Kall potatis i forskningens namn

Malmö högskola
Lärarutbildningen
SOL
Examensarbete
15 högskolepoäng
Kall potatis i forskningens namn:
Konstruktion av ett kompendium som stöder utveckling av
processkunskap inom biologiundervisningen i gymnasieskolan
Construction of teaching material that supports development of
processknowledge through experimentation in high-school biology
class
Gabriela von Blankenfeld-Enkvist
Lärarexamen 90hp
Examinator:
Handledare:
Claes
Ange
Malmberg
handledare
Lärarutbildning 90hp
Slutseminarium: 2008-11-07
Handledare: Johan Nelson
2
Sammanfattning Inom ramen för examensarbetet konstruerades ett kompendium som ska förmedla kunskap om den vetenskapliga processen genom integration av autentiska experiment i skolan. Materialet ska hjälpa eleverna att konstruera sina egna experiment och samtidigt bli medvetna om ”tänkandet bakom görandet”. Kompendiet riktar sig till elever i gymnasieskolans biologiundervisning, och kan med fördel användas inom kursen biologi breddning. Den experimentella metoden som används är blodsockermätningar med eleven själv som mätsystem. Den är enkel att genomföra, och kan anknytas till olika frågeställningar som kan väcka elevernas intresse. Kompendiets konstruktion tar sin utgångspunkt i aktuell forskning, och kan ses som ett första steg att integrera kunskap om ”the Nature of Science” i naturvetenskaplig undervisning i skolan. Nyckelord: den vetenskapliga metoden, biologiundervisning, blodsockermätningar, laboration, experimentell metod, the Nature of Science (NOS), kolhydrat metabolism, glykemiskt index, utvecklingsarbete, läromedel 3
4
1. Introduktion..............................................................................................................................7 2. Bakgrund ....................................................................................................................................8 2.1. Konstruktivism som kunskaps och lärandeteori ............................................................. 8 2.2. Naturvetenskap som allmänbildning...................................................................................10 2.3. The Nature of Science och den vetenskapliga metoden..................................................11 2.4. Laborativt arbete ........................................................................................................................14 2.5. Scientific inquiry .........................................................................................................................15 3. Kompendium konstruktion .............................................................................................. 16 3.1. Syfte .................................................................................................................................................16 3.2. Läromål att uppnå ......................................................................................................................17 3.3. Didaktiska val och arbetsmetoder........................................................................................18 3.3.1. Grupparbete.............................................................................................................................................20 3.3.2. Varför använde jag mig av blodsockermätningar? .................................................................21 3.4. Val av område och kursanknytning ......................................................................................22 4. Diskussion............................................................................................................................... 23 5. Referenser............................................................................................................................... 28 6. Bilagor: Kompendiet........................................................................................................... 32 5
6
1.
Introduktion Även om naturvetenskapliga kunskaper har identifierats som önskansvärda och relevanta så visar olika studier på både vikande kunskaper och vikande intresse för naturvetenskapliga och tekniska utbildningar (för en översikt se: Sjøberg 2005). Speciellt oroad är man över elevernas begränsade förmåga att använda dem i problemlösande syfte. Studier bekräftar gång på gång att elever regelbundet inte lär sig vad det var tänkt, föredrar förklaringar baserade på egna erfarenheter framför vetenskapliga och gärna drar slutsatser från ofullständig information (Linn, 2001). Vetenskapligt tänkande kommer inte naturligt och enkelt ur vardagliga idéer. Det är få som utvecklar koherenta naturvetenskapliga idéer om olika vetenskapliga fenomen, och även experter visar begränsad förståelse av fenomen när man kräver förklaringar på olika systemnivåer (Sjøberg, 2005). Parallellt kan man även observera ett allmänt sjunkande intresse för NO ämnen och en tendens att elevers attityd utvecklas i en negativ riktning under skolans gång. Naturvetenskap ska besvara relevanta frågor om hur världen fungerar, men undersökningar visar att elever upplever naturvetenskaplig undervisning som främmande och icke relevant för sin vardag (för en översikt se: Helldén och medarbetare, 2005). Traditionell NO undervisning upplevs som svår, tråkig och omodern och för de flesta elever är det helt enkelt inte tillräckligt intressant att på ett naturvetenskapligt korrekt sätt förstå hur saker och ting fungerar (Gustafsson, 2007). En lärarkandidat beskriver sina erfarenheter med att ”det mesta var redan bestämt och bevisat”. (Gustafsson, 2007, s. 2). Osborne och Collins (2000) sätter fingret på problemet när de beskriver situationen naturvetenskaplig utbildning befinner sig i: Consequently, it could be argued that in a nontrivial sense, science education is science’s own worst enemy, leaving far too many students with a confused sense of the significance of what they have learned, an ambivalent or negative attitude to the subject itself—a product of its authoritative and nondiscursive mode of education En undervisning som förmedlar en mera realistiskt bild av naturvetenskap och dess metoder har länge identifierats som viktig faktor för att kunna uppnå målsättningarna med naturvetenskaplig utbildning (Ratcliffe & Grace, 2003). I praktiken har det däremot visat sig väldigt svårt att komma överens om målsättningarna av en vetenskaplig utbildning för alla. Diskussionen om syfte och därmed innehåll av naturvetenskaplig undervisning i skolan sammanfattas ofta under begreppet ”scientific literacy” inom den engelskspråkiga litteraturen, eller ”naturvetenskap för allmänbildning” inom den svenskspråkiga litteraturen och behandlas mera ingående i litteraturdelen av arbetet. Ett problem som har identifierats i olika studier är elevers stereotypa idéer om ”the Nature of science” (NOS), som kan översättas med ”vetenskapens särart” (Ibanez‐Orcaj & Martinez‐Aznar, 2007). Även lärarnas idéer om NOS har visat sig vara väldigt stereotypa (Windschitl, 2004; Abd el Khalick & Lederman, 2000). Det finns en bred acceptans för iden att det krävs en explicit undervisning om NOS (Ratcliffe & Grace, 7
2003) för att uppnå de målsättningar som beskrivs inom begreppet ”naturvetenskap som allmänbildning”. Det har däremot visat sig vara mera komplicerat att definiera NOS, att komma överens om vad som borde undervisas om NOS i skolan, och att konstruera en undervisning som leder till en förbättring av elevernas kunskaper om NOS (Schwartz och medarbetare, 2004). Ett viktigt element av NOS som alla författare är överens om är kunskapen om den vetenskapliga metoden. Laborationer i skolan liknar ofta mera kokboksrecept som ska följas steg för steg och representerar därmed i väldigt liten utsträckning de processer som pågår i den ”autentiska” forskningen. Frågan är därför om och hur man kan man öppna upp skolan för mera forskningsliknande experiment som dessutom skall konstrueras av eleverna själva? Dessutom har forskningen visat att det inte räcker att genomföra ”autentisk” forskning, utan att också processen bakom måste synliggöras om den ska leda till en bättre förståelse av NOS och den vetenskapliga processen. Det har visat sig vara svårt att utveckla material som uppfyller sådana krav (Sjøberg, 2005). Därför beslöt jag att använda mig av min egen forskningsbakgrund för att utveckla material som kunde användas inom biologiundervisning för att ge eleverna tillfälle att utveckla egna autentiska experiment i skolan. Det var viktigt att synliggöra tänkandet bakom görandet och därmed hjälpa att bättre förstå forskningsprocessen som den är, komplicerad och icke linjär och därigenom starta processen att utveckla en bättre förståelse av den vetenskapliga metoden och NOS på väg mot en bättre vetenskaplig allmänbildning. 2.
Bakgrund 2.1.
Konstruktivism som kunskaps‐ och lärandeteori Konstruktivism som teori om kunskap och lärandet, har varit av central betydelse för utvecklingen av idéer om naturvetenskaplig utbildning och undervisning (se t.ex. Sjøberg, 2007; Geelan, 1997). Dess inflytande har varit så stort att vissa författare t.o.m. pratar om ett paradigm, medan andra fortfarande ser den som ett forskningsprogram (Sjøberg, 2007). Det kan däremot vara missvisande att prata om en enda teori, som är väl definierad och avgränsad. En del författare har till och med dragit slutsatsen att begreppet är så dåligt definierat att den har blivit meningslös och mest fungerar i ideologiskt syfte (Mattews, 1994). Geelan (1997) betonar att det finns så många inriktningar inom konstruktivism, att det är lätt att prata förbi för varandra när alla tror veta sig vad det är man pratar om. Jag har under examensarbetets gång funderat mycket på teoribegreppet i olika sammanhang och hur teorier kan användas, eller inte användas för att forma den egna handlingspraktiken. Det går utöver examensarbetes ram att redovisa och beskriva olika konstruktivistiska teorier (för en översikt ser: Sjøberg, 8
Geelan), men jag vill gärna kort redovisa min utgångspunkt, i den utsträckning den har betydelse för utformningen av mitt examensarbete. Solomon (1994) kommenterar angående användning av den konstruktivistiska teorin: Constructivism, this new saw in the science educators toolbox is being used not only for sawing, but for hammering, planing and measuring.. The reflective selection of appropriate theories and perspective for appropriate tasks, the right tool for the job, is a more powerful approach På liknande sätt betonar Sjøberg (2007) att principer för lärandet inte kan översättas direkt till förslag för hur en bra undervisning borde utformas. Han betonar att man inte kan härleda en vetenskapligt baserad pedagogik ur en teori om lärandet. Enligt honom är det en epistemologisk teori som i sig själv leder inte till några direkta anvisningar till handlingspraktik. Denna process kräver alltid att man ta hänsyn till andra värderingar och målsättningar. Det är därmed bara relevant att få fram implikationer för inlärning. Han beskriver detta som ”constructivist referenced teaching approach”. Man kan därmed härleda viktiga påståenden ur konstruktivistisk teori som har relevans som utgångspunkt för elevers lärande (Ogborn, 1996) •
•
•
•
•
Aktivt deltagande i tankeprocess om någonting likt förståelse skall uppnås respekten för barnet och barnets idéer ät viktiga Vetenskap består av idéer skapade av människor (inte av sig själva) Utformningen av lärandet bör fokusera på känslan av skapande, skall kapitalisera på vad eleverna redan vet Känna och adressera svårigheter som kan uppstå av hur de tänker sig sakers ordning Intar man ett konstruktivistiskt synsätt som lärare, så innebär detta att man systematiskt måste utveckla en praxis som främjar aktivt lärande på ett varierande sätt. Elever har olika attityder, förväntningar, och förutsättningar som bestämmer om lärandet sker. Enligt Driver och medarbetare (1994) sker lärandet inte enbart individuellt utan är i stor utsträckning socialt medierat. Lärandet sker alltid i en social kontext. Den kräver därmed både aktiv bearbetning och social stimulans. Kombinationen av det sociokulturella perspektivet med det individuella perspektivet förklarar utvecklingen av högre mentala förmågor som en internalisering av begreppsliga redskap som individen genomför genom social interaktion (Driver och medarbetare, 1994; Leach & Scott, 2003). Enligt Vygotskyis teori om den närmaste utvecklingszonen kan elever få hjälp av andra elever eller vuxna att uppnå mål de inte skulle klara av själva. Det är speciellt viktigt för utveckling av mera krävande, kognitiva och sociala färdigheter (Vygotsky, 1978). I fortsättningen fördjupar jag mig i vissa aspekter som är viktiga för elevernas lärande i sammanhang med syftet som ska uppnås i undervisningen. Detta sker delvis i inom ett konstruktivistiskt ramverk, men jag refererar också till andra forskningsresultat, utan att reda ut deras relation till ett konstruktivistiskt perspektiv. Det är alltså en mera pragmatisk syn på forskningsresultat som har präglat mitt arbete. 9
2.2.
Naturvetenskap som allmänbildning Varför, vem, vad, hur och när ska vi egentligen undervisa naturvetenskap i skolan? Även om det finns stor enighet om betydelsen av naturvetenskaplig undervisning i skolan, blir svaren mindre självklara när man börjar titta närmare på frågan. Naturvetenskaplig och teknisk utveckling anses vara avgörande för ett konkurrenskraftigt kunskapssamhälle och för ekonomisk tillväxt (NOT slutrapport, 2005, s.6), även om det är svårt att finna ett statistiskt samband. Grundläggande kunskaper hos allmänheten inom naturvetenskap och teknik ingår i den önskvärda ”kärnkompetensen” som definieras i t.ex. EU:s arbetsprogram (2004). I samma program framhålls även att ”allmän och specialiserad naturvetenskaplig och teknisk kunskap behövs allt mer i arbetet och i det dagliga livet, i offentliga debatter, beslutsfattande och lagstiftning”. Frågan efter syftet av naturvetenskaplig utbildning i skolan är långt ifrån nytt, men svaren har genomgått en tydlig förändring sedan 60talet, både internationellt och i Sverige. När man började med en undervisning av naturvetenskap till alla elever, i en skola för alla, blev frågan efter syfte speciellt viktig och ”motivering måste vara någonting mer än en hänvisning till auktoritet ”(Sjøberg, 2005, s.155) Syftet med den naturvetenskapliga utbildningen beskrivs numera ofta med begreppet ”scientific literacy” som ska uppnås av alla medborgare genom naturvetenskaplig utbildning. Kemp (2000) beskriver hur begreppet började användas under 50talet i USA utan att det egentligen definierades, och att konceptet bara har expanderats sedan dess. Problemet med begreppet är – för att formulera det lite tillspetsat, att man inte ens är ense om man är ense om begreppet eller inte. Kanske för att det möjliggör en skenbar överenskommelse, har detta varit väldigt populärt i olika policy sammanhang. Inom norden förs diskussionen om syftet av den naturvetenskapliga utbildningen under begreppet ”naturvetenskap för allmänbildning” som är också är namnet på Sjøbergs utmärkta bok som jag vill hänvisa till. Så använder sig t.ex. PISA studien av en mera begränsad definition som utgångspunkt för den internationella studien. Enligt PISA är ”scientic literacy “the capacity to use scientific knowledge, to identify questions and to draw evidence based conclusions in order to understand and help making decisions about the natural world and changes made to it through human activity”(OECD 2000, p.76) I Sveriges kursplaner och läroplanen återfinns begreppet ”naturvetenskap som allmänbildning” inte direkt, men naturligtvis diskuteras syftet av den naturvetenskapliga utbildningen i de olika strydokument. Inför läroplanen 94: Skola för bildning (SOU 1992:94) artikuleras iden om en skola för bildning som är kopplad till ett demokrati‐ kultur och bildningsperspektiv. Det är alltså viktigt att ta hänsyn till att ett begrepp som ”naturvetenskap som allmänbildning” eller ”scientific literacy” kan ha väldigt olika, och därmed gömda innehåll, trots eller kanske p.g.a. begreppets stora popularitet i olika policydokument. ”Scientific literacy” eller ”naturvetenskap som allmänbildning” borde enligt min uppfattnig inte ses som ett begrepp med en entydig 10
definition, utan som ett ramverk för en diskussion om syfte och målsättningar av en naturvetenskaplig utbildning i en skola för alla. Millar (1996) argumenterar att vi först måste besluta varför vi vill undervisa naturvetenskap till alla, för att sedan därifrån komma till vilket innehåll undervisningen ska ha, för att sedan hitta bästa vägen att undervisa. Hon påpekar också att många elever faktiskt inte riktigt vet varför det ska lära sig naturvetenskap. Det är många olika faktorer som bestämmer lärarens svar, men också utrymmet för handlingsmönster varierar en hel del. Ju närmare man undersöker frågorna som öppnas i samband med frågorna om syftet av naturvetenskaplig undervisning, desto tydligare blir det att det inte finns några enkla, allmängiltiga svar. Trots detta måste läraren – även om det sker mera implicit än explicit, genom utformningen av sin undervisningspraktik, besvara denna fråga varje dag, i varje lektion. 2.3.
