1
EXAMENSARBETE INOM TEKNIK OCH LÄRANDE, AVANCERAD NIVÅ, 30 HP
STOCKHOLM, SVERIGE 2020
KTH
SKOLAN FÖR INDUSTRIELL TEKNIK OCH MANAGEMENT
Animationer i kemiundervisningen
Ett vägledande material för användning av animationer i kemiundervisningen i gymnasieskolan
Matthias Hultin
Emma Perhult
2
3
EXAMENSARBETE INOM TEKNIK OCH LÄRANDE PÅ PROGRAMMET CIVILINGENJÖR OCH LÄRARE
Titel på svenska: Animationer i kemiundervisning.
Titel på engelska: Animations in chemistry education.
Handledare: Carl-Johan Rundgren, Stockholms Universitet.
Handledare: Åsa Emmer, Kungliga Tekniska Högskolan.
Handledare: Linda Kann, Kungliga Tekniska Högskolan.
Examinator: Helena Lennholm, Kungliga Tekniska Högskolan.
Animations in chemistry education
A guiding material for the use of animations in chemistry education in Swedish upper secondary school
Matthias Hultin
Emma Perhult
4
5
Sammanfattning
Syftet med detta examensarbete var att undersöka animationer i kemiundervisning på gymnasieskolan. Mer specifikt: att utreda hur animationer för närvarande används i undervisningen, vilken betydelse förkunskaper har på elevens förståelse av animationer och även hur förståelsen påverkas av animationens design. För undersökningen valdes området kemisk bindning. Den första delen, kartläggningen av hur animationer används i kemiundervisningen, utreddes med hjälp av en lärarenkät. Den andra delen, undersökningen av elevers förståelse för animationer utifrån förkunskaper och animationens design, gjordes med hjälp av en elevenkät och en elevintervju. Under elevintervjun fick eleverna ta del av två utvecklade animationer, där den ena illustrerade jonbindning i två dimensioner och den andra i tre dimensioner. Animationerna visades genom att hälften av eleverna började med den ena animationen medan övriga inledde med den andra för att ta reda på om ordningsföljden inverkar på lärandet. För att komplettera dessa två delar utfördes en litteratursammanställning, med inriktning mot lärande, animationer och sambandet mellan de två.
Insamlade data analyserades genom en tematisk analys. Resultaten som följde ur analysen var fyra olika teman relaterade till elevers begreppsanvändning. De visade att elever använder begrepp som är relevanta men inte förväntade, eller begrepp som är irrelevanta för det aktuella kemiska området. Vidare visade vissa elever en avsaknad av begrepp för att förklara det kemiska området. Till sist framkom en skillnad mellan elevers uppfattning av animationer i två dimensioner och animationer i tre dimensioner. Vissa begrepp tenderade att endast nämnas i diskussion kring animationen i två dimensioner och föll bort vid tre dimensioner. Utifrån dessa teman kunde olika möjliga strategier för lärare lyftas fram med hjälp av den litteratur som framförts. Dessa strategier sammanfattades sedan i ett vägledande material för kemilärare i gymnasieskolan. Materialet är avsett att vägleda lärare i hur animationer på bästa sätt används i kemiundervisningen med avseende på elevernas förutsättningar.
Sammanfattningsvis kunde följande slutsatser dras. Animationer används i gymnasieskolans kemikurser med syfte att illustrera fenomen och processer som inte går att se med blotta ögat.
Gällande elevers förståelse för animationer finns det flera påverkande faktorer. Brister i förkunskaper kan leda till att eleven använder irrelevanta begrepp, eller att de relevanta begreppen inte finns i elevens vokabulär. En högre grad av förkunskap kan däremot leda till att eleven använder begrepp som läraren inte förväntat sig i den aktuella undervisningssituationen. Animationens dimensionalitet påverkar elevens förståelse. En tvådimensionell animation visade sig enklare för eleverna att förstå än en tredimensionell animation. Lärarens uppdrag är att ta hänsyn till dessa aspekter för att eleverna ska ha användning för animationerna i sina lärprocesser.
Nyckelord: animationer, kemiundervisning, lärande, didaktik, förkunskaper
6
Abstract
The purpose of this thesis was to investigate animations in chemistry education in Swedish upper secondary school. More specifically, to discern how animations are currently used in education, how prior knowledge affects the students’ understanding of animations and lastly how the understanding is affected by the design of the animation. For this investigation the subject of chemical bonds was chosen. The initial part, mapping the usage of animations in chemistry education, was investigated with a teacher survey. The second part, investigation of students’ understanding based on prior knowledge and the design of the animation, was conducted with a student survey and a student interview. During the student interview, the students were presented with two animations developed by the interviewers, where one depicted ionic bonds in two dimensions while the other depicted the concept in three dimensions. The animations were presented by having half of the students first view one of the animations, while the remaining students started with the other one in order to distinguish if the sequencing affects learning. To complement these two parts, a study of literature was conducted, with direction towards teaching, animations and the connection between the two.
Gathered data were analyzed through a thematic analysis. The results that followed from this analysis were four different themes related to students’ usage of concepts. They showed that students use concepts that are relevant but not expected, or concepts that are irrelevant for the current chemical field. Furthermore, students showed a lack of concepts when trying to explain the chemical field. Lastly, a difference was distinguished between students’
perception of animations in two dimensions and animations in three dimensions. Some concepts tended to only appear in relation to the animation in two dimensions. Based on these themes, different strategies for teachers were highlighted with the help from the presented literature. These strategies were summarized in a guiding material for chemistry teachers in the Swedish upper secondary school. The material is intended to guide teachers in how to use animations in chemistry education in an optimal way regarding students’ prerequisites.
To sum up, the following conclusions could be drawn. Animations are used in chemistry courses of Swedish upper secondary schools with the purpose of illustrating phenomena and processes that are not visible to the naked eye. Regarding students’ understanding of animations there are several influencing factors. Lack of prior knowledge can lead to the student using irrelevant concepts, or that the relevant concepts are not in the student’s vocabulary. A higher degree of prior knowledge can result in the student utilizing concepts that the teacher did not expect in the current instructional context. The dimensionality of the animation affects the student’s understanding. A two-dimensional animation proved to be easier for the students to understand than a three-dimensional animation. The teacher’s responsibility is to consider these aspects for the students to make use of the animations in their learning processes.
Keywords: animations, chemistry education, learning, didactics, prior knowledge
7
Förord
Gemensamt
Samtliga delar av arbetet utvecklades av de två författarna tillsammans och ingen uppdelning mellan parter ägde rum. Under varje vecka låg fokus på olika delar av arbetet och skribenterna hade samma fokus. Alla beslut togs i samråd. Under arbetets gång fanns bestämda tider då båda parter sökte litteratur eller skrev men möjligheten att arbeta på egen hand fanns alltid.
Dessa gånger kommunicerades det arbete den produktiva parten utfört och därefter fördelades arbetet lika.
Vi vill tacka våra handledare, Carl-Johan, Linda och Åsa, för kontinuerlig uppmuntran och stort visat intresse hela vägen genom arbetet. Vi vill också ge ett tack till vår examinator tillika kursansvarig Helena för visat intresse och en konstant hjälpande hand.
Vi vill tacka de gymnasielärare som trots sin stora arbetsbelastning valde att hjälpa oss med vårt arbete.
Vi vill tacka de elever som valde att använda en del av sin tid för att hjälpa oss i vårt försök att förbättra och utveckla kemiundervisningen i gymnasieskolan.
Vi vill även tacka våra vänner och kurskamrater som ställde upp på att testa och ge feedback på det framtagna undersökningsmaterialet innan det slutligen användes.
Emma
Jag vill tacka Matthias för ett grymt samarbete. Arbetet har varit tufft att genomföra, speciellt under senare delen av arbetet med tanke på den pågående pandemi som drabbat oss alla. För oss betydde detta att vi inte längre kunde ha regelbundna träffar för att diskutera vårt arbete, istället skulle denna kontakt ske skriftligt. En konstant oro följde mig och mina närstående vilket gjorde att motivationen ibland sinade. Trots detta lyckades Matthias och jag slutföra det vi påbörjat innan pandemin bröt ut. Tack Matthias för att du valde att göra ditt examensarbete tillsammans med mig. Det har varit en lärorik och insiktsfull upplevelse och jag är glad att jag fått dela det med dig.
