Artificiell fotosyntes

Artificiell fotosyntes
Är lilla molekylen lösningen på stora
frågan om hållbar energi?
Helena Sagar
30 hp
Institutionen för kemi och molekylärbiologi
Göteborgs universitet
Sammanfattning
Detta är ett teoretiskt projekt vid naturvetenskapliga fakulteten inom forskarutbildningsämnet
Naturvetenskap med inriktning mot utbildningsvetenskap. Projektet är avsett som underlag för
högskolepoäng inom NatFak för en filosofie doktorsexamen.
Detta arbete som behandlar artificiell fotosyntes och består av två olika delar, utgör ett bidrag
till den vetenskapliga grund som den svenska skolan ska vila på. De två olika delarna bidrar
ur olika perspektiv:
1. Del 1 utgör ett bidrag ur ämneskunskapsperspektiv – ”what to teach” (Shulman &
Shulman, 2004); det är en för grundskollärare lättillgänglig sammanfattning på
svenska av 4 vetenskapliga artiklar och en myndighetsrapport om artificiell fotosyntes,
alla på engelska.
2. Del 2 utgör ett bidrag ur ämnesdidaktiskt perspektiv- ”how to teach” (Shulman &
Shulman, 2004); det är en planering för hur man kan arbeta med energikällor, med
artificiell fotosyntes som en framtida sådan, på ett sätt som representerar flera olika
komponenter som forskning visat bidra positivt till elevers intresse för NO och teknik.
Dessa komponenter ingår i den lärandemiljö som kallas entreprenöriellt lärande och
som läraren kan erbjuda eleverna genom i sin undervisningspraktik (Sagar, 2013).
2
Innehållsförteckning
Sammanfattning ......................................................................................................................... 2
Innehållsförteckning ................................................................................................................... 3
Bakgrund .................................................................................................................................... 5
Syfte med detta teoretiska projekt .............................................................................................. 6
Upplägg och metod .................................................................................................................... 6
Del 1 – Ämneskunskaper inom artificiell fotosyntes – ”what to teach” .................................... 8
Bakgrund – vätgas som bränsle .................................................................................................. 8
Tekniker för att framställa vätgas med hjälp av solenergi ..................................................... 9
Biologisk vätgasproduktion................................................................................................ 9
Solceller och elektrolys .................................................................................................... 10
Artificiell fotosyntes ......................................................................................................... 11
Artificiell fotosyntes ................................................................................................................. 11
Effektivitet i naturlig fotosyntes - förväntningar för artificiell fotosyntes (3) ..................... 11
Biokemiska mekanismer i naturlig fotosyntes ..................................................................... 12
Fotosystemens struktur avgör effektiviteten .................................................................... 13
Fotosystem I, PSI (6) ........................................................................................................ 14
Fotosystem II, PSII (6, 9) ................................................................................................. 15
Biomimetisk kemi och artificiell fotosyntes (3) ................................................................... 16
Syntetiska mangankomplex i biomimik av PSII (9) ........................................................ 17
Sammanfattning av den svenska lösningen (3) .................................................................... 18
Kopplingen till biologisk forskning - supermolekylen (3) ................................................... 18
Framtiden (3) ........................................................................................................................ 19
Del 2 – Pedagogisk planering för undervisning om energi och hållbar utveckling för åk 9 –
”how to teach” .......................................................................................................................... 20
Bakgrund .................................................................................................................................. 20
Lärarens förhållningssätt och elevernas lärmiljö ................................................................. 20
Entreprenöriellt lärande – en lärmiljö .................................................................................. 20
Konstruktivismen – en lärandeteori ..................................................................................... 20
Inledning för läraren ................................................................................................................. 21
Energikällor och hållbar utveckling ..................................................................................... 21
Produktion och konsumtion av energi .................................................................................. 21
Inledning med eleverna ............................................................................................................ 22
Genomgångar och uppgifter ..................................................................................................... 23
3
Pedagogisk planering för eleverna ........................................................................................... 25
Visa lärande ............................................................................................................................. 25
1. Paneldebatt (görs av alla och i samverkan med SO- och sv-lärare) .............................. 25
2. Skriv någon form av artikel till nästa nummer av Energifallet ..................................... 26
3. Bemöt några medieinslag om energikällor .................................................................... 27
Mål och bedömning .................................................................................................................. 27
Övergripande mål för kunskaper (Kapitel 2.2) .................................................................... 27
Långsiktiga mål (syften) ....................................................................................................... 27
Fysik ................................................................................................................................. 27
Kemi ................................................................................................................................. 27
Biologi .............................................................................................................................. 27
Teknik............................................................................................................................... 28
Kunskapskrav ....................................................................................................................... 28
Centralt innehåll ................................................................................................................... 31
Fysik ................................................................................................................................. 31
Kemi ................................................................................................................................. 31
Biologi .............................................................................................................................. 32
Teknik............................................................................................................................... 32
Områdesbeskrivning/undervisning........................................................................................... 32
Gemensamma genomgångar och övningar .......................................................................... 32
Uppgifter i grupp eller enskilt .............................................................................................. 33
Referenser................................................................................................................................. 35
4
Bakgrund
Skollagen (1) från år 2010 säger att utbildningen inom alla skolformer som ingår i för- och
grundskolan ska ”vila på vetenskaplig grund och beprövad erfarenhet” (1 §, s. 1). Den
vetenskapliga grunden problematiseras oftast i relation till undervisningsstrategier och
lärandeteorier men inte lika ofta i relation till kompetensutveckling i ämneskunskaper för
olika former av ämneslärare. Särskilt lärare i de olika NO-ämnena och teknik kan behöva
vetenskapligt grundad kompetensutveckling i ämnena, eftersom forskning och utveckling
inom dessa ämnen sker i en allt snabbare takt. Ämneslärare i NO i grundskolan bör inte helt
och hållet förlita sig på att faktainnehållet i läroböckerna är uppdaterat enligt de senaste
forskningsrönen. Organismernas indelning och tarmarnas totala yta i biologiboken och antalet
planeter i vårt solsystem i fysikböckerna är några exempel på hur våra naturvetenskapliga
modeller har förändrats relativt nyligen och hur läroböckerna inte har (hunnit) ändras.
Som doktorand i CUL-forskarskola har jag som samtidigt praktiserande lärare i NO och
teknik bedrivit tvärvetenskaplig forskning med ett av syftena att vara en bro mellan akademi
och praktik inom utbildningsfältet. Min avhandling har fokuserat på den del av den
”vetenskapliga grunden” i skolan som berör undervisningsstrategier. Genom detta arbete vill
jag bidra till att stärka bron mellan akademi och lärarens praktik även i relation till NO- (och
teknik-) lärares ämneskunskaper genom att bearbeta området artificiell fotosyntes på en
vetenskaplig nivå och omarbeta det till en nivå och till ett sammanhang som är relevant för en
högstadielärares undervisningspraktik i NO (och teknik). Medveten om den ämnesindelning
som råder i den akademiska världen och i skolans värld, tänker jag mig att detta arbete kan
användas som underlag för kompetensutveckling för lärare i teknik, utöver den självklara
kopplingen till NO-lärare. Som bekant är kemi och olika former av förnyelsebar energi starkt
kopplade till varandra. De kemiska och fysikaliska principerna bakom kemisk energi, som är
en form av potentiell energi och som finns lagrad i alla ämnen, är mycket viktiga att förstå,
också för att förstå flera centrala begrepp och skeenden inom biokemi. Var finns då den
kemiska energin? Man vet att denna energiform finns lagrad i atomernas kemiska bindningar
och att den kan frigöras bl.a. som ljus- eller värmeenergi. I fotosyntesen används den kemiska
energin bl.a. till att producera socker, som både växten själv och växtätare behöver. När vi
tänker använda fotosyntesen som modell för att på kemisk väg (artificiell fotosyntes)
producera den energirika vätgasmolekylen är det inte bara kemiska principer och kemisk
syntesteknik som behövs. Att få ett system som, tillsammans med syrgas, omvandlar vätgas
till vatten och energi (bränslecell) genom att nyttja fotonerna från solen för att primärt dela
vatten i sina beståndsdelar (artificiell fotosyntes), vätgas och syrgas, är ett stort och mycket
intressant problem som spänner över hela naturvetenskapen och tekniken – ett problem som
många stora forskningsorganisationer arbetar med.
Således illustrerar artificiell fotosyntes dessutom ett av de fall inom tekniken där tekniken och
utvecklingen av ny teknik förväntas underlättas med hjälp av naturvetenskaplig forskning och
ämnesövergripande naturvetenskapliga upptäckter och modeller.
5
Syfte med detta teoretiska projekt


Att bearbeta ämnesområdet artificiell fotosyntes på en vetenskaplig nivå och omarbeta det
till en nivå och ett sammanhang som är relevant för en högstadielärares
undervisningspraktik i NO (kemi, biologi, fysik) och teknik. Omarbetningen innebär
dessutom en översättning av naturvetenskapliga begrepp från engelska till svenska, en
översättning som är en stor barriär för många NO- och tekniklärare i Sverige när det gäller
vetenskaplig text. Genom denna bearbetning görs vetenskapliga texter mer tillgängliga för
ett stort antal NO- och tekniklärare i Sverige, vilket i sin tur kan bidra och inspirera till att
undervisningen i NO och teknik vilar på en ”vetenskaplig grund” med avseende på NOoch tekniklärares teoretiska ämneskunskaper – ”what to teach” (Shulman & Shulman,
2004). Detta syfte relaterar till Del 1 i denna studie.
Att presentera en planering som kan utgöra en utgångspunkt för undervisning om energi,
som kan integreras över ämnena kemi, biologi, fysik och teknik, utöver den självklara
kopplingen till SO och svenska. Planeringens upplägg och förslag på arbetsformer och
redovisningar (där eleverna ska visa sitt lärande) är utformad i samstämmighet med min
uttolkning av flera övergripande intentioner i Lgr11. En av aspekterna i denna tolkning
överensstämmer med undervisningsstrategier som kan härledas till begreppet
entreprenöriellt lärande, som är ett centralt begrepp i min doktorsavhandling. Sist, men
kanske viktigast av allt, planeringen vilar på vetenskaplig grund avseende
undervisningsstrategier – ”how to teach” (Shulman & Shulman, 2004) - genom att den
lyfter fram förhållningssätt, arbetsmetoder och ingångar i lärandet, som forskning entydigt
visar ökar elevernas intresse och motivation för skolans NO och teknik. Därigenom blir
planeringen, utöver kopplingen till den vetenskapliga grunden, ett initiativ som syftar till
att avhjälpa den, sedan länge, nedåtgående trenden av elevers sviktande intresse för
skolans NO (där kemin kanske lider mest) och teknik, som är problemet och själva
utgångspunkten för hela min forskningsstudie. Detta syfte relaterar till Del 2 i denna
litteraturstudie.
Upplägg och metod
1. Följande vetenskapliga artiklar och rapporter om artificiell fotosyntes bearbetas för
omarbetning till en mera tillgänglig och direkt användbar nivå i relation till undervisning i
kemi, biologi och fysik (NO) samt teknik på högstadiet:
3) Svenska Energimyndigheten, STEM. (2003). Artificial photosynthesis. Deriving
energy from sunlight and water. Malmö: Elanders Grafiska Skogs AB.
4) Svenska Energimyndighetens hemsida, STEM. (2014). www.stem.se
5) Curtis, H. 1983. Biology. New York: Worth Publishers Inc.
6) Amunts, A., Toporik, H., Borovikova, A., & Nelson, N. (2010). Structure
Determination and Improved Model of Plant Photosystem I. The Journal of
Biological Chemistry, (285)5, 3478–3486.
7) Broser, M., Gabdulkhakov, A.,Kern, J., Guskov, A., §3, Müh, F., Saenger, W., &
Zouni, A. (2010). Crystal Structure of Monomeric Photosystem II from
6
Thermosynechococcus elongatus at 3.6-A° Resolution. The Journal of Biological
Chemistry, (285)34, 26255–26262.
