NEWTON GUNGAR – EN STUDIE OM ELEVERS MEKANIKINLÄRNING PÅ LEKPLATS Kandidat Examensarbetet i lärarprogrammet Mikael Wahl 2013 INSTITUTIONEN FÖR PEDAGOGIK, HÖGSKOLAN I BORÅS Arbetets art: Lärarprogrammet, inriktning mot naturvetenskap, matematik och teknik, 210 högskolepoäng. Examensarbete ”Att utforska pedagogisk verksamhet II”, 15 högskolepoäng i utbildningsvetenskap. Utgivningsår: 2013 Svensk titel: Newton gungar – en studie om elevers mekanikinlärning på lekplats Engelsk titel: Newton rocks – a study on students learning mechanics on a playground Nyckelord: playground, science, physics, extramural learning, preteens Författare: Mikael Wahl Handledare: Susanne Björkdahl Ordell Examinator: Per-Åke Rosvall Sammanfattning Bakgrund I Lgr 11 (ss 128-129) anges det som centralt innehåll för de yngre åren i grundskolan att utforska begrepp som tyngdkraft, friktion, balans, krafter och rörelse genom lek på lekplatser. Lyons (2005, s 22) beskriver hur elever tidigt i livet kan få förståelse för mekanikens grunder genom att leka på lekplats. Dock menar Caramazza, McCloskey och Green (1981, s 119) att universitetsstudenter, oavsett hur mycket fysik de läst, har väldigt dålig förståelse för Newtons första rörelselag och att fysikundervisningen i skolorna behöver sträva efter att elever i skolan ska få förståelse för fysiken, inte ta för givet att de redan har det. Syfte Syftet är att undersöka i vilken grad elever i fjärde klass kan förstå mer mekanik genom att leka på en lekplats. Frågeställningar: 1) Har elever i fjärde klass förstått vad trögheten gör? 2) Har elever i fjärde klass förstått vad friktionen gör? 3) Har elever i fjärde klass förstått vad reaktionskraften gör? 4) Är mitt valda tillvägagångssätt; med filmdiagnos, fritt experimenterande och filmdiagnos igen, en gångbar didaktisk metod? Metod Undersökningen bygger främst på för- och eftertest, en kvantitativ metod. Det i form av en fördiagnos med hjälp av förinspelade filmer, fritt experimenterande på skolgården utifrån filmerna och därefter en efterdiagnos med hjälp av i princip samma filmer. För att få reda på vad som händer på skolgården och för att tränga lite djupare i hur elever i fjärde klass tänker om mekanik har även ostrukturerade observationer och informella intervjuer använts. Resultat Eleverna i årskurs 4 experimenterade mycket på rasterna, drog slutsatser, till större delen riktiga sådana, och ökade i resultat med 16 % från diagnos 1 till 2. Pojkarna ökade mer än flickorna. Ur resultatet kan utläsas att tröghet är ett svårt begrepp, friktion ett lite lättare begrepp och reaktionskraft det begrepp eleverna redan på diagnos 1 förstått bäst. 2 Innehållsförteckning Inledning ................................................................................................................................5 Syfte .......................................................................................................................................6 Frågeställningar ..................................................................................................................6 Bakgrund ................................................................................................................................6 Extramuralt lärande ............................................................................................................6 Positiva effekter av extramuralt lärande ..........................................................................7 Hinder för det extramurala lärandet .................................................................................7 Fysikämnet i skolan ............................................................................................................8 Studenters missuppfattningar ..........................................................................................9 Extramural undervisning i naturvetenskap ..........................................................................9 Newtons tre rörelselagar på lekplatsen ..............................................................................10 Karusell kontra virvel ...................................................................................................10 Tröghet, friktionskraft och reaktionskraft ......................................................................10 Dator på lekplatsen .......................................................................................................12 Nintendo Wii på lekplatsen ...........................................................................................12 Nordens största lekplats – Liseberg ...............................................................................12 Teoretisk ram .......................................................................................................................13 Barns förklaringar av rörelse .............................................................................................13 Barns förklaringar av krafter .............................................................................................14 Metod ...................................................................................................................................15 Urval ................................................................................................................................15 Genomförande ..................................................................................................................15 Etik...................................................................................................................................16 Trovärdighet .....................................................................................................................16 Reliabilitet ....................................................................................................................16 Validitet ........................................................................................................................16 Bearbetning ......................................................................................................................17 Resultat ................................................................................................................................17 Övergripande resultat........................................................................................................18 Dagen satte spår ............................................................................................................18 De tre frågorna med störst ökning .................................................................................18 Skillnader sett till kön ...................................................................................................18 Frågan om ämnesintresse ..............................................................................................19 Bäst resultat ..................................................................................................................19 Newtons första rörelselag, tröghetslagen, fråga 1, 3, 6 och 7 .............................................20 Beskrivning av tröghetslagen ........................................................................................20 3 Beskrivning av fördiagnos-efterdiagnosresultatet ..........................................................20 Rastaktiviteter, observationer och intervjusvar ..............................................................20 Newtons andra rörelselag, accelerationslagen, fråga 5 och 8 .............................................22 Beskrivning av accelerationslagen ................................................................................22 Beskrivning av fördiagnos-efterdiagnosresultatet ..........................................................23 Rastaktiviteter, observationer, intervjusvar och motiveringar ........................................23 Newtons tredje rörelselag, lagen om verkan och återverkan, fråga 2, 9, 10 och 11.............24 Beskrivning av lagen om verkan och återverkan ...........................................................24 Beskrivning av fördiagnos-efterdiagnosresultatet ..........................................................25 Rastaktiviteter, observationer, intervjusvar och motiveringar ........................................25 Jämförelse mellan lagarna .................................................................................................27 Diskussion ............................................................................................................................28 Resultatdiskussion ............................................................................................................28 I vilken grad förstår elever i fjärde klass mer mekanik efter att ha lekt på en lekplats? ..28 Har elever i fjärde klass förstått vad trögheten gör? .......................................................29 Har elever i fjärde klass förstått vad friktionen gör? ......................................................30 Har elever i fjärde klass förstått vad reaktionskraften gör? ............................................30 Metoddiskussion ...............................................................................................................31 Valet av metod..............................................................................................................31 Skillnaderna mellan pojkar och flickor ..........................................................................32 Didaktiska konsekvenser ..................................................................................................32 Framtida studier................................................................................................................33 Tack .....................................................................................................................................33 Referenslista .........................................................................................................................34 Bilaga 1: Missivbrev.............................................................................................................36 Bilaga 2: Frågor....................................................................................................................37 Del 1.................................................................................................................................37 Del 2.................................................................................................................................38 Bilaga 3 – de rätta svaren på frågorna ...................................................................................42 Beskrivning av frågorna som behandlar tröghetslagen...................................................42 Beskrivning av frågorna som behandlar accelerationslagen ...........................................44 Beskrivning av frågorna som behandlar lagen om verkan och återverkan ......................45 4 Inledning Naturvetenskapen har sitt ursprung i människans nyfikenhet och behov av att veta mer om sig själv och sin omvärld (Lgr 11). För många människor svalnar dock den nyfikenheten ju äldre man blir. Intresset för naturvetenskap hade 1995 dalat så mycket att Sveriges Television startade Hjärnkontoret, ett TV-program med agenda att höja intresset för de naturvetenskapliga ämnena, framför allt bland flickor. Det är intressant att man till och med startade ett TV-program med målsättning att göra naturvetenskapen mer intressant. Själv tittade jag med stort intresse på Hjärnkontoret när jag var yngre – jag har alltid varit intresserad av naturvetenskap i allmänhet och fysik i synnerhet, redan innan jag visste vad orden innebar. Jag är storebror till fyra yngre syskon och ju äldre jag blivit, desto mer har jag intresserat mig för barn och hur världen upplevs för ett barn. Det intresset var det som ledde till att jag valde läraryrket. Men just fysik anses ofta tråkigt bland barn och ungdomar, i Storbritannien mest med anledning av att det anses svårt och irrelevant (Williams, Stanisstreet, Spall, Boyes & Dickson, 2003, s 324). Med andra ord är det viktigt att lyfta relevansen och göra det lättare att lära sig fysik. Därför ämnar jag med detta arbete undersöka i vilken grad det egentligen går att lära sig några av naturvetenskapens, och mer exakt fysikens, mest grundläggande lärosatser, nämligen den newtonska mekaniken, på ett roligt och lustfyllt sätt - genom att leka på en lekplats. Idén till mitt arbete fick jag när vi med lärarutbildningen gjorde ett besök på Liseberg och där undersökte och skrev om mekanik. Jag tänkte då att detta med att testa och sen skriva om det man testat, är ett bra sätt att bearbeta detta ämne. Dock är det ganska dyrt att åka till Liseberg, så jag började tänka på lite mer lokala ”upplevelsemaskiner”, de som finns på lekplatser. Steven Hagerott är styrsystemsingenjör vid Lockheed Martins flygplansavdelning i Kalifornien. Han fick i uppdrag att under en termin undervisa lågstadieelever i fysik på en skola i närheten – då gjorde han en intressant upptäckt (Hagerott, 1997, s 717): att det går att lära barn fysik genom att använda skolgården under lektionerna för att testa olika saker! Genom att ständigt fråga den viktiga frågan; “varför?”, kan man få barn att tänka och dra slutsatser (s 720). Ett av de experiment han lät barnen göra har jag med bland mina frågor. En annan jag tagit mycket inspiration från är Lyons (2005) som ger exempel på nästan alla experiment som jag använt mig av. Undersökningen handlar alltså om Newtons tre rörelselagar1. Den första lagen kallas i dagligt tal för tröghetslagen (Newtons lagar, Nationalencyklopedin, 2013) och handlar om att alla föremål som ligger stilla fortsätter med det så länge inga krafter verkar på dem och att alla föremål som rör sig fortsätter med det i den konstanta hastighet och räta riktning de redan har om inga krafter verkar på dem. Detta kan tyckas gå lite emot vad vi upplever i vardagen då föremål faller neråt och rörliga föremål naturligt bromsas in, men det beror på att krafter verkar på de föremålen, mestadels då gravitationen och friktionen. Men tröghetslagen går att undersöka ändå. Newtons andra lag, i dagligt tal accelerationslagen, kan man sammanfatta genom att säga att om ett föremål accelererar så finns det en kraft som drar i det. Denna kraft är dels proportionell mot hur stor accelerationen är, dels proportionell mot hur stor massa föremålet 1 Newtons tre lagar bygger på Galileis tidigare upptäckter och har senare självklart byggts vidare på av bland andra Euler och kritiserats av bland andra Einstein, men de är ändå en milstolpe inom mekaniken och tillräckligt korrekta för att beskriva mekaniska skeenden i vardagslivet och det är det man fokuserar på i mekanikundervisningen i den svenska grundskolan (Lgr 11, ss 128-130). 