Newtons kraftlagar – från ord till begrepp med interaktiva metoder Linus Ryderfors Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 1 Innehåll Sammanfattning......................................................................................................................................4 Inledning.................................................................................................................................................4 Syfte........................................................................................................................................................5 Bakgrund.................................................................................................................................................5 Interactiveengagementmetoder–översikt......................................................................................6 Metod.....................................................................................................................................................8 Studiensurval......................................................................................................................................9 Etiskaaspekterpåeleversmedverkan................................................................................................9 Diagnostisktprov................................................................................................................................9 Intervjuer..........................................................................................................................................10 Intervjumetodik............................................................................................................................10 Interaktion.........................................................................................................................................11 Genomförande..................................................................................................................................11 Resultat.................................................................................................................................................11 Elevernasresultatpåförtestocheftertest.......................................................................................11 Analysavelevernasförförståelse.....................................................................................................12 Interaktion.........................................................................................................................................17 Interaktion1Galileisfallexperiment.............................................................................................17 Interaktion2Kastasnöboll...........................................................................................................17 Interaktion3Pyramiderna1.........................................................................................................17 Interaktion4Pyramiderna2.........................................................................................................18 Eftertest............................................................................................................................................18 Diskussion.............................................................................................................................................22 Utvärderingavdiagnostiskaproven.................................................................................................22 Hermeneutiskanalysavelevernassvarpåförprovet.......................................................................25 Vadkanmansägaomlärandetavkonceptendå?...........................................................................26 Elevernasutvärderingavkursen.......................................................................................................27 Slutsatser...............................................................................................................................................28 Litteraturlista........................................................................................................................................30 Bilaga1Etiskaaspekterpåeleversmedverkan................................................................................32 Intervjuplan...................................................................................................................................32 Workshop-plan..............................................................................................................................33 Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 2 Efterarbete-plan............................................................................................................................33 Bilaga2Utvärdering..........................................................................................................................34 Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 3 Sammanfattning EleverskonceptuellaförståelseförbegreppsomkraftochrörelsestuderasinomramenförFysik1vid engymnasieskola.Ettdiagnostisktprovtogsframochgenomfördesföreocheftergenomgången kurs.Underkursenbetonadesinteraktivamomentochfyrastyckeninteraktivaworkshops utveckladesdärelevernamöttekonceptenipraktiken.Intervjuerochstatistiskanalysavresultaten pådetdiagnostiskaprovetföreochefterkursenvisarattelevernatillägnatsigkonceptenovanligtväl underkursen. Inledning GalileisrörelselagarochNewtonsmekanikbrukarbetraktassomepokgörandeiuppkomstenavdet modernanaturvetenskapligaparadigmet.Måsåvaraattdebådateoriernakanskeinteharbidragit tillenbegreppsligomstruktureringomvårtsättatttänkaomnaturen,varesigunderderassamtid elleridag(Shapin,2000).Teoriernaillustrerarfysikensmetodikiattdeärförenklande,renodlat deskriptivamatematiskamodelleravverkligafenomen.Newtonladeframsinatrelagaromkroppars rörelseredan1687ochdetolkasvanligensåhär: Newtonsförstalag–tröghetslagen Enkroppbibehållersinrörelseikonstanthastighetellervilasålängedenintepåverkasavnågra resulterandeyttrekrafter. Newtonsandralag–kraftlagen EnkroppmedmassamsompåverkasavenresulterandeyttrekraftF,kommerattändrasinrörelsei kraftensriktninggenomattfåenaccelerationaikraftensriktningsåattF=m*a Newtonstredjelag–lagenomväxelverkan OmenkropppåverkarenannankroppBmedkraft,såverkarävenBpåAmedenkraftsomärlika stormenmotriktad Figur1.Newtonstrekraftlagar.Resulterandekraftärsummanavallakraftersomverkarpåettföremål. Metodikengermätbaraochempirisktprövbaramodelleravnaturen.Fysikenärdenpositivistiska vetenskapenparexcellence.Newtonsmekanikharrevideratspåavgörandesättunder nittonhundratalet,mestbekantaärkanskekvantmekanikenochrelativitetsteorin,mengerlikväl fortfarandeenextremtframgångsrikbeskrivningavvärldensomtjänarvetenskapens,teknikensochi mycketävenmänniskansbästa.DetärtillexempelNewtonsmekaniksombeskriverdenfysiksom gjordedetmöjligtattskickamänniskorframochtillbakstillMånenmedlivetibehåll.Närelever börjarstuderafysikpåallvarigymnasietmåstedelärasigettantalnyabegreppsomfysiken introducerar.Detrörsigomordsomkraft,arbete,energi,hastighet,impuls,laddning,spänning, ström,medmera-ordsomävenharenbetydelseivardagsspråketmedettvisstmåttav mångtydighet.Ordenharifysikensmodelleremellertidenväldefinieradinnebördsomelevermåste tillägnasig.Dåharordenblivittillbegrepp,vilkalåterfysikerntalaomvissaaspekteravvärldenpå ettväldefinieratochmätbartsätt.Mendetärintebaradetattdenungafysikelevenskalltillägnasig Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 4 dessabegreppochmodeller.Honhardessutomegenerfarenhetattupplevaochtolkafenomeneni världen,ochmåstelärasigattbegränsasittseendeomtolkatmedfysikernsbegrepp.Deförsta studiernainomfysikensdidaktikunder1980-taletvisadeattamerikanskastudenterocheleverpå såväluniversitet,collegeochhighschoolhadeväldigtsvårtatttillägnasigkoncepteniNewtons mekanik(Halloun&Hestenes,1985a,b).Oavsettomelevernaellerstudenternaklaradekursen galantellerinte,såpresterademajoritetenväldigtmedelmåttigaresultatpåenuppsättning grundläggandefrågoravkonceptuellkaraktär.Enstarktbidragandeorsaktillsituationensom identifieradesvarattundervisningentraditionelltgickdirektinpåfysikerssättattsevärlden.Men elevernasvardagsförståelseavfysikensfenomenvaroftadjuptrotade,såvälspråkligtsom erfarenhetsmässigt.Dennavardagserfarenhetgickstickistävmedenfysikerssättattsevärlden.Det helaleddetillenreforminomdetamerikanskautbildningsväsendetdärmångaelevinteraktiva metoderutveckladesvilkavarbättrelämpadeföratttillägnasigfysikenskoncept(Hake,2002).I Sverigefannsibörjanav2000-taletettinitiativisammaandavidGöteborgsUniversitetsomhette NORDLAB-SE(http://idpp.gu.se/intresseomraden/naturvetenskap-och-teknik/resurser-forlarare/nordlab.se).Projektetskullepåämnesdidaktiskbasisbidratillutvecklingavnaturvetenskaplig undervisningochlärarutbildningiSverige.Forskarnautveckladeenomfattandeserieav23stycken workshopssomsyftadetillattunderlättaförlärareattbedrivaintresseväckandeundervisningsom gervaraktigakunskaper.Förattnådettasyfteansågsundervisningomnaturvetenskapenskoncept viktigaochtvåstyckenavworkshopsentoguppNewtonskraftlagar(Anderssonetal.,2003).Denhär uppsatsenvilltaupptrådenfråndenpedagogiskareformenmedinteraktivametoderochNORDLABSE,ochundersökerförförståelse,undervisningochlärandeavkoncepteniNewtonskraftlagarhos svenskagymnasieeleveridaginomramenförLgy11. Syfte Syftetmedstudienvarattundersökasvenskagymnasieeleverskonceptuellaförståelseavvardagliga mekaniskasituationeromkraftochrörelseochhurdennautvecklasefterundervisningifysikinom ramenförLgy11.Forskningenhadeföravsiktattbidratillkunskapslägetkringsvenska gymnasieeleversförförståelsekringkoncepteniNewtonskraftlagar.Jagvillevidareutarbetaettantal interaktivaworkshopsattanvändaieninteraktionsfasdärelevernamöterkonceptenipraktiken. Intresselågäveniattbedömahurelevernasedanförmåddetillägnasigdessakonceptjämförtmed