8) Peters, J. W. (1999). Structure and mechanism of iron-only hydrogenases. Current
Opinion in Structural Biology (9), 670–676.
9) Xu,Y., Eilers, G:, Borgström, M., Pan, J., Abrahamsson, M., Magnuson, A.,
Lomoth, R, Bergquist, J., Polivka, T., Sun, L., Sundström, V., Styring, S.,
Hammarström, L., & Kermark, B. (2005). Synthesis and Characterization of
Dinuclear Ruthenium Complexes Covalently Linked to RuII Tris-bipyridine: An
Approach to Mimics of the Donor Side of Photosystem II. Chemistry - A
European Journal, (11), 7305 – 7314.
2. Kunskaperna om artificiell fotosyntes integreras i en planering för undervisning om energi
i fysik, kemi, biologi och teknik i årskurs 9 på grundskolan. Planeringens innehåll och
upplägg är inspirerad av entreprenöriellt lärande och avser att understödja elevernas
intresse och motivation för att lära NO och teknik, i enlighet med forskningsresultat som
är presenterade i min avhandling (Sagar, 2013). Undervisningens upplägg och innehåll är
också anpassat med avsikt att hjälpa eleverna att nå de mål som beskrivs i relevanta
övergripande mål, långsiktiga mål, centralt innehåll samt kunskapskraven enligt Lgr11
(2).
7
Del 1 – Ämneskunskaper inom artificiell fotosyntes – ”what to
teach”
Denna text utgör i sin stomme en sammanfattning av referens (3). Arbetet med denna
sammanfattning av referens (3) inkluderar en viss omstrukturering utifrån min egen
förståelse. Det som står i min text nedan inkluderar begrepp och processer som jag har
skapat mig en förståelse för. De vetenskapliga artiklarna (6), (7), (8) och (9), samt STEM:s
hemsida (4) och universitetsläroboken (5), har använts för att komplettera den stommen som
sammanfattning av referens (3) utgör. I dessa fall har referensen angivits i direkt anslutning
till den kompletterande texten.
Bakgrund – vätgas som bränsle
Vätgas är en effektiv bärare av energi. Väte kan användas som bränsle för att producera1 både
värme och elektricitet. Vätgas kan produceras av naturgas eller med hjälp av förnybara
energikällor (4). Trots att väte är universums minsta grundämne, vad vi vet idag, kan det
genom att det är en så effektiv energibärare, hjälpa mänskligheten med ett av dess största
problem; utsläppen av koldioxid från den ökande trafiken och från industriella
tillverkningsprocesser som kräver energi. Vätgas och syrgas utvecklar stora mängder energi
när de reagerar med varandra och slutprodukten är vanligt rent vatten. (4). När vätgasen
reagerar med syre kallar vi det förbränning av vätgas.
2H2(g) + 02(g) → 2H20
Om vi kan ta tillvara den stora mängd energi som frigörs vid förbränning av vätgas (3), på ett
sätt som gör att vi kan använda oss av den, kan den ge oss både elektricitet och värme. Detta
kan vi göra med hjälp av en teknik som vi använder i s.k. bränsleceller. Om bränsleceller, som
drivs av vätgas, kopplas till elmotorer, kan de ersätta vanliga förbränningsmotorer i bussar,
lastbilar och privatbilar. Om vi dessutom kan producera vätgas med hjälp av solenergi får vi
en energialstrande process som möjliggör en hållbar utveckling (3).
I naturen är väte nästan alltid bundet till något annat ämne, ofta till syre i vattenmolekylen.
Tyvärr är det inte helt lätt att skilja på syret och vätet i vattenmolekylen, och många idag
befintliga tekniska processer är alltför ineffektiva för att vara lönsamma (4). Några av de bästa
lösningarna hittar vi i naturen och vi lägger nu stora forskningsresurser på att efterlikna dessa
naturliga processer i en kontrollerad teknisk miljö; vi försöker efterlikna den process som sker
i cyanobakterier (ibland kallade blågröna alger) och den som sker i fotosyntsen. Den senare
biomimetiska processen (härmar naturliga processer i ett syfte som gagnar människan) (3)
kallar vi artificiell fotosyntes. Man kan även utvinna väte ur kolväten som biogas och fossila
bränslen (4). Även om dessa utvinningsprocesser är sämre för miljön, kan det vara dessa som
kommer att användas på kort sikt, innan vi med forskningen hjälp kan få den artificiella
fotosyntesen att bli tillräckligt effektiv (4).
1
Begreppet produktion av energi, behöver diskuteras med eleverna i pedagogiska sammanhang för att undvika
förvirring. Se Del 2, sidan 21.
8
Hur vi än utvinner vätgas, står vi också inför utmaningen att kunna hantera den på ett säkert
sätt (4). Eventuellt läckande vätgas bildar knallgas med luftens syre, och knallgas reagerar
explosivt vid antändning (4). Det råder störst risk för explosion inomhus, eftersom den väldigt
lätta vätgasen snabbt stiger utomhus och späds ut, varvid explosionsrisken minskar. Eftersom
de största riskerna med vätgas föreligger vid transport, lagring och användning, har det skett
stora satsningar på att utveckla tekniken för att eliminera dessa risker. Man har kommit långt
med detta förberedelsearbete i Europa. Frågan har istället förskjutits till hur vi ska framställa
vätgas med hjälp av solenergi (3).
Om vi kan finna ett sätt att framställa vätgas i enlighet med hållbar utveckling skulle vi kunna
möta världens energibehov, på ett hållbart sätt, en lång tid framöver (3). Här kan produktionen
av vätgas i den process som kallas artificiell fotosyntes användas. Metoden liknar delar av den
naturliga fotosyntesen som sker i växter och som producerar syre som en biprodukt; det är den
viktiga reaktionen som splittrar vatten som utnyttjas och det är också denna som man
fokuserar på i forskningen kring processen. Det är i sin tur det stora behovet av energi som är
tillgänglig över en längre tid än de fossila bränslena, likväl som strävan efter en hållbar
utveckling, som driver denna forskning. Samhället klarar sig helt enkelt inte hur länge som
helst utan förnyelsebara energikällor som alternativ till de fossila bränslena (3). Mängden
solenergi som når Sveriges yta är 1000 ggr större än Sveriges totala energibehov. Det vore
oerhört fördelaktigt om vi kunde lagra denna solenergi i en energibärande form som användas
som bränsle i olika processer. Detta bränsle kan vara vätgas (3).
Tekniker för att framställa vätgas med hjälp av solenergi
Det finns för närvarande olika tekniker för att framställa vätgas med hjälp av solenergi.
Biologisk vätgasproduktion
Både cyanobakterier, som också fortfarande benämns blå-gröna alger, och gröna alger har
kapacitet att konvertera solenergi till vätgas. Processen katalyseras av enzym, som kallas
hydrogenaser (3, 8). Dessa proteiner kan katalysera både konsumtion och produktion av
vätgas, men effektiviteten är alldeles för låg med sina enstaka procent. Som med många andra
enzym, exempelvis proteaser, cellulaser och lipaser som används i tvättmedel, kan även
hydrogenaserna göras mera effektiva med hjälp av genteknik och genmodifiering. Forskning
inom detta område sker för närvarande i Sverige (3).
Hydrogenaser (8)
Hydrogenaser katalyserar omvandlingen mellan vätgas å ena sidan samt protoner och
elektroner å andra sidan. Man har funnit dessa enzym i de flesta prokaryoter men även i lägre
eukaryoter. De finns framförallt i anaeroba mikroorganismer, där de har betydelse på olika
sätt i relation till väte och vätgasbildning. Dels katalyserar hydrogenaserna ett upptag av
elektroner som då vätejoner tar upp elektroner och bildar vätgas i den reduktionsprocessen.
Vätgasen frigörs då i bakteriell fermentation. Hydrogenaserna kan också bistå i användningen
av de elektroner som frigörs vid oxidation av väte. Elektronerna används då vid reduktion av
olika substrat i en energigivande process. Eftersom vätgasproducerande mikroorganismer
samexisterar med vätgasanvändande på ett sätt där de båda är beroende av varandra, lagras
vätgas normalt inte i de anaeroba nischer där de finns i naturen. Hydrogenaserna innehåller
9
antingen både nickel och järn, NiFe, eller enbart järn, Fe. NiFe finner man oftast i de
vätgasoxiderande mikroorganismerna medan Fe finns framförallt i de hydrogenaser som finns
i vätgasproducerande mikroorganismer. Med hjälp av kristallografiska diffraktionsstudier har
man kunnat visa att Fe-hydrogenaser från olika organismer är väldigt lika varandra i sin
arkitektur, även i det aktiva sätet, som kallas H-cluster. Strukturen är intressant att undersöka i
relation till artificiell fotosyntes och de funna likheterna mellan hydrogenaserna bildar en
grund för designen av små mimik-molekyler som kan skapas syntetiskt; syntetiska
hydrogenaser. Informationen om naturens olika men strukturellt lika hydrogenaser ligger som
grund för att föreslå modeller för de mekanismer som sker vid vätgasomvandlingen. Man kan
då tänka sig att dessa modeller kan användas i relation till artificiell fotosyntes, som är
beroende av en molekyl med hydrogenasernas funktion.
Figur 1. Generell bild av en Fe-hydrogenas. Aktiva
siten syns i mörkblå färg (från referens 8).
Solceller och elektrolys
Vi har redan effektiva solceller som producerar elektricitet. Det finns olika sorter och dessa
bearbetas i Del 2 i denna litterasturstudie, där eleverna ska samla och bearbeta information om
olika energikällor. För närvarande ligger effektiviteten på ca 15-20% vid produktion av
elektricitet. Dock lider produktionen av vätgas med hjälp av solceller och elektrolys av stora
energiförluster eftersom nästan hälften av elektriciteten som produceras av solcellerna går
förlorad under elektrolysen av vatten till syrgas och vätgas (3).
Elektrolys av vatten
Vid elektrolys används en strömkälla för att driva en redoxreaktion i en elektrolytlösning, som
innehåller joner och därmed kan leda ström. Den negativa polen, katoden, tillför elektroner
och positiva joner från elektrolytlösningen vandrar till katoden. De positiva jonerna reduceras
då genom att de tar emot elektroner från katodens yta. Vid anoden, som är den positiva polen,
sker på motsvarande sätt en oxidation då de negativa jonerna avlämnar elektroner vid anoden.
Om jonerna, elektrolyterna, är lösta i vatten, är det inte enbart vattnets fåtaliga hydroxidjoner,
10
OH-, och oxoniumjoner, H3O+, som reagerar. Vattnet i sig själv undergår också eletrolys
enligt följande:
2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e- (en oxidation)
och
2 H2O + 2 e- → H2 + 2 OH- (en reduktion).
Elektrolys kan därmed används till att spjälka vatten i vätgas och syrgas.
Fotoelektrokemisk solcell
I vissa system är det material som fångar ljuset och själva elektroden samma sak och då kan
vätgasproduktionen ske direkt i solcellen. Rent teoretiskt kan man då förvänta sig en högre
effektivitet. Hittills har man påvisat en effektivitet strax över 10% (3) men då i en mycket
kostsam konstruktion med kort livslängd.
Artificiell fotosyntes
Artificiell fotosyntes är ett exempel på biomimetik eller biomimetisk kemi genom att den
härmar växternas fotosyntes så som den sker i naturen. Dock undviks den kostnad i både
pengar, tid och rum som en växande planta medför. Den solenergi som fångas in genom
artificiell fotosyntes – en fotokemisk process - lagras direkt i bränslet vätgas. Det är
vätgasproduktion genom artificiell fotosyntes som är den process som fokuseras i detta arbete.