5 har. Den är egentligen mer komplicerad än så, men handlar mycket om friktionskraften som i vår vardagliga värld är med och accelererar objekt hela tiden med negativ acceleration, så kallad retardation. Den tredje av Newtons rörelselagar kallas vanligen för lagen om verkan och återverkan. Om ett föremål utövar en kraft på ett annat föremål utövar föremål två en lika stor kraft i motsatt riktning på föremål ett. Det är det man känner i foten när man sparkar en fotboll eller landar på marken efter ett hopp; reaktionskraften. Dessa tre lagar kan med fördel användas än idag för vardagsfysik. Man har dock upptäckt att de inte går att använda så bra i sammanhang där hastigheterna närmar sig ljusets, vid skalor där föremålen är så små som atomer eller då föremålen befinner sig i starka gravitationsfält. Då behöver man gå in på relativitetsteori och kvantfysik (Newton’s laws of motion, Wikipedia, 2013). Men inget av de tre ”undantagen” är speciellt framträdande på en lekplats. Syfte Syftet är att undersöka i vilken grad elever i fjärde klass kan förstå mer mekanik genom att leka på en lekplats. Frågeställningar Har elever i fjärde klass förstått vad trögheten gör? Har elever i fjärde klass förstått vad friktionen gör? Har elever i fjärde klass förstått vad reaktionskraften gör? Är mitt valda tillvägagångssätt; med filmdiagnos, fritt experimenterande och filmdiagnos igen, en gångbar didaktisk metod? Bakgrund Bakgrunden inleds med ett avsnitt om extramuralt lärande – lärande som sker utanför skolans väggar – framför allt om utomhuspedagogik och dess positiva effekter och svårigheter. Därefter kommer korta djupdykningar i fysikämnet i skolan respektive ungas kunskaper i mekanik. Dessa följs av en syntes av de båda i delen om extramural undervisning i naturvetenskap. Kapitlet avslutas med en avsmalning in i redan gjord forskning om det aktuella ämnet – mekanikinlärning på lekplats. Extramuralt lärande Under min lärarutbildning har jag fått delta i exkursioner och andra lektioner utomhus. Framför allt en eftermiddag med ”Skogen i skolan”2 gjorde mig uppmärksam på vilket underbart klassrum “utomhuset” kan vara. Sedgwick (2012, s 3) går så långt att han lägger fram det som en central sanning, detta att undervisning utomhus, nästan oavsett vad vi undervisar, ökar lärandets livskraft, av författaren kallat vitalitet. ...anyone looking at anything with the spirit of exploration, with the spirit of finding some kind of truth, can expect some kind of blessing. (Sedgwick, 2012, s 23) Han menar alltså att alla skolämnen kommer få någon slags positiv skjuts av att bedrivas delvis utomhus. 2 Skogen i Skolan är ett nationellt samverkansprogram mellan skolan och Sveriges skogliga intressenter som startade 1973 och som bland mycket annat tagit initiativ till skolskogarna. 6 Yerkes (1982, s 5) visar att sex veckors lek på äventyrslekplatser leder till ökad visuell och motorisk utveckling för både pojkar och flickor. Hon bedrev sin forskning så att hon hela tiden jämförde med en kontrollgrupp som inte fick leka på en äventyrslekplats. Intressant var att pojkarna i hennes kontrollgrupp utvecklades nästan lika bra som eleverna som fick leka på äventyrslekplatserna, men flickorna i kontrollgruppen utvecklades inte alls inom detta område under de sex veckorna. Yerkes själv drar slutsatsen att pojkar har det äventyrslystna med sig i sin vardag i större utsträckning än flickorna och därmed utsätts för ständig motorisk och visuell träning. Därför, menar författaren, att det är viktigt att ge flickor tillgång till äventyr och annan motorisk träning i högre utsträckning än pojkar, som alltså får sådan träning automatiskt. Positiva effekter av extramuralt lärande Lieberman och Hoody (1998, s 7) berättar om fem pedagogiska mål som uppnås som de alltid kunnat se när de sammanställt undersökningar om extramurala metoder. De menar att för det första bryter extramuralt lärande ner de traditionella gränserna mellan skolämnen. Elever rör sig inom flera skolämnen när de går utanför klassrummet, oplanerat så väl som planerat; det är lättare att planera aktiviteter som är ämnesöverskridande utomhus. För det andra ger det extramurala lärandet praktiska lärandeupplevelser, ofta genom problemlösning och projektbaserade aktiviteter. För det tredje menar Lieberman och Hoody att lärarna behöver samarbeta mer som lärarlag när de lämnar klassrummet, för det fjärde att metoderna är lätta att anpassa till enskilda elever och deras unika färdigheter och förmågor och för det femte att eleverna utvecklar kunskap, förståelse och uppskattning för närmiljön, samhället och naturen när man har viss undervisning där. Hinder för det extramurala lärandet Broda (2011, ss 10-16) har i sina studier kommit fram till de fem vanligaste anledningarna lärare har för att inte ta med sina elever ut: 1) Vanligast är att man säger att man inte har tid till det. 2) Nästa anledning – som har nära samband med nummer ett, är att det är svårt att integrera utomhuspedagogik med det som står i läro- och kursplanerna. 3) Många lärare är också rädda för att eleverna ska tolka det faktum att man lämnar klassrummet som att det nu är dags för rast och därmed börja leka och inte kommer att lyssna till läraren. De två sista anledningarna är 4) att lärarna inte anser sig ha tillräcklig kunskap om naturen för att våga ta med sig eleverna dit och 5) problemet med säkerhet; det är farligt i skogen. Efter att Broda presenterat anledningarna till att inte undervisa utomhus bemöter han var och en av dem – inte med argument i första hand utan med lösningar på de faktiska utmaningar som ligger bakom. Broda anser att lärare inte bör ta med eleverna ut på annat än det som är grundat i läroplanen. Men han menar att man med fördel kan flytta delar av de flesta ämnen utomhus och få till mer inspirerande texter, resultat och/eller skapelser beroende på vad det är för ämne. Vad det gäller tiden menar han vidare att det man förlorar i förflyttningstid tjänar man i prestation3 och motivation. Men han menar också att det är viktigt att hålla sig nära byggnaden så att det inte blir ett för stort projekt att gå ut (s 43). Det är viktigt med strukturer och regler när man ger sig ut utanför klassrummet så att eleverna känner sig trygga och vet vad som gäller. Broda (ss 12-13) kom fram till följande fyra viktiga strukturer: För det första att läraren innan man går ut berättar för eleverna vilka förväntningar denne har på dem och för det andra att läraren när klassen kommer till 3 Broda (2011, s 11) menar att flera studier visar just ökade prestationer hos klasser som har delar av undervisningen utomhus och hänvisar till två hemsidor som är samlingsplatser för forskning inom området, www.childrenandnature.org och http://www.peecworks.org 7 utomhussamlingsplatsen förklarar vilka rumsliga gränser det är som gäller för lektionen ifråga. En tredje viktig tanke han ger är att man i förväg ska leta upp minsta möjliga område att genomföra aktiviteten på, för att eleverna inte ska bli så utspridda när de jobbar på egen hand. Den fjärde strukturen som är bra att ha utomhus menar författaren är att ha en överenskommen samlingssignal. Det är de fyra viktigaste, men Broda nämner även några andra bra strukturer att ha: Att stå i ring när man instruerar, att packa allt material i en ryggsäck istället för i lådor och att vara genomtänkt vad det gäller tidsåtgången på varje moment så man hinner med avslutning och återtåg i tid. Det kan också vara svårt att komma igång med utomhuspedagogik för att lärare gärna tänker för stort. Man vill ha en rabatt för odling eller en damm med lite fisk i, men Broda (s 31) menar att det är viktigare att komma igång med något litet, som ett fågelbord eller en containerrabatt. Till Brodas viktiga strukturer kan läggas att för att få till bra undersökningar och lektioner utomhus är viktigt att eleverna känner till utrustningen innan de börjar, så en bra idé är att ha två lektioner med genomgångar och tester inomhus innan man går ut (Taylor, Hutson, Krawiec, Ebert & Rubinstein 1995). Fysikämnet i skolan Broda (2011, s 11) skriver att man inte ska använda sig av extramuralt lärande annat än när det är grundat i kursplanerna. Därför ska vi nu se vad läroplanen för grundskolan, förskoleklassen och fritidshemmet 2011 säger om fysik. Lgr 11 menar att fysikämnets huvudsyfte är att ge eleverna kunskap i fysik och att göra eleverna nyfikna på sin omvärld så att de vill undersöka den (s 127). Det är en av anledningarna till att jag valde att göra denna undersökning, att jag tycker det är viktigt att undervisningen ska syfta till att öka nyfikenheten hos eleverna. Det jag försökte få igång var att eleverna själva skulle kunna komma på sätt att undersöka och utforska sitt närområde på, på ett roligt sätt. Jag hoppas också att min studie inspirerat de elever som deltagit i den till att ställa frågor till sina ordinarie pedagoger även efter studiens slut. Det är också ett syfte med fysikundervisningen i grundskolan. Genom undervisningen ska eleverna ges möjlighet att ställa frågor om fysikaliska företeelser och sammanhang utifrån egna upplevelser och aktuella händelser. (Lgr 11, s 127) Att ställa frågor utifrån egna upplevelser förutsätter att man har egna upplevelser. Att undersöka lektionsinnehåll ute på rasterna ger lite egna upplevelser att formulera frågor utifrån. Men det är inte bara upplevelser som elever ska lära sig mekanik genom, de ska också genomföra enkla systematiska undersökningar i årskurs 4-6 (Lgr 11, s 129) och göra enkla fältstudier och observationer i närmiljön redan i årskurs 1-3 (s 128). I det centrala innehållet för årskurs 1-6 nämner kursplanen i fysik sådana begrepp som tyngdkraft, friktion, balans, tyngdpunkt, jämvikt, krafter och rörelse, begrepp som kan undersökas i vardagslivet och vid lek på till exempel gungor, rutschbanor och gungbrädor (ss 128-129). Gungor och rutschbanor hittar man på lekplatser och en lekplats i närområdet är skolgården. Det finns alltså mycket att hämta i fysikundervisningen ute på skolgården. När jag gick i skolan gick vi aldrig ut på lekplatsen med målet att lära oss fysik. Men förhoppningen är att denna undersökning ska kunna inspirera några lärare till att göra just det. 8 I kursplanen för fysik ryms de flesta av de frågor jag ställt till eleverna på ett eller annat sätt. Som exempel kan tas att friktionskraften är en central del i årskurs 1-3 (s 128) och att den kan observeras vid lek på till exempel rutschbanor. I denna undersökning motsvaras det av fråga 8 där eleverna ska lista vilket sätt man snabbast åker nerför en rutschbana av sex olika alternativ med olika material mellan sig själva och rutschbanan som minskar eller ökar friktionen (se Bilaga 2: Frågor). Det eleverna enligt kursplanen borde kunna när de kommit till fjärde klass är att samtala om tyngdkraft, friktion och jämvikt i relation till lek och rörelse (Lgr 11, s 132). Ordet samtal återkommer 253 gånger i läroplanen och det används ofta i samband med matematik och naturvetenskap när det handlar om att visa att man förstått ett visst ämnesinnehåll. Matematik och naturvetenskap är ju lite speciella på den punkten, det är inte bara att lära in allt stoff utantill, utan det handlar mer om att förstå det man vill lära sig. När denna undersökning gjordes var det svårt att samtala med alla 41 eleverna, men det gjordes med några och på flera av frågorna i diagnosen uppmanades eleverna att motivera sina svar. Fråga 11 bestod enbart av utrymme att skriva på för att svara fritt. Studenters missuppfattningar När det handlar om matematik och fysik handlar det alltså om att förstå, inte bara att lära sig saker utantill och Caramazza, McCloskey och Green (1981, ss 119-122) undersökte universitetsstudenters uppfattningar om fallande objekt (liknande min fråga om bollen som kastas från hög höjd, fråga 1) och kom fram till att bara 25 procent hade förstått hur ett objekt som har horisontell hastighet i utgångsläget faller till marken. Det är alltså viktigt att tidigt försöka ge elever en förståelse för fysik. Författarna delade upp de 75 procent som svarade fel i fem olika kategorier efter vilket slag av missuppfattning de gav uttryck för. Själva frågan de använde var: Du har en vikt som pendlar hängande i ett snöre. Om du plötsligt klipper av snöret – vid fyra olika tillfällen – hur faller vikten? Den frågan skulle också gå att ha med i en undersökning på en lekplats och där skulle det i så fall handla om att till exempel hoppa från en gunga. Hur flyger man när man hoppar från gungan när den är i sitt högsta läge respektive lägsta etc. Jag valde dock att inte ha med frågan av säkerhetsskäl. Jag ansåg det vara för farligt att få igång 40 elever att hoppa från gungorna under oordnade former. Men efter att Caramazza (et al.) diskuterat de olika slags missuppfattningar studenterna hade drar de slutsatsen att det inte var någon skillnad på de som hade läst mycket fysik i skolan och de som inte hade läst någon fysik gällande hur rätt de svarade. På det sättet ifrågasatte de dåtidens fysikpedagogik och undrade om det hade att göra med att fysikkurser misslyckas med att ta hänsyn till studenters missförstånd vad det gäller rörelse och istället behandlar studenterna som om de förstod de grundläggande principerna och bara behöver formalisera och kvantifiera de principerna. Extramural undervisning i naturvetenskap Det finns många lärare som använder lekplatser i naturvetenskapsundervisningen och vissa av dem skriver en del om det också, men det verkar inte vara så många som forskar i ämnet. I USA har man dock sammanställt forskning gjord på 40 skolor om vilken effekt EIC4 har på elevers lärande inom bland annat matematik och naturvetenskap (Lieberman & Hoody, 1998, s 8). Dessa undersökningar gjordes genom att man jämförde vanliga klasser med dem som fått EIC-lektioner. Det som jämfördes var resultaten av omfattande ämnesspecifika prov samt terminsbetygen inom de aktuella ämnena. Jämförelserna från 14 skolor som gjort samma prov visade att eleverna som löpande under året fått EIC-lektioner överträffade akademiskt sina 4 Using the environment as an integrating context for learning – samlingsbegrepp för utomhuspedagogik i USA. 9 jämnåriga som fått traditionell undervisning på 92 procent av proven. Inom matematiken visade siffrorna på 71 procent och inom naturvetenskapen 75 procent, där de övriga 25 procentenheterna utgjordes av prov med lika höga poäng (s 12). En lärare i naturvetenskap uttryckte det så här: The kids became so excited about the simple topics that kids didn't become excited about before in traditional classes, they really convinced me that the integrated approach was worthwhile. Now, science-wise /.../ the kids remember things better and for a longer period of time. Michael Melin, science teacher, Tahoma High School, Washington (Lieberman & Hoody, 1998, s 12) Newtons tre rörelselagar på lekplatsen Karusell kontra virvel Ett exempel på användande av lekplats i mekanikundervisningen är från England där de jämfört en karusell och en så kallad virvel5 på en lekplats som låg i skolans närhet (Thompson, Barron, Chandler, Shaw, & Hannafin, 2010, ss 459-461). Eleverna kom då fram till att sätter man fart på karusellen och drar sig närmare mot mitten behövs mindre kraft för att hålla sig kvar på karusellen, mindre centripetalkraft alltså. När de upptäckte att det dock behövdes mer centripetalkraft för att hålla sig kvar på virveln när man drog sig själv närmare mitten blev de överraskade och undersökte orsaken – både ur ett upplevelsemässigt och ett matematiskt perspektiv – och kom fram till att det har att göra med storlek och vikt på karusellerna ifråga. Detta är ett bra exempel på hur lekredskap på en lekplats kan vara en förlängning av klassrummet (Yerkes, 1982, s 7). Min undersökningsfråga som frågar vad som händer när man ramlar av en karusell, om man åker i en rak linje då eller inte och vilken riktning denna raka linje i så fall har, är inspirerad av Thompson, Barron, Chandler, Shaw och Hannafin (s 461). Tröghet, friktionskraft