Fysikkdidaktikk_2. utgave: Utdrag by Cappelen Damm

Fysikkdidaktikk

Carl Angell, Berit Bungum, Ellen K. Henriksen, Stein Dankert KolstĂ¸, Jonas Persson og Reidun RenstrĂ¸m

Fysikkdidaktikk 2. utgave

© CAPPELEN DAMM AS, Oslo, 2019 Denne boka ble først utgitt av © Høyskoleforlaget AS, 1. utgave 2011. ISBN 978-82-02-62335-7 2. utgave, 1. opplag 2019 Materialet i denne publikasjonen er omfattet av åndsverklovens bestemmelser. Uten særskilt avtale med Cappelen Damm AS er enhver eksemplarfremstilling og tilgjengeliggjøring bare tillatt i den utstrekning det er hjemlet i lov eller tillatt gjennom avtale med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Illustrasjoner: Roy Søbstad, s. 114, 115, 116, 132, 175, 177, 180, 181,182, 183, 194, 249, 289, 292, 294, 298, 314, 345, 383, 392, 402, 403, 406, 416, 417, 419, 421, 422 og 423, Laboremus Oslo / Bøk Oslo, s. 40, 41, 42, 43, 47, 56, 57, 66, 112,130, 185, 236, 237, 273, 274, 275, 277, 278, 282, 285, 286, 287, 288, 290, 338, 369, 374 Omslagsdesign: Roy Søbstad Omslagsfoto: Adobe Stock Sats: Bøk Oslo AS Trykk og innbinding: Livonia Print SIA, Latvia 2019 www.cda.no akademisk@cappelendamm.no

Forord Denne boka er resultatet av et konstruktivt samarbeid mellom fysikkdidaktikere i Oslo, Bergen, Trondheim og Kristiansand. I denne nye utgaven er alle kapitlene gjennomarbeidet og oppdatert fra forrige utgave. Vi har basert oss på mange kollegers arbeid, og vil rette en stor takk til hele det naturfagdidaktiske fagmiljøet, som gjennom mange år har lagt mye av grunnlaget for boka vår. Takk også til forlaget ved Bjørn Olav Aas Hansen og Bente Aas Sjursen for effektivt arbeid gjennom hele prosessen. Vi håper boka blir til nytte og glede for studenter og alle som underviser innenfor fysikk eller fysikkdidaktikk i skole, høgskole og universitet, med andre ord alle som er glad i fysikkfaget og i elever og studenter og som vil dyrke og utvikle undervisningskunst i fysikk! Mai, 2019 Forfatterne

Overskuddet av bokas salg går uavkortet til utviklingsprosjekter i utviklingsland i regi av Redd Barna.

Innhold Forord................................................................................................................................. 5 Prolog................................................................................................................................. 15 Fysikkdidaktikk: En innledning . .................................................................................. Fysikk i skolen: Hvorfor og for hvem? .......................................................................... Fysikk som allmenndannende fag ................................................................................ Fysikk som studieforberedende fag ............................................................................. Å være fysikklærer: Kort oversikt over boka . .............................................................

18 18 19 20 21

Del 1 HVA ER FYSIKK? ............................................................................................................ 23 Kapittel 1 Å forstå verden omkring oss . ...................................................................................... Fra det minste til det største; fra det enkle til det komplekse ................................. Hva handler fysikk om? .................................................................................................. Fysikkens mål: Forklaring eller beskrivelse? Sannhet eller modeller som virker? ....................................................................................................................... Lover, teorier, modeller og hypoteser .......................................................................... Kapittel 2 Fysikkens utvikling fra antikken til Newton ............................................................. Fra mytologi til naturlover .............................................................................................. Antikkens verdensbilde .................................................................................................. Det lysner for et nytt verdensbilde . ............................................................................. Galileo retter kikkerten mot himmelen . ...................................................................... Newtons himmelske mekanikk .....................................................................................

25 25 27 29 32

37 37 41 45 50 52

8 innhold Kapittel 3 Fysikkens praksiser og tenkemåter ........................................................................... Kan røntgenstråler oppføre seg som partikler? ......................................................... Fysikkens modeller kan ikke bevises bare med logikk .............................................. Fysikk som modellbygging .............................................................................................

54 54 58 65

Kapittel 4 Forskersamfunnet – et kunnskapsutviklende fellesskap og en aktør i samfunnet ................................................................................................ 72 Fra enkeltrapporter til etablert vitenskapelig kunnskap ........................................... 72 Forskning og vitenskap som aktører i det moderne samfunn ................................. 79 Diskusjonsspørsmål til del 1 ........................................................................................ 85 Del 2 FYSIKKFAGET I NORSK UTDANNING ..................................................................... 87 Kapittel 5 Fysikkfagets utvikling i norsk skole ........................................................................... Fra læreplan til klasserommet ....................................................................................... Læreplaner i fysikk 1885–1975: Fysikk som «verkstedsfag» .................................... Læreplaner i fysikk 1976–1981: Modernisering og vitenskapeliggjøring av faget .... Læreplaner 1982 og framover: Fysikk som allmenndannelse .................................

89 89 91 94 97

Kapittel 6 Hvem er fysikkelevene? ................................................................................................ 100 Elevtall og kjønnsfordeling i fysikkutdanning ............................................................. 100 Hva ligger til grunn for ungdoms valg av fysikk? ....................................................... 101 Skolefysikk-kulturen ........................................................................................................ 105 Kjønnsforskjeller i fysikk – hva skyldes de, og hvorfor skal vi bry oss? . ................ 106 Hvordan motivere til å velge fysikk? ............................................................................ 109 Kapittel 7 Hva foregår i norsk fysikkundervisning? .................................................................. 111 Fysikktimene . ................................................................................................................... 111 Undervisningsmetoder og prestasjoner ...................................................................... 116 Hvem er fysikklæreren? . ................................................................................................ 118 Diskusjonsspørsmål til del 2 . ...................................................................................... 121

innhold 9

Del 3 Å LÆRE FYSIKK .............................................................................................................. 123 Kapittel 8 Elevers møte med fysikkfaget ..................................................................................... 125 Elevers utfordringer i fysikk ........................................................................................... 125 Kunne veksle mellom representasjoner i fysikk . ....................................................... 126 Elevers forestillinger i fysikk .......................................................................................... 128 Kapittel 9 Perspektiver på læring .................................................................................................. 138 Konstruktivisme som læringssyn ................................................................................. 139 Sosialkonstruktivisme og sosiokulturelle syn på læring . ......................................... 142 Læring som erfaringer .................................................................................................... 147 Diskusjonsspørsmål til del 3 . ...................................................................................... 149 Del 4 Å UNDERVISE FYSIKK SOM TEORETISK OG EKSPERIMENTELT FAG . .......... 151 Kapittel 10 Hva er god fysikkundervisning? ................................................................................. 153 Lærerens betydning ........................................................................................................ 153 Læreren og elevene ......................................................................................................... 157 Kapittel 11 Eksperimenter i fysikkundervisningen . .................................................................... 162 Åpne og lukkede forsøk .................................................................................................. 162 Begrunnelser for det eksperimentelle arbeidet . ........................................................ 163 Eksperimentets mange målsettinger ........................................................................... 167 Organisering av eksperimenter i fysikkundervisningen ........................................... 172 Måleusikkerhet ................................................................................................................ 174 Datalogging ...................................................................................................................... 184 Kapittel 12 Modeller og modellering i fysikkundervisningen ................................................... 186 Modeller i fysikken og i fysikkundervisningen . .......................................................... 186 Ulike typer modeller i fysikkundervisningen . ............................................................. 189 Å beskrive naturen med matematikk . ......................................................................... 190 Eksempel på modelleringsøving ................................................................................... 192 Databeregninger og programmering i fysikkutdanningen ....................................... 196

10 innhold Kapittel 13 Læring gjennom utforskende arbeidsmåter ............................................................ 198 Begrunnelser for å bruke utforskende arbeidsmåter ................................................ 199 Kjernepunkter i utforskende arbeidsmåter ................................................................. 200 Overordnet struktur for utforskende arbeidsmåte .................................................... 204 Strukturering og lærerstyring ........................................................................................ 208 Kapittel 14 Språk og kommunikasjonsformer i fysikkundervisning . ...................................... 213 Språkets rolle i læringsprosessen ................................................................................. 213 Hva kjennetegner fysikkens språk? .............................................................................. 215 Å lære fysikk gjennom kommunikasjon i klasserommet . ........................................ 217 Kapittel 15 Skriving i fysikk . ............................................................................................................. 225 Lære å skrive – skrive for å lære . .................................................................................. 225 Skriving som fremmer læring ........................................................................................ 226 Ulike faglige sjangrer . ..................................................................................................... 227 Skrive for å lære ............................................................................................................... 229 Lære skriving i fagets sjangrer ...................................................................................... 233 Kapittel 16 Læring gjennom oppgaveløsing .................................................................................. 242 Fremmer oppgaveløsing læring? .................................................................................. 242 Kognitive dimensjoner i oppgaver ................................................................................ 244 Problemløsning ................................................................................................................ 246 Diagnostiske oppgaver ................................................................................................... 249 Oppgaver og matematikk .............................................................................................. 250 Kapittel 17 Digitale ressurser for læring i fysikk ......................................................................... 253 Visualisering og multimediebasert undervisning ...................................................... 254 Bruk av digitale ressurser som læringsmål ................................................................. 256 Digitale ressurser som læringsstøtte . ......................................................................... 257 Digitale læringsressurser ............................................................................................... 260 Diskusjonsspørsmål til del 4 ....................................................................................... 265

innhold 11

Del 5 FYSIKKFAGETS INNHOLD . ......................................................................................... 267 Kapittel 18 Å undervise i mekanikk . ............................................................................................... 269 Elevers forståelse av mekanikk ..................................................................................... 269 Et metodisk opplegg for å undervise krefter og Newtons lover . ............................ 271 Diagnostiske oppgaver i mekanikk . ............................................................................. 277 Instruktive eksperimenter og demonstrasjoner i mekanikk .................................... 280 Kapittel 19 Å undervise i elektromagnetisme .............................................................................. 283 Elevers forståelse av elektriske kretser og sentrale begreper i el-lære ................. 283 Diagnostiske tester og oppgaver med enkle elektriske kretser .............................. 288 Analogimodeller i undervisningen i elektrisitet ......................................................... 291 Elevforståelse og didaktiske strategier knyttet til magnetfelt og elektromagnetisk induksjon . ......................................................................................... 295 Kapittel 20 Å undervise i energifysikk . .......................................................................................... 299 Elevers forståelse av energi ........................................................................................... 299 Undervisningsstrategier knyttet til energi, varme og temperatur .......................... 300 Forsøk, demonstrasjoner og undervisningsressurser ............................................... 305 Elevers forståelse av klima og bærekraftig utvikling ................................................. 306 Ressurser for undervisning om klima og bærekraftig utvikling . ............................. 308 Kapittel 21 Å undervise i kvantefysikk ........................................................................................... 310 Elevers forståelse av kvantefysikk ................................................................................ 311 Å undervise i kvantefysikk med historiske perspektiver: Hvordan oppnå hensiktsmessig forståelse av kvantefysiske begreper? ............................... 312 Språk og filosofi i undervisning av kvantefysikk . ....................................................... 325 Kapittel 22 Å undervise i astronomi og astrofysikk .................................................................... 331 Elevforestillinger og undervisningsstrategier knyttet til solsystemet og jord–måne-systemet ................................................................................................. 332 Elektromagnetisk stråling og spektroskopi ................................................................. 334 HR-diagram og stjerneutvikling .................................................................................... 337 Kosmologi ......................................................................................................................... 340

12 innhold Nye utforskningsmuligheter og uløste mysterier ...................................................... 342 Planeter rundt andre stjerner. Liv i universet? . .......................................................... 344 Digitale ressurser i astronomiundervisning . .............................................................. 346 Kapittel 23 Å undervise i relativitetsteori ..................................................................................... 347 Spesiell relativitetsteori .................................................................................................. 347 Generell relativitetsteori ................................................................................................ 349 Kapittel 24 Å undervise teknologi som del av fysikkfaget . ....................................................... 357 Teknologi som kunnskapsområde ................................................................................ 357 Teknologisk kunnskap: eksempler på undervisningsprosjekter .............................. 359 Kapittel 25 Å undervise om fysikkens egenart og vekselvirkning med samfunnet . ........... 364 Undervisning om fysikkens egenart – hva og hvorfor? . ........................................... 364 Elevenes syn på naturvitenskapens egenart .............................................................. 367 Undervisning om fysikkens egenart – hvordan? ........................................................ 370 Diskusjonsspørsmål til del 5 . ...................................................................................... 377 Del 6 TESTER OG VURDERING I FYSIKKFAGET .............................................................. 379 Kapittel 26 Elevvurdering og veiledning i fysikk .......................................................................... 381 Formativ og summativ vurdering . ................................................................................ 381 Summativ vurdering i fysikk .......................................................................................... 382 Hvordan gjennomføre formativ vurdering i fysikk? . ................................................. 385 Kapittel 27 Internasjonale tester i fysikk . ..................................................................................... 390 TIMSS Advanced 1995, 2008 og 2015 . ...................................................................... 390 Hvilken nytte har vi av internasjonale tester? . .......................................................... 395 Kapittel 28 Fysikkeksamen ................................................................................................................ 397 Sammenhenger mellom læreplanen, nasjonale retningslinjer og eksamen ......... 397 Eksamensordningene . .................................................................................................... 398 Lokal muntlig-praktisk eksamen ................................................................................... 398

innhold 13

Skriftlig eksamen i Fysikk 2 ............................................................................................ 399 Hvilken funksjon har eksamen? .................................................................................... 404 Er eksamen rettferdig? ................................................................................................... 405 Kapittel 29 Eksamen og moderne testteori ................................................................................... 412 Eksamen på testteoretisk grunn ................................................................................... 412 Hvordan fungerer flervalgsoppgaver i prøver og til eksamen? ............................... 413 Moderne testteori: Rasch-modeller . ........................................................................... 414 Diskusjonsspørsmål til del 6 ....................................................................................... 425 Referanser . ...................................................................................................................... 427 Om forfatterne................................................................................................................. 445 Forfattere . ......................................................................................................................... 445 Andre bidragsytere . ........................................................................................................ 446 Stikkord . ........................................................................................................................... 448

Prolog Anders Isnes Hva er det som gjør deg så begeistret for fysikkfaget og fysikkundervisning? Dette spørsmålet har jeg møtt i ulike sammenhenger, og når jeg nå skal skrive en prolog til denne boka om fysikkdidaktikk, meldte spørsmålet seg igjen. Jeg mener at svaret er det samme i dag som det var tidligere. Det er med undring jeg ser ut i verdensrommet og tenker over lovmessigheter som gjør at vi kan beregne oss bakover og framover i tid, studere skjønnheten i nordlyset eller i en solnedgang og vite noe om hva som beskriver og forklarer slike fenomener. Eller om vi beveger oss innover i mikrokosmos og reflekterer over hvordan verden er skrudd sammen, og hva som er grunnlaget for nåtidens teknologiske nyvinninger. Slik kunne jeg fortsette undringen, nysgjerrigheten og kunnskapen i skjønn forening, og mange ville sikkert følge meg på en slik vandring. Men ikke alle, kanskje heller ikke mange av elevene våre? Hvilke elever ønsker vi å nå med fysikkfaget i skolen? Som lærere må vi ta inn over oss at fysikk er et allmenndannende fag, altså noe som de fleste kan ha glede av. Men det er også studieforberedende, i hvert fall på høyeste nivå i skolen. Dette er en spenning som vi bør kunne leve med. Det betyr at fysikklæreren står overfor mange valg, valg som angår læreplan, elever, læreverk, kolleger og skoleledelse. Denne boka er en hjelp på veien i et spennende utviklingsprosjekt for å etablere din rolle og rolleforståelse som fysikklærer. De ulike kapitlene kan hjelpe deg til å tenke gjennom både faglige og fagdidaktiske spørsmål. En viktig innsikt i ditt eget utviklingsprosjekt er at du aldri blir ferdig utdannet. Det å være lærer er et kontinuerlig utviklingsprosjekt, fordi metoden med stor M og i bestemt form finnes ikke. Lærere, elever og rammebetingelser er så forskjellige at det ikke lar seg gjøre å peke ut noen universell metode. Men lærere bør hele tiden være på jakt etter gode metoder som kan skape motivasjon og gode læringsmiljøer. Vi kan ramse opp mange rammefaktorer som virker inn på elevenes læring. Av ikke-faglige faktorer som vi vet

16 prolog elever setter pris på, er at læreren viser at hun er glad i faget, glad i elevene og er opptatt av deres læring og deres ve og vel. Selv om forskning ikke kan peke på hvilke metoder som generelt sett er best, kan forskning vise til rammebetingelser og metoder som gir gode læringsresultater i gitte situasjoner. Denne kunnskapen er viktig å bygge på, for det blir svært navlebeskuende å basere seg bare på personlig erfaring, selv om den også er vesentlig. Læreren skal sette sin personlige signatur på undervisningen gjennom entusiasme, faglig engasjement og glede over fag og elever. Forskere peker på at lærere bør ha et bredt metodisk repertoar å velge fra når de planlegger og gjennomfører undervisning. Variasjon er stikkord her. Både erfaring og forskning understreker at undervisning bør vise fagets relevans her og nå, for samfunnet og for arbeidslivet og for framtidige studier. Da er det ikke bare metoder og innhold som er avgjørende for elevenes motivasjon, men også hvilke læringsarenaer som velges. Det er ikke alltid slik at klasserom og laboratorium er de beste læringsarenaene. Hva er det som skaper størst autentisitet for elevene? Norske elever har gjennom internasjonale sammenliknende undersøkelser vist at de har noen utfordringer når det gjelder det som vi kan kalle naturvitenskapens egenart, naturfaglige praksiser og hvordan kunnskap utvikles innen naturvitenskapen. Det handler blant annet om hvordan vi innretter oss for å kunne trekke holdbare slutninger ut fra forsøk og undersøkelser, såkalte evidens baserte konklusjoner. Læreplanene for naturfagene, også for fysikkfaget, har formuleringer i fagets formål og kompetansemål som framhever nettopp disse ferdighetene og kunnskapene. Det betyr at arbeidsmåter og metoder i seg selv utgjør en del av skolefaget fysikk. Læreplanene innen naturfagene har lagt til rette for en kontinuerlig utvikling av disse sidene opp gjennom klassetrinnene. God læring oppnår vi når læreren og elevene bygger på den kunnskapen og de ferdighetene som elevene allerede har. Læreren bør derfor kjenne til læreplaner og lærebøker fra tidligere trinn for å vite hva som kan forventes av kunnskap. Fysikklæreren bør også kjenne til læreplanenes helhetlige tenkning. Og like viktig er det å kjenne til og bruke fagdidaktisk forskning som kan vise til elevers førkunnskaper og alternative oppfatninger av faglige begreper og sammenhenger. Denne boka gir deg kunnskap på disse områdene. Et annet trekk ved de gjeldende og kommende læreplanene er at også undervisningen i fysikk skal bruke grunnleggende ferdigheter for at eleven skal kunne lære fysikk bedre og for å bli bedre til å kommunisere faget. Det vil si ved å snakke, skrive, lese fysikk, regne i fysikk og bruke digitale hjelpemidler i fysikk. Det ligger en dyp erkjennelse i at de grunnleggende ferdighetene brukt på en

prolog 17

god pedagogisk måte kan gi gode læringseffekter. Men – læring er avhengig av hvordan elevene tar til seg faget som sitt personlige eie. Derfor er elevenes eget arbeid med faget viktig. De må ta aktivt del i sin egen læring. Derfor er motivasjon og begeistring også avgjørende. Nå er jeg der jeg startet denne prologen: Begeistring er smittende og skaper motivasjon. Til slutt vil jeg takke forfatterne av denne boka for tilliten ved å la meg skrive en prolog til en viktig bok. Når jeg ser gjennom forfatterregisteret og innholdsfortegnelsen, er det de fremste fagdidaktikerne i fysikkdidaktikk i landet som har bidratt med grunnlagsdiskusjoner og relevante forskningsresultater. Boka gir en god oversikt over litteratur som bretter ut kunnskap som er nyttig for planlegging, gjennomføring og vurdering av undervisning og læring. Den gir også et godt grunnlag for å reflektere over egen praksis. Lykke til som fysikklærer!