Artificiell fotosyntes
I alla processer som människan initierar i ett bestämt syfte, tekniska processer, är det
naturligtvis intressant att beräkna effektiviteten, ur olika perspektiv. Tekniska processer som
är alltför ineffektiva för att vara försvarbara ur ett ekonomiskt, i vissa fall också ur ett hållbart,
perspektiv undviks av förklarliga skäl. Det är därför av intresse att göra beräkningar kring
teoretisk och förväntad praktisk effektivitet innan man ens försöker utveckla en viss process.
Effektivitet i naturlig fotosyntes - förväntningar för artificiell fotosyntes (3)
Inlagringen av solens energi i vätgas är, som alla andra processer där energi omvandlas, inte
100% effektiv. Eftersom det är den naturliga fotosyntesen i växter som ska härmas är det
intressant att veta mer om hur effektiv just den processen är.
När man beräknar effektiviteten i naturlig fotosyntes räknar man endast med den energi som
blir tillgänglig för människan i form av biomassa och mat. Biomassan, som kan fungera som
bränsle för att ge värme eller elektricitet utgör mindre en 1% av den energi som växten fångat
in av solenergin. Utifrån denna låga effektivitet kan man undra om det är någon mening med
att spendera pengar och kraft på att forskning och utveckling av artificiell fotosyntes, eftersom
vi med teknikens hjälp oftast åstadkommer processer med lägre effektivitet och avsevärt
högre kostnad än de som naturen tillhandahåller (jmfr ekosystemtjänster). Dock är det så att
det i fotosyntes finns två typer av processer som interagerar. De mest grundläggande är de där
ljusenergin fångas in och lagras i tidiga energibärare, de ljusa reaktionerna. De sekundära
11
reaktionerna, som då inte kräver något ljus och som kallas de mörka reaktionerna, är de som
utgör själva ”livet” i växten, såsom reproduktion och uppbyggnad av biomassa. De ljusa
reaktionerna har en effektivitet på 40-50%. De mörka reaktionerna är inte utvecklade för hög
effektivitet och det är i dessa som den stora energiförlusten uppstår. I artificiell fotosyntes är
det de ljusa reaktionerna som härmas, vilket skapar förväntningar på en hög effektivitet i
denna process.
Om man ser till hela Sverige, som är ett avlångt land på övre delen av det norra halvklotet, så
har vi en stor årstidsvariation av solinstrålning från söder till norr. Under ett år nås Sveriges
yta, både i söder och norr, av 1000kWh per kvadratmeter landyta. Med ett teoretiskt värde på
40-50% effektivitet för artificiell fotosyntes är det rimligt att förvänta sig en effektivitet på
15% i praktiken. Om man föreställer sig en panel/konstruktion som omvandlar solenergi med
en 15%-ig effektivitet, och som sitter på taket på ett en-planshus, skulle detta täcka
energibehovet för hela hushållet, inklusive uppvärmning under hela året. Vårt lands hela
transportsystem skulle vara försörjt om samma panel/konstruktion täckte 70m2 per person.
Detta betyder att det är förhållandevis små ytor som skulle behöva täckas med paneler. Det är
dock också nödvändigt att finna teknik för effektiv förvaring och transport av den uppsamlade
energin i form av vätgas.
Artificiell fotosyntes beforskas även internationellt, men det är främst i Sverige som
forskningen är inriktad på bränsleproduktion. Denna forskning, som kräver tvärvetenskaplig
kompetens, är särskilt inriktad på att effektivisera de katalysatoriska mekanismerna som
möjliggör splittringen av vattenmolekylen till vätgas och syrgas.
Biokemiska mekanismer i naturlig fotosyntes
I grundskolans NO-undervisning brukar vi beskriva den naturliga fotosyntesen enligt
följande:
Solenergi2

Vatten + koldioxid → syre + druvsocker
Eller
H2O + CO2
→ O2 +
C6H12O6
En något mera ingående beskrivning ser ut som följer (bild hämtad från ref 3):
2
I pedagogiska sammanhang är det viktigt att poängtera att det inte måste vara solenergi eller solljus för att
fotosyntesen ska ske.
12
Energin till reaktionerna kommer från ljuset som fångas upp av klorofyll; ett ljusabsorberande
pigment, P, som när det träffas av ljuset flyttar elektroner från vattnet till acceptorn Q.
Elektronerna binds till sist in i kolhydrater med luftens koldioxid som byggsten. Elektronerna
kan frigöras från vatten med hjälp av mangan, som därmed fungerar som en katalysator vid
oxidationen av vattenmolekylen. När vattnet splittras frigörs syrgas och vätejoner.
Vätejonerna kan användas till att framställa vätgas i den process som kallas artificiell
fotosyntes. Klorofyll kan konvertera ljusenergi till kemisk energi endast då det är associerat
med särskilda proteiner och inneslutet i ett speciellt membran, thylakoiden/de thylakoida
membranen (5, 6), som finns inuti en organell som kallas klorplast (3, 5).
Fotosyntesen innefattar, vad vi vet idag, av två enheter (5), fotosyntetiska reaktionscenter;
Fotosystem I, PSI, och Fotosystem II, PSII. Dessa båda system består av proteiner och ickeprotein-komponenter och de driver ljusberoende elektronöverförande reaktioner, som
resulterar i bildning av högenergibärarna ATP och NADPH (6). PSII katalyserar ljusberoende
reaktioner som frigör elektroner till PSI. Elektronöverföringen ökar den elektrokemiska
potentialen i thylakoida membranen och det är denna potential som driver fosforyleringen av
ADP till ATP. PSI katalyserar ljusdriven elektrontransport från insidan av membranet till
ferredoxin på utsidan (stroma). Det reducerade ferredoxinet används i sin tur för produktion
av NADPH som bistår i omvandlingen av koldioxid till organiska molekyler. PSII är unikt i
sin förmåga att kunna frigöra elektroner från vatten (6, 7); det är den enda kemiska katalysator
som vi känner till som kan splittra vatten (3), men det är PSI som är den mest effektiva
fotoelektriska apparaten i naturen med en näst intill 100%-ig användning av ljuset till just
elektrontransporten (6). PSII är nyckeln till nästan allt liv på jorden som vi känner till (3),
med några få undantag som exempelvis svavelfixerande bakterier som kan leva på mörka djup
i haven. Det är fotosystem II:s förmåga att frogöra elektroner från vatten som är grunden till
att växter är den dominerande formen av liv på jorden.
Fotosystemens struktur avgör effektiviteten
Effektiviteten i båda fotosystemen är beroende av en viss rumslig struktur för de molekyler
som ingår i reaktionerna. Det är därför av stort värde att veta hur den tre-dimensionella
strukturen i fotosystemen ser ut (6). Genom att framställa proteinkristaller, vilket i sig är en
komplicerad process, och sedan utsätta dessa för elektromagnetisk strålning av olika energiinnehåll, kan forskare skapa bilder av tre-dimensionella strukturer av proteiner. Detta
förfarande kan även användas för de molekylkomplex som både PSI och PSII består av. Det
är dock en komplex uppgift för forskare att skapa sig en helhetsbild av detta, eftersom båda
fotosystemen innehåller många olika subenheter som behöver undersökas i sin struktur och
inbördes placering inom fotosystemen (6). Den kunskap som vi hittills har om den tredimensionella strukturen för båda fotosystemen, har vi främst hämtat från dessa fotosystem i
cyanobakterier (6, 7). För PSI har forskare lyckats erhålla information även från PSI-systemet
från högre växter genom diffraktion av elektromagnetisk strålning i kristaller av PSIkomplexet (6). Vi återkommer till detta nedan.
13
Det är PSII som ligger till grund för artificiell fotosyntes (3), men vi ska först titta lite närmre
på PSI.
Fotosystem I, PSI (6)
PSI fungerar som en konverterare av soljusenergi, genom att det katalyserar ett av de initiala
stegen av fotosyntes i cyanobakterier, alger och högre stående växter. Fotosystem I fångar
solljuset och omvandlar den energin till excitationsenergi genom ett mycket intrikat och
välorganiserat nätverk av pigment in till mitten av molekylen, där energin används i
elektronöverförande reaktioner. Genom kristallisering av PSI har Amunts, Toporik,
Borovikova och Nelson (6) kunnat skapa sig en förbättrad förståelse för de mekanismer som
ingår i dessa processer.
Som tidigare nämnts har den samlade kunskap som vi har om båda fotosystemens tredimensionella struktur hämtats främst från cyanobakteriernas system. För PSI har man dock
kunnat skapa sig en bild även av PSI i högre växter och det visar en mycket stor strukturell
komplexitet och även några proteiner som inte finns i motsvarande system hos
cyanobakterierna. Den förhållandevis låga upplösningen i Amunts, Toporik,Borovikova och
Nelsons (6) tidigare bilder av kristallstrukturer av PSI från högre växter kunde inte ge någon
information om formeringen eller identiteten av olika amionsyra-sidkedjor. De har dock
lyckats förbättra reningen och kristalliseringen av membranproteiner i PSI från högre växter
till den grad att de fick bilder av strukturerna med betydligt högre upplösning. Deras
förbättrade kristallisationsprocess är mycket värdefull i sig, men eftersom detta arbete syftar
till att informera om artificiell fotosyntes är det främst den kunskap som forskarna kunde
erhålla och publicera med hjälp av de i högre grad reproducerbara och homogena kristallerna
samt den förbättrade diffraktionskvaliteten som är av intresse i detta arbete. Även om de
tidigare kristallerna visade sig vara små och känsliga lyckades man få värdefull kunskap
genom att sammanställa data från ett stort antal undersökningar av olika delar på många olika
kristaller. Genom de förbättrade kristalliseringsprocesserna lyckades man dock få en kristall
av sådan kvalitet att man kunde få den en del av den sökta informationen från enbart en
kristall. Man såg då att växt-PSI består av två separata funktionella enheter; PSI-kärnan och
den perifera LHCI (Light Harvesting Complex)-antennen. Kärnkomplexet är likt det som
finns i cyanobakterier, medan LHCI är unik för växter och gröna alger. Kärnkomplexet består
av 12 protein-sub-enheter, varav två av de största binder den största andelen av pigmenten och
utgör en grundläggande byggsten för elektronöverföringen i PSI. LHCI:s funktion är att öka
effektiviteten av den fotosyntetiska processen i växterna, genom att den kan fånga in ljus ur
ett bredare spektrum av elektromagnetisk strålning och leverera excitationsenergi till
kärnkomplexet. Forskarnas nuvarande kristallstruktur påvisar ett PSI-superkomplex med mer
än 10 % fler atomer än vad den tidigare strukturen visade och dessutom en ny upptäckt; en
liten protein-enhet. Därutöver kunde man i den förbättrade strukturen se tydligare bilder av
tidigare kända klorofyller men även några nya. Ett av dessa nyupptäckta klorofyller är ett
”gap-klorofyll”, som är beläget mellan kärnkomplexet och LCHI. Gapklorofyller är unika för
växt-PSI.
14
Figur 2. Den tidigare strukturmodellen anges i gul färg och den nya modellen, baserad på Amunts,
Toporik, Borovikova och Nelson studie från 2010 (6), i blå färg. Man ser att flera av gapklorofyllen
befinner sig i andra positioner än vad tidigare modeller visat, samt att det finns minst ett gapklorofyll
som man tidigare inte kände till, CHL1303.
Fotosystem II, PSII (6, 9)
Fotosystem II ligger till grund för artificiell fotosyntes; det innehåller ett membranbundet
enzym som finns i alla växter och alger och som kan liknas vid en solenergidriven generator.