Jag vill också tacka min sambo Andreas som stått ut med mitt konstanta klagande och trots detta uppmuntrat mig in i det sista.
Matthias
Jag vill ägna ett stort tack till min vän Emma, som trots omständigheterna alltid förblev positiv och bidrog enormt mycket till att upprätthålla motivationen att slutföra arbetet. Jag hade aldrig kunnat föreställa mig att det skulle vara så roligt och givande att ha henne vid min sida genom hela processen. Tillsammans har vi utvecklat ett bidrag till en potentiellt förbättrad undervisning. Det är jag stolt över. Tack så mycket för denna erfarenhet, Emma!
Matthias Hultin & Emma Perhult Juni, 2020
8
Innehåll
1 Inledning 9
Bakgrund 9
Syfte 11
Avgränsningar 12
Frågeställningar 12
Tidigare forskning 12
2 Metod 20
Enkäter till lärare 20
Urval av animationer 21
Förkunskapsundersökning 23
Utveckling av vägledande material 26
Etiska överväganden 27
3 Resultat och diskussion 27
Användning av animationer i kemiundervisning 28
Tematisk analys - Förkunskapsundersökning 29
Vägledande material för användning av animationer i kemiundervisning 37
Validitet och reliabilitet 37
Slutsatser 39
Vidare forskning 40
Referenser 41
Bilagor
9
1 Inledning
Nedan följer en bakgrundsinformation till rapportens ämnesområden, vilket mynnar ut i ett syfte med arbetet. Syftet specificeras vidare i ett antal frågeställningar som ämnas besvaras i senare i arbetet.Slutligen följer en presentation av tidigare forskning inom området.
Bakgrund
1.1.1 Animationer och kemiämnet
I och med att tekniken i samhället utvecklas, tar även undervisningen en allt mer digitaliserad riktning i form av effektivare elektroniska hjälpmedel. Ett välkänt verktyg är animationer vars huvudsakliga syften är att illustrera, tydliggöra, konkretisera, visualisera och väcka elevers intresse för fenomen som är för små, för stora eller för avancerade för att visa på andra sätt (Schwartz, Milne, Homer & Plass, 2013). Ett specifikt ämne där animationer visats sig vara användbara är kemi (Kozma & Russel, 2005; Fleming, 2013; Patron m.fl., 2017). Skolverket (2011) beskriver ämnet Kemi för gymnasieskolan enligt följande:
Kemi är ett naturvetenskapligt ämne som har sitt ursprung i människans behov av att förstå och förklara sin omvärld samt i intresset för hur materia är uppbyggd och hur olika livsprocesser fungerar. Kemi behandlar materiens egenskaper, struktur och funktion samt kemiska reaktioner och förändringar. (Skolverket, 2011)
Skolverket menar vidare att undervisning i kemiämnet ska ge eleverna förutsättningar att utveckla kunskaper om kemiska teorier, modeller och processer. Eleverna ska dessutom få möjligheten att bruka datorstödd utrustning för exempelvis simulering av data (Skolverket, 2011). Forskning visar att animationer främjar en djupare förståelse för kemi, vilket inkluderar begrepp och teorier såväl som vetenskaplig metod (Schwartz m.fl., 2013).
En anledning till att animationer är relevanta inom just kemiämnet är hur kemins fenomen är uppdelade i tre olika nivåer (se Figur 1). Dessa nivåer myntades först av Alex H. Johnstone (1991). Makroskopiska fenomen är sådana som är med ögat direkt observerbara. De innefattar kemiska förändringar som är synliga eller på andra sätt konkreta. Den submikroskopiska nivån består av föreställningar som kemister använder för att förklara fenomen som involverar strukturer eller processer på atomär nivå. Båda dessa nivåer sammanställs på en symbolisk nivå med bland annat kemiska notationer (Gilbert, 2008; Tasker, 2015). Att kunna byta mellan dessa olika nivåer är viktigt för att nå framgång inom naturvetenskapen (Gilbert, 2008), men det är också detta som gör att naturvetenskap, i synnerhet kemi, upplevs som svårt av många elever (Tasker, 2015). På grund av denna svårighet är det relevant att undersöka på vilket sätt animationer kan användas för att gynna elevers lärande och överbrygga de svårigheter som finns.
Animationers relation till teorier om lärande är också en viktig aspekt av bakgrunden till det här arbetet. Enligt Gregorius (2013) bör animationer konstrueras och användas med utgångspunkt i teorier om lärande och undervisningsmetoder samt utifrån rådande lärandemål. Oavsett om läraren är medveten om det eller inte, är de undervisningsmetoder som används i klassrummet byggda på teorier om lärande. Därför bör lärare välja och använda animationer med eftertanke samt utvärdera den förväntade effekten av animationen i skenet av sin undervisning för att optimalt lärande ska äga rum (Gregorius, 2013; Kelly, 2013).
Denna utgångspunkt beskrivs närmare i Avsnitt 1.5.3.
10
Figur 1 - Illustration av de olika nivåerna som kemins fenomen existerar på.
1.1.2 Arbetet ur ett större sammanhang
En motiverande faktor till det här arbetet grundar sig i ett av FN:s globala mål. Mål nummer fyra behandlar den globala strävan efter god utbildning för alla. I målet inkluderas en likvärdig utbildning från grundskolan upp till högre utbildning, läs- och skrivkunnighet för alla, fler lärare i utvecklingsländer, utrotning av diskriminering i olika utbildningar, med flera (UNDP, 2015). I detta arbete kommer fokus ligga på likvärdighet i gymnasieutbildning, vilket kommer till uttryck genom utveckling av ett vägledande material med syfte att det ska nyttjas av lärare som använder animationer i sin undervisning. Eftersom animationer är ett digitalt verktyg som kan skapas eller hittas online utan extra kostnad, kan samtliga skolor ta del av verktyget och därav gynna elevers utveckling inom kemi. Närmare syfte med övriga aspekter av arbetet beskrivs i Avsnitt 1.2.
Ytterligare ett perspektiv på arbetet utifrån ett större sammanhang är att det utgör en vidare forskning på en artikel av Rundgren och Tibell (2009). De undersökte hur elever tolkar en animation av ett fenomen i jämförelse med en stillbild. I förslagen de tagit fram för vidare forskning inkluderar de ett intresse av ett perspektiv på hur elevernas förkunskaper påverkar deras förståelse av vad animeringen illustrerar. Hypotesen som de framför är att elever med högre förkunskaper har ett försprång när det gäller att inhämta de nya kunskaper som kommer med animationer (Rundgren, Carl-Johan; Tibell, 2009). I riktning med detta är det således intressant att undersöka hur elevers förkunskaper påverkar deras förståelse för innehållet som en animering framhåller.
1.1.3 Kemiskt område - Jonbindning
Det specifika området inom kemi som behandlas i arbetet är kemisk bindning. Det beskrivs enligt följande i det centrala innehållet för kursen i Kemi 1 på gymnasiet ska innehålla.
“Kemisk bindning och dess inverkan på till exempel förekomst, egenskaper och användningsområden för organiska och oorganiska ämnen.” (Skolverket, 2010)
Gymnasielärare undervisar i kemisk bindning på många olika sätt. En av de lärare som delar med sig av sin teknik är Magnus Ehinger. Ehinger arbetar som gymnasielektor på en gymnasieskola i Lund och delar med sig av sin undervisning online främst för sin egen klass, men även för andra gymnasieelever och lärare. På sin webbsida (ehinger.nu) använder Ehinger tekniken flippat klassrum. Det innebär att eleverna får gå igenom materialet som behandlas inför varje lektion och lektionstiden spenderas istället med att utföra experiment och faktiskt arbeta med ämnet. Ehinger har skapat en samling videogenomgångar för de olika områdena i flertalet naturvetenskapliga kurser. På sidan presenteras diverse källor som använts för att skapa innehållet. Ehinger har även skrivit läromedel för både gymnasiet och
11
högskola. På webbsidan finns området kemisk bindning för Kemi 1. De kunskapsområden inom kemisk bindning som presenteras återfinns i Tabell 1 nedan. Ordningen för områdena är samma som ordningen i tabellen, där jonföreningar är det introducerande området och löslighet är det avslutande området (Ehinger, 2020).