och reaktionskraft Lyons (2005, s22) beskriver hur lekandet på en lekplats innehåller mycket oförutsett och oplanerat lärande. Man kan kalla det för tyst lärande. Det pratas inte i fysiktermer på lekplatsen, men hjärnan drar slutsatser om hur världen fungerar hela tiden. Han menar vidare att exempelvis rätlinjig rörelse, krökt rörelse, rotationsrörelse och vinkelrörelse upplevs på en lekplats. Rätlinjig rörelse upplevs när man faller rakt ner, eller flyger av en karusell. Krökt rörelse upplevs när man åker på en rutschbana med gupp, rotationsrörelse och vinkelrörelse upplevs när man åker karusell eller liknande. Tröghet är något man upplever på många ställen på lekplatser och Lyons (s 22) nämner framför allt gungor som en plats för upptäckande av tröghetens praktiska tillämpningar. En gunga står till exempel still tills någon puttar på den och det är jobbigare att putta på en gunga som två barn sitter på än att putta på en gunga med endast ett barn. En gunga slutar inte heller gunga direkt bara för att man slutar putta fart utan fortsätter en stund och även om det är en ständig omvandling av rörelseenergi till lägesenergi och vice versa upplever barn det som att gungor som puttats fart på tenderar att fortsätta röra på sig och får således en upplevelse av vad tröghet innebär. Newtons första rörelselag, tröghetslagen, låter så här: 5 Ett lekredskap man kan snurra stående på. Säljs till exempel av Kompan Barnland AB - www.kompan.se 10 Varje kropp förblir i sitt tillstånd av vila eller rörelse med konstant hastighet längs en rät linje, såvida inte krafter tvingar den att ändra sitt rörelsetillstånd. (Dynamik, Nationalencyklopedin, 2013) Frågorna 1, 3, 4, 6 och 7 i denna undersökning är ett försök att undersöka elevernas förståelse av tröghet. Speciellt fråga 3 är central där det frågas efter vad som händer om man hoppar rakt upp när man står i en tunnelbanevagn som åker i 60 kilometer i timmen. Fråga 6 kan också ses som central då den handlar om att rotationsrörelse är en form av ständig acceleration och att ett föremåls egentliga naturliga sätt att röra sig är rakt fram, inte runt i ring. Fråga 4 har jag lagt in lite för att luras i sammanhanget och får egentligen inte fram någon förståelse eller inte för trögheten eftersom den frågar om det är möjligt att en gunga kan börja gunga utan att någon är där och tar fart på den och sen fortsätta gunga länge. Att det faktiskt är möjligt visar filmer från Argentina av en gunga som står på ett vindpinat ställe och som tack vare aeroelastiskt fladder6 gungat nonstop i över fem år. Detta visar att det är en komplicerad verklighet vi lever i och att det finns många krafter som påverkar oss – jag tror det är bra att lära sig och förstå de grundläggande fysikaliska lagarna men att samtidigt förklara att verkligheten är komplex. Friktion, menar Lyons (s 23), upplevs på ett enkelt sätt på en rutschbana. Till exempel genom att man försöker bromsa sig själv med händerna. Då upplevs också att ökad friktion leder till ökad värme i handflatorna. Friktionskraft är en viktig del i att förstå Newtons andra rörelselag, accelerationslagen. Den kraft som får ett föremål att börja röra på sig är egentligen summan av alla krafter som verkar på föremålet ifråga. Den låter så här: Ändringen av en kropps rörelsemängd (impulsen) är proportionell mot den verkande kraften och har samma riktning som kraften. (Dynamik, Nationalencyklopedin, 2013) Fråga 5, den om varför en gunga slutar gunga efter ett tag, och fråga 8, den med olika material mot rutschbanan är denna undersöknings försök att ta reda på elevernas förståelse för friktionskraften. För att förstå Newtons tredje rörelselag genom att leka på en lekplats föreslår Lyons (2005, s 23) klättring uppåt och landning på marken efter hopp. Newtons tredje rörelselag låter som följer: Om en kropp påverkar en annan med en given kraft, återverkar den senare kroppen på den förra med en lika stor men motsatt riktad kraft. (Dynamik, Nationalencyklopedin, 2013) Lyons menar alltså att man kan uppleva denna lag när man hoppar från ett lekredskap och landar och känner hur marken slår emot fötterna med samma kraft som fötterna slår emot marken. En annan tillämpning är när man klättrar – för att komma uppåt trycker man fötterna nedåt (s 23). I diagnosen motsvaras Newtons tredje rörelselag av frågorna 2, 9, 10 och 11. Fråga 2 handlar om klättring, frågorna 9 och 11 om landning på marken och fråga 10 är ett försök att ta reda på elevernas förståelse för rekyl, det vill säga motkraften som påverkar den som utövar kraft på ett föremål. Där frågas vad som händer när någon sitter på en gunga och kastar ett tyngre föremål rakt fram. Just den frågan går att bygga vidare på och gå in på rymdfart som använder sig av rekyl vid alla förflyttningar i rymden. 6 Det som även fick Tacoma bridge att falla samman 1940. Filmer går att hitta på www.youtube.com sökord: ”haunted swing” respektive ”Tacoma bridge”. 11 Dator på lekplatsen Min undersökning handlar om relativt grundläggande koncept inom mekaniken för de yngre åldrarna i skolan, men även på högre nivåer i skolan kan lekplatsen vara ett mycket bra ställe att utföra fysikförsök på. Redan 1995 tog lärare med sig datorer ut på lekplatser. Taylor, Hutson, Krawiec, Ebert, och Rubinstein (1995, s 333) kopplade en rörelsedetektor som använde sig av ultraljud till en bärbar dator och mätte svängningar när elever gungade på gungor, gungbrädor och fjädergungor. Av detta fick de fram grafer över gungornas förflyttning, hastighet och acceleration och jämförde sedan dessa och drog slutsatser. Eleverna fick också själva använda utrustningen för att hitta på egna försök och då kom de på att undersöka både fjädergungors massa och temperaturhöjning i fjädern. Det mest intressanta för min studie som de kom på var att mäta en gungas avklingande amplitud, som finns med i diagnosens fråga 5: Vad är det som gör att en gunga slutar gunga efter ett tag? Nintendo Wii på lekplatsen Ett annat årtusende finns avancerade mätinstrument i vart och vartannat hem. Kouh, Holz, Kawam, och Lamont (2013, s 146) tog fasta på handkontrollen till Nintendo Wiis spelkonsoll, den så kallade wiimote, och skapade och testade några experiment med hjälp av den. Det en wiimote har är en accelerometer, ett mätinstrument som mäter accelerationen i olika riktningar. Det är det som gör att den kan känna av hur hårt jag vill slå min golfboll eller rulla mitt bowlingklot eller vad jag nu spelar för spel på min Nintendo Wii. Den mäter accelerationen i tre riktningar för att känna av hur kontrollen rör sig i vår tredimensionella värld. Man kan koppla wiimoten till en dator via en kompatibel bluetooth-ingång7. Försöken Kouh (et al. 2013, s 146) gjorde handlade om cirkulär rörelse av olika slag. De fäste en wiimote på en gammal LP-spelare och satte på den på olika hastigheter och mätte accelerationen på en horisontell cirkulär rörelse. De fäste även wiimoten på ett cykelhjul och mätte accelerationen på en vertikal cirkulär rörelse. Detta skedde inte på en lekplats, men en vanlig leksak användes och den skulle med fördel kunna användas på en lekplatskarusell på liknande sätt. Detta var en utveckling av de lektioner de höll två år tidigare (Kawam & Kouh, 2011, s 508) då de använde en wiimote för att befästa vektorkonceptet hos elever genom att testa accelerationen i tre riktningar på lutande plan med olika lutning. Detta kan med fördel göras på en rutschbana. Accelerometrar har använts i undervisning långt före Nintendo skapade Wii (Reno & Speers, 1995, s 382), men det är först nu det blivit lättillgängligt för vanliga lärare. Jag kan tänka mig att många mekaniska experiment skulle kunna genomföras med relativt lättillgänglig teknik nu för tiden. På smartphones finns appar för det mesta och fler och fler elever har en egen sådan. Men det får andra undersökningar utforska. Nordens största lekplats – Liseberg Som jag nämnde i inledningen låg ett Lisebergsbesök till grund för idén till den här undersökningen. Lisebergsbesöket var grundat på bland annat en artikel av Sumners och Jones (1983, ss 12-13). Det är en beskrivande artikel om hur man kan använda en berg- och dalbana i mekanikundervisningen. Att låta eleverna åka en berg- och dalbana och sen gå igenom varje del och låta eleverna förklara varför det som händer sker och vad som skulle hända om banan såg ut på det ena eller andra sättet istället. Frågor som; varför är första backen högst, vad skulle hända om inte kurvorna var doserade, varför saktar berg- och 7 Alla bluetooth-ingångar klarar inte av wiimotes 12 dalbanan in och varför är inte parablerna spetsigare än de är, ska få eleverna att tänka och dra slutsatser om hur världen fungerar menar Sumners och Jones. Teoretisk ram Jag har valt att lyfta fram Jean Piaget (2001, orig 1930), som redan för ganska länge sedan utförde systematiska studier av barns förståelseutveckling av den fysiska världen. Han har gjort experiment och djupintervjuat ett stort antal barn om ämnen som behandlar förståelsen av den fysiska världen. Bland ämnen som: vad luft är, hur vind uppkommer, varför molnen rör sig, hur en båt flyter, varför det blir natt och hur en cykel fungerar, finns undersökningarna om barns förståelse av rörelse och krafter. Piaget menar att förståelsen för fysikaliska orsakssammanhang nås i 8-11 årsåldern. Hans forskning visade att när ett barn är 8-9 år kan de förklara enklare maskiners funktion (s 199, 215) och när de är 10-11 år kan de förklara saker som krafter och volym på ett korrekt sätt (s 34, 165, 121). Detta talade visserligen för att göra undersökningen i de yngre åldrarna, innan förståelse för fysikens orsakssammanhang är helt uppnådd, fast å andra sidan kunde det också vara intressant att göra undersökningen i just 10-årsåldern. De flesta eleverna borde då enligt Piaget ha uppnått en mognad för att kunna förstå koncepten och de slutsatser de själva drog efter att ha lekt och gjort sina egna undersökningar på lekplatsen. Barns förklaringar av rörelse Piaget (2001, ss 114-120) visar i sina undersökningar att yngre barn förklarar rörelse med att föremål har liv och egen vilja. De ser världen som väldigt magisk eller animistisk. De fyller världen med spontana rörelser och levande ”krafter”. Piaget konstaterar, tvärtemot vad man skulle kunna tro, att det i yngre åldrar är ganska enkla förklaringar ett barn ger; att det är så att ju tidigare i ett barns mentala mognad undersökningen görs desto komplexare är förklaringarna och består ofta av flera orsaker sammanflätade. Oftast består de av både interna och externa krafter, där den interna drivkraften är föremålets fria vilja och den externa kraften är summan av att andra föremål drar till sig eller stöter ifrån sig föremålet som rör sig; till exempel att en sjö drar till sig floder, att solen och molnen stöter bort varandra eller att det är vägen som får cykeln att rulla. Piaget konstaterar att man som litet barn drar slutsatsen att föremål i rörelse är levande snarare än att de har tröghet. Det är inte bara så att föremål i rörelse har liv enligt ett barn, de har också anledningar att göra de rörelser de gör, de gör det avsiktligt. Floder flyter fram för att vi ska få vatten och solen rör sig för att ge oss ljus, enligt små barn. Just detta, att ett barn fyller världen med avsiktliga rörelser och inte letar alls efter några mekaniska slutsatser får Piaget att förklara det som att ett barn är bara intresserat av ”varför?” och inte av ”hur?”. Barnet har inget intresse av ”hur” och stöter därmed inte heller på några problem när barnets föreställningar till synes säger emot varandra. Detta kommer jag att använda mig av när jag analyserar resultatet, att leta efter om någon elev har fyllt sin värld med rörelser med moralisk avsikt. I nästa fas förklarar barn ett föremåls rörelse mer med hjälp av orden puttar och drar, ord som förutsätter kontakt föremålen emellan. Men de har inte övergivit förklaringen om föremåls inneboende vilja och att det är den som får andra föremål att agera; till exempel att solen rör sig genom att använda sig av vindens styrka. I både fas ett och två menar Piaget att de enda lagar barnen tycker att föremålen följer är moraliska lagar, vad som är smart eller inte smart, vad som är rätt eller fel. En 6-åring berättar till exempel i en intervju att moln inte är smarta eftersom de försöker slåss mot solen (Piaget, s 116). 13 I tredje fasen, enligt Piaget (s 116), beskriver barnen det som att föremålet som rör sig skapar en strömning i det omgivande mediet och denna ström får föremålet att fortsätta röra sig; till exempel rör sig molnen med sin inneboende vilja, detta skapar en strömning i luften som får molnen att röra sig. I fjärde och sista fasen tänker barnet mer och mer utifrån mekaniska principer och förstår koncept som tröghet. Åldrarna för faserna är i detta kapitel inte angivna men i resten av boken är den första fasen barn i åldrarna 4-5 år, fas två 5-8 åringar, fas tre 8-9 åringar och fas fyra barn allt mellan 9 och 12 år beroende på vad som undersökts. Det författaren framför allt gjort är att han har systematiserat sina intervjusvar i olika grupper och sedan kallat grupperingarna för faser. Faserna är alltså beskrivningar av mönster han sett, inte lagar om hur ett barn måste utvecklas för att räknas som friskt. Piaget jämför ett barns sätt att se på rörelse och krafter med sättet de gamla grekiska fysikerna såg det, speciellt Aristoteles (s 117). Så att ta med barnen på en historisk resa på samma gång som man ger dem mekanikens grunder vore en bra idé. Barns förklaringar av krafter 10-11 åringars förståelse av krafter handlar två av mina frågeställningar om så att läsa om Piagets studier om barns förklaringar av krafter var extra intressant. Vårt synsätt som vuxna är att krafter mellan föremål är nödvändiga för att överföra energi mellan dem. För ett litet barn finns det inget sådant som kraft (Piaget, 2001, s 121). Hos barnet finns bara konceptet av att ett föremål väcker upp ett annat som också blir levande. Att de två föremålen behöver vidröra varandra för att kraften ska överföras är heller inget som finns med från början hos ett barn, utan enligt dem kan föremål samverka med varandra utan att vara i närheten av varandra. I Piagets undersökningar framkom inte alls att konceptet ”krafter” hos barnen utvecklas liknande som många av de andra koncepten han undersökte (2001, s 121). Det är med viss besvikelse han konstaterar att ett barn länge definierar “kraft” på nästan exakt samma sätt som det definierar “liv”. Det är inte förrän i 11-12 års-åldern barnen i hans undersökningar relativt plötsligt förstår hur det är krafter som får saker att flytta på sig. När allt ses som levande av ett barn överlappar förståelsen för krafter helt förståelsen för liv. På de flesta andra områden kunde han se mönster och dra slutsatser om olika faser, men just definierandet av mekaniska krafter kom alltså inte förrän relativt plötsligt under förpuberteten. Förståelsen utvecklades, men verbalt definierades inte krafter förrän barnen var 11-12 år. Utifrån detta att utvecklingen inte gick att dela in i faser karakteriserade Piaget svaren i andra kategorier när det kom till förståelsen av vad kraft är. Exemplen från barnen är kursiverade: En del barn definierade kraft som rörelse. Vatten har kraft eftersom det rör sig, en cykel eftersom någon får den att åka, ett bord inte eftersom det står stilla. Andra barn begränsade kraft till föremål som rör sig av sig själva. Vatten har kraft eftersom det rör sig av sig självt, en cykel har inte kraft eftersom någon måste cykla på den för att den ska röra på sig. En tredje grupp barn definierade kraft som aktivitet i allmänhet och användbar aktivitet i synnerhet. Detta var det vanligaste sättet enligt Piagets studier (2001, s 123). Solen har kraft efterson den ger ljus, blommor är bara söta, de har ingen kraft eftersom de inte kan göra någonting. Ett annat mönster av svar var de barn som ser kraft som själva handlingen att transportera något. Månen har kraft eftersom den bär den gamla månen i sina armar, men stenar har inte kraft eftersom de inte bär någonting. En femte grupp barn såg hållbara föremål som fulla av kraft. Ett hus har kraft för det står upp av sig självt, ord har inte kraft för de försvinner direkt. Sista gruppen gav ett föremål kraft om det var stort och tungt. En båt har kraft eftersom den är tung, en sten inte eftersom den är lätt (Piaget, 2001, ss 121-126). 