Elektroner transporteras, via flera komplexa set av ljusdrivna reaktioner, från vatten till en
elektron-acceptor. Denna process genererar en potential, som är ett energirikt stadium, över
hela membranet där Fotosystem II innesluts. Resultatet av dessa elektrontransporterande
reaktioner är att vatten splittras till syrgas och vätejoner. Kemiskt sett är det denna reaktion
som frigör elektronerna ur vattnet som är den svåraste. Möjliggörandet av vattnets splittring är
unik för kärnkomplexet i Fotosystem II (PSIIcc – PSII core complex) (6, 9). Elektronerna som
PSII frigör från vattnet överförs till acceptorer och används i reduktionen av koldioxid till
kolhydrater (9). I den primära fotoreaktionen absorberas ljus av ett klorofyllpigment i kärnan
av PSII. Detta pigment fungerar sedan som en donator av fotoelektroner, en åt gången, och
det regenereras genom elektronöverföring från ett tetranukleärt mangankomplex, där själva
vattenoxidationen äger rum. Mangankomplexet binder vatten och överför en elektron åt
gången till det oxiderande klorofyllpigmentet. När fyra elektroner har tagits från komplexet
släpps molekylärt syre iväg och processen upprepas. Mangankomplexet i PSII är den enda
naturligt förekommande katalysatorn för vattens oxidation som vi känner till. Det är detta steg
som efterliknas i artificiell fotosyntes. Den stora fördelen är att vatten är en obegränsad
elektronkälla (3).
År 2000 var det en forskargrupp i Berlin som lyckades i detalj beskriva mekanismen för
Fotosystem II. Denna detaljerade kunskap var ett viktigt genombrott för framtida arbete
utifrån den naturliga fotosyntesens mekanismer. De tre huvudsakliga mekanismerna för
splittringen av vatten kan sammanfattas enligt följande:
1. En molekyl som fångar ljuset som ger energi till de kemiska reaktionerna. I naturen
utgörs denna molekyl av klorofyll.
2. Ett tyrosin som medierar elektrontransporten och katalyserar rektionen.
15
3. Ett mangankomplex som skickar elektroner till klorofyllet, som utgör en yta där
vattnet kan splittras.
Biomimetisk kemi och artificiell fotosyntes (3)
Inom biometisk kemi efterliknas eller härmas kemiska processer som finns i naturen. De
biomimetiska processerna har dock inte någon motsvarighet i naturen, så vitt man vet.
Naturens klorofyll är i artificiell fotosyntes ersatt med kemiska föreningar som innehåller den
ädla metallen ruthenium, vars egenskaper liknar klorofyllets så tillvida att
rutheniumkomplexen absorberar ljus av liknande väglängder som de som klorofyll absorberar.
Ruthenium har dessutom en liknande oxidationspotential, som är tillräckligt stark för att driva
oxidationen av vattnet.
Vi kan jämföra mekanismerna i den naturliga fotosyntesen med dem i den artificiella
fotosyntesen (figurer från referens 3).
Vätejonerna kan användas till att framställa vätgas i artificiell fotosyntes: ljuset fångas upp av
ruthenium (istället för klorofyll) och energin används för att flytta elektroner från donatorn
(mangan i naturlig fotosyntes) till acceptorn (Q i naturlig fotosyntes). Elektroner tas från
vatten, precis som i naturlig fotosyntes, och används till att göra vätgas av vätejonerna från
vattnets splittring.
Det nya komplexet för den artificiella fotosyntesen kan avge flera elektroner, vilket liknar den
naturliga processen i Fotosystem II, där fyra manganjoner och tyrosin tillsammans kan
tillhandahålla fyra elektroner innan vattnet splittras i sina komponenter. Vid tiden för
Energimyndighetens publicering av referens 3 kunde det artificiella systemet inte splittra
vatten3.
3
Jag har kontaktat Energimyndigheten och försökt få kontakt med Ann Magnusson för att veta var denna
forskning står just idag, men inte lyckats få svar eller information från någon av dem.
16
Mekanismerna för splittringen av vatten i artificiell fotosyntes kan sammanfattas enligt
följande, vilket kan jämföras med Berlinforskarnas ovanstående sammanfattning av den
naturliga fotosyntesen som gjordes år 2000:
1. Där finns en molekyl som fångar ljuset; det är rutheniumkomplexet istället för
klorofyll.
2. Tyrosin medierar elektrontransfer.
3. Ett mangankomplex avger tre till fyra elektroner till ruthenium och har förmåga att
binda till sig vattenmolekyler.
Vätgasen som kan bildas av vätejonerna är en stor energibärare. Vid vätgasförbränning består
restprodukten av vatten vilket gör att den kemiska kretsen kan vara sluten i ett artificiellt
system. Vattnets oxidation i Fotosystem II katalyseras av fyra manganatomer, som samarbetar
med aminosyran tyrosin. Mangan kan binda vatten och bryta upp vattenmolekylerna så att de
kan leverera elektron efter elektron till klorofyll P. När fyra elektroner har frigjorts ur två
vattenmolekyler, frigörs syrgas och vätejoner. De fyra elektronerna levereras en åt gången till
klorofyllet, via tyrosinet.
Det som saknas i dagsläget i den artificiella fotosyntesen är att kunna frigöra elektroner från
vatten och inte enbart från mangan. De svenska forskarna arbetar intensivt med att förbättra
supermolekylens kemiska struktur för detta ändamål (3).
Det finns enklare processer för att framställa vätgas än den som utgör splittring av vatten, men
dessa drivs inte av ljus. Det är just detta som gör att de svenska forskarna vill få rutheniumkomplexen att fungera som katalysator, så att de kan bistå i produktionen av vätgas genom att
förena elektronerna och vätejonerna från vattnets splittring. För att detta ska fungera måste
bindningen som håller ihop rutheniumkomplexet och katalysatorn kunna överföra elektroner
på ett effektivt sätt. Även i detta fall är det från naturen som forskarna hämtar sin inspiration.
Man provar att binda quinone till ruthenium och första försöket lyckades (3).
Rutheniumkpomplexen har till och med vissa fördelar över klorofyllets egenskaper; de är
robusta medan klorofyll är förvånansvärt känsligt mot ljus. Växter lever med sin
ljuskänslighet, som de kompenserar för genom komplicerade läknings- och
återhämtningssystem. I artificiell fotosyntes har man inte råd med denna känslighet för att
processen ska bli effektiv; den måste vara riskfri och innebära så litet underhåll som möjligt.
Nedan följer en mer ingående beskrivning av ett delvis svenskt forskningsinitiativ kring
rutheniumkomplexen.
Syntetiska mangankomplex i biomimik av PSII (9)
Det är endast få mangankomplex som skapats syntetiskt och ännu färre som visat sig oxidera
vatten hela vägen utan hjälp av andra ämnen. Forskargruppen Xu et. al. (9) har arbetat med att
försöka få fram en manganbaserad och biomimetisk katalysator för vattenoxidation. I detta
syfte beredde och undersökte de flera supramolekylära system i vilka ett mono-eller
dinukleärt mangankomplex kopplades till en rutheniummolekyl. De har observerat
ljusinducerad, intramolekylär elektrontransfer från mangan till ruthenium i alla sina komplex.
De lyckades också överföra tre elektroner, en åt gången, från de dinukleära
17
mangankomplexen till rutheniummolekylen. Dock har de ännu inte lyckats upptäcka någon
bildning av syrgas med något av dessa komplex.
Mangan finns i stora mängde i de övre lagren av jordskorpan och finns lättillgängligt för
många organismer i biosfären. Därför kan man tänka sig att det vore naturligt att imitera
naturens egen preferens för mangan i fotosyntetisk vattenoxidation, och därför är det
intressant att notera att de tidigare (år 2005) enda syntetiska material som kunde utföra
vattenoxidation i en hyfsad grad var dinukleära komplex med ruthenium. Detta är naturligtvis
orsaken till att flera olika rutheniumkomplex har syntetiserats, varav många visar sig fungera
som katalysator för vattnets oxidation. Den forskargrupp (9) som också gjort och prövat flera
olika mangankomplex har nu även prövat att åstadkomma ljusinducerad oxidation av vatten
med ett trinukleärt rutheniumkomplex som katalysator. I kontrast till deras tidigare studerade
mangankomplex visade sig de trinukleära rutheniumkomplexen ha alltför kort livstid för
emission för att kunna initieras till elektronöverföring med hjälp av en extern eletronacceptor. Forskargruppen tror sig dock kunna lösa rutheniumkomplexets korta livstid genom
vidare forskning. Man har redan sett att problemet kan avhjälpas något genom förankring med
ligander, varvid livstiden ökar mångfalt.
Sammanfattning av den svenska lösningen (3)
Den svenska idén för att få en tillräckligt och fullt fungerande artificiell fotosyntes är unik
genom att den bygger på skapandet av ett supermolekylsystem, i vilket rutheniumkomplexet
är kopplat till ett mangankomplex, som ska likna det som finns i naturlig fotosyntes. Syftet
med mangankomplexet är att frigöra elektroner, precis som i naturlig fotosyntes, men sedan
ge elektronerna, en åt gången, till ruthenium.
När projektet startade i Sverige 1993 insåg forskarna att det var svårt att förena ruthenium och
mangan i ett komplex. Man lyckades dock med enstaka joner och kunde därmed visa att tesen
fungerade; man kunde åstadkomma artificiell fotosyntes. Ungefär samtidigt kom ett annat
genombrott inom fotosyntesforskning. Det var då som man upptäckte tyrosins viktiga roll i
den vattensplittrande reaktionen, genom att tyrosin kopplar ihop mangankomplexet med
klorofyll P. Tidigare trodde man att tyrosin enbart hade en biträdande roll i reaktionen.
Utifrån denna nya kunskap byggde de svenska forskarna ett rutheniumkomplex som var
kopplat till ett tyrosin. Allt sedan dess har kunskapen om ruthenium-tyrosinkomplexet och
den ljusdrivna överföringen av elektroner från mangan till tyrosin visat sig vara central.
Denna kunskap har även bidragit till ny forskning som inte skulle ha varit möjlig med
traditionella forskningsmetoder inom biologi.
Kopplingen till biologisk forskning - supermolekylen (3)
Som nämnts ovan under avsnittet om hydrogenaser, finns det encelliga alger som kan
producera enzymer som bistår i produktionen av vätgas genom förening av vätejoner och
elektroner. Därmed finns många av de kemiska principer som är av intresse för artificiell
fotosyntes redan i dessa organismer och vetskapen om detta används också i forskningen som
syftar till att imitera hydrogenasernas funktion och mekanism (se avsnitt om hydrogenaser
ovan, 8). I Sverige bedrivs forskning även inom detta område, eftersom netto-produktionen av
18
vätgas i den naturliga varianten av den blå-gröna algen (egentligen cyanobakterie) Nostoc är
mycket låg. Den genmodifierade varianten av Nostoc producerar mycket mera vätgas.
Hydrogenasernas katalytiska centrum innehåller järn och svavel som aktiva komponenter.
Man kan framställa komplex som liknar dessa järn-svavel-komplex på konstgjord väg. De
svenska forskarna som arbetar med artificiell fotosyntes har börjat undersöka om de kan
koppla ruthenium och mangan till sådana järn-svavel-komplex. Det är i detta sammanhang
som fotosyntesforskarnas samarbete med de biologiska vätgas-produktions-forskarna har
inletts och det är just detta samarbete som ligger bakom förväntningarna på skapandet av en
supermolekyl. I supermolekylens centrum kommer ruthenium att finnas och omgärdas av ett
mangankomplex på ena sidan samt ett järn-svavel-komplex med quinone på andra sidan. När
ruthenium absorberar ljus, skickar det iväg en elektron, som transporteras via quinone till
järnet och hamnar i ett väte. En ny elektron matas in i ruthenium från mangankomplexet, via
tyrosin. Efter två sådana ljusdrivna elektronöverföringar, bildas vätgas. Efter fyra sådana
reaktioner tar mangan fyra elektroner från vattnet. Denna sekvens av reaktioner kan upprepas.
Om detta scenario kan förverkligas kan den tekniska utvecklingen av en konstruktion för
omvandling av solenergi till vätgas börja.