Fysikkdidaktikk: En innledning Fagdidaktikk dreier seg om undervisning og formidling av faget, og kan beskrives med de fire grunnleggende spørsmålene hvorfor, hva, hvordan og for hvem. Hvorfor skal elevene lære om fagets ideer og metoder? Hva skal faget inneholde som skolefag? Hvordan kan man undervise i faget, og hvem skal faget og undervisningen tilrettelegges for? Denne boka tar for seg disse spørsmålene for fysikkfaget i skolen. I dette kapitlet tar vi utgangspunkt i spørsmålet om hvorfor elevene skal lære fysikk. Begrunnelser som gis, har betydning både for hva slags innhold faget skal ha og hvordan det bør undervises. Til slutt i kapitlet gir vi en oversikt over boka og peker på hvordan de ulike delene av boka møter fysikklærerens behov for kunnskaper på ulike områder.

Fysikk i skolen: Hvorfor og for hvem? For en fysiker er det kanskje ikke aktuelt å spørre hvorfor man skal lære fysikk. Mange vil si at det er vesentlig å lære fysikk fordi faget representerer den mest fundamentale av alle naturvitenskapene og har lagt grunnlag for moderne teknolog vi bruker til daglig. På den andre siden vil noen hevde at de slett ikke har bruk for fysikkunnskap, og argumentere for at fysikkunnskap ikke behøves for å bruke moderne teknologi på kompetent måte. Det er derfor viktig å kunne begrunne hvorfor alle elever, ikke bare spesielt interesserte, bør kunne noe om fysikk og om naturvitenskap mer generelt. For mange vil det heller ikke være noen tvil om hva skolefaget fysikk skal inneholde; faget skal på en pedagogisk og systematisk måte bygge opp elevenes kunnskaper i fysikk fra bunnen av. Men et skolefag er aldri en ren avspeiling av et vitenskapsfag, og man må gjøre didaktiske valg med hensyn til hva slags kompetanse elevene skal tilegne seg og hvorfor. Hensikten med faget har stor betydning for hvordan innholdet utformes.

fysikkdidaktikk: en innledning 19

Sjøberg (2009) beskriver fire argumenter for hvorfor alle behøver å lære naturfag, og disse kan også brukes om fysikkfaget. Økonomiargumentet handler om at naturfagene er viktige for økonomisk framgang for samfunnet, men har også en individuell side ved at naturfag representerer potensielle yrkesveier for elevene. Nytteargumentet og demokratiargumentet innebærer at fagene gir kunnskap som enhver trenger i hverdagen og for demokratisk deltakelse i et moderne samfunn. Sjøberg hevder imidlertid at det viktigste argumentet for at alle skal lære naturfag er kulturargumentet, som bygger på at naturvitenskapen utgjør en vesentlig del av vår felles kulturbakgrunn og virkelighetsforståelse som elevene bør ha innsikt i som del av sin allmenndannelse. I tråd med økonomiargumentet skal fysikkfaget gi elevene en første innsikt i en stringent vitenskapsdisiplin der abstraksjon og presise formuleringer av fysiske problemstillinger er viktig. Dette legger grunnlag for videre studier i fysikk, andre realfag og teknologiske fag som samfunnet har behov for, og som representerer en mulig yrkesvei for elevene. På den andre siden skal fysikkfaget også gi elevene en bred forståelse av naturfenomener og vårt fysiske verdensbilde, og grunnlag for naturvitenskapelig baserte oppfatninger som er viktig for demokratisk deltakelse i samfunnet. Vi har dermed to kryssende oppfatninger av hva som er målsettingen med en moderne grunnutdanning i fysikk: faget som allmenndannende og faget som studieforberedende. I det følgende skal vi se på hva disse to målsettingene har å si for innholdet i faget.

Fysikk som allmenndannende fag Fysikkfaget i skolen bør gi elevene kunnskap om naturvitenskap som grunnlag for å forstå og kunne være delaktige i politiske og samfunnsmessige debatter og beslutninger. I et høyteknologisk samfunn hvor mange beslutninger tas på grunnlag av vitenskapelig evidens og argumentasjon, krever dette en viss innsikt i fysikk og de andre naturvitenskapene. Fysikken utgjør også en vesentlig del av vår kulturbakgrunn og forståelse av virkeligheten. Et fysikkfag som har som hovedhensikt å være allmenndannende, vil ha innhold som tar utgangspunkt i fysikkens betydning for vår kultur og historie, og for samfunnsaktuelle sammenhenger. Det vil kunne vektlegge forståelse av hverdagsfenomener eller filosofiske aspekter av fysikken for eksempel knyttet til de store spørsmålene innen kosmologi. Det vil også inneholde fysikk satt inn i komplekse samfunnsrelevante problemstillinger hvor beslutninger skal tas, slik som bruk av energiressurser, helseeffekter av stråling, klimaproblematikk og teknologiske

20 fysikkdidaktikk: en innledning nyvinninger innen medisinsk diagnostikk. Dette vil være problemstillinger hvor beslutninger krever at fysikk kombineres med andre typer kunnskaper og i en del tilfeller også ideologi og etikk. Med en slik vinkling blir faget i stor grad et deskriptivt fag. Men det kan også vektlegge hvordan matematiske modeller av komplekse fysiske sammenhenger kan bidra til beslutninger, og hvordan slike modeller bygger på visse antakelser og tilnærminger som gjør at de er beheftet med en viss usikkerhet. Klimamodeller som beskriver betydningen av CO2 i atmosfæren, er et eksempel på slike modeller som vil kunne få plass i et allmenndannende fysikkfag.

Fysikk som studieforberedende fag Et moderne samfunn er helt avhengig av høy teknologisk og naturvitenskapelig kompetanse i befolkningen. Fysikkfaget skal rekruttere nye fysikere, men også ingeniører, medisinere og teknikere som trenger et visst grunnlag av kunn skaper i fysikk. Hva bør fysikkfaget inneholde om det skal gi elevene et best mulig grunnlag for videre studier innen fysikk og relaterte fag? Universitetsprofessorer som underviser begynnerstudenter i fysikk, vil kunne hevde at skolens fysikkfag må gi elevene en solid oversikt over fysikkens fundamentale begreper og sammenhenger, og gode ferdigheter i å manipulere fysiske størrelser matematisk. Med et slikt utgangspunkt er det naturlig å legge vekt på de mest grunnleggende deler av fysikken, som mekanikk, termodynamikk, elektromagnetism, de mest etablerte deler av moderne fysikk, fysikkens eksperimentelle og matematiske metoder samt modellering. Men om den helt grunnleggende fysikken skal fylle hele faget i videregående skole, blir det lite plass igjen for mer grensesprengende temaer fra moderne fysikk, problemstillinger og anvendelser som fysikere forsker på i dag, eller temaer som gir inspirasjon og nysgjerrighet til videre fordypning. Det hjelper lite med godt trenede elever hvis flertallet av dem velger bort faget! Faget må derfor vekke fascinasjon og interesse; det må gi elevene opplevelsen av fysikk som et fag som har betydning for samfunnet, og som leder fram mot yrkeskarrierer hvor de selv kan bidra med å skape og gjøre bruk av ny kunnskap. I et slikt perspektiv blir det kanskje ikke noen motsetning mellom det allmenndannende og det mer studieforberedende perspektivet. Et fysikkfag som appellerer til flere elever slik at flere velger det, kan være med på å heve den generelle naturfaglige kompetansen, samtidig som flere kan bli motivert til videre utdanning innen realfagene.

fysikkdidaktikk: en innledning 21

Å være fysikklærer: Kort oversikt over boka Å være fysikklærer er et spennende og krevende yrke. Det krever solid faglig kompetanse tilegnet gjennom lange fagstudier. Fysikkfaget i skolen krever imidlertid også at læreren har kunnskap om fysikk som vitenskapsfag. Hvordan har denne vitenskapen utviklet seg? Hvordan kan vi ha sikker kunnskap om naturen? Disse spørsmålene gis ofte ikke en vesentlig plass i fagstudiet ved universitetene. De er i denne boka tatt opp i hovedsak gjennom del 1, «Hva er fysikk?», hvor vi tar for oss noe av fysikkens historie, fysikkens tenkeog arbeidsmåter og sosiale og samfunnsmessige forhold som påvirker fysikkens kunnskapsutvikling. En fysikklærer behøver også didaktisk kompetanse, det vil si kunnskap om hvordan man kan tilrettelegge for læring i faget. I dette ligger også innsikt i hva som kjennetegner faget i skolen, noe vi behandler i del 2. Her ser vi på hvordan læreplaner i fysikk har utviklet seg, hvordan elever og lærere opplever fysikkfaget, hvem som velger faget, og hva som foregår i norske fysikklasserom. Del 3 handler om å lære fysikk, og vi presenterer her hvordan ulike syn på læring har betydning for undervisning i fysikk, og hvilke forutsetninger elevene møter undervisningen med. Fysikklæreren behøver et rikt repertoar av konkrete opplegg for sin undervisning. Dette behovet møter vi i del 4 og del 5. Del 4 tar for seg noen overordnede temaer som er vesentlige for å undervise fysikk som teoretisk og eksperimentelt fag, mens del 5 behandler utvalgte fysikkfaglige temaer med konkrete tips til undervisningsaktiviteter. I del 6 behandler vi elevvurdering og diskuterer hvordan eksamen og tester i fysikk best mulig kan gi oss mål for elevenes kompetanse og bidra til videre læring. Denne boka er ment som en start for å utvikle den sammensatte og komp lekse kompetansen en fysikklærer behøver. Det viktigste er kanskje likevel evnen til å stadig fornye seg, lære nye ting og prøve ut og reflektere over nye metoder, samt å delta i faglige og fagdidaktiske diskusjoner for å utvikle faget og undervisningen videre. Sammen med glede over faget og over samvær med elevene gjør dette det å være fysikklærer spennende og lærerikt!

En dobbel regnbue over gården Woolsthorpe i Lincolnshire, England, der Isaac Newton ble født første juledag 1642. Foto: Roy Bishop, Acadia University, courtesy of AIP Emilio Segrè Visual Archives.

[start del]

DEL 1 HVA ER FYSIKK? Fysikk er en av de eldste og mest fundamentale naturvitenskapene; et tanke system med lange tradisjoner. Gjennom århundrene har fysikken vekselvirket med historiske og samfunnsmessige forhold, teknologi og tankestrømninger. Den har gitt viktige bidrag til vår selvforståelse, og den er en sentral drivkraft i å forme vår hver dag, spesielt gjennom teknologien vi bruker. Spørsmålet «Hva er fysikk?» krever at vi tar et skritt tilbake og betrakter fysikken fra et metaperspektiv. I denne delen trek ker vi inn perspektiver fra bl.a. vitenskapsfilosofi og -historie for å belyse fysikkens egenart fra litt ulike sider. Vi starter med et overordnet blikk på fysikk som vitenskap og på hva slags kunnskap fysikken utvikler. Derfra går vi videre til hvordan fysikken slik vi kjenner den i dag, utviklet seg historisk fra starten i antikken. I kapittel 3 ser vi på hvordan fysikere arbeider, og hvilke prosesser som er involvert, når ny forståelse utvikles. Denne delen avsluttes i kapittel 4 med et blikk på forskersamfunnet og på hvordan fysikken utvikles i vekselvirkning med samfunnet.

å forstå verden omkring oss 25

Kapittel 1

Å forstå verden omkring oss My goal is simple. It is a complete understanding of the universe, why it is as it is and why it exists at all. Stephen Hawking, gjengitt i Boslough (1985, s. 77)

1.1

Fra det minste til det største; fra det enkle til det komplekse

Læren om naturen Fysikk betraktes gjerne som den mest fundamentale av naturvitenskapene. Fysikken har som mål å utvikle teorier som beskriver egenskapene og oppførselen til naturens bestanddeler, fra de aller minste partiklene i atomkjernen til de fjerneste galaksehopene i universet. Mellom disse ytterpunktene finner vi fenomener som vi kan observere i dagliglivet, og teknologi som produseres basert på innsikt i fysikk. Fysikkens teorier om at alt er bygd opp av partikler, gjør det mulig å beskrive oppførselen til faste stoffer, væsker og gasser og å produsere nye, funksjonelle materialer. Relativitetsteoriene beskriver hvordan sorte hull oppfører seg – og de er essensielle for presisjonen i GPS-systemet, som gir oss posisjonen vår på kloden med forbløffende presisjon og hurtighet. Vi kan også bruke fysikkens teorier for f.eks. absorpsjon av stråling, transport av varme, og strømning av væsker og gasser til å beskrive uhyre komplekse fenomener som for eksempel vær og klima. Ordet fysikk kommer av det greske physis, som betyr «natur», og i det gamle Hellas omfattet fysikken all kunnskap om naturen. Siden ble mange kunnskapsområder skilt ut som egne vitenskaper som f.eks. kjemi, astronomi, geologi og meteorologi. Men grensene mellom fagområdene er ikke skarpe, og et trekk ved moderne naturvitenskap er nettopp at man tar i bruk kunnskap og metoder fra ulike fagområder for å beskrive komplekse fenomener som levende organismer eller jordas klima. Fysikere gir i dag viktige bidrag innen for eksempel biologi, medisin og geofag.

26 kapittel 1

Kompleksitet Noen fenomener innen fysikken kan beskrives ut fra et sett med enkle sammenhenger. For eksempel kan jordas bevegelse rundt sola beskrives med stor nøyaktighet ut fra gravitasjonskraften mellom to idealiserte punktlegemer, til tross for at jorda er et komplekst, makroskopisk system. Vi behandler det makroskopiske systemet (jordkloden) som helhet; ikke bevegelsen til hver enkelt partikkel som planeten består av. Andre makroskopiske fenomener kan forstås på liknende vis. En liter luft inneholder 1023 molekyler, og selv om kreftene mellom dem er velkjente, er det umulig å beregne den detaljerte bevegelsen for hvert enkelt molekyl. Likevel kan vi sette opp enkle uttrykk for trykket fra en gass på veggene i en sylinder. Vi har også enkle sammenhenger som beskriver ledning av varme eller elektrisitet gjennom et metall. I disse eksemplene er det den gjennomsnittlige opp førselen til partiklene vi forholder oss til. Denne måten å angripe problemet på er statistisk og blir mulig (og meningsfylt) på grunn av det meget store antallet partikler som er involvert. Men mange systemer er mer kompliserte, som for eksempel menneskehjernen eller klimasystemet. Selv om man også her har en grunnleggende forståelse av de fysiske prinsippene som inngår, er det umulig å gi slike fenomener en nøyaktig beskrivelse. For slike systemer spiller det ingen rolle hvor godt vi kjenner lovene som styrer systemets enkeltdeler; kompleksiteten i systemet gjør at vi likevel ikke kan forutsi systemets oppførsel i detalj. Ved å modellere slike komp lekse systemer er det likevel mulig å skaffe nyttig innsikt i oppførselen deres. I dette spennet mellom det største og det minste, det enkle og idealiserte og det komplekse, utspiller dagens fysikkforskning seg.

Figur 1.1 Dette bildet, tatt med infrarød stråling utenfor atmosfæren av romteleskopet Hubble, lar oss se galakser som er fjerne både i avstand og i tid – her «ser» vi opptil 13 milliarder år bakover i tid og rom. På fotografier tatt med teleskoper på jordoverflaten er denne flekken på himmelen så godt som tom for stjerner. På dette Hubble-bildet ser vi hundrevis av galakser! Foto: NASA, ESA and the HST Frontier Fields team (STScI), acknowledgement by Judy Schmidt.

å forstå verden omkring oss 27

Menneskelig erfaring Vår direkte erfaring av den fysiske verden er begrenset. Vi har trolig en direkte forestilling om objekter så små som 0,1 mm (10–4 m) og så store som jorda med sin diameter på 12 000 km (~107 m). Fysikken beskriver derimot fenomener på størrelsesskalaer fra mindre enn 10–15 m (atomkjerner) og opptil ca. 1026 m (grensen for det «synlige» univers). Med andre ord «sanser» vi objekter i et størrelsesspenn på ca. 11tierpotenser, mens fysikken beskjeftiger seg med et spenn på over 41 tierpotenser. Et tilsvarende resonnement gjelder tidsskalaen. Vi har en følelse av tid fra ca. 1/100-dels sekund (10–2 s) og opptil ca. 1000 år (~1010 s). I fysikken opererer man med tider for elementærpartikkelprosesser ned til 10–23 s, og universets alder er 13,8 milliarder år (~1017 s). Igjen overskuer vi bare 12 tierpotenser av tid, mens fysikken opererer med opp mot 40 tierpotenser. Det finnes også andre begrensninger ved vår menneskelige erfaringsevne. Vi forholder oss til tre romlige dimensjoner og tidens «strøm», og når vi skal spesifisere en hendelse, gjør vi det med en posisjonsangivelse og et tidspunkt. Rom og tid er i vår bevissthet separate begreper. Men i relativitetsteorien er rom og tid intimt sammenbundet, og vi har en utfordring i å overskride vår oppfatning av tid og rom. Det viser seg altså at når vi betrakter systemer utenfor vår erfaringsverden, kan vår sunne fornuft vise seg utilstrekkelig.

1.2

Hva handler fysikk om?

Elever som skal velge programfag i videregående skole, vet kanskje ikke helt hva fysikk er. Hva skal vi svare en elev som spør om hva fysikk er og hva faget handler om? Som antydet i introduksjonen til denne seksjonen kan svaret gis på ulike plan. Én definisjon av fysikk kan være: Fysikk er vitenskapen om universets og alt stoffs fundamentale bestanddeler og om kreftene som virker mellom dem.

En slik definisjon fokuserer først og fremst på fysikkens «produkter»: begreper som «elementærpartikkel», «masse», «elektrisk strøm» og «tyngdekraft» og fysiske lover som for eksempel gravitasjonsloven eller Kirchhoffs lover. En annen innfallsvinkel til spørsmålet er at fysikken først og fremst kjennetegnes ved metodene som brukes for å skape innsikt i naturen. Da kunne man kanskje definere fysikk slik: Fysikk dreier seg om å lage (matematiske) modeller av virkeligheten.

28 kapittel 1

Figur 1.2 Elektronmikroskop-bilde av såkalte «karbon nano-kjegler», der veggene består av ett lag med karbonatomer. Nanoteknologien er et relativt nytt fagområde der forskerne knytter store forventninger både til ny forståelse av materialer og nye anvendelsesmuligheter innen alt fra medisin til romfart. Foto: Institutt for energiteknikk (IFE) / Arne Skjeltorp.

En slik definisjon legger vekt på at det som karakteriserer fysikken, er dens «verktøykasse» av praksiser for å analysere kompliserte systemer. I dag arbeider fysikere i en rekke bransjer som økonomi, biologi, medisin og samfunnsvitenskap – og grunnen til at de gjør nytte for seg her, er nettopp fysikeres trening i å analysere kompliserte systemer og prosesser med matematisk verktøy og ved å ta i bruk databeregninger og datamodellering. Nok en innfallsvinkel er å gi eksempler på fenomener (gjerne fra elevenes hverdag) som kan beskrives og forstås gjennom fysikk. Fysikk handler om å forstå og fortolke den fysiske virkeligheten – alt fra hverdagsfenomener til jordas og menneskets plass i universet. Fysikken kan bidra til å besvare spørsmål som: «Hvorfor faller ikke månen ned?», «Hvordan oppstår regnbuen?», «Er strålingen fra mobiltelefonen min skadelig?», «Hvordan oppsto verden?», «Er det mulig å reise i tid?», og «Finnes det liv i universet utenfor jorda?». I skolefaget fysikk skal elevene møte ikke bare fysikkens «produkter» (begre pene, lovene og teoriene), men også dens metoder og praksiser – den analytiske og systematiske tilnærmingen og oppbyggingen av (matematiske) modeller av fenomener og prosesser ut fra eksperimenter, resonnementer, modellering og simulering. Ikke minst må elevene få rikelig anledning til å undre seg over fysiske fenomener, sammen med hverandre og med læreren, og til å øve seg på å nærme seg store og små spørsmål med fysikerens «verktøykasse» av begreper og metoder. Fysikken gir oss viktige innsikter om virkeligheten vi lever i. Den setter oss i stand til fantastiske ting som å sende mennesker ut i verdensrommet, konst ruere superdatamaskiner og bruke stråling til å kurere kreft. Fysikken er også et stort, internasjonalt fellesprosjekt som er i stadig utvikling og under stadig diskusjon, og som utfordrer vår tankekraft og forestillingsevne til det ytterste. Ikke minst er fysikken ett av menneskehetens mest slående kulturprodukter!

å forstå verden omkring oss 29

1.3

Fysikkens mål: Forklaring eller beskrivelse? Sannhet eller modeller som virker?