Tabell 1: Områden inom kemisk bindning.
Jonföreningar Jonbindning Metallbindning Kovalent bindning Dipol-dipol-bindning Van der Waals-bindning Löslighet
Vidare har Kemiboken 1 (Borén m.fl., 2011) för kursen Kemi 1 har ett kapitel som handlar om kemisk bindning. Där ingår kovalent bindning, jonbindning samt bindningar mellan molekyler. I detta arbete ligger största fokus på jonbindning.
Kapitlet om jonbindning börjar med en beskrivning av att metalljoner och icke-metallernas joner har ädelgasstruktur. Metalljoner och icke-metalljoner attraheras till varandra på grund av elektrostatisk attraktion som uppkommer eftersom jonerna har olika laddning. Detta illustreras med ett bildexempel (se Figur 2 nedan) mellan en natriumatom (grå) och en kloratom (grön) där natriumatomen avger en elektron (illustreras med e-) till kloratomen.
Bilden visar elektronens bana genom en böjd pil. Vidare dras en rak pil för att visa att en positiv natriumjon samt en negativ kloridjon har bildats. Avståndet mellan partiklarna förblir oförändrat, medan de i verkligenheten närmar sig varandra på grund av jonernas motsatta laddningar.
Figur 2 - Illustration av bokens (Kemiboken 1 av Borén m.fl., 2011) exempel på jonbindning.
Syfte
Ett av arbetets syften är att kartlägga hur animationer används i kemiundervisningen i gymnasieskolan. Genom en undersökning är tanken att därefter utreda hur elevers förkunskaper och animationens design påverkar förståelsen för animationer. Denna undersökning betecknas härefter som Förkunskapsundersökning. Vidare syfte äratt utifrån resultatet utveckla ett vägledande material för användning av animationer i allmänhet som tar hänsyn till elevers förkunskaper, design på animationen samt kontexten till användningen av animationen, i syfte att effektivisera elevers lärande.
12
Avgränsningar
Lärarenkäten begränsas i och med att den enbart riktar sig till aktiva kemilärare som använder animationer i sin undervisning. En avgränsning som görs i förkunskapsundersökningen är att det kemiska innehållet begränsas till gymnasiekursen Kemi 1 och mer specifikt till området kemiska bindningar. Vidare begränsas undersökningen till två separata gymnasieskolor i Sverige. Eftersom förkunskapsundersökningen begränsas till ett specifikt kemiskt område, leder det till att även det vägledande materialet begränsas. Detta på grund av att materialet grundar sig i resultatet från förkunskapsundersökningen. En sista avgränsning som görs är materialet utgår från ett fokus på begreppsanvändning.
Frågeställningar
• Hur använder gymnasielärare animationer i kemiundervisningen idag?
• Hur påverkas elevers förståelse för animationer av faktorer som animationens design, elevens förkunskaper och undervisningssammanhang?
• Hur kan läraren på bästa sätt anpassa sitt användande av animationer efter dessa faktorer för att effektivt lärande ska inträffa?
Tidigare forskning
I följande avsnitt presenteras forskning inom lärande, kemiundervisning och animationer.
Avsnittet avslutas med en teoretisk del som sammanbinder och understryker relationen mellan de tre områdena.
1.5.1 Lärande
En viktig del av det här arbetet handlar om elevers lärande. Nedan belyses därför tidigare forskning om hur elever blir motiverade att lära sig, olika perspektiv på vad lärande faktiskt är, vilka faktorer som leder till att lärande hämmas samt didaktiska perspektiv om vad som främjar lärande i kemisk bindning.
Motivation för lärande
Vygotskij (2010) menar att i en sund skolundervisning kommer varje skolämne alltid att kräva mer av barnet än vad det klarar av, vilket tvingar barnet att utmana sig själv. I relation till detta är det relevant att diskutera den motivation att lära som finns hos en elev. Skinner (2013) menar att elever har ett inre kunskapsbehov. Genom att tillfredsställa detta behov dämpas den naturliga nyfikenheten. Det blir lärarens uppdrag att hålla elevens inre kunskapsbehov aktivt för att gynna elevens fortsatta lärande. Ett sätt som Skinner föreslår att göra detta på är genom förstärkningar, vilket utgör en del av ett större teoretiskt ramverk kallat operant eller instrumentell betingning. Kortfattat beskriver Skinner teorin som “belöning och bestraffning”
(Skinner, 2013:57). Förstärkningar hamnar under belöningsaspekten av teorin och delas in i två kategorier, positiv och negativ förstärkning. Med positiv förstärkning menas att ett önskat beteende följs upp av en positiv konsekvens, exempelvis beröm när en elev svarat rätt eller en annan form av belöning. Syftet är att öka sannolikheten för att beteendet ska återupprepas.
Samma avsikt ligger till grund för negativ förstärkning som går ut på att någonting negativt försvinner vid utförande av det önskade beteendet. I den här studien kommer endast positiv förstärkning användas och diskuteras.
Illeris (2007) anser att erfarenheter har betydelse för både innehåll och kunskap, samt att man har större chans att lära sig något om det har någon betydelse för en själv. Erfarenheterär även en drivkraft i form av känslomässigt eller motivationellt engagemang i lärandet. I förhållandet mellan den egna individen och det sociala sammanhang individen befinner sig i, påverkas lärandet av erfarenheter.
13
Sociokulturellt perspektiv på lärande
Det grundläggande perspektivet som Vygotskij (2010) definierar och argumenterar för i relation till barnets lärande är det sociokulturella perspektivet. Det handlar huvudsakligen om vikten av språket och ett socialt sammanhang i lärandesituationer. När människor diskuterar med varandra delas erfarenheter och kunskaper genom kulturer som ger upphov till en gemensam inlärning, en internalisering av kunskap, som sedan leder till en intellektuell utveckling. En individuell faktor som spelar stor roll i när lärande sker är den proximala utvecklingszonen, vilken Vygotskij definierar som det område där inlärning kan ske med hjälp av andra människor eller teknologiska hjälpmedel.
Kognitiv utveckling
Till skillnad från Vygotskijs teorier om betydelsen av social kontext betonar Piaget (2014) vikten av en inre kognitiv utveckling för att lärande ska äga rum. Piaget förespråkar teorin om att kunskaper är organiserade i mentala scheman eller mappar. När barnet införskaffar sig nya fakta är en möjlighet att kunskapen sorteras i de redan befintliga schemana genom en process kallad assimilation. Assimilation sker således mellan lärandesituation och tidigare skapade mönster (Piaget, 2014). Det handlar om att addera kunskap till en redan existerande kunskapsstruktur (Illeris, 2007). I de fall där assimilering inte är möjlig måste schemana omstruktureras, vilket Piaget kallar för ackommodation. Ackommodation är generellt mer krävande för eleven än vad assimilation är, men resultatet blir mer långvarigt (Illeris, 2007).
Ackommodation och assimilering sker samtidigt när mönstren anpassas till den aktuella inlärningssituationen (Illeris, 2007; Piaget, 2014). Illeris (2007) sammanfattar kumulativt lärande. Det uppstår när eleven ännu inte har något mentalt schema som kan kopplas samman med omgivningens påverkan. Det är alltså när eleven utsätts för den första delen av ett helt nytt kunskapsområde.
Det är viktigt att läraren tar hänsyn till vilka kunskaper eleverna har för att kunna anpassa undervisningen inom det nya ämnesområdet. Olika elever lär sig ofta olika saker från en identisk undervisning och en förklaring till detta är att de har olika kunskaper när de kommer in i undervisningssituationen (Illeris, n.d.).
Skinner (2013) karaktäriserar lärande genom att dela in det i tre kategorier. Den första är att lära genom att vara aktiv (eng. learning by doing). Det innebär att eleven måste arbeta aktivt och öva för att lära sig. Aktiv inlärning handlar om att repetera och att göra det ofta. Den andra kategorin innebär att människan lär av sina erfarenheter. Lärarens uppdrag är att presentera kunskapsinnehåll för eleven så att denne kan acceptera dessa som nya erfarenheter.