vadsomtidigarerapporteratsilitteraturen. Bakgrund Fysikaliskproblemlösningharlängebetraktatsomdenviktigasteförmåganattbibringaeleveroch studenterigrundkurserifysikpågymnasienivåochuniversitetsnivå(Redish&Steinberg,1999). Framgångsrikastrategiervidproblemlösningidentifieradessomengodförståelseavfysikens koncept,engodförståelseförhurolikadelaravfysikenhängerihop,samträttkognitivattityd. Kunskapomfysikensbegreppochmodellerharidagflyttatsuppsomettavfemsyftenmedämnet fysikisvenskagymnasieskolanochsomstårpåjämbördigfotmedförmågatillproblemlösningiden senasteämnesplaneniLgy2011(Skolverket,2011).Detärvälbelagtattkonceptuellabegreppfrån fysikenssamtligaområdenärsvåraatttillägnasigförstudenterpåallanivåer(Halloun&Hestenes, 1985a,b;Hake,1992;Redish&Steinberg,1999;Bernhard,2000).Eleverharbyggtuppenbankav vardagserfarenheterochordensomfysikenlånattillsinabegreppärbehäftademedkonnotationer Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 5 somliteattgörameddetenfysikermenarisinsnävaväldefinierademeningavordet.Förattmäta studenterslärandeavdekonceptuellabegreppenhardetutvecklatsdiversediagnostiskatestsom taruppkonceptuellafrågor.TestkalladeMechanicsDiagnostics(MD)utveckladesavHallounoch HestenesiUSAföratttestakonceptuellförståelseavNewtonskmekanikunder1980-talet(1985a,b). VidareutveckladestesternaForceConceptInventory,FCI(Hestenes,Wells,&Swackhamer,1992) ochForceandMotionConceptualEvaluation,FMCE(Thornton&Sokoloff,1998).Testenutvecklades utifrånstudentersvanligaförståelseförkonceptuellamekanikfrågorgenomanalysavblandannat öppnafrågeställningarochutifrånnoggrannaintervjuermedstudenterutifrånderassvarpå provfrågorna.Testeninnehållerenuppsättningflervalsfrågor,därettkorrektnewtonsktalternativ figurerartillsammansmedvanligaochmindrevanligafelalternativ,sk.distractors,vilkaalltså inventeradesunderutprovningsfasen.Dehäpnadsväckanderesultatensomframkomredanvidde förstaundersökningarna(Halloun&Hestenes1985a,b)visadeattmajoritetenavstudenterna vidmakthöllsinamissförståndomfysikenskonceptochvaldesvarsommotsvarardistractors,även eftergenomgångenkursiuniversitetsfysik.Ifrån1992såsamladedenamerikanske fysikdidaktikforskarenRichardHakeinochsammanställderesultatenavförtest/eftertestenligtFCImodellenochliknandetestförsåsmåningom62kurseriNewtonsmekanik(Hake,2002).Studien omfattandesammanlagt6542eleverochstudenterpåbådegymnasienivåochuniversitets-och högskolenivå.Hakesmetaanalyservisadeatttraditionellundervisningifysikoftaärotillräckligförett verkligtlärandeavfysikensbegrepp.Resultatenharstödipedagogiskforskninginomden konstruktivistiskaochsociokulturellateoribildningen(Bernhard,2000;Redish,2004).Studenter tenderadeattanvändafysikensformlerganskamekanistisktochdetharoftagåttatterhålla utmärktabetygpåkursernagenomattlärasigbemästraatttillämpamatematiskaformlerochräkna ettantalstandarduppgifteravvarierandekomplexitetsgrad.Fysikersamfundetsåvälsomsvenska Skolverketidaganserattdetäravstorviktattettkonceptuelltlärandesker(Bernhard,2000; Skolverket,2011).Meraframgångsrikareceptförlärandeändentraditionellametodenföreläsning– räknestuga–labbhardiskuteratsmedemfasinomfysikensdidaktikalltsedanHallounochHestenes resultatpå80-taletochmycketharävenimplementeratsinomutbildningsväsendet.Mångaavde framgångsrikametodernahardetgemensamtattdeärbaseradepåettaktivtengagemangav studenternaochmellanstudenter,ochkallasförinteractiveengagement,IE,(Hake,2002)elleractive engagement(Redish&Steinberg,1999)(Bernard,2000).Hakesmetaanalyservisaratteleveroch studentersomundervisasmedIE-metoderpresterarmärkbartbättreitestenförkonceptuell förståelseändemsomundervisasmedtraditionellametoder. Interactiveengagementmetoder–översikt Hake(2002)definierarIE-metodersåsomdesomsyftartillattfrämjakonceptuellförståelsegenom interaktivtengagemanghoselevernagenom”heads-on(always)andhands-on(usually)experience” avfysikensomgeromedelbarfeedbackgenomdiskussionmedmedstudenterochellerlärare. Heads-onexperienceärliteoklartvaddetbetyder.Hands-onexperienceärettetableratbegrepp sombetyderattstudenternabörfåmötafysikenidenpraktiskaerfarenhetengenomattsjälvapröva påochupplevafenomenen.Heads-onexperienceverkarvaraettegetuttryckfrånHakeförjagfinner ingaandrareferensertilldet,menheads-ontordebetydaattdetrörsigomdjuptengagemangi konceptuellatanke-experimentsåsomuppgifternaidediagnostiskatesten.Heads-onärannarsen ordlekmedfrontalkrock,kanskeattelevertillsammansslårsinaklokahuvudenihopöver Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 6 konceptuellafysikproblem.Närforskningenunder1980-och-90-talenklargjordedestorabristernai traditionellundervisningsåutveckladesdetiUSAflerakursersomharettkursplananpassadtillIE metoder,sådanakurserkallasdåIE-kurser.TillexempelHakeochBernhardgerexempelpåIEmetoderochIE-kurser(Bernhard,2000;Hake,2002).Traditionella(T)kurserdäremotanvänderlite elleringenIEpedagogikutanfokuserarmestpåföreläsningar,räknestugorochivissmån laborationerochfokuserarpåattstudenternaskallbemästralösningavräkneuppgifterav standardtyp.SåvardetocksånärjaggickigymnasietimittenavnittiotaletiKarlskronaochäven underuniversitetsstudierifysikibörjanav2000-taletvidUppsalaUniversitet.Lärarengörföreoch studenternaförsökerreproducera.Detelev-interaktivamomentetvarganskafrånvarande.En laborationiIEärinriktadpåattelevernaskallupptäckaocherfarafenomenenochsjälvavaraaktiva. EnlaborationiTdäremotärfokuseradpåattstudenternaskalllösaenfärdiguppgiftochstoppain sinamätresultatiformler.FöreläsningariIEgårutpåattlärarengörkortademonstrationerochinför begrepp,studenternafårprovapåmångaexperimentsjälvaiensåkalladactivelearning environment(Heuvelen,1991).ProblemlösningiIEfokuserarpådetinteraktivamomentetmed lärandeismåelevgrupper,ettviktigtmomentgårutpåattstudenternasjälvaskalltaredapå väsentligavariablersombehövsföratträknautettproblemvilketgörupplevelsenmerahands-on. ExempelpåIE-metoderär 1) Cooperativelearningmethods(Johnson,Johnson,&Stanne,2000)ärettsamlatnamnför allatyperavmetodersomfokuserarpåsamarbeteochdiskussionmellanstudenteri studentgruppersnarareänindividuellaochtävlingsinriktademetoder. 2) RealTimephysicssomanvänderdatorassisteradteknikirealtidpåettväldigtsmartsättför attillustrerafysikaliskakoncept,såkalladMicrocomputerBasedLabs,MBL.Ettexempelpå enövningsomtagitsframärattelevernaviaendatoruppkoppladsensorsomkännerav hastighetenhosstudentenfårdennelärasigatttolkahastighet-tiddiagram(Bernhard,2007), vilketärenstandarduppgiftifysikkursplanerochfysikläroböcker.Studentensegenrörelse kommerupppåendataskärmirealtidochstudentenskallförsökareproduceragrafernamed sinegenrörelse.Detinteraktivamomentetärväldigtlättattfåmedistudentgrupper.Ien traditionellräknestugaskulleelevernasittaochtolkahastighet-tiddiagramutifrånolika standarduppgiftergenomattläsalöstaexempelilärobokellerförmedlatavenlärare. 3) Koncept-test.Genomattlösakonceptuppgiftermedflervalsalternativochdiskuteraolika vanligauppfattningaromfysikaliskaproblem. 4) Workshopsphysics,ActiveLearningProblemsetsellerOverviewCaseStudies–härutvecklas entypavpraktiskaellerteoretiskainteraktivaworkshopssomfokuserarpåfysikaliska koncept(Heuvelen,1991). 5) Problembaseradinlärning(PBL)ärenspeciellmetodsomutvecklatskringöppna frågeställningismåinteraktivaelevgrupperochsomvisatsigframgångsrikförlärandeav fysikenskoncept(Sahin,2010) 6) Socratic-dialogueinducinglabs(Hake,1992).Genomattutsättastudenterföraktiva uppgifter(hands-on)somtestarkoncepteniNewtonskdynamikochutmanartidigaresuntförnuftvanföreställningar,kanmanfådemattibästafallattföradialogermedsigsjälva, varandra,ellerläraren. Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 7 MiningångtillämnetkomnärjaglästeenstudiefrånNORDLAB-SE(Anderssonetal.,2003)som ingickienserieÄmnesdidaktikipraktiken–NyavägarförundervisningiNaturkunskaputgivenvid GöteborgsUniversitet.IbokeningickWorkshop4,Mekanik1–Newtonsförstaochandralag,samt Workshop5,Mekanik2–Newtonstredjelag.Dessaworkshopsfinnsfortfarandeattgooglaoch laddanerfråninternetpåhemsidan(http://idpp.gu.se/intresseomraden/naturvetenskap-ochteknik/resurser-for-larare/nordlab.se).Workshopsengårigenomettantalvanligaelevtänkandeom konceptuellasituationeromkraftochrörelsejämförtmedhursituationernakantolkasmedNewtons lagar.Deinteraktivamomenteniworkshopsenvarettantaltankeexperimentkringmekaniska situationerenligtdenvälbelagdaMD-traditionenochefterföljare,ochmotsvarandeHakesheads-on IEövningarellerkategori3iminuppräkningavIE-metoderovan.Workshopsengerävennågraså kalladeProvförlärandemedinteraktivformativbedömningkringelevsvaren,ettnumeranedlagt projekt,menvilketverkligenmåstevaritiframkantennärtextenkomut.Provenförlärandekunde alltsådelsanvändassomkoncepttestförattbedömaeleverskunskaper,mensyftetvarsnarareatt bidratillökadkonceptuellförståelseavmekanikensbegreppgenomattgeingångartillformativ bedömning. Metod IdetförstaavkunskapskravenförkursenFysik1aiLgy11stårattelevenskallkunnaredogöraför begreppförvartochettavkursensområden,avvilkarörelseochkrafterärett,(Skolverket,2011).En studieaveleversförståelseavbegreppinomkraftochrörelseärsåledesbådebefogadochlämplig attgenomföraunderenkursiFysik1avidgymnasietienelevgrupp.Förattmätaeleversförståelse avfysikenskonceptochbegrepputveckladesettformulär,avtypendiagnostisktprov,medtjugu styckenkonceptuellafrågoromkrafterochrörelse.Formuläretgavsdelsdiagnostisktförekursenoch delssummativtefterkursen.Medförtestmenashädanefterprovetsomgavsföre undervisningsperiodenochmedeftertestmenasnärprovetgavsefter,mendetrörsigalltsåom sammaprov.Provetblevettförstaredskapförattbedömaelevernasförkunskaperochlärande. Frågornaiformuläretlämparsigvälförintervjueraveleverförattförståhurderesonerarom konceptuellaprobleminommekanikenochhurdetillägnarsigdefysikaliskabegreppen.Intervjuer planeradesdärförsomkomplementtilldetdiagnostiskatestetförattgeenmernyanseradbildav elevernaskonceptuellaförståelse.SomdeliexamensarbetetharjagocksåutvecklatfyrastyckenIEworkshopssomillustrerarkoncepteninewtonskmekanikipraktikenochsomgesunderkursensom delieninteraktionsfas.Resultatenidetdiagnostiskatestetföreochefterinteraktionenanalyserades