14 Metod Jag träffade två klasser under en heldag på en skola. På morgonen var jag först i den ena klassen, sen i den andra och genomförde min diagnos. Därefter var jag med eleverna ute på rasterna för att observera och försöka se om eleverna satte igång med att upptäcka mekaniska principer på sin vanliga lekplats, tillika skolgård. I slutet av dagen gjorde jag sedan samma diagnos igen med samma klasser och hoppades på så sätt få syn på om deras förståelse för koncepten utvecklats under dagen. Jag hade spelat in små filmsnuttar som jag visade på smartboarden i klassrummet med frågorna i. Frågorna besvarades av eleverna på speciella formulär som såg likadana ut på förmiddagen som på eftermiddagen. Efter varje filmsnutt upprepade jag frågan en gång för att alla skulle förstå frågan och alternativen. Idén att använda video med olika svarsalternativ kommer från en film av videobloggaren Veritasium (2011). Under rasterna hade jag med mig min diktafon och pratade in själv på den när jag såg något jag ville anteckna, men hade också på den när jag intervjuade något av barnen som gjorde något intressant. Intressant var till exempel då någon tog av sig jackan och åkte ner för rutschbanan på den eller klättrade upp på något högt och kastade en boll. Mina frågor till eleven i det läget handlade om "varför". Varför gjorde du så? Hur tänkte du när du ...? Att producera, beskriva och bearbeta statistik är enligt Stukát (1993, s 10) ett av forskningens viktigaste verktyg. Därför valde jag den kvantitativa metoden i form av för- och eftertest med lite utvidgningar i form av informella intervjuer och ostrukturerade observationer. Att använda ostrukturerade observationer är enligt Hartman (2007, s 238) passande när man gör explorativa undersökningar. Att en observation är ostrukturerad betyder att man inte på förhand har bestämt sig för vad man ska observera utan låter det som händer styra vad man koncentrerar sig på för beteenden. När man forskar på människor är det svårare att göra korrekta mätningar än om man utforskar solens och månens rörelser. Jag som undersökare var mer en del av denna undersökning än vad forskare som utför kvantitativa studier brukar vara. Urval Valet att genomföra undersökningen i fjärde klass bygger på två resonemang. För det första bestod en del av undersökningen av en diagnos där frågorna utgjordes av skriven text och där eleverna förväntades motivera sina svar skriftligt. Eftersom diagnosen genomfördes av alla elever i en hel klass på en gång och varvades med videosnuttar var det viktigt att de hade förmågan att läsa och skriva relativt snabbt så att de i möjligaste mån kunde uttrycka sig så uttömmande som möjligt på begränsad tid. För det andra menar Piaget (2001) att förståelsen för fysikaliska orsakssammanhang nås i 8-11 årsåldern. I fjärde klass borde då de flesta eleverna alltså ha uppnått en mognad för att kunna förstå det de själva undersökte. Valet att göra undersökningen i två klasser på samma skola byggde på att de då har sina raster på samma lekplats och det ger en större reliabilitet och jämförbarhet än om jag valt klasser i olika skolor. Genomförande Undersökningen genomfördes i två fyror på en skola i Sjuhäradsbygden i Sverige. Jag hade med mig min medhjälpare Anton eftersom det var så mycket som skulle hända på kort tid och 15 jag skulle haft svårt att hinna med att både svara på elevernas frågor och samtidigt observera dem på egen hand. Vi delade ut diagnosen till alla elever som fått tillstånd att vara med i undersökningen. I den ena av klasserna var det tre stycken som inte fått tillstånd. Vi visade filmen och Anton pausade efter varje fråga. Jag upprepade varje fråga muntligt för att vara säker på att alla förstått vad det var som efterfrågades och instruerade eleverna var på pappret och på vilket sätt de skulle svara på frågan. Jag gav eleverna en liten stund att svara på frågan och påkallade sedan deras uppmärksamhet igen och Anton startade nästa videosnutt. På rasterna var vi ute på skolgården och lät eleverna testa och experimentera. Anton hjälpte eleverna hitta bland materialet vi hade med oss, svarade på frågor och jag observerade och genomförde informella intervjuer med de elever jag tyckte gjorde något intressant. Efter rasterna lät vi eleverna göra samma diagnos igen. Den här gången var videosnuttarna lite avkortade, men det var exakt samma frågor som ställdes och vi gjorde på samma sätt som när vi introducerade frågorna. Då eleverna ställde formfrågor svarade vi på dem, men var det sakfrågor försökte vi att inte ge dem några ledtrådar om rätt svar och tystade ner dem innan de sade för mycket. Etik För att fylla Vetenskapsrådets informationskrav (2003, s7) gavs ett missivbrev ut som förklarade undersökningens syfte och villkoren för deltagande till eleverna i de båda klasserna. Där informerades även om att det är frivilligt att delta och vilka moment undersökningen skulle innehålla. För att fylla samtyckeskravet (s 9) fanns det på missivbrevet en flik för vårdnadshavarna att skriva under på att eleverna gör detta frivilligt. Att det var vårdnadshavare som skulle skriva under var för att eleverna var under 15 år vid undersökningens genomförande. Konfidentialitetskravet (s 12) fylldes genom att varje barn fick ett kodnamn i form av ett grundämne istället för att skriva sina egna namn. De hade samma kodnamn på första och andra diagnosen och på de intervjuer som genomfördes under rasterna. Detta för att kunna jämföra en enskild elevs resultat på diagnos 1 och 2 och de intervjusvar eleven lämnade. Detta sätt att avpersonifiera mitt material redan från början är mitt sätt att vidta åtgärder för att skydda privatpersonernas integritet enligt Vetenskapsrådets publikation God forskningssed (2011, s 69). Att inga namn används i rapporten skrevs in i missivbrevet och även hur all inspelad data skulle komma att hanteras och att den i slutet kommer raderas. Detta för att fylla nyttjandekravet (s 14). Trovärdighet Reliabilitet För att få så hög reliabilitet som möjligt har samma diagnos använts både före och efter leken och experimenterandet på rasterna. Därmed har osäkerheten att eleverna förstår en av frågorna på förmiddagen men inte på eftermiddagen minskats. För att få fram det eleverna egentligen trodde om koncepten och ändå kunna kategorisera svaren har flervalsfrågor använts och eleverna informerats om att de fick välja mer än ett svar om de tyckte mer än ett verkade rätt. Validitet Jag avsåg att undersöka i vilken grad fjärdeklasselever förstår mer mekanik genom att leka på lekplats. Jag vidtagit en del åtgärder för att försöka undersöka just det och minimera felkällor. På frågorna har jag lagt in utrymmen för eleverna att motivera sina svar på vissa frågor för att få syn på vad de förstått och vad de inte förstått trots eventuellt rätta svar. När diagnoserna skrivits har eleverna fått sätta sig så långt ifrån varandra som möjligt för att inte kunna titta på vad de andra skrivit. På rasterna har jag varit mycket noga med att inte säga några svar till eleverna utan låta dem själva dra slutsatser. Klassen som gjorde undersökningen först instruerades att inte avslöja några svar för den andra klassen på rasten. 16 Jag har undersökt Newtons tre rörelselagar och också slått ihop dem för att få en helhetsbild och kunna dra slutsatser om i vilken grad förståelsen ökat bland eleverna, som det står i mitt syfte att jag vill. Bearbetning Alla kryssrutsfrågor kodades om till poäng mellan 0 och 1. Den generella principen var att hade inget rätt svar ikryssats fick eleven 0 poäng och hade rätt svar ikryssats fick eleven 1 poäng. Maxpoängen på varje fråga var 1 poäng. Det var 41 elever som besvarade diagnoserna så 41 var maxpoängen vid summering av elevernas poäng på en fråga. Rätt svar och mer exakt omkodning kan ses i tabell 1. Tabell 1 Omkodning av svar för frågorna 1 till 10 Antal poäng för ikryssade alternativ För poäng Fråga 1 0 B,C,D Fråga 2 A,B,D,E Fråga 3 A,B,D Fråga 4 A,B,E 0,5 1 Fråga 5 Fråga 6 C,D,E Fråga 7 A,B,C,E,F B,C,D B A C C C,D A* Fråga 8 Fråga 9 Övriga B,C ** D A ** A På fråga 5, 8 och 10 kan 0,5 poäng delas ut. På fråga 5 eftersom alternativ B, luftmotståndet, också bidrar till att en gunga saktas in om än marginellt – det är alltså också definitionsmässigt ett rätt svar på frågan. På fråga 8 och 10 eftersom det där finns två rätta svar och har då endast det ena ikryssats får eleven 0,5 poäng på den frågan. Med dessa omräkningsmetoder skulle eleverna kunna helgardera sig och kryssa för alla svar på alla frågorna och på så sätt få alla rätt. Men det är det ingen av eleverna som gjort på någon fråga. Alla intervjuer spelades in med diktafon och transkriberades senare. Alla observationer lästes även de in på diktafon och transkriberades. Både intervjuer och observationer kopplades till frågorna och till de olika kodnamnen och var det eleven sagt eller gjort intressant letades den enskilde elevens resultat och motiveringar från diagnoserna upp och sammanfördes med intervjusvar och/eller fältanteckningar. På så sätt framträdde vissa elevers upplevelser av dagen speciellt och de går att läsa om nedan. Resultat Undersökningen bestod av en fördiagnos med hjälp av en film8, följt av fri lek och fritt experimenterande ute på skolgården och därefter en efterdiagnos, även den med hjälp av en film9. Dagen avslutades med att tillsammans gå igenom rätt svar med hjälp av en svarsfilm10 och helklassdiskussion om varje fråga. Medan eleverna lekte och experimenterade på rasterna observerades de och några intervjuades också. I detta kapitel redovisas först övergripande resultat och därefter resultatet uppdelat i Newtons tre rörelselagar. Länk till fördiagnosfilmen: http://youtu.be/ER_0OkXYOPY Länk till efterdiagnosfilmen, en kortversion av fördiagnosfilmen: http://youtu.be/q_rtmWBOdgA 10 Länk till svarsfilmen, innehållande svar på frågorna: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9 och 8: http://youtu.be/kiKhfZxujQI 9 17 A,B,E,F C eller D Kommentar Båda rätt B lite rätt På alla frågor får man poäng för rätt svar även om man kryssat för andra svar också. * På fråga 5 får man 0,5 poäng om man kryssat B, 1 poäng för A, 1 poäng också om man kryssat både A och B. ** På fråga 8 får man 1 poäng om man svarat både snabbast och långsammast rätt. 0,5 poäng för en av dem. Annars 0 poäng. 8 Fråga 10 C och D I de delarna kommer först en beskrivning vad diagnoserna visade och sedan vad observationer och intervjuer visade. För en beskrivning av rätt svar på frågorna se bilaga 3. Till den första lagen hör frågorna 1, 3, 4, 6 och 7, men som tidigare diskuterats har fråga 4 lyfts bort på grund av sin gåtliknande karaktär11. Frågorna 5 och 8 hör till den andra lagen och till tredje lagen hör frågorna 2, 9, 10 och 11. I samband med varje lag beskrivs också de rastaktiviteter det fanns material till och hur dessa genomfördes, observationer som gjordes som är kopplade till aktuell lag och resultatet av de informella intervjuerna. Under dagen hade eleverna kodnamn i form av grundämnen (Fosfor, Aktinium, etc). Detta för att kunna koppla intervju till diagnossvar utan att elevernas riktiga namn någon gång skulle behöva användas. Dessa kodnamn används här i resultatkapitlet då någon enskild individ lyfts fram. Övergripande resultat Dagen satte spår 41 elever deltog i undersökningen, uppdelade på två klasser. Endast 5 elever har svarat exakt lika på både diagnos 1 och 2. De andra 36 har ändrat på minst ett svar. Långt ifrån alla har ändrat till mer rätta svar, men att så många ändrat sig under dagen tyder på att eleverna i allmänhet i alla fall har blivit påverkade av det de gjort på rasterna även om de inte alltid har dragit rätt slutsatser. De tre frågorna med störst ökning Det är tre frågor där skillnaden mellan diagnos 1 och 2 är anmärkningsvärd; det är frågorna 2, 6 och 8, en fråga från varje av Newtons rörelselagar. På dessa frågor ökade eleverna sina sammanlagda poäng med 10, 14 respektive 5 poäng. Två av dessa tre frågor hänger ihop med två av de enligt observation tre populäraste rastaktiviteterna, nämligen lata-lotta-karusellen och att åka rutschbana med stora galonbyxor (se beskrivningar senare i resultatkapitlet). Den tredje populära rastaktiviteten var testandet av barnvagnstunnelbanan. De övriga sex frågorna har endast marginella skillnader mellan diagnos 1 och 2. Skillnader sett till kön 27 av eleverna i undersökningen var pojkar och 14 var flickor. I tabell 2 redovisas pojkarnas och flickornas sammanlagda resultat på diagnoserna. Tabell 2 Summor och medelvärden av poäng kopplat till diagnos och kön. Diagnos 1 2 Ökat/minskat 11 Kön Summa Medelvärde Antal Pojkar 101 3,74 27 Flickor 54,5 3,89 14 Totalt 155,5 3,79 41 Pojkar 121 4,48 27 Flickor 60 4,29 14 Totalt 181 4,42 41 Pojkar 20 +0,74 27 Flickor 5,5 +0,4 14 Totalt 25,5 +0,63 41 Se bakgrundskapitlet, avsnittet om tröghet, friktionskraft och reaktionskraft. 18 På diagnos 1 har de 27 pojkarna gemensamt fått 101 poäng av 243 möjliga (9x27). På diagnos 2 har de fått 121 poäng, en ökning med 20 poäng, eller 20 %. De 14 flickorna har fått 54,5 poäng av 126 möjliga (9x14) på diagnos 1 och ökat till 60 på diagnos 2, en ökning med 5,5 poäng, eller 10 %. Totalt har eleverna ökat från 155,5 till 181 poäng av 369 möjliga (9x41) från diagnos 1 till 2. Det är en ökning med 25,5 poäng, eller 16 %. Medelvärdet av pojkarnas poäng var på första diagnosen 3,74, av 9 möjliga, och på andra diagnosen 4,48. Medelvärdet på flickornas poäng från diagnos 1 var 3,89, alltså högre än pojkarnas, men 4,29 på diagnos 2 – lägre än pojkarnas. Flickorna hade alltså bättre poäng på diagnos 1 och pojkarna bättre poäng på diagnos 2. Detta betyder att pojkarna ökade mest under dagen och gick om flickorna i resultatet på kryssrutsfrågorna. Frågan om ämnesintresse Frågorna om gillande och intresse för olika skolämnen visade inte så stora skillnader på föroch efterdiagnosen, men man kunde utläsa att fysik låg strax över mitten bland de nio ämnena i tabell 3 – inte mest intressant, men inte minst intressant heller. Tabell 3 Medelvärden för hur mycket eleverna gillar nio olika skolämnen. 