The Nature of Science och den vetenskapliga metoden The “Nature of science” (förkortat: NOS) som kan översättas med naturvetenskapens särart, har länge identifierats som en väsentlig beståndsdel av undervisning för naturvetenskaplig allmänbildning (Lederman & Lederman, 2004). Förståelsen av NOS och den vetenskapliga metoden “scientific inquiry” är en grundliggande förutsättning när någonting som liknar vetenskaplig allmänbildning ska uppnås. I likhet med begreppet “scientific literacy” finns det även här en omfattande diskussion vad NOS egentligen är och hur och i vilken omfattning lärarna behöver undervisa om NOS i skolan. Flera stora studier bekräftar att det inte finns en allmängiltig definition av NOS. Alters (1997) genomförde en enkätundersökning av 210 medlemmar av det amerikanska vetenskapsfilosofiska sällskapet US Philosophy of Science. Undersökningen kom fram till att svaren kunde delas in i åtminstone 11 fundamentalt olika åsikter angående NOS. Också Abd el Khalick och medarbetare (1998) hittade signifikanta skillnader i uppfattningen om NOS mellan lärare, forskare och vetenskapsfilosofer. I den såkallade Delphi studien undersökte Osborne och medarbetare (2003) 23 experters uppfattning om NOS i 3 omgångar i förhoppningen att kunna få fram en kärna som alla experter skulle vara överens om. De drar slutsatsen att det fanns lite överensstämmelse om vad som utgör NOS kärna. Överensstämmelsen fanns huvudsakligen inom områden som experimentella metoder, testandet av modeller och hyoteser, kreativitet, dataanalys och interpretation, och diversitet av vetenskapliga metoder. Expertpanelen ansåg vetenskapliga metoder som grundpelare och speciellt lämpliga för att inkluderas i undervisningen för skolelever i åldern mellan 5 och 16 år. Det förblev däremot helt oklart vad som annars skulle inkluderas i en kärnkoncept om NOS och, kanske ännu viktigare för arbetet i skolan, hur man kunde utveckla förståelsen av NOS i elevens utveckling över tiden. Även självklara aspekter som dataanalys och interpretation är dålig förstådda av många elever (t.ex. Gott och medarbetare, 1994). Författarna ansåg 11
det tydligt att praktiskt arbete eller undersökande metoder i sig själv utan lärarens explicita hjälp inte leder till en större förståelse av NOS för de flesta elever. Slutsatsen vi kan dra är att även NOS beskrivs mera genom sina olika komponenter än att man kan definiera det på ett entydigt sätt. Frågan är alltså inte egentligen vad NOS är, utan vilka delar av begreppet som kan och skall undervisas i skolan. Vilka komponenter av NOS behöver eleverna för att utveckla en förståelse av NOS för att kunna nå målet om naturvetenskaplig allmänbildning? Frågan måste närmas från olika sidor om den ska gå att besvara meningsfullt. Det är naturligtvis omöjligt att uppnå ”förståelse” av NOS, då det handlar om ett abstrakt koncept som ska täcka allt som har med naturvetenskap att göra, den vetenskapliga metoden, vetenskap som mänsklig och situationsberoende, historiska aspekter, osv. Våra idéer om NOS (Suchting, 1995) och vetenskapen har utvecklats så snabbt i sina metoder att definitionen om vad vetenskap egentligen är inte håller steg med utvecklingen. Det finns inte en enda, enhetlig vetenskaplig process och därmed inga entydiga kriterier som skulle möjliggöra att ”hålla isär” vetenskap från icke vetenskap på ett säkert och entydigt sätt. Kan man fortfarande kalla ”strängteorin” för en vetenskaplig teori? Vetenskapsmagasinet ”New Scientist” frågar i sin utgåva i maj 2008 om vi behöver förändra definitionen av vad vetenskap är? I skolan träffar vi på en verklighet långt ifrån sådana diskussioner. Enligt Sjøberg (2005) möter elever en naturvetenskap i skolan som är accepterad och inte kontroversiell. Skolan sysslar med någonting som kunde kallas för ”säker kunskap”. Naturvetenskapen får som konsekvens prägeln att vara auktoritär, evig, säker och oföränderlig. Sjøberg (2005) beskriver att det är en stor paradox eftersom vetenskap till sin natur ska vara öppen, antiauktoritär och kritisk (Sjøberg, 2005, S79). Den tentativa och föränderliga karaktären av naturvetenskaplig kunskap saknas oftast i läroböcker och även i lärarnas och lärarkandidater idéer om NOS (Windschitl, 2004; Abd el Khalick & Lederman, 2000) Consequently, it could be argued that in a nontrivial sense, science education is science’s own worst enemy, leaving far too many students with a confused sense of the significance of what they have learned, an ambivalent or negative attitude to the subject itself—a product of its authoritative and nondiscursive mode of education and insufficient intellectual tools to evaluate the claims of science and scientists critically (Osborne & Collins, 2000). Denna stereotypa modell av hur vetenskapligt arbete genomförs i praktiken är dessutom väldigt tråkig att använda i undervisningen (Ibanez‐Orcajo & Martinez‐Aznar, 2007). Elevers attityder bekräftar att naturvetenskap i skolan upplevs på detta sätt. Det blir lätt begripligt att elever som inte undervisades i NOS utvecklar naiva och ofullständiga idéer om vad vetenskap egentligen är (Driver och medarbetare,1996). Meyling (1997) beskriver att elever ofta använder begreppen ”hypotes” och ”teori” synonymt. I 60 till 70 % av alla fall där de inte användes synonymt, användes de som synonym till ”spekulation” dvs. någonting som inte stöds av evidens. Många elever ordnar begrepp som hypotes, teori och lag enligt en hierarki av ökande bevisbarhet. I en undersökning av 9, 12 och 16 åringar kunde Drivers och medarbetare (1996) visa att elevernas begreppsföreställningar om teorier kunde kategoriseras i tre grupper. I den första gruppen användes begreppen ”hypotes” och ”teori” helt synonymt. Den andra 12
gruppen missade sammanhanget mellan dessa begrepp. Bara den tredje gruppen uppfattade teorins funktion som modell som binder ihop och förklarar observationer. Också Sjøberg (2005) beskriver att elever uppfattar att någonting är ”bara” en teori. Elever använder och förstår begreppen som de används i vardagligt tal, och inte i deras korrekta vetenskapliga innebörd. I en annan förenklad syn på vetenskapliga metoder härleds alla vetenskapliga teorier från observationer. Windtschitl (2004) undersökte lärarstuderandes begreppsuppfattning om den vetenskapliga metoden. Fjorton lärarkandidater utformade sin egen vetenskapliga studie, från frågeställning till presentation av undersökningens resultat. Lärarkandidaterna visade sig ha missuppfattningar om några relevanta aspekter som t.ex. hypotesens funktion. Den ansågs ofta vara en ren gissning över försökets resultat, men inte som en del av ett större förklaringssystem. Duschl (1990) konstaterar att det är viktigt att komma till en gemensam förståelse av vad NOS är och hur det ska förmedlas i undervisningen, även om man måste vara medveten om att bara kunna förmedla en begränsad förståelse inom skolundervisningen. Dessa idéer kan byggas på och förfinas senare i livet. Smith and Scharmann (1998) föreslår en mera pragmatisk ansats för undervisningen om NOS, där betoning ligger på den vetenskapliga processen. Naiva idéer har också förts tillbaka till en begränsad egen erfarenhet med att genomföra egna vetenskapliga undersökningar (Gallagher, 1991). Kanari & Millar (2004) visar betydelsen av att ge eleven möjlighet att själv förändra variabler som kan påverka resultatet. Det är inte självklart att eleverna kan extrapolera från enklare till mera komplicerade resultat och detta behöver därför övas i undervisningen. Elever ska lära sig tänka som forskare och förstå vad naturvetenskap är (Roberts, 2001). Båda målsättningarna är förankrade i kursplanen. Roberts (2001) utgår ifrån att man måste ha förstått vissa idéer om insamling, analys och interpretation av data, innan man kan närma sig begrepp som evidens, och att många elever missar konceptet om de inte undervisas explicit i detta. I en studie av projektbaserade undersökningar där eleverna fick arbeta med autentiska problem betonade Moje och medarbetare (2001) elevernas behov att få feedback. Experimentellt arbete borde också utveckla självreglering och metakognition. Båda aspekter har diskuterats i samband med högkvalitativt lärande (McCune & Hounsell, 2005) Flera studier har föreslagit användning av mera autentiska vetenskapliga undersökningar som tydliggör den vetenskapliga processen på ett explicit sätt som medel för att förbättra NOS (Schwartz och medarbetare, 2004; Colburn, 2004). En väg att förändra detta kan vara experimentellt arbete som är speciellt konstruerat för detta syfte Mera autentiska vetenskapliga undersökningar i skolan leder enligt Charney och medarbetare (2007) till en förbättring av elevernas förmåga att förklara, använda alternativa förklaringar och ställa frågor. Genom en mer autentisk undersökning tvingas eleverna att pröva om deras resultat verkligen bekräftar deras slutsatser och inte följer en automatiserad sekvens av datainsamling, hypotes, slutsats, protokollskrivning (Schwartz, 2006). I vanliga slutna laborationer kan eleven skylla på olika orsaker när 13
han får ”fel” resultat, utan att i djupare mening behöva bekymra sig över samband mellan slutsats och resultat. 2.4.
Laborativt arbete Laborativt arbete anses av många lärare som väsentlig del av vetenskaplig undervisning i skolan. (Eskilsson & Helldén, 2008) Man utgick ifrån att egna erfarenheter var överlägsna alla andra metoder för att utveckla vissa kunskaper. Laborationer infördes i skolan redan i slutet av 1800 talet, för att eleverna skulle kunna upptäcka på egen hand. Laborationer har alltså varit en självklar del av den naturvetenskapliga undervisningen i över 100 år (Hult, 2000). Enligt Ekstig (1990) kan man kategorisera laborativt arbete i skolan enligt syftet i fem typer: •
•
•
•
•
Deduktiv laboration: verifiera teorier och lagar Induktiv laboration: elever försöker formulera teorier och lagar utifrån egna mätningar och observationer Laborationer som processträning: elever ska lära sig planera och genomföra egna experiment och dra egna slutsatser ur resultaten. Laborationer som metodträning Fritt laborerande Hult (2000) anför följande skäl för laborationer i skolan: metoderfarenhet, motivation och för att visa tillämpningar av teorier. Det finns dock olika uppfattningar om både inlärningspotential och den faktiska inlärningen som sker genom laborationer i skolan (Wickman, 2002). Kanske mindre överraskande kom man även fram till att laborationer i skolan inte automatiskt leder till att elever lär sig det som var tänkt. Lindahl (2003) beskriver i sin studie att eleverna ofta var tveksamma över laborationens syfte. Tiden för både förberedelse och efterarbete var enligt eleverna för begränsad, vilket gjorde det svårt att sätta in laborationen i ett större sammanhang (Hult, 2000). Wickman och Östman (2001) kunde i sin studie observera att elevernas kommentarer väldigt sällan utgick från observationerna under själva laborationen. Å andra sidan stimulerar laborationer eleverna, och kan därför utveckla deras inre motivation (Lindahl, 2003). Det finns alltså evidens till att elever inte lär sig så mycket genom laborationer som läraren förväntar sig, och att de ofta behåller en väldigt begränsad förståelse av den vetenskapliga metoden, men att laborationer vanligtvis utgör ett motiverande element i undervisningen. Man kan alltså ifrågasätta vilka syften man egentligen försöker uppnå i dagen skola. Om vi vill uppnå naturvetenskaplig allmänbildning, så behövs en bättre förståelse av NOS och den vetenskapliga metoden. Hur kan vi förändra det laborativa arbetet i skoaln, så att det bättre stöder dessa mål? 14
2.5.
Scientific inquiry ”Scientific inquiry” som är ett viktigt koncept i samband med NOS, är likaså svårt att översätta med ett enda begrepp, då den användas i två olika betydelser. ”Scientific inquiry” kan beskriva en metod, ett verktyg att uppnå kunskaper, eller själva läromålet (Abd El Khalick och medarbetare, 2004). Läromålet skulle då vara att utveckla elevernas förståelse om den vetenskapliga metoden (Schwartz och medarbetare, 2004). Som metod innebär den att man använder ett undersökande arbetssätt för att hjälpa elever att utveckla en bättre förståelse av vissa vetenskapliga begrepp eller fenomen. Det är alltså genom egna undersökningar som eleven ska nå fram till en bättre förståelse av olika vetenskapliga fenomen. När ”scientific enquiry” är ett läromål, så syftar den till att utveckla elevernas förståelse om den vetenskapliga metoden och hur man kommer fram till ny vetenskaplig kunskap. Eleverna ska lära sig att identifiera viktiga problem, formulera en försöksfråga, konstruera ett försök, genomföra experiment, förklara resultaten med hänsyn till vad man redan vet, och utveckla hypoteser, modeller och förfina sin egen förståelse i samband med nya resultat genom hela forskningsprocessen . Dessutom ska de kunna presentera och diskutera sina resultat. Det blir tydligt att det i praktiken inte finns någon helt tydlig skillnad mellan ”scientific inquiry” som metod eller läromål, för dessa färdigheter kan inte utvecklas separat, utan måste alltid ingå i ett och samma konkreta lärosammanhang. I fortsättningen kommer jag dock att använda begreppet ”vetenskaplig metod” eller ”användning av den vetenskapliga metoden” men försöker om möjligt att specificera de bestämda färdigheter eleverna ska utveckla. Även här har vi alltså samma problem som med begreppet ”Nature of science” i att det inte finns någon klar avgränsning. Jag vill också påpeka att det definitivt inte heller finns en enda ”vetenskaplig metod” som kan beskriva en enda, väldefinierat ”vetenskaplig process”. Det är alltså termer som egentligen inte kan lösas ut ur sitt konkreta sammanhang, utan att de blir så suddiga att de tappar sin mening. När man använder begreppet ”authentic scientific inquiry” menar jag alltså undersökningar som genomförs inom ramen för ett ”autentiskt” forskningsprojekt. Enligt Driver och medarbetare (1996) finns den verkliga forskningen vanligtvis inte representerad i skolan, men de vidhåller att det skulle vara viktigt att elever får inblick i den verkliga forskningen och dess komplexitet. Därför kunde (mera) autentiska forskningsprojekt i skolan vara en viktigt kontext för elevernas lärande om NOS (Ryder, Leach and Driver, 1999). Flera studier har visat att deltagande i forskningsprojekt inte utvecklar en bättre förståelse av NOS, om inte själva processen, tänkandet bakom görandet, görs tydligt. Det räcker inte att ”bara erbjuda” autentiska undersökningar, utan läraren måste ge tillfälle till utveckling av en bättre processförståelse genom att diskutera, ställa frågor, och ge lämplig feedback (Schwartz och medarbetare, 2004). En begränsning är dock ofta lärarens egen erfarenhet med ”autentisk” forskning och en begränsad eller stereotyp föreställning om NOS och den vetenskapliga metoden. (Gallagher, 1991). Genom att hjälpa elever att komma igång med processen t.ex. genom egna experimentella undersökningar kan vi förhoppningsvis uppnå en bättre förståelse av den vetenskapliga forskningsprocessen. 15
En annan faktor som har identifierats som barriär, är att vanliga skollaborationer dessutom ofta är begränsade till en enda lektion. Linn föreslår att elever behöver kunna samla erfarenheter med längre experimentserier med högre komplexitet som ger dem möjlighet att knyta ihop experimentella resultat och förklaringar (Linn, 2001) Duschl och Grandy (2007) föreslår följande förutsättningar för integration av autentiska experiment i skolan: •
•
•
•
Lärandemiljöer som främjar elevfokuserat lärande Undervisningssekvenser som främjar integrerat lärande angående konceptförståelse, process‐ och vetenskapligt tänkande Aktiviteter och uppgifter som gör elevernas tänkande synligt för alla dessa processer Läraren utvecklar en bedömningsprocess som utvärderar och ger feedback till eleverna i dessa områden 3.
Kompendium konstruktion 3.1.
Syfte Många studier har visat att när man inte undervisar explicit om NOS och den vetenskapliga processen, lämnar många elever skolan med naiva och stereotypa idéer om forskning (Driver et al., 1996). Frågan är därför om det finns en möjlighet att integrera mera autentisk vetenskap i skolan och hur den måste presenteras så att eleverna bygga upp en bättre förståelse av den vetenskapliga processen. Ett viktigt bidrag kan komma från autentiska experiment som kan förmedla en mera verklig bild av en komplex, icke‐linjär forskningsprocess än vad vanliga laborationer gör. Syftet med detta arbete är därför att konstruera ett kompendium som läraren kan använda som utgångspunkt för utveckling av autentiska experiment inom biologiundervisningen i gymnasieskolan. Genom att explicit formulera hur eleverna kan tänka under den experimentella planeringen, ska kompendiet fungera som stödstruktur som främja elevernas förståelse av hur den vetenskapliga processen går till. Förutsättningen är att man använder sig av en enkel metod, som kan anpassas till många olika frågeställningar. Jag anser att lärandet är situationsberoende och behöver ske i ett konkret sammanhang. Därför är ansatser om undervisning av NOS som abstrakt koncept kanske mindre lämpade för att utveckla elevernas förståelse av vad vetenskap egentligen är. Elever behöver samla sina egna erfarenheter, men det innebär inte att de automatiskt lär sig det som avses bara genom ”att göra”. Processen måste synliggöras och stödas. Min förväntning är att autentiska experiment i skolan kan hjälpa eleverna att bygga upp en bättre förståelse för den vetenskapliga processen och NOS, som därmed bidrar med ett viktig steg mot en bättre naturvetenskaplig allmänbildning. 16
3.2.
Läromål att uppnå I följande avsnitt vill jag beskriva mina förväntningar på inlärning i större detalj. Ett viktigt steg och ett mål i sig är att eleven lär sig att fokusera på processen och de rätta frågorna i stället för slutprodukten och de rätta svaren. Forskningsprocessen bygger på att man kan ställa de rätta frågorna för att veta var man står och hur man kan komma vidare. Vad vet jag? Vad vet jag inte? Vad behöver jag veta för att kunna få svar på mina frågor? Hur måste jag lägga upp mina experiment för att kunna svara på mina frågor? I skolan används frågorna mestadels i kontrollsyfte, och därmed anser eleverna att det är någonting positivt när ingen har några frågor. Det kan därför ses som en förutsättning för vidare utveckling att eleverna lär sig använda frågor som ”metakognitiva” verktyg. En basförutsättning för förståelsen av den vetenskapliga processen är att man förstå hur man bygger upp ett experiment genom att försöka kontrollera vissa variabler. Eleverna ska också kunna förstå vikten av att konstruera bra kontrollexperiment. Detta är mycket mera komplicerat än man kanske tror, och det är i sig också ett viktigt läroresultat. Detta är också förutsättningen för att kunna analysera och tolka sina experimentella resultat. En viktig fråga som eleverna ska lära ställa sig är: ”stöder mina resultat det jag påstår de gör”? Det är viktigt att eleverna inser begränsningarna av sina resultat, men samtidigt också lär sig se relevansen av dem. Eleverna ska förstå att försöksplanering är en komplex uppgift, som kräver att man jobbar i en cyklisk process där man återbesöker och förfina vissa frågor och idéer, och inte en standardiserad sekvens av olika fastställda steg som man följer och automatiskt når fram till rätt svar. Dessutom ska det förmedlas att man kan testa påståenden som man kanske hittar i media, och att man även personligt kan ha nytta av resultat man har forskat fram. Det är en ambitiös målsättning att utveckla en begynnande förståelse för sammanhanget mellan metodens egenarter, resultat och tolkning av resultaten, som ligger till grund för vetenskapligt tänkande. Learning to think scientifically is considered as a matter of acquiring strategies for coordinating theory and evidence distinguish patterns of evidence that do and do not support a definite conclusion (Kuhn, 1989). I skolan upplever jag att praxis och teori nästintill upplevs som motsatser. Elever ska lära sig använda ”teorier” och kunskaper som verktyg och se att man bygger på kunskap andra har forskat fram. Även om jag anser att kunskap är viktigt, så ges den ofta fel betydelse i skolan när den ses som mål i sig och slutprodukt och inte som förutsättning för att användas för att ställa nya frågor och lösa nya problem. Medan kritiskt tänkande ofta är en viktig målsättning i undervisningen, så är det mindre klart hur detta ska uppnås. Viktigt är därför att göra processen och strukturerna tydliga, och därmed öka elevernas metakognitiva medvetande . Experimentplanering är en komplex process som kräver uthållighet och precision i tänkandet. Det är ett sätt att tänka som inte stöds så ofta inom undervisningen. Överordnad målsättning är alltså att förbättra elevernas 17
idéer om NOS och samtidigt bygga upp deras kapacitet att tänka vetenskapligt. Jag vill betona att man inte kan förvänta sig att elever lär sig om NOS genom en enda undervisningssekvens. Det är viktigt att påminna igen om att det inte finns endast en vetenskaplig metod. Därför krävs det fler varierade tillfällen för eleverna att samla egna erfarenheter med autentiska experiment i skolundervisningen. 3.3.