enligtgängsestatistiskamodellerförattjämförasmedandrastudier.Studiensuppläggkanillustreras medettblockdiagram: Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 8 Figur2.Tidslinjeförundersökningen. Studiensurval StudienvarlämpligattgenomförainomramenförenperiodinomkursenFysik1avidgymnasiet. Elevernaviddenutvaldaskolangickförstaellerandraåretpågymnasietochvar16eller17år. Antaletelevervar8stycken.Detringaantaleteleversomdeltogistudienförsvårargeneraliseringen avkvantitativaanalysermenutgöringethinderförenjämförelsemedtidigareforskning. Etiskaaspekterpåeleversmedverkan Elevernainformeradesomdeforskningsetiskakodexarochkravpåinformation,nyttjande,samtycke, frivillighetochkonfidentialitetsomärpraxisinomhumanistiskochsamhällsvetenskapligforskning (Hermerén,2011).Dennainformationgavsvidtvåtillfällenförestudiensomförberedelse. Informationengavsävendirektföredediagnostiskaprovenochvarjeintervjuochvidsamtligadessa tillfällenefterfrågadessamtycke.Eftersomeleverna,somärminderårigaochdessutomstårien underordnadsituationtillenlärare,likvälskullekunnahamissatattuppfattaattderassamtycketill attmedverkaistudienvarfrivillig,såfrågadejagigenomfrivillighetochsamtyckeenytterligaregång efterstudiensgenomförande,genomattbeelevernafyllaiettformulär,seBilaga1.Allaelever samtyckteävendennagångochingenvilletatillbakasinmedverkan.Vidåtergivandeavcitatfrån intervjuerirapportengesbaranamnetElev1,Elev2…Införvarjenyttbegreppsomcitatenberörså börjasompåElev1.DetfinnsalltsåingenkorrelationmellanvemsomrefererastillsomElev1vid diskussionerunderdeolikabegreppen.Däremotbevaradesnamnkodningiminakälldataförattgöra detmöjligtattstrykacitatvidhändelseavattnågonelevskulleviljatatillbakasinmedverkani studien.Neutralapronominaanvändsvidomskrivningar.Förvidareetiskaaspekterpåelevers medverkan,seBilaga1. Diagnostisktprov Närjagarbetadeframmittdiagnostiskaprovkundejagtagodhjälpavworkshopsen4och5ifrån NORDLAB-SE(Anderssonetal.,2003).Deflestaavproblemenimittdiagnostiskaprovärkopioreller omarbetningaravfrågornadär,menävennågraegnaliknandefrågorharkonstruerats.Problemen somstudenternafårtaställningtilliGöteborgsstudienellerimittdiagnostiskaprovärintepånågot sättnyaelleroriginella.Defåranseskommaurengrundbankavfysiker-,fysiklärar-, fysikdidaktikerkunskapochfrågeställningarnaärgängseåtminstonealltsedanHallounochHestenes studierpå80-talet(1985a).Liknandefrågorsomminahartestatsnoggrantförvaliditetochreliabilitet iutformningenavMD(Halloun&Hestenes1985a)ochFCI-testen(Hestenes,Wells,&Swackhamer, Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 9 1991),såingavidaretesterföratttestadettagenomfördes.Hake(2002)menaremellertidattdetär avviktförfysikdidaktiskforskningattdiagnostiskaprovhållshemliga,såattdekanåteranvändasför attävenifortsättningenkunnajämföraelevresultatenlikvärdigtårfrånår.Provenkananvändasför atttillexempelstuderaförändringaraveleverskunskaperövertidellermedinförandeavnya läroplanerochundervisningsmetoder.Jagskullet.ex.kunnatänkamigattgenomföraprovenäven förandraklasserochförastatistikfrånårtillår.Jagväljerdärförattintepubliceradetdiagnostiska provetsombilagaiExamensarbeteteftersomdetdåbliroffentligt.Omenkopiaönskasavopponent ellerexaminatorförbedömningkanjaggärnaskickaettmotlöfteomkonfidentialitet. Ettidentisktdiagnostisktprovgavsalltsåelevernadirektföreochsomavslutningpå undervisningsperioden.Detrörsigomtjugufrågormedillustration.Elevernaskulleifrågornavälja ettavfleraalternativ,därettavalternativenärettkorrektnewtonsktalternativochdeandra motsvarasavdistractors.Syftetmeddetdiagnostiskaprovetvarattfåettkvantitativtmåttpå studenternasförståelseavfysikaliskabegreppsomkraftochrörelsesamtderasslutledningsförmåga samtderastolkningavenklamekaniskasituationer.Genomattjämföraresultatenpåförtestoch eftertestavsesattmätaelevernaslärande,sevidareunderDiskussion.Förattförenklaanalyserna harjagvaltattsättaettendaalternativsomdetkorrektanewtonska.Vilketsvarsomärkorrektkan emellertidivissaavfrågornaberopåkontext.Isåfallförväntaselevernasjälvaståförkontexten underintervjuer. Intervjuer Intervjuerianslutningtillförtestocheftertestgenomfördesförattfåenmerkvalitativförståelseav hurelevernaförstårdelssituationerochdelsbegreppinomfysik.Ansatseniuppsatsenärjuäven hermeneutisktillsinkaraktär.Frågornaidetdiagnostiskaprovettvingarelevernaatttaställningtill begreppochsituationertillexempelgenomsinordförståelseavfysikensbegrepp,sinpraktiska erfarenhettillexempelipulkabacken,sinaförkunskaperifysik,likvälsomsinlogiska slutledningsförmågaeftersommångasituationerantagligenärnya.Stödanteckningarmedcitat fördesunderintervjuernaochiblandvidlängreplaneradeintervjuerspeladesintervjunin.Attgå igenomhelatestetmedenelevvisadesigtaåtminstoneentimme. Intervjumetodik Intervjuermedstudenterskeddeianslutningtillförtestocheftertest.Intervjuplanenmedetiska aspekterfinnsidetaljiBilaga1.PågrundavlikvärdigbehandlingaveleverenligtLgy11,såerbjöds elevernamöjlighetattgenomföraprovenmuntligt.Idessafallpassadejagpåattgöraintervjuerna undertiden.Intervjuernagicksåtillvägaattjagbadelevernamotiverasittvalavsvariutvaldafrågor genomattbedemberättahurdetänktenärdevaltsinaalternativ.Måletvarattlåtaeleverna berättafrittsjälvutifrånexempleniprovenochstyraderassvarsålitesommöjligt.Ettmålvarattjag somförsöksledareskullepåverkastudenternassvarsålitesommöjligtunderintervjuerna. Intervjuförfarandetdiskuteradesiförvägmednågraerfarnakollegorpåskolan.Jagvarnogamedatt göraklartförutsättningarnamedelevernaföreintervjuerna,nämligenattjaginteskullegevarken negativellerpositivfeedbackangåendeomderassvarsalternativvarrättellerfel.Måletmedminroll underintervjuernavarattageraneutraltmendelångaintervjuernainnebärändåvissaöverväganden ochkompromisser.Jagvaldeattuppträdaförsiktigtförstärkandeochuppmuntraelevernanärde resonerarsigframtillsinasvar,tillexempelnärdetänktlogisktutifrånfysikaliskalagardenämner, Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 10 ellerjämförmedsinegenpraktiskaerfarenhet.Detkunderörasigomneutralpositivförstärkning såsom”Bra!”,”Fortsätt!”,”Berättamer!”,”Vadfintduresonerar!”.Enlångintervjuutannågon förstärkningärknappastneutralförenelev,specielltinteomintervjuarenärenlärare.Elevenskulle snararetenderaattblibesvikenöverattintefånågonuppskattningförsinautläggningar,ochkanske ionödanfåennegativattitydinförfrågornaochdärmedunderprestera. Interaktion Vanligundervisningsåsomgenomgångaravbegreppochdemonstrationer,lösningav övningsuppgifterm.m.,varvadesmedfyrastyckenworkshopssomtagitsframspecielltfördenhär uppsatsenföratttränadefysikaliskakonceptsomdetdiagnostiskaprovettestar.Dethandlardels omenuppgiftPyramiderna1ochPyramiderna2,delsGalileisfallexperiment,samtKastasnöboll. SåsomdiskuteradesiBakgrundärIE-metoderspecielltlämpadeförlärandeavfysikenskoncept. WorkshopsenutarbetadesdärförinommetoderförIE,ochvaravövervägandepraktiskhands-on karaktär.EftersomundersökningengenomfördesinomramenförkursenFysik1a,tillkommermånga andrakunskapskraviworkshopsenänbaraförmåganattresonerakringNewtonskraftlagar,mende övrigakunskapskravendiskuterasintehär.Dettabetyderävenattandradelarändefyraspeciella workshopsgivetviskanhabidragittilleleverskunskapsinhämtandeunderinteraktionsfasen. Genomförande Undersökningenintegreradesienundervisningsperiodomcirkatvåochenhalvveckamed sammanlagt26timmarsundervisningstidikursenFysik1a.Stoffetförundersökningenärenviktig delavkursen,menjagpoängteradeförelevernaattresultatetpåförtestocheftertestinteskulletas medibedömningenförkursenutanattdetvarförforskningssyften.Justföreavsnittetomkrafter skullegåsigenompresenteradejagstudienförelevernaochtoguppanonymitets-,medgivande-och frivillighetsaspekten.Sågenomfördesförtestmedintervjuer.Sedanföljdeinteraktionsmomenten. Detvarspecielltunderdefyraworkshopssomjagkoncentreradeinsamlingavmaterialfrån studenterna,iformavsituationersomberättaromhurdeförstårNewtonskraftlagar.Direktefter avslutatmomentföljdeeftertestmedintervjuer.Elevernafickvetahurklassenpresteratpåeftertest jämförtmedförtest.Dejämföranderesultatendiskuteradesihelklass. Resultat Idethäravsnittetpresenterarjagelevernassvarpåförtestocheftertestsamtgörenkortfattad redogörelseförhurdefyraolikaworkshopsenutföll. Elevernasresultatpåförtestocheftertest Elevernassvarpåförtestocheftertestillustrerasifigur3.Härpresenterasandelennewtonskasvar fördetjugoolikafrågorna,detvillsägahuroftaelevgruppenvaldedetalternativsomanseskorrekt enligtfysikenslagar. Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 11 Andelkorrektasvarföreocheperinterakqon 1 Förtest Epertest 0,9 Andelkorrektasvar 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Fråganr Figur3.Andelkorrektaelevsvarpåfrågornaidiagnostisktprovföreinteraktion(rödstapel-förtest)ochefterinteraktion (grönstapel–eftertest). Totaltantalkorrektasvarföre:52av160,dvs32.5% Totaltantalkorrektasvarefter:99av120,dvs82,5% Noteraattsvarenanseskorrektaomrättsvarsalternativvalts,oavsettomelevkanmotiverasinasvar påettkorrektsättellerinte.Resultatenvisarattelevernapresterarmärkbartbättrepåeftertestän förtest.Enstatistiskanalyssomjämförresultateniförtestocheftertestpresenterasunderavsnittet Diskussion.Påförtestfinnssjufrågordäringenavelevernatänkernewtonskt.Detfinnsemellertid äventvåfrågordärsamtligaeleverhaderättsvar.Påeftertestsåpresterarallaeleverellerallautom enelevettnewtonsktalternativpå15av20frågor.Fråga18stickeruteftersomsamtligaeleverhade ettnewtonsktsvarpåförtestmedansfleraeleverhadevaltendistractorundereftertest.Härhade undervisningenkanskesnararebidragittillförvirring.IFråga20verkarförvirringkvarståeftersom elevernafortfarandeharhögandelfelaktigasvar. Analysavelevernasförförståelse Härfördjupastolkningenavelevernasförförståelsegenomanalysavvilkaalternativdevaldeiförtest ochhurdemotiveradesinasvarpåintervjuerna.Newtonslagarpresenteradesifigur1iBakgrund. Meneftersomdethärärettarbeteifysikensdidaktikliggerintressetvidattförståhureleverna tänkeromfysiksnarareänhurdebordetänka,d.v.s.enligtNewtonslagar.Därförväljerjagatt kategoriseraelevernassvarefterhurdeförstårfrågorna,vilketskiljersigfråntillexempelanalysen