Framtiden (3)
Möjligen kan man i framtiden skapa solpaneler, liknande dem som man tillverkar för
solceller, som kan placeras på tomma ytor som hustak. Dessa måste då innehålla två delar,
eller tankar, som är åtskilda. För närvarande tänker man sig att dessa tankar är fyllda med
vatten och att ett membran som liknar det som finns i det naturliga systemet separerar
tankarna. På ena sidan av membranet splittras vattnet av mangankomplexet och syrgas bildas.
På den andra sidan tillverkas vätgas med hjälp av en katalysator som är gjord av platina eller
ett järn-svavel-komplex.
Detta betyder att
solenergikonstruktionen
bildar livsnödvändig syrgas
i den ena delen och den
starka energibärande
vätgasen, som kan användas
som bränsle i bl.a.
bränsleceller, i den andra
delen.
Figur 3. Tankar fyllda med
vatten och åtskilda av ett
membran.
Man tänker sig att vätgasen ska kunna utnyttjas omedelbart eller att den ska kunna lagras i ett
vätgasabsorberande material. Det finns en förväntan om ett näst intill självbärande system
som bara behöver fyllas på med vatten emellanåt. De konstgjorda supermolekylerna med
mangan, järn och ruthenium kommer att vara länge och när de måste ersättas bör det vara
möjligt att återvinna restmaterialet för minsta möjliga påfrestning på miljön.
19
Del 2 – Pedagogisk planering för undervisning om energi och
hållbar utveckling för åk 9 – ”how to teach”
Bakgrund
En lärares undervisningspraktik tydliggör hens förhållningssätt till både kunskap och lärande
genom den lärmiljö som hen skapar och erbjuder eleverna.
Lärarens förhållningssätt och elevernas lärmiljö
En lärmiljö består av både det fysiska och det mentala rummet som omger eleverna i
undervisningssituationen. Den sammantagna lärmiljö som läraren skapar och erbjuder
eleverna tydliggör om läraren har en atomistisk eller holistisk syn på kunskap; om hen
fokuserar på elevernas inlärning och återgivning av fakta eller på elevernas lärprocess och
faktiska användning av fakta i olika mer eller mindre verklighetsbaserade situationer och
problemställningar. Den sammantagna lärmiljön som läraren skapar och erbjuder avslöjar
dessutom huruvida läraren ser eleverna som en resurs i sitt eget lärande och hur läraren
uppfattar att själva lärandet uppmuntras och sker hos eleven. En av utgångspunkterna för de
studier som ingår i min doktorsavhandling (Sagar, 2013) är den stora betydelse som läraren
och hens undervisningspraktik – den lärmiljö som läraren skapar och erbjuder – har på
elevernas sammantagna lärande.
Entreprenöriellt lärande – en lärmiljö
En annan utgångspunkt i min doktorsavhandling är olika studier som påvisar ett ökat intresse
för och en ökad motivation hos eleven att lära skolans naturvetenskap och teknik. Dessa
studier lyfter komponenter som kan beskrivas som ”entreprenöriellt lärande” och/eller
”autentiskt lärande”; två begrepp som egentligen avser lärmiljöer i motsats till att vara teorier
om själva lärprocessen.
Konstruktivismen – en lärandeteori
Den eller de lärmiljöer som speglar entreprenöriellt lärande representerar ett särskilt
förhållningssätt hos läraren (Sagar, 2013) avseende både (meningsfull) kunskap och elevernas
lärprocess. Lärarens förshållningssätt till elevernas lärprocess och lärande, i en lärmiljö som
är inspirerad av entreprenöriellt lärande, kan ramas in i den lärandeteori, från
psykologiforskningen, som kallas konstruktivismen. Inom konstruktivismen menar man,
enligt Biehler och Snowman (1997), att meningsfull inlärning ses som ett aktivt skapande av
kunskapsstrukturer, som utgår från personliga erfarenheter hos varje individuell elev. Eleven
formar en personlig bild av världen utifrån befintliga kunskaper, intressen, attityder och mål.
Inlärningen är meningsfull då den lärande använder sig av den kunskap och de färdigheter han
eller hon redan har, för att lösa realistiska problem i en realistisk kontext. Detta
överensstämmer med det förhållningssätt som den lärare har, som inkluderar komponenter
från begreppet entreprenöriellt lärande i skapandet av sin undervisningspraktik och elevernas
lärmiljö:
20
Constructivism: The view that meaningful learning is the active creation of
knowledge structures rather than a mere transferring of objective knowledge
from one person to another (Snowman, McCown & Biehler, 2009; sidan 568).
Enligt Biehler och Snowman (1997) kan man stöda ett konstruktivistiskt lärande genom att
skapa lärmiljöer där eleverna utsätts för flera olika perspektiv kring ett problem eller ämne.
Läraren arrangerar innehållet i inlärningsuppgiften och agerar handledare i elevernas lärande
genom att leda aktiviteterna så att eleverna själv upptäcker, och konstruerar, en personlig och
meningsfull uppfattning om problemet eller ämnet. Vidare, kan läraren bidra till diskussioner
eleverna emellan genom att skapa kognitiva konflikter. Dessa kan med fördel skapas genom
att läraren presenterar en provokativ idé eller flera olika perspektiv som berör de begrepp som
eleverna ska lära sig. Som att uppmuntra diskussioner kring olika energikällor och att
eleverna ska ta underbyggda ställningstaganden för eller emot olika energikällor med
utgångspunkt från hållbar utveckling.
Inledning för läraren
Energikällor och hållbar utveckling
Inom arbetsområdet kommer energi att bearbetas med olika energikällor som utgångspunkt
och med användning av vetenskapliga fakta och naturvetenskapliga begrepp, processer och
fenomen. Energikällorna ska dessutom belysas i relation till hållbar utveckling och ett aktivt
samhällsmedborgarskap där eleverna inom kort framtid ska ta ställning på saklig grund,
debattera och rösta i frågor som rör energikällor.
Produktion och konsumtion av energi
Diskutera produktion och konsumtion av energi i relation till en el-räkning som eleverna tar
med sig hemifrån. Uttrycken produktion och konsumtion av energi kan behöva
problematiseras i detta sammanhang, eftersom det egentligen är en energiomvandling som
sker, från en energiform till en annan. Det är ingen nyproduktion av energi, som ordet kan
tänkas ange. Vi använder ordet ”producera” utifrån att vi med teknikens hjälp omvandlar
energi sparad i en viss form till en form av energi som vi människor kan använda oss av i
olika tekniska processer, som värme eller elektricitet. Vi kan sedan omvandla värme och
elektricitet för att tillfredsställa våra behov av att värma våra bostäder, laga mat, driva
industriell produktion, få belysning i våra hem, stryka våra kläder, använda tvättmaskin mm.
Likväl som att vi i vardagslag pratar om att vi ”producerar” energi, pratar vi också om att vi
”konsumerar” energi. Här använder vi ordet konsumtion i syfte att beskriva att vi har använt
den tillgängliga energin (den ”producerade” energin) på ett sätt som har omvandlat den till en
energiform som vi inte längre direkt kan använda oss av för tekniska processer, i alla fall inte
med lätthet.
Diskutera förnyelsebara och icke-förnyelsebara energikällor och vad dessa begrepp betyder.
Det är vanligt att solceller förväxlas med solfångare. Solceller alstrar elektricitet medan
solfångare helt enkelt är behållare med vatten som bestrålas av solljus, varmed vattnet i
behållarna värms upp och kan användas till att duscha och bada i, samt användas till
21
vattenburen värme i bostäder. Det är vanligt att man ser solfångare på hustaken i soliga länder
som Grekland.
Inledning med eleverna
Visa Energifallet (10) där det på framsidan står: ”Du är full av energi!” Fråga några elever i
taget: Känner du att du har mycket energi just nu?
Be eleverna förklara sina svar och diskutera att vi i detta sammanhang menar, oftast, om vi
känner oss trötta eller inte.
Hur kan vi få oss att känna oss mer energiska, mer pigga och/eller mindre trötta?
Det kan handla om att



vila eller sova,
man har/skapar en ”mental känsla” av trötthet eller energi; att man inte har lust och
motivation att göra något eller att man har det, som i sin tur kan bero på
omständigheter utanför en själv i ens liv, pubertet, ledsamhet över något, glädje över
något, pubertet, förälskelse, svek, mm,
men kan också handla om att vi behöver fylla på med energi i form av mat, som är
energibärande materia.
Varifrån får vi den energi som vi behöver för våra livsuppehållande mekanismer och
processer som vi behöver som organismer (fråga även vilka dess är/vad som kännetecknar en
levande individ = organism; tillväxt, fortplantning, cellandning, består av celler, intag av
energi och ev rörlighet)?
Repetera fotosyntesen i vilken växter omvandlar/lagrar in solens energi i den process som
kallas fotosyntes och diskutera att allt liv (några undantag som svavelfixerande bakterier) har
sin ursprungsenergi från solens energi. Det kan vara viktigt att poängtera att det egentligen
inte krävs just solljus eller solenergi för att fotosyntesen ska kunna ske. I naturen är det
solljusets energi som används, och därför tror många elever, vilket också står i många
läroböcker utan att reflekteras kring, att det är just solljus som behövs. För att belysa detta kan
man prata om att vi har belysning, annan än från solen, i våra växthus och att det inte hade
varit någon större mening med växthus vintertid om det om det var nödvändigt med just
solljuset.
Diskutera hur solens energi har kommit in






i växter
i djuren
i det kött vi kanske äter
i den fisk vi kanske äter
i den mjölk som vi kanske dricker
i de flingor som vi äter
22



i det bröd vi äter
i det godis vi äter
mm
…och diskutera hur vi kan använda den energi som finns bunden i denna mat (materia);
cellandning i våra mitokondrier.
Gå igenom cellens delar och poängtera hur vi alltid måste ”gå in i det lilla” för att verkligen
förstå de stora sammanhangen, de stora fenomenen och skeendena som vi kan se med blotta
ögat, känna med vår kropp, lukta med vår näsa, höra med våra öron, smaka med vår tunga,
bara känna inombords (sjätte sinne?) eller observera på något annat sätt. Diskutera denna
interaktion mellan mikro- och makro-världen, som vi alltid återkommer till inom NOundervisningen.
Sammanfatta med att fastställa att vi inom NO:n pratar om energi som ett avgränsat och
väldefinierat begrepp som inte inkluderar hur vi känner oss, hur motiverade vi är osv. Det är
ett formellt begrepp och det är så som vi nu ska prata om energi inom detta arbetsområde.
Notera dock att energi inte finns enbart inom fysik, eller enbart inom kemi eller enbart inom
biologi; energin flödar genom hela vårt system och vårt system är inte indelat i skolämnen!
Genomgångar och uppgifter
1. Dela ut pedagogisk planering och gå igenom mål, centralt innehåll samt kunskapskrav.
Presentera förslagen på hur de ska visa sitt lärande (~ prov/redovisningar). Justera utifrån
individuella önskemål och förslag, om så behövs.
2. Uppmana eleverna att samla in tidningsartiklar eller länkar till andra seriösa nyhetsmedier
som handlar om energi, i Sverige och i övriga världen. Diskutera artiklarna/nyheterna och
vilka kunskaper som de behöver för att förstå dem och därmed också för att kunna vara
aktiva i samhällsdebatten kring energi.
3. Gå igenom Naturskyddsföreningens bildspel som heter Tankar om energi (11) och ta hjälp
av den information som finns i lärarhandledningen (12).
4. Lista olika energikällor som vi använder oss av för att tillfredsställa våra energibehov.
Diskutera utifrån det som de redan vet om de olika energikällornas för- och nackdelar; en
fördel ur ett perspektiv kan vara en nackdel ur ett annat perspektiv, men också att
energikällan kan innebära både för- och nackdelar ur samma perspektiv. Exempel:
vindkraft är bra för miljön (perspektivet) genom att det är förnyelsebar och icke-fossil
energi som inte bidrar till den förstärkta växthuseffekten (inte under
energialstringsprocessen) men att det samtidigt kan vara negativt för miljön genom att det
kan påverka den biologiska mångfalden negativt (fåglar och havslevande djur).