Didaktiska val och arbetsmetoder Som ständig referensram i bakgrunden finns frågan om undervisningens syfte, eller man kunde säga: ”de stora didaktiska frågorna”. I följande tar jag upp vissa didaktiska och metodiska val och forskningen de bygger på i den mån detta inte behandlats tidigare i litteraturdelen av mitt arbete. Enligt Sjøberg (2005) handlar didaktik om de värderingar som ligger bakom urval och strukturering av undervisningens innehåll, medan ämnesdidaktik handlar om didaktiska överväganden i mer konkreta, innehållsmässiga sammanhang. Ämnesdidaktik inom naturvetenskap (NO didaktik) har utvecklats till ett stort, självständigt forskningsområde som såväl har ett praktiskt yrkesmässigt, som ett vetenskapligt perspektiv (Andersson 2000). Den naturvetenskapliga ämnesdidaktiken skiljer mellan metodik och didaktik. För en översikt över ämnesdidaktik som forskningsfält, och dess aktuella frågor se: Helldén et al. (2005). Viktiga typer av ämnesdidaktiska frågeställningar är enligt Sjøberg, (2005): •
•
•
•
•
•
•
•
Hur blir ett ämne till vad det är? Kunde det har varit annorlunda? Vilka processer och krafter är det som formar ett skolämne? Hur legitimeras och motiveras ämnet, hur kan det försvara sin plats i skolan? Vad är ämnets särart som vetenskaps‐ och skolämne. Vad är centralt begreppsmässigt innehåll, vad är centrala processer? Vilka slags värderingar, normer och ideal ligger implicerade i ämnena? Hur bidrar ämnet till att nå de olika mål som skolan ska arbeta mot? Hur kan lärostoffet struktureras och läggas tillrätta, så att lärande kan äga rum En del av dessa frågeställningar leder direkt till diskussionen av NOS och den vetenskapliga metoden som jag har tagit upp tidigare. Andra frågor tas inte upp explicit, men frågorna har utgjort en bakgrund till examensarbetet och dess utformning. Som tidigare beskrivet ses olika teorier mera som referensram för att utforma undervisningen. Medan man inte kan härleda en handlingspraktik ur konstruktivistisk teori, så möjliggör den viktiga utgångspunkter för en konstruktion av inlärningsmiljöer för att främja elevernas lärande. Ogborn (1996) föreslår följande grundförutsättningar som bygger på en allmän kärna av de olika konstruktivistiska teorierna: 18
•
•
•
•
•
Aktivt deltagande i tankeprocess om någonting likt förståelse skall uppnås respekten för barnet och barnets idéer ät viktiga Vetenskap består av idéer skapade av människor (inte av sig själva) Utformningen av lärandet bör fokusera på känslan av skapande, skall kapitalisera på vad eleverna redan vet Känna och adressera svårigheter som kan uppstå av hur de tänker sig sakers ordning Sjøberg (2005, s.22) hävdar att vi måste ”försöka placera vetenskapen i det sammanhang det förtjänar, mitt i kulturen, mitt i den filosofiska debatten, som en viktig faktor i samhällsutvecklingen, som något som både löser och skapar problem, omgivet av etiska värderingar och samhälleliga konsekvenser. Kort sagt: som en mänsklig aktivitet med samma positiva och negativa sidor som all annan mänsklig verksamhet.” Det har blivit allmänt accepterat att vi behöver förbättra elevernas intresse för naturvetenskap och också förbättra deras motivation för att kunna motverka den negativa trenden och attityden mot naturvetenskap i vårt samhälle. (se t.ex. Helldén och medarbetare, 2005. Även om det finns många undersökningar om elevernas attityder är det inte riktigt klart vilken slutsatser man kan dra för förändringen av undervisningspraktiken. Forskningen visar att motivation inte är ett enkelt koncept, och bestäms av en rad komplexa strategiska val och motivationsrelaterande antaganden som aktiveras i en inlärningssituation. Det finns flera alternativa teorier för att förklara motivation, som inte kan tas upp i ramen för examensarbetet. (För en översikt se: Helmke & Schrader 2001; Boekaerts M. 2001) Motivation är också en viktig faktor som bestämmer elevernas inlärningsstrategier. Målinriktning leder till val av djupa inlärningsstrategier som förbättrar inlärningen, medan prestationsorientering leder till urval av mindre djupa inlärningsstrategier (Boekaerts, 2001). Det är också viktigt att man skiljer mellan motivation and voalition. Mellan motivation bestämmer om eleven väljer att vilja engagera sig, så bestämma andra faktorer om eleven sedan verkligen genomför avsikten. Det räcker därför inte att bara bygger på elevernas intresse, utan läraren måste även stöda elevernas uthållighet att slutföra sina mål. Det är viktigt att verkligen inse att om inte eleven accepterar lärarens mål och syften, och gör dem till sina egna, så har de ingen genomslagskraft för elevernas lärande. Viktiga faktorer som visats genom studier för elevernas motivation är att läraren väljer intressanta uppgifter med rätt svårighetsgrad, fokuserar på processen, istället för produkten, stöder användning av olika lösningsstrategier, och belönar ansträngning. Dessutom ska fokus läggas på sociala processer och läraren ska undvika olika kontrolltekniker . Dessutom ska läroinnehållet presenteras i olika sammanhang (Helmke & Schrader 2001 ). Därför valde jag att konstruera uppgiften runt elevens egen person, med eleven själv som försökssystem. Jag har försökt att inte förbestäms vad eleven ska syssla med, utan att genom att ge konkreta exempel stimulera elevernas egen kreativitet att söka sig fram till en försöksfråga som känns relevant för dem. Dessutom kan undersökningarna bäddas in i en rad frågeställningar av allmänt och samhälleligt intresse. 19
3.3.1.
Grupparbete Grupparbete är kanske den mest använda och bäst undersökta nya metoden i undervisningen. Det är dock fortfarande inte väl förstått hur inlärning i grupp och kooperativ inlärning leder till att främja inlärning på individnivå. Det är också omdiskuterat vilka faktorer som är viktiga för att understöda lärandet. (Slavin och medarbetare, 2001; O´Donell A.M. 2001) I en ideal undervisningssituation borde kompendiet användas inom ett gruppbaserat projekt som pågår under en längre tid, t.ex. 10‐15 lektionstimmar. Min egen motivation av att använda mig av grupper som diskussion och inlärningsenheter bygger på antagandet att elaborering och diskussion i grupp leder till ett aktivt bearbetande av innehållet, och därmed stöder aktiv inlärning. I den så kallade kognitiva modellen är det alltså inte själva grupp processen som leder till förbättrad inlärning, utan det faktum att förklaring och interaktion mellan gruppmedlemmarna är nödvändig; när elever arbetar kollaborativt i ett projekt så kan de uppmuntra varandra. Man kunde visa att högkvalitativa diskussioner förutsäger högkvalitativt lärande. Eleverna behöver förklara med egna ord, pekar på förståelseluckor, elaborerar och sätter diskussionen i ett större sammanhang. Mest vinner elever när de själva förklarar till någon annan. Grupparbete är alltså tänkt att stöda en aktiv omarbetning av innehållet och därmed stöder det aktiv inlärning. Under mina litteraturstudier hittade jag en inlärningsmodell som kallas för ”apprenticeship model” som kunde översättas med lärlingsmodellen. Eftersom forskarutbildningen och forskning egentligen bygger på en sådan modell, är det kanske inte så förvånansvärt att jag byggde in element av denna i mitt eget arbete. Boekaert (2001) beskriver en ”kognitiv lärlingsmodell” för lärandet som består av sex steg: 1.
2.
3.
4.
Eleverna observerar först en expert De imiterar och modellerar det förväntade utförandet De får stödförslag och feedback på modellen Eleverna bygger upp konceptuella stödstrukturer och utför så mycket av uppgiften som möjligt. Stödet avtar när eleverna blir erfarnare. 5. Eleverna ombeds uttrycka sin kunskap och reflektera över sin förståelse. 6. Uppmuntran att undersöka nya vägar för hur den nya erfarenheten kan användas. Jag har använd mig av strategin att ge exempel där jag visar hur jag tänker, så att eleverna kan använda detta som modell när de konstruerar sina egna försök. Genom att göra mitt eget tänkande synligt och att jag påminner om vad man ska tänka på, ska eleven blir medveten om sina egna tankeprocesser. Det är viktigt att jobba med frågor och uppmuntra eleven att ställa sina egna frågor. Att ställa frågor är en effektiv strategi för att underlätta konstruktion av nu kunskap. Jag har försökt att integrera diskussionsfrågor i kompendiet som flaggar för kritiska förståelsemoment. Dessutom finns det fler diskussionsfrågor i anslutning till varje 20
kapitel, som ska främja högkvalitativa diskussioner mellan eleverna. Repetitionsfrågor kan användas av eleverna för att kontrollera sina egna bakgrundskunskaper. Det är viktigt att eleven blir medveten om vad de vet för att kunna använda sitt kunnande i den nya inlärningssituationen. Om eleverna ska kunna jobba med en krävande uppgift, och ska kunna nå målet att själva konstruera egna experiment, så krävs det väldefinierade arbetssteg med tydliga delmål och respons från lärarens sida. Ju mera självständigt eleverna ska jobba med kompendiet, desto viktigare blir feedback från lärarens sida. Man kan koppla detta till Vygotskyis (1978) begrepp om ”närmaste utvecklingszonen” som också använder sig av ”peer learning”, ”kompisinlärning” för att främja elevens kognitiva utveckling. Gruppmedlemmarna blir alltså viktiga för att stöda andra elever att nå kognitiv avancerade lärandemål. Undervisning av metastrategiska kunskaper1 har visat sig speciellt viktigt för lågpresterande elever (Zohar & Peled, 2007) 3.3.2.
Varför använde jag mig av blodsockermätningar? Blodsockermätningar som experimentell metod är enkla att genomföra. Det är en relativt snabb och pålitlig metod, där man får sina mätresultat omedelbart. Dessutom är den rätt användarvänlig för den har utvecklats speciellt för hemmabruk. Mätningarna kan även genomföras hemma, om så önskas. Läraren behöver inte lägga in så mycket tid för att lära ut metoden, och fokus kan därför helt läggas på försöksplanering. Jag anser att användningen av en enkel försöksmetod är förutsättningen för en lyckad integrering av försöksplanering i undervisningen. Mätresultat är intuitivt enkla att förstå, speciellt när de framställs i en grafisk form, även om tolkningen kan blir rätt så krävande. Dessutom finns det många möjligheter att anpassa materialet så att den kan anknytas till elevernas eget intresse. Man kan t.ex. anknyta till glykemiskt index GI, som har diskuterats mycket i medierna, och som ofta är dåligt förstått. Kursinnehåll kan även användas i samband med en undersökning av dietbeteende. Det finns dessutom många möjligheter att anknyta till frågor om mat och hälsa, idrottsnutrition, uthållighet, och folksjukdomar som övervikt och diabetes. Kolhydrat‐ och insulinmetabolism kan vara både spännande och relevant för en biologi B kurs. Man kan också anpassa svårighetsgraden av undersökningen, och tidsbehovet efter yttre omständigheter och elevernas intresse. Kurskompendiet ger olika förslag till undersökningar för att väcka elevernas nyfikenhet och stimulerar till utvecklandet av egna idéer och försöksfrågor. 1 Med metastrategisk kunskap menas generell kunskap om kognitiva procedurer som utgör strategiskt tänkande som t.ex. konstruera bra argument, analysera kausala samband, testa hypoteser, identifiera underliggande antaganden och dra slutsatser. 21
Förslag som görs inom kompendiet kan tas som utgångspunkt för enklare frågeställningar t.ex. när tidsramen är begränsad, eller för att stöda elever som har svårt att utveckla egna undersökningsfrågor. 3.4.
Val av område och kursanknytning Kompendiet skrevs som underlag för en biologi breddningskurs inom gymnasieskolan. Undervisningsmaterialet lämpar sig också väl för kursen biologi B och även inom kursen naturkunskap B. Speciellt inom kärnämnet naturkunskap betonas aspekter och målsättningar som kan sammanfattas under begreppet ”naturvetenskap som allmänbildning” och NOS. Den betonar vikten av en naturvetenskaplig utbildning för alla och vikten av förståelsen av den vetenskapliga metoden (Skolverket, 2000): Dagens samhälle är i hög grad baserat på naturvetenskap och teknik. Därför har den enskilde behov av kunskaper i naturvetenskap både som individ och samhällsmedborgare. Ämnet syftar också till förståelse av naturvetenskapens arbetssätt och resultat. Betygskriterierna för MVG i för t.ex. naturkunskap B visar också att målsättningar kan direkt kopplas till kunskap om den vetenskapliga metoden och därmed om NOS (Skolverket, 2000). Eleven tillämpar ett naturvetenskapligt arbetssätt, planerar och genomför undersökande uppgifter, tolkar resultaten och värderar kritiskt slutsatsernas giltighet och rimlighet. Eleven tillämpar ett naturvetenskapligt arbetssätt, tolkar resultat och värderar slutsatsers giltighet och rimlighet utifrån teorier och ställda hypoteser. Biologikurser tillhör inte kärnämneskurser, men är valbara i vissa program och kan räknas till mera studieförberedande kurser. Därför betonas mera vikten av experimentellt arbete och den vetenskapliga metoden. Under ”Ämnets karaktär och uppbyggnad” beskrivs syfte av biologundervisningen (Skolverket, 2000): Vid studiet av biologi får eleven möjlighet att studera, beskriva och analysera företeelser i sin omvärld. I såväl laboratoriet som i fält ges tillfälle att självständigt formulera frågor, planera och genomföra undersökningar med insamling, bearbetning samt tolkning av mätdata och observationer. Utbildningen i biologi ger goda möjligheter att utveckla ett naturvetenskapligt tänkande samt att öva ett naturvetenskapligt arbetssätt. Experimentering anses som en självklar del av undervisningen i biologin och det krävs i kursplanen att eleven ska erbjudas tillfälle att arbeta självständigt, utveckla naturvetenskapligt tänkande samt att öva ett naturvetenskapligt arbetssätt. Dessutom skall det ges ”goda” möjligheter till detta, som innebär att tillfälle bör ges inte bara några enstaka gånger. Det finns alltså goda skäl att se autentiska experiment som en viktig del av undervisningen om grundläggande målsättningar ska eftersträvas. Det återspeglas 22
också i ”målen att sträva efter”. Skolan skall i sin undervisning i biologi sträva efter att eleven (Skolverket, 2000): •
utvecklar sin nyfikenhet och förmåga att utforska biologiska fenomen i sin omvärld och sin förmåga att från olika källor söka biologisk kunskap och kritiskt värdera denna, •
utvecklar sin förmåga att arbeta experimentellt och i fält för att öka sin förtrogenhet med biologisk kunskapsbildning, •
utvecklar sin förmåga att formulera och förstå biologiska frågeställningar samt att söka förklaringar med naturvetenskapliga metoder, •
utvecklar sin förmåga att använda biologiska teorier och modeller samt att bedöma deras giltighet och begränsningar, Målen som undervisningssekvensen försöker uppnå är därmed väl förankrade i kursplanen för Naturkunskap A och B, biologi B och breddning. Skolan ska sträva efter att ge eleverna möjlighet att på ett djupare sätt blir förtrogna med den vetenskapliga arbetsprocessen. Kursplanen föreskriver att tillfällen ska ges till elever att utveckla sådana färdigheter. Införandet av autentiska experiment fyller därmed en viktig funktion för uppnående av viktiga kursmål. Ämnesmässigt kan kursen anknytas till målet: ha kunskap om reglering och samspel mellan människans organsystem. Ämnesspecialisering i biologi breddning lämnar stort utrymme för ämnesanknytning. Naturkunskap B som är valbar i alla program blir lämplig när man sätter materialet in i ett sammanhang som betonar frågor om mat och hälsa. Materialet kunde även tänkas användas inom näringsläran, speciellt som projektarbete med utgångspunkt i en relevant frågeställning. Begränsningen är att kursen i näringslära egentligen inte omfattar krav på experimentellt arbete. 4.