avNORDLAB-SE(Anderssonetal.,2003).Samtligaintervjuervisadenämligenattelevernavarmycket Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 12 månaomatthittaförklaringsmodellermedengemensamlogiksomkanförklaraflerafenomen samtidigt.Svarenpåförtestochanalysavefterföljandeintervjuervisarattfrågornapåförtestkan kategoriserasutifrån4styckenelevlagar.Dessakategorierstämmervälmedvadsomärkäntifrånde förstasystematiskastudiernaöverhurstudenterbrukartänka(Halloun&Hestenes1985a,b). Missförstånd1Föremålmedstormassafallerfortast(fråga1-4) Missförstånd2Rörelseframåtkräverkraftframåt(fråga5-14) Missförstånd3Krafterväxelverkarinte(fråga15,16,17,19) Korrektförståelse1Föremålmedlitenmassapåverkasmeravenkraftänföremålmedstormassa (fråga18,20) Missförstånd1Tungaföremålfallerfortast Detfinnsettklassisktfysiklärarproblemsomfrågarhuruvidaföremålmedstormassa(tunga)faller fortareänföremålmedlitenmassa(lätta),omalltannatärlika.GenietmedGalileivaratthankunde görajustdennareduktion,alltannatlika,medansenovanbetraktaretenderaratthängauppsigpå olikasmådetaljersomskullegöraatttvåföremålinteskullefallariktigtlikafort.Detvisadesigi förtestatthälftenavelevernatroratttungaföremålfallerfortare,ochhälftentroratttungaoch lättaföremålfallerlikafort,vilketfickutgöradetnewtonskasvaretpåfrågan.Eleverhade erfarenhetertillexempelfrånpulkabackenellervattenrutschkananavatttyngrepersoneråker fortareochgeneraliserarutifråndet.Vidarefannserfarenheteravlättaföremålsomfjädraroch höstlövsomsaktasinglarmotmarkenmedansstenarfarraktnertillsynesutanmotstånd.Desom uppgavatttungaföremålfallerfortareåberopadetyngdlagen,somdekändetill.Tungaföremålhar jusombekantstörretyngdkraft,ochdessaeleverslötsigdärförtillatttungaföremålsåledesborde fallasnabbaretillmarken. Elev1:[Lärare:-Ärdetnågotduharlärtdig?]Nä,detärlogiskttänkande.Tungtföremålharjustörre kraft,störregravitation,alltsåfårdenstörreacceleration,dåblirdetstörrehastighetochdenfari markenförst. Vidare: Elev2:Detharjagläst.Mendetärlitemotstridigt.Detbordevaradentyngresomfallerlitelite snabbare.Tvåkilomergerväldigtlitemertyngdkraft.Mentvåplanetermerskullegöraskillnad.” Elev3:Härtänkerjagattdetbordevaradetungaföremålensomfallersnabbarefördeärjusom tyngre.Ommansläpperenfjäderochenpinnesamtidigt,fördomharjuungefärlikadanform,då fallerjupinnensnabbareföratttyngdkraftenpåverkarväldenmer…tänkerjag.[Lärare:Vadärdet somfårenfjäderattfallalångsammaretrordudå?]Jadenärjusomsålätt,sådåblirdetsvårtför denattfåsomenpunktsomskadradenner.Medansommantarsomettbowlingklotsåharden somenväldigtkompaktpunktsomdrarnerden. Elev4:[Dentungafallerfortare].FörattomviskulletaHulkenochmig,dåkommerHulkenattdras medmycketmertyngdkraftmotmarken,justföratthanvägermer. Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 13 Elevernasresonemangatttungaföremålutsättsförstörretyngdkraftärgivetvisheltkorrekt.Vad ingenavelevernatänktepåvarattdemåstetänkaiettledtillförattlösafrågan,nämligenatt föremålmedstormassaävenärtrögareattaccelerera.Dettaärnaturligtvisnågotsomävenunga människorharerfarenhetav,mendessakunskaperapplicerasavnågonanledningintehär.Enannan kategoriavsvarpåfråganvarattvissaeleverharlärtsigatttungaochlättaföremålfallerlikafort. Mendemedgavattdetärmotintuitionen,ellererfarenheten. Elev5:JagtroddeAnärjagvarliten.[dvsatttyngreföremålfallerfortare]Menvitestademedmin pappa[ochkomframtillattdetintevarså].Viharnogtestatisjuanockså,duvisademedenplanka atttungaochlättaföremålfallerlika. Elev6:Jagharlärtmigattdetvarså,detvarpånationellaprovetinian.Vitestademedenpendel ochkomframtillattdetgicklikafort,alltsåtoglikalångtid. Såledesvisarbådatyperavsvar,bådedeeleversomvaldeettnewtonsktalternativochdesomvalde endistractor,påattelevernatyckerattdetärlogisktatttungaföremålfallerfortaretillmarken. Missförstånd2Rörelseframåtkräverkraftframåt Enmycketvanligförförståelsehosstudenternaärdenattenrörelseienriktningkräverenkrafti riktningen(Anderssonetal.,2003).Detkanhandlaomenrörelsemedkonstanthastighethosenbok somengåendepersonhålleruppihandflatanellerenpassagerareiettflygplansomrörsigmed konstantmarschfart: Elev1:Jajaggerdenjuenkraft!Ävenomdenliggeriminhandsåblirdetjukraftfrånmig,fast annarsskulledenbaravarastilla.Jagharhörtattalltharkraft! Elev1:Manharjusammakraftsomflygplanet.A!Förompassagerarenåkermediplanetochingen kraftpåverkarsåskullemanjuinteåkamed. Svarenmotiverasutifrånobservationochlogiskaslutledningaravfysikaliskalagarsomelevenkänner till.Observation:Bokenrörsigframåt.Fysikalisklag(implikationAmedförB):Omettföremål påverkasavenkraftframåt,sårörsigföremåletframåt.Logiskdeduktion:ickeBmedförickeA. Slutsats:Bokenpåverkasejavenkraftfrånhanden.Elevenärhärenfullfjädradempiriker,fast arbetarutifrånenkorruptnaturlag. Somsesifigur3fannsdetävenelevsomhadekorrektalternativifråga7påförtestet. Elev2:Detärjuplanetsomrörsig.Manrörsigjuinteinuti.Mankanjugåruntiplanetutanattman påverkasavplanet.SådetbordejuvaraB.[dvsattpassagerarenintepåverkasavnågonkraftframåt frånplanet] Svaretmotiveradesutifrånerfarenheten,attenkraftifrånplanetbordejuvarapåtaglig,mendet kännsjuinget,förutomunderstartochlandning.Elevenharantagligenenegenerfarenhetavatt rörasigiflygplan,ochattdetintekännsväsentligenannorlundaänattgåpåmarken.Elevenmenar ändåattpersonensomsitteriflygplanetinterörsigframåt,iförhållandetillplanet,ochalltsåinte kanpåverkasavenkraftfrånflygplanet.Denfysikaliskalagensomeleventillämparhärärsnarare: Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 14 OmettföremålFpåverkasavenkraftfrånföremålG,sårörsigFframåtiförhållandetillG. SlutledningenföljersammalogiskastruktursomhosElev1justovan.ÄvenElev2göralltsåkorrekta empiriskaslutledningar.Mentrotskorrektsvar,såärävendennaelevfastisammamissuppfattning somdeandraeleverna,nämligenattrörelseframåtkräverkraftframåt.Elevenmäterbararörelsen frånenannanreferensram,planets. Elevernaförmårvidareutvidgakraftbegreppettillattomfattaresulterandekrafterilikhetmed Newtonsdefinitionavresulterandekrafter. Elev3:Ommotkraftenhadevaritlikastorsåhadedenjuintekommitnågonstans. Fråga8-9gerenmodifieringavelevernaskraftlagarienslagströghetslag:Enkroppbefinnersigivila omdenresulterandekraftensomverkarpådenärnoll,enfelaktigmotsvarighettillNewtonsförsta lag.Fråga6-7låterelevernaformuleraenslagsKraftlag,motsvarighettillNewtonsandralag, nämligenattEnresulterandekraftsomverkarpåenkroppgörattföremåletrörsigikraftens riktning.Elevenfästeringenviktvidacceleration,detärhastighetensomräknas.Elevenkanalltså intehållaisärrörelseochförändringavrörelse(Redish&Steinberg,1999).Betraktandeavenpucks saktainbromsningpåisenellerenbollsomskjutsuppåtförattsedannåettvändlägeochvända neråtvisaremellertidattelevernaharenuppfattningomvadaccelereradrörelseinnebär. Missförstånd3Krafterväxelverkarinte SamtligaelevervarövertygadeattSolenpåverkarJordenmedendragningskraftochattenmagnet påverkarenlitenspikmedenmagnetiskkraft.Vissaelevertroddeattdetbaravarmagnetensom utövadeenkraftpåspikenochattspikeninteutövadenågonkraftpåmagnetenalls.Däremottrodde allaattJordenpåverkadeSolenmedenmindrekraft,ochdroganalogimedattMånenjupåverkar Jorden.Allaelevertänktesigattdenmerpotentakroppenikraftparet(dvs.Solenrespektive magneten)utövarenstörrekraftpådenandraänviseversa,imotsatstillNewtonstredjelag. Elev1:ÅhGud!Kundeduinteförenklatdomhärfrågorna?Solenharjustörrekraftänoss. Konstaterat![Elevenochlärarensnurradesedaninsigiattförsökaläsaalternativenochelevens motiveringslarvadesbort.Svarsalternativenfickförenklasinföreftertest.] Elev2:Detärtvåsakersomenligtmigärlogiska.Detärjutypdragkraft.Jordenbordejupåverka Solenliteeftersomdenharjumassa,menSolenbryrsiginteeftersomSolenärjusåmycketstörre. Solenharjusåmycketstörrekraftsjälv.Omdenärstorsådrardenjuhårdare.Massagerjumer tyngdkraft. Elev3:Nej,vår[kraftfrånJorden]ärvälsåsvag.Såjagvetintevarförviskullepåverka. Elev3:Detkännsintesomattspikenutgörnågonkraft.Denutgörintenågonkraftsompåverkar magneteniallafall.Trorjag.Förjagtänker…Jaggissardet. Problemnummer17handladeomtvåbarnivarsinkundvagn.Denenapersonen,densomväger mindre,puttarpådetandrabarnetskundvagn.Vempåverkardenandremedmestkraft?Allaelever jagintervjuadeutomenhadeegenerfarenhetavsituationenattsittaikundvagnochputta,så situationenvarbekant. Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 15 Elev4:Jagharsuttitimångakundvagnar,ochputtatbortmednågoni.Ochdååkerjagbakåtmed. Mendetberoddepåenväldigmassasaker.Ochsakerjagintevet.Såjaggjordeoledoledoff. Elev5:Bådautövarenkraftpåvarandra.Bådakommertillattåkabakåt.[Läraren:Dåfrågarjagom krafterna!]Bådautövarenkraftpåvarandra.NärAputtarifrånfårAmerkraftänB.Fördenandre väger15kgmer. Ommantolkarelevenssvarsalternativifråga17såansespersonAvaramerpotentänB.Liksomi exemplenmedSolenochJordenansågsAvaramerpotentförattdetvarhansomputtade.Treav åttaelevertyckerinteattpersonensomblirputtadpåpåverkardenputtandepersonenmednågon kraftalls.Deandratyckteattkraftenfråndenputtandepersonenärstörre.Eleverharsvårtatthålla isärpåkraftsomverkarpåenpersonjämförtmedkraftsomverkarfrånenperson.PersonenA verkariallafallvaramestpotentfördetärdensomputtar,ellerförattdenärlättastochalltså bordefarabakåtmest,ochalltsåbordehaenstörrekraftpåsigeftersomdenpåverkasmest.En vanligförståelseverkaralltsåvaraattförståkraftverkanipargenomattidentifieraenavtvåsomär merpotentochutövarstörrekraft,ellerallkraft.DennatolkningärikontrasttillNewtonstredjelag omväxelverkan. Korrektförståelse1Föremålmedlitenmassapåverkasmeravsammakrafteränföremål medstormassa Tvåfrågorhandladeomattavgöravemsomfårstörsthastighetikraftparenbarnenikundvagnarna ellermagneten-spiken. Elev1:MinmagkänslasägerattAharstörrehastighet.Ommantryckerifrånnågotmedfötterna,då ärdetjumerdensomputtar.OmvitänkerattBärenvägg,dåkommerjujagflyttasfortbakåtom jagärbrapåattputta.Afårstörrekrafteftersomdenputtarifrån. Elev2:AfårstörrefartförattdetärAsomputtar Elev3:Afårstörrehastighet…Detärjusvårareförentyngreattfådetattrörapåsig. Elevernassvarifrågornasomrörväxelverkanvisadesigattelevernakundekorrektidentifieraattden