0 = hatar, 1 = ogillar, 2 = varken gillar eller ogillar, 3 = gillar, 4 = älskar. Slöjd 3,59 Geografi 3,00 Kemi 2,88 Fysik 2,87 Svenska 2,85 Matematik 2,79 Biologi 2,56 Engelska 2,54 Religion 2,17 Slöjd ligger överst, med ett medel på hela 3,59; närmare ”älskar” än ”gillar” i genomsnitt. Geografi kommer på andra plats och därpå kommer tre ämnen som nästan delar på tredjeplatsen; kemi, fysik och svenska. Vi kan se att alla nio ämnena ligger över mitten på skalan (som var mellan 0 och 4), eleverna i de båda fyrorna på den skola jag var på gillar alltså i allmänhet alla dessa nio ämnen. Intressant var att tre personer ökat sitt intresse för fysik under dagen. Zink gick från ”gillar” till ”älskar”, Fosfor från ”ogillar” till ”varken gillar eller ogillar” och Germanium från ”varken gillar eller ogillar” till ”gillar”. En person, Tulium hade dock minskat och gått från ”gillar” till ”varken gillar eller ogillar”. Jag var förvånad över att så få hade ökat sitt intresse för fysik under dagen eftersom jag när jag observerade såg så många elever som hade roligt och såg ut att gilla det de höll på med. Det fanns ingen tydlig skillnad på hur de elever som var intresserade av fysik och de som inte var det hade utvecklats mellan diagnos 1 och 2. Bäst resultat Aktinium, en pojke på 11 år, har fått högst poäng, hela 7 poäng av 9 möjliga. Fosfor, en annan pojke på 11 år, har på diagnos 1 fått 2 poäng och på diagnos 2 fått 6,5 poäng. Det gör honom till den som ökat mest från diagnos 1 till 2 av alla 41 eleverna. Närmast efter kommer en pojke och en flicka som båda ökat 3 poäng. 19 Newtons första rörelselag, tröghetslagen, fråga 1, 3, 6 och 7 Beskrivning av tröghetslagen Newtons första rörelselag handlar om tröghet och beskriver hur föremål fortsätter ligga stilla eller röra sig rakt fram så länge ingen kraft är där och påverkar dem. Till exempel kan man dra ut en bordsduk som det står tallrikar på väldigt snabbt utan att tallrikarna följer med ner på golvet. Beskrivning av fördiagnos-efterdiagnosresultatet Hur mycket eleverna förändrats i poäng från diagnos 1 till 2 vad det gäller tröghetslagsfrågorna redovisas i tabell 4. Tabell 4 Skillnaden på diagnos 1 och 2 för tröghetslagsfrågorna Summor av poäng, maxpoäng per fråga är 41. Diagnos Fråga 1 Fråga 3 Fråga 6 Fråga 7 Totalt för tröghetslagen 1 25 10 2 8 45 2 24 9 16 6 55 Ökat/minskat Procentuellt -1 -1 +14 -2 +10 -4 % -10 % +800 % -25 % +22 % Vi kan i tabell 4 se att eleverna på frågorna som handlar om tröghetslagen minskar marginellt på tre frågor från diagnos 1 till 2 och ökar markant på en fråga, fråga 6, den om karusellen. Detta är den fråga där eleverna ökar mest från diagnos 1 till 2 av alla 10 frågor med kryssrutor. Fråga 6 visar en ökning från 2 poäng till 16 poäng. Det är den fråga med lägst resultat på diagnos 1 och det att bara två elever svarat rätt på den tyder på väldigt låg förståelse för tröghetskonceptet. Fråga 6 är också den fråga där ingen har minskat i poäng från diagnos 1 till 2. De övriga tre frågorna om tröghetslagen redovisar en gemensam nedgång på sammanlagt 4 poäng. Det vägs dock upp av fråga 6 som alltså har en ökning med 14 poäng vilket gör att elevernas sammanlagda poängökning från diagnos 1 till 2 på frågorna om tröghetslagen blir 10 poäng, eller 22 %. Rastaktiviteter, observationer och intervjusvar När det gäller observationer och informella intervjuer så gäller de enstaka elever. Det fanns inte möjlighet att observera och samtala med alla. Det redovisade resultatet får därför utgöra exempel på vad som hände på lekplatsen. Fråga 1 Det tillhandahölls jongleringsbollar att kasta och ett tre meter högt rutschbanetorn att kasta från. För att mäta använde eleverna sina egna ben och gick och mätte. Tornet var inte så högt att det blev stora skillnader på kasten. Några elever mätte skillnaden till runt två meter. Pojken Zirkonium gick från 0 till 1 poäng från diagnos 1 till 2 på fråga 1 efter att ha testat bollkastningen under rasten. Man kastar längre när man står högre upp (Zirkonium, pojke på 10 år) Zirkonium drog rätt slutsats efter sina försök och det syntes på hans efterdiagnos. Så var det inte för alla. En elev var övertygad om att han visste svaret redan innan och resonerade som så 20 att frågan ställs så att man ska tro att det är den som slängs från den högre höjden som kommer längst, fast det egentligen är den andra. Han såg frågan lite som en gåta där det oftast är det mest osannolika svaret som är rätt. Hans övertygelse om att han hade rätt kom också från ett annat experiment de gjort i klassen, sa han, ett experiment där man gör fyra små hål på olika höjder i en stående flaska full med vatten. Då är det så att strålen från det understa hålet landar längst bort från flaskan även om man tror att det ska vara strålen från det översta. I det fallet har det dock att göra med vattentryck och inte med tröghet. En annan pojke, Kalium, provade flera gånger att kasta och kom till liknande resultat varje gång; 2-3 m längre när han kastade från rutschbanan, men hade ändå svårt att acceptera sina resultat. Egentligen, på papperet trodde jag att den skulle komma längre när man står på marken för det är typ mer dragningskraft neråt när man kastar från rutschkanan. (Kalium, pojke på 10 år) Kaliums tidigare tanke om hur det borde vara satt så djupt rotad att några försök på rasten inte hjälpte så mycket. Fråga 3 För att låta eleverna undersöka vad som händer om man hoppar i en tunnelbanevagn fanns en barnvagn med enbart underrede till förfogande att stå på och hoppa rakt upp från medan någon annan körde den i någorlunda konstant hastighet. Fosfor (P) trodde att man landar längre bak i tunnelbanevagnen och förklarade det med en teori om en radiostyrd helikopter i en bil. P Det är som om man skulle ha en radiostyrd helikopter i en bil. /…/ Den skulle flyga bakåt, för den stannar ju på samma ställe. /…/ M Menar du när bilen startar? P Nej. Man kör framåt och man har något flygande i bilen så kommer ju den att, om man bara släpper upp den i luften. Jag testade med en puttekula. Den flög bakåt. /…/ På en motorväg. (Fosfor, pojke på 11 år, intervjuad av Mikael (M)) Fosfor beskriver här hur han tidigare gjort liknande experiment på egen hand, det med puttekulan, och hur han då skapade sig uppfattningen om hur det här med att hoppa inne i en kropp i rörelse fungerar. Han kommer även med ett förslag på ett liknande experiment man skulle kunna genomföra, det med den radiostyrda helikoptern. Fosfor har på diagnos 1 svarat ”A – Du landar längre bak i tunnelbanevagnen”, men lägger på diagnos 2 även till svar ”C – Du landar på samma ställe i tunnelbanevagnen som du hoppade från”. Det ger honom 1 poäng på den frågan på diagnos 2 och tyder på att han har tagit till sig något efter att ha experimenterat och sedan blivit intervjuad, men ändå inte helt släppt taget om sitt gamla tänkesätt. En annan pojke, Aktinium (Ac), tror att man på barnvagnen landar längre bak på grund av luftmotståndet medan man i en tunnelbana skulle landa på samma ställe eftersom luften där följer med tunnelbanevagnen och det är i princip riktigt, men vid så låga hastigheter som barnvagnen håller är luftmotståndet nästan försumbart. Ac M Ac 21 Jag vet inte riktigt men, eh, det blir liksom inget luftmotstånd, man bara följer med tåget. För att luften följer med tåget? Ja. (Aktinium, pojke på 11 år, intervjuad av Mikael (M)) Aktinium är den person som fått bäst resultat på diagnoserna. Han fick 8 poäng av 10 möjliga på diagnos 1. På diagnos 2 fick han 7,5, och det var fråga 10 han på diagnos 2 missat ett svar på. Här kan vi se att anledningen till att han svarat rätt på fråga 3, vilket han har, är för att han tror att luften är orsaken. En annan pojke kom på att det måste bli annorlunda om man hoppar inne i tunnelbanevagnen mot om man hoppar ut genom dörren ur den i 60 km/h. Observationerna av barnvagnstesterna visade att flera av de elever som trodde man skulle landa längre bak också landade längre bak på barnvagnen än vad de hoppade ifrån. Fråga 6 På skolgården fanns tyvärr ingen karusell, så vi hade med oss två mindre varianter, en snurrskiva att ha på köksbordet, även kallad lata lotta, och ett bingohjul. Några av eleverna experimenterade med att stå själva på dessa, men annars fanns jongleringsbollar och tejp att utföra experimenten med hjälp av. Relativt många barn testade att tejpa fast en jongleringsboll längst ut på lata lotta och sen sätta fart på henne och försöka se på vilket sätt bollen for av. Det var svårt att se om bollen for av enligt linje D eller E, men de elever som lekte med karusellen blev i alla fall varse att bollen for av i en rak linje och inte i bågar. Och det verkar vara det som avspeglas av att 14 elever som svarat fel på diagnos 1 svarade rätt på diagnos 2 på den här frågan. Fråga 7 Till hands för att testa om man skulle hålla tyngden högt eller lågt fanns två däck, en full vattendunk och en sandlådekant att balansera på. Germanium hade på diagnos 1 svarat att han inte trodde det spelade någon roll och testade på rasten sin teori flera gånger med en vattendunk. [Att hålla] vattendunken högt upp spelar ingen roll (Germanium, pojke på 11 år) Omfattande försök på rasten ledde för Germaniums del till att hans felaktiga teori bekräftades. Vattendunken vägde c:a 2,5 kg, så det var inte en i sammanhanget så stor tyngd. Flera andra elever provade med däck, som vägde c:a 9 kg. För att hålla däcken högt hängde de det runt halsen och för att hålla det lågt höll de det för det mesta i ena handen. Men däcken var mycket otympliga och eleverna föll för det mesta ner från sandlådekanten efter två meter oavsett om de hade däcket högt eller lågt eller inget däck alls. Newtons andra rörelselag, accelerationslagen, fråga 5 och 8 Beskrivning av accelerationslagen Newtons andra rörelselag handlar om att det är summan av alla krafter verkande på ett föremål som bestämmer i vilken riktning och med vilken acceleration ett föremål förflyttas. Till exempel kan man skjuta fart på en tallrik på ett bord. Från det att man släppt tallriken tills dess att den ligger stilla är den sammanlagda kraften som verkar på tallriken lika med friktionskraften, alla andra krafter tar ut varandra – alltså bromsas tallriken in och stannar till slut. 22 Ändringen av en kropps rörelsemängd (impulsen) är proportionell mot den verkande kraften och har samma riktning som kraften. (Dynamik, Nationalencyklopedin, 2013) Så låter Newtons andra rörelselag. Vilken kraft det pratas om är dock viktigt att påpeka. Kraften är en resulterande kraft, dvs. den är den vektoriella summan av alla krafter. (Newtons rörelselagar, Wikipedia, 2013) Det är den resulterande kraften som ger upphov till ändring av ett föremåls rörelsemängd. I exemplet med tallriken verkar även gravitationskraften och normalkraften på tallriken, men den vektoriella summan av de två är lika med noll, eftersom de är lika stora och motriktade. Kvar blir då friktionskraften (som även innehåller luftmotståndet) som då är lika med den resulterande kraften. Man kan också sammanfatta det genom att säga att en acceleration i någon riktning beror på en kraft i den riktningen. En acceleration kan även vara negativ. Beskrivning av fördiagnos-efterdiagnosresultatet Hur mycket eleverna ökat i poäng från diagnos 1 till 2 vad det gäller accelerationslagsfrågorna redovisas i tabell 5. Tabell 5 Skillnaden på diagnos 1 och 2 för accelerationslagsfrågorna Summor av poäng, maxpoäng per fråga är 41 Diagnos Fråga 5 Fråga 8 Totalt för accelerationslagen 1 14,0 20,0 34 2 14,0 25,0 39 ±0 +5 +5 ±0 % +25 % +15 % Ökat/minskat Procentuellt På fråga 5 varken ökar eller minskar klassernas sammanlagda resultat. Dock är det fem elever som ökar sina poäng med 0,5 och fem elever som minskar sina med 0,5. Detta är den enda fråga där ingen elev ökar från 0 till 1 poäng mellan diagnos 1 och 2. På fråga 8 ökar 10 personer sina poäng och 3 minskar från första till andra diagnosen. Vissa ökar med 1 poäng, vissa med 0,5. De som minskar, minskar enbart med 0,5 poäng. Elevernas sammanlagda poängökning från diagnos 1 till 2 på frågorna om accelerationslagen är 5 poäng, en ökning med 15 %. Rastaktiviteter, observationer, intervjusvar och motiveringar Fråga 5 Det fanns fyra gungor på fyrornas del av skolgården och dessa användes mycket hela rasterna, men mer till att utforska fråga 10 än 5. Jag observerad ingen som utforskade fråga 5. Ändå fanns olja tillgängligt för de som ville testa att smörja gungorna. Polonium svarade både rätt på diagnos 1 och 2. Hans motivering till sitt svar på diagnos 1 är mitt i prick. Det är luftmotståndet och friktionen som gör det. Friktionen gör så att den bromsas däruppe. Luftmotståndet kan också stoppa gungan. (Polonium, pojke på 10 år) 23 Polonium är den ende som gett en så bra motivering. Ordet ”kan” gör att jag tror han menar att det framför allt är friktionen som är orsaken och att luftmotståndet kommer först i andra hand. En annan pojke, Torium, svarade ”luftmotståndet” på både diagnos 1 och 2 och verkar ha använt sig av uteslutningsmetoden i sin motivering. För friktionen håller fast gungan, dragningskraften ger den mer fart och tyngd ger också mer fart. (Torium, pojke på 11 år) Det gav honom 0,5 poäng på frågan, men visar inte på någon större förståelse för vad friktion är för något. Zirkonium får bli talesperson för uppfattningen att det är jordens dragningskraft det handlar om. Jordens dragningskraft drar ner allt och även gungan. (Zirkonium, pojke på 10 år) 10 elever svarade som Zirkonium att det är jordens dragningskraft som bromsar gungan. Kalium jämför jordens kraft med gungans kraft. Jordens dragningskraft är starkare än gungans kraft. (Kalium, pojke på 10 år) Det var också ett citat från en motivering till varför man svarat som man gjort. Fråga 8 Alla sex varianterna var möjliga att undersöka då de själva hade byxor och jackor och vi tagit med oss galonbyxor och vatten. Sand fanns i sandlådan i anslutning till själva rutschbanan. Många lekte med galonbyxorna och vattnet och hade tävlingar och åkte tåg. De som provade det kom också fram till att det gick väldigt fort. På frågan om hur man skulle kunna åka ännu snabbare svarade flera stycken att vattenrutschbanan i badhuset är snabbare och lite rodnande berättade flera att de brukar dra in baddräkt eller badbyxor och åka direkt på rumpan i badhuset eftersom det går fortast. En flicka, Svavel, kom med ett förslag på varför galonbyxor och vatten gick snabbast. Eh, jag vet inte, det är ganska såhära glänsigt. (Svavel, flicka på 11 år) Att ett material har låg friktionskoefficient kan alltså på en elvaårings språk uttryckas som att materialet är ”glänsigt”. En annan definition på ett sådant material kom som en motivering på diagnos 2 av Kalium, en pojke på 10 år, när han skrev att det som är mest ”lent” glider bäst. 7 personer har skrivit att ”de testat” när det frågas efter motivering till deras svar på fråga 8 på diagnos 2. Newtons tredje rörelselag, lagen om verkan och återverkan, fråga 2, 9, 10 och 11 Beskrivning av lagen om verkan och återverkan Newtons tredje lag handlar motkrafter. Om en tallrik faller i golvet slår tallriken golvet med en ganska stor kraft, men golvet slår också tallriken med en lika stor kraft, vilket tyvärr för det mesta leder till att tallriken går sönder. 