Forklaring eller beskrivelse? Et interessant spørsmål er om fysikkens teorier forklarer hvorfor naturen oppfører seg som den gjør, eller om de beskriver hvordan naturfenomener foregår. Et mål i den aristoteliske fysikken var for eksempel å finne svar på hvorfor ting faller mot bakken. Svaret Aristoteles kom med, var at ting faller «fordi de søker sin naturlige plass». Galileo, derimot, spurte hvordan ting faller, og valgte å beskrive fallet ved begrepet akselerasjon. Når vi sier at en stein faller mot bakken «fordi tyngdekraften virker mellom jorda og steinen» – har vi da egentlig forklart hvorfor steinen faller, eller ledes vi bare videre til spørsmålet om hvorfor det virker tyngdekrefter? Kanskje burde vi i skolefysikken snakke mer om at fysikken beskriver hvordan fenomener foregår, og mindre om at den forklarer hvorfor ting skjer? Niels Bohr (1935) skrev: I Fysikken […] belæres vi jo atter og atter om, at vor Opgave ikke er at trænge ind i Tingenes Væsen, hvad vi jo heller slet ikke ved, hvad vilde sige, men blot at udvikle de Begreber, der tillader os paa frugtbar Maade at tale med hverandre om Fore teelserne i Naturen.

Naturvitenskap og fysikk er basert på en grunnleggende antakelse om at det finnes bestemte regler for hvordan naturen oppfører seg. Vi har observert, resonnert og beregnet oss fram til et sett med begreper og sammenhenger som utgjør det vi kan kalle fundamental fysikk. Men vi kjenner ikke alle sammenhengene ennå, og med forskning følger også en forståelse av hvor grensene for vår viten går. For eksempel vet vi at friksjon er noe som finnes overalt omkring oss, men friksjonens lovmessigheter er ikke fullt ut forstått. Vi vet noe om hvordan elektriske signaler forplanter seg gjennom nervesystemet i kroppen, men vi er langt fra å kunne beskrive hvordan dette gjør det mulig for mennesker å tenke. Hvordan kan vi være sikre på at noe er sant, og hva mener vi da med at noe er sant? Finnes det metoder for å finne fram til sikker kunnskap? Erkjennelsesteori eller epistemologi handler om hva kunnskap er og hvordan vi skaffer oss kunnskap. Epistemologi dreier seg også om sammenhengen mellom vår kunnskap og det vi kaller ontologisk virkelighet. Ontologi betyr læren om alle tings eksistens, vesen og egenskaper. «Hva er kvarker?» kan vi si er et ontologisk spørsmål, mens «Hvordan kan vi vite at kvarkene finnes?» er et epistemologisk spørsmål.

30 kapittel 1

Et konstruktivistisk kunnskapssyn Fysikken kan neppe gi en komplett «forklaring» på alle spørsmål vi måtte ha om den fysiske virkeligheten. Noen vitenskapsfilosofer vil hevde at vi bør gi slipp på ideen om at naturvitenskapen søker etter «sannhet», og i stedet nøye oss med å søke å utvikle modeller som beskriver og forutsier den fysiske verdens oppførsel så nøyaktig som mulig. Konstruktivisme beskriver både et syn på hva kunnskap i seg selv er, og et syn på hvordan det enkelte individ lærer og konstruerer sin egen kunnskap. Vi kommer tilbake til konstruktivismen som læringssyn i kapittel 9. Her vil vi se litt nærmere på hva denne tankeretningen sier om statusen til naturvitenskapelig erkjennelse. Radikal konstruktivisme (se også Quale, 2008) hevder at det går an å klare seg uten det tradisjonelle begrepet «sannhet», og at vi må oppgi tanken på kunnskap som en «sann» representasjon av hvordan ting er. Men selv ikke radikal konstruktivisme avviser eksistensen av en fysisk verden eller virkelighet. Det denne tankeretningen avviser, er muligheten for en sikker viten om virkeligheten, hvis vi med virkeligheten mener noe som eksisterer og har en struktur uavhengig av menneskelig bevissthet. På denne måten blir kunnskapssynet pragmatisk. Det blir ikke spørsmål om hvor sann eller riktig kunnskapen er, men hvor godt den passer til erfaringene. Radikal konstruktivisme er kontroversiell. Ideen om at kunnskap er menneskelige konstruksjoner, og at vi ikke kan ha direkte tilgang til en eventuell virkelig verden utenfor oss selv, er noe av det som har ført til betydelig kritikk av konstruktivisme som kunnskapssyn (Kragh, 1998; Matthews, 1992a, 1994). Konstruktivistiske tenkemåter har altså gitt næring til diskusjoner om forholdet mellom virkeligheten og fysikkens modeller.

I hvilken forstand eksisterer de størrelsene vi arbeider med i fysikken? I fysikken opererer vi med en rekke abstrakte objekter, teorier og modeller, for eksempel fotoner, elektriske felt og kvarker. Vi ser dem aldri direkte, men kan måle og beskrive dem indirekte, og ved å operere med disse begrepene og teoriene kan fysikken gi presise beskrivelser og forutsigelser av fenomener og prosesser – beskrivelser som samsvarer med det vi observerer. Men i hvilken forstand kan vi si at slike objekter eksisterer «i virkeligheten»? Denne diskusjonen er ikke minst aktuell i fortolkningen av kvantefysikken. Her var Niels Bohr sentral i å definere den såkalte Københavner-fortolkningen,

å forstå verden omkring oss 31

som er mest opptatt av at fysikken leverer begreper og matematiske modeller som lar oss regne på det som skjer i naturen på mikronivå – og komme med forutsigelser som kan testes empirisk, jf. sitatet på forrige side. I kontrast til dette står en realisme-fortolkning, som antar at verden har faktisk eksisterende egenskaper uavhengig av vår observasjon og beskrivelse av dem, og som krever at fysikken skal si noe om hvordan verden «egentlig» er, og at fysikkens begreper skal svare til faktisk eksisterende aspekter ved virkeligheten (se også kapittel 21 om undervisning av kvantefysikk). Mange elever, og mange lærere så vel som aktive forskere og naturvitenskapsfolk, går ut fra at atomer, elektriske felt osv. har en eksistens uavhengig av den menneskelige bevissthet. De har dermed en realisme-tilnærming. Dette er nok den tilnærmingen til kunnskap som mange elever, og en god del fysikere, spontant griper til og bruker (se f.eks. Bunge, 2003; Henriksen, Angell, Vistnes & Bungum, 2018).

Fysikk som matematiske modeller Uavhengig av om vi aksepterer tankegangen i radikal konstruktivisme, eller om vi har en realistisk oppfatning av virkeligheten, og selv om vi kanskje må oppgi tanken på at fysikken søker etter sannhet, er vi i fysikken opptatt av å lage modeller som best mulig gjør oss i stand til å beskrive de fenomenene vi observerer, gjøre forutsigelser om naturen og konstruere teknologi som virker. Fysikkens modeller er stort sett uttrykt i matematisk «språk», der matematiske likninger uttrykker sammenhenger mellom fysiske, observerbare størrelser. Vi kan altså si at fysikk i stor grad handler om å lage (matematiske) modeller av virkeligheten. Disse modellene relaterer seg til to ulike «rasjonaliteter» (Greca & Moreira, 2002); på den ene siden matematikkens strengt deduktive, aksiomatiske system, og på den andre siden den empiriske verden av fysiske fenomener. Gaute Einevoll (2005, s. 9) skriver: Naturlovene er skrevet i matematikk. Ikke fordi fysikerne har valgt det, men fordi vi har observert at naturen følger slike regler. Naturens språk er matematisk, og fysikkens hovedprosjekt har vært å finne de matematiske reglene som naturen følger.

Et syn på naturvitenskap som modeller finner støtte hos flere filosofer som har beskjeftiget seg med kunnskapens natur. Følger vi Immanuel Kants syn at kunnskap om den fysiske verden aldri kan være identisk med verden (eller fenomenet) i seg selv, vil all naturvitenskapelig kunnskap (og mye annen kunnskap!)

32 kapittel 1 kunne anses som modeller. Et beslektet perspektiv framheves av vitenskaps filosofen Popper, som poengterer at vitenskapelig kunnskap aldri kan bevises endelig, men alltid vil være tentativ (se også kapittel 3). I dagens fysikk dreier forskningen seg i stor grad om å utvikle, forbedre og bruke modeller som beskriver fenomener som klimaet, atomkjernen eller universet (Gilbert, 2004; Winsberg, 1999). Utviklingen innen datateknologi gjennom de siste tiårene gjør denne tilnærmingsmåten ekstra effektiv, og «computational physics» kan kanskje sies å være en «tredje søyle» i dagens fysikk, i tillegg til de to tradisjonelle; eksperimentalfysikk og teoretisk fysikk. Denne utviklingen bør selvsagt også reflekteres i skolens fysikkfag, slik at fysikkelever får innsikt i hvordan databeregninger kan brukes som verktøy både i skolefysikken og i forskning (se kapittel 12, samt Haraldsrud & Tellefsen, 2018).

1.4

Lover, teorier, modeller og hypoteser

Ulike betegnelser på innsikt innen fysikk I fysikkbøkene møter vi en rekke ulike betegnelser på formuleringer av innsikt i den fysiske verden. Vi har lover (gravitasjonsloven, Ohms lov, Hubble-Lemaîtres lov), teorier (relativitetsteorien, Maxwells elektromagnetiske teori), modeller (Bohrs atommodell, Standardmodellen), likninger (Bernoullilikningen, Schrödinger likningen) og hypoteser (kvantehypotesen). I tillegg brukes termer som primært hører hjemme i matematikken, som aksiomer (betegnelsen som Newton brukte på de tre bevegelseslovene i boka Principia) og postulater (Bohrs postulater). Etter å ha lest noen fysikkbøker, ser vi fort at bruken av disse betegnelsene er langt fra konsistent. Ordet modell brukes for eksempel i noen sammenhenger om en svært omfattende kunnskapsstruktur som vi har stor tiltro til (som Standardmodellen i elementærpartikkelfysikk); i andre sammenhenger kan en modell framsettes som en hypotese, det vil si som et forslag, åpent for testing, til en mulig beskrivelse av et fenomen. En utbredt forestilling er at vitenskap bygger på udiskutable fakta (Chalmers, 1999), og at det er en klar hierarkisk sammenheng; fra fakta og observasjoner gjennom hypoteser til teorier og lover (McComas, 1998). Men så enkelt er det ikke. Et interessant poeng i denne sammenheng er at betegnelsen «lov» i liten grad er benyttet på kunnskap som er formulert etter 1900; det meste av det vi kjenner som «fysikkens lover» (Newtons lover, Ohms lov, Keplers lover, Kirch hoffs lover), ble stort sett etablert i perioden 1600–1900. Innen det vi kaller

å forstå verden omkring oss 33

«moderne fysikk», som er etablert gjennom de siste 100 årene eller litt mer, finnes det færre lover og flere teorier og modeller (relativitetsteori, atommodell). Det er med andre ord umulig å lage klare skiller mellom begrepene teori, modell og lov. Nedenfor forsøker vi likevel å skissere noen av de mest utbredte måtene å bruke disse betegnelsene på. Vi kommer også tilbake til noen av disse problem stillingene i kapittel 3 om fysikkens tenkeog arbeidsmåter.

Teorier I naturvitenskap bruker vi begrepet teori om vår mest etablerte kunnskap. Teorien er selve rammeverket for det vi kan si vi vet; en forståelsesramme som gir flere lover en felles begrunnelse eller forklaring. For eksempel «forklarte» Newtons gravitasjonsteori Keplers lover for planetbevegelse og lover for hvordan legemer faller under tyngdens akselerasjon. Den spesielle relativitetsteorien, som bygger på to kortfattede og konsise grunnsetninger eller postulater, er et eksempel som viser viktige sider ved fysiske teorier. Med utgangspunkt i postulatene kom Einstein fram til konklusjoner som forandret vår oppfatning av tid, rom og energi. Teorien kunne forklare en rekke eksperimentelle observa sjoner og forutsi hva som ville hende i forsøk hvor partikler hadde fart opp mot lysfarten. Relativitetsteorien omfatter lover for hvordan tiden går saktere og gjenstander blir kortere når vi observerer dem ved svært høye hastigheter. I begynnelsen av 1800-tallet fantes bare en enkel forståelse av materialers elektriske og magnetiske egenskaper, og elektrisitet og magnetisme ble betraktet som to separate, uavhengige fenomener. Men da Ørsted oppdaget at en strømførende ledning oppførte seg som en magnet og Faraday viste at en magnet i bevegelse nær en ledning ga opphav til en strøm i ledningen, innså man at det var en sammenheng mellom de to fenomenene. I siste halvdel av 1800-tallet lyktes det Maxwell å beskrive fenomenene elektrisitet, magnetisme og lys under én sammenfattende teori for elektromagnetisme. Dette er et eksempel på hvordan forståelsen av fysiske fenomener utvikles og utvides, og hvor målet er en stadig mer generell og overgripende beskrivelse der stadig flere fenomener kan forstås gjennom et lite antall grunnleggende teorier. Til slutt kommer vi kanskje så langt at all fysikk kan beskrives i én teori, en «Theory of Everything». Å finne en slik teori er kanskje det endelige målet for fysikken. Vitenskapsfilosofen Karl Popper (se også kapittel 3) var opptatt av hva som kjennetegner vitenskapelige teorier. Han mente bl.a. at et utsagn eller en teori er bare vitenskapelig dersom den kan bli falsifisert, det vil si at den inneholder muligheten for empirisk tilbakevisning. En kan prinsipielt ikke bevise at noe

34 kapittel 1 er sant, men man kan gjennom logikk og empiri bevise at noe er usant, gitt at teorier for det aktuelle måleutstyret antas å være sanne. Å bevise en teori ville kreve «uendelig mange» eksperimenter eller observasjoner. Alle fysikkens loverog teorier må derfor betraktes som foreløpige – selv om mange av dem har vist seg «motstandsdyktige mot avkrefting» gjennom århundrer. Vi vet aldri om det kommer nye resultater som krever en modifikasjon av teorien. I vanlig språkbruk brukes ordet teori ofte om løst funderte antakelser, som når en person for eksempel sier: «Jeg har en teori om at det blir mye snø til vinteren.» Det at begrepet teori brukes på så ulike måter, kan skape misforståelser.

Modeller Hva er forskjellen på en teori og en modell? Noen ganger brukes disse begre pene om hverandre (atomteori, atommodell). Én betydning dreier seg om store, teoretiske systemer som forskersamfunnet har sterk tiltro til, som f.eks. Big Bang-modellen for universets opprinnelse. I en litt annen betydning kan «modell» bety en mye mer begrenset beskrivelse av et enkeltfenomen, som for eksempel hvordan luftmotstanden avhenger av farten for fallende muffins former, se kapittel 12. Vi snakker gjerne om «modellering» når vi beskriver hvordan forskere (eller fysikkelever!) bruker måledata sammen med matematiske verktøy og dataverktøy til å lete etter en matematisk sammenheng som beskriver en bestemt fysisk situasjon. I denne betydningen kan en modell ha ganske begrenset gyldighet til akkurat den situasjonen som skal beskrives. Det er viktig å ikke forveksle en modell med det virkelige systemet eller fenomenet vi studerer. Et trekk ved modeller er at de som oftest beskriver en avgrenset del av virkeligheten eller noen utvalgte aspekter ved et fenomen. Kinetisk gassteori, for eksempel, inneholder en modell av atomer eller molekyler som små kuler som kolliderer elastisk, og med denne modellen kan man både forutsi og forklare en rekke fenomener. I andre sammenhenger, derimot, vil det være lite hensiktsmessig å se på atomene som små kuler. For eksempel vil ikke stoffers spektrallinjer kunne forklares ut fra en slik modell for atomet. I kapittel 12 behandler vi modeller mer inngående; både vitenskapelige modeller og pedagogiske modeller som brukes i undervisningen

Lover I naturvitenskap brukes betegnelsen lov om presise formuleringer som fastslår regelmessigheter i naturen. En lov i fysikken er en sammenheng mellom mål-

å forstå verden omkring oss 35

bare størrelser, for eksempel mellom to begreper som spenning og strøm (Ohms lov), en planets avstand fra sola og omløpstiden rundt sola (Keplers 3. lov) eller innfallsvinkel og brytningsvinkel for en lysstråle som går fra luft over i glass (Snells brytningslov). Vi kan kanskje si at lover er generaliseringer av mønstre i naturen, mens teorier er forklaringer av disse generaliseringene (McComas, 1998). En fysisk lov skal gi riktige forutsigelser innenfor sitt gyldighetsområde, og den skal være universell. Ofte kan en lov formuleres som en relasjon mellom fysiske størrelser. Newtons 2. lov, ΣF = ma, er en slik relasjon uttrykt ved en likning. En lov må vise seg å være i overensstemmelse med eksperimenter over et vidt område. Loven uttrykker ofte en felles egenskap ved mange observasjoner. Energibevaringsloven er et eksempel på dette. Naturvitenskapelige lover er selvsagt forskjellige fra politisk vedtatte lover. Politiske lover er foreskrivende, de forteller oss hvordan vi bør oppføre oss. Naturvitenskapelige lover er derimot deskriptive, de sier ikke hvordan naturen burde være, men er ment å uttrykke noe om hvordan den virkelig er. Vi kan aldri få testet fysikkens lover og teorier i alle de uendelig mange tenkelige tilfeller. Vi kan derfor ikke være sikre på at en lov er ufravikelig korrekt. Vi bruker betegnelsen lov når holdbarheten er blitt testet over et stort spekter av tilfeller, og når begrensningene er klarlagt. Selv da kan det vise seg nødvendig å modifisere eller forkaste en lov etter hvert som en får ny informasjon og kunnskap. Vi kaller imidlertid fortsatt Newtons 2. lov for en lov selv om den ikke gjelder for svært store hastigheter. Den har altså et begrenset gyldighetsområde.

Hypoteser Ofte konstruerer forskere forslag til forklaringer eller modeller som de gjetter på at stemmer, og som siden prøves ut eksperimentelt eller teoretisk. Slike forslag kalles hypoteser. For eksempel kan man framsette en hypotese om sammenhengen mellom målbare størrelser – og hvis denne viser seg å gjelde under en rekke ulike forhold, og man ikke finner moteksempler som falsifiserer den, vil hypotesen etter hvert få status som etablert kunnskap. Standardmodellen for elementærpartikkelfysikk inneholdt en hypotese om eksistensen av higgspartikkelen for å kunne forklare hvorfor elementærpartikler har masse, og i 2012 ble partikkelen eksperimentelt påvist ved CERN. Dette innebar en styrking av Standardmodellen. Dersom en hypotese ikke avkreftes selv etter omfattende tester, vil den etter hvert kunne bygges inn i en teori. På liknende vis ga deteksjonen av gravitasjonsbølger i 2015 ny støtte til den generelle relativitetsteorien (se også kapittel 23).

36 kapittel 1 I fysikktimen ber læreren ofte elevene om å foreslå hypoteser i forbindelse med eksperimenter, men da bruker vi begrepet hypotese mer i betydningen prediksjon: «Hvem tror at en brusboks flyter i vann, og hvem tror at den synker?» Det er imidlertid mulig å arbeide med hypoteser i klasserommet også; forsøket med fallende muffinsformer (kapittel 12) er et eksempel på det, siden vi i forsøket undersøker to konkurrerende hypoteser om den matematiske sammenhengen mellom fallhastighet og luftmotstand.

Likninger I fysikk gjør vi bruk av matematiske uttrykk, gjerne i form av likninger som vi ofte kaller formler. Mange likninger er lover skrevet med matematiske symboler. Men det er viktig å være klar over at en likning eller formel kan være uttrykk for forskjellige ting: F • Definisjon, f.eks.: E = : Elektrisk felt er definert gjennom relasjonen melq lom to størrelser. mM • Grunnleggende side ved naturen, f.eks.: F = γ 2 : Newtons gravitasjonslov R omtales altså som en lov. • Eksperimentelt påvist sammenheng med begrenset gyldighet, f.eks. Ohms lov, U = RI, som også kan oppfattes som en definisjon av resistans. • Matematisk modell (f.eks.: s = v0t + 12 at 2 ; L = kv 2 ). Her er henholdsvis beveg else med konstant akselerasjon og luftmotstanden som funksjon av farten beskrevet med matematiske likninger. I Del 4 av denne boka kommer vi flere steder tilbake til hensiktsmessige måter å jobbe i klasserommet for å gi elever trening i å håndtere modeller, formler og likninger i fysikkfaget.

fysikkens utvikling fra antikken til newton 37

Kapittel 2

Fysikkens utvikling fra antikken til Newton I dette kapitlet skal vi bli bedre kjent med hvordan fysikken oppsto og utvik let seg fram til Newtons mekanikk. I tillegg til kunnskaper i fysikkens teorier og begreper er det viktig at fysikklæreren også har kunnskaper om hvordan teoriene er blitt til. En undervisning som setter fysikkens teorier i et historisk perspektiv vil gi elevene mulighet til å oppdage at fysikken har en historie, og at teoriene er utviklet av mennesker. I tillegg kan kunnskap om hvordan en teori er blitt til, gi bedre forståelse av begrepene som inngår. Her skal vi følge utviklingen av verdensbildet og forståelsen av bevegelser fram til Newton. Det er ingen fullstendig historie, mye er utelatt, men den gir en oversikt over de viktigste begivenhetene i denne epoken av fysikkens historie. I et senere kapittel (kapittel 21) blir vi kjent med en langt nyere epoke i fysikkens historie, nemlig utviklingen av kvantefysikken. Hovedkildene som denne framstillingen er basert på, er Pedersen og Kragh (2000) og Pedersen (1996).