Diskussion Resultaten av internationella studier som TIMMS (The Trends in International Mathematics and Science Study) och PISA (Programme for International Student Assessment) har i många länder närmast utlöst ett nationellt trauma (för en diskussion ser t.ex. Sjøberg, 2005; Helldén och medarbetare, 2005). Också nationella utvärderingar bekräftar bristande måluppfyllelse. Nationella utvärderingar inom grundskolan drar slutsatsen att elevernas begreppsbildning inom naturvetenskap är otillfredsställande (Skolverket, 1995) Skolverkets rapport nr. 96 (Skolverket, 1996) kommer fram till att bara en tiondedel av alla gymnasieelever visar kritiskt tänkande. Dessa resultat präglar den offentliga diskussionen om skolan och påverkar även policybeslut i rätt så stor utsträckning. Det är dock mindre klart vilka målsättningar för naturvetenskaplig 23
utbildning som speciellt de internationella undersökningarna syftar till. Faran består i att kunskapsmålen tas över okritiskt utan att lyfta frågan om syftet tillräckligt tydligt, och sedan låter man dessa resultat styra skoldebatten. Lika oönskat är det att nöja sig med standardsvar som refererar till någon form av auktoritet (Sjöberg, 2005) eller att låta läroböcker bestämma innehållet, och därmed osynligt och implicit bestämma syftet av naturvetenskaplig utbildning. Vetenskapens kunskapsutveckling exploderar och gör det praktiskt omöjligt även för experter att följa den mest fundamentala utvecklingen på olika naturvetenskapliga områden. Klyftan mellan ”skolvetenskap”, dvs. den kunskap som förmedlas inom undervisningen och autentisk vetenskap dvs. det som Sjøberg betecknar som ”science in the making” blir bara större (2005, s.87). En målsättning för naturvetenskaplig allmänbildning är att vi som medborgare ska kunna delta i samhälleliga debatter om olika områden som involverar naturvetenskaplig kunskap, och utvärdera ”meriter” av olika vetenskapliga påståenden. Detta låter som ett bra mål, men jag skulle vilja ifrågasätta hur realistisk en sådan målsättning egentligen är. För det första krävs det vanligtvis rätt så djupa ämneskunskaper i en viss domän innan man börjar förstå den. För det andra krävs djupa metodkunskaper och expertkunnande för att verkligen kunna utvärdera kvaliteten av vetenskapliga påståenden. Annars kan man faktiskt inte bedöma om resultaten som visas verkligen stöder de slutsatser som görs. Det är därför vi har peer review inom den naturvetenskapliga forskningen. Även med en bra allmän bakgrund inom naturvetenskap kan man knappast verkligen uttala sig över den vetenskapliga kvaliteten av en specifik studie. Man kan däremot använda sig av indirekta metoder och t.ex. få en uppfattning hur stort det rådande konsensus är för en viss fråga och försöka få fram de kritiska frågeställningarna som aktuellt diskuteras inom ett visst fält. Slutsatsen man kan dra är att man utöver solida kunskaper också måste ha en idé om den vetenskapliga processen, speciellt för att inse vad man kan förstå och vad som faktiskt ligger utanför ens egna möjligheter till förståelse. Det är också därför förståelsen av NOS är en abstrakt konstruktion som inte egentligen kan uppnås, varken inom skolan eller utanför skolan i expertvärlden. Vilken kunskap och vilken bild av den vetenskapliga processen ska då skolan förmedla? Biologin idag lärs ut i en hierarkiskt uppbyggd, auktoritär sanningsförmedlande struktur, som förmedlar ”sanna” kunskaper och därmed själv lär ut en helt missvisande bild om den vetenskapliga processen. Det finns ett fokus på faktakunskaper som slutprodukt av den vetenskapliga processen vilka uppnår status av sanningar ju längre forskningen pågår. Finns det en möjlighet att integrera autentisk vetenskap i skolan? Det finns som sagt tydliga begränsningar vad skolan kan göra för att förmedla ”autentisk” vetenskap. Därmed blir det viktigare att fokusera på mål vi vill uppnå och också förstå begränsningarna av det vi kan uppnå inom skolan. Det är egentligen inte förvånansvärt att det lätt blir fel i skolan, för det finns verkligen inga lätta, självklara lösningar för situationen. Det finns en bred konsensus i litteraturen att explicit inkluderande av aspekter av NOS är viktigt om elever inte ska lämna skolan med naiva idéer om NOS. Förståelse av den vetenskapliga processen och metoden har beskrivits som viktig del av NOS (Kemp, 2000; Stanley & Brickhouse, 2001). När Delphistudien (Osborne och medarbetare, 24
2003) betraktade en minimal definition av NOS, så betonade olika experter den vetenskapliga processen som kärnkoncept. Undervisning som betonar vetenskapliga metoder och den vetenskapliga processen ansågs i samma studie speciellt lämpliga för elever i högstadiet och gymnasieskolan. Det innebär inte att elever ska undervisas direkt om NOS som abstrakt koncept utan finns empiriska belägg att en reflektiv ansats kan fungera bäst (Duschl & Grandy, 2007). Detta uppnås bäst när eleverna får tillfälle att genomföra undersökningar och får tillfälle att reflektera över aktiviteterna och över vilken form av kunskap de har producerat. Däremot är frågor som relaterar till en progression i konceptförståelse om NOS helt oklara (Smith & Scharman, 1998). Strand‐
Cary och Klahr (2008) visar att man måste undervisa elever explicit om samband mellan variabler och kontroller och de kunde visa transfereffekter av en sådan undervisning. De kom också fram till att om elever bara fick fundera över experimentell design ledde experimentering också utan reflektion och förklaringar till en utökad förståelse av NOS. Vetenskapligt tänkande kommer inte naturligt som förlängning av vardagligt tänkande. Vetenskap i skolan får inte vara för komplicerad, och måste kunna kännas relevant för eleverna: Det ska finnas utrymme för elever att hitta en egen ingång så att de själva kan upptäcka relevansen av vad de gör. Utveckling av egna experiment är en kognitivt krävande process då den kräver en viss överblick över hela processen innan man ens kan börja. Den förutsätter att man kan koppla ihop och använda kunskaper i en icke linjär process. Det är därför viktigt att bygga stödstrukturer runt elevernas lärande för att uppnå optimal kognitiv inlärning. Kompendiet i mitt examensarbete stöder elevernas metakognition genom att visa hur man tänker runt olika experimentella situationer och när man löser vissa problem. Jag har försökt att använda mina egna kunskaper och översätta dem, bryta ner dem i mindre steg som gör processen tydlig. Eftersom lärandet är situationsberoende, kan processen bara göras riktigt synlig i en konkret situation, där man kan visa hur man tänker när man experimenterar. Liksom andra undersökningar har påpekat, fungerar det inte att lära ut om NOS som abstrakta koncept. Jag försöker alltså utveckla elevers tänkande bakom aktiviteten i en konkret experimentell situation. Jag tror att det blir tydligt när man läser kompendiet hur komplex processen är, vad allt man ska tänka på, och ta hänsyn till och vilka teoretiska kunskaper man behöver ha i bagaget för att kunna knyta ihop planering och analys av experiment. Jag hoppas att jag kan väcka elevernas lust att genomföra en längre, kognitiv ansträngande studie som representerar verkligheten lite bättre än vanliga experiment. Alla dessa element bidrar till att eleverna får en mera detaljerad bild av forskningsprocessen. Speciellt underskattas betydelsen ofta av det domänspecifika kunskap man behöver för försöksplanering. Det finns helt enkelt inget skriftligt material som har all information på plats som eleverna behöver för projektet. Det är väldigt viktigt att ha skriftligt material till sitt förfogande så att eleverna själva kan söka fram bitarna de behöver för att komma vidare. Jag har också försökt att reducera svårigheten att läsa in sig i området genom att tillhandahålla utförligt teoretiskt material. Eleverna använder dessutom teori både till utgångspunkt för försöksplaneringen och för resultatanalys. Teoridelen är inte tänkt som pluggdel, utan som stöd för elevernas tänkande. Därför var det viktigt att integrera teorin i 25
kompendiet. Teorin är olika ”djup” i olika delar för att bättre kunna anpassas till målsättningen. Elever ska kunna använda teorin och begripa den som verktyg för att lösa sin experimentella uppgift. Eleverna kan genom att konstruera sina egna experiment lära sig stegvis att undersökningar kan ta många olika former, och därmed förstå att det inte finns en enda mystisk vetenskaplig metod. Elever kan också begripa att man inte genomför en automatisk sekvens som leder till ett rätt resultat, utan att processen är mera komplex, mera krävande och därmed också betydigt roligare. Elever lär sig att man kan testa påståenden, t.ex. sådana som man har hittat i media, och att ens vetenskapliga resultat kan ha relevans för det egna livet. Att göra en egen försöksplanering, och speciellt att komma fram till en egen forskningsfråga är också en kreativ process. Det fungerar inte i forskningsverkligheten att bara använda sig av en standardiserad mall som leder oss fram till rätt resultat. Jag tror att det är avsaknaden av kreativitet i skolundervisningen som kan göra att de mest begåvade eleverna tappar intresset. Att processen ska vara kreativ innebär däremot inte att eleverna inte behöver struktur och stöd för att verkligen kunna komma fram till något bra resultat. Det finns flera andra förutsättningar som måste uppfyllas om användningen av kompendiet i en undervisningssituation ska lyckas. Först och främst måste man som lärare vara beredd på att sätta av mycket tid för en undervisningsenhet som bygger på kompendiet. Det krävs tillräckligt mycket tid för respons, diskussioner och eleverna behöver tid att läsa in sig i området. Det är väldigt viktigt att jobba med tillräckligt mycket feedback så att man inte tappar bort sina elever på vägen, eller riskerar att eleverna tappar motivationen. Det är också viktigt för att få bättre kontroll över elevernas förutsättningar och för att förstå hur elever tänker över vissa begrepp. Skrivarbete och muntliga diskussioner gör tankeprocessen mera tydlig och det är viktigt att bygga in feedback processer vid varje kritiskt inlärningssteg. Läraren måste också vara beredd på att själv vara mycket involverad i projektet, dels genom att ge respons och dels som bollplank för idéer och diskussioner. Elevernas motivation är av central betydelse. Både praktiskt arbete, personlig frihet och valmöjlighet verkar motiverande. Men om eleverna tappar lust och motivation, så är det osannolikt att de i fortsättningen investerar tillräckligt mycket eget tankearbete. Det krävs t.ex. att eleverna läser genom material i förväg, läser genom anvisningar och tänker efter innan de sätter igång. Det är därför viktigt att ge en tydlig vardagsanknytning. Eleverna behöver kunna välja själv och få en möjlighet att hitta något de är intresserade av. Kapitlen om diet och motion och GI kan ge sådana ingångar för eleverna att anknyta till sina egna intressen. När eleverna inte gör syftet till sitt eget, så uteblir med stor sannolikhet djupinlärning. För att eleverna verkligen ska kunna uppnå inlärningsmålet måste även arbetsmetoderna uppfylla vissa krav. De måste vara stimulerande och omväxlande för att upprätthålla motivationen och tillhandahålla olika infallsvinkar i området för att stöda lärandet (Marton, 1997). Kompendiet efterfrågar metoder som stöder aktiv inlärning såsom diskussionsgrupper, försöksgrupper, i form av diskussions och 26
repetitionsfrågor. Arbetsmetoderna kan med fördel kombineras med diskussion i helklass och olika muntliga och skriftliga uppgifter. Man kan tänka sig olika vetenskapliga format för presentation av resultaten såsom föredrag, vetenskaplig publikation eller (vetenskapliga) posters. Den rent kognitiva svårighetsgraden gör det dessutom absolut nödvändigt att eleverna är aktiva hela vägen. Därför är det viktigt att testa materialet i undervisningen och se hur väl det fungerar i praktiken. Kompendiet är en förutsättning och ett första steg, men det behöver testas i undervisningsverkligheten för att vidareutvecklas till ett fungerande verktyg. Det är helt klart att uppnåendet av mål beror på hur undervisningen sist och slutligen utformas. En viktig del av själva utvecklingsprocessen är därför utvärdering och revision av undervisningsenheten som en pågående process. På grund av tidsbegränsningar är resultatet av den viktiga prövnings och utvärderingsfasen inte med i själva examensarbetet. Även analys av resultaten behandlas inte i kompendiet i större utsträckning. Jag behöver samla erfarenhet över hur elever ser på sina resultat och hur de tänker, innan jag kan integrera det i kompendiet. Man kan inte heller förvänta sig att en enda undervisningsenhet kan förmedla komplexiteten av forskningsprocessen utan att det är ett mål som kontinuerligt ska eftersträvas under hela skolgången. Det är först i själva undervisningen som materialet blir levande och där det bestäms om det kan användas för att lyckas med en undervisning som tar in mera autentisk vetenskap in i skolan. 27
5.
Referenser Alters, B. J. (1997) Whose Nature of Science? Journal of Research in Science Teaching, 34, 39‐55. Abd‐El‐Khalick, F., Bell, R. L., & Lederman, N. G. (1998) The nature of science and instructional practice: Making the unnatural natural. Science Education, 82, 417–436. Abd‐El‐Khalick, F. & Lederman N. (2000) Improving Science Teachers' Conceptions of Nature of Science: A Critical Review of the Literature. International Journal of Science Education, 22, 665‐
701. Abd‐El‐Khalick, F., BouJaoude, S., Duschl, R., Lederman, N.G., Mamlok‐Naaman, R., Hofstein, A., Niaz, M., Treagust, D., & Tuan, H. (2004) Inquiry in Science Education: International Perspectives. Science Education, 88, 397‐419. Andersson, B. (2000) Om ämnesdidaktikens natur, kultur och värdegrund. Retrieved 25.September 2008, from Göteborgs universitet, Institutionen för pedagogik och didaktik. Web site: http://na‐serv.did.gu.se/vadadid/vadadidht00.pdf. Boekaerts M. (2001) Motivation learning and instruction. International Encyclopedia of the Social & Behavioral Sciences, Elsevier Science Ltd., 10112‐10117 Charney, J., Hmelo‐Silver ,C., Sofer, W., Neigeborn, L., Coletta, S. & Nemeroff, M. (2007) Cognitive Apprenticeship in Science through Immersion in Laboratory Practices. International Journal of Science Education, 29, 195‐213. Colburn, A. (2004) Focusing labs on the Nature of Science. Science Teacher, 71, 32‐35. Driver, R., Asoko H., Leach, J. Mortimer E & Scott P (1994) Constructing scientific knowledge in the classroom. Educational Researcher, 23, 5‐12. Driver, R., & Leach, J., Millar, R. & Scott, P. (1996) Young People's Images of Science. (Document Reproduction Service No. ED393679) Retrieved October 13, 2008, from ERIC database Duschl, R. (1990) Guiding Science Instruction: The Use of Historical Analyses. (ERIC Document Reproduction Service No. ED325368) Retrieved October 13, 2008, from ERIC database. Duschl, R. & Grandy, R. (2007) Reconsidering the Character and Role of Inquiry in School Science: Analysis of a conference. Science and Education , 16, 141‐166. EU (2004) Towards a European research area science, technology and innovation Key Figures 2003‐04, European Commission, Brussels Ekstig, B. (1990) Undervisa i fysik. Lund: Studentlitteratur. Eskilsson, O., & Helldén, G. (2008) The importance of Science Lab work. Paper presented at the 9th Nordic Research Symposium on Science Education. Gallagher, J.J. (1991). Prospective and practicing secondary school science teachers’ knowledge and beliefs about the philosophy of science. Science Education, 75, 121–133. Geelan, D.R. (1997) Epistemological anarchy and the many forms of constructivism. Science & Education, 6, 15‐28. 28
Gott et al. (1994) Progression in Investigative Work in Science: Procedural and Conceptual Knowledge in Science Project (the PACKS Project), Paper presented at the Annual Meeting of the American Educational Research Association (New Orleans, LA, April, 1994) Gustafsson, B. (2007) Naturvetenskaplig utbildning för demokrati och hållbar utveckling. Högskolan Kalmar. A. Helmke & F.‐W. Schrader (2001) School achievment: cognitive and motivational determinants. International Encyclopedia of the Social & Behavioral Sciences, Elsevier Science Ltd, 13552‐ 13556. Helldén, G., Lindahl, B. & Redfors, A. (2005) Lärande och undervisning i naturvetenskap ‐ En forskningsöversikt. Vetenskapsrådets skriftserie 2005:2 Stockholm: Vetenskapsrådet. Hult, H. (2000) Laborationen ‐ myt och verklighet: En kunskapsöversikt över laborationer inom teknisk och naturvetenskaplig utbildning. CUP:s rapportserie nr 6 mars 2000. Linköping: Linköpings Tryckeri AB. Ibanez‐Orcajo, M. & Martinez‐Aznar, M. (2007) Solving problems in Genetics, Part III: Change in the view of the nature of science. International Journal of Science Education, 29, 747‐769. Kanari, Z., & Millar, R. (2004) Reasoning from Data: How Students Collect and Interpret Data in Science Investigations. Journal of Research in Science Teaching, 41, 748‐769. Kemp, A., (2000) science educators view on the goal of scientific literacy for all, http://eric.ed.gov:80/ERICDocs/data/ericdocs2sql/content_storage_01/0000019b/80/17/1e/
0a.pdf Kuhn, D. (1989). Children and adults as intuitive scientists. Psychological Review, 96, 674‐689. Leach, J . & Scott, P. (2003) Individual and sociocultural views of learning in Science education. Science and Education, 12, 91‐113. Lindahl, B. (2003) Lust att lära naturvetenskap och teknik? En longitudinell studie om vägen till gymnasiet. Göteborg Studies in Educational Sciences, 196. Göteborg, Acta Universitatis Gothoburgensis. Linn, M.C. (2001) Science education. International Encyclopedia of the Social & Behavioral Sciences. Elsevier Science Ltd., 13668‐13673 Lederman N, & Lederman J. (2004) Revising Instruction to Teach Nature of Science. Science Teacher. 71, 36‐39. Matthews, M.R.(1994) Science Teaching: The Role of History and Philosophy of Science, London: Routledge. Matthews, R. (2008) Do we need to change the definition of science? New Scientist, accessed online: http://www.newscientist.com/article/mg19826551.700‐do‐we‐need‐to‐change‐the‐
definition‐of‐science.html Marton, F. (1997) Mot en metvetandetspedagogik ur: Uljens, M. (ed.) (1997) Didaktik, 98‐119, Lund: Studentlitteratur. McCune, V., & Hounsell, D (2005) The development of students’ ways of thinking and practising in three final‐year biology courses. Higher Education, 49, 255‐289. 29
Meyling, H. (1997) How To Change Students' Conceptions of the Epistemology of Science. Science and Education, 6, 397‐416. Millar, R. (1996). Towards a science curriculum for public understanding. School Science Review, 77, 7–18. Moje, E., Collazo, T. Carrillo, R. & Marx, R. (2001) Maestro, what is ’quality’? Language, literacy and discourse in project‐based science. Journal of Research in Science Teaching, 38, 469–498. OECD 2001 Knowledge and skills for life‐ First results from PISA 2000, Paris, OECD, Ogborn, J., Kress, G., Martins, I. & McGillicuddy, K. (1996) Explaining Science in the Classroom. Buckingham: Open University Press Osborne, J.F. & Collins, S. (2000). Pupils’ and parents’ views of the school science curriculum. London: King’s College London. Osborne J, Collins S, Ratcliffe M, Millar R., & Duschl R. (2003) What ”ideas about Science” should be taught in school science? A Delphi study of the expert community. Journal of Research in Science Teaching. 40, 6692‐6720. Ratcliffe, M. & Grace, M. (2003). Science education for citizenship : teaching socio‐scientific issues. Maidenhead: Open University Press. Ryder, J., Leach, J., & Driver R. (1999) Undergraduate science students’ images of science, Journal of Research in Science Teaching, 36, 201‐19. Roberts, R. (2001) Procedural understanding in biology: the 'thinking behind the doing.' Journal of Biological Education, 35, 113‐117. Schwartz, R. S., Lederman N. G., & Crawford, B.A. (2004) Developing views of nature of science in an authentic context: an explicit approach to bridging the gap between nature of science and scientific inquiry, Science Teacher Education, 610‐645. Suchting, W.A. (1995) The Nature of Scientific Thought Science and Education, 4 , 1‐22 . Schwartz, R. (2006) Whats in a word? How word choice can develop (Mis)conceptions about the nature of Science. Science Scope, 31‐47. Sjøberg, S. (2005) Naturvetenskap som allmänbildning – en kritisk ämnesdidaktik. Studentliteratur: Lund. Sjøberg, S. (2007) Constructivism and learning. Baker, E.; McGaw, B. & Peterson P (Eds) (2007) International Encyclopaedia of Education 3rd Edition, Oxford: Elsevier Solomon (1994) The rise and fall of constructivism. Studies in Science education. 23, 1‐19. Slavin, R., Hurley, E., & Chamberlain, A. (2001) Cooperative learning in schools, International Encyclopedia of the Social & Behavioral Sciences, Elsevier Science Ltd., 2756‐2761 O´Donell, A.M (2001) Group processes in the classroom. International Encyclopedia of the Social & Behavioral Sciences, Elsevier Science Ltd, 6413‐6417. Skolverket (2000) Kursplaner och betygskriterier 2000 ‐ 2:a reviderade upplagan 2008 Retrieved from Webpage 31.10.2008: 30
http://www3.skolverket.se/ki03/front.aspx?sprak=SV&ar=0607&infotyp=23&skolform=11&id
=3878&extraId=2087. http://www3.skolverket.se/ki03/front.aspx?sprak=SV&ar=0405&infotyp=16&skolform=21&id
=NK&extraId=1585 Skolverket (1995): Utvärdering av skolan. Skolverket. Stockholm, 1995. SOU 1999:63. Skolverket (1996): Gymnasieelevers problemlösande färdigheter. Stockholm. (Utvärdering av den reformerade gymnasieskolan och den gymnasiala vuxenutbildningen) (Skolverkets rapport; 96) Skolverket (1992) Skola för bildning. Stockholm: Utbildningsdepartementet. SOU 1992:94: Smith, M. & Scharman L. (1998) Defining vs. Describing the Nature of science: a pragmatic aanalysis for classroom teachers and science educators. http://www.d.umn.edu/~bmunson/Courses/Educ5560/readings/Smith99‐NOS.pdf accessed: 4.1.2009 Strand‐Carya, M. & Klahr, D. (2008) Developing elementary science skills: Instructional effectiveness and path independence. Cognitive Development, 23, 488‐511. Vygotsky, L.S. (1978) Mind and society: The development of higher psychological processes. Cambridge, MA: Harvard University Press. Wickman, P.‐O., & Östman, L. (2002) Learning as discourse change: A socioculturalmechanism. Science Education, 86, 601‐623. Wickman, P.O. & Östman, L. (2002a): Induction as an empirical problem: how students generalize during practical work. International Journal of Science Education 24, 465–486. Windschitl M. (2004) Folk Theories of inquiry: ”How preservice teachers reproduce the discourse and practices of an atheoretical scientific method. Journal of Research in Science Teaching, 41, 481‐512. Zohar and Peled, B. (2008) The effects of explicit teaching of metastrategic knowledge on low and high achieving students. Learning and Instruction, 18, 337‐353. 31
6.