24 Beskrivning av fördiagnos-efterdiagnosresultatet Hur mycket eleverna ökat i poäng från diagnos 1 till 2 vad det gäller kryssrutsfrågorna kopplade till lagen om verkan och återverkan redovisas i tabell 6. Resultaten från fråga 11 redovisas under nästa rubrik. Tabell 6 Lagen om verkan och återverkan Summor av poäng, maxpoäng per fråga: 41 Diagnos Fråga 2 1 20 2 Fråga 10 31 24,5 Totalt för tredje lagen 75,5 30 32 24,0 86 +10 +1 -0,5 +10,5 +50 % +3 % -2 % +13 % Ökat/minskat Procentuellt Fråga 9 En ökning med 10 poäng på fråga 2 är en signifikant ökning. Visserligen ökade poängen mer på fråga 6, men där var förförståelsen väldigt låg. Här har nästan hälften av eleverna svarat rätt redan på diagnos 1 och det tyder på en relativt stor förförståelse. Att det trots det har ökat ända till 30 elever som svarat rätt på frågan på efterdiagnosen är anmärkningsvärt. Fråga 9 var den med högst antal rätta svar på hela undersökningen, 31/41 på diagnos 1 och 32/41 på diagnos 2. På fråga 10 har 8 elever ökat och 9 elever minskat i poäng från före- till efterdiagnosen. Rastaktiviteter, observationer, intervjusvar och motiveringar Fråga 2 Vi hade inget tillgängligt extramaterial för att prova med på den här frågan, men frågade någon elev svarade vi att det nog inte vore så bra att ställa sig på någons axlar ur säkerhetssynpunkt utan hitta på ett annat sätt att testa på. En kille, Torium, ställde den frågan och vi resonerade en stund. Han hade först en intressant förklaring på fråga 2, kom därefter med ett bra förslag på hur man skulle kunna testa svaret, kom på rätt svar medan vi resonerade och gav en bra förklaring till det i slutet. Th M Th M Th M Th M Th M Th M Th M Th M Tantal Th 25 Jag svarade när man reser sig upp för då har man två utav sakerna på. Vad menar du med två utav sakerna? Då sitter man både på huk och man står. Aha, just det, så att det är båda de på en gång så att säga. Plus att man reser sig upp, det är ytterligare en ställning /…/ Kan du komma på nåt sätt att testa detta på? /…/ Jo, det kan man. När man går och väger sig /…/ och gör alla de här sakerna. Smart. Man ställer sig på en våg och gör det. Ja Och så, om man sitter på huk, vad väger jag när jag sitter på huk? Lika mycket som du gör... Ja, vi säger att jag väger 90, för det gör jag. Ja, då väger jag 90. När jag står upp, vad väger det då på vågen? 90 Och när jag räcker upp händerna? Vad väger jag då? 90 Och vad väger det när jag ställer mig upp? 90 Nej, hundra. M Typ hundra, varför då? Th För att då trycker du ner med kraften ner mot golvet. (Torium, Th, pojke på 11 år och Tantal, flicka på 10 år, intervjuade av Mikael (M)) Torium har svarat rätt på fråga 2 på båda diagnoserna. Motiveringen till hans svar på första diagnosen speglar dock att han inte förstått vad det handlar om även om han svarat rätt. Plötsligt kommer han under intervjun på att man kan testa detta om man har en våg. Vi hade ingen våg tillgänglig, men bara tanken på den får honom att dra rätt slutsats och att till och med komma med en bra förklaring i slutet. Fråga 9 Motiveringarna till vad de svarat på fråga 9 handlar mest om att det gör ont med raka ben och om att de har testat tidigare. En elev uttrycker dock något mer. Det blir snabbare bromsning med raka. (Zirkonium, pojke på 10 år) Han uttrycker att orsaken till att det gör ondare med raka ben även från den lägre stubben (som han också har svarat gör ondast) är att det blir en snabbare inbromsning när man landar med raka ben. Han uttrycker här en förståelse för att man genom att böja benen vid landning sprider ut mottagandet under en längre tid vilket gör det lättare att ta emot sig och det gör inte lika ont. Fråga 10 Fluor som testat att kasta däcket och ökat tre poäng i gamla systemet, nu ett poäng. Men ett markant poäng, ingen annan har ökat ett poäng på den uppgiften, bara ett halvt. Fluor hade precis kommit fram till att däcket flyger en meter framåt ungefär genom att testa när följande dialog utspelade sig: M Du som sitter på gungan, vad händer med dig? F Sitter kvar M Du sitter kvar, sitter du kvar helt still? F Näe M Vi tittar på henne här nu /…/ Vad hände med henne? F Hon fick lite fart (Fluor, flicka på 10 år, intervjuad av Mikael (M)) Fluor gick från att enbart ha svarat att däcket flyger iväg med hög fart på första diagnosen till att svara båda rätt på diagnos 2. I ett annat poängsystem skulle hon ha ökat tre poäng efter att ha kastat däcket på rasten och observerat när en kompis kastade det. Neon hade bara svarat att Gabriel skulle börja gunga med låg fart på diagnos 1, inget om vad däcket gjorde. När han hade sett att däcket flög iväg lite frågade jag vidare för att se om han hade någon uppfattning om varför. M Däcket flyger ju ändå en meter typ, eller hur, och han rör sig bara 10 centimeter, varför är det så? Varför flyger inte båda lika långt åt båda hållen? N För, eh, han kanske, han kanske är tyngre. (Neon, pojke på 10 år, intervjuad av Mikael (M)) Ett utmärkt svar. Vi fortsatte att resonera och han kom fram till att om däcket och personen bytte plats och däcket kastade personen så skulle däcket börja gunga med hög fart. 26 Elevsvar fråga 11a Förutom alla som skrev att stubbe 2 var högre, att han får ont annars och att det är lättare att landa med böjda ben var det några andra definitioner och svar som kom fram. Endast en elev, Zirkonium, som redan verkar förstått konceptet efter vad han svarat på fråga 9, nämnde dock rörelseenergi. Man fick mer rörelseenergi. (Zirkonium, pojke på 10 år) Det var säkert fler som tänkte i former av energi, men bara en som skrev ordet. Fyra elever nämnde tyngdkraften/dragningskraften som en anledning. Två elever hävdade att det berodde på att det var mer tryck i hopp 2. Elevsvar fråga 11b De flesta nämnde även på denna fråga ”höjd” och att ”det inte gjorde så ont då” som anledningar. Samma elev som nämnde rörelseenergi på fråga 11a nämnde här energi och de elever som nämnde tryck på förra frågan gav det som förklaring även här. En pojke tänkte sig att tyngdkraften inte bara drog mig neråt utan också framåt. För tyndkraften gör i luften så du får mer fart framåt än i vanliga fall när du hoppar framåt så du måste göra kullerbyttor (Radon, pojke på 11 år) Av någon anledning drog Radon slutsatsen att det var min horisontella hastighet som gjorde att jag rullade runt efter hoppet och att den ökats av gravitationen. Sju elever skrev att jag fick så mycket fart att jag var tvungen att rulla runt. Tre av dem hade använt ordet fart även i 11a. Kanske hade de liknande uppfattningar som Radon, att jag fick fart framåt av att det var ett hopp från en hög stubbe. Silver, en pojke på 11 år, har svarat att jag rullade runt för att jag ville vara spion. Elevsvar fråga 11c 39 elever verkar ha förstått att repet bromsade mig istället för marken. De övriga två har antingen inte svarat alls eller svarat ”vet ej”. Mer än så har de flesta inte förklarat. På diagnos 1 gav Erbium dock uttryck för en i klasserna enligt resultatet unik uppfattning. För att det är högt, annars får man ont. (Erbium, pojke på 10 år) Frågan var varför jag inte böjde alls på benen. Här svarar han att det beror på att det är högt och att man får ont annars. Med ordet ”annars” kan han nog ha menat ”i så fall”. Han verkar tro att det skulle göra ont om jag hade böjt på benen i landningen från 9-metersstubben. Jämförelse mellan lagarna Genomsnittspoängen för frågorna om Newtons första lag var på första diagnosen 11,25 poäng (av 41) och på andra diagnosen 13,75 poäng – en ökning med 2,5 poäng. Lag två hade eleverna bättre koll på på förhand, 17 poäng i genomsnitt på diagnos 1. Även där ökades poängen med 2,5 till diagnos 2 till 19,5. Avsevärt högst fördiagnosresultat hade eleverna på tredje lagen där genomsnittspoängen från de fyra frågorna var 25,17. Där ökades det även ännu mer, med 3,5 poäng, till 28,67 poäng på diagnos 2. 27 Diskussion Resultatdiskussionen kommer först och den är uppbyggd efter syftet och frågeställningarna. Därefter kommer metoddiskussionen. Resultatdiskussion I vilken grad förstår elever i fjärde klass mer mekanik efter att ha lekt på en lekplats? Sedgwick menade att alla skolämnen får en positiv skjuts av att bedrivas delvis utomhus (2012, s 23). Det syntes i resultatet även denna undersökning om än blygsamt i och med de tre elever som uttryckte högre gillande för fysik på efterdiagnosen än på fördiagnosen. Observationerna visade att eleverna var väldigt positiva, men det är svårt att avgöra om det innebär en positiv skjuts framåt för fysikämnet eftersom ingen förobservation finns att jämföra med och studien är så pass liten. Att ändra svar på frågan på diagnosen innebar också ett ganska stort steg. Det är stort att gå från likgiltighet till att gilla ett ämne. 27 pojkar och 14 flickor deltog i undersökningen. Flickorna hade bättre resultat på diagnos 1 än pojkarna, men pojkarna ökade sina poäng dubbelt så mycket som flickorna (20 % respektive 10 %) och gick om till diagnos 2. Yerkes slutsats, att pojkar har ”det där äventyrslystna” i sig i högre grad än flickor, kan vara en orsak till att pojkarna verkar ha undersökt mer än flickorna (1982, s 5). Men så enkelt är det nog inte. Ofta uppmuntras nog pojkar i högre grad av föräldrar och lärare att vara äventyrslystna och det gör detta till ett eget forskningsområde. Lieberman och Hoody menade att extramuralt lärande ofta ger eleverna praktiska lärandeupplevelser och ökar uppskattningen av närmiljön (1998, s 7). Zirkonium, som insåg att man kastar längre när man står högre upp och Fluor, som tittade på sin kompis på gungan och drog slutsatser om hur långt det kastade däcket flyger, är exempel på praktiska lärandeupplevelser som tog plats under undersökningsdagen. Enda problemet med extramuralt lärande utomhus i allmänhet och med Brodas (2011) utvecklingsidéer för skolgårdar i synnerhet är att vi i Sverige har vinter nästan 6 månader. Större delen av den forskning jag läst om utomhuspedagogik kommer från USA och bilderna i böckerna är alla somriga. Det tyder på att de inte gör så mycket ute på vintern och i större delen av USA har de inte lika lång vinter som oss här i norden. Jag efterlyser mer utomhuspedagogik anpassad för vinterväder och regn. Liksom Caramazza, McCloskey & Green (1981, s 119) kom fram till att det inte fanns någon skillnad mellan de som läst mycket eller lite fysik när det kom till förståelsen för tröghet fann inte jag heller något samband mellan att de elever som uttryckt att de gillar fysik svarade bättre eller hade utvecklats mer mellan diagnos 1 och 2 än de som uttryckte att de inte gillade fysik. Mitt resultat, med en ökning av mekanikkunskaperna på 16 % mellan diagnos 1 och 2, kommer inte i närheten av Lieberman och Hoodys resultat att de elever som lärt sig naturvetenskap delvis utomhus till 75 % utvecklat sina kunskaper mer än de som fått traditionell undervisning (1998, s 12). Den undersökningen gjordes dock under ett helt år och jämförde resultaten från de elever som fått utomhuspedagogik med en kontrollgrupp. Så jämförbara är de inte. Men eleverna i min undersökning ökade sina poäng med 16 % på 28 relativt kort tid. Det hade varit intressant att se vad som kunde hänt om man använde detta som ett längre tema för elever med en ålder där begrepp som krafter och rörelse kan förstås (Piaget, 2001, s 121). Har elever i fjärde klass förstått vad trögheten gör? En ökad förståelse för tröghetskonceptet ser vi i resultatet. Eleverna gick från 45 till 55 poäng av 164 möjliga (4x41). Ökningen var inte så stor, men tillräckligt stor för att indikera att åtminstone några elever dragit riktiga slutsatser om trögheten. Min frågeställning om elever i fjärde klass förstått vad trögheten gör känner jag mig nödgad att besvara med att säga: I allmänhet nej. Detta för att de endast nått upp till en tredjedel av maxpoängen på tröghetsfrågorna. Frågan om karusellen, fråga 6, var den första på diagnosen med fem eller fler alternativ, de tidigare frågorna hade alla haft tre till fyra alternativ. Det kan vara en av anledningarna till att det initialt var så dåligt resultat på den, men den exceptionella ökningen av poäng vill jag mena måste hänga ihop med att det var så många som testade minikarusellen på rasten och drog slutsatser om att bollarna i alla fall föll av i rak linje, även om en hel del av dem inte tolkade det som linje D. Att ett föremål som inte påverkas av yttre krafter fortsätter sin rörelse i rak linje är centralt för tröghetslagen och just att förståelsen för det ökade hos 14 elever är mycket tillfredsställande. Nu vet man inte om alla 14 elevernas svar är uttryck för ökad förståelse, för som Lyons (2005, s 22) påpekar är mycket av lärandet på en lekplats tyst, man ser det inte. Det kan nog gälla åt båda håll; att en del lärande ser man inte även om det finns där och en del lärande ser man, även om det inte finns där. Men en slutsats man kan dra tycker jag är att förståelse för trögheten har ökat, för även om inte alla som svarade rätt på karusellfrågan på diagnos 2 gjorde det på grund av ökad förståelse verkar det som att en hel del gjorde det i alla fall. Att nästan ingen visste vad som händer när man hoppar av en karusell i början av dagen tyder även det på att eleverna i allmänhet inte förstår tröghetskonceptet. Piaget (2001, s 115) menar att ett barn till en början inte är intresserat av hur saker fungerar och vad som händer i en viss situation, utan mer om varför saker och ting händer, vad det finns för avsikter bakom. I den här situationen skulle ett yngre barn kunna säga att du ramlar av karusellen för att karusellen tycker du är för tung och slänger av dig. Det var synd att jag inte hade med en b-fråga på den här frågan där jag bad de redogöra för varför de svarade som de gjorde. Jag var förvånad över att eleverna i allmänhet inte ökat sin förståelse för konceptet på frågan om var man landar i tunnelbanan trots att det var en av de tre mest testade frågorna under rasterna. Dock kommer förklaringen fram i observationerna av testandet av barnvagnstunnelbanan. De barn som trodde de skulle landa längre bak landade också längre bak. Jag tror att man som människa gärna vill ha rätt och de elever jag bad ge en hypotes om hur de skulle landa landade sedan medvetet eller omedvetet enligt sin hypotes. Samma fenomen kan mycket möjligt vara orsaken till att ökning i poäng på kasta-bollfrågan uteblev trots att den testades av flera av eleverna. Om fler elever än den som berättades om i resultatkapitlet kopplade samman bollfrågan med deras tidigare försök med vattenflaskan kan även det vara en anledning till att vi ser en liten nedgång på svaren på den frågan. Det ett lärarlett experiment visar lägger elever stor vikt vid. Större vikt än om ens eget experiment visar annorlunda. Balansfrågan var ganska svår för eleverna att testa eftersom det egentligen behövs ett ganska tungt föremål för att effekten ska bli kännbar, men tunga föremål är svåra att lyfta. Sambandet 29 mellan frågan om balans och förståelsen av tröghetskonceptet är inte heller så framträdande som på de övriga tröghetsfrågorna. Det tar några år att utveckla en förståelse för tröghet, rörelse och krafter enligt Piaget (2001, s 116) och Kaliums sätt att resonera; att även om hans försök visade en sak hade han svårt att ändra sitt synsätt, gör att man förstår varför det tar lång tid att utveckla förståelsen. Har man bilden klar av hur något fungerar tar det ibland mycket energi och tid att ändra den bilden. Har elever i fjärde klass förstått vad friktionen gör? Poängen ökade på frågorna om denna lag från 34 till 39 av 82 möjliga (2x41). 