Erfarenheterna ordnas sedan upp i elevens eget huvud för att samband ska kunna bildas. Den sista kategoriseringen handlar om att lära av våra misstag (eng. trial and error). Kortfattat ska eleverna göra försök och förmodligen misslyckas någon gång innan det blir rätt. Eleverna kommer inse att något blev fel och försöka ändra sitt beteende till det bättre.
Hinder för lärande
Skinner (2013) beskriver några anledningar till att lärare misslyckas. Den första typen av misslyckanden är att de inte lyckas fånga elevernas uppmärksamhet. För att lyckas med detta kan läraren använda sig av material som är tilltalande och intressant, genom exempelvis klara färger och omväxling. I relation till detta behöver läraren göra materialet minnesvärt för att inte misslyckas i sin lärarroll. Sådana material är välorganiserade och lätta att förstå.
Vid all undervisning ligger ett visst ansvar på eleven att själv tillgodogöra sig innehållet, men ibland kan inlärningen utebli. Illeris (2007) beskriver tre kategorier för detta. Den första innebär att eleven tror sig ha en förförståelse för ämnet och därmed missar den nya lärmöjligheten. Den andra kategorin är icke-beaktande, vilket innebär att eleven uppmärksammar den nya lärmöjligheten, men av någon anledning inte har möjlighet att ta till
14
sig denna. Den sista kategorin är avvisande, vilket kort sagt innebär att eleven vägrar lära sig något nytt (Illeris, 2007).
Didaktik inom området kemisk bindning
Hur kemiska bindningar bör läras ut för att effektivt lärande ska uppnås är något som tidigare behandlats i utbildningsvetenskaplig forskning. Nimmermark (2014) menar att förståelsen för kemisk bindning under elevers gymnasietid är extremt viktig för den framtida förståelsen för mer avancerade kemiska inriktningar. Samtidigt hävdar Patron, Wikman, Edfors, Johansson- Cederblad och Linder (2017) att kemisk bindning är, för eleverna, ett mycket utmanande område. De menar att det är viktigt att öva på olika typer av representationer för att på bästa sätt kunna kommunicera och skapa en meningsfullhet inom kemin. Den stora mängden koncept och begrepp inom kemisk bindning leder in eleverna på utantillinlärning, vilket skapar utrymme för fler missförstånd som är svåra att återställa (Tsaparlis, Pappa & Byers, 2018). Tsaparlis m.fl. menar att många av missförstånden beror på de förenklingar som läroböcker gör.
I en studie av Bergqvist (2017) problematiseras specifika typer av representationer som återfinns i läroböcker och i lärarens undervisning. En aspekt som lyfts fram och som därmed understryker det som tidigare nämnts, är de förenklingar av kemisk bindning som görs. Hon menar att representationer av kemisk bindning måste förändras och anpassas efter vad utbildningsvetenskaplig forskning visar och betonar vidare att det är lärarnas ansvar att ta del av och implementera de aspekter som framgår av forskningen. Lärare bör även uppdatera sig i och ta inspiration från hur kemisk bindning skildras på universitetsnivå och anpassa de förmedlade representationsformerna enligt modernare modeller. Samtidigt lyfter Bergqvist fram en anledning till att moderna modeller inte används på gymnasienivå och menar att de historiska modellerna är mer konkreta, entydigare och enklare för eleverna att hantera. Att använda dessa traditionella modeller kan dock leda till en översimplifiering som visat sig hämma lärandet (Bergqvist, 2017).
Angående hur kemisk bindning skildras på universitetsnivå kan en traditionell bok i fysikalisk kemi konsulteras. Atkins’ Physical Chemistry ((Atkins & de Paula, 2014) presenterar kemisk bindning under rubriken molekylära interaktioner. Kapitlet delas in i tre olika ämnen. Först kommer elektriska egenskaper hos molekyler. Här presenteras elektriska dipoler, polarisering och syftet med delkapitlet är kärnans påverkan på elektronerna. Nästa ämne är interaktioner mellan molekyler vilket innefattar grundläggande teori om viktiga molekylära interaktioner, såsom van der Waals-bindningar. Till sist kommer ämnet vätskor. Den grundläggande teorin om hur molekylära interaktioner överförs till vätskor inleder delkapitlet. Sedan diskuteras vätskors specifika egenskaper, vilket exempelvis inkluderar ytspänning. Bergqvist (2017) beskriver det som att i universitetslitteratur beskrivs kemisk bindning som krafter som håller ihop atomer och att målet med texterna är att beskriva varför dessa krafter uppkommer. På universitetsnivå skildras även kemiska bindningar med kvantmekaniska begrepp som orbitaler, där linjärkombinationer av atomorbitalers vågfunktioner ger upphov till molekylära orbitaler. Dessa har olika energinivåer och kan antingen vara bindande (i fas) eller antibindnande (ur fas) (Burrows, Holman, Parsons, Pilling & Price, 2013).
Ytterligare en didaktisk aspekt som står i relation till kemisk bindning är vikten av visuella modeller, något som beskrivs av Mamlock-Naaman, Hofstein och Taber (2010). De menar att den tekniska utvecklingen har gjort det enklare att visualisera kemisk bindning och därmed förstå hur den kemiska dynamiken fungerar. Även tillgängligheten för sådant material har ökat. Mer specifikt menar de att simuleringar och animationer har en stor potential att bidra till fördjupad förståelse för abstrakta begrepp, som kemisk bindning. Således bör animationer användas av lärare i större utsträckning.
15
Visuella representationer av bindningar är även något som i didaktisk bemärkelse behandlas närmare i en studie av Patron m.fl. (2017), där synpunkter lyfts fram angående vad som utgör en ändamålsenlig visualisering av kemisk bindning. De intervjuade lärarna uttryckte att det i början av en kurs var bäst att använda enkla visuella representationer och gradvis öka komplexiteten. De tyckte även att det hjälpte om animationerna var kopplade till elevens vardag. Ett problem som identifierades var att elever tenderar att fokusera på faktorer som inte hör till det innehåll som är avsett för eleven att lära sig. Det kan till exempel handla om att någon detalj i representationen byter färg, eller att ett elektronskal inte är symmetriskt illustrerat. Det man vidare fann var att urvalet av visuella representationer ofta bygger på lärares erfarenheter, vilket leder till att lärare använder det som de en gång tyckte ha en god inverkan på elevers förståelse.
1.5.2 Animationer och visualiseringar
En animation definieras i det här arbetet som en rörlig bild som visar något fenomen, exempelvis ett förlopp eller en process som i verkligheten är för stor, för liten eller för avancerad för att direkt vara observerbar. Animationer är en form av visualisering, men till begreppet visualisering hör även andra typer som inte direkt kan kopplas till animeringar.
Dessa inkluderar vanliga bilder eller skisser vilka saknar rörliga element. I det här avsnittet presenteras tidigare forskning inom design, användning av och problem med animationer.
Dessutom beskrivs forskning om hur inlärning genom animationer påverkas av elevers tidigare kunskaper i kemi. Fördelarna med animationer presenteras nedan med ett citat:
(As) a good match between the representational medium and the characteristics of the phenomenon being represented is considered instructionally desirable - animations have the advantage of being able to present situational dynamics explicitly and appropriately so that the majority of learners’ processing capability could be devoted to comprehending the content directly - Interactive animations that can be freely interrogated by learners may help to reduce the likelihood of information processing problems. (Lowe, 2004:258f, i Gilbert, 2008:14)
Animeringar i kemiundervisningen
Kemiundervisning består av ett kontinuerligt skifte mellan olika representationer.