Bilagor: Kompendiet 32
Hur ska man använda kompendiet? Kompendiet består av två huvuddelar: Experimentella delen: här hittar ni praktiska anvisningar hur ni ska genomföra mätningarna, och mycket praktisk information vad man ska tänka på när man planerar och genomför sina mätningar. Det finns också lite bakgrundsteori som man behöver för att kunna sätta igång med experimenteringen. Det här är den mest viktiga delen för själva planeringen. Ni hittar också repetitionsfrågor, diskussionsfrågor och uppgifter, som hjälper att jobba med materialet. Teoridelen: Det finns en mera omfattande faktadel som ska hjälpa er att sätta er in i teorin man behöver för att sätta in experiment i ett större sammanhang. Den hjälper att förstå och förklara sina experiment. När ni hittar ett ord som är understruket, så finns det en extra faktadel för detta. Faktadelen är inte tänkt att pluggas in, utan är en utgångspunkt för experimenteringen. Ni kommer inte att använda alla delar, utan kan plocka fram de delar som är viktiga för er egen undersökning. Teoridelen innehåller också repetitionsfrågor, diskussionsfrågor och uppgifter. Repetitionsfrågor visar vad ni behöver som bakgrundskunskap. Om ni inte kan besvara en repetitionsfråga kan det vara en bra idé att göra en kort repetition av innehållet. Diskussionsfrågor flaggar: ”här finns det någonting att fundera på”. Det är viktigt att ni diskuterar mycket under hela undervisningssekvensen. När man tillsammans går genom en viss fråga blir det enklare att förstå sammanhang. Dessutom blir det mycket roligare. Frågorna ska också göra det enklare att knyta ihop relevant information. Uppgifter: ni kommer att få olika uppgifter som t.ex. att konstruera en försöksmall. De flesta uppgifter är gruppuppgifter. Ni kommer att få information under lektionstimmarna vilka avsnitt ni ska gå genom till nästa lektion. Kursens Syfte Experimentserien som ni ska genomföra bygger på blodsockermätningar med er själva som undersökningsobjekt. Själva syftet är att lära sig mera om forskningsprocessen inom biologin. Hur går det till när man planerar ett experiment? Vad behöver man tänka på? Hur kan man utveckla en forskningsfråga? Det går ofta enklast att lära sig en process genom att själv göra den. Samtidigt är det viktigt att fundera på vad man gör och varför man gör det. Det har jag försökt att göra mera synligt i kompendiet. Man kan naturligtvis också bara sätta igång och experimentera, och sedan försöka hitta en förklaring efteråt. Rätt så mycket forskning görs faktiskt på det sättet, men resultaten blir mestadels bara tråkiga.. Metoden ni kommer att använda är blodsockermätningar med hjälp av en blodsockermätare för hemmabruk. Varför kan det vara spännande att mäta sitt eget blodsocker? Det är ju bara folk med diabetes som måste göra det? Blodsockerregleringen är en central del av vår metabolism. Den stränga kontrollen den utsätts för tyder redan på att den är väldigt viktigt för kroppen. Du kan känna av när ditt blodsocker sjunker: du blir hungrig, grinig, trött och tappar koncentrationsförmågan. När man får för högt blodsocker, så får det allvarliga konsekvenser för hälsan. Blodsockersvaret skiljer sig mellan olika individer, och det betyder att du inte kan veta på förhand hur din egen kropp kommer att reagera. Det skulle vara kul om ni hittar någonting som känns intressant och relevant för er själva. Jag har försökt att ge lite idéer på vad man kan göra. Det finns egentligen hur mycket som helst man kan komma på och jag hoppas att ni hittar någonting som känns spännande att undersöka. 2
Experimentella delen Vad är egentligen blodsocker? Glukos är den primära energin för kroppens alla celler. Andra sockerarter vi äter regelbundet som t.ex. galaktos och fruktos måste först omvandlas till glukos i levern. När vi pratar om blodsocker så menar vi egentligen glukos som är fritt löst i vårt blod. Det finns alltså inte några proteiner som hjälper med transporten, som t.ex. hemoglobin som binder syret för transport, utan sockret är löst som i en läskedryck. Skillnaden är att blodsockerkoncentrationen är mycket lägre än i en läsk: 10‐20g socker/100ml i läsk vs. runt 90mg/100ml i blod. Blodsockerkoncentrationen uttrycker man vanligtvis i mmol/l (mM) eller i mg/100ml. Mätaren använder mmol/l, men vanligtvis kan man byta mellan enheterna. Man kan lätt räkna om mellan båda enheterna när man vet att Glukos har en molekylmassa av 180g/mol. Kroppen försöker hålla blodsockerkoncentrationen mellan 4 till 6mM . Efter måltiderna kan den stiga till 7‐8 mM under en kortare tidsperiod även i friska individer. Den totala mängden av blodsocker som cirkulerar i vårt blodsystem är alltså inte högre än runt 5g1, vilket motsvarar mindre än en tesked socker! Repetition: Vad betyder det att en lösning är 1M? Vad är sambandet mellan molekylvikt och molaritet i lösning? Var hittar man informationen om molekylvikt? Räkna ut: Ditt blodsocker stiger från 5mM till 7.5 mM. Hur många gram blodsocker motsvarar ökningen? Antar att du har en blodvolym på 4.5l. Vad är en normal blodsockernivå? Om man jämför med mängden kolhydrat som vi äter dagligen, som ligger runt 300g till 500g per dygn, så ser vi att blodsockerregulationen verkligen måste fungera väldigt bra. När blodsockerkoncentrationen sjunker under 3.3mM så pratar vi om hypoglykemi. Eftersom vår hjärna är beroende av glukos som viktigaste energikälla får vi obehagliga symptom när blodsockret sjunker. Kanske är du känslig för låg blodsocker och har känt 1 (blodvolym 5l blodglukos 5.5mM) 3
några av följande symptom. Många av oss blir riktigt griniga och sura när blodsockret sjunker. Vi känner oss yra, svaga och skakiga. Dessutom blir vi hungriga och längtar då ofta efter någonting sött. Stiger blodsockret till över 10 ‐ 11mM, så pratar vi istället om hyperglykemi och man får diagnosen: diabetes. Om blodsockret hamnar någonstans mellan 7.5 till 10mM efter en måltid, talar vi ofta om nedsatt glukostolerans. Det ses ofta som ett varningstecken, för man har större risk att utveckla diabetes längre fram i livet. Diabetes typ 1 och typ 2 är två viktiga sjukdomar, där regulationen av blodsockret inte fungerar längre och kännetecknas av för högt blodsocker. Diskutera: Har du haft låg blodsocker själv? När? Blir du sugen efter någonting sött på eftermiddagen? Kan du hittar något samband med måltiden du åt innan? Hur fungerar blodsockerregleringen? Som vi har beskrivit tidigare, så måste kroppen hålla blodglukoskoncentrationen inom ett väldigt begränsat intervall, annars blir vi sjuka. Blodsockret ska hållas jämt oberoende om vi nyss har ätit eller inte. Hur gör kroppen? Blodsockret regleras i stort sätt genom två hormonella system som höjer respektive sänker blodglukosen. Det viktigaste hormonet som sänker vårt blodsocker är hormonet insulin. Först tittar vi på vad som händer i kroppen när vi just har ätit. Du kan också titta på kapitlet matsmältning, där jag beskriver processen lite mera utförligt Glukos tas upp genom tunntarmen in i portådersystemet där en del går till levern och en del till den allmänna blodcirkulationen. Kroppen börjar med detsamma att utsöndra hormonet insulin när vi äter och blodsockret börjar stiga. Ju mera blodsockret stiger, desto mer öka insulinutsöndringen. Figur 1 visar hur tätt blodsocker‐ och insulinkurvorna följer varandra. Observera också att båda visa en diurnal rytm (dygnsrytm). Insulin gör att levern och musklerna börjar lagra glukos i form av glykogen och att cellerna primärt använder glukosen som finns i blodet. Samtidigt blockeras 4
nyproduktion av glukos i levern. Efter några timmar har all glukos ur maten tagits upp och blodsockret börjar sjunka. När blodsockerkoncentrationen sjunker, sjunker också insulinfrisättningen. De flesta celler i kroppen kan också förbränna fett, och byter till fettförbränning när insulinkoncentrationen sjunker och glukos inte mera finns tillgängligt, men nervceller och hjärnan behöver konstant tillgång till glukos. Hjärnan är en stor sockerförbrukare och behöver ca 120g glukos per dag. Även i vila förbrukar hjärnan ca 0.1g glukos per minut. Mellan måltiderna, för att undvika att blodets glukoshalt sjunker för lågt måste kroppen frisätta glukos ur sina kroppsegna reserver: glykogen som finns lagrat i levern2. Bukspottskörteln börjar utsöndra hormonet glukagon när blodsockerkoncentrationen sjunker. Glukagon stimulerar nedbrytning av glykogen i levern och tillhör tillsammans med adrenalin, noradrenalin och kortisol till gruppen av nedbrytande (katabola) hormoner som gör att blodsockerkoncentrationen stiger. 2 Kroppen kan bara använda leverglykogen för att öka blodsockernivån. Muskelglykogen kan bara användas ”lokalt” av musklena men inte frisättas i blodet 5
Fig. 1 (Wikipedia3) Variationer i glukostoleransen, insulinutsöndring och fettmetabolism under ett dygn. Övs: Starch rich food: stärkelserik mat, Sucrose rich food:sockerrik mat (suckrose är vanligt hushållssocker) Repetition: Vad är ett hormon? Ger exempler på hormoner i kroppen Kan du ger exempel på diurnala rytm vi människor ha? Uppgift: titta gemensamt på kurvan i Fig. 1. Försök att läsa ut så mycket information som möjligt. Försök att förklara till varandra. 3 http://en.wikipedia.org/wiki/Blood_sugar 6
Hur mäter man sitt blodsocker? Idag är det enkelt att mäta sitt eget blodsocker med hjälp av en blodsockermätare. Blodsockermätare har utvecklats så att diabetiker enkelt ska kunna kolla blodsockret hemma. Mätsystemet består av tre komponenter: 1. Blodsockermätaren 2. Glukostestremsor 3. Blodprovtagare med tillhörande lancetter Innan du sätter igång: Börjar med att läsa genom bruksanvisningen för din egen blodsockermätare, glukostestremsor och blodprovstagare. Ofta behöver man genomföra en kalibrering innan man använder en ny förpackning av glukostestremsor. Hur man gör beskrivs i bruksanvisningen som kommer tillsammans med testremsorna. Rengör dina fingrar innan du sätter igång. Du kan använda en bomullstuss med desinfektionsmedel, eller bara tvätta dina händer med varmt vatten och tvål. Torka noggrant. Sätt igång med mätningen 1. Börja mätningen med att sätta in en ny lancett i blodprovstagaren, spänna den, och ställa in stickdjupet. Man använder en ny lancett för varje mätning. 2. Ta en ny glukostestremsa och sätt den in i mätaren. Mätaren visar nu att du kan sätta blod på elektroden 3. Håll blodprovstagaren pressat mot ditt finger och tryck på avfyringsknappen. Tips: det gör mindre ont om du använda fingertoppernas sida. Fingrarna blir lite ömma när du sticker dig väldigt ofta under en längre tid 4. Kläm försiktigt på fingret tills du har en liten rund bloddroppe på din fingerspets. Undvik att klämma för hårt och smeta ut bloddroppen 5. Håll blodet mot stickans överkant. Du behöver inte röra elektroden med fingertoppen för droppen sugs in via stickans kapillärkraft 6. Väntar tills det lilla fönstret är fyllt 7. Mätaren börjar nu automatiskt att räkna ner och visa mätresultatet 8. Den visar mätresultatet vanligtvis i mmol/l (mM) 9. Skriv ner ditt resultat 10. Ta ut den gamla testremsan och lancetten och kasta dem i specialavfall 7
Säkerhet: Det är viktigt att du hanterar allt som har kommit i kontakt med ditt blod själv. Ta alltid själv bort den gamla lancetten och kasta den in i en behållare för specialavfall. Välj en behållare i glas eller hårdplast och inga plastpåsar. Kasta också använda testremsor in i behållaren och allt som har kommit i kontakt med din blod. Viktigt om mätaren och mätningen: Blodsockermätare är utvecklade för hemmabruk och kan därför skilja sig omkring 10% från värden du skulle har uppmätt i ett kliniskt laboratorium. Det innebär också att det finns en skillnad mellan olika mätare. Eftersom en enskild mätare har samma mätfel varje gång spelar det inte så stor roll i praktiken när du ska jämföra testresultat inom din studie. Det är därför viktigt att du använder samma mätare varje gång du mäter!! För att få en känsla om hur mycket era olika mätare skiljer sig åt skulle jag rekommendera följande procedur. •
Markera alla mätare tydligt, så att märkningen inte kan ramla av eller försvinna under försöksperioden. •
Alla i försöksgruppen ska genomföra en mätning med varje blodsockermätare som finns. Om ni har fler än kanske 5 blodsockermätare, räcker det att varje person testar kanske 5 mätare. Skriv upp alla resultat för alla personer i en tabell. Ni borde se en systematiskt variation mellan mätarna, dvs. det är en mätare som alltid ger de högsta värdena osv. •
Det kommer att blir mycket enklare att jämföra resultat som man fick fram med olika mätare . •
Viktigt är naturligtvis att genomföra testmätningen med stabilt blodsocker, helst på morgonen innan ni har ätit, så att ni kan utesluta att ert blodsocker förändras medan ni testar alla mätare. Uppgift: Läs genom bruksanvisningar för mätare, testremsor och blodprovstagare. Gör en testmätning för att bli bekant med utrustningen. Jämför era resultat med varandra. 8
Hur planerar jag ett experiment? Introduktion till försöksplanering Experimentplanering är mera komplext än man först tror. Det tar faktiskt rätt så många år innan man blir riktigt bra på det. Det beror på att man måste ta hänsyn till många olika saker, både praktiska och teoretiska, för att få fram bra resultat. Det lönar sig därför att sätta tillräckligt mycket tid på planeringen. Det har många fördelar att jobba i en försöksgrupp. Ni kan diskutera och planera tillsammans, jämföra era resultat och göra gemensamma försöksprotokoll och mallar. Själva diskussionen runt planering i din försöksgrupp är det absolut viktigaste momentet i experimentserien, och det där du kommer att lära dig mest. Avsnittet som följer nedan innehåller mycket information som kan vara svår att ta till sig på en gång. Sitt gärna i grupp och diskutera! Det är en myt att forskare jobbar ensamma. De flesta jobbar i team, och det viktigaste är att ha tillgång till kolleger att diskutera och ha roligt med. Resultaten ska vara spännande för dig, och därför ska du försöka komma på en undersökningsfråga som är relevant för dig. Man börjar vanligtvis med att läsa in sig i ett forskningsområde. Det finns några viktiga anledningar till att göra det, även om det känns tråkigt och man helst skulle vilja sätta igång och experimentera med detsamma; •
Man vill identifiera en spännande undersökningsfråga •
Man måste lära sig lite teori för att kunna förklara och analysera sina resultat •
Man bygger på det som har gjorts tidigare I skolarbetet använder man ofta laborationer för att förklara ett visst fenomen och ofta vet man från början vilka resultat som ska komma fram. I det här fallet kommer vi att göra riktiga experiment där vi inte på förhand vet utfallet. Diskutera: Vad tycker du är skillnaden mellan laborationer i skolan och ”riktig” forskning? Ska man pröva att göra forskning i skolan? 9
Mätsystem och variabler Att göra ett experiment går egentligen ut på att konstruera ett mätsystem där man sytematiskt kan förändra en variabel medan man håller alla andra variabler konstanta. Man kan då mäta effekten av variabeln på systemet. Ju enklare systemet man använder som mätsystem är, desto enklare går det att kontrollera alla variabler. Tänk på en enzymreaktion som man genomför i ett provrör. Där är det enkelt att kontrollera viktiga variabler som pH, temperatur, enzym och substratkoncentration. Om vårt mätsystem blir mera komplex, som en hel cell, en hel organism eller t.o.m. ett helt ekosystem, så blir variablerna fler och deras beroende av varandra mer och mer komplext. Ofta vet vi inte ens riktigt vilka alla variabler är. Det betyder att samband mellan variabeln och resultatet blir mer och mer komplext och svårare att förstå. En relevant fråga man alltid måste ställa sig är: ”kan mina resultat svara på den forskningsfråga jag har ställt” eller ”stöder mina resultat verkligen det jag påstår de gör”? Viktigt är att man gör klart för sig skillnaden mellan mätsystem och mätmetod. Mätmetoden är blodsockermätning med blodsockermätare. Mätmetoden är väldigt enkel att genomföra. Vårt mätsystem är vår egen kropp. Vi kan föreställa oss den som någon sorts black box (svart låda). Vi stoppar in mat på den ena sidan – vanligtvis i munnen och får ut en mätning på andra sidan – i det här fallet en blodsockermätning. Vad som händer emellan, vilka faktorer som bestämmer blodsockersvaret, har vi i första hand ingen aning om. Men hur kan man då överhuvudtaget säga någonting om sina resultat? Till hjälp kommer alla de andra forskarna som har jobbat med liknande frågor. Man börjar alltså inte från noll, utan bygger på resultat som redan finns inom forskningen. För att göra det lite enklare och snabbare hittar ni en sammanfattning av viktiga faktorer för blodsockersvaret under kapitlet GI. Jag kommer först att beskriva lite mera allmänt vad du ska tänka på när vill göra din egen liten studie, t.ex. för att undersöka skillnaden i blodsockersvaret mellan dina favoritfrukostflingor eller vad som händer när du äter ditt favoritgodis till lunch. Eller hur blodsockersvaret förändras när man låter vissa livsmedel kallna innan man äter dem. En annan möjlighet är att du är mera intresserad av hur din kropp egentligen fungerar till vardags och hur din egen blodsockerreglering fungerar. Det kan också vara 10
spännande för dig som tränar mycket att se hur du kan använda mätningarna och GI (glykemisk index)konceptet för att förbättra träningsresultat. Eller vad som händer med kroppen när du gör Atkins‐ eller South beach diet. Det är alltså dina egna specifika frågor som bestämmer hur experimentserien ska byggas upp. Uppgift: Kan du rita en bild som illustrerar black box idén? Diskutera i grupp. Välja ut några frågor. Vad vet du om glykemisk index. Har du själv använd den? Vad är den bra för? Var har ni läst om glykemisk index? Har du någon gång försökt dig på en diet? Vad hände? Träna du mycket? Vilka målsättningar har du? Försöker du att förbättra dina resultat genom att äta rätt mat? Kontrollexperiment Ett centraltelement i all experimentering är att göra rätt sorts kontroll. Det är en sorts försäkring som man bygger in för att säkra att resultaten man ser verkligen beror på det man tänker sig att de gör. Exempel: Vi har en substans som förststärker en viss reaktion, en enzymreaktion som vi kan göra i ett provrör. Förutom de egentliga experimenten där man undersöker förstärkningen skulle man vanligtvis köra två kontrollexperiment. Man skulle göra experimentet utan den aktiva substansen och borde då inte se förstärkningen av reaktionen. Sedan kunde man försöka använda en hämmande substans som blockerar effekten av den förstärkande substansen. Ofta finns det väldigt specifika hämmande substanser (inhibitorer) som blockerar bara en enda specifik reaktion. När vi jobbar med kroppen (en black box modell) går det naturligtvis inte lika enkelt att göra ett bra kontrollexperiment. Det finns så många variabler som har betydelse och som vi inte kan kontrollera, utan kanske kommer att ändra på samtidigt. Vad man gör istället är att man försöker standardisera experimentet i så stor utsträckning som möjligt. Det betyder att man i så stor utsträckning som möjligt försöker göra precis samma sak varje gång man gör ett experiment. En beskrivning över hur man gör när man mäter GI kan du hitta i kapitlet om glykemisk index i teoridelen. 11