2.1

Fra mytologi til naturlover

Vi kan føre den naturvitenskapelige beskrivelsen av fenomener i naturen tilbake til omtrent 600 f.Kr, da greske tenkere på Lilleasias vestkyst brøt med en tradisjon som hadde utviklet seg over flere tusen år, den mytologiske natur beskrivelsen. Det er her vi finner de første forsøk på å gi en rasjonell forklaring på fundamentale fenomener som himmellegemenes bevegelse og utviklingen til alle levende vesener. Grunntanken bak den nye forståelsen av naturen er at verden har en struktur der alle elementer i universet virker sammen etter bestemte lover. Filosofene erstattet gudenes vilkårlige handlinger som forklaring på naturens fenomener med en idé om at naturen følger sine egne lover og regler, naturlover, som det var mulig for menneskene å begripe. Denne erkjen-

38 kapittel 2 nelsen er kanskje den mest betydningsfulle intellektuelle revolusjonen noensinne, og den førte til at naturvitenskapen ble født.

Naturvitenskapens språk: metaforer eller matematikk Den første store utfordringen filosofene støtte på, var hvilke talemåter slik ny innsikt skulle uttrykkes i. Mytologiens språk var dagliglivets, og historiene om gudene var tilgjengelige for alle. Å låne ord fra dagligtalen til å beskrive relasjonene var nødvendig, men problematisk, fordi ordene måtte tillegges et annet innhold enn det de ellers hadde. For å gripe det ukjente måtte vitenskapen gjøre bruk av metaforer basert på det kjente i sin beskrivelse av naturen, ord og uttrykk måtte lånes fra dagligtalen og gis et nytt innhold. Også i dag bruker vi i fysikken ord og begreper som ofte har en annen betydning enn i dagligtalen. En matematisk sekt i Sør-Italia på 500-tallet f.Kr., som ble kalt pytago reerne, etter grunnleggeren Pytagoras fra Samos, løste språkproblemet ved å uttrykke relasjoner i naturen matematisk. Det er sannsynlig at pytagoreernes tallteori oppsto i forbindelse med eksperimenter med strengeinstrumenter. De oppdaget at sammenhengen mellom strengens lengde og tone kunne uttrykkes matematisk. Hvis strengelengden ble halvert, steg tonen en oktav, ble den redusert til 2/3 av den opprinnelige lengden, steg tonen med en kvint, og ble den redusert til 3/4, steg tonen med en kvart. Dette eksperimentet handlet om å måle strengelengden og å høre toner. Pytagoreerne utviklet etter hvert en idé om at alle fenomener i naturen kunne uttrykkes som forhold mellom hele tall. Det førte derfor til en krise i sekten da de oppdaget at det ikke gjaldt for diagonalen i et kvadrat.

Jorda er rund og i ro i sentrum for sola, månen og planetenes sirkelbevegelse Blant de spørsmålene de første filosofene var opptatt av, var jordas form, dens bevegelse og plass i universet. Etter det vi vet, var det pytagoreerne som først konsekvent betraktet jorda som kuleformet, antakelig fordi det var den mest fullkomne av alle geometriske former. Jorda fikk etter hvert plass i sentrum for alle himmellegemenes jevne sirkelbevegelse. Antakelig ble sirkelen valgt fordi den best kunne representere den evige gjentakende bevegelsen som synes å karakterisere sola, månen og stjernene. Kuler i evige sirkelbevegelser med jorda i sentrum ble grunnlaget for utviklingen av det vi kaller det greske verdensbildet. I antikken og i middelalderen hadde alle kjente naturfilosofer i den vestlige

fysikkens utvikling fra antikken til newton 39

kulturkrets, med ett unntak, et geosentrisk verdensbilde med jorda i sentrum. Unntaket, et heliosentrisk verdensbilde foreslått av Aristarkos på 400-tallet f.Kr., skal vi stifte bekjentskap med senere.

Platonisk og aristotelisk tradisjon blir grunnlagt Pytagoreernes tro på at naturens fenomener kunne uttrykkes matematisk, ble videreført av Platon (427–347 f.Kr.), som bidro til en naturvitenskapelig tradisjon som er kjennetegnet ved at forskere ofte søker i matematikken for å finne matematiske sammenhenger som kan beskrive alle fysiske fenomener. Platon anerkjente at det var et visst empirisk grunnlag for den matematiske beskrivelse av naturen, men hevdet at naturen er blitt til ut fra matematikken, ikke motsatt; tonene må rette seg etter matematikken, ikke matematikken etter tonene. I denne tradisjonen er hensikten med studier av naturen å avdekke de matematiske relasjonene som ligger til grunn for fenomenene. Når Kepler leter etter matematiske sammenhenger mellom planetenes omløpstider og avstander fra sola, er det fordi han er overbevist om Gud skapte verden ut fra matematiske relasjoner det er mulig å finne. Først kom matematikken, så verden! Platons tro på at alle naturens fenomener kunne beskrives ut fra matematiske relasjoner, ble imøtegått av hans elev Aristoteles (384–322 f.Kr.). I motsetning til Platon mente Aristoteles at det viktigste var å finne årsakene til fenomenene. Han avviste ikke matematikken, det var opplagt at mange sammenhenger kunne beskrives matematisk, men Aristoteles påpekte at lengden av diagonalen i et kvadrat ikke kunne beskrives i matematikken (altså den tidens matematikk). Han argumenterte også med at det ikke er sannsynlig at en fasttømret og stiv matematikk egner seg til å beskrive en natur preget av forandringer og beve gelse. For Aristoteles var det fenomenenes årsak som ga visdom om naturen, ikke matematikken.

Aristoteles forklarer verden Den greske filosofien utviklet seg altså innenfor hovedsakelig to naturviten skapelige tradisjoner, og resultatet ble det vi i dag kaller det greske verdensbildet. Pytagoreerens forståelse av at jorda og alle himmellegemene er kuleformet, og at bevegelsene på himmelen er sirkelbaner, fikk stor tilslutning. Astronomiske undersøkelser viste at sola fulgte med stjernene på den daglige rotasjonen, men den endret hver dag posisjon i forhold til stjernene, se figur 2.1. I løpet av en periode på 365 og ¼ dager var sola tilbake i samme posisjon. Solas bane blant

40 kapittel 2 Nord

Ekliptika (solens årlige bane)

Høstjevndøgn Jorden Vårjevndøgn Solen

Sør

Plan gjennom jordens ekvator

Figur 2.1 Skissen viser sola og stjernesfærenes bevegelse i det geosentriske verdensbildet. I midten er jorda, og aksen gjennom nord-syd. Sola, månen, planetene og stjernene roterer om denne aksen en gang i døgnet, og vi får dag og natt. Sett i forhold til stjernene beveger sola seg i vest-øst-retning langs ekliptika som danner 23,5 grader med ekvator. Det tar sola et år å gjennomløpe en runde, og vi får årstider fordi solhøyden vil endre seg hele året. Basert på Pedersen & Kragh (2000).

stjernene fra vest mot øst ble kalt ekliptika. Solas middagshøyde (det vi ville kalt høyden klokken 12.00) over horisonten varierte med årstidene og hvor på jorda den ble målt. To dager i året, 21.mars og 23. september, står den rett over ekvator. Med denne kunnskapen kunne årstidene forutsies og kalender lages ut fra astronomiske observasjoner. Aristoteles forsynte dette bildet av verden med forklaringer som gjorde det til et sammenhengende og forståelig system, og dermed vanskelig å kritisere. Aristoteles forklarte bevegelser på jorda og i himmelrommet ut fra den materieteorien som hadde fått gjennomslag og anerkjennelse, nemlig at alle stoffer i naturen består av ulike sammensetninger av jord (fast stoff), vann, ild og luft. Aristoteles tilla hvert element et naturlig tilholdssted; jord hører til i universets sentrum, vann på jordas overflate og luft over. Ilden søker å komme over lufta for å forene seg med stjernene. Elementer som ikke befinner seg på sine naturlige tilholdssteder, vil, hvis de får anledning, bevege seg dit. Disse frie bevegelsene for de fire elementene vil altså være vertikale, rett opp eller rett ned, og ble kalt naturlige bevegelser. Jord eller fast stoff sin naturlige bevegelse er nedover mot universets sentrum, som i det geosentriske verdensbildet er jordas sentrum. Tyngde blir forklart som et legemes tendens til søke til universets sentrum. Et legeme som består av mye jord, vil derfor ha stor tyngde. Jorda består av jord og er i sin naturlige plass universets sentrum, og dens naturlige bevegelse er derfor ro. Aristoteles delte universet i to soner, en under månens sfære og en fra månens sfære og utover. Månen og de andre himmellegemenes naturlige beve gelse er sirkelbevegelse. De må derfor bestå av et femte element, som Aristoteles

fysikkens utvikling fra antikken til newton 41

kalte eter. Bevegelser på jorda som ikke er vertikale, for eksempel bevegelsen til en stein som kastes skrått oppover, kalte Aristoteles for tvungne bevegelser. All erfaring tilsa at det må en kraft til for å opprettholde en viss fart, og Aristoteles kom fram til at kraften er proporsjonal med farten og omvendt proporsjonal med motstanden. En konsekvens av denne forståelsen er at farten til et legeme vil være uendelig stor dersom motstanden er null, og siden det ikke er mulig, eksisterer ikke lufttomt rom.

2.2

Antikkens verdensbilde

Hvor stor er jorda, og hvor langt er det til sola? Pytagoreernes idé om at jorda er rund og i universets sentrum, slo rot i den greske kulturen. Sjefsbibliotekaren, Eratostenes (273–192 f.Kr.) i Alexandria innså at ut fra antakelsene om at jorda er rund, at solstrålene er parallelle når de treffer jorda, og at byene Alexandria og Syene ligger på samme lengdegrad, er det mulig å utføre et eksperiment for å beregne jordas omkrets. Eksperimentet besto i å måle skyggen en obelisk kaster i Alexandra når sola står i senit i Syene, og å måle avstanden mellom byene ved å skritte den opp. Ut fra disse dataene kunne han enkelt beregne jordas omkrets, se figur 2.2. Resultatet av Eratostenes eksperiment ble omtrent samme verdi for omkretsen som den vi har i dag. Aristarkos (200-tallet f.Kr.) var ikke like heldig i sitt forsøk på å bestemme forholdet mellom avstanden fra jorda til månen og fra jorda til sola. Hans eksperiment gikk ut på å måle vinkelen mellom siktelinjen til månen og sola ved halvmåne slik det er skissert i figur 2.3. Ut fra enkel trigonometri viste hans beregninger at sola er 19 ganger lenger borte enn månen, men den riktige verdien er 390. Aristarkos metode er rikSolstråler tig, men usikkerheten i gradmålingen og i tiden for halvmåne er store, og resultatet 7,2° Alexandria ble langt fra riktig. Vi skal se at universets størrelse kom til å spille en viktig rolle i disSyene kusjonen om hvilket verdensbilde som er 7,2° det riktigste 1700 år senere.

Figur 2.2 Figuren viser det geometriske grunnlaget for Eratostenes eksperimentelle beregning av jordas omkrets.

42 kapittel 2 Månen M

Solen

Jorden J

Figur 2.3 Figuren viser prinsippet for hvordan Aristarkos beregnet den relative avstanden fra jorda til sola og månen. En observatør på jorda måler vinkelen MJS ved halvmåne, da vinkelen SMJ er 90 grader. Cosinussetningen var ikke kjent på Aristarkos tid, så han beregnet forholdet JS/JM på en langt mer omstendelig måte. Basert på Pedersen & Kragh (2000).

Det er likevel ikke forsøket på å bestemme avstander i verdensrommet Aris tarkos er mest kjent for, men sitt alternative verdensbilde. Observasjoner av planetenes posisjoner i forhold til stjernehimmelen viste ikke en sirkelbane med jevn fart, slik de burde. Faktisk stoppet planetene opp for å bevege seg bakover før de igjen beveget seg forover, slik at banen ble en sløyfe, se figur 2.4, dette kalles retrograd bevegelse. Utfordring for astronomene var å beskrive denne sløyfebevegelsen som et resultat av sirkelbevegelser. Men hvis planetene egentlig beveget seg i sirkelbaner, og dermed var i konstant avstand fra jorda, burde de lyse like sterkt hele tiden. Med det blotte øye kunne man se at det gjorde de ikke. Verdensbildet hadde problemer. Aristarkos foreslo å løse dette problemet ved å la sola være i sentrum for planetenes og jordas sirkelbevegelse. Han forklarte dag og natt ved

Mars

Figur 2.4 Bevegelsen til planeten Mars sett fra jorda med stjernehimmelen som bakgrunn.

fysikkens utvikling fra antikken til newton 43

Stjerne

Himmelkulen

Siktelinje Siktelinje

Solen

Jordbanen

Figur 2.5 Figuren viser en årlig parallakse til en stjerne. Slik parallakse ble ikke registrert fordi stjernen er svært langt borte. Mangel på parallakse var det viktigste argumentet mot et heliosentrisk verdensbilde både i antikken og i renessansen. Først på 1800-tallet var de astronomiske instrumentene så gode at parallakse kunne registreres. Basert på Pedersen & Kragh (2000).

å la jorda rotere om en akse gjennom polene en gang i døgnet, og årstidene ved å la aksen helle. Systemet forklarte hvorfor posisjonen til de andre planetene sett fra jorda ikke kunne beskrives som sirkler, og hvorfor lysstyrken varierte. Aristarkos idé ble diskutert, men i tillegg til at den stred mot dagligdagse erfaringer og sunn fornuft, var den ikke i overensstemmelse med astronomiske antakelser og observasjoner. Hvis Aristarkos hadde rett, og jorda beveget seg i en bane rundt sola, ville siktelinjen til en stjerne variere i løpet av året, kalt årlig parallakse. Men ingen observasjoner viste noen forandringer i siktelinjen til en stjerne i løpet av året, altså måtte jorda være i ro. En forklaring på mang lende parallakse kunne være at avstanden til stjernene var «uendelig» stor, men denne muligheten ble forkastet, for hvilken mening skulle det være i så mye rom uten materie. Da Kopernikus 1600 år senere oppdaget Aristarkos forslag til verdensbilde i den greske litteraturen og selv foreslo det, var motargumentet fra datidens største astronom Tycho Brahe det samme som antikkens, hans observasjoner viste ingen årlig stjerneparallakse, og forklaringen måtte være at jorda er i ro, for universet kunne ikke være «uendelig» stort.

Ptolemaios gir verdensbildet en matematisk beskrivelse Det ble Ptolemaios fra Alexandria i Egypt som i det andre århundre e.Kr. fullendte det greske verdensbildet. I et verk på 13 bind, Almagest, blir alle bevegelser på himmelen beskrevet i et matematisk skjema. Det er et verk i den arkimediske tradisjonen, der empiri er grunnlaget for matematikken uten at det gis fysiske forklaringer. Planetenes bevegelse blir beskrevet ved hjelp av flere sirkler med

44 kapittel 2 sentrum utenfor jordas sentrum, og farten er ikke jevn. For alle som var inte ressert i et system som kunne gi nøyaktige forutsigelser av himmellegemenes posisjoner, blant andre astronomer, astrologer og navigatører, var dette en suksess, men for dem som satte de filosofiske prinsippene høyest, var ujevn fart i en sirkelbane med sentrum utenfor jordas sentrum en høy pris å betale for å sikre forutsigelser.

Jorda er rund! At jorda har form som en kule, har vært den alminnelige forståelsen blant folk flest helt siden pytagoreernes tid. Det er en myte at Christopher Columbus modig motbeviste læren om en flat jord ved å seile over Atlanteren i 1492, derimot antok Columbus at jordas størrelse var mye mindre enn det Eratostenes hadde beregnet. Kanskje gjorde han det for at hans prosjekt skulle bli betraktet som realistisk nok til å bli sponset. Det var riktignok et par munker som i tidlig kristen tid ville vende tilbake til det før-vitenskapelige bildet av jorda og hevdet at den var flat. De fikk en kortvarig og svært liten oppslutning for sitt syn, og det preget aldri de lærdes oppfatning.

Et viktig arabisk mellomspill Ingen av de betydelige verkene til Ptolemaios, Aristoteles, Platon eller Arkimedes ble oversatt fra gresk til latin. Romerne forsto og leste gresk, og oversetting var derfor ikke nødvendig. Men etter at det vestromerske riket hadde falt sammen på 400-tallet e.Kr., forsvant det greske språket fra kulturen i løpet av et par hundre år, og den naturvitenskapelige litteraturen ble borte i Vest-Europa i nesten tusen år. Den viktigste grunnen til at den ikke forsvant helt, men dukket opp igjen, var at arabere erobret deler av det østromerske riket på 600-tallet og med stor begeistring oversatte de greske verkene til arabisk. Araberne tilførte ikke noen nye ideer av betydning til den naturvitenskapen de overtok, men de utviklet instrumenter til bruk i navigasjon, og de forbedret instrumenter for astronomiske observasjoner. Etter hvert la araberne også under seg Spania, og det var her kirkens lærde i nord rundt år 1000 fikk kontakt med et miljø hvor kristne, muslimer og jøder arbeidet sammen. I løpet av et par hundre år var alle de store verkene om medisin, filosofi og naturvitenskap igjen tilgjengelig for skolene i Europa. Kunnskapsmengden førte til spesialiseringer, skoler slo seg sammen, og vi fikk dannet universiteter: først i Bologna, Padova, Oxford og Paris. De dannet den rammen om forskning og undervisning som vi kjenner i dag.

fysikkens utvikling fra antikken til newton 45

2.3

Det lysner for et nytt verdensbilde

I 1300 kom 21.mars mer enn en uke etter vårjevndøgn. Den julianske kalenderen, som bygde på den ptolemeiske planetteorien, var i utakt med den astronomiske tiden. Dette var et problem, ikke minst for kirken som beregnet påskefeiringen ut fra vårjevndøgn. I 1514 ble Nicolas Kopernikus oppfordret av pave Paul IV til å bidra til å løse dette problemet, og i sitt forord i verket Om himmelsfærens rotasjoner, De revolutionibus orbium coelestium, skriver Kopernikus at han håper den planetteorien boka beskriver, vil bidra til en ny og bedre kalender. Den gregorianske kalenderen, utarbeidet under pave Gregor, brukte Kopernikus’ heliosentriske planetteori som teoretisk grunnlag. Kopernikus’ verk Om himmelsfærens rotasjoner kom til å revolusjonere astronomien og den vestlige kulturen. Kopernikus studerte matematikk, astronomi og malerkunst i Krakow, og jus, kirkerett, gresk og latin i Italia. Deretter vendte han tilbake til Polen og ble tilsatt som administrator for bispedømmet Ermland i Polen, en stilling han hadde resten av livet. Det var ikke på grunn av nye observasjoner som ikke stemte, at Kopernikus argumenterte imot det ptolemeiske systemet. Han skriver ingen steder at han brukte mer nøyaktige observasjoner enn det Ptolemaios hadde gjort. Det var heller ingen observasjoner eller erfaringer som tydet på at jorda var i bevegelse og sola i ro, som fikk Kopernikus til å foreslå et heliosentrisk system. Det ptolemeiske systemet fungerer godt nok, men ifølge Kopernikus bryter det med grunnleggende prinsipper i den greske filosofien. I sitt forord tilegner han verket til «matematikere», som betyr de som forstår astronomi; «matematikk skrives for matematikere». Dermed forteller Koperni kus at han ikke vil bry seg med kritikk fra «snakkehoder som gjør krav på å dømme om astronomiske spørsmål, selv om de er totalt uvitende om emnet, og vil driste seg til å finne feil ved min forståelse og sensurere den på grunnlag av en slem fordreining av Skriften til deres eget formål». Kopernikus’ idé om et alternativt verdensbilde var kjent allerede fra 1514 gjennom håndskrevne manuskripter han selv delte ut. Det var først etter at kardinal Nicolaus von Schönberg i 1536 hadde oppfordret han til å gi ut sitt forslag til en ny planetteori, og etter at han var lovet hjelp og oppsyn med trykkingen, at verket Om himmelsfærens rotasjoner kom i 1543. Boka har tre forord. Det ene er brevet fra Schönberg i 1536. Det andre er Kopernikus’ eget forord, hvor han dediserer boka til pave Paul III. I dette forordet gir Kopernikus noen av grunnene til sin nye planetteori, som han skriver «strider mot astronomiens tradisjonelle oppfatning og nesten mot den sunne fornuft». Han uttrykker et

46 kapittel 2 håp om at det kan være til nytte for kirken i arbeidet med å reformere kalen deren. I det tredje forordet blir Kopernikus’ planetteori karakterisert som et rent matematisk skjema uten fysisk innhold, og som hypoteser som ikke b ehøver å være sanne eller ikke engang sannsynlige og derfor ikke rokker ved den etablerte verdensordenen. Det viste seg at forordet var skrevet av en luthersk prest, Andreas Osiander, som overvåket trykkingen av boka. Kopernikus døde omtrent samtidig med at boka kom ut, og det er ikke sikkert han engang fikk lese dette forordet. Vi kan forstå at Osiander skriver at det ikke er mer fysikk i Om himmelsfærens rotasjoner enn i Ptolemaios Almagest. Flere deler av boka inneholder svært krevende matematisk redegjørelse for den nye planetteorien, men i boka framstiller Kopernikus sin hypotese som fysisk relevant. Han vektlegger de fysiske implikasjonene, som for eksempel at tyngden ikke kan være en tendens til bevegelse mot universets sentrum, men at alle planetene har sitt tyngdesentrum som legemer beveger seg mot.