Makroskopiska, sub-mikroskopiska och symboliska domäner är vad som berörs (Eilks,Witteck &
Pietzner
m.fl., 2012; Gilbert, 2008; Tasker, 2015). Animationer används i skolan som ett hjälpmedel för att observera fenomen som är svåra att se eller förstå. De kan ge eleverna en djupare förståelse för det illustrerade fenomenet, som eleverna annars har svårt att visualisera (Fleming, 2013). Robert Kozma och Joel Russel (2005) beskriver en studie, av Dori och Barak (2001), där en grupp elever fick genomgå en sekvens av uppgifter som med hjälp av datoriserad modellering visualiserade kemiska fenomen, bland annat isomeri. Denna grupp jämfördes sedan med en kontrollgrupp av elever som inte fått delta i samma sekvens.Det framkommer att den elevgrupp som fått använda modellering har utvecklat en bättre förmåga att kommunicera med hjälp av kemiska begrepp. Något att vara medveten om vid användningen av animationer är deras komplexitet. Kelly (2013) drar slutsatsen att om man först visar enklare animationer som stämmer överens med elevens bild av fenomenet, kan en övergång till en djupare förståelse skapas genom att därefter visa en mer detaljerad och komplex visualisering. Ordningen spelar således en stor roll för lärandet enligt Kelly.
Metakognition och metavisualisering
Visualiseringar uppkommer i både intern och extern form. Den interna visualiseringen inkluderar den mentala minnesbilden som lagrats i hjärnan. Denna minnesbild grundar sig ofta på den externa visualiseringen, som uppstår från någon form av bild eller animation (Gilbert, 2008). För att kunna använda visualiseringar på ett optimalt sätt krävs det av eleverna
16
att de blir metakognitiva med avseende på visualiseringen. Metakognition är förmågan att vara medveten om sitt tänkande (Gilbert, 2005). Metavisualisering är en form av metakognition och innefattar förmågan att granska, integrera samt utöka sitt lärande genom att ta del av olika representationer (Gilbert, 2005, 2008).
Vidare beskriver Gilbert (2008) fyra kriterier som behöver uppfyllas för att en elev effektivt ska kunna dra nytta av en animation genom metavisualisering. Först måste eleven ha en förståelse för den dimensionella aspekten av representationer, vilket bland annat innefattar en insikt i hur representationerna begränsas beroende på om fenomenet skildras i en, två eller tre dimensioner. Därtill måste eleven ha en förmåga att mentalt kunna översätta mellan dimensionerna i relation till de fakta som ska förstås. Vidare krävs en färdighet i att självständigt kunna generera en mental bild i de tre dimensionerna utan en extern visualisering. Det fjärde kriteriet handlar om att praktiskt kunna använda de mentala representationsmodellerna i en problemlösningssituation. För det här syftet gäller det att kunna dra paralleller mellan tidigare lösta problem eller att kunna urskilja och visuellt använda den information som krävs (Gilbert, 2008).
Metavisualiseringar för inlärning är starkt kopplade till ett begrepp kallat visuell bildning (eng. visual literacy). Mnguni (2014) skildrar visuell bildning som en kompetens att mentalt kunna visualisera naturvetenskapliga fenomen. Speciellt utmanande är det att visualisera på den submikroskopiska nivån eftersom det inte är direkt observerbart, varken med blotta ögat eller genom mikroskop. Till skillnad från Mnguni (2014) beskriver Schönborn och Andersson (2006) visuell bildning i en mer praktisk bemärkelse. Enligt dem handlar det om förmågan att kunna läsa och förstå externa representationer samt förmågan att beskriva dessa, vilket inkluderar förmågan att kunna uttrycka sig bildligt. Schönborn och Andersson (2006) presenterar riktlinjer för att lära ut och lära om visuell bildning. En av punkterna är att ta fram de viktigaste faktorerna som påverkar elevernas förmåga att visualisera. Här menar Schönborn och Andersson att elevernas resonemangsförmåga, konceptuella förståelse och representationens kvalitet är de faktorer som är har störst påverkan. Två av de andra punkterna betonar tillsammans att eleverna ska medvetandegöras om vilka begränsningar en viss representation har och därmed presentera flertalet representationer för eleverna. Detta för att illustrera fenomenen fullständigt och för att jämföra och översätta mellan de olika representationerna.
Förkunskaper
Förkunskaper bör spela en roll vid framställningen av olika multimedia för undervisning, detta enligt Arslan-Ari (2018). Vissa principer som fungerar för elever med begränsad eller ingen förkunskap fungerar ofta inte för elever med en högre tidigare kunskapsnivå inom området.
Då kan animationen istället hämma lärandet. De animationer som är mest effektiva för elever med låg förkunskap är sådana som innehåller visuella signaler (eng. cues) för att indikera de delar som är viktigast att fokusera på i animationen. För elever med hög förkunskap gör visuella signaler ingen skillnad för elevernas lärande (Arslan-Ari, 2018).
Animationers effektivitet är även något som tidigare har visat sig påverkas av elevernas förkunskaper. Kelly (2017) problematiserar animationer i det avseende att elever kan ha en naiv acceptans av animationers innehåll. Kelly menar att det orsakas av bristfälliga förkunskaper, vilka kan vara av olika karaktär. Ett första fall skulle vara att eleven helt saknar förkunskap. Då blir syftet med animationen att introducera det, för eleven, helt nya kunskapsinnehållet. En annan möjlighet är att elevens förkunskaper befinner sig på en sådan nivå att kunskapsluckor kan kompletteras genom att se animationen. Det sista fallet handlar om teorin om konceptuell förändring. Det här begreppet avser den process som äger rum när en elev initialt har en bild av ett visst fenomen, men som utmanas av en yttre påverkan (Vosniadou & Brewer, 1992). Enligt Kelly (2017) har forskning visat att elevers felaktiga
17
uppfattningar inom en enstaka aspekt av ett naturvetenskapligt begrepp kan åtgärdasgenom konceptuell förändring (Kelly, 2017). Problemet som uppstår i relation till animationer är att dessa oftast skildrar naturvetenskap på en mer komplex nivå. För att konceptuell förändring ska äga rum i de fall där det finns en bredd i innehåll, måste olika faktorer hos elevernas mentala modeller förändras. Mentala modeller är ett begrepp som behandlas av bland andra Vosniadou och Brewer (1992). De beskriver mentala modeller som en dynamisk struktur av interna representationer (av ett fenomen) och menar vidare att dessa förändras genom extern påverkan (exempelvis animationer).
Enligt Blayney, Kalyuga och Sweller (2015) är det viktigt att skräddarsy undervisning till de olika nivåerna av förkunskaper som finns hos eleverna. Konsekvenserna från kognitiv belastning (se nedan) som uppkommer genom användning av olika metoder för undervisning kan minimerasi och med att metoden skräddarsys för elevernas olika förkunskapsnivå. Med låg nivå av förkunskap gynnas elever av undervisning som är uppdelad i mindre delar, detta i och med att dessa elever enligt kognitiv belastningsteori har svårt att processa komplex information.
Kognitiv belastningsteori
Van Gog, Paas och Sweller (2010) beskriver kognitiv belastningsteori (eng. cognitive load theory) som något relaterat till lärandet av avancerade uppgifter med en stor mängd interaktiv information. Dessa typer av uppgifter kan vara överväldigande för eleven, eftersom de olika delarna ska kunna processas simultant för att lärandet ska vara meningsfullt.
Animationer är ett exempel på något som kan vara överväldigande för en elev. Det har att göra med att animationens information kommer i hög hastighet. För att animationer ska ge upphov till ett effektivt lärande behöver dessa effekter motverkas, exempelvis genom visuella signaler eller att de viktiga delarna av animationen har lägre presentationshastighet (van Gog m.fl., 2010).
Sweller, Ayres och Kalyuga (2011) skildrar begreppet kognitiv belastning (eng. cognitive load) i form av en teori med syfte att agera utgångspunkt vid design av undervisningsmaterial.
De menar att i en undervisningssituation belastas en persons kognitiva strukturer, i huvudsak arbetsminnet, med information. Det kan leda till att lagring i långtidsminnet försvåras. I praktisk bemärkelse skapar teorin ett sammanhang för och utgör förklaring till effektiviteten hos ett visst undervisningsmaterial. Mer specifikt betonas teorin om att begränsningar i individers arbetsminne bör tas i åtanke vid framställning av sådant undervisningsmaterial.