När man vill göra mera fysiologiska undersökningar kan man naturligtvis inte använda sig av en så standardiserad metod. En vanlig måltid består nämligen inte av 50g kolhydrat i form av ett enstaka livsmedel (om du inte har godis till lunch). Också då är det viktigt att se vad man måste göra likadant för att senare kunna analysera sina resultat. Mätmetoder och mätfel Varje mätmetod har sina egna begränsningar och sina egna fel. Mätfel i det här fallet har två huvudkomponenter. Din mätare mäter inte riktigt lika precist som en laboratoriemetod. Den kan visa värden som ligger (maximalt) 10% för högt eller för lågt. Eftersom den alltid visar för högt eller för lågt spelar det mindre roll än man tror, för mestadels är det jämförelsen av resultat och den relativa skillnaden mellan dem som är det viktiga i den här typen av experiment. Det finns ett viktigt undantag: detta gäller inte om man byter mätare mitt i en experimentserie, mellan olika mätningar. Om du genomför proceduren som jag beskriver på sidan 7, så kan du få en känsla för skillnaden mellan olika mätare. När du upprepar en mätning tre gånger borde den visa samma resultat alla tre gånger om mätprecisionen är bra. När den visar olika resultat borde man alltid genomföra flera mätningar och ta genomsnittet. Problemet är bara att när du genomför mätningen efter en måltid så förändras blodsockret så snabbt att du inte kan skilja åt mellan verkliga blodsockerförändringar och ”mätfel”. Då gäller det att nöja sig med en mätning. Enligt mina egna erfarenheter är mätprecisionen tillräckligt bra också när man mäter bara en gång för att få fungerande resultat för de experiment som beskrivs här. Det är också viktigt här att skilja mellan de mätfel som beror på själva mätmetoden och dem som uppkommer genom den principiella svårigheten att kontrollera ditt mätsystem. Om t.ex. din kompis och du ser stora skillnader i era blodsockersvar i samma experiment så är det inte på grund av mätfel, utan på grund av individuella skillnader. Era svarta lådor fungerar helt enkelt annorlunda. 12
Hur man utvecklar ett försöksprotokoll Första steget i att ta kontroll över dina experiment är att du skapar ett standardiserat försöksprotokoll. Det betyder att man i så stor utsträckning försöker göra samma sak varje gång och att man antecknar samma information varje gång. Det innebär att du måste har klart för dig vilken information man kommer att behöva när du senare ska utvärdera sina resultat. Ett bra tips är att först göra en ”låtsasbild” av dina troligaste resultat som första steg i planeringen. Vilka faktorer kan vi kontrollera när vi mäter vårt blodsocker? 1) Kontroll av kolhydratmängden När man vill jämföra blodsockersvaret mellan olika livsmedel är det viktigt att man äter samma mängd kolhydrater vid varje tillfälle. Annars kan man inte skilja om en skillnad beror på en mängdskillnad eller om det verkligen handlar om olika egenskaper hos själva livsmedlet. När man bestämmer t.ex. GI (glykemiskt index) i en vetenskaplig undersökning, äter försökspersoner alltid en livsmedelsmängd som motsvarar 50g tillgängliga kolhydrater. Vad menar man? Livsmedel innehåller olika mängder kolhydrater per 100g vikt. Kokt potatis innehåller t.ex. runt 15g kolhydrat per 100g. För att få i sig 50g kolhydrat borde man alltså äta 330g potatis. Bröd innehåller runt 40g kolhydrater per 100g, så 50g kolhydrat skulle motsvara omkring 125g bröd. Det kan vara lite tråkigt att behöva äta så mycket potatis för att få i sig 50g kolhydrater. När man vet vilka livsmedel man vill testa kan man räkna ut hur mycket av ett visst livsmedel man ska äta. Ser man att det blir lite för mycket potatis, så bestämmer man kanske i förväg att man genomför hela försöksserien med mindre kolhydratmängder. Man ska däremot inte gå under 25g kolhydrat per testmåltid. När man köper förpackade livsmedel så står andelen kolhydrat per 100g i innehållsdeklarationen på förpackningen. Vanliga näringslistor (kaloritabeller) innehåller vanligen samma information. Man kan också med fördel använda sig av en dietvåg, där livsmedlens näringsinnehåll är inprogrammerad så att man precis kan läsa av innehållet. Läs mera i kapitlet om glykemiskt index. 13
Uppgift: Titta hemma på olika livsmedel. Ta tre olika livsmedel och räkna ut hur mycket du måste äta för att få i dig 50g kolhydrat. Hur mycket fett och protein äter du samtidigt. Ta med resultat till nästa lektion. 2) Enstaka livsmedel eller sammansatta måltider Det är stor skillnad om man äter ett kolhydratrikt livsmedel åt gången, eller om man äter en hel sammansatt måltid. Det beror på att fett och protein har stort inflytande på blodsockersvaret. Problemet är bara att olika sorters proteiner och olika sorters fetter kan ha olika effekter. Forskningen har visat att det är väldigt svårt att förutse vilka effekter vissa livsmedelkombinationer ha på blodsockret. Det beror på att det finns olika mekanismer som verkar i olika riktningar. En del av de mekanismer man har hittat beskriver jag i kapitlet om glykemiskt index. Fördelen med enstaka livsmedel är att resultaten är mycket enklare att analysera. Det är relevant när du ska ha bästa möjliga kontroll över försökssituationen. När du är mera intresserad av hur din kropp fungerar i det verkliga livet är det mera relevant att bygga experimenten runt kompletta måltider. Då måste man istället väga livsmedlen och skriva upp så detaljerat som möjligt vad man har ätit. Det är också viktigt här att du väger din mat och bestämmer hur mycket kolhydrat, fett och protein din måltid innehåller. Kanske kan man t.o.m. föra en kostdagbok under tiden för att se om man hittar samband med andra faktorer som motion eller kosten man åt tidigare. 3) Diurnal rytm av blodsockerkurvan Blodsockersvaret varierar med tid på dygnet (se figur 1). När du äter en viss måltid på morgonen och sedan äter samma måltid igen senare på dagen, så kommer antagligen blodsockersvaret att se annorlunda ut. Av den anledningen utför man blodsockermätningen ofta på morgonen efter att man har bara druckit vatten i 8‐12h dvs. ”på fastande mage”. Då minimerar man variationerna. Det betyder om du vill jämföra två olika livsmedel kan du inte utföra experiment vid olika tid av dagen. 4) Mätningstid och mätningslängd Fundera lite i förväg över hur länge och hur ofta du ska mäta. Det historiska standardvärdet är ofta 2h, men det kan finnas skäl att göra både kortare och längre 14
mätningar. Maximala glukosvärden uppnås mestadels redan efter 60‐90 min och vanligtvis ta det längre än två timmar innan värdena går tillbaka till fastenivå. Så om man vill veta maxvärdet behöver man inte hålla på i två timmar, och om man vill se en komplett kurva, räcker det inte med två timmar. Man mäter ofta med 15 min eller 30 minuters mellanrum. Det kan vara en fördel om man i början lägger mätningarna lite tätare, för att bättre se snabba förändringar. 5) Representation av mätdata Det är enklast att representera resultat i form av en kurva, som i Fig. x och x. Man ska vara medveten om att man egentligen inte vet någonting om hur kurvan ser ut mellan mätvärdena. När vi ritar en mätkurva av våra resultat, så dra vi oftast en kurva genom de olika mätpunkterna. Vi extrapolerar våra resultat. Det är ju också sannolikt att blodglukosen förändras gradvis och inte hoppar vilt omkring mellan olika mätpunkter. Men när vi förbinder mätpunkter runt vårt maxvärde, så vet vi naturligtvis inte exakt när maxvärdet uppnås. Det ligger sannolikt mellan mätpunkterna som ligger runt maxvärdet. Ju oftare vi mäter, desto mera liknar våra mätresultat den äkta glukoskurvan. 6) Måltidsdryck Vad dricker du med maten och hur mycket? Det går sällan riktigt bra att äta t.ex. flera skivor vitt bröd utan att dricka något. Måltidsdrycker som mjölk, läsk eller saft kommer att ha en egen effekt på blodsockerkurvan och därför använder man mestadels bara vatten som måltidsdryck. Mängden vatten man dricker späder ut kolhydraterna man äter och förändrar tiden maten är i magsäcken. Mängden vatten har därför effekt på blodsockerkurvan. Därför ska man även standardisera mängden vatten man dricker med en testmåltid. 200 till 300 ml kan vara en bra mängd. Det finns alltså rätt så mycket man behöver tänker på när man konstruera sitt försöksprotokoll. Men alla faktorer är inte bara en begränsning, utan kan tvärtom utnyttjas när man vill formulera en spännande forskningsfråga. Man kunde till exempel undersöka hur samma livsmedel verkar på blodsockeret när man äter det i olika (kända) mängder. Finns det bara kvantitativa skillnader eller också kvalitativa skillnader t.ex. i tidsförlopp. Vad händer om jag äter samma måltid frukost, lunch och middag? Det kan till exempel hända att man ser stora skillnader mellan snabba och långsamma kolhydrater vid frukost, men inte till lunch. 15
Man kan också undersöka vilken betydelse sammansättningen frukosten som man äter har för blodsockret efter att man ätit lunch. Viktigt är att du bestämmer i förväg hur du ska lägga upp alla experiment. Det kan finnas skäl att förändra protokollen under själva experimentserien, men det är säkrast att undvika det. Förslag på vad man kan undersöka •
Vad händer med ditt blodsocker under dagen när du hoppar över din frukost? •
När du äter dina favoritfrukostflingor med juice •
När du varierar frukosten men äter samma lunch •
Du kan undersöka hur blodsockret förändras under ett hårt träningspass beroende på vad du har ätit innan •
Du kan bara följa ditt eget blodsocker under dagen när du äter vad du vanligtvis äter medan du för kostanteckningar •
Hur länge har man förhöjt blodsocker efter en måltid •
Om din experimentmåltid är en annan tid på dagen än på morgonen kunde det vara en bra idé att äta en standardiserad frukost på experimentdagen. •
Träningsdag mot icketräningsdag Diskussionsuppgift Brainstorming i helklass eller mindre grupper. Försök att komma på fler idéer. Gör en lista. Är det någonting som verkar spännande? Det är en bra tid att komma överens om försöksgrupper. Det är enklast att jobba i grupper med 45 deltagare. Man kan helt klart också göra sina egna experiment, eller har en supergrupp av 10 deltagare som gör samma experiment. Gruppgift: Skriv ner en försöksfråga. Vilka av de ovanstående faktorerna måste ni ta hänsyn till? Vilka är inte så viktiga för er grupp? Gör en preliminär försöksplanering, där ni beskriver så exakt som möjligt hur ni tänker lägga upp försöket? Hemuppgift: läs genom de delar av teorin som är relevanta för din försöksfråga 16
Hur man för ett försöksprotokoll En annan viktig sak är att föra så noggranna anteckningar som möjligt under själva experimentet. Man säger att man för ett experimentellt protokoll. Det är nästan omöjligt att anteckna för mycket, och ofta märka man efteråt att man saknar viktig information som man inte skrev ner eller som man t.ex. tänkte att man skulle komma ihåg för att man alltid gjorde likadant. Vad ska man skriva man ner? Det beror naturligtvis på försöksfrågan och kanske är inte all information relevant eller kanske behöver du någon ytterligare information som jag inte har nämnt. •
Datum, tid, mätare man använder •
Själva mätresultatet: tid och mätvärde •
Vad de olika födoämnena innehåller: mängd kolhydrat, protein, fett. Om du har en innehållsdeklaration, kan du få informationen därifrån •
Mängden kolhydrat, protein, fett som du ätit •
Beskriv vad du äter så specifikt som möjligt; t.ex. inte bara vitt bröd utan vilken typ av vitt bröd, vilken typ pasta, ris osv. •
Hur måltiden har tillretts. T.ex. kan man koka pasta al dente eller mjuk, så i det fallet kan man anteckna koktiden. •
När du äter •
Vad du har ätit innan •
Vad och hur mycket du dricker till testmåltiden Uppgift: utveckla en mall som du kan använda för alla experiment i din försöksgrupp. Jämför med lösningar andra grupper har kommit fram. Du får gärna ta över bra idéer andra har haft! Exempel på försöksplaneringar: Förändring av blodsockersvaret när man låter vissa livsmedel kallna: varm mot kall potatis Effekten som ska testas: det har visat sig att vissa livsmedel bilda så kallad resistent stärkelse när de kallnar. Det gäller för t.ex. potatis, ris och pasta. Man vill bestämma hur mycket blodsockersvaret förändras när man äter potatis som man låtit kallna. 17
Försökskonstruktion: 50g kolhydrat äts på morgonen efter en fasta över natten (overnightfast4). För potatis motsvarar det en testmåltid av 330g tillredd potatis. Testmåltiden ska ätas inom 5 minuter. Man får dricka ett glas vatten (200ml) till försöksmåltiden. Potatisen förvaras i kylskåp och samma experiment upprepas nästa morgon med exakt samma försöksprotokoll. Det bör vara ok att värma upp potatisen innan man äter den. Praktiska problem: När ska man koka potatisen? Den ska ju inte kallna innan man äter den. Man får kanske tillbringa lite tid i köket på morgonen dag . Mätning: En blodsockermätning tas innan man äter och sedan var 15:e min i 2 timmar. Försökskonstruktionen bygger på hur man skall mäta GI för vissa livsmedel. Det kan vara bra att utföra experimentet i försöksgrupp där flera utför samma experiment samtidigt. Man kan bygga ut försöket genom att först testa 50g vitt bröd som referens, då kunde du teoretiskt även genomföra din egen GI mätning. Man kan t.ex. bestämma GI genom att rita upp kurvan för vitt bröd och potatis, klippa ut arean under kurvan till 2h värde, väga pappret. Sätt vitt bröd kurvan till 100% och bestäm %. Man kunde utbygga experimentet och införa en tredje dag, där man tillreder potatisen med vinäger och olja och ser hur blodsockerkurvan förändras. Bestäm fettmängden och pH. Både pH och fetthalten borde sänka måltidens GI ytterligare. Protokoll: Datum, tid, mätare du använder, själva mätresultatet: tid och mätvärde, mängd potatis, g kolhydrat, typ potatis, koktid, tid du äter, hur lång tid det tar, vad och hur mycket du dricker till testmåltiden Blodsockermätning efter mat med högt GI: långtidsmätning Man kan observera att blodsockret faller under fastevärdet 2 till 3 timmar efter att man har ätit större mängder snabba kolhydrater. Obs: det är inte alla personer som visar effekten Försökskonstruktion 4 Det innebär att man få dricka vatten, men inte t.ex Kaffe på morgonen eftersom koffein stimulerar insulinfrisättning. 18
Kolla upp livsmedels GI med hjälp av GI tabeller och väljer ett livsmedel med högt GI5 Räkna ut mängden livsmedel som motsvarar 50g kolhydrat. Bestäm ditt fastevärde. Ät testmåltiden till frukost och genomför en långtidsmätning (3‐4h) med mätningar var 15:e min. Måltiden ska intas inom 5 minuter med 200ml vatten. Variationer: Ät samma mängd godis vid olika tider av dagen. Ät bara 30g. Ät olika mängder. Observera skillnader i blodsockerkurvans förlopp. Protokoll: Datum, tid, mätare du använder, själva mätresultatet: tid och mätvärde, livsmedel (g), mängd kolhydrat (g), GI tabellvärde, tillberedning, tidpunkt för måltiden, hur lång tid det tar, vad och hur mycket du dricker till testmåltiden Innan ni sätter igång på riktigt: •
Ni borde nu ha en uppfattning om vad ni ska göra under era experiment. •
Ni har en experimentell planering och en försöksmall i handen. Innan ni sätter igång är det bra att sitta ner en sista gång för att kolla upp om planeringen håller. Det kan vara en bra idé att läsa genom kompendiet en gång till. Ni kan fundera på följande kontrollfrågor: •
Fundera på kontroll. Har ni planerat in några referensmätningar? Vad är variabeln ni är intresserad av? Vilka är variablerna ni vill hålla kontrollerade? •
Ska ni jämföra era resultat inom gruppen? Är experimentprotokollets utformning så att ni kan jämföra era resultat? •
Mäter ni tillräckligt långt och tillräckligt ofta? •
Det finns alltid massvis av praktiska detaljer att fundera på: •
Finns det tillräckligt mycket med blodsockermätare när ni vill mäta? Kolla upp med de andra grupperna. •
Passar längden av dina planerade mätningar in i ditt schema? •
Behöver du låna hem en mätare någon gång? •
Vem ska handla? •
Var ska man laga sin mat? •
Har ni en bra våg till förfogande? 5 http://www.paulun.se/p2.asp?idCategory=460 19
•
Skriver alla ner sina egna resultat och är det någon som tar hand om alla resultat? Sätt ingång Lycka till, Gabriela
20
Teoridelen Kolhydratförbränningen Vad menar vi egentligen när vi pratar om ”förbränning” av kolhydrater i kroppen? Först ska vi se på ”vanlig” förbränning av ved (som ju består mestadels av cellulosa, som är uppbyggt av sockermolekyler). När man bränner 1 mol ved får man vatten, koldioxid och 2870kJ i form av värmeenergi6. Sockerförbränning i kroppen leder till produktion av koldioxid, vatten och värme, precis som i vedförbränningen. Men dessutom produceras circa 36 ATP molekyler. Ämnet ATP (adenosin trisfosfat) är kroppens sätt att lagra energi ur kemisk förbränning, man säger också att ATP är kroppens ”energivaluta”. Kroppen kan sedan ”betala” andra energikrävande processer med ATP, som t.ex. muskelkontraktionen. Det finns tre huvudämnen som kroppen kan förbränna och som därmed fungerar som kroppens energigivare: fett, kolhydrat, protein (och alkohol). Kolhydrater och fett är det vanligaste bränslet. Protein använder kroppen helst som byggsten för kroppsegna proteiner men den kan bli en viktig energigivare när vi inte har tillgång till kolhydrater. Protein, fett och kolhydrater är alla makromolekyler som måste brytas ner till mindre byggstenar innan de kan tas upp av kroppen och användas för energiomvandling. Nedbrytningsprocessen betecknar vi som matspjälkning och beskrivs senare. Energiomvandlingen sker sedan inne i cellerna i form av små steg i räckor av reaktioner som alla katalyseras av specifika enzymer. Man pratar om energimetabolism eller kroppens metabolism som sammanfattande begrepp. Det finns olika metaboliska vägar för aminosyror, fettsyror och olika socker som är kopplade till varandra via olika centrala knutpunkter. Man skiljer mellan uppbyggande (anabola) och nedbrytande (katabola) vägar. Hormoner styr metabolismen genom att ge signaler i vilken riktning olika räckor ska gå, om man ska köra i uppbyggande eller nedbrytande riktning. Viktiga metabola hormoner är Insulin, Glukagon , Adrenalin, Noradrenalin och Kortisol. 21