Kopernikus argumenterer for en heliosentrisk verden Kopernikus var en ekte renessansehumanist, og det var naturlig for han å søke i den antikke litteraturen for å finne svar på problemene med det ptolemeiske systemets ujevne planetfart. Han fant det han lette etter, det heliosentriske forslaget til Aristarkos, og Kopernikus skrev: Selv om ideen forekom meg absurd, visste jeg ikke desto mindre at andre før meg fritt hadde kunnet forestille seg alle mulige sirkler for å forklare himmelfenomenene. Følgelig gikk jeg ut fra at jeg også hadde frihet til å undersøke om hypotesen om en eller annen bevegelse av jorda kunne føre til en bedre forklaring av himmellegemenes bevegelse enn dem de tidligere astronomene hadde gitt.

I Kopernikus’ matematiske planetteori har jorda og de andre planetene jevn fart rundt sola, men for å få banen til å stemme med observerte verdier må også Kopernikus tilføre episykler, og teorien ble ikke enklere enn det ptole meiske. Den var derfor ikke nødvendigvis å foretrekke for astronomene. Men i det kopernikanske bildet var planetenes retrograde bevegelse lett å forstå, se figur 2.6. Den største umiddelbare triumfen ved det kopernikanske systemet var at planetenes middelavstand til sola kunne uttrykkes med jordas middelavstand til sola, og dermed ga denne planetteorien planetenes rekkefølge; fra sola og utover finner vi Merkur, Venus, jorda med sin måne, Mars, Jupiter og Saturn.

fysikkens utvikling fra antikken til newton 47 Øst Mars’ bane Jordens bane 6

Solen 3 2

5 4

4 3 1

5 3 6

2 2

4 5 1 Vest Figur 2.6 I det kopernikanske systemet beveger planetene i baner utenfor jordas bane seg saktere enn jorda. Posisjonen til disse planetene sett i forhold til stjernene blir som figuren viser, altså en sløyfe.

Kopernikus legger vekt på at planetenes og månens bevegelse respekterer kravet om jevn sirkelbevegelse. Kanskje var det episyklene og kompleksiteten til systemet som gjorde at han nølte så lenge med å gi det ut. Frykt for reaksjoner fra kirken var det i alle fall ikke. Prisen for å akseptere det heliosentriske systemet var høy. Man måtte anta at universet er «uendelig» stort, ellers ville stjernene vist en årlig parallakse. Det måtte derfor være et sort gap mellom Saturns sfære og fiksstjernene som var en halv million ganger større enn i det gamle systemet. Hvis astronomene observerte parallakse, ville det være en empirisk bekreftelse på at jorda er i bevegelse. Den ble ikke observert før i 1837. Det heliosentriske verdensbildet ble ingen umiddelbar suksess, men innen det var gått femti år, var det kjent blant alle lærde astronomer. Det var likevel ikke Kopernikus’ alternativ som hadde størst betydning for at det aristoteliske systemet mistet troverdighet, men observasjoner av en rekke himmelfenomener.

Astronomen Tycho Brahe avviser både det aristoteliske og det kopernikanske verdensbildet Den store danske astronomen Tycho Brahe fikk i 1576 øya Hven utenfor København av kong Fredrik for å bygge et observatorium og et forskningsinstitutt med boliger til ansatte og studenter. I løpet av 20 år hadde han med datidens suverent

48 kapittel 2

Figur 2.7 I Ricciolis maleri Almagestum Novum fra 1651 blir striden om verdensbildene, det kopernikanske, det tychoniske og det ptolemeiske illustrert. I typisk barokkstil, svulstig og mettet av symboler, ser vi at himmelens gudinne finner at det tychoniske verdensbildet veier mer enn kopernikanske. Ved gudinnens føtter ligger det ptolemeiske systemet avvist, og Ptolemaios, som sitter nede i bildet, sier: «Jeg tok feil, så jeg kunne bli rettet.» Mannen til venstre er en gud kjent fra den greske mytologien. Han har en kikkert i hånda, og han symboliserer stjernehimmelen og den empiriske vitenskapen. Foto: Science History Images / Alamy Stock Photo

fysikkens utvikling fra antikken til newton 49

beste instrumenter målt opp alle himmelfenomenene på nytt. Resultatet av dette arbeidet ble at han forkastet både det ptolemeiske og det kopernikanske verdensbildet. I et brev til Johannes Kepler skriver Tycho at han mange ganger har søkt etter årlig stjerneparallakse, men ikke oppdaget noen. I 1588 publiserte Tycho derfor sitt eget verdensbilde, med jorda i sentrum for stjernene, månen og sola, og med sola i sentrum for de fem planetene. Systemet fikk mange tilhengere i første halvdel av 1600-tallet.

Kepler blir Tychos assistent Etter flere uoverensstemmelser med kong Christian IV pakket Tycho alle sine instrumenter, og sammen med tjenere og ansatte dro han gjennom Europa til Praha i 1597 for å bli keiser Rudolf 2.s hoffmatematiker (astronom). Men Tycho trengte en matematiker som kunne beregne planetbanene ut fra de nye forbedrede observasjonsverdiene, og han inviterte derfor Johannes Kepler til å komme til Praha for å bli hans assistent. Kepler (1571–1630) var en overbevist kopernikaner som lenge hadde syslet med kosmologiske spørsmål. Men selv om Kepler var imponert over Kopernikus’ planetteori, manglet den etter hans oppfatning det aller viktigste, nemlig svar på hvorfor det er seks planeter, og hvorfor rekkefølgen og avstandene mellom dem er som de er. Kepler var overbevist om at Gud hadde skapt universet ut fra bestemte matematiske relasjoner som det var mulig for menneskene å finne. Her er Kepler i god platonsk tradisjon. Han så som sitt forskningsprogram å finne de matematiske relasjonene som lå til grunn for strukturen i universet. Det var derfor en lykkelig Figur 2.8 Keplers polyedermodell for universet. Polyedre er romlige legemer avgrenset av mangekanter. Såkalte regulære polyedre eller platonske legemer er de mest «perfekte», fordi alle sideflatene er like, alle sidekantene er like, og alle hjørnene er like. Det finnes bare fem slike legemer, og Keplers modell er basert på disse. Innerst finner vi oktaederet, hvis innskrevne kuleflate er Mars’ bane og den omskrevne er Venus’ bane. Mellom Venus og jorda plasserte han ikosaederet, mellom Mars og jorda dodekaederet, mellom Jupiter og Mars tetraederet og terningen mellom Jupiter og Saturn. Foto: North Wind Picture Archives / Alamy Stock Photo

50 kapittel 2 Kepler som i 1596 kunne utgi boka Universets Mysterium, hvor han forteller at han har funnet forklaringene. Utgangspunktet for skapelsen hadde vært de fem regulære polyedrene (det finnes kun fem). Antall planeter er seks, fordi det er seks mellomrom mellom fem regulære polyedre, sier Kepler. Ved å sette dem sammen i en bestemt rekkefølge, se figur 2.8, kunne Kepler vise at kuleflatene som omga polyedrene, hadde samme avstandsforhold til sentrum som planetene hadde.

Ellipser, ikke sirkler Universets Mysterium ble ikke tatt helt på alvor av samtidens astronomer, men Tycho forsto at forfatteren var den matematikeren han trengte, og inviterte han derfor til Praha. Kepler fikk i oppgave å finne banen til Mars ut fra de observerte posisjonene. I 1609 ble teorien publisert i det viktige verket Den Nye Astronomien. Det hadde vist seg at posisjonen til Mars ikke kunne beskrives som en sirkelbane, og Kepler valgte å bryte med det prinsippet fra den antikke filosofien som hadde motivert Kopernikus til å foreslå et nytt verdensbilde. Det viste seg at ved å innføre ellipse som banen i himmelrommet, ble bildet enkelt og fritt for episykler. Med sola i det ene brennpunktet fikk hver planet sin ellipse bane. Men det gjensto for Kepler å svare på hvilke matematiske relasjoner det er mellom planetenes relative avstander til sola, hvorfor planetene er akkurat der de er, og har akkurat den farten de har. I 1619 kom svaret i boka Verdens Harmonier. Ut fra en overbevisning om at det måtte være en sammenheng mellom omløpstiden til en planet og middelavstanden til sola, kom han fram til det vi kaller Keplers 3. lov, som sier at forholdet mellom kvadratet av omløpstiden og middelavstanden i tredje potens er den samme for alle planeter.

2.4

Galileo retter kikkerten mot himmelen

Samme år som Kepler skrev om planetenes ellipsebaner, 1609, var Galileo Galilei opptatt med å demonstrere et nytt instrument, kalt kikkert, for en gruppe standspersoner i Venezia. Fra toppen av San Marcos klokketårn kunne de gjennom kikkerten se skip på vei mot byen, og som det blotte øye ikke ville oppdage før flere timer senere. De høye herrer ble begeistret, kikkerten ville uten tvil kunne bli et viktig militært instrument. Utover høsten 1609 rettet Galileo kikkerten mot himmelen, og resultatene publiserte han i en liten bok, Stjernenes sendebud. Her kan vi lese at månen slett ikke er en jevn kule, men har fjell og daler akkurat som jorda. Galileo beregnet fjellenes høyde til rundt 20 km. Han forteller at han

fysikkens utvikling fra antikken til newton 51

7. januar 1610 oppdaget tre stjerner like ved Jupiter, neste kveld så han fire. Det viste seg så ikke å være stjerner, men måner som kretset rundt Jupiter, og at den ytterste månen brukte 15 døgn på et omløp. Denne oppdagelsen styrket Galileos tro på det kopernikanske systemet. Et av argumentene mot det kopernikanske systemet var at hvis jorda hadde vært i bevegelse, kunne den ikke hatt en måne, for hvordan skulle den klare å følge med jorda? Men nå kunne Galileo se at rundt Jupiter beveget månene seg uanfektet av Jupiters egen bevegelse. Dette var selvsagt ikke noe bevis for Kopernikus, men motstanderne var fratatt et av sine argumenter. I sine skrifter nevner ikke Galileo verken Tycho eller Kepler.

Galileos fiender og kirkens fatale dom Galileo ble berømt, men hans virksomhet skaffet han også fiender som ville stoppe mannen som fikk hele den aristoteliske verdensforståelsen til å vakle. Det gjaldt å «få noe på ham». I 1616 lyktes det Galileos fiender å få kirken trukket inn i denne kampen ved at Det hellige officium, kirkens departement for trosspørsmål, fikk overbrakt en sak om hvorvidt kopernikanismen var i overensstemmelse med Bibelens lære. Dommen falt 24. februar 1616 og forkynte at påstanden om at sola er i ro, er absurd og teologisk kjettersk, og at jordas bevegelse er absurd og i det minste en teologisk villfarelse. Det ble ikke tillatt å formidle det kopernikanske verdensbildet som sant, men kun som en hypotese. I panelet som avsa dommen, var det bare teologer uten kompetanse i naturvitenskap, det var derfor ingen debatt mellom teologer og naturvitere. For Galileos fiender var dommen en skuffelse fordi den ikke rammet Galileo personlig. Fiendskapen mot han fortsatte, og den hadde avgjørende betydning i den andre kirkelige prosessen mot Galileo i 1632–33, hvor han ble dømt til å avsverge sin tro på det kopernikanske systemet og til å tilbringe resten av sitt liv i husarrest. Aldri tidligere hadde kirken fordømt en kosmologi, og det er mange eksempler på at menn før Galileo med radikale ideer ikke hadde hatt noen problemer med å nå kirkens høyeste embeter. Det var, og er, ikke typisk for den katolske kirken å være motstander av naturvitenskapen.

To nye vitenskaper Erkebiskopen i Siena, A. Piccolomini, beundret Galileo og inviterte ham til å tilbringe husarresten hos seg i sin villa. Det var Piccolomini som hjalp Galileo til å få utgitt boka Om de to nye vitenskaper i 1638. Denne boka er Galileos viktigste for utviklingen av beskrivelser av bevegelser på jorda. Her begrunner

52 kapittel 2 han at bevegelser i fritt fall har konstant fart i horisontal retning, fordi det ikke virker krefter i den retningen, og konstant akselerasjon mot jordas sentrum. Hans argument for at tyngdeakselerasjonen er konstant, er at alle prosesser i naturen foregår så enkelt som mulig. Treghetsloven og konstant tyngdeakselerasjon gjorde det mulig for Galileo å beskrive skrått kast, og han kunne forklare at en stein som slippes fra toppen av et tårn, faller ved tårnets fot, selv om tårnet på grunn av jordas bevegelse har beveget seg langt mens steinen var i fritt fall.

2.5

Newtons himmelske mekanikk

Det er i England de siste brikkene i det nye verdensbildet blir lagt på plass. I andre halvdel av 1600-tallet var det store spørsmålet blant medlemmene i det viten skapelige selskapet, Royal Society, hvorfor planetenes bevegelsesbaner er ellipser og ikke sirkler, når kraften de påvirkes av, er omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden. Mange prøvde å løse dette problemet, men uten hell. Da matemati keren Newton fikk overbrakt dette problemet i 1684, svarte han at det spørsmålet hadde opptatt han og blitt løst allerede i 1660-årene, mens pesten herjet. Samme år (1665) begynte jeg å tenke på om tyngden strakte seg ut til månens bane, og … deretter utledet jeg – ut fra Keplers regel om at kvadratene til omløpstidene forholder seg som 3. potens av deres avstand fra sentrum av sine baner – at de kreftene som holder planetene i deres baner må være omvendt proporsjonale med kvadratet av avstandene fra det sentrum de kretser rundt. Jeg sammenliknet dermed den kraft som er nødvendig for å holde månen i dens bane med tyngdekraften fra jorda, og fant at de passet ganske godt sammen. Alt dette var i de to pestårene 1665 og 1666, for i de dagene var jeg i min beste alder for å oppdage noe og gikk mer opp i matematikk og filosofi (dvs. fysikk) enn på noe tidspunkt senere. Pedersen & Kragh, 2000, s. 140–141

Fra Newtons egen beretning er det klart at han i en alder av 23 år hadde kombi nert Keplers 3. lov med sentripetalkraften, og kommet til at kraften som holder planetene i deres baner, er omvendt proporsjonal med avstanden fra solas sent rum. Så gjør Newton en svært viktig antakelse, nemlig at kraften som får månen til å gå i bane rundt jorda, er den samme som får ting til å akselerere mot bakken på jorda. Men Newton kunne ikke ignorere Keplers 1.lov, som sier at planetene følger ellipsebaner, og det gjensto derfor å finne egenskapene til ellipsebaner som et resultat av en sentralkraft. Det var ikke bare Newton som støtte på den vanskeligheten, mange hadde forsøkt å løse den floken uten å lykkes.

fysikkens utvikling fra antikken til newton 53

Klassisk mekanikk blir grunnlagt Sommeren 1684 reiste Edmund Halley fra London opp til Cambridge for å diskutere problemet med ellipsebanene med Newton. I samtalen spurte Halley Newton om hvilken bane en planet vil følge hvis den ble påvirket av en sentralkraft som varierer omvendt proporsjonalt med kvadratet av avstanden. Uten å nøle svarte Newton at banen blir ellipse, og at det hadde han regnet ut. Da Newton ikke kunne finne papirene beregningene var utført på, lovet han å sende dem til Halley i London. Newton fant aldri papirene og gjorde arbeidet på nytt og sendte et notat til Halley med beregningene. Halley ble svært begeistret og oppfordret Newton til å utarbeide en mer systematisk framstilling. Han lovet også å betale og bistå med trykkingen. Etter to år med store anstrengelser kunne Newton publisere verket «Naturfilosofiens matematiske prinsipper» (bedre kjent i kortformen Principia), et av fysikkhistoriens mest betydningsfulle verk noensinne. Her blir gravitasjonsloven som sier at alle legemer som har masse, påvirker hverandre med en tiltrekningskraft, presentert. For å kunne komme fram til denne loven måtte Newton anta tre lover, som vi kaller for «Newtons lover». Disse lovene gjør det mulig å beregne et legemes fart og posisjon i framtiden, når vi kjenner kreftene det utsettes for og posisjon og fart ved et tidspunkt. Framtiden er ikke bare forårsaket av fortiden (kausalitet); den er helt bestemt av fortiden (determinisme). Det verdensbildet som Newton etterlot seg, blir ofte omtalt som et mekanisk univers og sammenliknet med et urverk. Alt som skjer i universet, følger bestemte lover, og alt styres av «blind» nødvendighet. Denne forståelsen av Newtons univers, der alt styres av deterministiske lover, vokste utover på 1700-tallet, men det var ikke slik Newton selv oppfattet det. Hans univers var guddommelig, og lovmessighetene var nettopp et bevis på Guds allmakt. I Newtons oppfatning viste Gud seg gjennom den ordenen universet hadde. Han skriver i sin bok Optics i 1704: Den blinde skjebne kunne aldri få alle planetene til å bevege seg samme vei i konsent riske baner. En slik vidunderlig ensartethet i planetsystemet må tilskrives virkning av et valg. Pedersen & Kragh, 2000, s. 157

Uansett hvilken «leir» man velger å plassere Newton i, markerte han en viktig overgang på veien mot den naturvitenskapen vi kjenner i dag.

54 kapittel 3

Kapittel 3

Fysikkens praksiser og tenkemåter I dette kapitlet vil vi drøfte praksiser og tenkemåter fysikere bruker når de utforsker naturen. Vi skal se på noen utfordringer og muligheter knyttet til bruk av data som kilde til kunnskap, og på praksiser som fremmer teoriers pålitelighet og objektivitet. Læreplanene i fysikk, og læreplanene i naturfag og teknologi- og forskningslære, har kompetansemål knyttet til naturvitenskapelig kunnskapsutvikling. Elevene skal kunne forstå og anvende teoretiske kunnskaper om vitenskapelige praksiser og tenkemåter (se også kapittel 25). Slike kunnskaper er også med å muliggjøre kritisk tenkning. Læreren trenger derfor god innsikt i vitenskapelig tenkeog arbeidsmåte. Mange har undret seg over hvordan tiltro til pseudovitenskapelige teorier ser ut til å bre om seg i en tid hvor moderne teknologi tydeliggjør påliteligheten til fysikkens metoder og modeller. Innsikter i fysikkens praksiser og tenkemåter, og egne erfaringer med utforskende arbeid i fysikk, kan elevene bruke som redskap for kritisk tenkning og vurdering av påstander de vil komme til å møte i fag, yrke og samfunnsliv mer generelt.

3.1

Kan røntgenstråler oppføre seg som partikler?