Kärnenergi kan vara en nackdel för miljön (ett perspektiv) pga de farliga avfallet som ska
tas om hand, medan det är positivt att de ingenjörer, tekniker och forskare som är
utbildade inom området har arbeten (samhällsperspektiv/arbetslöshet). Skapa en mindmap som skrivs ut och sparas på smartboard eller om någon antecknar digitalt så att alla
elever kan få tillgång till denna och arbeta utifrån denna under arbetsområdets gång.
23
5. Låt eleverna läsa skriften Energifallet (10). De får själva välja någon text/sida att starta
med. Dela in klassen i grupper så att de som har läst samma text/sida får en stund efteråt
att diskutera innehållet utifrån nedanstående frågor och gör sedan om övningen runt en ny
text/sida:
a. Var det något som du inte förstod och som du vill att ni ska hjälpa varandra (eller
er lärare) att förklara?
b. Vad var mest intressant med det som du läste?
c. På vilket sätt berörde/berör texten dig? Din familj? Kullavik? Sverige? Hela
världen?
d. Vad har du för synpunkter på det som står i texten och varför?
e. Kan du påverka budskapet i texten på något sätt och i så fall hur?
6. Dela in klassen i grupper så att varje grupp kan ansvara för en energikälla enligt nedan:
a. Kärnkraft (diskutera att det kanske snarare borde heta kärnenergi…)
b. Vattenkraft
c. Vindkraft
d. Direkt solenergi (artificiell fotosyntes, solfångare, solceller)
e. Biobränslen (biogas, biopellets, energiskog, etanol)
f. Geotermisk energi
g. Havskraft
h. Bränsleceller (vatten – vätgas)
i. Fossila bränslen (kol, olja, naturgas)
7. Låt eleverna arbeta enligt instruktionerna överst på sidan 28 i Lärarhandledningen (12).
Komplettera informationen med att deras bildspel ska innehålla alla de fakta och de
reflektioner kring de olika perspektiven samt för- och nackdelar (för vem?), som alla i
klassen kan använda sig av för att förbereda för Visa lärande-uppgift nr 1 (paneldebatten).
Uppmana dem om att ta hjälp av Energibiblioteket:
http://www.naturskyddsforeningen.se/skola/energifallet/energibibliotek (13), boken som
heter Energi – Möjligheter och dilemman (14) och STEM:s hemsida:
http://www.energikunskap.se/sv/ (15).
8. Sammanfatta elevernas redovisningar med att lista förnyelsebara och icke-förnyelsebara
bränslen. Diskutera att det sker mycket forskning kring förnyelsebara energikällor:
a. varför detta sker,
b. något om resurserna som vi lägger på detta och
c. presentera den forskning som har gjorts och görs i Sverige kring artificiell
fotosyntes som ett exempel.
d. Betona det ämnesövergripande behovet samt vikten av att lära sig förstå ”det lilla”
(mikroperspektivet) för att kunna förstå ”det stora” (makroperspektivet) och
e. dra nytta av kunskaperna om ”det lilla” i mycket, mycket stora sammanhang.
f. Här är Del 1 i detta arbete en utmärkt utgångspunkt. Presentera gärna artiklarna
och deras minutiösa detaljrikedom som en illustration på hur man arbetar med ”det
lilla” i det stora perspektivet av att finna en ny, förnyelsebar energikälla. Detta
påvisar också hur många, många insatser från många olika forskare tillsammans
skapar en bild över helheten precis som pusselbitarna i ett stort pussel.
24
9. Följ T-shirten: Arbeta med lektionen som står beskriven på sidorna 35-36 i
Lärarhandledningen (12).
10. På spaning i hemmet: Arbeta både i klassrummet och hemma som ”läxa” med uppgiften
som står beskriven på sidorna 22-23 i Lärarhandledningen (12). Uppmana dem om att ta
hjälp av Energibiblioteket:
http://www.naturskyddsforeningen.se/skola/energifallet/energibibliotek (13).
11. Citronbatterier och bakpulverbomber: Arbeta laborativt med försöken på sidorna 20-21 i
Lärarhandledningen (12). Uppmana eleverna att föra anteckningar över sina resultat och
diskutera relevansen för detta arbetsområde. Ska eleverna skriva laborationsrapport eller
inte? Om de ska skriva laborationsrapport, ska kunskapskraven för hela arbetsområdet
kompletteras.
12. Fyra hörn: Värderingsövning enligt Lärarhandledningen (12).
13. Grupperna redovisar sina bildspel kring olika energikällor. Eleverna lägger sina bildspel i
Fronter så att alla i klassen kommer åt dem.
Pedagogisk planering för eleverna
Denna planering är utformad enligt den mall och den rubricering som används på
Kullaviksskolan. Den följer eller motsvarar Skolverkets allmänna råd för pedagogiska
planeringar.
Visa lärande
Utöver det underlag som du ger läraren för bedömning på lektionstid i genomgångar,
diskussioner och praktiskt arbete, ska du visa dina kunskaper genom två av de nedanstående
uppgifterna. Du kan, som vanligt skapa en egen uppgift för att ge din lärare underlag för den
bedömning och de kunskapskrav som ingår i detta arbetsområde. Om du gör en egen uppgift
måste du, för din egen skull, förankra den med din lärare innan du gör den.
1. Paneldebatt (görs av alla och i samverkan med SO- och sv-lärare)
Du ska förbereda dig för att diskutera olika energikällor som vi idag använder oss av och som
vi forskar kring för att utveckla. Du ska kunna resonera kring energikällornas för- och
nackdelar och göra detta utifrån olika perspektiv. I detta resonemang ska du förhålla dig
källkritiskt till de fakta som du använder och visa förståelse för att olika intressenter drar fram
olika för- och nackdelar i något särskilt syfte. Vem har intresse av att skriva det som du läser i
dina källor, i vilket syfte har de skrivit texten och hur kan detta påverka trovärdigheten?
Du ska kunna relatera alla energikällorna till solens energi och, i relevanta fall, till
fotosyntesen.
Förbered dig för en paneldebatt där du ska vara beredd att gestalta någon av följande:
o politiker från VP, S, MP, C, F, M eller KDS (du måste då veta vad dessa partier företräder
när det gäller energifrågor just idag)
o kärnfysiker
25
o forskare med inriktning mot miljön
o företrädare för
o Vattenfall
o Ringhals
o Volvo
o SAS
o IVF värmepumpar
o Eget förslag?
Utöver de begrepp och den förståelse som du ska använda för att ange alla de olika
energikällor som vi har tagit upp under arbetets gång, ska du kunna använda följande begrepp,
på ett sätt som vittnar om förståelse, i din argumentation:
 Energi
 Kraft
 Effekt
 Förnyelsebar energi
 Fossilfria bilar
 Växthuseffekt och förstärkt växthuseffekt
 Klimatförändringar
 Hållbar utveckling
 Fusion och fission
 Produktion och konsumtion av energi
 Energins flöde genom systemen och att energi kan omvandlas till olika former av energi
 Näring/mat i relation till energi
…………………………………………………………………………………………………
Utöver uppgift nr 1, kan du välja mellan uppgift 2 och 3 eller skapa en egen uppgift som
intresserar dig mer. Om du väljer att skapa en egen uppgift, ska du få den ”godkänd”
av läraren, så du inte riskerar att göra något som inte ger dig belägg för bedömning
utifrån de förmågor och kunskapskrav som vi arbetar med.
2. Skriv någon form av artikel till nästa nummer av Energifallet
Skriv någon form av artikel som passar in i Naturskyddsföreningens skrift Energifallet. Din
text kommer att skickas in till Naturskyddsföreningen.
Du kan gärna hämta inspiration och/eller en löpsedelstext att utgå ifrån i det material som
heter Energifallet Energireportern. Använd din fantasi i relation till löpsedlarna. Du kan
skriva på svenska eller engelska.
Påminnelse för din egen skull: Din artikel ska ge underlag för bedömning av de kunskapskrav
som ska bedömas i detta arbetsområde. Det är därför viktigt, precis som vanligt, att du
använder kunskapskraven som en form av instruktion för uppgiften utifrån de mål som du har
med ditt lärande och din bedömning i NO och teknik.
26
3. Bemöt några medieinslag om energikällor
Välj några tidningsartiklar, radio- och/eller TV-nyheter och/eller nyheter från andra medier
som handlar om energi och energikällor och bemöt dessa i en blogg under en viss tid. Bloggen
ska vara öppen för dem av dina klasskamrater som också bloggar och ni ska kommentera
varandras inlägg. Du ska skriva dina inlägg i bloggen på ett sådant sätt att du är beredd att
öppna upp den för offentlig läsning. Så, när du skriver; föreställ dig att vem som helst kan läsa
din blogg! Du kan skriva på svenska eller engelska.
Påminnelse för din egen skull: Din blogg ska ge underlag för bedömning av de kunskapskrav
som ska bedömas i detta arbetsområde. Det är därför viktigt, precis som vanligt, att du
använder kunskapskraven som en form av instruktion för uppgiften utifrån de mål som du har
med ditt lärande och din bedömning i NO och teknik.
Mål och bedömning
Övergripande mål för kunskaper (Kapitel 2.2)
Du ska få möjlighet att utveckla nedanstående förmågor/forma denna kunskap:
o kan använda det svenska språket i tal och skrift på ett rikt och nyanserat sätt,
o kan använda kunskaper från de naturvetenskapliga, tekniska, samhällsvetenskapliga,
humanistiska och estetiska kunskapsområdena för vidare studier, i samhällsliv och
vardagsliv,
o kan lära, utforska och arbeta både självständigt och tillsammans med andra och känna tillit
till sin egen förmåga,
o kan använda sig av ett kritiskt tänkande och självständigt formulera ståndpunkter
grundade på kunskaper och etiska överväganden,
o har fått kunskaper om förutsättningarna för en god miljö och en hållbar utveckling,
o kan använda modern teknik som ett verktyg för kunskapssökande, kommunikation,
skapande och lärande, och
Långsiktiga mål (syften)
Fysik
Du kommer att ges förutsättningar att utveckla din förmåga att
o använda kunskaper i fysik för att granska information, kommunicera och ta ställning i
frågor som rör energi, teknik, miljö och samhälle,
o genomföra systematiska undersökningar i fysik, och
o använda fysikens begrepp, modeller och teorier för att beskriva och förklara fysikaliska
samband i naturen och samhället.
Kemi
Du kommer att ges förutsättningar att utveckla sin förmåga att
o använda kunskaper i kemi för att granska information, kommunicera och ta ställning i
frågor som rör energi, miljö, hälsa och samhälle,
o genomföra systematiska undersökningar i kemi, och
o använda kemins begrepp, modeller och teorier för att beskriva och förklara kemiska
samband i samhället, naturen och inuti människan.
Biologi
Du kommer att ges förutsättningar att utveckla din förmåga att
27
o använda kunskaper i biologi för att granska information, kommunicera och ta ställning i
frågor som rör hälsa, naturbruk och ekologisk hållbarhet,
o genomföra systematiska undersökningar i biologi, och
o använda biologins begrepp, modeller och teorier för att beskriva och förklara biologiska
samband i människokroppen, naturen och samhället.
Teknik
Du kommer att ges förutsättningar att utveckla din förmåga att
o värdera konsekvenser av olika teknikval för individ, samhälle och miljö, och
o analysera drivkrafter bakom teknikutveckling och hur tekniken har förändrats över tid.
Kunskapskrav
Färgmarkerade kunskapskrav gäller för bedömning i alla NO-ämnen.
Bedömning
FYSIK
1
Diskussioner
Ni kommer att diskutera
texterna i Energifallet.
2
Söka och använda
information
Ni ska söka information
kring den energikälla som
ni ska redovisa i er
grupp.
I detta arbete får du
också träna på krav 1.