Energimetabolismen i cellerna kan delas i tre steg: Glykolysen, Citronsyracykeln och den Oxidativa Fosforyleringen. Glykolysen: sockernedbrytningen Glykolysen är en metabolisk räcka som omvandlar en glukosmolekyl till 2 pyruvat (druvsyra) molekyler, 2 ATP och 2 vatten Pyruvatet omvandlas sedan till acetyl Coenzym A, som är ingångsprodukten för nästa steg i energimentabolismen, citronsyracykeln eller citratcykeln. Också fetter och proteiner kan brytas ned till Acetyl Coenzym A, och därigenom fungera som bränsle från och med det här steget av energimetabolismen. I citronsyracykeln bryts en molekyl Acetyl Co A ner till koldioxid och vatten, och genererar totalt 2 molekyler ATP. Samtidigt genereras kemisk energi (i form av redox potential), som slutligen i den oxidativa fosforyleringen genererar 30‐34 molekyler ATP. Glykolysen sker i cellens cytosol (vätskedel), medan både citronsyracykeln och den oxidativa fosforyleringen sker i en speciell organell, mitokondrierna. 1 C6H12O6 + 6 O2  6 CO2 + 6H2O + 2870kJ/mol för ved C6H12O6 + 6 O2  6 CO2 + 6H2O + ungefär 36 ATP + 1770kJ/mol för glukos i kroppen ATP + H2O  ADP + pi + 7.3 kcal frigjord energi Repetitionsfrågor: Vad är ATP. Vilka andra processer känner du till som behöver ATP? Vad är ett hormon. Ger exempel på hormoner i kroppen. Uppgift: Räkna ut kroppens verkningsgrad 22
Kolhydrater Kolhydrater är en gruppbeteckning för socker med olika strukturer. Kolhydrater består av kol, vatten och syre. Summaformeln är CH2O. Våra viktigaste enkla kolhydrater (monosackarider) är Glukos, Fruktos, Galaktos. Disackarider består av två sockermolekyler. Våra viktigaste disackarider är: Sackaros (vanligt hushållssocker) (Glukos + Fruktos), Laktos (Mjölksocker) i mjölk (Glukos + Galaktos) och Maltos (Maltsocker)i Öl (Glukos + Glukos) Oligosackarider består av 3‐9 monosackarider och finns i de flesta grönsaker. Polysackarider: långa kedjor av glukos, t.ex. stärkelse, cellulosa, glykogen. Stora molekyler byggs upp av monomer (enstaka molekyler) genom bindning mellan sockermolekylerna. Typen av bindning bestämmer den tredimensionella strukturen. Det finns två typer av bindningar, alfa och beta. Glykogen, stärkelse och Cellulosa är alla uppbyggda av kedjor av glukos. Cellulosa är uppbyggt av glukos molekyler som sitter ihop med beta 1‐4 bindningar i långa raka kedjor. Människokroppen kan inte bryta ned cellulosa. Dehär ”icke stärkelse polysackariderna” i födan: cellulosa, hemicellulosa och pektin och kommer främst från cellväggarna i vegetabiliska livsmedel. Stärkelsens och glykogenets alfa 1‐4 och alfa 1‐6 bindningar kan däremot brytas ned i kroppen och frigör monosackarider. Stärkelse är en lagringsform av polysackarider hos växter bestående av tusentals monosackarider. Stärkelse är rena glukospolymerer som förekommer i två huvudsakliga former. Den ena är amylos med ogrenade kedjor av glukosenheter bundna i alfa 1 ‐4 bindningar detta ger en helixstruktur med cirka 6 glukosmolekyler per varv. Den andra formen är amylopektin som har en kraftig förgrenad struktur med alfa 1‐6 bindningar i greningställerna. Grenarna har också en helixstruktur. Stärkelsen lagras i komplicerade strukturer som sätts ihop av kristalliserad och gelliknande (mindre ordnade) stärkelsemolekyler. Kolhydrater spelar en avgörande roll som bränsle för fysisk aktivitet hos människan, speciellt vid högintensivt arbete. Glykogen är den glukos‐polysackarid som fungerar som en sekundär korttids‐lagringsform av energi i alla djurceller. Den tillverkas primärt i levern och musklerna. Glykogen kallas ofta djurstärkelse, och har samma mycket förgrenade struktur som amylopektin. Man hittar glykogen som korn i cytosolen hos 23
många celltyper, och det bildar en energireserv som snabbt kan mobiliseras vid ett snabbt behov av glukos. Glykogen är ett mindre kompakt sätt för kroppen att lagra energi jämfört med triglycerider (fett), men kan mobiliseras snabbbare. I levercellerna kan glykogen uppgöra upp till 8% av färskvikten (100‐120 g hos en vuxen). Glykogenlagret förbrukas snabbt, men fylls också snabbt på igen när vi äter kolhydrater. Endast leverns glykogen kan användas i andra organ. Musklerna innehåller också glykogen, i en betydligt mindre koncentration (1% av muskelmassan), men totalmängden överstiger den i levern. Fig. 2 (Wikipedia7) stärkelselager i vetekorn. Stärkelsen lagras i kristallina och semikristallina strukturer Uppgift: Titta på strukturformel i din kemibok: glukos, cellulos, galaktos, fruktos Människans energimetabolism Dieter säljer bra. Men varför är vi fortfarande feta? Vi vet genom olika undersökningar att man blir fetare av en diet. Viktnedgången är inte varaktig och mestadels lägger vi mer på hullet när vi slutar med dieten än vi hade tidigare. Det leder till den berömda jojo effekten. Dessutom tappar vi muskler vid varje diet och ökar så kroppens relativa fetthalt. Varför är det så? Jag ska kort beskriva kroppens energimetabolism, och de 7 http://en.wikipedia.org/wiki/Starches 24
anpassningar vi har utvecklat för att klara av oregelbunden tillgång till föda. Sedan ska vi titta på vad GI egentligen är för något och sammanbandet mellan blodsocker, insulin och övervikt. Människan är anpassad till oregelbunden tillgång till föda. Kroppen är konstruerad för att lagra energi under perioder med bra tillgång till föda som sedan kan användas under perioder av svält. Det har bara varit under en väldigt liten del av människans historia som vi har konstant tillgång till föda. Övervikt har blivit ett faktum i den industrialiserade delen av världen och vår kamp mot överflödiga kilon tar sig många uttryck i vårt dagliga liv. Vi vet alla att vi lagrar vår energi i form av kroppsfett. Men varför använder vi egentligen bara fett för lagring och inte kolhydrater eller protein? Det skulle ju vara idealiskt att lagra sina överflödiga kalorier i form av muskler, istället för bilringar. För det första är det så att fett innehåller en större mängd energi jämfört med muskler eller kolhydrater. Energiinnehållet i protein och kolhydrat är 4Kcal/g medan fett innehåller 9Kcal/g, mer än dubbelt så mycket energi per g. Kroppen kan egentligen inte lagra protein överhuvudtaget. Proteiner byggs bara upp i så stor utsträckning som de behövs. Våra muskler fungerar inte som energireserver, om kroppen inte absolut måste göra det för att överleva, och omvandlingen till energigivare är inte särskilt effektiv. Muskler är dessutom rätt så tunga, som man kan märka när man går upp i vikt när man börjar träna mycket även om man förlorar fett samtidigt. Vi har därför bara de muskler som behövs för kroppsarbete. Men varför lagrar vi inte mera kolhydrater då? Våra kolhydratlager räcker inte särskilt länge och hjärnan är beroende av en kontinuerlig tillgång till glukos. Då skulle det vara bra att ha lite större förråd? När vi tittar på ett maratonlopp, som tänks motsvara sträckan våra förfäder sprang (walk run) under jakten, så ligger energikostnaden på 2900kcal. Det motsvarar 320g fett eller 750g glykogen plus 2,3 kg vatten som är bundet till glykogenet. Det är alltså 320g för fettalternativet mot 3,05 kg för kolhydratalternativet. Dessutom kan vi lagrar fett i princip i obegränsade mängder. Eller uttryckt på ett annat sätt, man kan bli hur fet som helst. Människans energiförbrukning kan man dela in i fyra komponenter: 1. Basmetabolism 25
2. Energiförbrukning i samband med rörelse 3. Termogenes utan mat 4. Adaptiv termogenes Vår basmetabolism motsvarar vår energiförbrukning i vila. Det är mängden kalorier vi behöver för att hålla kroppen igång. Basmetabolismen bestäms av vikten av den aktiva kroppsmassan. Det betyder att två personer med samma vikt men olika muskelmassa komma att ha olik energiåtgång även i vila. Basmetabolismen kan går uppemot 60% av hela vår energiförbrukning. Vi kan alltså i mindre utsträckning öka vår basmetabolism när vi bygger upp mer muskelmassa. Så snart som vi sätter oss i rörelse, förbrukar kroppen mera energi. Mängden beror helt klart på typen av rörelsen vi utför. När kroppen rör på sig maximalt, kan den förbruka upp till xx kcal per minut. Räkna ut vilken dagsomsättning det motsvarar! Det klart enklaste sättet att öka sin energiförbrukning är genom rörelse. Kroppen behöver även energi till mätsmältning, absorption och metabolisering. I genomsnitt 10% av matens energiinnehåll förbruks genom dessa processer. Men för protein går hela 25% av kaloriinnehållet åt för metabolisering, medan det är bara 3% för fett. Kolhydrater ligger mittemellan. Man får alltså mindre nettokalorier när man äter en proteinrik kost än om man äta samma mängd kalorier i form av en fettrik kost. Kroppen kan även i viss utsträckning reglera hur mycket värme den producerar vid förbränningen. Man har spekulerat om att adaptiv termogenes kan vara en viktig mekanism för att förklara varför vissa människor helt enkelt kan äta mera än andra. Den kan också vara viktig för att förklara varför vi blir fetare efter en diet. När vi förbränner vår mat, är det ju bara en del som omvandlas till ATP, resten går åt till produktion av värme. Det verkar som om effektiviteten att producera ATP kan variera mellan individer och t.o.m. kan regleras. Det är svårt att mäta effekten, men man räknar med att storleksordningen ligger vid 10%. Det innebär att ca. 250kcal skulle frisättas i form av värme. Det verkar kanske inte särskilt mycket. Men med ett identiskt kalori intag och förbrukning och bara en 10% skillnad i adaptiv termogenes skulle den ena personen går upp lite mera än tio kg i nom1 år, medan andra personen skulle hålla sin vikt. Efter en fasta eller svält är energieffektiviteten mycket hög och slöseri med energi i form av adaptiv termogenes mycket låg. 26
Diskutera varför vår vikt har så stor betydelse i våra liv och vilka uttrycksformer det kan ta. Är du nöjd med din vikt? Har du prövat en diet. Om ja, vilken? Skulle du vilja gå ner i vikt? Matspjälkning: kort repetition Det här är en kort repetition av de aspekter som är viktiga för kolhydratnedbrytningen och därmed för att förstå kroppens blodsockersvar. Matspjälkningen börjar redan i munnen när vi mekaniskt söndertuggar vår mat. I saliv från spottkörtlarna finns ett stärkelsenedbrytande enzym (Amylas) som redan i munnen börjar sönderdela stärkelsen. Den söndertuggade maten flyttas förbi svalget, sväljs och transporteras genom matstrupen till magen. Magsäcken är bara 20‐25 cm lång, men kan lagra en hel del mat. Normalt växer den från nästan ingenting till 1,5 l, men den kan lagra upp till 6 liter!! Magceller utsöndrar saltsyra och pepsinogen, som är ett så kallat proenzym. Pepsinogen omvandlas till det aktiva enzymet pepsin i magens sura miljö. Pepsin börjar med nedbrytningen av protein till kortare aminosyrekedjor som kallas peptider. Samtitigt avstannar kolhydratnedbrytelsen. Amylaset inaktiveras nämligen så småningom i magen på grund av det låga pH. Men innan amylaset är helt inaktiverat kan 30‐ 40% av stärkelsen redan vara spjälkt. Genom sammandragningar trycks kymus (den fina blandingen av sönderdelad mat med saltsyran) genom nedre magmuskeln in i tunntarmen. Det är cirka 5 till 10 ml som lämnar magen åt gången och det tar 1‐4 timmar innan magen är helt tömd. Det betyder att första portionerna finfördelad mat som vitt bröd eller potatismos kommer att magen väldigt fort. Magsäckstömning är en process som kontrolleras av en rad olika faktorer. Tömningen blir t.ex. tydligt långsammare när maten innehåller mycket fett. Även en ökning av kolhydrat eller proteininnehåll verkar i samma riktning. Dessutom finns det stora individuella skillnader på hur snabbt magen töms (viktigt när man har en 6 liters mage). Tunntarmen är ca 2‐3m lång och består av duodenum (tolvfingertarm), jejunum och illeum. 27
När kymus kommer in i tunntarmen så måste kroppen först neutralisera det låga pH, så att andra enzymer kan börja jobba igen. Det är bukspottskörteln som utsöndrar mellan 0.2 till 2 l bukspott varje dag som innehåller främst bikarbonat för att neutralisera pH. Bukspott innehåller också enzymer som amylas, trypsin och lipas. Trypsin sönderdelar peptider till aminosyror. Galla som frisätts av gallblåsan emulgerar fett i mindre droppar. Fettet bryts sedan ner av enzymet lipas. Kolhydratnedbrytningsprocessen fortsätter nu med hög hastighet genom bukspottsamylas . Även absorption av alla nedbrutna närningsämnen sker i tarmen. För att förbättra absorptionen täcks tunntarmen av en veckad slemhinna som består av millimeterhöga, fingerlika utskott. (tarmludd). På ytan har tarmludden ett lager tarmceller, som i sin tur har egna utskott på ytan. Dessa utskott betecknar man mikrovilli. Den slutliga tarmytan uppskattas till runt 250m2! Mikrovilli innehåller ett skikt epitelceller och ett nätverk av blodkapillärer, nervfiber, och lympfkapillärer. Bundna till epitelcellernas cellmembran finns också enzymer som spjälker specifika sockerbindningar. Det finns t.ex. ett sackaros isomaltas komplex som spjälkar sackaros (vanligt socker). Alla nedbrutna näringsämnen tas upp genom epitelcellerna och transporteras via portådern till levern. Samtidigt som levern börjär fylla sina glykogendepåer förs merparten av glukosen vidare till resten av kroppen cirkuationen, och blodglukosen stiger. Insulinsekretion stimuleras dels genom den stigande glukoskoncentrationen, dels av hormoner som frisätts i tarmarna under matsmältningen. Hela passagen genom tunntarmen tar 3‐10 timmar. Repetition: förklara för varandra: vad är ett enzym? Vad menar man när man talar om katalys? Leverfunktionen Levern kan betraktas som en distributionscentral för energigivande näringsämnen Levern har en viktig funktion för regleringen av blodsockret och spelar en central roll i fettsyra och proteinmetabolism. Levern är därmed platsen för många viktiga metaboliska reaktioner. Levercellerna som utför leverns funktioner kallas också för hepatocyter. En del av leverns funktion är: •
Glukoneogenes: nybildning av glukos ur vissa aminosyror •
Nedbrytning av leverns glykogen för att öka blodglukos 28
•
Ketonkroppsbildning vid fasta och svält •
Glykogensyntes •
Nedbrytning av insulin och andra hormoner •
Många processer inom protein metabolism, lipid metabolism •
Kolesterolsyntes •
Produktion av triglycerider •
Produktion av koagulationsfaktorer •
Nedbrytning av hemoglobin •
Nedbrytning av toxiska substanser och t.ex. mediciner (avgiftning) •
Omvandling av ammonium till urea Diskutera leverns uppgifter och försök förklara under vilka metaboliska betingelser de olika funktionerna blir viktiga Svält och fasta När vi går på diet, så försöker vi att minska kroppens energiintag och skapa en negativ energibalans för att tvinga den att använda sina egna energilager. Vi ska titta lite närmare på vilka metaboliska förändringar kroppen gör i respons till en svältsituaton. Kroppen kan självklart inte skilja mellan självvald diet och livshotande svält, så samma anpassingsmekanismer kommer att gälla för båda tillstånden. (kick in) När man drastiskt minskar sitt energiintag, speciellt kolhydrater, förbrukar levern sitt glykogen redan under första dagen. Även muskelglykogendepåer minskar och går mot 0, eftersom kroppen inte kan fylla på dem längre. Förlust av glykogendepåer är huvudanledningen till den stora viktminskningen man se under de första dagarna. Man förlorar nämligen mycket vatten som var bundet till glykogendepåer. Kroppen kan täcka mycket av sin energiförbrukning genom fettförbränning, med vissa viktiga undantag. Hjärnan, nervceller och röda blodkroppar kan inte förbränna fettsyror: därför försöker kroppen framställa sin egen glukos. Mestadels måste den använda vissa aminosyror, men också glycerol och laktat kan omvandlas till glukos. Aminosyror till glukosproduktion kommer från kroppens muskler som bryts ner för att få tillgång till aminosyror. Efter ca. 3 dagar börjar kroppen med en större produktion av ketonkroppar, när den inte hinner att förbränna allt fett som frisätts helt till vatten och koldioxid. Hjärnan ökar sedan gradvis användning av ketoner som energikälla till maximalt 70%. 29
När man genomför en Atkinsdiet, som kännetecknas av väldigt låg kolhydratintag, vill man medvetet tvinga in kroppen i en ketos för att uppnå låga insulinnivåer och tvinga kroppen att bränna fett. Under induktionsfasen får man bara äta så mycket som 20g kolhydrat. Det härskar delade uppfattningar om hälsokonsekvenserna av en ketos. Men det är inte heller klart om en diet med väldigt låg kolhydrathalt leder till en bättre viktminskning jämfört med en diet med större andel kolhydrat med lågt GI. Det är också helt klart att kroppens uthållighet minskar drastiskt utan tillräckligt med kolhydrater, och träning med medelhög intensitet eller högre under en Atkinsdiet leder till nedbrytning av muskler och en ökning av nedbrytande hormoner som adrenalin, noradrenalin och stresshormonet kortisol. I tider av knapp föda är det en fördel att kunna gå ner i energibehov. Det är också det som kroppen gör när man börjar med en diet. Kroppen sänker t.ex. den adaptiva termogenesen (se energimetabolism). Det betyder att man kompenserar i någon utsträckning för det minskande energiintaget. När man sedan går tillbaka till en mera vanlig kost, är kroppen fortfarande i energisparläge. Det betyder att det blir svårare att bibehållar den minskade vikten, och kroppen lägger enklare på hullet än tidigare, för den förbrukar mindre kalorier per kroppsmassa än tidigare. Det förklarar yoyo effekten man ofta ser i samband med dieter. Samband mellan GI och diet Man kan därför utnyttja GI konceptet när man vill undvika viktuppgång, förbättra sin hälsa, sina träningsresultat, och förbättra fettförbränningen. Kost med lågt GI borde leda till jämnare blodsocker, mindre frisättning av hormoner som stimulerar aptit, bättre balans mellan fettmetabolism och glukosmetabolism och mindre risk för förlust av muskelmassa jämfört med t.ex. en Atkins diet. Viktnedgången kan man då optimera genom att öka motionen och bränna fler kalorier. Låga insulinnivåer förbättrar fettförbrännigen och undviker en effektiv fettsyntes. Genom att blir mindre sugen på mat blir det enklare att kontrollera matintaget och sockerberoendet. Målsättningen med GI konceptet är att hålla blodsockret så jämnt som möjligt och man försöker undvika starka svängningar. Ju mera problem man har att hålla blodsockret 30
jämnt, desto viktigare är det att äter mat med låg GI. Svängningarna leder till sug efter sött och hungerattacker när blodsockret sjunker snabbt när man får höga insulinnivåer. Diskutera vad som händer när man försöker träna under en Atkins diet. Försöka att ta reda på inverkan av kortisol. Insulin Insulin är ett peptidhormon som framställs i bukspottskörteln av beta cellerna. Insulin är vårt viktigaste kroppsuppbyggande (anabola) hormon och bestämmer många centrala metabola funktioner i kroppen. Insulin stimulerar: •