Naturvitenskapene søker å utvikle pålitelig kunnskap om naturen, men hvordan, og hva mener vi med pålitelig? Noen forskere har publisert en artikkel der de hevder at et nærbilde av noen fjellformasjoner på Mars viser at det til tider finnes rennende vann der (Malin & Edgett, 2003). Men det er ikke vann på bildet de presenterte. Det er rødbrun sand, sletter og en fjellformasjon. Blir det ikke feil å påstå at noe vi ikke kan observere eller måle, eksisterer? Ikke nødvendigvis, i fysikken godtok vi elektronets eksistens uten at vi kunne observere det. Og vi mener det finnes svarte hull, og kvarker!

fysikkens praksiser og tenkemåter 55

Forskerne som brukte bildet fra Mars til å hevde at det finnes vann der, hadde sammenliknet bildet med et annet tatt av en romsonde av samme område ti år tidligere. De studerte bildene grundig, og så at fjellformasjonen på bildene inneholdt en rekke «oppsprukne» furer, og at det var detaljer ved furene som ikke var like på de to bildene. Denne observasjonen tolket de i lys av eksisterende kunnskap: Slike furer lages når fjell eroderes av rennende vann. Samtidig kan furene ikke forklares ved meteorittnedslag eller andre kjente fenomener. Bildene ble dermed tolket som belegg for en hypotese om at det til tider finnes rennende vann på overflaten av Mars. Det er helt klart rom for å være skeptisk til påstanden, men samtidig er jo påstanden vitenskapelig. De henviste til observasjoner som ga støtte til påstanden eller hypotesen, og de forklarte den mulige sammenhengen mellom observasjonene og påstanden. Videre skilte de mellom observasjoner og tolkning gjennom først å presentere observasjonene og så diskutere hvor godt deres hypotese eller tolkning ble støttet av de framlagte observasjoner. Dette innebar at de argumenterte; de rapporterte ikke at det i løpet av de siste ti årene hadde vært flytende vann på Mars. De framsatte en tentativ påstand, og argumenterte for gyldigheten av denne gjennom å henvise til observasjoner og kjent kunnskap. Samtidig vet vi at mange av fysikkens modeller regnes som mer pålitelige enn påstanden i artikkelen om vann på Mars. Vi vil i det følgende peke på praksiser og utfordringer knyttet til utvikling av pålitelig kunnskap i fysikk, og samtidig beskrive hvordan forskning kan forstås som modellbygging. Vi vil illustrere noen ulike utfordringer og metoder ved å bruke eksempler fra historien om Arthur H. Comptons oppdagelse av Compton-effekten i 1922 (publisert i 1923), slik den er beskrevet av vitenskapshistorikeren Roger H. Stuewer (1975). Compton-effekten oppstår når kortbølget elektromagnetisk stråling i røntgenområdet sendes mot materie og vekselvirker med løst bundne elektroner. Vekselvirkningen resulterer i spredt utsendelse av stråling med lengre bølgelengde. Men hvorfor endrer strålingen bølgelengde? Dette stemte ikke med den etablerte forklaringen på spredning av elektromagnetisk stråling mot ladde partikler (Thomson-spredning). I de tidlige eksperimentene var det vanlig å måle hvor lett stråling ble absorbert (jf. øvinger med absorpsjon av stråling som brukes i skolen i dag). Compton og andre hadde tidlig observert at strålingen ble spredt mer framover enn bakover, og at det så ut til at spredt stråling ble lettere absorbert (og altså hadde lengre bølgelengde og mindre energi) enn innfallende stråling (se figur 3.1).

56 kapittel 3 Basert på klassisk fysikk utviklet Compton ulike modeller som skulle forklare observasjonene. Selv om noen av modellene til å begynne med ga gode sammenfall med data, dukket det opp problemer som gjorde at Compton stadig prøvde å justere og modifisere modellene. Først da han forsøkte å brukte Einsteins idé om at elektromagnetisk stråling er kvantisert, kom gjennombruddet (se også diskusjon om begrepet foton i kapittel 21.2). I Comptons endelige utgave av eksperimentet etter 1923 lot han røntgen stråling bli sendt mot en målskive av grafitt eller glass (pyrex). Et filter i strålebanen ble brukt for å fjerne bremsestråling med andre bølgelengder fra strålen. I etterkant av målskiven, i banen til den spredte strålingen, plasserte han blyplater med et hull etter hverandre slik at bare stråling i en bestemt retning slapp igjennom. Ved å justere plassering av blyplatene kunne han måle på stråling som var spredt i ulike vinkler (se vinkelen φ i figur 3.1).Til å detektere intensiteten til stråling plasserte han et ioniseringskammer i stråleretningen. Han kunne flytte ioniseringskammeret slik at strålingens relative intensitet kunne måles ved ulike spredningsvinkler. For å kunne avklare ulike hypoteser trengte han å vite om det var en sammenheng mellom spredningsvinkel og bølgelengden på den spredte strålingen. Da trengte han, for hver strålingsvinkel, å måle om han fant stråling ved ulike bølgelengder. Flere forskere hadde funnet indikasjoner på at bølgelengden på spredt stråling var lengre enn strålingen fra røntgenrøret. Dette innebar at spredt stråling hadde lavere energi. Bølgelengden på strålingen som gikk inn i ioniseringskammeret, bestemte han ved å plassere en krystall i strålebanen. Ioniseringskammeret var plassert slik at bare stråling reflektert av Ioniseringskammer

Røntgenrør

Blykasse

Filter

Krystall

Målskive Blyplater med et hull

Figur 3.1 En skisse av utstyrsoppsettet Compton brukte. Han brukte røntgenstråler (karakteristisk røntgenstråling) fra et røntgenrør for å få monokromatiske røntgenstråler som så ble spredt mot ulike stoffer (målskiver). Figuren er basert på Stuewer (1975).

fysikkens praksiser og tenkemåter 57 e-

Innkommende ˜

Spredt ˜

Compton-spredning Figur 3.2 Comptons forklaring av endret bølgelengde i spredt stråling. Inn fra venstre kommer røntgen strålingen med mye større energi enn bindingsenergien til elektroner i atomet som strålingen treffer. Røntgenstrålingen avgir energi til ett av elektronene, og den spredte strålingen har derfor mindre energi, og dermed større bølgelengde. Ved å anta at røntgenstrålingen besto av fotoner med partikkelegenskaper, kunne han bruke Einsteins uttrykk for fotoners bevegelsesmengde til å beregne spredningsvinkel for ulike energier på spredte fotoner. Basert på figur fra ReleKvant (viten.no/kvantefysikk).

krystallen gikk videre inn i kammeret. Krystallen han brukte, hadde en kjent gitterkonstant. Gjennom å bruke Braggs lov kunne han regne ut bølgelengden på strålingen når han visste strålingen sin innfallsvinkel mot krystallen (se vinkelen θ på figur 3.1).Ved å variere innfallsvinkelen, det vil si justere krystallens vinkel, kunne han måle intensiteten på spredt stråling for ulike bølgelengder. Med dette utstyret påviste Compton at den spredte strålingen hadde lengre bølgelengde enn innkommende. Han fikk målinger som viste nøyaktig hvor mye bølgelengden på spredt stråling endret seg med spredningsvinkelen. Forklaringen Compton til slutt falt ned på, var at røntgenstrålingen oppførte seg som om den besto av partikler med en bestemt bevegelsesmengde, slik Einstein hadde foreslått (se figur 3.2). Når en slik partikkel (et røntgenfoton) kolliderte med et elektron i f.eks. grafitt, ga fotonet fra seg noe energi til elektronet. Elektronet og det mer langbølgede fotonet gikk ut i ulike vinkler på en slik måte at energi og bevegelses mengde ble bevart. Litt som når biljardkuler treffer hverandre.

58 kapittel 3 I sin tid innebar Comptons endelige modell og dens sammenfall med data den første uavhengige bekreftelse på Einstein sin kvantebeskrivelse av elektro magnetisk stråling, som den gang var omdiskutert. I 1927 fikk Compton nobelprisen i fysikk for sin oppdagelse (se også kapittel 21).

3.2

Fysikkens modeller kan ikke bevises bare med logikk

Forskningens umiddelbare mål, sett med en forskers øyne, er å utvikle kunnskaper om naturen. Denne kunnskapen skal stå seg best mulig mot kritikk og skal kunne anvendes med suksess. Enkeltobservasjoner kan en ofte bli enig om, men generelle mønstre og årsakssammenhenger kan ikke observeres direkte. Påstander om slike kan det derfor lettere stilles spørsmål ved. Vi kan observere at legemer faller mot jorda, men ideen om at gravitasjonskraften er årsaken, kan vi ikke se. Hvordan kan forskere utvikle kunnskap om usynlige sammenhenger, og er egentlig observasjoner et godt nok grunnlag for å bygge kunnskap?

Induksjon er ikke logisk gyldig Da Compton begynte sin forskning, foreslo han først at elektroner måtte være store og sfæriske med diameter opp mot halvparten av atomets. Dette var svært mye større enn datidens (usikre) anslag, men med denne modellen kunne han forklare observert spredt stråling som diffraksjon. Men modellen kunne ikke forklare elektronets masse, og han prøvde en modifisert modell med et stort ringformet elektron. Ved å justere parametere i modellen oppnådde han sammenfall mellom nye data og modellens prediksjoner, og han fikk publisert resultatene i Physical Review. Møte med nye og mer nøyaktige eksperimenter og kritikk fra andre fors kere gjorde at han til slutt likevel ga opp sin hypotese om store elektroner. Eksempelet viser at ulike forklaringer kan bli foreslått, bli støttet av data, men likevel bli forkastet. Som Compton vil alle forskere kunne oppleve at nye data med økt nøyaktighet eller med nye variabelverdier svekker en foreslått forklaringsmodell. Når vi lager forklaringer som går utover det vi observerer, må disse omtales som mulige, sannsynlige eller tentative forklaringer. Dette følger av logikkens regler. Det er ikke logisk gyldig å slutte fra et endelig antall observasjoner til en generell regel som uttaler seg om alle tenkelige tilfeller. Dette omtales gjerne som induksjonsproblemet. Om en undersøker et stort antall stoffer og finner at alle er stabile, så er ikke det et bevis for at radioaktivt hen-

fysikkens praksiser og tenkemåter 59

fall ikke forekommer. Samtidig som forskningens mål er utsagn om generelle gyldige sammenhenger, kan slike altså ikke utledes logisk fra observasjoner (Chalmers, 1990).

Også hypotetisk-deduktiv metode gir bare tentative konklusjoner Compton sine forsøk på å forklare observasjonsdata med modeller med store elektroner var hypoteser (se kapittel 1) som Compton prøvde ut. Hypoteser er basert på en kombinasjon av observasjoner, kunnskap og fantasi. Bruken av hypoteser innebærer at forklaringer på naturfenomener er menneskers kreative konstruksjoner. De er dermed ikke oppdaget i betydningen observert eller utledet fra observasjoner. De kan likevel bli testet mot observasjoner (og mot kjente teorier). Slik testing innebærer at en deduserer, dvs. utleder, mulige konsekvenser av hypotesen, og så sjekker om disse sammenfaller med innsamlede data. Denne tenkeog arbeidsmåten betegnes som hypotetisk-deduktiv metode. Deduksjoner er logisk holdbare siden de innebærer utledning av påstander om enkeltsituasjoner fra påstander som gjelder generelt. Hvis den generelle påstanden er at alle galakser har et svart hull i midten, så må den neste galaksen vi velger å undersøke, også ha et svart hull i midten. Logikken er klar. Vil så hypoteser og teorier som er testet med hypotetisk-deduktiv metode, med nødvendighet være sanne? Vel, de er jo bare testet mot et endelig antall observasjoner, og hypotesen var i utgangspunktet en gjetting, om enn godt begrunnet. Logisk sett gir derfor heller ikke hypotetisk-deduktiv forskning med nødvendighet sanne resultater. Gitt oppmerksomheten hypotetisk-deduktiv metode ofte vies i lærebøker, er det derfor viktig å merke seg at både induktiv og hypotetisk-deduktiv metode har induksjonsproblemet som utfordring.

Hvor god støtte data gir må vurderes i hvert enkelt tilfelle Uansett metode må hypoteser vurderes ut ifra mengde og usikkerhet i måledata som støtter dem, og hvorvidt hypotesen er bekreftet av flere uavhengige studier. Usikkerhet knyttet til kontroll med feilkilder vil også inngå i vurderingen. Hvis hypotesen strider mot etablert kunnskap, vil kvalitet på data gjerne bli gransket ekstra nøye. Selv om hypotetisk-deduktiv metode ikke løser induksjonsproblemet, så er det likevel slik at observasjoner kan ha ulik overbevisningskraft avhen-

60 kapittel 3 gig av detaljer i en forskningsprosess. Eksempelvis ble Comptons hypotese om store ring-elektroner i sin tid kritisert fordi bestemmelse av ringradius var svært følsom for anslag for bølgelengde på gammastråling. For å få sammenfall med data brukte Compton en verdi på elektronradien mange mente var utdatert og et lavt anslag for bølgelengde. Noen ganger forutsier en hypotese nye og ukjente observasjoner. Bekreft ende observasjoner kan da bli svært overbevisende. Einstein sin forutsigelse av lysets avbøyning når det passerer masser, er et kjent eksempel på dette. Når usikkerheter i målinger av avbøying var for liten til at målingene lett kunne bli avvist, førte disse til økt tiltro til Einsteins hypotese, og dermed til hele den generelle relativitetsteorien (se også kapittel 23). I Comptons tilfelle forutsa hans endelige kvantemekaniske modell at det skulle finnes rekyl-elektroner fra spredningsprosessen, et hittil ukjent fenomen. Da Compton la fram modellen, la han vekt på å inkludere evidens som støttet denne forutsigelsen. Han fikk her godt sammenfall mellom prediksjon og data på tross av at modellen ikke inneholdt justerbare parametere. Det ble da vanskelig å argumentere med at sammenfall skyldtes tilfeldigheter. Kanskje er det riktig å si at fysikeres tillit til en hypotese er basert på deres profesjonelle vurdering. Støttes hypotesen av mange observasjoner, vurderes den kanskje som fruktbar. Består den tester eller forutsier nye fenomener som så blir bekreftet, så vurderes den som god. Men vi snakker likevel om vurderinger, og nye observasjoner og hypoteser kan i prinsippet velte en akseptert teori på tross av de gode grunnene vi hadde for å ha tiltro til den.

Testbarhet (falsifiserbarhet) som krav til hypoteser Comptons hypotese om store ring-elektroner ble i sin tid kritisert for ikke å forutsi nye fenomener den kunne testes mot. At den i starten passet med data, var jo ikke rart siden modellen var konstruert og parametere justert for å gi sammenfall. Compton framsatte modellen med ring-elektroner som en generell modell for spredning av høyenergetisk stråling mot materie, men fant snart data som hypotesen ikke kunne forklare. Flere mente da at hypotesen ikke kunne være riktig, og at den måtte regnes som falsifisert, dvs. avkreftet. Til slutt ble hypotesen også oppgitt av Compton selv. Filosofen Karl Popper er kjent for å ha påpekt viktigheten av falsifiserbarhet, dvs. at hypoteser formuleres slik at det i prinsippet kan tenkes å finnes data som strider mot hypotesen (Popper, 1965). Han pekte på hvordan hypo

fysikkens praksiser og tenkemåter 61

tetisk-deduktiv metode muliggjorde slik falsifisering. Videre vektla han at det å arbeide vitenskapelig innebærer å praktisere en kritisk holdning der alle ideer skal være testbare og bli testet mot empiri. Hvis en observasjon eller måling med tilstrekkelig presisjon motstrider en hypotese, selv etter en periode med testing og videreutvikling, må den forkastes. Popper hevdet at hypotetisk-deduktiv arbeidsmåte er mer en tenkemåte enn en metode, og at denne brukes av mennesker i alle aldre og i møte med utforskende problemløsning i mange fag og hverdagssituasjoner. Men i vitenskap er det et krav til stor systematikk i bruken.

Eksperimentell falsifisering er ikke absolutt Kort tid etter at Compton hadde publisert sin kvantemekaniske forklaringsmodell, begynte den anerkjente fysikeren William Duane og hans assistent å teste den nye modellen eksperimentelt. De fikk data som ikke bekreftet lengre bølgelengde på spredt stråling slik Comptons modell tilsa. Duanes resultater ble ikke regnet som falsifisering av Comptons forklaringsmodell, men resulterte i diskusjoner på fysikermøter og til videre eksperimentell utprøving. En reporter fra Nature skrev blant annet følgende etter en diskusjon på et møte i the British Association for the Advancement of Science: At the time of the meeting each observer appeared to have almost overwhelming evidence in favour of his point of view, and had the audience only had to listen to one side – either side would have done quite well – it would probably have been convinced as to the accuracy and soundness of the view advanced. Stuewer, 1975, s. 269

Diskusjonene endte i favør av Comptons hypotese da en ny assistent på Duanes laboratorium fornyet utstyret, fikk bedre oppløsning og kontroll med feilkilder og begynte å få data som sammenfalt med Comptons modell. Ved første øyekast kan det synes logisk nødvendig å forkaste en modell når det foreligger observasjoner som strider mot denne. Men flere vitenskaps teoretikere har pekt på at ideen om falsifisering må nyanseres, og at forekomst av observasjoner som strider mot en hypotese, ikke med logisk nødvendighet betyr at hypotesen er feil (Chalmers, 1990; Giere, 1997). Manglende bekreftelse kan også skyldes lav presisjon i målinger, problemer med utstyr, ukjente feilkilder eller feil i antakelser (hypoteser) om hvordan instrumenter virker, slik som i eksempelet med Duanes. Det er derfor blitt vanlig å påpeke at hypoteser testes i bunter. I møte med observasjoner som strider mot en hypotese, vil der-

62 kapittel 3 for mange forskere arbeide videre med hypotesen og med eksperimenter for å teste den videre. Det å hevde at en hypotese er falsifisert, ser derfor ut til å kreve profesjonell faglig vurdering. Der ser også ut til at forskere ofte ikke forkaster en modell som har støtte i data før en ny og bedre hypotese foreligger. Merkurs bane fikk en tidligere ikke til å stemme når en gjorde beregninger basert på Newtons mekanikk. Newtons lover ble likevel ikke regnet som falsifiserte. Observasjonene kunne tolkes som at Newtons lover hadde et begrenset gyldighetsområde, slik Einsteins forskning til slutt avklarte.

Kritiske eksperimenter kan falsifisere, men ikke verifisere En metode for å sammenlikne konkurrerende hypoteser er å designe et såkalt kritisk eksperiment, kalt «Experimentum Crucis» av Isaac Newton. Metoden innebærer at en utfører et eksperiment der hypotesene gir ulike prediksjoner. Da Compton i 1921 observerte at deler av strålingen fra bestrålt materie ble lettere absorbert (var mer langbølget), var hans tolkning at dette var karakteristisk røntgenstråling fra atomer hvor innfallende røntgenstråling hadde slått løs indre elektroner. Men fysikeren Joseph A. Gray hadde en annen forklaringsmodell. Han så for seg innfallende røntgenstråling som pulser. Han mente at hver puls reagerte med ett elektron, og at utgående stråling fra to elektroner kunne interferere og gi en ny puls som var den som ble detektert. Compton mente at etablert teori tilsa at spredning basert på Grays modell ikke kunne gi endring i bølgelengde. Dermed konkluderte Compton med at det var mulig å gjennomføre et kritisk eksperiment, noe han gjorde, og hvor han fant at data støttet hans egen hypotese. Men denne hypotesen til Compton ble senere forlatt. I dette eksempelet fikk en feilaktig forklaring eksperimentell støtte. Samtidig ble et element i Gray sin hypotese, en idé om at spredning kunne gi endring i bølgelengde, regnet som falsifisert, en idé som Compton senere fant var riktig. Selv om kritiske eksperimenter kan synes avklarende, kan de i prinsippet ikke garantere at en hypotese er korrekt. Stuewer (1975) hevder at det kritiske eksperimentet økte Compton sin tillit til egen hypotese av 1921,og at han gikk i den «fellen» at han vurderte Grays teori som eneste mulige alternative teori. Eksempelet illustrerer at kritiske eksperimenter kan skille mellom to konkurrerende hypoteser, men «vinneren» kan likevel falle i møte med nye data og nye hypoteser. Det underliggende poeng er at et sett med observasjoner i prinsippet kan støtte flere hypoteser.

fysikkens praksiser og tenkemåter 63

Konklusjoner må formuleres tentativt og være forenlige med data En logisk implikasjon av induksjonsproblemet er at alle forslag til beskrivelser og forklaringer som går utover det en kan observere, bør formuleres tentativt. Naturfilosofen Robert Boyle, som levde i det syttende århundre, var den første som formulerte dette som en norm for naturvitenskapelig forskning. Dette er et prinsipp som står sterkt også i dag. Eksemplene fra Comptons forskning viser at utkast til forklaringsmodeller kan bli godkjent for publisering i vitenskapelige tidsskrift og senere bli forlatt og erstattet med nye forklaringsmodeller. Eksempelet illustrerer at vitenskapelig publisering ikke innebærer at et forskningsspørsmål er avklart, men at studien oppfyller vitenskapelige krav til kvalitet i blant annet forskningsspørsmål, hypotese, metode, resultater og konklusjoner.