lättarekroppen(barnetsomvägerminstellerspiken)skullefåstörsthastighetiväxelverkansparet. DehärsvarenärienlighetmedNewtonsandralag,ettvisstNewtonskttänkandealltså.Men analyskategori3ovanvisadejuattelevernaintehadenågonerfarenhetellerförförståelseav växelverkan.Ingenkundeavgöraattbådedenstoraochlillakroppenikraftparetpåverkadesaven likamenmotriktadkraft.Elevernasanalysavsituationenärattdenkroppsompåverkasmestutsätts förstörstkraftochvidareattdensomharlägstmassapåverkasmest.Detverkarintesomom elevernakanhållaisärkraftochmassaisituationen.Ennewtonskförståelseäriställetattdensom harminstmassapåverkasmest,eftersomkrafternaalltidärlikastora(menmotriktade)vid växelverkan,enkombinationavNewtonsandraochtredjelag. Detvardagligabegreppetdragningskraftärenmissledandebeteckningförgravitationskrafteftersom detfåreleverattfelaktigttroattdetbaraärSolensomdrariJorden,ellerJordensomdrariNewtons äpple,närdetisjälvaverketrörsigomenväxelverkandärbådakropparnadrasmotvarandra. Betydelsenibegreppetdragningskraftharsammasemantiksombetydelsenavelevernaskorrekta Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 16 förståelseattFöremålmedlitenmassapåverkasmeravsammakrafteränföremålmedstormassa, eftersomdetäreffektenavkraftensomåsyftasibådafallen.Mendennalåtvarakorrekta tankekategoribyggeralltsåpåettinkonsekventochofysikalisktbetraktandeavvärlden. Interaktion AvutrymmesskälvarjagtvungenattlyftautgenomförandeochanalyseravdefyraIE-workshopsen uruppsatsen,ochderedovisasbaraytterstkortfattathär.Denbesvikneläsarenärvälkommenatt höraavsigtillmigförenkopiaavdettamoment. Interaktion1Galileisfallexperiment Elevernatvingasarbetapraktisktochinteraktivtmedkonceptenhuruvidatungaellerlättaföremål fallerfortast,samtävenskapaenkonceptuellförståelseförrörelsemedkonstantacceleration. Workshopenäravkategori4iminlistaöverIE-metoder. Interaktion2Kastasnöboll Elevernatvingasarbetapraktisktochinteraktivtienpraktiskövningattkastaensnöbollsåhögtsom möjligtochförsökaräknauthurhögtdenkomgenomattanalyseratidenbollenäriluften. Workshopentordeävendennaavtyp4minuppräkningavIEworkshops.Emellertidvisardetsigatt konceptenidennaövningvarsåsvåraattförståattdethelautveckladesigtillensokratiskdialog medläraren,avtypen6minuppräkningalltsåochintespecielltinteraktiv.Analysensyftartillatt elevenskallförståvilkakraftersomverkarpåbollenunderolikalägenunderbollbanan.Den matematiskaanalysenavkastetsomrörelsemedkonstantaccelerationsattmycketlångtinneoch ävendennablevavtypensokratiskdialogmedläraren.Detinteraktivamomentetiworkshopenblev intesåstarktsomjaghadetänkt. Interaktion3Pyramiderna1 Workshopenärenheads-oninteraktivövningiattläsaochdiskuteraenvetenskapligartikelsom tvingarelevernaattdiskuterakrafterochkraftlagarsomärinblandadedåettföremåldrasmed konstanthastighetgenomökensanden.Workshopenförberederävenelevernaföregnapraktiska experimentinspireradeavartikeln.Denvetenskapligaartikelnsomelevernastuderadevarifrån PhysicalReviewletters(Fall,2014)ochblevomnämndidagspressenochdenpopulärvetenskapliga presseniSverigenärdenpublicerades.Frågeställningeniartikelnhandlaromdenevigafråganom hursjuttondegamlaEgyptiernagicktillväganärdetransporteradedestorastenblocksombehövdes förattbyggaPyramidernalångtutiöknen.Forskarnaiartikelnhadegjortennytolkningaven gammalväggmålningfrånenegyptiskgravkammare,möjligeninspireradeavlatadagarmedbarnen påstranden.Väggmålningenkanskeintehadevaresigmytologiskellerrituellkaraktär,utankunde detrörasigomenrentpraktiskinformationsbildomhurnågonhälldevattenframförslädarna? Vattnetgjordesandenmerakompaktochhållfast,vilketävenettlitetbarnharerfarenhetav. Procedurenskulleunderlättatransporteravtungastatyerochstenblockgenomöknenuttill Pyramiderna.Forskarnahadeundersöktsandavolikafuktighetochkornstorlekilaboratoriet. Dragexperimentförattbestämmafriktionskrafterochfriktionstalärjustentypiskillustrationav Newtonslagar.EnavfrågornatilluppgiftenPyramiderna1handladeomattstudenternaskulle kunnaanalyserakraftjämvikterrelevantaförenstensomsläpaspåenslädegenomöknenmed Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 17 konstanthastighetochförklarahurforskarnafickutfriktionstalet.Elevernadiskuterade forskningsfrågornaiinteraktivasmågrupper. Interaktion4Pyramiderna2 Övningenäråterigenenkategori4interaktivworkshop.Klassenföretogenresatillenvacker sandstrand.Elevernaskulletestasandensbärighetförolikaekipage.Måletvarattpraktisktprovapå hurdetärattdratungalassisanden,seFigur4,såsomdegamlaEgyptiernakanskegjordeföratt fraktastenblockenuttillPyramidernaiöknen(Fall,2014).Detvareneftermiddagibörjanavapril, sandenvarganskablötpågrundavsnösmältningenochdessutomhadedetbörjatregnalättcirkaen timmeinnanexperimentetbörjade. Figur4.FriktionsexperimentidegamlaEgyptiernasanda,fastimoderntappningvidstrandenavettvattendragvid svenskvår.Bobendrasmedenbagagevågavpersonenmedhattenvidkonstanthastighetochdragkraftenmäts. Friktionstaletkandåberäknasefterennewtonskanalysavingåendekraftjämvikter.Bildenäranonymiserad. Elevernaprepareradeenjämnsandbäddochförbereddesinaslädargenomattkopplapå dynamometrarpåslädarnaochläggapåbelastning,tillexempelenstorellerlitensten.Dragkrafter mättesgenomattdraekipagetmedhorisontelldraglinaochlågkonstanthastighetsågottdetgick. Elevernaupplevdeattdefickhyfsatreproducerbaraochkonstantavärdenfördragkrafternanärde drogsinaekipagemedkonstantlångsamhastighetöverdenprepareradesandbädden.Förattmäta tyngdkrafterladesekipagetienbärkasseochtyngdenmättes.Efterennewtonskanalysav kraftjämvikterkundefriktionstalberäknasochjämförasmeddenvetenskapligaartikeln(Fall,2014). Eftertest Gemensamtförelevernasresultatpåeftertestvaralltsåattdehademycketstörreandelkorrekta svar,vilketvisadesochpresenteradesianslutningtilliFigur3.Enstatistiskanalysavresultaten redovisasiDiskussionnedan.Härpresenterasvaldaresultatavintervjuernaochjämförsmed Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 18 elevernasförförståelsekategorier.Samtligaeleversvaradenuatttungaochlättaföremålfallerlika fort.EleverkundeargumenterautifrånNewtonslagar: Elev1:DetvarjuenavNewtonslagar.Deharsammaformochfriktionsådåfallerdelikasnabbt. Omdentungamassanblirstörresåblirävendentrögamassanstörre. Elev2:Dethadejumedgravitationattgöraochtungamassandelatmedtrögamassanärjuett. Ettannatsättattargumenteravarutifrånexperimentsomdemindes: Elev3:Detvisadejudumedkritanochträblocket.Mendetärfortfarandeolikaommantarenfjäder ochenstenförfjädernsvävarjupåluften. Fråga3handladeomentungochenlättvagnsomrulladenerförettlutandeplan,dvsensituation somelevernabordekännaigenutifrånsinaexperimentiworkshopenGalileisfallexperiment.Elev2 hadegjortexperimentenligtvilkendentungtlastadevagnenrulladelitesnabbare,menvaldeändå attsvaraattvagnarnarulladelikasnabbt. Elev2:Våranmassamåstevaritentillfällighetellernåt. Elev3däremothöllfastvidsinaexperimentframförattrepeterauppfysikenslagar: Elev3:Visågpåexperimentetattdentungavagnenrullalitesnabbare.[Läraren:Vardetlite snabbareellermycketsnabbare?]Detberorpåvilketavståndochvilkenlutning. Somanalyseradesunderresultateniförtestsåhadeelevernaettmissförståndattrörelseframåt kräverenkraftframåt.Undereftertesthadedettamissförståndväsentligenrätatsut.Påfrågorna6-9 och11-14svaradeallaeleverutomenmedgenomgåendenewtonskasvarsalternativ.Elevensom hadesvaratavvikandeifråga8-14kundetyvärrinteintervjuas.Påfrågansomhandladeomde horisontellakrafternasomverkarpåenboksomhållsienhandochbärssaktamedkonstant hastighetframåtsvaradeenelev: Elev1:Denärikonstanthastighetomduinteräknarmedluftmotståndetsådåärdetingenkraft sompåverkarden.Sådåärdettröghetslagen.[Lärare:Såvadsägertröghetslagen?]Attdenkommer attfortsättaså. EnelevhademissförståttNewtonstredjelagochändratsinaNewtonskasvarifråga6och7under förtesttilldistractors.Påfråganombokenihandenuppgavsattenkraftframåtfrånhandenverkar påbokenochfårdenattrörasigframåt: Elev2:Förattalltingutövarenkraftpåvarandra…DetärNewtonstredjelag.Detärsammasaksom ommanputtarpåettbord. JaghadeunderlektionernademonstreratNewtonstredjelaggenomattputtapåettbordsomsatt fastigolvetiföreläsningssalen.Detsomhändenärjagputtadetillräckligthårtvarattjagficken rörelsebakåt,dvsnärmotkraftenfrånbordetpåmigblevstörreänminaskorsgldifriktionmot golvet.FleraeleverhadetagitintryckavdettaexperimentsomenbraillustrationavNewtonstredje lag,menhärhadeelevenalltsåmisstolkatnärlagenapplicerade.Elevenupprepadeenfysikalisklag Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 19 somdenintehadeförstått,ochgickdärmedifrånsinintuitionifrånförtestetdärdenresonerade utifrånenuppmärksamanalysavsinpraktiskaerfarenhet. Ienfrågafrågadesomdehorisontellakraftersomverkarpåenklosssomsläpasmedkonstant hastighetgenomsandeniöknen,enuppgiftsomillustreradesiworkshopsenomPyramiderna.I förtestsåvarsamtligaeleverövertygadeomattdragkraftensomverkarframåtpåklossenärstörre änmotståndskraftenfrånsandeneftersomklossenfarframåt.Allautomenelevhadenuändratsig tillalternativetattkrafternaärlikastora. Elev1:Annars,omdragningskraftenärstörre,såskulledenjufåenacceleration.Ochskulle motståndetvarastörresåskullehastighetenminska,sådenskullefåenretardation. Enelevtyckteattbådaalternativenapplicerade: Elev2.Detberorpåvilketunderlagdetär.Ärdetblötsandja,menintetorrsand.Ärdetperfektsand blirdetenplanytasomdenkanglidapåmentorrsand,dåblirdetenvall.Detblirjobbigareattdra. Dåblirdragkraftenstörre. Elevenharvarituppmärksamochtagitdjuptintryckavsinaerfarenheterifrånpyramidexperimenten. Detvisadesigemellertidattelevenintehadeförståttattmandrarmedstörrekraftitorrsandföratt dramedkonstantfart.TydligenhadeexperimentetinteillustreratNewtonstredjelagtydligtnogför eleven.Elevernamäterjubaradragkraftenförattdramedkonstanthastighet,intefriktionskraften. Enannanfrågahandladeomenpucksomskötsivägpåisen.Allaeleverhadeunderförtesttrottatt detfannsenkraftframåtunderhelapuckbanan,ävenefterdetattpuckenlämnatklubban.Under eftertestbehövdeinteelevernadennakraftlängreförattförklarapuckensbanaocheleverna svaradealltsånewtonskt. Elev1:Kraftgörattenkroppändrarsinhastighetocheftersompuckensaktarinsåmåstedetfinnas enåtmotsatthåll.