Information bör därför presenteras på ett sätt som minimerar den mentala bearbetningen och därmed belastningen på arbetsminnet.
Påfrestningen på arbetsminnet kan delas upp i en inre och en yttre kognitiv belastning som står i samspel med varandra. Den inre kognitiva belastningen handlar om den faktiska information som ska inhämtas oberoende av materialets design och hur det används i undervisningen. Den yttre kognitiva belastningen uppstår genom sättet materialet presenteras på samt materialets design. Graden av belastning varierar således beroende på omständigheterna (Sweller m.fl., 2011).
En överbelastning av arbetsminnet sker när antingen den inre eller yttre kognitiva belastningen blir för stor. Det som ger upphov till en ökad grad av yttre belastning är en undermålig presentation och design av materialet, vilket leder till att individen måste ägna större delen arbetsminnet åt onödiga processer, som i sin tur minskar utrymmet för bearbetning av det tänkta innehållet. Det är denna aspekt av kognitiv överbelastning som kan och, enligt Sweller, bör kontrolleras för effektivisering av lärande. Detta till skillnad från den inre belastningen som varierar beroende på individuella förutsättningar (Sweller m.fl., 2011).
18
Animationers design och innehåll
Endimensionella representationer består av symboler, vilka är frekvent använda inom kemin.
De kan förekomma som kemiska ekvationer eller kemiska symboler. Tvådimensionella representationer är diagram och grafer, vilka eleverna ofta använder i det laborativa arbetet som behandlar någon form av datainsamling (Gilbert, 2008). Tredimensionella representationer möter eleverna exempelvis när de lär sig om molekyler. Då kan det handla om användning av en molekylmodellsats. Gilbert (2008) menar också att gester ofta används i och är en viktig del av kemiundervisningen för att illustrera rörelser eller dylikt.
Utvecklingen av bärbara tekniska verktyg och databehandling ger möjligheter att utöka lärandet på en nivå som överskrider den stationära datorns möjligheter (Rogers, 2008). Enligt Kelly (2013) är det troligt att animationer konstrueras med konstruktörens kunskaper och dennes huvudsakliga budskap i åtanke. Det är ett problem eftersom experter inte är överens om vilka budskap som ska överföras till eleverna (Kelly, 2013).
En mer avancerad animering tycks ökaelevers intresse, medan en enklare animering bryter ner processen och förklarar vad som händer. Dock kan en enklare modell förhindra lärandet, eftersom det verkar stanna vid förklaringar som anpassas till just den modellen (Cole, Rosenthal & Sanger, 2019). Som tidigare nämnt har ordningen för vilken animation som visas först en avgörande betydelse. Om en enklare animering visas först kan djupare resonemang uppkomma när den mer avancerade animeringen visas. En enklare animering mynnar ut i bättre förklaringar och ger eleverna en bättre förståelse, än om en mer avancerad animering visas (Cole m.fl., 2019).
För att elever ska kunna utveckla visuell bildning behöver läraren ta hänsyn till elevernas tidigare kognitiva mönster, vilket inkluderar förkunskaper och missförstånd. Sedan måste läraren även undersöka vilka typer av representationer som eleverna tycker bäst om eller lär sig mest av (Mnguni, 2014). Genom att bredda området som visualiseringar används i, kommer elever utveckla sina erfarenheter och sin reflekterande förmåga (Rogers, 2008).
En fråga att vara medveten om är huruvida det är möjligt att skapa ett strikt ramverk för hur animationer bör utformas och när det är optimalt att använda dem. Schwartz (2013) tror inte det är möjligt med motiveringen att utbildningsvetenskapliga teorier inte liknar naturvetenskapens och kemins lagar i det avseendet att de inte är lika rigorösa. Istället rekommenderar Schwartz m.fl. att designers och användare av animationer bör ställa sig ett antal frågor vid konstruktion respektive urval av animation. Dessa frågor är:
1. Vilken är målgruppen för animationen?
2. Hur ser undervisningsmiljön ut?
3. Hur introduceras och används animationen?
Problem kring animationer
Olika representationer är som tidigare nämnts en stor del av kemiundervisningen, vilket innebär att elever konstant tar del av många olika typer av sådana. Flera av dessa representationer kan vara förvirrande och svåra att tolka. Enligt Schönborn och Andersson (2006) kommer elever som har en låg nivå av visuell bildning ha mycket svårt att lära sig från representationer.
Elever försöker initialt att använda sina personliga erfarenheter för att förklara fenomen som egentligen är helt nya (Eilks m.fl., 2012). Problemet med detta är att det inte är möjligt att använda de mönster som eleven redan besitter för att förklara varje nytt fenomen, utan istället måste mönstren anpassas. När eleverna inte låter mönstren anpassas, kommer lärandet inte att utvecklas i lika hög grad. Detta i enlighet med Piagets teorier om assimilation och ackommodation (se Avsnitt 1.5.1). Något annat som elever också ofta gör är att de försöker
19
tolka den sub-mikroskopiska dimensionen med hjälp av sina tidigare observationer från den makroskopiska nivån. Detta orsakar problem, eftersom fenomenen på de olika nivåerna inte är överförbara (Eilks m.fl., 2012).
Generellt har elever svårt att avgöra korrektheten av olika animationer, och tenderar att ändra sin egen bild av fenomenet för att anpassa sig efter en animation som verkar enklare men i verkligheten är felaktig. Elever reviderar generellt inte sin uppfattning när de ser en mer avancerad animation, även om denna är mer korrekt (Cole m.fl., 2019). Kelly (2017) pekar på att även om felaktigheter reds ut, garanteras inte en fullständigt korrekt förändring av en felaktig mental modell. Detta eftersom studenter ofta hittar tillbaka till sina felaktigheter.
Detta gäller även om de adopterar en ny mer korrekt uppfattning.
1.5.3 Relationen mellan animationer, lärande och kemiämnet
Förhållandet mellan design och användning av animationer, teorier om lärande samt kemiämnet är någonting som undersökts av Gregorius (2013). Vid planering och genomförande av undervisning reflekteras lärarens egna perspektiv på hur lärande sker. När en lärare skapar eller gör ett urval av befintliga animationer i undervisningssyfte bör han eller hon ta hänsyn till vilken pedagogisk grund animationen har. Gregorius exemplifierar detta med att dra en parallell mellan interaktiva animationer och Skinners teorier om behaviorismen och operant (instrumentell) betingning. Som i tidigare avsnitt beskrivits (se Avsnitt 1.5.1) handlar en del av teorin om positiv förstärkning.
Ett exempel inom kemiundervisning baserat på denna föreslagna relation skulle vara en interaktiv animation som visar vad som händer när elever blandar syror och baser. Låt säga att eleven får i uppgift att blanda på ett sätt för att uppnå ett visst pH-värde. När eleven uppnått rätt värde belönas eleven genom att skärmen visar en text där det står “bra jobbat!” och beteendet förstärks. Om eleven inte blandar rätt kan han eller hon göra upprepade försök tills det blivit rätt, det vill säga en form av “trial and error”, ett begrepp som tidigare nämnts i samband med behaviorismen (se Avsnitt 1.5.1). Således, om en lärares undervisning till övervägande det grundas i behaviorism, bör huvudsakligen interaktiva animationer användas (Gregorius, 2013).
En animation baserad på Piagets kognitivistiska teorier om assimilering och ackommodation (se Avsnitt 1.5.1) bör istället ha en utgångspunkt i hur elevens mentala tankeprocess förväntas se ut vid visning av en animation. Till skillnad från animationer byggda på behaviorismen, som ofta innehåller snabb feedback på interaktiva frågor eller uppgifter, är huvudsyftet att skapa en inre förståelse. För lärare med en kognitivistisk eller konstruktivistisk undervisningsstil blir en faktor att tänka på om animationen väcker associationer till tidigare kunskaper och idéer och genom det omstrukturerar och utvecklar elevens mentala scheman (Gregorius, 2013).