Identifisering og tolkning av data krever teori Mange vitenskapsfilosofer har hevdet at observasjoner bare blir gyldige som data i lys av en teori. Popper (1965) hevdet at «[f]aktisk er den tro at vi kan begynne med rene observasjoner, uten en form for teori, absurd» (s. 61).Dette innebærer at data ikke er uavhengige av teori, men tvert imot er teoriavhengige. Forskere samler ikke inn alt de tilfeldigvis kommer over av observasjoner. De vurderer hvilke observasjoner de trenger for å kunne teste hypotesen de jobber med. For at bilder av partikkelkollisjoner fra CERN skal kunne fungere som evidens for en påstand, må en bruke teori som forklarer hvorfor noen spor kan være avbøyd, mens andre går i rette linjer. En hypotese vil så gjøre det mulig å velge ut spesielle spor for videre analyse. Dette innebærer at observasjoner blir til relevante data i lys av den teori eller forståelseshorisont som forskeren arbeider under. I sin forskning var Compton i begynnelsen overbevist om at data og fenomener måtte kunne forklares med det vi nå kaller klassisk fysikk. Compton kunne derfor begrunne at spredt stråling måtte ha samme bølgelengde som innfallende stråling. Comptons teoretiske forståelse og tolkning ser derfor ut til å ha ført til at han ikke så fenomenet som hans kolleger Gray og Florence hevdet å se – og som senere skulle vise seg å være det sentrale fenomenet som trengte å forklares – endring i bølgelengde gjennom spredning. Compton var her styrt av teoribaserte forventninger når han tolket data, men samtidig kunne han også oppdage at han fikk data som passet dårlig med det han forventet. Til slutt fikk «motstand fra observasjoner» ham til å endre tenke

64 kapittel 3 måte og tolkning av data. Eksempelet illustrerer også hvordan gamle observasjoner kan nytolkes i lys av en ny hypotese. Selv om våre tolkninger blir til i lys av forventningene våre, så er ikke dette et absolutt hinder for å gjøre observasjoner som vi kan innse er uforenlige med hypotesen vi tester (Chalmers, 1990). Astrofysikeren Arthur S. Eddington har uttalt at «det er [også] en god regel å ikke ha overdreven tillit til observasjonsresultatene som framlegges før de er blitt bekreftet av teori» (Eddington, 1935, s. 211, vår oversettelse, kursiv i originalen). I vitenskap vil data kunne vurderes i lys av ulike teorier på samme måte som teorier kan bli vurdert i lys av ulike datasett. Vitenskapsfilosofen Imre Lakatos hevder at forskere normalt arbeider innen forskningsprogram som styrer valg av problem og utvikling av hypoteser, og hvor hovedteorien i et forskningsprogram styrer identifisering og tolkning av data. Han mener at hypoteser testet i den enkelte forskningsstudie kan falsifiseres, men at kjernen eller hovedteorien i forskningsprogrammet ikke er falsifiserbar innen forskningsprogrammets virkelighetsforståelse. Sannsynligvis ville Lakatos ment at innen dagens astronomiforskning er Einsteins gravitasjonsteori et eksempel på en slik hovedteori, og derfor ikke falsifiserbar. Poenget er at hovedteorien i et forskningsprogram fungerer som en forutsetning for forskningen på feltet – slik klassisk fysikk lenge fungerte som forutsetning for Comptons forskning.

Både åpen og kritisk holdning til modeller og data I naturvitenskapelig forskning er det naturen, i form av data, som skal fungere som dommer over våre utkast til forklaringsmodeller. Denne holdningen har Compton uttrykt på følgende måte: The real thing that a scientist tries to do when he is faced with a phenomenon is to attempt to understand it. To do that he tries all possible answers that he can think of to see which one of them works best. Stuewer, 1975, s. 96

Påstanden om at identifisering og tolkning av data er teoriavhengige, innebærer at slik uttesting av ideer til mulige svar er krevende, da egen tolkning av observa sjoner kan begrense hvilke forklaringsmodeller en kan se for seg. Fra historien om Comptons forskning så vi at han arbeidet hardt for å finne modeller og tolkninger som var konsistente med klassisk fysikk. Han forventet at forklaringen han lette etter, måtte bygge på klassisk fysikk, og dette styrte hans tolkning av

fysikkens praksiser og tenkemåter 65

data og hans forståelse av hvilket fenomen det var han skulle forklare. Først da han ga opp å finne klassiske forklaringer basert på klassisk fysikk og prøvde en kvantemekanisk forklaringsmodell, fant han en modell som «worked», men han måtte samtidig beskrive observasjonene på en ny måte. Eksempelet illustrerer at forskning krever et sinn som er åpent for nye innfallsvinkler samtidig som en har et kritisk blikk både på forklaringsmodeller og tolkninger av data.

3.3

Fysikk som modellbygging

Selv om verken verifisering eller falsifisering logisk sett er vanntette metoder, vurderer vi fysikkens lover og teorier som pålitelige. I det følgende skal vi se på ulike metoder og praksiser som sammen med mulighetene for hypotetiskdeduktiv uttesting kan være med å forklare vår tiltro til fysikkens resultater.

Modellering Som forskere prøver fysikere ikke bare å samle inn data, men også å utvikle symbolske og språklige beskrivelser av verden. Som beskrevet i avsnitt 1.4 betegnes slike beskrivelser gjerne som teoretiske modeller. I kapittel 12 diskuterer vi ulike måter å beskrive og visualisere modeller på. Her vil vi legge fram en kjent besk rivelse av hvordan forskningsprosessen kan forstås som modellbygging. Gode modeller, enten de er symbolske eller fysiske, kan forstås som forskningens mål. Prosesser og begreper involvert i modelltenkning er søkt illustrert i figur 3.3, som er utviklet av vitenskapsfilosofen Ronald N. Giere. Forskere har som mål å beskrive og forklare den fysiske verden, representert ved boksen øverst til venstre. Forskning tar utgangspunkt i et aspekt ved den fysiske verden som ikke er ferdig beskrevet. Det kan f.eks. være nye overraskende observasjoner, som i forskningen til Compton. Han utviklet flere ulike forslag til forklarende modeller. Han utledet så observerbare konsekvenser av modellene og sammenliknet disse med målinger fra eksperimenter. I figur 3.3 er denne prosessen beskrevet. Hypotese brukes her som betegnelse på en modell som forskere bruker som utgangspunkt for testing. Modeller er gjerne komplekse og skal forklare et fenomen generelt, og den fysiske verden er også kompleks. Modeller kan derfor, ifølge Giere sin tenkning, ikke så lett testes direkte mot den fysiske verden slik vi passivt observerer den. For å kunne teste modellen må vi utlede observerbare konsekvenser av modellen, og disse betegnes som prediksjoner. Tilsvarende må den fysiske verden manipuleres gjennom

66 kapittel 3 et eksperiment, slik at forskeren får målinger som er direkte sammenliknbare med prediksjoner. Nå kan prediksjoner sammenliknes med innsamlede måledata, og det blir mulig å vurdere om det er sammenfall. Hvis det er godt sammenfall, vil forskere kunne mene at hypotesen er styrket. Men sammenfall kan i prinsippet være oppstått tilfeldig, så nye tester kan være nødvendig, og disse kan øke eller svekke tiltroen til modellen. Siden sammenfall sjelden er perfekte, og siden all eksperimentering og måling er beheftet med usikkerhet, må forskerne og forskersamfunnet også vurdere sammenfallet i lys av normer og erfaringer på forskningsfeltet. Giere sitt poeng er ikke at alle forskningsstudier inneholder alle disse elementene i figur 3.3. Tvert imot så vil mange studier og forskere fokusere på ett eller noen få av elementene i figuren. Noen forskere jobber med å bygge modeller («teoretikere»), mens andre utvikler nye eksperimenter («eksperimentalfysikere»). Andre igjen, som Compton, arbeider med alle elementene i Giere sin figur. Giere sin beskrivelse av modelleringsprosessen innebærer en klargjøring av begrepene modell, hypotese og prediksjon. Men begrepet teori er ikke med i beskrivelsen. Vanlig ordbruk her er å reservere begrepet teori til rammeverk bestående av flere hypoteser som forskersamfunnet vurderer som bekreftet og aksepterte (se kapittel 1). Et eksempel er relativitetsteorien, som jo består av to postulater og ett sett med nye og matematisk formulerte sammenhenger. En slik begrepsbruk synliggjør at teorier er gjennomtestede, samtidig som de ikke kan hevdes å være sanne i absolutt forstand; de kan i prinsippet falle i møte med nye observasjoner, hypoteser og vurderinger på samme måte som hypoteser kan. Indirekte viser Giere sin beskrivelse hvordan også kreativitet og induktiv tenkning er en nødvendig del av forskning. Utvikling av testbare modeller krever kreativitet. Kreativitet er også involvert når forskere utvikler metoder

Den fysiske verden

Modellen passer / passer ikke Hypotesen bekre˜et / ikke bekre˜e t

Observasjon / eksperimentering

Data

Modell Resonnering / utledning

Sammenfaller / sammenfaller ikke

Prediksjon

Figur 3.3 Skissen viser noen sentrale prosesser involvert i hypotetisk-deduktiv modellbygging basert på Giere (1997).

fysikkens praksiser og tenkemåter 67

og eksperimenter som kan gi data som muliggjør testing av modeller. Gjennom induktiv tenkning kan en bygge nye modeller i lys av eksisterende teorier og observasjoner. I eksempelet med forskning på spredning av røntgenstråling var et av problemene å få data som viste strålingsintensitet ved ulike bølgelengder. Et av Comptons bidrag var nettopp at han greide å utvikle eksperimentoppsett og teknikker som ga nøyaktige data av denne typen.

Utvikle og operasjonalisere begreper Det er mulig å se et eple falle mot jorda, men forklaringen – gravitasjonskraft mellom masser – kan ikke observeres. Ideer om forklaringer og sammenhenger er laget av mennesker og ikke oppdaget i induktiv forstand (se også avsnitt 1.3 om konstruktivisme). Albert Einstein sa det slik en gang: «Fysiske begreper er frie konstruksjoner, laget av menneskers intellekt. Selv om det kan synes slik, er de ikke entydig bestemt av den ytre virkelighet» (A. Einstein & Infeld, 1971, s. 31, vår oversettelse). Er dette en svakhet ved fysikken, og burde vi nøye oss med å gjengi observasjoner nøyaktig? Absolutt ikke! Utvikling av begreper som beskriver og forklarer observasjoner, gjør fysikere i stand til å utvikle abstrakte modeller som gjør det mulig å forutsi resultater når modellen skal anvendes på nye områder. Uten Einsteins begrep om lyskvanter som kunne tilordnes både energi og bevegelsesmengde, hadde ikke Compton kunnet utvikle sin vellykkede forklaring. Vi så også hvordan Compton strevde lenge med å utvikle et nytt begrep om spredning, og å finne måter å måle endring i bølgelengde gjennom spredning på. Da begge deler var klart, kan vi si at begrepet var operasjonalisert, og det var enklere for andre å gjøre raske og presise målinger av fenomenet. Når grunnbegreper er definert, vil måleverdier kunne analyseres induktivt gjennom identifisering av mønstre. Når elever tilsynelatende kan oppdage Ohms lov induktivt i elev øvinger, bygger de på begrepene spenning, strøm og resistans og måleapparater basert på elektrisitetslære.

Bruke instrumenter som «forsterker» sansene vi observerer med Grunnlaget for mange av fysikkens oppdagelser er bruk av nye instrumenter. Strålingen som Compton og kolleger målte på, er usynlig for øyet. Men ved å bruke ioniseringskammer koblet til et elektroskop fikk de synlige utslag på elektroskopets måleskala, og dermed ble strålingen «synlig». Compton sitt

68 kapittel 3 endelige gjennombrudd ble muliggjort av et nytt apparaturoppsett der Compton brukte et Bragg-spektrometer slik at bølgelengder kunne måles nøyaktig (se figur 3.1).Enten fysiske størrelser er for små eller for langt unna til å synes godt, er usynlige som stråling eller abstrakte som begrepet kraft, så har fysikere arbeidet med å utvikle instrumenter som kan gjøre det «usynlige» tilgjengelig for sansene våre – og økt muligheten for å oppdage fenomener og teste utkast til forklaringsmodeller.

Tallfesting og matematisk formulering av modeller Både Compton og kolleger strevde med å få nøyaktige målinger av bølgelengder. Dette gjorde det vanskelig å avgjøre diskusjoner om hvilke fenomener som egentlig skulle forklares. Gjennom sin bruk av Bragg-spektrometeret fikk Compton endelig tallfestet bølgelengder slik at hypoteser kunne testes med større nøyaktighet. Fysikeren og vitenskapsteoretikeren John Ziman (2000) peker på at kvantifisering gjennom tallfesting av målinger er en av teknikkene fysikere bruker for å fjerne det subjektive elementet fra forskningen. Tallfesting gir mindre tolkningsrom. Når Compton hadde utviklet måleapparat som ga tallfesting av bølgelengder, ble det mindre rom for å kritisere hans data og hans tolkninger; mindre rom for rimelig tvil. I fysikk er tallfesting så sentralt at det å «observere» som oftest betyr å måle ved hjelp av et beskrevet måleapparat, enten det er en enkel linjal eller en avansert scintillasjonsteller. En viktig metode i fysikk er å utvikle matematiske modeller som beskriver mønstre i data. Matematisk formulering av modeller gir tilgang til matematikkens mange verktøy for effektiv og logisk gyldig utredning og resonnering. Matematiske modeller er også nødvendig for å kunne utlede tallfestede prediksjoner som muliggjør objektiv sammenlikning mellom prediksjon og data. Compton uttrykte sin spredningsmodell matematisk, og den nøyaktige prediksjonen kombinert med sammenfall med data var sannsynligvis en viktig grunn til den relativt raske aksepten av teorien blant samtidens fysikere.

Identifisere feilkilder og minske usikkerheter I fysikk er det slik at hvis en ikke kan oppgi velbegrunnede estimat for usikkerhet, så betyr det at en faktisk ikke kan anslå et sannsynlig område som verdien må ligge innenfor. Da kan den ligge hvor som helst, og da vet en i prinsippet ingenting om størrelsen på den målte verdi. Enhver sammenlikning med prediksjoner blir da meningsløs. For at testing av en hypotese skal være over-

fysikkens praksiser og tenkemåter 69

bevisende, må prediksjoner være innenfor usikkerheter i observasjonsresul tater. For å gjøre en test overbevisende bør den derfor gi data med minst mulig usikkerhet (se kapittel 11). En måleserie vil alltid spre seg over mange verdier rundt en sentralverdi. En må alltid vurdere om måleserien kan være et resultat av tilfeldigheter og bakgrunnsstøy. I fysikk er det i dag vanlig å kreve at det maksimalt er en sannsynlighet på 3 x 10–7 for at resultatet er en konsekvens av tilfeldige variasjoner i målinger (gjerne omtalt som et avvik på fem sigma) før en regner en måling for avklart (Franklin, 2017). For eksempel ble higgspartikkelen erklært funnet når sannsynligheten tilsvarte fem sigma for at målinger av fotonenergier fra henfall av higgspartikler ikke bare var bakgrunnsstøy. Estimering av måleusikkerheter er en viktig forskjell mellom naturvitenskapene og pseudovitenskaper som f.eks. astrologi. Vag og flertydig ordbruk kan gjøre det vanskelig å falsifisere en teori, da observasjoner lettere kan hevdes å passe inn. Tallfesting av måleverdier og usikkerheter løser selvfølgelig ikke induksjonsproblemet, men gjør at vi innen måleområdet kan få overbevisende testing av hypoteser. En av utfordringene i Comptons tidlige forskning var en kritikk som hevdet at den observerte endring i absorpsjonsevne (endring i bølgelengde) ikke var reell. Det ble hevdet at den kunne forklares med at strålingen fra røntgenrøret var inhomogen, og at det som skjedde, bare var at stråling med lengre bølgelengder i større grad ble spredt til store vinkler. Ved å la strålingen fra røntgenapparatet bli reflektert av en krystall med kjent gitterkonstant kunne Compton så hevde at bare stråling med en bestemt bølgelengde ble sendt mot målskiven. Denne eliminasjonen av en mulig feilkilde svekket kritikken av Comptons tolkninger av måleresultatet.

Faste prosedyrer gir objektive observasjoner Vi pekte tidligere på at identifisering og tolkning av data er farget av teoretisk ståsted. Vil ikke det innebære at data blir subjektive? Selv om det finnes ulike meninger om dette, vil vi her løfte fram vitenskapsfilosofen Alan F. Chalmers (1990) sin tenkning. Han sier at kjennetegnet på objektive observasjoner ikke er at de er tilgjengelige og erkjennbare for alle. Han bruker eksempelet med observasjon av månens diameter. Den synes større når månen er nær horisonten. Normal observasjon er her tydeligvis ikke til å stole på. Men Chalmers, som selv har doktorgrad i fysikk, peker på at det finnes praktiske måter å støtte sansene på. Med et enkelt sikterør med innmontert målenett vil en få noenlunde like målinger av månens diameter ved de ulike posisjonene. Chalmers

70 kapittel 3 hevder at objektivitet er noe forskere oppnår rent praktisk gjennom faste og reproduserbare prosedyrer som hindrer subjektiv identifisering og avlesing av observasjoner. Det blir da mulig for andre å vurdere prosedyrene kritisk og å prøve å reprodusere målinger. Allerede på 1500-tallet hevdet naturfilosofen Francis Bacon verdien av å gå fram på denne måten.

Idealisere eksperimentsituasjonen Ofte er fenomener i naturen så komplekse at det er vanskelig å se klare mønstre når vi studerer dem der de forekommer naturlig. Er vi interessert i å finne lover for hva som synker og flyter i vann, vil vi finne at legemer med lavere tetthet enn vann flyter. Men vi vil også finne at noen legemer med større tetthet enn vann «flyter», for eksempel nåler og en del innsekter. Fysikere har her valgt å definere to begreper, flyting og overflatehinne. De kunne da lage forklaringer for flyting uten å blande inn fenomener knyttet til overflatehinner. Gjennom denne idealiseringen har de greid å lage gode forklaringer. Chalmers (1990) peker på at forskeren må ha en forforestilling om hvilke fenomener som finnes, for å kunne lage et eksperiment som gir data som er egnet til å teste hypoteser om enkeltfenomen. Når flere fenomener opptrer sammen, vil ikke enkel observasjon avdekke at det er flere fenomener involvert. Et eksperiment som bygger på en hypotese om at det er flere fenomen, vil derimot kunne teste om det stemmer. Idealisering av eksperimentsituasjoner er basert på en antakelse om at komplekse fenomener kan bestå av isolerbare delfenomener. Identifisering av ulike fenomener som opptrådte samtidig, var som tidligere nevnt nettopp et av stridspunktene mellom Compton og noen av hans samtidige fysikere. Målet var ikke bare å beskrive strålingen som kom fra målskiver, men å forstå og forklare de fenomenene som var opphav til denne strålingen. Da trengte de å sortere fenomenene fra hverandre og studere ett om gangen. I dag vet vi at det er tre fenomener involvert når høyenergetisk stråling treffer materie: fotoelektrisk effekt, Compton-effekt og pardannelse, og at de tre fenomenene har ulik sannsynlighet ved ulike frekvenser på strålingen.

Variabelkontroll Fysikkens forklaringsmodeller inneholder normalt flere ulike fysiske størrelser. Når de fysiske størrelsene som inngår i et eksperiment, kan anta ulike verdier, kaller vi dem variabler. Hvis en ikke vet hvilke variabler som varierer i forsøket og hvilke som ikke varierer, har en ingen kontroll, og eksperimentet gir ingen

fysikkens praksiser og tenkemåter 71

avklaring. Logisk tenkning tilsier at når en tester hypoteser om hvordan ulike størrelser vekselvirker, kan en bare variere en variabel om gangen – den som en vil undersøke virkningen av. Denne størrelsen kalles da den uavhengige variabelen. Den størrelsen en forventer at vil endre verdi i eksperimentet, kalles den avhengige variabelen. I Comptons spredningseksperiment var ofte spredningsvinkel den uavhengige variabelen, mens intensitet og bølgelengde var avhengige variabler. Både han og hans kolleger brukte flere ulike energier på innfallende stråling, men alltid bare en energi eller bølgelengde for hvert forsøk. Dermed kunne de hevde at variasjon i intensitet med vinkelen ikke skyldtes variasjoner i bølgelengde på innfallende stråling.