[Läraren:Ochmerdå?]Nej!Denkraftenfinnsjubaranärmanskjuterpåpucken. Närdenharlämnatklubbansåärdetbaraluftmotståndochfriktion. Elev2.Detärjufriktionbara,eventuelltluftmotståndockså.Men[kraften]Ksläpperdirektnärden lämnarklubban. Flerafrågorhandladeomkrafternasomverkarpåenbollunderbollbananförenbollsomslåsuppåt ochfårrörasigfritttillsdenslårimarken.Demissförståndsomdiskuteradesunderförtesthade rättatstillieftertest.Undantagetvarenelevsomjagalltsåintehademöjlighetattintervjua. Elev1:Detärjubaratyngdkraften,sådet[hastigheten]ändrassådetgårlångsammare.Ochpå nervägengårdetsnabbare. Elev2:Sammahelavägenfördetäringenkraftnärdenvällämnatknät.[Läraren:Varfördå?]Det harjagförståttattdetärså. Rörelseravtypen9,11-14hadeanalyseratsiworkshopenKastasnöboll.Detmåstealltsåerkännas attävenomelevernamisslyckadesattgenomförakorrektaberäkningariproblemlösningen,såhade Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 20 deförståttdekonceptuellafrågornaomvilkakraftersomverkadepåbollenunderbollbanansomett take-homemessage.Workshopenverkarhavaritframgångsrikförkonceptuelltlärandeävenomdet elevinteraktivainslagetblevmindreänförväntat. Detsistamissförhållandetsomidentifieradesunderförtestvardetomkraftsomväxelverkanifråga 15,17och19.Ävenidessafrågorsåhadeelevernaundereftertestövervägandegivitnewtonska svarsalternativ,utomenelevsomintekundeintervjuas. Elev1:Jagjämförmednärduputtarpåbordet. Elev2:Förattdusaattommanputtarpåbordetsåputtardettillbaks. JaghadedemonstreratNewtonstredjelaggenomattputtahårtmotettbordsomvarfastskruvati golvet.Resultatetvarattjagbörjadeglidabakåtnärmotkraftenpåmigfrånbordetöversteg friktionenmellanminaskorochgolvet. Elev2:De[SolenochJorden]utgörenlikastorkraftpåvarandramenJordenpåverkasmerpågrund avmindremassa. Elev1:Likastorkraft,förannarsskullededrasinivarandraochdegördeinte.Deharsomen gravitationmotvarandra. Underförtestetsåvisadedetsigävenattelevernahadeenkorrektförförståelseattföremålmed litenmassapåverkasmeravsammakraftänettföremålmedstormassa.Intressantnogsåverkade undervisningenhabidragittillmissuppfattningaridennafråga.IFråga18hadenämligensamtliga eleverhadegivitettnewtonsktsvariförtest,mentvåstyckenhadeändratsigtilldistractorsvid eftertest.Ifråga20hadetreelevergivitettfelaktigtsvar,vilketvarmestavallafrågorihelatestet. Intervjuernavisadeemellertidattdetinteverkadesomattundervisningenhadefåttelevernaatt ändrapåsinendakorrektaförförståelseomNewtonslagar. Elev1.Va!?(Förnärmad).Jagminnsintevarförjagsvaradeså.JagbordesvaratB. IFråga20hadetreeleversvaratmagnetenochnålenifråga20fårsammahastighet.Intervjuer avslöjadeattdetsnararevarsåattenannaninformationifrågeställningenhadeskapatosäkerhet hoseleverna,nämligeninformationenattvagnarnakunderörasigutanmotstånd. Elev1.Omdetintefinnsnågonfriktionsåharintetyngdensammapåverkan. DethärvarundergruppintervjunefterjagpresenteradeFigur3föreleverna.Enannanelevsom svaratmedendistractorhöllmedElev1ochdentredjeelevengickinteattintervjua.Eleverna troddealltsåfortfarandeattlättaföremålärlättareattfåirörelse,menvissteintehurdeskatolka dethärmedattvagnarnakanrörasigutanmotstånd.Atttolkaindeninformationeninewtonska begreppkräverattelevernatänkerinkonceptetmedresulterandekrafter,vilketintelyckades.Meni bokstavligmeningbetyderattrörasigutanmotståndkanskejustattmassaninteskullespelain. ElevernaharjulärtsigNewtonsförstalagatttröghetärmotståndmotrörelseändring,ochatt tröghetärmassa.Intervjuernavartyvärrintespecifikanogförattavgöraomelevernaverkligen tänkteså,mendetverkarrimligtatttänkasigattdehärambitiösaelevernakunnatskapasigen Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 21 sådanintuition.Analysenvisariallafallattelevernaharbrottatsaktivtmedatttillägnasig begreppen. Återstårfråga10somhandladeomkrafternasomverkarnärnågongårmedkonstanthastighetlängs medgolvet.4avelevernahadekorrektuppfattningattgångarentryckerifrånmedenkraftriktad bakåtmotgolvetförattkommaframåt.Dennaanalyskanmankommaframtillgenomenkorrekt analysavhurNewtonslagarverkarellergenomattvaravakenpåhurdetkännsikroppennärman går: Elev1:Jagtänkerattnärmangårsåtryckermanjuifrånförattkommafram. Elev2:Närdutryckerifrånbakåtsåsvarargolvetmedenkraftframåtpådig.Detäringen motsägelseidet. Tvåeleverhadesvaratattingakrafterverkarpådensomgårframåtmedkonstanthastighet,en ytterligareslagseducateddistractorfrånenytligförståelseavNewtonsförstaellerandralag. Elev3:Jagtänktepåkonstanthastighet,attdetinteärnågraresulterandekrafter.Problemetärju attmangårju.[Läraren,lättuppbragd:Menmantryckerjubakåtnärmangår!Ärdetingenkraft då?]Nej,isåfallhadedujuaccelererat. DetverkaralltsåsomomElev3hadeenfelanalysavtröghetslagen.Elevenförstodinteskillnadenpå kraftochresulterandekraft. Diskussion Utvärderingavdiagnostiskaproven Förattjämföraelevernasresultatpådetdiagnostiskaprovetföreochefterkursenmedtidigare studiermåstestatistiskamåtttasfram.ResultatenärlämpligaattanalyseraenligtHake(2002), eftersomettsådantmåttlåterelevernasförbättringpåeftertestetjämförasmedhansstora metaanalysavöver62studier.Detrelevantastatistiskamåttetattberäknaärettmåttsomkallats averagednormalizedgain ! (Hake,2002),vilketdefinierassomdenprocentuellaökningenav medelresultatenieftertestet% !"#$ normeratmeddenmaximalaprocentuellaökningenför medelresultaten% !"#$ !"# : ! = % !"#$ (1a) % !"#$%#$&# !% !ö!"#$" (1b) % !"#$ !"# Således, ! = !""!% !ö!"#$" Där% !"#$%#$&# och% !ö!"#$" ärmedelvärdetavklassensprocentuellaandelkorrektasvari eftertestochförtestrespektive.Vikankalla ! förnormaliseratgainpåsvengelska.Som redovisadesiResultatgavsandelenkorrektasvariförtestetsom52av160.Ieftertestethade andelenkorrektasvarökattill99av120.Ensammanräkningavelevernasresultatgerdåatt Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 22 % !"#$%#!"# = 82,5%och% !ö!"#$" = 32,5%.Såledesblir% !"#$ = 82,5% − 32,5% = 50%och% !"#$ !"# = 67,5%.Ekvation1agerdåattelevernasaveragednormalizedgainblir ! = % !"#$ 50% = = 0,74 % !"#$ !"# 67,5% Ettvärdepå ! = 0,74visarpåenstorförbättringavelevernasresultat.Dettavärdeärhögtjämfört medderesultatsomredovisasavHakessammanställningav62kurserochtotalt6542studenter. Medelvärdetav ! förde48ingåendeIEkursernavar0,48±0,14(1standardavvikelse),medans medelvärdetav ! förde14ingåendetraditionellakursernavar0,23±0,04.IplottenöverHakes sammanställningavresultatihansFigure1(Hake,2002)kanresultatetiminstudiepassasinsomen datapunktmed% !"#$ = 50%och !"#$#%$ = 32,5%.Jaghartagitmigfrihetenattprickain datapunktenpåenkopiaöverHakesFigure1somenorangefyrkantsomliggerpådenövrelila streckadelinjen,seFigur5. Figur5.KopiaavHakessammanställningFigure1av62styckenkurserövereleversförbättringarpåkonceptuellatesti Newtonskmekanik(Hake,2002).Linjeriplottenärområdenmedkonstantnormaliseratgain ! .Resultateniminkurs harprickatsinsomenorangefyrkantiHakesfigurmed% !"#$ = !"%och !"#$#%$ = !", !%.. Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 23 MittdiagnostiskatestärframtagetefterNORDLAB-SEsnarareäntillexempelFCI(Hestenes,Wells,& Swackhamer,1992)ellerMD(Halloun&Hestenes1985b)somliggertillgrundfördeflestaavproven iHakesjämförelse,dvsefterenandrahandskälla.Menensnabbbesiktningvisarattmitttesttarupp deflestaavaspekternaiMD-ochFCI-testenochärungefärlikaomfattande.Mångaavproveni Hakesstudierärocksåavsiktligtkonfidentiella.Vidareåterfannsallavanligatyperav missuppfattningarsomminaeleverhadeiHalloun&Hestenes(1985a).Detfinnsalltsåingetsom talaremotattenjämförelse.Däremotärdetriskabeltattgeneraliserautifrånminstudieeftersom detbaravarsexpersonersomfullföljdeminkurs,vilketgörattmaterialetärvältuntförattdra statistisktvederhäftigaslutsatser.Menförkvalitativasyftenärdetändåintressantattgöraen jämförelse.HakeharmedresultatfrånniogymnasiekursersomharundervisatsmedIE-metoderoch fyrastyckensomundervisatsmedtraditionellametoder.Resultateniminstudiebetyderatteleverna iminkurstillsammansmedtvåövrigagymnasiekurserpresterathögstnormaliseratgainavsamtliga kurser.DetfinnsbaraenkursiHakesstudiesomharhögreökning.Likvälpassarmindatapunktbrain imönstretiHakessammanställning.Hakesmetadatavisarentrendattengymnasiekursvanligenhar ettlågtmåttpåkorrektaförkunskaper,vanligenruntellerstraxunder !"#$#%$ = 35%.Rimligen bordestudenterpåuniversitetochhögskolahamöttstoffettidigare(pågymnasietåtminstone),och fåttmedsigåtminstonevissaförkunskaper.Minastudenterhadeettresultatpåförprovet !"#$#%$ = 32,5% ,vilketvarlitesämreändeflestaavgymnasiekursernasomingickiHakesstudie. Hakesmetaanalysredovisarenstarkkorrelationmellanattpresteraettlågtvärdepåförtestetoch attsedanfåenstorförbättringieftertestet.DetsermaniHakesfigur1attde62datapunkternas kurserliksomdenorrländskaälvarnarinnerfrånnordvästmotsydost.Detärheltenkeltenklare,i medeltal,attförbättrasigommanbörjarfrånettlågtvärdeochsvårareattförbättrasigomman börjarfrånetthögtvärde.Denendakurssomhadeetthögregainänminkursstartadeocksåfrånen väldigtlågnivåpåförtestet.Eftersomminaeleverhadeettförhållandevislågtresultatpåförtestetär enstorförbättringrimligomundervisningenärframgångsrikochbedrivsmedIEmetoder.Attmin kurshadeetthögtvärdeävenförnormaliseratgainvisarattkursenvaritframgångsrikävenomman tarhänsyntilldeförhållandevislågaförkunskaperna.Isåfallskulleminaeleverhalärtsigkoncepten bra.Detskullekunnabetydaattelevernaiminstudieidagärmeröppetsinnadeattändrasina tankekategorierändeamerikanskaeleverochstudentersomdeltogideflestaavdetidigastudierna ifrån1980-och1990-talen(Hake,2002).Enjämförelsemellanminaåtergivnacitatochdeav Hestenes&Halloun,(1985a)verkarbekräftadennahypotes.Detäremellertidriskabeltattdra sådanaslutsatsereftersomjagkanvarabenägenattselekteralyckadecitatochHestenes&Halloun snararevillevisaattmissförståndenkvarstod. Ettannatbrasättattmätabetydelsenaveninterventionäruppkattningaveffektstorlek,vilket användsiHattiesstoraöversiktavmetaanalyser(2013).Härjämförsresultatetefterenintervention medresultatetinågonreferensgruppsomgjortenannantypavintervention,tillexempelenkurs medläxorellerutanläxor.Föreliggandestudieansersighaettbetydandeinslagavkamratstödd samverkanipedagogiken.Hattierapporterarattkamrateffekterharenhögpåverkanpålärande (effektstorlekd=0.52),vilketoftaärännuhögreomnegativadelaravkamratpåverkankan mildras(2013,sid.110).PågrundavstudiensbegränsningsåutvärderasinteeffektenavIEmomentenhärmotnågonreferensgrupp.Likvälkaneffektstorlekenavinterventionenidenhär studienberäknasmedavseendepåelevernasförkunskaper.Elevernasresultatpåförtestvar6.5 Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 24 (±1.6)av20,rapporteratsommedelvärde(±1standardavvikelse),ocheftertestvar16.5(±3.3).En beräkningavinterventionenseffektstorlekdenligtHattie(2013,BilagaE)gerattd=4.00.Till interventionenräknashäralltsomgjordesunderkursen,inklusivedefyraIE-workshops,mengivetvis intespecifiktdessa.Observeraattd=4.00alltsåinteärberäknatjämförtmednågon referensintervention,utaneffektenärberäknatmedavseendepåelevernasförkunskaper.d=4.00 kanalltsåintejämförasmedd=0.52somärmedeleffektenavkamrateffekterjämförtmed referensgrupperisamtligastudieriHattiesmetaanalys.Dettahögaresultatpåd=4.00springerur attelevernaimedeltalhadehadelågtresultatpåförtest,etthögtresultatpåeftertest,samtatt spridningenibådeförtestocheftertest(mättsomstandardavvikelse)ärlågibådeförtestoch eftertest.Lågstandardavvikelseitestresultatentordevisaattprovenharhögreliabilitet,att elevernasförkunskaperärhomogena,precissomrapporteradeshosamerikanska universitetsstudenterimittenav1980-talet(Halloun&Hestenes,1985b),liksomattelevernas lärandevarlikaeffektivtimedeltal.Sådanaresultatärinteorimligaförenlitengruppavambitiösa studentersomundervisatsmedinteraktivametodermedpositivtkamratstöd. Hermeneutiskanalysavelevernassvarpåförprovet Defeltänksomelevernagörunderförprovetrepresenterasvälavdevanligadistractorssomelever brukaruppvisa(Anderssonetal.,2003;Hake,2002;Redish&Steinberg,1999).Detvisarsigatt elevernahadesvårtattskiljapåbegreppenkraftochrörelse,hastighetellerrörelseenergi.Detärinte såkonstigteftersomordenmotsvararväldefinieradebegreppifysiken,menävenharen motsvarighetivardagsspråket.Dethandlariblandomspråkförvirring,ochiblandomrena missförståndavtypimpetus-tänkande(Halloun&Hestenes,1985a)ellerlogiskakullerbyttor.Den språkförvirringsomuppstårnärlekmänförsökeranammavetenskapligabegreppharuttryckts träffandeavHoraceEngdahlradioprogrammetAllvarligttalat(Engdahl,2016)närhandiskuterade frågan”Ommansummerarallagärningar,vilketövervinner,människansgodaelleronda?”.Engdahl beskriverfilosofimenvikanläsainfysikenhärsomenfilosofiskteoriipositivistiskanda: ”…enverksamhetsomgårutpåattregleraspråkbruketisyfteattskapaklarhetitanken.Detäldsta ochmestanvändamedlettilldettaärattkrävaattvissaordskahaensärskildbetydelsesom definierasefterordensfunktionienvissfilosofiskteori.Dåförvandlasdetilldetvikallartermer.Det betyderattdefråndettaögonblickaktivthindrasfrånåvarabärareavandradelaravdenmänskliga erfarenhetenändemsomdenaktuellateorinringarin.Detrörsigmedandraordomenbeskärning avdetspråketsuttrycksförmågaitronattmandärigenomuppnårstörreexakthet.Filosofiärigrund ochbottenspråkförstöring.Menlåtossaccepteraettsåntförfarande.”(Engdahl,2016). Ettexempelpåensådantermellerbegreppifysikenäralltsåkraft,somdefinierasutifrånNewtons lagar.Mångaelevertänkersigattenbollsomrörsigframåtmåstepåverkasavenkraftframåt.Men detärjuintedetenkraftsombegreppärtillför.Menvadärdetförslagspotenssomföremålethar framåt,ochsomelevernaverkarmedvetnaomnärdereflekteraröverproblemet?Jadetharen rörelseframåt,enhastighet,ärdetheltenkeltrörelseenergisomelevernamenar?Närelevenställs införfråganheltàpropossåverkardentänkaattvarförintekalladennapotensförkraft,eftersom detärdetsomdetfrågasom.Enelevutanbegreppsligförkunskapfyllerisinförståelseavbegreppen undertidendefunderaröverproblemen. Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 25 Elev1:Minteorivarjuattalltingharkraftsomrörsig.MenjagvetjuinteomdetärENERGI, rörelseenergi.Omjagblandarihopdet.Menjagfårlåtsassomattjagintegördet.Omdenlogikenär fel,såblirjuallafrågorfel.Rörelsekraft!Nåntingmåstefåpuckenattrörasigframåt,menomdetär kraftellerenergi,detharjagtappatbort. INewtonsfysikbetraktasrörelsemedkonstantfartlängsenrätlinjesomnågotgivet,någotsominte harnågonorsak(Anderssonetal.,2003).Detäravvikelsenfråndetsommåsteförklaras,ochdetär härkraftbegreppetkommerin.Elevensomsökerbringaordningisinförståelseavvärldensökeren kausalförståelseförrörelsenmedkonstantfartlängsenrätlinjeochärbenägenattblandain kraftbegreppet.NewtonochGalileiidealiseradeverklighetentillattbetraktaförströrelseutan friktionochmotstånd.Elevenisinerfarenhetavvärldenharingenerfarenhetellerbehovavdetta utantänkerpåkraftersombehövsförattupprätthållakonstantfartlängsenrätlinje.Elevers vardagserfarenhetgårutpåattdetbehövsenkraftförattbibehållaenrörelsemedkonstant hastighet,tillexempelkraftenfrånbilmotornienbilsomfarframåtmedkonstanthastighetpåen vägellerkraftenattputtaenkundvagnframåtiaffärenmedkonstanthastighet.Dessaerfarenheter görattstudenterskaparenfysikalisklagatttolkaomvärldenmed,ochsomsägerattrörelseien riktningkräverenkraftidenriktningen.Deoskoladeelevernaverkarintetänkapåattdetfinns motkraftertillmotornskraft,såsomfriktionochluftmotståndsombromsarrörelsenochsomdu måsteupphävaförattkunnafaramedkonstanthastighet.Ettnewtonskttänkandeärattomden resulterandekraftenärnoll(dvsomkraftenirörelsensriktningärprecislikastorsomsummanavde motriktadekrafterna),såkommerkroppenattbibehållasinrörelsemedkonstanthastighetellervila. Vadmångaeleverintehellertänktpåärattkraftenfrånmotornienbilsomfarframåtärriktad bakåt,mentackvarefriktionenmotmarkensomsvararmedenlikastormotriktadkraftframåt, enligtNewtonstredjelag,skapasenkraftframåt.Jämförsituationenmedenpersonsomgårframåt faktiskttryckerifrånmedfotenbakåtundergången(fråga10),ochsomfleraelevermissförstått. Erfarenhetenavattgåärsåvälinlärdattdetglömtsborthurdetegentligengårtill. Somvisadesunderanalysenavresultattillförtestsåuppvisarlikväleleverattkognitivakategorierför empiriskttänkandebådekringNewtonsförstaochandralagredanfinnsetableradehosden oskoladeeleven,fastmodifierademedenkorruptnaturlag.Ombaradennanaturlagkanmodifieras tillennewtonsklagsåtordetänkandetfinnasdärförengodförmågaattanalyserakonceptuella problemomkraftochrörelseeftergenomgångenkurs. Vadkanmansägaomlärandetavkonceptendå? Attdraväxlarpåattjämföramedövrigastudieriensålitenkurssommed8eleverärriskabelt. Studienkangivetvishaomfattatenlitengrupposedvanligtbegåvadeeleversomieninteraktiv kontextstimulerarvarandratillframgångsriktlärande.Lärartätheteniföreliggandestudieär naturligtvishögjämförtmeddeflestaavkursernaiHakesstudie.Lärarenkanocksåhaftosedvanligt stortfokuspåkonceptuellafrågeställningar,mendetkanmantänkaattmångaavIE-studiernai Hakesmetaanalysocksåhade.Resultatenaveftertestvisadelikvälattsamtligamissförstånd väsentligenvarbortahosdeflestaeleverochattdessaföreträdesviskonsekventgavnewtonska svarsalternativ.Faktumvaratthälftenavfelsvarengavsavenendaelev.Övrigaelevergavspridda enstakafelsvarochfårbetraktashalärtsigkursen.Dessaframgångsrikaresultatstårdåikontrasttill svepandeformuleringarilitteraturenattelevernatenderarattbibehållasinamissförstånd,även Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 26 eftergenomgångenkurs.Detskullekunnavarasåattsvenskaungdomarår2017haretttänkande präglatavmeraöppetsinneänamerikanskastudenterunder1980-och1990-talen,vilketborde främjaomlärandeavdjupliggandetänkekoncept.Storaförbättringaravkonceptförståelsenvar emellertidinteovanligtblandmajoritetenaveleverochstudenterideamerikanskastudiernasom följtenkursmedstorainslagavIE-pedagogik(Hake,2002).Specielltomdestartatfrånenrelativtlåg nivå,vilketärvanligtpådenförstagymnasiekursen,kundehögavärdenförförbättringoch normaliseratgainerhållas.Detärrimligtattbetraktaattkursensomgenomfördesidenhärstudien hadestorainslagavIE.Defyrakonstrueradeworkshopsenvarenstordelavkursenochsom diskuteratsfickdessaansesvaraIE.FöreläsningarnaunderkursengavsmedIE-inspirationoch fokuseradeskringdemonstrationeravfysikaliskakonceptuellaexperimentochelevensupplevelseav fenomenen,gärnaigrupptvåochtvåellertreochtre.Dåkursenhadesåfåantaldeltagareblevdet ennaturligkonsekvensatthelagruppenkundehanterasienliteninteraktivläromiljöunder genomgångarochräkneövningar.Envidarestudiekundeförsökaundersökaomgodförståelseför fysikenskonceptbidrartillattelevernablirmerframgångsrikapåproblemlösning.Deförsta resultatenfrånkursenvisaremellertidattdettaärtveksamt.Elevernaiförstaringpågymnasietär mycketovanavidattmanipuleramatematisktformuleradeproblem,vilkettillexempelutfalletav workshopenKastasnöboll.Utanmatematiskahantverkskunskaperblirproblemlösningifysik tämligenbegränsad.Omelevernaskullehagåttpåuniversitetethadedehaftenstörrevanavid matematikochframgångsrikproblemlösninghadehaftgodareförutsättningar. Elevernasutvärderingavkursen För en enkelutvärderingavvilkamomentunderkursensomelevernaansågbidrogmesttillderas förståelseavproblemenieftertest,genomfördesenlitenenkätundersökningsomelevernafylldei efteravslutatmoment,sebilaga2.5elevergenomfördeenkätenochresultatenvarspridda. ResultatenangesiFigur6. Elevernasutvärderingavkursen 0,86 0,72 0,76 0,52 0,64 0,68 0,64 0,44 Figur6.Elevernafickskattabetydelsenavolikamomentpåkursen. Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 27 Elevernafickskattadeolikamomentenpåenfemgradigskalaochdetnormerademedelvärdetav elevskattningarnaberäknadesochredovisadesiFigur6.Siffran1skullealltsåbetydaattallaelever tillmätermomentetmycketstorbetydelse.Resultatenvarganskaspridda,menelevernavärderade Genomgångarochdemonstrationklarthögst.Deinteraktivaworkshopsenfickrelativthögskattning, specielltdelaborativa.Detäroklarthurmycketläroböckernanyttjatselleromdeansågsganska irrelevanta.Elevskattningarnakanintesägasmotsägabetydelsenavworkshopseniallafall. Slutsatser Härharundersöktslärandetavkonceptuellförståelseförkraftochrörelsehosenlitenelevgruppvid ensvenskgymnasieskolaikursenFysik1aunderläroplanenLgy11.Kursengenomfördesmed interaktivpedagogikcentreradkringettantalpraktiskaworkshopssomillustreradekoncepteni Newtonstrerörelselagar.Ettdiagnostiskttestavelevernaskonceptuellaförståelsetogsframoch genomfördesdirektföreochdirektefterkursen.Resultatpåtestetochintervjuervisaratteleverna reproducerarvanligafeltänkkringmekaniskasituationerförekursen.Statistiskanalysavelevernas resultatpåtestetföreochefterinterventionenvisadepåovanligthögtnormaliseratgain ! = 0,74 enligtHake(2002)ocheffektstorlekd=4.00enligtHattie(2013).Resultatenmåsteanses motsvaraframgångsriktlärande,menändåigodkorrelationmedvadsomkanförväntasförsmå gymnasieklassermedrelativtlågaförkunskaperochsomundervisatsiinteraktivalärmiljöermed positivtkamratstöd.Enhermeneutiskanalysavelevtänkandetvisarattelevernasförförståelseav kraftbegreppetinteärsåmissvisandesommankantromenattfrågornapådiagnostiskatestet kansketvingarindemienfelaktigförståelse. Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 28 Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 29 Litteraturlista Andersson,B.,Bach,F.,Frändberg,B.,Jansson,I.,Kärrqvist,C.,Nyberg,E.,…Zetterqvist,A.(2003). Workshop4,Mekanik1-NewtonsförstaochandralagochWorkshop5,Mekanik2-Newtonstredje lag.i3.Attförstånaturen-frånvardagsbegrepptillfysik.Sex'workshops'.GöteborgsUniversitet. Bernhard,J.(2000).Improvingengineeringphysicsteaching-learningfromphysicseducation research.PhysicsTeachinginEngineeringEducation(PTEE2000)14-17Juni2000.Budapest,Ungern. Bernhard,J.(2007).Thinkingandlearningthroughtechnology-Mediatingtoolsandinsightsfrom philosophyoftechnologyappliedtoscienceandengineeringeducation.InThePantaneto Forum(Vol.27). Engdahl,H.(den13maj2016).Allvarligttalat,Hurkandetvarafelattvaraenbesserwisser. Stockholm.SverigesRadioP1.Hämtatden18042017 Fall,A.,Weber,B.,Pakpour,M.,Lenoir,N.,Shahidzadeh,N.,Fiscina,J.,...&Bonn,D.(2014).Sliding frictiononwetanddrysand.Physicalreviewletters,112(17),175502. Hake,R.R.(2002).Lessonsfromthephysicseducationreformeffort.ConservationEcology5(2):28. [online]URL:http://www.consecol.org/vol5/iss2/art28/ Hake,R.R.(1992).Socraticpedagogyintheintroductoryphysicslaboratory.30,546-552. Halloun,I.A.,&Hestenes,D.(1985a).Commonsenseconceptsaboutmotion.Americanjournalof physics,53(11),1056-1065. Halloun,I.A.,&Hestenes,D.(1985b).Theinitialknowledgestateofcollegephysicsstudents. AmericanjournalofPhysics,53(11),1043-1055. Hattie,J.(2013).Synligtlärandeförlärare.Stockholm:NaturochKultur. Hermerén,G.(2011).Godforskningssed.Stockholm:Vetenskapsrådet. Hestenes,D.,Wells,M.,&Swackhamer,G.(1992).ForceConceptInventory.ThePhysicsTeacher,30, 141-158. Heuvelen,A.V.(1991).Learningtothinklikeaphysicist:Areviewofresearch-basedintructional strategies.AmericanJournalofPhysics,59,891-897. Johnson,D.W.,Johnson,R.T.,&Stanne,M.B.(2000).Cooperativelearningmethods:Ametaanalysis.Hämtatfrån https://pdfs.semanticscholar.org/93e9/97fd0e883cf7cceb3b1b612096c27aa40f90.pdfden1705 2017 Redish,E.F.(2004).Atheoreticalframeworkforphysicseducationresearch:Modelingstudent thinking.arXivpreprintphysics,0411149. Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 30 Redish,E.F.,&Steinberg,R.N.(1999).Teachingphysics:Figuringoutwhatworks.PhysicsToday,2430. Sahin,M.(2010).EffectsofProblem-BasedLearningonUniversityStudents’EpistemologicalBeliefs AboutPhysicsandPhysicsLearningandConceptualUnderstandingofNewtonianMechanics.Journal ofScienceofEducationinTechnology,19,266–275. Shapin,S.(2000).Denvetenskapligarevolutionen.Stockholm/Stehag:BrutusÖstlingsbokförlag Symposion. Skolverket.(2011).Ämne–Fysik[Ämnesplan].Hämtatfrånhttps://www.skolverket.se/laroplaneramnen-ochkurser/gymnasieutbildning/gymnasieskola/fys/subject.htm?lang=sv&subjectCode=fys&tos=gy Thornton,R.K.,&Sokoloff,D.R.(1998).AssessingstudentlearningofNewton’slaws:Theforceand motionconceptualevaluationandtheevaluationofactivelearninglaboratoryandlecturecurricula. AmericanJournalofPhysics,66(4),338-352. Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 31 Bilaga1Etiskaaspekterpåeleversmedverkan Eleverbidrarpåflerasätttillminundersökning,ochdetvardärförviktigtattjaginformerareleverna omstudien,likvälsomometiskaprinciperförderasfrivilligamedverkanistudien(Hermerén,2011). Uppläggetförstudienpresenteradesmuntligtförelevernainnanförtestgenomfördes: - - - - Berättaattjaggörenpedagogiskstudiesomhandlaromeleversförståelseförrörelseoch krafter Berättaattstudieninnefattarattelevernaskagöraettdiagnostisktprovsomsyftartillatt mätaeleverskunskaperförpedagogiskasyften. Poängteraattdetdiagnostiskaprovetintekommerattanvändasförattbedömaderas kunskaperutifrånkunskapskravförkursenFysik1,utanattdethandlaromenpedagogisk kartläggning,hurelevertänkeromfysikensomrörkrafterochrörelser. Berättaattdetdiagnostiskaprovetinnehållertjugustyckenflervalsfrågordärelevernaskall väljaettavfleraalternativ. Berättaattprovengärnafårgenomförasmedmigmuntligtavdesomönskardet. Berättaattjagvillgenomförasammadiagnostiskaprovdirektföreochdirekteftervi behandlatstoffetikursen. Berättaattpoängenmedförtestocheftertestärattjagvilljämförahurelevernasförståelse förkraftochrörelseförändrasnärdestuderarfysik.Elleromdeinteändrassåvilljaghareda pådet. Berättaattjagävenärintresseradavattgenomföraintervjuerianslutningtillde diagnostiskaproven,förattförståbättrehurdetänkerkringsituationerna,ochvarfördehar valtdealternativsomdegörpåprovet. Berättaattelevensmedverkanärheltfrivillig. Berättaattelevsvarpådiagnostiskaprovbehandlasanonymt,likvälanonymtvidintervjuer Berättaattelevengärnakantapauselleravbrytasinmedverkanistudienomdeönskar Berättaattjaghargjortettantalworkshops/labbsituationersomillustrerardenfysikviska läraossochattjaggärnavillställafrågorävendär,fördemsomärokmeddet. Berättaattjaggärnavilldelgeelevernahurklassensvaratsomgrupppådeolikafrågornai diagnostisktprov. Intervjuplan Införvarjeintervjuianslutningtilldiagnostisktprovämnarjaginformeraelevenomföljande - Berättaattjaggärnavillställanågrafrågorförattförståhurdutänkerkringdinasvaridet diagnostiskaprovet,förminpedagogiskakartläggning. Poängteraattintervjunhandlaromettpedagogisktintresseochinteförattbedömaeleven medavseendepåkunskapskravpåkursen. Poängteraattelevenssvarunderintervjunkommerattbehandlasanonymt. Frågaelevenomdenärokmedattjagintervjuardenomsinasvar Frågaelevenomdengårmedpåattjagskrivernersvaren Frågaelevenifalldetärokattjagävenspelarinsvaren.Viktigt,ställdennafrågainförvarje gångjagbedömerattjagvillspelainsvaren. Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 32 - - Informeraelevenattdennärhelstkantapauselleravbrytaintervjun.Påminnaomdetta emellanåtunderintervjun. Informationommittsättattbemötaelevenneutraltunderintervjun Förattintervjuernaskallblilikvärdiga,ärdetviktigtattjagförsökerställasammafrågortill eleverna.Eftersomfrågornapåprovetgårutpåattelevenskallväljaettavfleraalternativ, blirintervjuernasemislutna.Frågornablirkonsekventavtypen:Hurtänktedunärduvalde alternativX?VadvardetsomgjordeattduvaldealternativX?Berättavarförduvalde alternativX!Beroendepåvadelevensvararärdetsedansvårtattvidarestyraintervjun. Eleversomavnågonanledningbehövergöraettmuntligtprov.Isådanafallfrågarjagomjag skallläsaförelevenelleromdenvillläsasjälv. Workshop-plan -Frågaelevenomdetärokattjagintervjuardemunderworkshopensgångomderassättatt arbetaelleromhurderesonerar.Omjagtarfoto,frågarjagävenomdetärok.Fotona anonymiserasalltid. Efterarbete-plan Förattvisaattjagärextramånomelevernassamtycke,anonymitetochfrivillighet,samtföratt uppfyllakravpåinformationochnyttjande,frågaelevernaenextragång,genomattbedemfylla iettformulär: Frivillighetochsamtycke Ärduokmedattjaganvänderdinasvarienvetenskapligstudie(publiceratsomExamensarbetei TillämpadpedagogikvidUmeåUniversitet)somdels Anonymasvarsalternativpådiagnostisktprov Anonymasvarvidintervjuangåendesvarpådiagnostisktprov Anonymasvarvidfrågorochintervjuianslutningtillarbetevidworkshops/laborationerom rörelseochkrafter(Galileisfallexperiment,Kastasnöboll,PyramidernaIochII) (Instruktion:SättförJJa,detärok.SättLförNej,jagvillinte. Eventuellreservation:Skrivellerberättaförmig!/Linus Namn:__________________________________ Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 33 Bilaga2Utvärdering IndikerahurmycketolikamomentikursenbidrogtilldinförståelseavproblemeniDiagnostiskt prov. 1. Allmännagenomgångarochdemonstrationer 1---------------------2------------------------3---------------------4-------------------------5------Inget Lite jodå ganska mycket verkligen bra 0 vet ej 2. LaborationGalileisfallexperiment(släppavagnarnerförlutandeplan) 1---------------------2------------------------3---------------------4-------------------------5------Inget Lite jodå ganska mycket verkligen bra 0 vet ej 3. LaborationKastasnöboll 1---------------------2------------------------3---------------------4-------------------------5------Inget Lite jodå ganska mycket verkligen bra 0 vet ej 4. LaborationReaktionstid(släppalinjalochfångamedhanden) 1---------------------2------------------------3---------------------4-------------------------5------Inget Lite jodå ganska mycket verkligen bra 0 vet ej 5. Pyramiderna1–läsaochdiskuteradenvetenskapligaartikelniPhys.Rev.Letters 1---------------------2------------------------3---------------------4-------------------------5------Inget Lite jodå ganska mycket verkligen bra 0 vet ej 6. Pyramiderna2–våraexperimentpåstrandenochefterarbete. 1---------------------2------------------------3---------------------4-------------------------5------Inget Lite jodå ganska mycket verkligen bra 0 vet ej 7. Läsailäroboken 1---------------------2------------------------3---------------------4-------------------------5------Inget Lite jodå ganska mycket verkligen bra 0 vet ej 8. Lösaochräknaövningsuppgifter 1---------------------2------------------------3---------------------4-------------------------5------Inget Lite jodå ganska mycket verkligen bra 0 vet ej 9. Annat,nämligen….. 1---------------------2------------------------3---------------------4-------------------------5------Inget Lite jodå ganska mycket verkligen bra 0 vet ej Övriga kommentarer: Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 34 Linus Ryderfors VT2017 Examensarbete15hp ExamensarbetemedämnesdidaktiskinriktningvidVAL-programmet 35