gin ¨ar bevarad och ¨aven konstant. Dessutom anv¨ands ofta termen ”of¨or¨andrad”

i Impuls, vilket riskerar att felaktigt tolkas som att olika energiformer i systemet

¨ar bevarade. Det ¨ar riskfyllt att tala om energiprincipen enbart i beskrivningar av isolerade system, eftersom det kan leda elever till att tro att energiprincipen enbart g¨aller i teorin och under perfekta f¨orh˚allanden, samt att den enbart kan till¨ampas p˚a just isolerade system, eftersom de s¨allan eller aldrig ges m¨ojligheter att analysera situationer d¨ar ett energiutbyte sker med omgivningen. Ergo klarar sig betydligt b¨attre p˚a punkten att inte f¨orv¨axla synonyma termer i beskrivning av energiprincipen, eftersom f¨orfattarna anv¨ander sig flitigt av ”bevarad”, vilken

¨ar att f¨oredra f¨or en mer sammanh¨angande undervisning av energiprincipen.

Dock saknar ¨aven Ergo ett systemperspektiv i energianalyser.

Potentiell energi

Problematiken kring uteslutandet av system f˚ar ¨aven f¨oljder f¨or beskrivningen av potentiell energi i l¨aromedlena. Denna beskrivs ˚aterkommande som en egenskap hos enskilda objekt i alla l¨aromedel, om ¨an flest g˚anger i Heureka. L¨aromedlena anv¨ander sig av denna metafor i relativt stor utstr¨ackning och ingen av dem n¨amner att gravitationell potentiell energi inte ¨ar n˚agot som lagras i ett objekt.

I Impuls f¨orekommer dessutom f¨oljande: ”Ibland anv¨ands begreppet potentiell

energi om alla typer av lagrad energi, till exempel den lagrade energin i en utt¨ojd fj¨ader eller i en bensintank” [61, s. 146]. Riskerna med en s˚adan anv¨andning av potentiell energi f¨orklaras ej och formuleringen liknar d¨armed en formulering inom den kaloriska teorin av energi. Dessutom kan beskrivningar av denna typ bidra till elevers sv˚arigheter kring potentiell energi d˚a det kan leda de till att t¨anka att potentiell energi ¨ar potentialen att ha energi i framtiden.

Potentiell energi kan ha en viktig roll i att binda ihop energibegreppet p˚a makro- och mikroniv˚a. I avsnittet om inre energi talar Ergo om bindingsenergier mellan molekyler och att dessa ibland kallas f¨or ”inre potentiell energi” [62, s. 194]. Inga kopplingar g¨ors dock mellan energin hos ett s˚adant system och gravitationell potentiell energi. ¨Aven Heureka talar p˚a liknande s¨att om inre potentiell energi som beroende p˚a v¨axelverkan mellan molekyler [60], men knyter inte heller ihop begreppet.

V¨arme och temperatur

Alla tre l¨aromedel talar om eller definierar vid minst ett tillf¨alle konceptet v¨arme vetenskapligt felaktigt, som synes i Tabell 2. I Heureka och Impuls ¨ar beskrivning- en av v¨arme m˚anga g˚anger vetenskapligt felaktig, d¨ar exemplet i Tabell 2 visar att l¨aromedlena talar om ”v¨armer¨oresle” hos atomer och att v¨arme ¨ar molekyler i vibration. Detta ¨ar mycket allvarliga oriktigheter, just eftersom v¨arme ¨ar ett av de mest sv˚arbegripliga koncepten inom energi. I exemplet ur Ergo talas det om en varm kokplatta, varp˚a v¨armen ”g˚ar” fr˚an kokplattan till vattnet. Detta s¨att att beskriva v¨arme kan l¨att misstolkas och liknar n˚agot ur den kaloriska teorin om v¨arme, d¨ar v¨arme ses som n˚agonting innevarande i objekt som kan

”vandra” mellan objekt.

I ¨ovrigt ¨ar ett av de mest p˚atagliga problemen i l¨aromedlena det of¨orsiktiga anv¨andandet av ”v¨arme” och dess b¨ojningar. Meningar som: ”du blir varm...” [60, s. 100], ”solens v¨arme...” [60, s. 204], ”den uppv¨armda luften...” [60, s. 204], ”hur kallt kan det bli?” [60, s. 205] och ”den varmare kroppen ger upphov till v¨arme...”

[60, s. 215] anv¨ands i Heureka 48 g˚anger och utan n˚agon vidare aktsamhet f¨or spr˚aket.

I Impuls ˚aterfinns ordval och beskrivningar som ”v¨arma tevatten...” [61, s.

250], ”...kalla gasen str¨ommar igenom kolven s˚a f˚ar gasen tillbaka den lagrade v¨armen.” [61, s. 256], ”motorn v¨arms och kyls...” [61, s. 259] och ”det varma vattnet...” [61, s. 259] 56 g˚anger. ˚Atta av dessa f¨orekomster uppkommer i ett avsnitt d¨ar en enkel motor med ett ”kallt” och ett ”varmt” omr˚ade beskrivs.

I Ergo ¨ar f¨orekomsterna betydligt f¨arre, men ¨and˚a frekventa. 25 g˚anger f¨orekommer formuleringar som: ”n¨ar du s¨atter en kastrull med kallt vatten p˚a en varm kok- platta...” [62, s. 199], ”s˚aser m˚aste v¨armas f¨orsiktigt...” [62, s. 198], ”...k¨anna v¨armen...” [62, s. 199], och ”hur mycket energi g˚ar ˚at f¨or att v¨arma upp 2,0 liter vatten...” [62, s. 201].