Den tredje teorin om lärande som Gregorius (2013) diskuterar i förhållande till animationer är teorin om att lärande är situerad och medierad genom det sammanhang varvid undervisningen är genomförd. Det handlar mer om en social process och ett samspel mellan flera parter än en inre individuell utveckling. Som följd av detta blir lärare och klasskamrater en större del av en enskild individs utveckling. Teorin som beskrivs påminner om och överlappar till stor del det som Vygotskij (2010) definierar som ett sociokulturellt perspektiv på lärande (se Avsnitt 1.5.1). Med det här perspektivet bör animeringar enligt Gregorius vara del av ett större socialt sammanhang, vilket han exemplifierar med användningen av elevdiskussioner kring animationen. Genom att diskutera och reflektera med andra elever ökar chansen att eleven blir medveten om och tänker mer på sitt eget lärande, det vill säga, en metakognition främjas (Gregorius, 2013).
20
2 Metod
Det första steget i processen var att ta kontakt med gymnasieskolor för att hitta en lämplig klass att utföra undersökningen av förkunskaper på. En lämplig klass ansågs vara en som var tillgänglig under en specifik vecka på vårterminen samt att det var tillräckligt många frivilliga elever i klassen som ville delta i undersökningen. Dessa anmälde sig till de ansvariga lärarna.
Det tänkta antalet elever fastställdes till ungefär 10 elever per klass. När den första skolan kontaktats kunde ett urval av undervisningsinnehåll göras utifrån det aktuella område som klassens undervisning skulle behandla vid tidpunkten för undersökningen. Utifrån detta valdes sedan passandeanimationer ut till undersökningen. Kriterierna för sådana animationer finns i Avsnitt 2.2. Bland annat togs hänsyn till vilka aspekter lärare anser viktiga i en animation. Dessa framkom ur lärarenkätens resultat. När undervisningsinnehållet bestämts påbörjades processen att utforma materialet till undersökningen. Materialet inkluderade en elevenkät och intervjufrågor. Samtidigt utfördes en litteratursammanställning av forskning inom områdena lärande, animationer och kemiundervisning som senare kunde utgöra en grund för både analysen och utvecklingen av guiden. Nedan är arbetsprocessen illustrerad genom ett flödesschema (se Figur 3). I Avsnitt 2.3 finns ett mer detaljerat flödesschema för Förkunskapsundersökning.
Figur 3 - Illustration av arbetsprocessen.
Enkäter till lärare
En lärarenkät (se Bilaga 1) togs fram och skickades till ett antal lärare via grupper på sociala medier relaterade till kemiundervisning. Enkäten delades i tre olika Facebook-grupper som hette Kemilärarna, Kemiundervisning och KRC. Den sistnämnda är en förkortning av kemilärarnas resurscentrum. Urvalet av lärare gjordes i och med att relevanta lärare ansågs vara de som undervisar i kemi på gymnasieskolan samt använder animationer i sin undervisning.
Lärarenkäten utformades i enlighet med Bryman (2016) som bland annat menar att enkäter bör ha en professionell och intressant layout. Därför gjordes enkäten i ett Google-formulär med en förinställd, väldisponerad layout. Enkäten bestod huvudsakligen av öppna frågor.
Enligt Björndahl (2005) innebär öppna frågor att respondenten får möjlighet att uttrycka sig fritt i relation till de olika frågorna. Dock lyfter Björndahl fram en nackdel i att det inte går att garantera att alla respondenter skriver uttömmande svar. En annan nackdel med öppna
21
frågor blir att enkätkonstruktörernas frågor kan vara formulerade på ett sätt som leder till att respondenten inte återger information på ett optimalt sätt, alltså att svaren hamnar utanför den ram som konstruktörerna förväntat sig. Ytterligare en nackdel med enkäter i sig är att det, till skillnad från vid intervjuer, inte finns möjlighet att följa upp svaren med följdfrågor. Detta blev inte ett problem eftersom enkäten inte efterfrågade komplexa eller beskrivande svar, det vill säga att det räckte med kortfattade svar från respondenterna. För att kontrollera att enkätfrågorna var begripliga och följde en rimlig struktur skickades enkäten ut för en pilotstudie till två utomstående kontrollanter. Kontrollanterna var blivande kemilärare och ansågs därför vara rimliga kandidater till uppdraget. Därefter redigerades frågorna utifrån insamlad feedback innan enkäten delades ut till kemilärare.
Enkäten bestod även av ett par slutna frågor om vilken kurs läraren undervisar i samt hur ofta animationer används i undervisningen. Alternativfrågor ger en datamängd som är lättare att hantera, vilket underlättar vid analys och sammanställning av svaren. Genom denna kombination av öppna och slutna frågor kan, enligt Björndahl (2005), både jämförelser och fler nyanser urskiljas. Anledningen till att en sådan lärarenkät skapades och användes i det här arbetet var att det gav ett mer lätthanterligt datamaterial samt att det blev enklare att undersöka ett stort antal respondenter, i jämförelse med enskilda intervjuer.
När enkätsvaren var insamlade sammanställdes resultatet i en löpande text utifrån en sortering av respondenternas svar. Detta gjordes genom att samla alla svar i ett Google Kalkylark.
Denna process är automatisk vid användning av Google-formulär. I kalkylarket är det möjligt att titta på en fråga i taget, eller alla svar en enskild respondent givit. Detta möjliggjorde en strukturell översikt av alla svar. Svaren sorterades sedan utifrån vilken aspekt som lyftes fram av lärarna, exempelvis visualisering eller ökad förståelse. Ett exempel på hur lärares svar kategoriseras kan illustreras utifrån frågan “På vilket sätt är användningen av animationer gynnsam för eleverna?” Två olika lärare gav följande distinkta svar:
1. “Ger eleverna ett alternativt sätt att göra något väldigt abstrakt mer konkret för eleverna.”
2. “Skapar större förståelse för begrepp och modeller.”
Det första svaret sorterades in i kategorin som kallas Visualisering/rörlighet medan det andra svaret hamnade i kategorin Förståelserelaterat. Kategorierna skapades genom att svar som liknade varandra färgkoordinerades. Därefter namngavs kategorierna efter vilken typ av svar de innehöll. En sammanfattning av de svar som insamlades finns i Avsnitt 3.1.
Urval av animationer
Nedan följer en beskrivning av de olika stegen i urvalsprocessen. Därefter presenteras de animationer som valts ut till undersökningen.
För undersökningen användes två animationer med syfte att det skulle finnas en distinkt skillnad i dimensionalitet. Därför användes en animation i 3D och en i 2D. När animationer först skulle väljas genomsöktes olika resurssidor för kemiundervisning i syfte att hitta lämpliga animationer. Det visade sig dock svårt att hitta sådana. Animationer som söktes var tänkta att vara relaterade till ämnesinnehållet samt innehålla aspekter som lyfts fram av lärarenkäten. När inga sådana animationer hittades online togs beslutet att istället skapa animationerna i Microsoft PowerPoint.
I slutändan baserades animationernas design således på ett övervägande av faktorer som tidigare forskning, ett urval av aktiva lärares perspektiv på animationer samt aktuellt skolmaterial. Utifrån litteratursammanställningen sattes kriteriet att animationerna skulle ha ungefär samma svårighetsgrad. Som tidigare nämnts utgjorde svaren från lärarenkäten en av de bidragande faktorerna vid skapandet av animationer. Detta genom att sammanställningen
22
av svaren gav en uppfattning om vad lärare anser utgöra en gynnsam animation. Vidare ställdes kravet att animationerna skulle visa något rörligt kemiskt fenomen relaterat till det relevanta undervisningsinnehållet. Den primära anledningen till att området jonbindning valdes var för att det var ett aktuellt område på den första skolan som kontaktades. För att styrka detta beslut kunde lärarenkäten användes eftersom svaren visade att kemisk bindning är ett område som lämpar sig för användning av animationer. Jonbindning är ett avsnitt som ingår i kemisk bindning och det är även en av de introducerande bindningarna i området, vilket gör det lämpligt att använda animationer i introducerande syfte till området. Vidare uppskattades jonbindning vara ett fenomen som relativt enkelt kan illustreras med hjälp av en rörlig bild. Till sist användes inspiration från läroboken (Kemiboken 1 av Borén m.fl., 2011), framförallt gällande 3D-modellen där de sfäriska atommodellerna efterliknades (se Figur 2, Avsnitt 1.1.3). 2D-modellen med skal inspirerade av den klassiska Bohr-modellen, som även den nämns i Kemiboken 1.