3
Genomföra
undersökningar
E
C
A
Eleven kan samtala om
och diskutera frågor som
rör energi, teknik, miljö
och samhälle och skiljer
då fakta från värderingar
och formulerar
ställningstaganden med
enkla motiveringar samt
beskriver några tänkbara
konsekvenser.
Eleven kan samtala om
och diskutera frågor som
rör energi, teknik, miljö
och samhälle och skiljer
då fakta från värderingar
och formulerar
ställningstaganden med
utvecklade motiveringar
samt beskriver några
tänkbara konsekvenser.
Eleven kan samtala om
och diskutera frågor som
rör energi, teknik, miljö
och samhälle och skiljer
då fakta från värderingar
och formulerar
ställningstaganden med
välutvecklade
motiveringar samt
beskriver några tänkbara
konsekvenser.
I diskussionerna ställer
eleven frågor och framför
och bemöter åsikter och
argument på ett sätt som
till viss del för
diskussionerna framåt.
I diskussionerna ställer
eleven frågor och framför
och bemöter åsikter och
argument på ett sätt som
för diskussionerna
framåt.
I diskussionerna ställer
eleven frågor och framför
och bemöter åsikter och
argument på ett sätt som
för diskussionerna
framåt och fördjupar
eller breddar dem.
Eleven kan söka
naturvetenskaplig
information och använder
då olika källor och för
utvecklade och relativt
väl underbyggda
resonemang om informationens och källornas
trovärdighet och relevans.
Eleven kan söka naturvetenskaplig information
och använder då olika
källor och för
välutvecklade och väl
underbyggda resonemang
om informationens och
källornas trovärdighet och
relevans.
Eleven kan använda
informationen på ett i
huvudsak fungerande
sätt i diskussioner och för
att skapa enkla texter och
andra framställningar
med viss anpassning till
syfte och målgrupp.
Eleven kan använda
informationen på ett
relativt väl fungerande
sätt i diskussioner och för
att skapa utvecklade
texter och andra
framställningar med
relativt god anpassning
till syfte och målgrupp.
Eleven kan använda
informationen på ett väl
fungerande sätt i
diskussioner och för att
skapa välutvecklade
texter och andra
framställningar med god
anpassning till syfte och
målgrupp.
Eleven kan genomföra
undersökningar utifrån
givna planeringar och
även bidra till att
Eleven kan genomföra
undersökningar utifrån
givna planeringar och
även formulera enkla
Eleven kan genomföra
undersökningar utifrån
givna planeringar och
även formulera enkla
Eleven kan söka
naturvetenskaplig
information och använder
då olika källor och för
enkla och till viss del
underbyggda resonemang
om informationens och
källornas trovärdighet och
relevans.
28
Ni ska göra laborativa
undersökningar som
relaterar till energi.
Det tredje stycket handlar
om det som vi brukar
kalla att ange felkällor.
formulera enkla
frågeställningar och
planeringar som det går
att arbeta systematiskt
utifrån. I
undersökningarna
använder eleven
utrustning på ett säkert
och i huvudsak
fungerande sätt.
frågeställningar och
planeringar som det efter
någon bearbetning går
att arbeta systematiskt
utifrån. I
undersökningarna
använder eleven
utrustning på ett säkert
och ändamålsenligt sätt.
frågeställningar och
planeringar som det går
att arbeta systematiskt
utifrån. I
undersökningarna
använder eleven
utrustning på ett säkert,
ändamålsenligt och
effektivt sätt.
Eleven kan jämföra
resultaten med
frågeställningarna och
drar då enkla slutsatser
med viss koppling till
fysikaliska modeller och
teorier.
Eleven kan jämföra
resultaten med
frågeställningarna och
drar då utvecklade
slutsatser med relativt
god koppling till
fysikaliska modeller och
teorier.
Eleven kan jämföra
resultaten med
frågeställningarna och
drar då välutvecklade
slutsatser med god
koppling till fysikaliska
modeller och teorier.
Eleven för enkla
resonemang kring
resultatens rimlighet och
bidrar till att ge förslag
på hur undersökningarna
kan förbättras.
Eleven för utvecklade
resonemang kring
resultatens rimlighet och
ger förslag på hur
undersökningarna kan
förbättras.
Eleven för välutvecklade
resonemang kring
resultatens rimlighet i
relation till möjliga
felkällor och ger förslag
på hur undersökningarna
kan förbättras och visar
på nya tänkbara
frågeställningar att
undersöka.
Eventuellt:
Dessutom gör eleven
utvecklade
dokumentationer av
undersökningarna med
tabeller, diagram, bilder
och skriftliga rapporter.
Dessutom gör eleven
enkla dokumentationer
av undersökningarna med
tabeller, diagram, bilder
och skriftliga rapporter.
4
Energi, materia,
universums
uppbyggnad och
utveckling
Vi bearbetar flera olika
begrepp och modeller
som faller inom detta
krav. De som du ska visa
förståelse för finns listade
i ”Visa lärande”.
7
Hållbar utveckling
I flera övningar och i
”Visa lärande” ska du
förhålla dig till hållbar
utveckling.
Dessutom gör eleven
välutvecklade
dokumentationer av
undersökningarna med
tabeller, diagram, bilder
och skriftliga rapporter.
Eleven har
grundläggande
kunskaper om energi,
materia, universums
uppbyggnad och
utveckling och andra
fysikaliska sammanhang
och visar det genom att ge
exempel och beskriva
dessa med viss
användning av fysikens
begrepp, modeller och
teorier.
Eleven har goda
kunskaper om energi,
materia, universums
uppbyggnad och utveckling och andra fysikaliska
sammanhang och visar
det genom att förklara
och visa på samband
inom dessa med relativt
god användning av
fysikens begrepp,
modeller och teorier.
Eleven har mycket goda
kunskaper om energi,
materia, universums
uppbyggnad och
utveckling och andra
fysikaliska sammanhang
och visar det genom att
förklara och visa på
samband inom dessa och
något generellt drag
med god användning av
fysikens begrepp,
modeller och teorier.
Dessutom för eleven
enkla och till viss del
underbyggda resonemang
kring hur människa och
teknik påverkar miljön
och visar på några
åtgärder som kan bidra
till en hållbar utveckling.
Dessutom för eleven
utvecklade och relativt
väl underbyggda
resonemang kring hur
människans användning
av energi och
naturresurser påverkar
miljön och visar på
fördelar och
begränsningar hos några
åtgärder som kan bidra
till en hållbar utveckling
Dessutom för eleven
välutvecklade och väl
underbyggda resonemang
kring hur människa och
teknik påverkar miljön
och visar ur olika
perspektiv på fördelar
och begränsningar hos
några åtgärder som kan
bidra till en hållbar
utveckling.
29
Bedömning
Kemi
5
Begrepp, modeller och
teorier
Du ska skapa dig
förståelse för fotosyntes
och cellandning samt
andra kemiska
reaktioner som har med
energi att göra...
6
Kemiska processer
…och du ska relatera
kemiska processer som
ingår i vår användning
av energikällor till
inverkan på miljön.
Bedömning
Biologi
1
Diskussioner
Ni kommer att diskutera
texterna i Energifallet.
7
Hållbar utveckling
I flera övningar och i
”Visa lärande” ska du
förhålla dig till hållbar
utveckling i sin helhet.
8
E
C
A
Eleven har
grundläggande kunskaper
om materiens uppbyggnad,
oförstörbarhet och
omvandlingar och andra
kemiska sammanhang och
visar det genom att ge
exempel på och beskriva
dessa med viss
användning av kemins
begrepp, modeller och
teorier.
Eleven har goda
kunskaper om materiens
uppbyggnad,
oförstörbarhet och
omvandlingar och andra
kemiska sammanhang och
visar det genom att
förklara och visa på
samband inom dessa med
relativt god användning
av kemins begrepp,
modeller och teorier.
Eleven har mycket goda
kunskaper om materiens
uppbyggnad,
oförstörbarhet och
omvandlingar och andra
kemiska sammanhang och
visar det genom att
förklara och visa på
samband inom dessa och
något generellt drag med
god användning av
kemins begrepp, modeller
och teorier.
Eleven kan föra enkla till
viss del underbyggda
resonemang om kemiska
processer i levande
organismer, mark, luft och
vatten och visar då på
enkelt identifierbara
kemiska samband i
naturen.
Eleven kan föra
utvecklade och relativt
väl underbyggda
resonemang om kemiska
processer i levande
organismer, mark, luft och
vatten och visar då på
förhållandevis komplexa
kemiska samband i
naturen.
Eleven kan föra
välutvecklade och väl
underbyggda resonemang
om kemiska processer i
levande organismer, mark,
luft och vatten och visar då
på komplexa kemiska
samband i naturen.
E
C
A
Eleven kan samtala om
och diskutera frågor som
rör hälsa, naturbruk och
ekologisk hållbarhet och
skiljer då fakta från
värderingar och
formulerar
ställningstaganden med
enkla motiveringar samt
beskriver några tänkbara
konsekvenser.
Eleven kan samtala om
och diskutera frågor som
rör hälsa, naturbruk och
ekologisk hållbarhet och
skiljer då fakta från
värderingar och
formulerar
ställningstaganden med
utvecklade motiveringar
samt beskriver några
tänkbara konsekvenser.
Eleven kan samtala om
och diskutera frågor som
rör hälsa, naturbruk och
ekologisk hållbarhet och
skiljer då fakta från
värderingar och
formulerar
ställningstaganden med
välutvecklade
motiveringar samt
beskriver några tänkbara
konsekvenser.
Dessutom för eleven
utvecklade och relativt
väl underbyggda
resonemang kring hur
människan påverkar
naturen och visar på
fördelar och
begränsningar hos några
åtgärder som kan bidra
till en ekologiskt hållbar
utveckling.
Eleven kan förklara och
Dessutom för eleven
välutvecklade och väl
underbyggda resonemang
kring hur människan
påverkar naturen och
visar ur olika perspektiv
på fördelar och
begränsningar hos några
åtgärder som kan bidra
till en ekologiskt hållbar
utveckling.
Eleven kan förklara och
Dessutom för eleven
enkla och till viss del
underbyggda resonemang
kring hur människan
påverkar naturen och
visar på några åtgärder
som kan bidra till en
ekologiskt hållbar
utveckling.
Eleven kan ge exempel
30
Historisk utveckling
Vi kommer att diskutera
forskningen kring
artificiell fotosyntes i
detalj och vilken
betydelse denna forskning
kan ha för människans
levnadsvillkor.
Bedömning
teknik
7
Tekniska lösningars
konsekvenser
på och beskriva några
centrala
naturvetenskapliga
upptäckter och deras
betydelse för människors
levnadsvillkor.
visa på samband mellan
några centrala
naturvetenskapliga
upptäckter och deras
betydelse för människors
levnadsvillkor.
generalisera kring några
centrala
naturvetenskapliga
upptäckter och deras
betydelse för människors
levnadsvillkor.
E
C
A
Dessutom kan eleven föra
enkla och till viss del
underbyggda resonemang
om hur olika val av tekniska
lösningar kan få olika
konsekvenser för individ,
samhälle och miljö.
Dessutom kan eleven
föra utvecklade och
relativt väl
underbyggda
resonemang om hur olika
val av tekniska lösningar
kan få olika konsekvenser
för individ, samhälle och
miljö.
Dessutom kan eleven
föra välutvecklade och
väl underbyggda
resonemang om hur olika
val av tekniska lösningar
kan få olika konsekvenser
för individ, samhälle och
miljö.
Centralt innehåll
Fysik
o Elproduktion, eldistribution och elanvändning i samhället.
o Energins flöde från solen genom naturen och samhället. Några sätt att lagra energi. Olika
energislags energikvalitet samt deras för- och nackdelar för miljön.
o Fysikaliska modeller för att beskriva och förklara jordens strålningsbalans,
växthuseffekten och klimatförändringar.
o Försörjning och användning av energi historiskt och i nutid samt tänkbara möjligheter och
begränsningar i framtiden.
o Aktuella forskningsområden inom fysik, till exempel elementarpartikelfysik och
nanoteknik.
o Aktuella samhällsfrågor som rör fysik.
o Systematiska undersökningar. Formulering av enkla frågeställningar, planering, utförande
och utvärdering.
o Dokumentation av undersökningar med tabeller, diagram, bilder och skriftliga rapporter.
o Källkritisk granskning av information och argument som eleven möter i källor och
samhällsdiskussioner med koppling till fysik.