glukosupptagning i kroppens celler, speciellt i lever, muskel och fettceller •
lagring av glukos i form av glykogen i lever och muskelvävnad •
fettsyntes •
upptagning av aminosyror Insulin blockerar: •
frisättning av fett från fettceller •
förbränning av fettsyror •
nedbrytning av protein i musklarna •
frisättning av glukos från glykogendepåer •
nybildning av glukos  Insulin stimulerar alltså uppbyggnad av energidepåer och samtidigt blockerar det förbrukning av kroppsegna depåer. Diabetes typ 1 och Diabetes typ 2 är båda sjukdomar som kännetecknas av en förhöjd glukoskoncentration i blodet, men sjukdomsmekanismerna är olika. Diabetes typ 1 är en sjukdom där alla insulinbildande celler förstörs på en gång, t.ex. genom en autoimmunreaktion eller en virusinfektion. Kroppen kan alltså inte längre framställa något eget insulin. För att överleva måste patienten få insulin, för nuvarande 31
i form av flera insulininjektioner per dag. Blodsockermätarna som vi använder i försöksserien har utvecklats så att diabetes patienter kan kontrollera sitt blodsocker hemma. Typ 2 Diabetes är en sjukdom som ökar explosionsartigt i västvärlden. Det finns en genetisk komponent som ökar risken att utveckla diabetes, men de allra flesta patienter är också överviktiga. Det är alltså en kombination av genetisk risk och livsstil som har lett till den explosionsartiga ökningen vi ser i världen. Diabetes typ 2 kännetecknas huvudsakligen av insulinresistens. Insulinresistens betyder att cellerna blir mindre känsliga för insulin. Normala insulinnivåer räcker inte för att tillräckligt mycket glukos tas upp i cellerna för att upprätthålla normala glukoskoncentrationer i blodet. Man får ”högt blodsocker”. Kroppen försöker då producera mera insulin. Höga insulinkoncentrationer har bieffekten att öka fettsyntesen. Fettet sugs in i cellerna med högre effektivitet, och samtidigt blockeras fettförbränningen. Fetman, speciellt fett som lagras runt de inre organen ökar insulinresistensen och kroppen behöver producera ännu mera insulin. Till slut ger bukspottskörteln bara upp och insulinproduktionen stannar av. Patienter måste då ofta börja injicera insulin. Insulinresistens verkar vara en anpassning att klara av kolhydratfattig kost hos våra förfäder som levde som jägare och samlare. Individer med en sådan genuppsättning klarar inte av dagens kost med för många ”snabba kolhydrater”. Ofta kan man se en försämrad glukostolerans i flera år innan sjukdomen bryter ut. Träning har visat sig öka insulinkänsligheten och är tillsammans med viktreduktion den viktigaste åtgärden i att förebygga och bekämpa sjukdomen. Glykemiskt Index: GI Intro När vi tittar på äldre näringsrekommendationer för diabetiker så var det absolut förbjudet att äta socker och om man fick kakor, så var de sockerbefriade. Det reflekterar ett antagande som man hade gjort, och som senare visade sig vara helt fel. Man antog nämligen att komplexa kolhydrater som stärkelse, som består av tusentals glukosbyggstenar skulle ta lång tid att brytas ner och därför skulle tas långsamt upp av 32
kroppen. Socker däremot består av mono och disackarider och därför antog man att de skulle tas upp väldigt snabbt. Det har visat sig senare att det finns många olika faktorer som avgör hur snabbt kroppen tar upp ett visst kolhydrat. Vissa typer av stärkelse bryts ner lika snabbt som socker, eller t.o.m. snabbare. När man tittar t.ex. på Cornflakes som innehåller en typ av väldigt processerad stärkelse, så bryts den ner av kroppen i rekordfart. Sockret som man har på sina Frosties däremot sänker faktiskt upptagningshastigheten. Det är förresten inte min poäng att Frosties är bättre än vanliga kornflakes, utan att stärkelse kan tas lika snabbt upp av kroppen som socker. För att få ett mått på hur snabbt kolhydrater tas upp efter en måltid och hur mycket de ökar blodsockret, har man utvecklat ett koncept som kallas för glykemiskt index (GI). Glykemiskt index har fått stor genomslagskraft i medierna och det har både varnats för och marknadsförts som undervapen i kamp mot överflödiga kilon. Men som ni kommer att se är GI egentligen inte någon diet utan ett verktyg för att få en jämnare blodsockernivå. Detta leder till mindre insulinutsöndring och minskar alla negativa bieffekter som man kan koppla till höga insulinkoncentrationer i blodet (läs kapitlet om insulin) . Vi har alla nytta av en kost med lågt GI. När ni kollar upp vilka livsmedel som har lågt GI, så är det ofta nyttiga livsmedel, medan livsmedel med högt GI ofta faller i den ”onyttiga kategorin”. Genom blodsocker mätningarna kan du själv testa hur ditt eget blodsocker fungerar. Ju mera svängningar det uppvisar, desto mera kommer du att ha en omedelbar nytta av att använda dig av GI konceptet. Vad är ”glykemisk index”? GI konceptet utvecklades som verktyg för diabetiker för att få ett mått på hur snabbt blodglukosen stiger i respons till ett visst livsmedel. Problemet är bara att blodsockersvaret skiljer sig väldigt mycket från person till person. Dessutom kan det skilja sig väldigt mycket för samma person vid olika tider på dagen. Hur kan man då ge något kvantitativt mått överhuvudtaget? Det finns två komponenter som är viktiga som förklaring: GI är inget absolut mått utan ett relativt mått. Det har visat sig att förhållandet är mycket mera konstant än själva blodsockermätningarna. 33
Fig. 3 (Wikipedia8): blodsockermätningar efter en livsmedel med hög respektive låg GI. Man pratar också om snabba och långsamma kolhydrater. Hur kan man förklara att GI är en kontant faktor, medan blodsockersvaret skiljer sig så mycket mellan olika försökspersoner? Om man har två försökspersoner som äter en måltid med 50g kolhydrat från vitt bröd, så kommer de att ha väldigt olika kurvor. När man sedan ber försökspersoner nästa dag att äta 50g kolhydrat i form av havregrynsgröt, kommer kurvorna igen att se väldigt olika ut. Men båda personer har samma relativa skillnad mellan mätningarna. Havregrynsgröten ger en procentuell sett lika stor minskning av kurvan för båda försökspersoner. Vad man gör nu är att man sätter referenskurvan till 100. Ett GI på 70 betyder alltså att arean under havregrynskurvan täcker 70% av arean underkurvan för vitt bröd. Nuförtiden använder man sig mest av vitt bröd som referenslivsmedel, men det är enkelt att räkna om mellan GI baserat på glukosreferens och GI baserad på vittbröd som referens. Faktorn är 1.33. När du använder en tabell med GI värden ska du därför alltid kolla om referensen är vitt bröd eller glukos. 8 http://en.wikipedia.org/wiki/Glycemic_index 34
Hur man mäter GI Man har en grupp av 10 testpersoner som äter en referensmåltid. Testmåltiden innehåller alltid 50g tillgängliga kolhydrater. Eftersom mängden av kolhydrat varierar mellan olika livsmedel är testmåltiderna olika stora. Man jämför alltså inte samma mängd livsmedel utan alltid samma mängd kolhydrat. För att bestämma GI bestämmer man arean under kurvan för vitt bröd (eller glukos) från referensmåltiden till 100. Förhållandet mellan arean under kurvorna för testmåltiden och referensmåltiden betecknar man som GI. Mätningen utförs på morgonen efter en nattfasta och görs i två timmar. Försökspersonen dricker 300ml vatten med måltiden. Det är också viktigt att beskriva väldigt noggrant hur man har tillrett livsmedlen så att man bättre kan jämföra resultat från olika laboratorier. Faktum att man alltid äter samma mängd kolhydrat och därför har stora skillnader i testmåltidernas storlek, har lett till en viss förvirring om GI, speciellt i samband med ”GI‐
dieter”. Ofta antar man t.ex att all mat med lågt GI är bra dietmat, medan man absolut måste utesluta all mat med högt GI. Eller att all GI mat är bra dietmat. Morots och jordnötsdiskussionen illustrerar båda poängerna. Morötter har ett relativt högt GI som gjorde att de uteslöts ur vissa dietplaner. Men för att få i sig 50g kolhydrater måste man mumsa runt 750g morötter. Som någon klok människa har sagt, så är det väldigt sällan vi överäter oss på morötter. Jordnötter däremot har väldigt låg GI. För att få i sig 50g kolhydrater ska man äta 500g jordnötter. Nackdelen för denhär ”perfekta dietmaten” är bara att den fortfarande innehåller 2925kcal och 245g fett. GI är alltså bara ett mått hur snabbt kroppen tar upp kolhydrat ur ett visst livsmedel, men säger i sig igenting om mängden kolhydrat samma livsmedel innehåller. Det är ju egentligen självklart att kroppens blodsockersvar inte enbart beror på hur snabbt kolhydrater tas upp, utan också hur mycket kolhydrat vi äter. Samtidigt har mat med lågt GI fortfarande alla kalorier den innehåller. Det innebär också att vi inte kan ange ett GI för livsmedel som inte innehåller kolhydrater och att GI inte har betydelse för livsmedel som innehåller väldigt lite kolhydrater. Hur kan vi då ha nytta av GI när vi vill hålla vikten och äta hälsosam mat? 35
Man pratar vanligtvis om snabba, mellansnabba och långsamma kolhydrater. Med Glukos satt till GI=100 GI betecknas livsmedel med en GI mellan 70 till 100 som snabba kolhydrater. Livsmedel med en GI under 70 men över 55 betecknas som mellansnabba. Kolhydrater med en GI under 55 betecknas som långsamma. Hälsorekommendationer rekommenderar att äta huvudsakligen kolhydratrika livsmedel med en GI under 70. GI med vissa undantag (t.ex. mjölk) är en bra indikator på hur mycket insulin kroppen utsöndrar i samband med en viss mängd kolhydrat. Ju snabbare kolhydraten tas upp, desto mera insulin måste kroppen frisätta. Höga insulinkoncentrationer har många metaboliska konsekvenser för kroppen och kan relateras till ökad risk för fetma. Också individuellt sett är det så att högre blodsockervärde kräver större insulinmängder. Om man har en tendens till höga blodsockervärden, kan det vara speciellt viktigt att undvika snabba kolhydrater. Man kan få ännu mera information om man att inte bara ser på GI utan också på maxvärdet, tidsförloppet och ”rebound effekten”. När kroppen har utsöndrat mycket insulin tillsammans med snabba kolhydrater, så är ofta insulinkoncentrationen fortfarande hög när maten redan har tagit slut. Blodsockerkurvan rasar då ofta bara ner och kan sjunka under fastenivån. Det är ”rebound effekten”. Man panikhungrig och får ett kraftigt sug för någonting sött. Mat som höjer blodsockret långsamt (låg GI) hjälper att undvika dessa blodsockersvängningar GI mäter alltså matens effekt på blodsockerhalten efter en måltid. Mat med låg‐GI kolhydrater blir långsammare absorberad från tarmen av olika anledning. Blodsockret stiger långsammare och mera jämt och når inte lika höga toppar. Det har som konsekvens att även insulinutsöndringen blir mycket mindre. Faktorer som har betydelsen för GI •
Hur snabbt matsäcken töms •
Hur snabbt ett kolhydrat nedbryts •
Hur snabbt det tas upp •
Andra matkomponenter som kan förminska eller förstärka effekterna •
Andra komponenter som förändrar insulinutsöndringen 36
Nedbrytningshastigheten av kolhydrater bestäms inte av makromolekylens storlek, utan huvudsakligen i vilken struktur de föreligger. Stärkelse lagras i växter i rätt komplicerade kristallina och semikristallina strukturer (Fig.2). När man äter mat som bevarar denna struktur, så har den ofta låg GI. När man bryter ner strukturen, så får maten ett högt GI. Det är till exempel en anledning till varför kornflakes har en mycket högre GI än hela korn med intakt stärkelsestruktur. Ett annat exempel är pasta. Pasta i alla varianter har ett betydligt lägre GI än bröd, även om den är framställd av samma mjöl. Hur kan det förklaras? I en pastadeg blir små stärkelsekorn instängda i ett svamplikt nätverk av proteiner. Man kan demonstrera skillnaden när man lägger en bit pasta respektive en bit bröd in i vatten. Bröd löses upp mycket snabbare så nedbrytande enzymer får snabb tillgång. När man tittar på olika ris sorter, så innehåller de olika mängder av vissa stärkelsesorter. Vissa rissorter blir väldigt mjuka och fluffiga och kan ha riktigt högt GI, medan mera kompakta, hårda sorter har tydligt lägre GI. Hur man tillagar maten har stor betydelse för det glykemiska indexet. När man kokar pastan al dente har den ett lägre GI än när man kokar den helt mjuk. GI stiger också när man finfördelar maten. Därigenom har potatismos betydligt högre GI än kokt potatis, och färdigt mos som görs av fint pulver ännu högre GI än självlagat mos som fortfarande innehåller små bitar. Stärkelse som inte kan brytas ner i tarmen kallas ofta för resistent stärkelse. Baljväxter är rika på resistent stärkelse och har därför väldigt lågt GI. När man sätter dem i burk (processering), så stiger GI. Man har gjort den intressanta observationen att vissa livsmedel ”återbilder” resistent stärkelse när de kallnar. Man kan då se att stärkelsen återbilda semikristallina strukturer. Potatis som man låter kallna har ett betydligt lägre GI jämfört med färsk kokt potatis. Också livsmedel som innehåller mycket andra socker än glukos, t.ex. fruktos och galaktos har lägre GI. Det beror på att fruktos och galaktos inte deltar i blodsockerhöjningen. De måste först omvandlas till glukos. Frukter har t.ex. ofta större mängder fruktos och därmed lågt GI. 37
Andra faktorer: Låg pH och jäsning leder till lägre GI. Surdegsbröd och bröd som man äter med en vinaigrette sås ger alltså ett lägre blodsockersvar. När man dricker vatten tillsammans med måltiden stiger GI, antagligen på grund av snabbare magsäcks tömning. GI för sammansatta måltider Giltigheten av GI konceptet i samband med sammansatta måltider är väldigt omdiskuterat. Det beror på att effekten av protein och fett beror på mängden av‐ och exakt vilket protein och vilka typer av fett man undersöker. Det har visat sig vara svårt att förutspå vilket GI en sammansatt måltid har, men man kan se vissa allmänna tendenser. När man konstruerar en testmåltid som innehåller samma typ och mängd protein och fett och bara byter ut kolhydrat delen från lågt till högt GI, kommer den sammansatta måltiden att visa samma skillnad. Måltiden med kolhydrater med lågt GI kommer att vara lägre än måltiden med kolhydrat med högt GI. Generellt sätt sänker både fett och protein måltidens GI. Effekten blir mera tydligt för högre koncentrationer. Speciellt fett sänker hastigheten av matsäckstömningen. Vissa proteiner leder till en förstärkt utsöndring av insulin. Ett exempel som har diskuterats mycket är mjölk. Mjölk leder till betydligt större utsöndring av insulin än man skulle förvänta sig av det glykemiska indexet. Man kan också visa att blodsockerhöjningen är olika för samma testmåltid när man äter den på olika tider av dagen. Man kan även visa att blodsockersvaret förändras beroende på vad man har ätit måltiden innan. T.ex. visade man att personer som åt frukost med lägre GI hade också hade ett lägre blodsockersvar till lunch. Detta kallas också för second meal effekt. Det kan alltså vara svårt att säga någonting definitivt om enstaka livsmedel i sammansatta måltider. Effekterna som jag har beskrivit här är någonting du ska tänka på när du gör dina experiment. Du får kanske även bra idéer till egna försök för att kolla upp om det verkligen stämmer. Repetition: Försök att förklara mekanismen för hur hög insulinkoncentrationer kan leda till fetma. 38
Uppgift: se på GI tabellen och försök förklara varför ett livsmedel har högt eller lågt GI med hjälp av kriterierna. Diskutera vad det kunde ha för konsekvenser för en pastamåltid när man dricker ett glas mjölk respektive ett glas vatten. Finns det ett sätt att kolla upp om det finns en effekten om man inte kan mäta insulin, bara blodglukos Mat och Träning Kolhydrater i näringen – i rätt mängd, med rätt GI och vid rätt tid‐ har visat sig vara väldigt viktigt för idrottare. Speciellt välfyllda glykogenlager är viktiga för uthålligheten. Glykogenlagren i levern kan vara en avgörande faktor för den stora skillnaden i träningsuthållighet man ser vid kolhydratrik respektive fattig kost. Uthållighetsträning speciellt efter en fasteperiod eller vid kolhydratfattig kost (Atkins diet) resulterar i hypoglykemi som kan vara orsak till utmattning, trötthet och yrsel. Under natten kan leverns glykogen lager minska betydligt (till ca 20g) för nervcellerna och hjärnan förbrukar 0.1g min i vila. Därför har man låga glykogenlager när man tränar tidigt på morgonen. Det är viktigt att inte tränar hårt med låga glykogenreserver, för då kan man tvinga in kroppen i katabol metabolism där den bryter ner protein. Begränsingen är hur snabbt fett kan tas upp och oxideras och gränsen går vid 60% av VO2max, dvs den maximala syreförbrukningsnivån. Om vi har tillräckligt med leverglykogen, så ser vi ingen förändring i blodsockret under ett träningspass. Sjunkande blodglukos visar att man inte har fyllt på ordentligt, eller att man borde fylla på med glukos under själva träningspasset. Det är också viktigt att äta rätt sorts kolhydrat vid rätt tidpunkt. Därför finns det många undersökningar som visar när det är lämpligast att äta för att hålla sina glykogenlager väl fyllda. Man har kunnat visa att kolhydratintag 3‐5 timmar före fysisk aktivitet är bra för att fylla på muskelglykogenet. När man däremot äter kolhydrat 30 till 60min före en aktivitet, så leder det till ökad blodglukos och ökade insulinnivåer. Insulin blockerar fettförbrännigen och glukosen sjunker snabbt i samband med träning. Detta kan leda till låg blodglukos under själva träningen. Däremot kunde man visa att kolhydratintag inte har en sådan negativ effekt när man tillför snabba kolhydrater först när man redan har börjat med träningen. Vid medelhög träningsintensitet kan man upprätthålla 39
blodsockernivån i ca 1h. Därefter börjar den sjunka. Då är det en stor fördel att tillföra glukos under själva träningspasset. Man kan inta upptill ca 70g glukos per timme. Viktigt för återhämtningen efter ett träningspass är att man fyller upp sina glykogendepåer. Det finns ett fönster som varar runt 1h där glykogen fylls på väldigt effektivt. Därefter sjunker glykogensyntesen drastiskt, och det tar mycket längre tid att återhämta sig. Man ska alltså äta mat med högt GI direkt i anslutning efter ett träningspass! Glukosintag efter träning leder till lägre insulinsvar. Efter ett träningspass suger musklarna upp glukos mera effektivt, även om man har mindre insulin i blodet. Dessutom har man ett insulinoberoende upptag som utlöses av själva muskelkontraktionen. Man borde kunna testa om snabba kolhydrater leder till en minskat ökning av blodsockret inom en timme efter ett träningspass. Fråga: hur ser ditt blodsocker ut efter ett träningspass, beroende på vad du har ätit 40

Kall potatis i forskningens namn

Related documents

Products

Support

Kall potatis i forskningens namn

Related documents

Add this document to collection(s)

Add this document to saved

Suggest us how to improve StudyLib