39 poäng är mindre än hälften av maxpoängen. Det gör att jag inte kan påstå att elever i fjärde klass i allmänhet har förstått vad friktionen gör. De har för låga poäng, till och med på andra diagnosen, för att jag ska våga påstå det. Slutsatsen blir att det finns mycket kvar att göra på det här området, precis som på tröghetsområdet. Kalium jämförde jordens kraft med gungans kraft i sin motivering på frågan om varför en gunga slutar gunga. Han verkar veta vad jordens dragningskraft är och lite hur den fungerar, men det är svårt att förstå vad han menar med ”gungans kraft”. Är det gungans energi, är det gungans dragningskraft på jorden eller är det gungans fart han menar? Piaget menar att förståelsen för krafter inte utvecklas utan kommer relativt plötsligt i 11-12 årsåldern (2001, s 121). Kaliums förståelse för krafter, hur de fungerar och vad de gör verkar inte ha kommit dit ännu, i alla fall inte vad det gäller friktionskraften. Det skulle nog behövas mer än ett fritt testande för att komma fram till hur krafter fungerar. Ett av problemen är ju också ordet ”kraft”. Det används i andra sammanhang än i betydelsen mekaniska krafter. Piaget menade att egentligen utvecklades förståelsen för kraftkonceptet tidigare, men barn kan inte uttrycka det verbalt förrän de är 11-12 år. Där ser vi samma problem som Kalium har. Vad menar han egentligen med ”gungans kraft”? Det var på rutschbanefrågan som poängökningen fanns inom accelerationslagen. Att sju personer svarat som de gjort på grund av att de ”testat” är en förklaring till att poängen ökat. Men att veta vilket som går snabbast och långsammast ner för en rutschbana kan inte sägas ha att göra med en förståelse av vad friktionen gör. Så det att frågan om varför en gunga slutar gunga inte gav någon ökning gör att jag inte kan säga att förståelsen av vad friktionen gör ökat. Har elever i fjärde klass förstått vad reaktionskraften gör? En förförståelse på 75,5 av 123 poäng (3x41) är ganska bra. Och att förståelsen efter dagen låg på 86 betyder att eleverna fått mer än två tredjedelar av maxpoängen på frågorna om lag tre. Det gör att jag vågar uttrycka mig och säga att eleverna i dessa 4:or ganska väl förstått vad reaktionskraften gör. Toriums förslag om att testa stå-på-axlarnafrågan genom att använda sig av en våg tyckte jag var det bästa som hände under hela dagen. Att ta hjälp av mätinstrument som finns i hemmen är en ekonomiskt bra idé när man är fysiklärare, som Kouh, Holz, Kawam, och Lamont (2013, s 146) också gjorde när de använde sig av wiimotekontroller som flera av eleverna hade hemma för sina försök. För att barn ska gå vidare och ta sig igenom utvecklingsfaserna till ett mekaniskt tänkande (Piaget, 2001, s 116) krävs nog det som läroplanen kallar för enkla systematiska undersökningar (Lgr 11, s 129), varför inte med hjälp av wiimotekontroller och vågar. 30 Frågorna om hopp från två låga stubbar och den med däcket hade ingen stor ökning i poäng mellan diagnos 1 och 2, men det intressanta där tyckte jag var när Neon kom fram till att tyngden spelar roll när det kommer till lagen om verkan och återverkan. Nu var det ju inte så som Piaget (2001, s 125) skrev att vissa barn ser det som är tungt som att det har kraft, men att tyngden i det här fallet leder till större tröghet som leder till att den lättare kroppen åker iväg längre. Radon menar att min horisontella hastighet ökats av gravitationen i frågan om varför jag rullade runt efter landningen på hopp 3 (fråga 11b). När jag för min inre syn försöker föreställa mig hur han tänker sig situationen och krafternas riktningar känns det som att han har rätt. Att det är så att gravitationen får mig att åka snabbare framåt. Mina fysikkunskaper säger mig att det inte är så, men mina känslor säger mig att det är så. Lgr 11 säger att man ska lära sig om vardagsfysiken så som den ter sig på en lekplats (s 128), men jag skulle vilja hävda att till viss del är det svårt att förstå även vardagsfysiken, för den är inte i alla lägen logisk och Radons svar här gör att det känns viktigt att avsluta resultatdiskussionen med att ta upp det. Det kan vara väldigt svårt att förstå den newtonska mekaniken eftersom den i många delar faktiskt går emot vad vi upplever i vardagen. Vi upplever inte att ett föremål som rör sig fortsätter att röra sig, utan allting stannar. En vardagsföreställning om tröghet kan låta så här: alla föremål strävar efter att ligga stilla. Det är inte förrän vi människor får upp ögonen för friktionen som vi kan förstå att trögheten fungerar på det sätt som den gör. Newtons lagar hänger ihop och vi behöver både undervisa mer om och undersöka mer av dem. Metoddiskussion Valet av metod De informella intervjuerna och ostrukturerade observationerna kompletterade för- och eftertestmetoden på ett bra sätt. Mitt urval var inte slumpmässigt utfört och för litet för att med hjälp av kvantitativ metod ge några generaliserbara eller signifikanta resultat, men själva modellen, med för- och eftertest var relevant för min undersökning. Hade jag arbetat tillsammans med någon skulle vi kunnat göra undersökningen på flera skolor, och fått högre reliabilitet, men nu när jag arbetade mestadels själv hade det blivit för tungrott att göra det i till exempel 10 klasser. Mitt resultat går inte att generalisera till alla fjärdeklassare i Sverige när det kommer till slutsatser om skillnader mellan könen eller intresse för olika ämnen eftersom mitt urval är för litet och inte slumpmässigt utvalt. Men jag vill hävda att detta att två av de tre populäraste rastaktiviteterna också gav en ökad förståelse för två av de viktigaste temana står ut tillräckligt mycket för att kunna dra slutsatsen att elever i förpuberteten kan förstå mer mekanik genom att leka på lekplats, om än inte i så hög grad. Thurén (1991, s. 22) menar att ett resultat får högre reliabilitet om flera olika forskare kommer till samma slutsats efter att ha undersökt med samma principer. Det jag hoppas är att fler ska undersöka just detta område eftersom det har stor utvecklingspotential i och med att Sverige är så lekplatstätt. Frågan om karusellen sticker ut bland frågorna om tröghetslagen. Både vad gäller det dåliga resultatet på diagnos 1 och den stora ökningen till diagnos 2. Den sticker dock även ut på det sättet att det är den fråga jag haft svårast för att formulera. Inspirationen kom från Thompson, Barron, Chandler, Shaw, & Hannafin (2010, s 461) och frågan lyfter fram det Lyons (2005, s 22) kallar rotationsrörelse och vinkelrörelse, så jag fick hjälp av tidigare forskning, men det 31 räckte inte. Jag fick ta hjälp av en fysiklärare vid Högskolan i Borås för att frågan skulle bli korrekt men ändå lättförståelig. Eleverna fick experimentera fritt om de ville, men vi hade med visst material att använda. Galonbyxorna fungerade bra och gav en förståelse för konceptet minskad friktion och minikarusellerna en förståelse för tröghet. Att kasta däcket från gungan bidrog även det till någorlunda rätta slutsatser. Dock fyllde inte barnvagnen riktigt sin funktion i att likna en tunnelbanevagn. Både vad gällde att det var svårt att köra den i konstant hastighet och vad det gällde att hoppa rakt upp. Den var för ranglig och rolig att köra omkring med. Det att den var rolig att köra omkring med gav mig idén att faktiskt ha ett par sådana på skolgårdar för skojs skull. De kan tyckas farliga, men eleverna skötte det med stor respekt för varandra. Att använda ett däck för att hålla högt eller lågt när man balanserade var inte heller optimalt. Bättre hade nog varit en kulstötningskula eller liknande; något tungt, men litet. Den fjärde frågeställningen, om filmdiagnoser och lek är en gångbar didaktisk metod för att lära sig mekanik, kan jag säga ja till. Jag har inte jämfört den med andra metoder, så jag kan inte säga om den är bättre eller sämre än dem, men då undersökningen visar att elever lärt sig mekanik, om än inte så mycket, kan jag också dra slutsatsen att metoden fungerar. Skillnaderna mellan pojkar och flickor Att både jag och Anton var pojkar och att det antingen inspirerade pojkarna mer än flickorna eller att vi omedvetet uppmuntrade pojkarna mer än flickorna kan ha spelat in i resultatet att pojkarna ökade sina poäng dubbelt så mycket som flickorna under dagen. Didaktiska konsekvenser Jag hoppas med denna undersökning kunna inspirera lärare till att arbeta mer med film i undervisningen i allmänhet och att använda skolgården mer i fysikundervisningen i synnerhet. Nationellt resurscentrum för fysik har tagit fram en hemsida med fler beskrivningar av fysikexperiment man kan göra på lekplatser12. Där finns många bra tips. Ett annat, lite mer långsiktigt mål med denna undersökning skulle kunna vara att få igång kommuner och företag att bygga lekplatser som inspirerar barn att göra experiment medan de leker. Ett första steg till det vore att sätta upp plakat på lekplatser med förslag på försök barn kan göra själva medan de leker på redan befintliga lekplatser, men steg två vore att bygga speciallekplatser. Får jag föreslå ett flerämnesintegrerat gung-tema i skolan; två veckor om bara gungor. Att börja med att under en friluftsdag sätta upp ett antal egna gungor och testa dem fritt, dra slutsatser, komma på egna experiment med gungor och utföra dem. Att fortsätta med en historielektion utifrån frågan: hur länge har det funnits gungor? I slöjden skulle man tillsammans kunna bygga en s.k. rysk gunga eller en hammock för rastvakter att sitta i. Att lägga ett par lektioner på att genomföra experiment liknande det Taylor, Hutson, Krawiec, Ebert, och Rubinstein (1995, s 333) gjorde med sina elever eller hitta på nya sätt att gunga på och söka patent för dem som en femåring i USA försökte 200213. Veckorna skulle kunna avslutas med en större målning var som ska uttrycka någon upptäckt eleven gjort och även innehålla en gunga av något slag. Eller så avslutas veckorna med att åka till Liseberg och åka Uppswinget och Hanghai14. 12 Länk till lekplatsfysikhemsidan: http://www2.fysik.org/experiment_och_annat/lekplatsfysik/ Går att läsa om på wikipedia: www.wikipedia.org sökord: swing 14 Två attraktioner som finns år 2013 som bygger på pendelprincipen. För mer information: www.liseberg.se 13 32 En direkt lärdom man kan dra in i all naturvetenskapsundervisning är att det är viktigt att lära barnen rätt begrepp från början och lägga ner tid på att låta dem uttrycka sig och försöka förklara för att som lärare se om de förstår vad begreppen betyder. Kanske vi i svenskan också skulle kunna byta ut begreppet ”krafter” till något som inte används i andra sammanhang. Vi skulle kunna ta engelskans ”force”, som vi redan använder när vi säger ”forcera” och använda det även på svenska. Eller kan vi ta latinets ”vis” som låter mer svenskt från början. Framtida studier Framtida studier skulle kunna undersöka vad det finns för initiativ i Sverige om utomhuspedagogik på vintern. Eller göra en svensk version av den amerikanska undersökningen om skolors resultat som har delar av sin undervisning utomhus och jämföra dem med skolor som har traditionell undervisning (Lieberman & Hoody, 1998). Att undersöka barns begreppsutveckling inom det här området kan också vara intressant. Tack Stort tack vill jag rikta till min fru, Elisabeth Wahl, som stått ut med mig dessa långa skrivardagar och fött vår son under arbetets gång. Honom vill jag också tacka, Josia Edison Wahl; att du kom till världen inspirerade mig väldigt mycket. Anton Berntsson var min medhjälpare under undersökningsdagen och både han och hans fru Charlotta Berntsson har ställt upp med mycket barnpassning av vår dotter när jag har behövt skriva. Henne vill jag också tacka, Filippa Emely Wahl, 2 år gammal; du har så många undersökningar för dig varje dag att jag blir både inspirerad och glad. Och du gjorde succé i filmerna. Hoppas du blir filmstjärna någon gång. Min bror Gabriel Wahl hjälpte mig att filma, och var med på vissa filmsnuttar. Min mor Ingela Wahl höll även hon i filmkameran ibland. Min far Lars-Gunnar Wahl har korrekturläst flitigt och uppmuntrat mig både till att studera och att fullfölja studierna och examensarbetet. Tack hela familjen för hjälpen. Susanne Björkdahl Ordell har handlett mig på ett väldigt bra sätt. Mest imponerad är jag av din ödmjukhet, att du kan säga att du inte vet när du inte gör det. Då litar man mer på det du säger att du vet. Jag har vanligtvis svårt att ta kritik, men du har gett den på ett så bra sätt att det har känts både uppmuntrande och utvecklande. Tack för det. Helena Buller och Ida Josefsson vill jag tacka för gott samarbete och utbyte av tid och erfarenheter. Derek Muller, Michael Stevens och Henry Reich vill jag tacka för deras inspirerande youtubekanaler (Veritasium, Vsauce, MinutePhysics). Jag vill också tacka alla härliga elever och underbara lärare på skolan där jag genomförde undersökningen. Hoppas ni fått upp ögonen för potentialen er lekplats har! 33 Referenslista Broda, H. W. (2011) Moving the classroom outdoors; schoolyard-enhanced learning in action. Portland, CA: Stenhouse Publishers Caramazza, A., McCloskey, M. & Green, B. (1981) Naive beliefs in “sophisticated” subjects: misconceptions about trajectories of objects. Cognition (1972) vol: 9 iss: 2 ss: 117-196 Eriksson, T. (2013) Dynamik. [Elektronisk] I Nationalencyklopedin. 4 skärmsidor. Tillgänglig: http://www.ne.se/lang/dynamik/157808, [2013-05-16] Hagerott, S. G. (1997) Physics for first-graders. Phi delta kappan. (1915-) vol: 78 iss: 9 ss: 717-720 Bloomington, IN: Phi delta kappa fraternity international Hartman, J. (2004) Vetenskapligt tänkande; från kunskapsteori till metodteori. Lund: Studentlitteratur Kawam, A. & Kouh, M. (2011) Wiimote experiments: 3-D inclined plane problem for reinforcing the vector concept. The physics teacher. (1963-). vol: 49 iss: 8 ss: 508-509 College Park, MD: American association of physics teachers Kouh, M., Holz, D., Kawam, A. & Lamont, M. (2013) Wiimote experiments: circular motion. The physics teacher. (1963-). vol: 51 iss: 3 ss: 146-148 College Park, MD: American association of physics teachers Lieberman, G. A. & Hoody, L. L. (1998) Closing the achievement gap; using the environment as an integrating context for learning. Poway: Science Wizards Lyons, Brian. (2005) Playground Exploration: An Opportunity for Incidental Learning of Mechanical Principles. Teaching elementary physical education. (1990-). vol: 16 iss: 2 ss: 2124 Champaign, IL: Human Kinetics Publishers Nationalencyklopedin. Newtons lagar. [Elektronisk] Tillgänglig: http://www.ne.se/lang/newtons-lagar, [2013-05-14] Piaget, J. (2001, orig 1930) The child’s conception of physical causality. New Brunswick, NJ: Transaction Publishers Reno, C. & Speers, R. R. (1995) Accelerometer measurements in the amusement park. The physics teacher. (1963). vol: 33 iss: 6 ss: 382-384 College Park, MD: American association of physics teachers Sedgwick, F. (2012) Learning outside the primary classroom. Florence, KY: Routledge, Taylor & Francis Group Stukát, S. (1993) Statistikens grunder. Lund: Studentlitteratur Sumners, C. & Jones, H. L. (1983) Roller coaster science. Science and children. (1963) vol: 21 iss: 2 ss: 12-14 Arlington, VA: National science teachers association 34 Taylor, R., Hutson, D., Krawiec, W., Ebert, J. & Rubinstein, R. (1995) Computer physics on the playground. The physics teacher. (1963-). vol: 33 iss: 6 ss: 332-337 College Park, MD: American association of physics teachers Thompson, M., Barron, P., Chandler, C., Shaw, K. & Hannafin, K. (2010) Playground fun demonstrates rotational mechanics concepts. Physics Education. Vol. 45, iss. 5, ss. 459-461 London: IOP Publishing Thurén, Torsten. (1991) Vetenskapsteori för nybörjare. Stockholm: Liber AB Veritasium; Muller, D. (2011) When Is A Bungee Jumper's Acceleration Max? http://youtu.be/FhmLBxyX8Dw [2013-05-15] Vetenskapsrådet (2003) Forskningsetiska principer inom humanistisk-samhällsvetenskaplig forskning. Stockholm: Vetenskapsrådet Vetenskapsrådet (2011) God forskningssed. Stockholm: Vetenskapsrådet