Kemi
o Partikelmodell för att beskriva och förklara materiens uppbyggnad, kretslopp och
oförstörbarhet. Atomer, elektroner och kärnpartiklar
o Kemiska föreningar och hur atomer sätts samman till molekyl-och jonföreningar genom
kemiska reaktioner
o Fotosyntes och förbränning samt energiomvandlingar i dessa reaktioner.
o Kolatomens egenskaper och funktion som byggsten i alla levande organismer.
Kolatomens kretslopp.
o Några kemiska processer i mark, luft och vatten ur miljö-och hälsosynpunkt.
o Människans användning av energi-och naturresurser lokalt och globalt samt vad det
innebär för en hållbar utveckling.
o Aktuella forskningsområden inom kemi, till exempel materialutveckling och nanoteknik.
o Aktuella samhällsfrågor som rör kemi.
o Historiska och nutida upptäckter inom kemiområdet och deras betydelse för världsbild,
teknik, miljö, samhälle och människors levnadsvillkor.
31
o Systematiska undersökningar. Formulering av enkla frågeställningar, planering, utförande
och utvärdering.
o Dokumentation av undersökningar med tabeller, diagram, bilder och skriftliga rapporter.
o Källkritisk granskning av information och argument som eleven möter i olika källor och
samhällsdiskussioner med koppling till kemi.
Biologi
o Fotosyntes, förbränning och andra ekosystemtjänster.
o Människans påverkan på naturen lokalt och globalt. Möjligheter att som konsument och
samhällsmedborgare bidra till en hållbar utveckling
o Kroppens celler, organ och organsystem och deras uppbyggnad, funktion och samverkan.
o Historiska och nutida upptäckter inom biologiområdet och deras betydelse för samhället,
människors levnadsvillkor samt synen på naturen och naturvetenskapen.
o Aktuella forskningsområden inom biologi, till exempel bioteknik.
o Aktuella samhällsfrågor som rör biologi.
o Dokumentation av undersökningar med tabeller, diagram, bilder och skriftliga rapporter.
o Källkritisk granskning av information och argument som eleven möter i olika källor och
samhällsdiskussioner med koppling till biologi.
Teknik
o Samband mellan teknisk utveckling och vetenskapliga framsteg. Hur tekniken har
möjliggjort vetenskapliga upptäckter och hur vetenskapen har möjliggjort tekniska
innovationer
Områdesbeskrivning/undervisning
Gemensamma genomgångar och övningar
Allt material som du kan tänkas behöva för att repetera eller ta igen efter sjukdom, finns i vårt
klassrum i Fronter.
o Pedagogisk planering med mål, centralt innehåll samt kunskapskrav. Fundera kring
förslagen på hur du ska visa ditt lärande (~ prov/redovisningar). Kom gärna med egna
förslag och önskemål.
o Diskussion av insamlade tidningsartiklar eller nyheter om energi som du tagit del av via
olika nyhetslänkar till andra seriösa nyhetsmedier. Fundera på vilka kunskaper och
förmågor som du behöver för att förstå dem och därmed också för att kunna vara aktiva i
samhällsdebatten kring energi.
o Naturskyddsföreningens bildspel som heter Tankar om energi (11). För repetition eller om
du missat diskussionen; ta del av informationen som finns i lärarhandledningen.
o Mind-map kring olika energikällor som vi använder oss av för att tillfredsställa våra
energibehov. Diskussion kring det som ni redan vet om de olika energikällornas för- och
nackdelar; en fördel ur ett perspektiv kan vara en nackdel ur ett annat perspektiv, men
också att energikällan kan innebära både för- och nackdelar ur samma perspektiv.
Exempel: vindkraft är bra för miljön (perspektivet) genom att det är förnyelsebar och ickefossil energi som inte bidrar till den förstärkta växthuseffekten (inte under
energialstringsprocessen) men att det samtidigt kan vara negativt för miljön genom att det
kan påverka den biologiska mångfalden negativt (fåglar och havslevande djur).
Kärnenergi kan vara en nackdel för miljön (ett perspektiv) pga de farliga avfallet som ska
32
tas om hand, medan det är positivt att de ingenjörer, tekniker och forskare som är
utbildade inom området har arbeten (samhällsperspektiv/arbetslöshet). För repetition eller
om du missat diskussionen; klassens gemensamma mind-map finns i Fronter.
o Gemensam diskussion kring förnyelsebara och icke-förnyelsebara bränslen. Diskussion
kring att det sker mycket forskning kring förnyelsebara energikällor:
a. varför detta sker,
b. något om resurserna som vi lägger på detta och
c. vad görs i Sverige idag kring artificiell fotosyntes = ett exempel.
d. ämnesövergripande behovet samt vikten av att lära sig förstå ”det lilla”
(mikroperspektivet) för att kunna förstå ”det stora” (makroperspektivet) och
e. dra nytta av kunskaperna om ”det lilla” i mycket, mycket stora sammanhang.
f. Presentation av några vetenskapliga artiklar för att illustrera deras minutiösa
detaljrikedom och hur man arbetar med ”det lilla” i det stora perspektivet av att
finna en ny, förnyelsebar energikälla.
o Fyra hörn: Värderingsövning enligt Lärarhandledningen.
o Redovisning av grupparbete kring olika energikällor (se nedan).
Uppgifter i grupp eller enskilt
o Genomläsning av skriften Energifallet (10). Diskussion i grupp kring de olika texterna
enligt följande frågor:
g. Var det något som du inte förstod och som du vill att ni ska hjälpa varandra (eller
er lärare) att förklara?
h. Vad var mest intressant med det som du läste?
i. På vilket sätt berörde/berör texten dig? Din familj? Kullavik? Sverige? Hela
världen?
j. Vad har du för synpunkter på det som står i texten och varför?
k. Kan du påverka budskapet i texten på något sätt och i så fall hur?
l. Egen fråga?
o Faktainsamling och bearbetning i grupp kring nedanstående energikällor:
m.
n.
o.
p.
q.
r.
s.
t.
u.
Kärnkraft (”kärnenergi”?)
Vattenkraft
Vindkraft
Direkt solenergi (artificiell fotosyntes, solfångare, solceller)
Biobränslen (biogas, biopellets, energiskog, etanol)
Geotermisk energi
Havskraft
Bränsleceller (vatten – vätgas)
Fossila bränslen (kol, olja, naturgas)
Arbete enligt instruktionerna överst på sidan 28 i Lärarhandledningen. Er grupp ska
producera ett sammanfattande bildspel för er presentation och för dina klasskamrater att
33
använda vid förberedelse inför paneldebatten (Visa lärande, uppgift 1). Ta med fakta samt
reflektioner kring olika perspektiv, för- och nackdelar (för vem?). Resonera! Ta hjälp av
Energibiblioteket:
http://www.naturskyddsforeningen.se/skola/energifallet/energibibliotek, boken som heter
Energi – Möjligheter och dilemman, STEM:s hemsida: http://www.energikunskap.se/sv/
och andra källor.
o Följ T-shirten: Arbeta med lektionen som står beskriven på sidorna 35-36 i
Lärarhandledningen.
o På spaning i hemmet: Arbeta både i klassrummet och hemma som ”läxa” med uppgiften
som står beskriven på sidorna 22-23 i Lärarhandledningen. Ta hjälp av Energibiblioteket:
http://www.naturskyddsforeningen.se/skola/energifallet/energibibliotek.
o Citronbatterier och bakpulverbomber: Arbeta laborativt med försöken på sidorna 20-21 i
Lärarhandledningen. För anteckningar över dina resultat och diskutera relevansen för detta
arbetsområde. Diskutera med din lärare om du behöver skriva en laborationsrapport för att
ge underlag för bedömning utifrån de mål som du har inom NO. Du får särskilda
kunskapskrav som bedömningsunderlag för en skriftlig rapport.
34
Referenser
1. Sveriges Riksdag, 2010. Svensk Författningssamling 2010:800: Skollag. Utkom från
tryckeriet 2010-07-06.
2. Skolverket. (2011). Läroplan för grundskolan, förskoleklassen och fritidshemmet, 2011.
Västerås: Edita.
3. Svenska Energimyndigheten, STEM. (2003). Artificial photosynthesis. Deriving energy
from sunlight and water. Malmö: Elanders Grafiska Skogs AB.
4. Svenska Energimyndighetens hemsida, STEM. (2014). www.stem.se
5. Curtis, H. 1983. Biology. New York: Worth Publishers Inc.
6. Amunts, A., Toporik, H., Borovikova, A., & Nelson, N. (2010). Structure Determination
and Improved Model of Plant Photosystem I. The Journal of Biological Chemistry,
(285)5, 3478–3486.
7. Broser, M., Gabdulkhakov, A.,Kern, J., Guskov, A., §3, Müh, F., Saenger, W., & Zouni,
A. (2010). Crystal Structure of Monomeric Photosystem II from Thermosynechococcus
elongatus at 3.6-A° Resolution. The Journal of Biological Chemistry, (285)34, 26255–
26262.
8. Peters, J. W. (1999). Structure and mechanism of iron-only hydrogenases. Current
Opinion in Structural Biology (9), 670–676.
9. Xu,Y., Eilers, G:, Borgström, M., Pan, J., Abrahamsson, M., Magnuson, A., Lomoth, R,
Bergquist, J., Polivka, T., Sun, L., Sundström, V., Styring, S., Hammarström, L., &
Kermark, B. (2005). Synthesis and Characterization of Dinuclear Ruthenium Complexes
Covalently Linked to RuII Tris-bipyridine: An Approach to Mimics of the Donor Side of
Photosystem II. Chemistry - A European Journal, (11), 7305 – 7314.
10. Naturskyddsföreningen. (2013). Energifallet. Sörmlands Grafiska. ISSN 0039-6974. Kan
erhållas gratis från www.naturskyddsföreningen.se/energifallet
11. Naturskyddsföreningen. (2013). Tankar om energi. Bildspel, kan erhållas gratis från
http://www.naturskyddsforeningen.se/skola/energifallet/7-9
12. Naturskyddsföreningen. (2013). Energifallet. Lärarhandledning. Årskurs 7-9. Stockholm:
Tryckeri Åtta45. ISBN: 978-91-588-0107-6. Kan erhållas gratis från
http://www.naturskyddsforeningen.se/skola/energifallet/7-9
13. Naturskyddsföreningen. (2013). Energibiblioteket. Tillgänglig på
http://www.naturskyddsforeningen.se/skola/energifallet/energibibliotek.
14. Kungliga Ingenjörsvetenskapsakademin, IVA, & Kungliga Vetenskapsakademin, KVA.
(2009). Energi – Möjligheter och dilemman. Billes Tryckeri AB. ISBN: 978-91-7082-8157.
15. Statens Energimyndighet, STEM. (2014). Energikunskap. Tillgänglig på
http://www.energikunskap.se/sv/
Biehler, R., & Snowman, J. (1997). Psychology Applied to Teaching. Boston: Houghton
Miflin.
Sagar, H. (2013). Teacher Change in Relation to Professional Development in
Entrepreneurial Learning. Avhandling för filosofie doktorsgrad vid Göteborgs
Universitet. Bohus: Ale Tryckteam AB.
35
Shulman, L. S., & Shulman, J. H. (2004). How and what teachers learn: a shifting
perspective. Journal of Curriculum Studies, (36)2, 257-271.
Snowman, J., McCown, R., & R. Biehler. (2009). Psychology Applied to Teaching.
Boston: Houghton Miflin.
36