När animationerna skapats visades de för två utomstående personer med ungefär samma kemiska kunskap som gymnasieelever har. Detta för att säkerställa animationernas kvalité.
Kontrollanterna ombads berätta vad animationerna visade och utifrån detta skapades en uppfattning av hur väl animationerna skildrade det tänkta ämnesinnehållet jonbindning.
Efteråt ändrades animationerna något, bland annat för att tydliggöra de tänkta elektronskalen i 3D-animationen. Animationerna användes sedan i den fortsatta undersökningen.
2.2.1 Valda animationer
Nedan följer beskrivningar av valda animationer. För att enklare kunna hantera dem i arbetet benämns animationerna som Animation 1 och Animation 2.
De båda animationerna skapades med hjälp av animationsverktyget i PowerPoint. Det valda kunskapsinnehållet var som tidigare beskrivits jonbindningar i kursen Kemi 1 för gymnasiet.
Animationerna skapades med tydlighet och relevans i fokus. För animation 1 valdes natrium och klor eftersom det är en vanlig reaktion i Kemi 1-kursen. För animation 2 valdes istället reaktionen mellan litium och väte eftersom det ingår väldigt få elektroner och därför det enklare att animera elektronernas rörelse.
Animation 1
Figur 4 - Animation 1 i stillbildsformat. Fullständig animation finns tillgänglig här:
https://tinyurl.com/r5zc9l2
Animation 1 (se Figur 4 ovan) är en animation i två dimensioner. Den skildrar reaktionen mellan natrium (blå) och klor (orange) samt jonbindningen som bildas till följd av reaktionen.
Första steget illustrerar att en elektron från natriumatomens yttersta skal förflyttas till klor som bildar en kloridjon, samtidigt som natrium bildar en natriumjon. Laddningen på jonerna illustreras med plus- respektive minustecken. Natriumatomens valensskal försvinner för att illustrera att ädelgasstruktur uppnåtts, medan kloratomens valensskal blir fullt med 8 elektroner. När jonerna bildats kommer den elektrostatiska attraktionen att dra dem mot
23
varandra och fullborda jonbindningen. Detta illustreras genom att jonerna förflyttas mot centrum av animationen.
Animation 2
Animation 2 (se Figur 5 nedan) är en animation i tre dimensioner. Den visar reaktionen och jonbindningen mellan litium (blå) och väte (grön). Den tredimensionella aspekten innefattar att atomkärnorna och elektronerna är klotformade samt att elektronerna rör sig runt atomkärnorna. I animationen roterar elektronerna ett antal varv, innan en elektron förflyttas från litium till väte. Elektronen som förflyttas ändrar färg för att illustrera att den nu tillhör vätet. Det bildas en litiumjon och en hydridjon. Laddningen illustreras med plustecken och minustecken. När jonerna bildas förflyttas de mot varandra och således centrum av animationen på grund av den elektrostatiska attraktionen.
Figur 5- Animation 2 i stillbildsformat. Fullständig animation finns tillgänglig här:
https://tinyurl.com/u6tlz4z
Förkunskapsundersökning
Urval av elever till undersökningen av förkunskaper gjordes genom kontakt med gymnasieskola. Läraren som utsetts till kontaktperson på vardera skolan tog fram frivilliga elever som läste kursen Kemi 1 vid tiden för undersökningen. Undersökningen utfördes på två skolor i södra Sverige. Totalt deltog 21 elever varav 15 pojkar och 6 flickor. För att illustrera processen för undersökningen av elevers förkunskaper i relation till animationer har flödesschemat i Figur 6 skapats. Nedanför figuren följer beskrivningar av de olika stegen.
Figur 6 - Flödesschema för förkunskapsundersökning. Observera att Animation 1 respektive Animation 2 har för olika elever olika innebörd då ena hälften börjar med 3D och andra hälften med 2D.
24
2.3.1 Elevenkät
En elevenkät (se Bilaga 3) konstruerades med det aktuella undervisningsinnehållet, jonbindning, i åtanke. Elevenkätens syfte var att kartlägga vilka kunskaper eleverna hade innan de tog del av animationerna. Detta för att kunna undersöka hur elevers olika förkunskaper påverkar deras förståelse för animationernas innehåll genom att relatera förkunskaper till vad eleven uttryckligen sa om animationen.
Anledningen till att formatet elevenkät valdes för undersökning av elevernas kunskapsnivå var att det fanns en möjlighet att efterlikna ett traditionellt skriftligt prov som eleverna har vana att utsättas för. Enkäten bestod av öppna frågor relaterade till animationens ämnesinnehåll, jonbindning. Detta ansågs vara rimligt i sammanhanget eftersom det ger eleverna möjlighet att uttrycka sig friare med egna ord (Bryman, 2016), i jämförelse med exempelvis kryssfrågor. Elevenkätens frågor togs fram med hjälp av en aktuell kursbok i kursen Kemi 1 för gymnasieskolan, Kemiboken 1 (Boren m.fl, 2011), samt skolverkets kunskapskrav. Detta för att de frågor som användes skulle hamna på en lämplig nivå.
Exempelvis hade enkäten frågor relaterade till specifika begrepp som ädelgasstruktur.
Ädelgasstruktur är ett viktigt begrepp inom kemisk bindning och således även inom jonbindning, vilket är tydligt i Kemiboken 1 (Borén m.fl., 2011).
Varje elev ombads att enskilt besvara enkätfrågorna. Varje elev identifierades med hjälp av en unik siffra längst upp på deras tilldelade enkät. Skälet till detta var för att kunna para ihop samtliga enkätsvar med respektive intervjusvar vid visningen av animationen (se Avsnitt 2.3.2).
Bedömningen av elevernas förkunskap utifrån elevenkäten gjordes genom en mall med godtagbara svar (se Bilaga 4). Respektive svar bedömdes antingen som godtagbart eller icke- godtagbart. Vissa svar placerades dessutom på en tregradig skala efter nivå av förkunskap.
Detta beroende på vilken del av kunskapsinnehållet som frågorna avsåg. Utifrån bedömningen av elevernas svar kunde en helhetsbild av elevernas förkunskaper urskiljas.
Helhetsperspektivet användes sedan vid skapandet av teman till den tematiska analys som relaterar elevenkäterna till elevintervjuerna. Se Avsnitt 2.3.3.
2.3.2 Elevintervjuer
Som förberedelse för intervjuerna skapades en intervjuguide (se Bilaga 5), det vill säga förutbestämda frågor med syfte att leda samtalet framåt och för att göra samtliga intervjuer konsekventa. Intervjuguider är något som behandlas av Cohen, Manion och Morrison (2007).
De beskriver styrkor och svagheter med en sådan guide. En av de styrkor som nämns är att alla intervjuer centreras kring samma ämnesområde. Samtidigt ger intervjuguider möjlighet till en samtalsliknande situation som för respondenten blir mer naturlig. Den stora friheten som intervjuaren har kan dock göra att de svar som fås inte blir jämförbara, eftersom ordvalen kan ändras mellan de olika intervjuerna. Under intervjusituationen användes intervjuguiden som ett underlag för vilka delar av animationerna som eleverna avsågs kommentera. Om eleverna självmant berättade om de delar som frågorna relateras till ställdes inte de korresponderande följdfrågorna.
För undersökningen av elevernas förståelse kring animationer valdes två animationer ut (se Avsnitt 2.2 ovan). När eleverna besvarat enkäten delades de upp mellan de två intervjuledarna för att effektivisera processen. Alla elever intervjuades enskilt utifrån animationerna. Varje elev lämnade in sin enkät och presenterades sedan först för den ena animationen och ombads berätta vad den visade. Om eleven inte kunde urskilja något riktades elevens uppmärksamhet mot utvalda delar av animationen med hjälp av förutbestämda frågor (se Bilaga 5). När alla relevanta frågor ställts visades nästa animation för eleven. Ordningen som animationerna presenterades i var slumpmässigt bestämd. Hälften av deltagarna i undersökningen startade