Wahl, M. (2013a) Mekanikfrågor. http://youtu.be/ER_0OkXYOPY [2013-05-16] Wahl, M. (2013b) Mekanikfrågor - kortfrågor. http://youtu.be/q_rtmWBOdgA [2013-05-16] Wahl, M. (2013c) Mekanikfrågor, svaren. http://youtu.be/kiKhfZxujQI [2013-05-16] Wikipedia. Newtons rörelselagar. [Elektronisk] Tillgänglig: http://sv.wikipedia.org/wiki/Newtons_r%C3%B6relselagar, [2013-05-16] Yerkes, R. (1982) A playground that extends the classroom. Miami: Miami University [elektronisk] Tillgänglig: http://www.yerkesconsulting.com/Documents/Yerkes%20%20A%20Playground%20That%20Extends%20the%20Classroom.pdf [2013-04-15] 35 Bilaga 1: Missivbrev Hej Jag heter Mikael Wahl och går sista terminen på lärarutbildningen vid Högskolan i Borås. Jag ämnar genomföra min undersökning för mitt examensarbete på Ulrikaskolan i båda fjärdeklasserna den 17 april. Jag vill undersöka om det går att lära sig mekanik genom att leka på en lekplats. Det jag hoppas åstadkomma med undersökningen är att hitta nya sätt att jobba utanför klassrummet med ämnen som handlar om hur världen fungerar. En bieffekt jag också hoppas på är ett lite ökat intresse för fysik hos eleverna i de klasser där jag gör undersökningen. Jag ämnar genomföra en diagnos på morgonen. morgonen. Sedan kommer jag att observera leken på lekplatsen (skolgården) under rasterna och som avslutning göra samma diagnos igen för att se om elevernas förståelse av vissa mekaniska samband har utvecklats. Jag ämnar även göra små korta intervjuer av vissa elever elever ute på lekplatsen (om jag ser något intressant under dagen.) Dessa kommer jag spela in ljudet från på diktafon så jag efteråt kan minnas exakt vad eleven sagt. När jag transkriberat intervjun (skrivit ner det som sades) kommer jag att radera allt spara sparatt ljud. Jag kommer inte använda några av namnen på eleverna, skolan eller orten i min rapport. Diagnoserna är inte betygs/bedömningsgrundande. Deltagandet är frivilligt och därför vill jag att du/ni som vårdnadshavare diskuterar med ditt/ert barn om deltagande ande i denna undersökning. Om ni tillsammans med barnet godkänner deltagande ber jag er skriva under här nedan och skicka tillbaka svaret till klassläraren så snart som möjligt. Jag lämnar valmöjlighet att finnas med i enbart diagnosen om det är så att ni av någon anledning är emot de korta intervjuerna. Önskar ni ta del av min rapport när den i början av juni är färdig eller om ni har några frågor så skicka ett mail till mig på: xxx ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ Klipp pp isär och lämna till läraren Jag/vi låter vårt barn vid namn _________________ delta i mekanikundersökningens Diagnos Intervjuer (Kryssa i det som gäller) __________________________ _______________________________ __________________________ ___________ Underskrift(er) _______________________________ _____________________________ Namnförtydligande(n) 36 Bilaga 2: Frågor Välkommen Nedan ser du några frågor. Besvara del 1 nu direkt. Frågorna i del 2 kommer först att ställas via video innan du svarar på dem. När du svarar på dem gör du det genom att kryssa i det alternativ du tror mest på. Du kan även kryssa i två eller fler om du tror att två eller fler alternativ är rätt. Om du inte har någon aning och inte vill svara fel, så kryssa i så fall i "vet ej". Men har du en aning så kryssa i det du tror. Del 1 Information om dig Ditt kodnamn Du kommer få dig tilldelat ett kodnamn som du ska skriva istället för ditt riktiga namn under dagen. Ålder Hur gammal är du? • 8 • 9 • 10 • 11 • 12 • Övrigt: Kön Är du flicka eller pojke? Ämnesintresse Kryssa i hur mycket du tycker om eller är intresserad av följande skolämnen Hatar Svenska Matematik Geografi Fysik Engelska Biologi Kemi 37 Ogillar Varken gillar eller ogillar Gillar Älskar Hatar Ogillar Varken gillar eller ogillar Gillar Älskar Religion Slöjd Del 2 Se videosnutten. Svara sen så bra du kan. Det är viktigt att du inte tittar på vad grannen svarar. Fråga 1 En boll kastas från hög höjd rakt ut i luften, varken uppåt eller neråt, med stor kraft. En likadan boll kastas med samma stora kraft rakt ut av en person som står på marken. Vilken boll kommer längst? • A: Den som kastas från en hög höjd • B: Den som kastas när man står på marken • C: Båda kommer lika långt • D: Vet ej Fråga 2 Person 1 ska ställa sig på person 2s axlar. När känns det tyngst för person 2? • A: När person 1 sitter på huk på person 2s axlar • B: När person 1 står raklång på person 2s axlar • C: När person 1 reser sig från sittande till stående på person 2s axlar • D: När person 1 står raklång på person 2s axlar och sträcker upp armarna över huvudet • E: Vet ej Fråga 3 Du står i en tunnelbanevagn som åker i 60 kilometer i timmen. Du hoppar rakt upp. Vad händer? • A: Du landar längre bak i tunnelbanevagnen • B: Du landar längre fram i tunnelbanevagnen • C: Du landar på samma ställe i tunnelbanevagnen som du hoppade från • D: Vet ej Fråga 4 Kan en gunga börja gunga och fortsätta gunga länge utan att någon människa eller något djur puttar fart på den? • A: Nej, det är helt omöjligt • B: Nej, jag tror inte att det går • C: Ja, jag tror att det nog skulle kunna gå • D: Ja, absolut, det funkar ju. 38 E: Vet ej • Varför är det omöjligt? Eller: Hur är det möjligt? Fråga 5 En gunga med fart slutar gunga efter ett tag. Vad är det som gör att en gunga slutar gunga efter ett tag? • A: Det är friktionen (gnisslet) som gör att gungan bromsas • B: Det är luftmotståndet som gör att gungan bromsas • C: Det är jordens dragningskraft som gör att gungan bromsas • D: Det är gungans tyngd som gör att den bromsas • E: Vet ej Motivera ditt svar. Hur kom du fram till det svaret? Får du inte plats i rutan så skriv i kanterna eller på sista sidan. Skriv i så fall att det handlar om fråga 5. Fråga 6 Du åker på en karusell som snurrar ganska fort medurs. Du släpper taget med händerna och gör ett litet hopp rakt upp. Vad händer då? • A: Du landar på samma ställe på karusellen igen och fortsätter åka med • B: Du ramlar av och åker i en båge åt höger • C: Du ramlar av och åker i en båge åt vänster • D: Du ramlar av och åker i en rak linje så som filmen visade att alternativ D var • E: Du ramlar av och åker i en rak linje så som filmen visade att alternativ E var • F: Vet ej Fråga 7 Du balanserar på en smal bräda. Du har en lite tyngre väska eller boll till din hjälp. Hur ska du hålla väskan/bollen för att det ska bli så lätt som möjligt att hålla balansen? • A: Genom att hålla tyngden högt • B: Genom att hålla tyngden lågt • C: Det spelar ingen roll. Det är lika svårt vilket som • D: Vet ej Motivera ditt svar. Hur tänker du? 39 Fråga 8 Hur åker man snabbast ner för en rutschbana? Kryssa i vilket som går snabbast, näst snabbast etc Snabbast Näst Tredje Fjärde Femte Långsammast snabbast snabbast snabbast snabbast Byxorna Kroppen Jackan Sand mot byxor Vatten mot byxor Vatten mot galonbyxor Motivera ditt svar. Varför tror du det är just den ordningen? Fråga 9 Vilket gör ondast? • A: Att hoppa från en kort stubbe och landa med raka ben • B: Att hoppa från en högre stubbe och landa med böjda ben • C: Vet ej Motivera ditt svar. Varför har du svarat som du svarat? Fråga 10 Gabriel sitter still på en gunga. Han kastar ett däck så hårt han kan rakt framåt. Vad händer? • A: Han kommer börja gunga med hög fart • B: Däcket flyger iväg med hög fart • C: Han kommer börja gunga med låg fart • D: Däcket flyger iväg med låg fart • E: Han kommer fortsätta sitta stilla • F: Däcket kommer landa precis framför fötterna på honom • G: Vet ej 40 Fråga 11a Varför böjde jag mer på benen vid landningen på hopp 2 än på hopp 1? Fråga 11b Varför rullade jag runt efter landningen på hopp 3? Fråga 11c Varför böjde jag inte alls på benen när jag landade på hopp 4 Fråga 12 Vilken av frågorna på den här diagnosen tyckte du var svårast att svara på? Välj bara en. 1 Fråga 41 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Bilaga 3 – de rätta svaren på frågorna Beskrivning av frågorna som behandlar tröghetslagen Fråga 1 Frågan En boll kastas från hög höjd rakt ut i luften, varken uppåt eller neråt, med stor kraft. En likadan boll kastas med samma stora kraft rakt ut av en person som står på marken. Vilken boll kommer längst? Rätt svar Den som kastas från en hög höjd. Förklaring Fig 1 Att kasta en boll rakt ut från en hög höjd gör att den kommer längre än om man kastar en likadan boll rakt ut från en låg höjd. Båda bollarna bromsas lika mycket av luftmotståndet och dras av gravitationskraften lika snabbt mot jorden. De får båda likadana banor i luften vilket beskrivs i fig 1. Orsaken till att den boll som kastats från en hög höjd flyger längre är helt enkelt att den får fortsätta längre tid i sin bana innan marken är i vägen. Fråga 3 Frågan Du står i en tunnelbanevagn som åker i 60 kilometer i timmen. Du hoppar rakt upp. Vad händer? Rätt svar Du landar på samma ställe i tunnelbanevagnen som du hoppade från. Förklaring Personens kropp har i upphoppsögonblicket samma fart framåt som tunnelbanevagnen och kommer därför att flyga i en båge relativt tunneln och landa längre fram i tunneln, men på samma ställe i tunnelbanevagnen som förflyttats lika långt under hoppet som personen. 42 Fråga 6 Frågan Du åker på en karusell som snurrar ganska fort medurs. Du släpper taget med händerna och gör ett litet hopp rakt upp. Vad händer då? Rätt svar Du ramlar av och åker i en rak linje så som filmen visade att alternativ D var. Förklaring Fig 2 I filmen visades fig 2 i samband med fråga 6. Pil D beskriver en tangentiell linje, medan pil E beskriver en radiell dito. I avhoppsögonblicket har du hastighet i den riktning pil D visar visa och då plötsligt yttre krafter saknas (förut var det att du höll tag i karusellen som gjorde att du hela tiden svängde) fortsätter du enligt tröghetslagen i en rät linje i den riktning pil D visar. Fråga 7 Frågan Du balanserar på en smal bräda. Du har en lite tyngre väska eller boll till din hjälp. Hur ska du hålla väskan/bollen för att det ska bli så lätt som möjligt att hålla balansen? Rätt svar Genom att hålla tyngden högt Förklaring 43 Fig 3 Ett tyngre föremål har större tröghet än ett lätt, så ju tyngre föremål du håller i, desto svårare att få det ur position och alltså desto lättare att hålla balansen. Om du håller det tunga föremålet lågt ner, som i den vänstra bilden i fig 3, behöver inte det tunga föremålet, cirkeln, flyttas så mycket i sidled innan du, strecket, är mycket ur balans. Om du håller det tunga föremålet högre upp, som i den högra bilden i fig 3, och det tunga föremålet, cirkeln, flyttas lika lite i sidled gör det inte att du, strecket, kommer så mycket ur balans. Du har alltså längre tid på dig att kompensera när du börjar vackla om du håller det tunga föremålet högre upp. Beskrivning av frågorna som behandlar accelerationslagen Fråga 5 Frågan En gunga med fart slutar gunga efter ett tag. Vad är det som gör att en gunga slutar gunga efter ett tag? Rätt svar Det är friktionen (gnisslet) som gör att gungan bromsas Förklaring Man skulle kunna tro att det är jordens dragningskraft som gör att en gunga bromsar in, men i en värld utan friktion skulle gungan fortsätta gunga i all evighet, alltså gör dragningskraften bara så att gungan accelererar på nervägen och bromsas in igen på uppvägen. Det är friktionen som är den huvudsakliga ”farttjuven”, marginellt assisterad av luftmotståndet. Det är därför man behöver smörja gungor ibland så att de inte är så snabba på att stanna. Fråga 8 Frågan Hur åker man snabbast ner för en rutschbana? Kryssa i vilket som går snabbast, näst snabbast etc Rätt svar 44 Enligt mina mätresultat, som redovisas i svarsfilmen (Wahl, 2013), går galonbyxor med vatten under snabbast att åka nerför den rutschbanan på. Näst snabbast gick det att åka på byxorna med sand under. Trea kom jackan, fyra kom vanliga tygbyxor med vatten under. På femte plats kom byxorna utan något under. Att åka direkt på kroppen gick långsammast, sittande på händerna. Tidsangivelserna i svarsfilmen är mätta från översta ”solstrecket” till understa i rutschbanan. Flera mätningar gjordes och sedan togs medelvärdet av dessa. För att få poäng behöver eleverna dock bara pricka in snabbast och långsammast. Förklaring När två ytor dras mot varandra uppkommer friktion. Olika slags ytor medför olika stor friktion. Ett mått på detta är den så kallade friktionskoefficienten. Uppgiften här var att undersöka vilka ytor som gav upphov till minst friktion, lägst friktionskoefficient. Den ena ytan i sammanhanget är hela tiden rutschbanan, den andra ytan är det som varierar. För att få poäng på uppgiften var eleverna tvungna att få rätt på snabbast och långsammast. Hade de bara den ena rätt fick de 0,5 poäng. Att galonkläder med vatten går snabbast var tydligt och att kroppen direkt mot rutschkanan går långsammast var också tydligt, medan de andra alternativen låg närmare varandra tidsmässigt. Beskrivning av frågorna som behandlar lagen om verkan och återverkan Fråga 2 Frågan Person 1 ska ställa sig på person 2s axlar. När känns det tyngst för person 2? Rätt svar När person 1 reser sig från sittande till stående på person 2s axlar. Förklaring För att komma uppåt trycker person 1 sina fötter nedåt och får då en uppåtriktad motkraft från person 2s axlar som trycker upp person 1. När person 1 reser sig upp är kraften nedåt och motkraften uppåt som störst. Det hänger även ihop med accelerationslagen och har att göra med att person 1 accelererar uppåt då denne reser på sig. Vid övriga alternativ äger ingen acceleration rum. Vi testade i klassrummet under svarsfilmen att sitta på huk på golvet och resa oss upp och känna i fotsulorna hur det tryckte lite mer precis när man börjar resa sig. Fråga 9 Frågan Vilket gör ondast, att hoppa från en kort stubbe och landa med raka ben eller att hoppa från en högre stubbe och landa med böjda ben? Rätt svar Att hoppa från en kort stubbe och landa med raka ben Förklaring Detta kan vara en ganska subjektiv bedömning för den som hoppar och beror också på hur höga stubbarna är, men i filmen är den korta stubben cirka 20 cm hög och den högre cirka 60 45 cm. När man landar på marken slår marken mot dina fötter med samma kraft som den dina fötter slår marken med, enligt lagen om verkan och återverkan. Om man delar upp den kraften på längre tid gör det inte lika ont som om man ska ta emot den plötsligt. Det kan jämföras med om du bor på andra våningen och din fru ska slänga ner veckans soppåsar till dig som står på marken under. Om hon kastar ner en påse i taget gör det inte lika ont i dina armar att fånga dem som om hon kastar ner alla 20 på en gång. Fråga 10 Frågan Gabriel sitter still på en gunga. Han kastar ett däck så hårt han kan rakt framåt. Vad händer? Rätt svar Både: Han kommer börja gunga med låg fart, och: Däcket flyger iväg med låg fart, är rätt. Förklaring I båda klasserna frågade eleverna vad låg och hög fart betydde. Följande definitioner gavs då: Låg fart för Gabriel vore att han började gunga, men väldigt lite; 10-20 centimeter åt varje håll. Hög fart för Gabriel vore att han började gunga en meter åt varje håll. Låg fart för däcket vore att det flög iväg 1-3 meter. Hög fart för däcket vore att det flög iväg 5-10 meter. Fråga 11 Frågorna a) Varför böjde jag mer på benen vid landningen på hopp 2 än på hopp 1? b) Varför rullade jag runt efter landningen på hopp 3? c) Varför böjde jag inte alls på benen när jag landade på hopp 4 Förklaring Denna fråga finns med för att få syn på fjärdeklasselevers egna förklaringar, begrepp och definitioner. 46