Naturvitenskapelig tenkeog arbeidsmåte Gjennom historien har mange diskutert om det finnes en bestemt naturvitenskapelig metode. Ved første øyekast kan framstilling av forskning som en lineær prosess virke pedagogisk attraktivt ved at vi da kan fortelle elevene våre hva de skal gjøre, steg for steg. Faren ved lineære framstillinger er at de lett signaliserer en idé om at det er en bestemt metode i betydningen prosedyre som kjennetegner kompetent forskning, og at denne metoden automatisk gir ny pålitelig kunnskap. Det er i dag bred enighet blant vitenskapsfilosofer om at forskning er en kompleks prosess der de ulike elementene, slik de for eksempel ble illustrert i Gieres figur 3.3, kan veksle i rekkefølge. Utfordringen for forskeren ligger ikke i å greie å tenke induktivt eller hypotetisk-deduktivt, men i å få høy kvalitet på apparatur, data, tolkninger, modeller, utledninger og prediksjoner. Kvalitet er her noe som må vurderes med utgangspunkt i innsikt i fag, eksperiment og faglige kriterier og standarder. Når forskning er utfordrende og uenighet er normalt, så er det nettopp fordi det er krevende å oppnå ønsket kvalitet, og ikke fordi forskerne er uenige i hvilke hovedsteg som bør inngå i god forskning. I dette kapitlet har vi beskrevet hvordan forskning ikke bare innebærer å gjette på sammenhenger, men også ulike typer testing og kontroll med hypotesers objektivitet og pålitelighet. Forskningen til Compton illustrerer at forklaringsmodeller kan være testet og funnet å være i samsvar med data, og kan bli publisert, uten at det trenger å medføre at forskersamfunnet aksepterer modellen som korrekt. I tillegg til enkeltstudier basert på utvikling og testing av modeller har forskersamfunnet utviklet kollektive prosesser som innebærer kvalitetsvurdering og sammenlikning av eksperimentrapporter. Slike kollektive prosesser presenteres i kapittel 4.

72 kapittel 4

Kapittel 4

Forskersamfunnet – et kunnskapsutviklende fellesskap og en aktør i samfunnet Er kunnskap i fysikk objektiv, selv om den er utviklet av feilbarlige mennesker? I første del av dette kapitlet vil vi diskutere hvordan kollektive prosesser i fors kersamfunnet utgjør en viktig side ved vitenskapelig arbeidsmåte, og hvordan normer og praksiser i forskersamfunn bidrar til å minske effekten av forskeres personlige holdninger, forventninger og erfaringer på forskningsresultatene. Dette er tema som gjerne inngår i læreplaner i naturfag og fysikk knyttet til vitenskapelig arbeidsmåte. Objektivitet er en viktig betingelse for at naturvitenskapelig kunnskap verdsettes og anvendes i samfunnet. Samtidig vil noen mene at naturvitenskapelig kunnskap ikke alltid kan regnes som objektiv. I andre del av kapitlet vil vi legge fram noen sentrale diskusjoner knyttet til fysikkens objektivitet og dens rolle i samfunnet. Innsikt i disse diskusjonene gir verdifull bakgrunn når elevene skal forholde seg til dagsaktuelle kontroverser hvor naturvitenskapelig kunnskap og argumentasjon inngår.

4.1

Fra enkeltrapporter til etablert vitenskapelig kunnskap

I kapittel 3 så vi at ulike grupperinger av forskere kan jobbe med ulike konkurrerende hypoteser, men hvordan avklarer forskere hvilken hypotese som best beskriver et fenomen? Forskningens mål er kunnskap og ikke personlige synspunkter. Kunnskap er, per definisjon, påstander som et fellesskap av mennesker holder for gyldig. Hypoteser og resultater i ulike studier kan støtte hverandre eller motsi hverandre. Forekomsten av omdiskuterte saker i media og debatter forskere imellom

forskersamfunnet – et kunnskapsutviklende fellesskap … 73

viser at prosessen fra hypoteseutvikling via resultater fra enkeltstudier til enighet i forskermiljøer ikke alltid er rask og uproblematisk. I klimasaken ser vi dette tydelig. Umiddelbart kunne en kanskje tenke at forskningsresultater er sanne eller pålitelige hvis studiene oppfyller vitenskapelige kriterier. Men hvem skal bestemme om en studie oppfyller vitenskapelige kriterier? Diskusjonene av induksjonsproblemet, idealisering, usikkerhet og hypoteser i kapittel 3 tilsier også at vi ikke kan snakke om sanne og usanne teorier, men om hypoteser og modeller som har sterkere eller svakere underbygging. Hvordan avgjøres det hvilke hypoteser som skal forkastes, og hvilke som skal inkluderes som gyldig kunnskap i lærebøker i fysikk?

Fagfellevurdering som kvalitetssikring Over tid har forskersamfunnet utviklet normer og praksiser som skal fremme vitenskapelig kvalitet. En viktig norm innen vitenskap er at forskning skal publiseres (Ziman, 2000). Det at en studie er publisert i et vitenskapelig tidsskrift, vurderes ofte rett og slett som definisjonen på at den er vitenskapelig. Publisering er viktig i vitenskap siden det innebærer at nye ideer og resultater blir gjort tilgjengelig for kolleger. Forskeres anerkjennelse, karriere og gjerne også lønn er ofte avhengig av hvor og hvor mye de har publisert. Dermed har fors kere klare insitament for å prøve å publisere. For å sikre at publiserte artikler holder forventet vitenskapelig standard, benytter vitenskapelige tidsskrift et system med fagfellevurdering i forkant av publisering. Hvis redaksjonen finner et innsendt manuskript aktuelt, sendes det videre til to til fire etablerte forskere innen feltet for fagfellevurdering («peer review»), normalt i anonymisert utgave. Fagfellene vurderer artikkelen uavhengig av hverandre og sender en skriftlig redegjørelse for sine vurderinger til redaktøren. Det er så opp til redaktøren å avgjøre manuskriptets videre skjebne: publisering, omarbeiding eller avvisning. Fagfellevurdering av vitenskapelige arbeider skal være basert på viten skapelige kriterier. Et grunnleggende kriterium er at konklusjoner skal støttes av empiriske data eller datamodelleringer som bygger på etablerte resultater. Mange har pekt på at forskere også vurderer om hypoteser inneholder selvmotsigelser, og om de strider mot etablert teori. På detaljplan vil kravet om støtte i data også innebære at metoder og instrumenter er pålitelige. Det at en artikkel er blitt publisert, innebærer ikke at artikkelens konklu sjoner regnes som endelig avklarte. Aksept for publisering bør heller tolkes som at redaktør og fagfeller vurderer en artikkel som interessant og god nok til at den bør inngå i en pågående diskusjon på fagfeltet. Da kan leserne vurdere innholdet i artikkelen videre og sammenlikne den med andre studier. Kanskje vil

74 kapittel 4 noen av disse studiene fremme alternative hypoteser og konklusjoner som blir vurdert til å forklare data bedre eller gi en mer klargjørende framstilling av data. Publiserte enkeltstudier på et fagfelt sammenfattes noen ganger i såkalte reviewstudier (også kalt metastudier), som sammenlikner og diskuterer ulike studier opp mot hverandre. Her vil noen studier kunne bli bevisst oversett hvis de blir regnet som svake eller irrelevante. Andre kan bli vurdert til å ha blitt bekreftet av videre forskning. Forfatteren av reviewstudien kan kanskje konkludere med at en eller to hypoteser peker seg klart ut. Kanskje bør vurderinger i reviewstudier regnes som mer objektive og pålitelige enn de som finnes i enkeltstudier. De vitenskapelige rapportene fra FNs klimapanel IPCC inneholder reviewstudier. Så lenge forskere har alvorlige innvendinger mot en hypotese, vil forskning og diskusjon gjerne fortsette. Hvis et forskningsfellesskap ikke lenger mener det er rimelig rom for tvil, vil mange begynne å regne kunnskapsstatus på feltet som avklart. Dette innebærer at det er oppnådd stor grad av enighet, eller konsensus, på feltet. Det kan da bli vanskeligere å få publisert nye studier av fenomenet hvis disse bare bekrefter det en nå vet, eller mener å vite.

Uenighet kan fremme viktig kritikk Så lenge et fenomen er under utforskning, vil det kunne foreligge konkur rerende hypoteser og sprikende resultater. Dette kan oppleves som frustrerende for folk utenfor en fagdisiplin som ønsker å anvende forskningen. Men innad i en forskningsdisiplin er det viktig med uenighet og diskusjon. Et eksempel på verdien av uenighet er fysikeren Ernst Ehrenhaft sin lesing av Robert Millikan sine artikler om eksperimenter rundt 1910 for å finne ut om det fantes en elektrisk minsteladning, en problemstilling de begge jobbet med (Holton, 1978). De brukte liknende metoder, men hadde ulike hypoteser. I en av Ehrenhaft sine artikler påpekte han at Millikan i sin forrige artikkel hadde brukt gjennomsnittsverdier av målinger ved beregning av verdier for enkeltsituasjoner (Holton, 1978). Andre forskere var også kritiske og mente at temperaturvariasjoner under kjøring av eksperimentet kunne ha gitt unøyaktige målinger. Millikan justerte da beregningsmåten og utviklet sin metode videre. Etter noen års diskusjon, eksperimentering og publisering vurderte fagmiljøet Millikans resultater som så gode at elektronets ladning nå ble regnet som oppdaget. I 1924 fikk Millikan nobelprisen i fysikk delvis for dette arbeidet. Nettopp det at Ehrenhaft og Millikan forfektet ulike hypoteser, kan ha gjort at de leste hverandres artikler ekstra grundig og kritisk. I forskning er uenighet normalt en styrke og bidrar til å drive

forskersamfunnet – et kunnskapsutviklende fellesskap … 75

forskningen framover og øke forskningens kvalitet. Resulterende konsensus om en vitenskapelig forklaringsmodell er et sterkt signal om pålitelighet nettopp fordi modellen har vært igjennom prosesser med fagfellevurdering og konkurrerende studier og hypoteser, og har vist seg å stå seg mot testing og kritikk.

Uenighet fremmer objektivitet Fysikeren og vitenskapsteoretikeren John Ziman (2000) hevder at praksisene med publisering og kritisk vurdering gjør at subjektive vurderinger som kan påvirke forskning på uheldige måter, kan bli oppdaget. Som enkeltmennesker kan forskere søke anerkjennelse, ære, penger, posisjoner og annet, og dette kan tenkes å påvirke deres profesjonelle vurderinger. Men andres studier er det gjerne lettere å være kritisk til, ikke minst gjelder det studier til forskere med konkurrerende hypoteser. I eksempelet med Millikan og Ehrenhaft hadde Millikan en hypotese han trodde sterkt på. Fra hans notatbøker vet vi også at han forkastet en rekke målinger som ga beregnede elektronladninger som avvek fra det han forventet (Holton, 1978). Det kan ikke utelukkes at Millikan, bevisst eller ubevisst, var påvirket av sitt ønske om at hans hypotese skulle bli støttet av data. I møte med kritikk på konferanser og i Ehrenhafts artikler måtte Millikan gjøre endringer og forbedringer. Sluttresultatet regner vi i dag som objektivt riktig. Objektiviteten og påliteligheten til vitenskapelig kunnskap forutsetter altså ikke at alle forskere er mer sannhetssøkende, objektive eller uegennyttige enn andre mennesker. Det er det vitenskapelige fellesskapet som nærmest «filtrerer» ut upålitelige og subjektive resultater. Forskningsfusk innebærer at personlige interesser er blitt satt høyere enn verdien av ærlighet og utvikling av pålitelig kunnskap. Et kjent eksempel på forskningsfusk fra den senere tid er forskeren Jan Henrik Schön (Agin, 2006) som arbeidet innen faststoffysikk og nanoteknologi. Sammen med sine kolleger hadde han en stor vitenskapelig produksjon og mange artikler i de prestisjetunge tidsskriftene Science og Nature. Han fikk publisert resultater som innebar vitenskapelige gjennombrudd og mottok flere priser for sin forskning i 2000 og 2001. Så oppdaget fysikeren Lydia Sohn at oppgitt registrering av elektrisk signalstøy var identisk i to eksperimenter. Det ble så oppdaget at et tredje eksperiment også hadde samme oppgitte signalstøy, og flere fysikere fant andre eksempler på repetert bruk av data i Schöns arbeider. I mai 2002 ble en granskingskomite nedsatt, og denne fant et stort antall tilfeller av juks. Flere grupper av fysikere har prøvd å reprodusere Schöns resultater, men uten hell. Dette stilte medforfatterne i et lite flatterende lys, og viste samtidig at fagfellevurdering ikke er et

76 kapittel 4 vanntett system for kvalitetsvurdering. Schön ble snart fratatt sin doktorgrad, og forskningsrådet i hans hjemland annonserte sanksjoner mot ham. Det gis ingen garanti for at fusk alltid blir oppdaget. Dette viser viktigheten av ikke å basere konklusjoner bare på noen få studier. Når en leser en forsk ningsrapport, er det vanskelig å oppdage om forskere har manipulert rådata. Men hvis nye studier får motstridende resultater, vil forskerfeltet gjerne fortsette utforskningen til enighet kan bli etablert – særlig hvis det er snakk om viktige spørsmål. En kritisk grunnholdning, den korrigerende effekten av uenighet, og det at studier gjentas for å undersøke om resultatene stemmer overens, gjør at naturvitenskapen til en viss grad er selvkorrigerende over tid.

To typer naturvitenskapelig kunnskap Kunnskapssosiologen Stephen Cole (1992) skiller mellom to typer naturviten skapelig kunnskap: Vitenskapens kjernekunnskap består av teorier, fakta, teknikker og metoder som er omfattet med stor grad av konsensus i det relevante fagmiljøet, og kalles av og til bare for lærebokkunnskap. Denne kunnskapen regnes gjerne som objektiv og gyldig, men historien har vist oss at også etablerte teorier kan bli endret. Forskningsfrontkunnskap består av alle de spørsmål, hypoteser, metoder, resultater og forklaringsmodeller som forskere på et tidspunkt arbeider med. Gyldigheten av denne kunnskapen vil i større eller mindre grad være uavklart og i fokus for diskusjoner innen det aktuelle fagfeltet. Ziman sier det på følgende måte: At the «frontiers», where scientific knowledge is being laboriously acquired, Physics is as crude and uncertain as any other discipline, but it has the power to subdue, chain down, discipline and civilize new theories, once they are reasonably established, so that they become as «absolute», within a few years, as the most venerable principles of Newton or Faraday or Maxwell. Ziman, 1968, s. 42

Cole (1992) har undersøkt «skjebnen» til 1187 artikler publisert i 1963 i Physical Review, et av de mest prestisjefylte tidsskriftene i fysikk. Han fant at tre år etter publisering hadde halvparten av disse bare oppnådd å bli sitert av andre forskere en eller to ganger. Bare 15 prosent hadde oppnådd seks eller flere siteringer. Han konkluderer med at bare en brøkdel av hypoteser og resultater fra forskningsfronten oppnår status som gyldig kjernekunnskap. Særlig i møte med oppslag i media om nye forskningsresultater og mulige konsekvenser av disse er Cole sin påstand om to typer vitenskapelig kunnskap, kjernekunnskap og forskningsfrontkunnskap til ettertanke og viktig å ta opp til diskusjon i undervisningen.

forskersamfunnet – et kunnskapsutviklende fellesskap … 77

Paradigmer som felles forståelsesrammer Praksisene med publisering og fagfellevurdering innebærer at naturvitenskapen har en kollektiv side. Vitenskapshistorikeren Thomas Kuhn (1962) har påvirket mange til å tenke mer radikalt om denne kollektive dimensjonen ved forsk ning. På bakgrunn av historiske studier av vitenskap hevder han at forskning skjer innenfor tenkemåter som et forskerfellesskap vurderer som eksemplariske. Disse tenkemåtene kaller han paradigmer. Et eksempel fra fysikkens historie er Newtons mekanikk. Newtons begreper og metoder for forskning og problemløsing preget fysikken i mange hundre år, og ble brukt til å utforske og forklare stadig nye fenomen. Kuhn (1962) hevder at ulike paradigmer ikke er sammenliknbare på rasjonelt grunnlag siden de innebærer bruk av ulike grunnbegreper og tenkemåter, og at et paradigme normalt ikke forlates før et nytt foreligger. Fra historien vet vi at fysikere kunne leve med flere uavklarte problemer knyttet til anvendelser av Newtons mekanikk, f.eks. Merkur sin bane rundt sola, uten at teorien ble antatt å være feil av den grunn. Det var først da generell relativitets teori forelå som et alternativ, at en konkluderte med at Newtons mekanikk var utilstrekkelig.

Normer for vitenskapelig praksis Kunnskapssosiologen Robert K. Merton (1968) publiserte i 1942 en artikkel der han framsatte et sett med normer som han mener fremmer kvalitet og objektivitet i naturvitenskap, og dermed er med på å forklare dens historiske suksess. Merton presenterte akronymet CUDOS (Communalism, Universalism, Disinterestedness, Originality, Scepticism) som samlebetegnelse for normene han formulerte. På latin betyr cudos anerkjennelse, som mange mener er en grunnleggende drivkraft for mange forskere. Mertons første norm, universalitet (universalism), innebærer at alle ideer skal vurderes uavhengig av forskerens personlige kjennetegn, slik som etnisitet, kjønn, politisk ståsted osv. Denne kjenner vi igjen i kravet til saklighet i vurderinger av kollegers arbeider. Den andre normen, felleseie (communalism), innebærer at alle ideer skal deles med kolleger, og at naturvitenskapelig kunnskap er felles, åpen og tilgjengelig og i prinsippet er utviklet i fellesskap. Denne normen kjenner vi igjen i krav til publisering og åpenhet, og referering til andres arbeid som en bygger på. Den tredje normen er upartiskhet (disinterestedness). Merton hevder at en naturviter, for å kunne gjøre suksess og bli anerkjent som forsker, må tilpasse seg fagfellers krevende gransking av mulig partiskhet og der-

78 kapittel 4 for forsøke å presentere sine funn uten at de er farget av egne interesser. Mertons fjerde norm, skeptisisme (scepticism), beskriver en holdning der forskere skal vente med å konkludere i en sak til alle hypoteser og resultater er entydig avklart. Tradisjonen med fagfellevurdering er et uttrykk for denne skeptisismen. Den siste normen, originalitet, la Merton til i en senere artikkel. Dette kravet ser vi ofte igjen i kriterier for aksept av doktorgradsavhandlinger og i vitenskapelige tidsskrifts kriterier for publikasjon. Merton hevder ikke at alle forskere og forskerfellesskap alltid etterlever disse verdiene. Mertons påstand er at det innen naturvitenskapene finnes visse felles normer som kommer til uttrykk i ulike institusjonaliserte praksiser som fagfelle vurdering, og som naturvitere i praksis må forholde seg til i sitt virke. Ved å følge vitenskapens normer vil den enkelte forsker kunne oppnå anerkjennelse, og får på den måten en egeninteresse i å følge normene. Normene kan for eksempel komme i aktiv bruk når det oppstår diskusjoner om verdien av etablerte praksiser eller forslag til nye. Et eksempel her er den pågående diskusjonen om verdien av den nye praksisen med open access-publisering, hvor forskningsartikler gjøres gratis tilgjengelig på internett. I Norge er det vedtatt at innen 2024 skal alle norske vitenskapelige artikler finansiert av offentlige midler være åpent tilgjengelige. Dette kan bedre tilgangen for fors kere fra institusjoner som ikke har råd til å abonnere på dyre internasjonale forskningstidsskrift, og fremmer således felleseie. Noen artikkelbaser med open access finansieres gjennom at forfatterne betaler for å få publisert, noe som kan innebære lettere tilgang for forskere med god økonomi. Dette kan hevdes å stride mot normene universalitet og felleseie. I prinsippet kan det tenkes at open access-artikkelbaser kan senke kvalitetskravene når artikler fra fors kere med god betalingsevne vurderes. Det er også dukket opp open accesstidsskrift som synes å være useriøse gjennom at de tar penger for å publisere, men uten vanlig grundighet i redaktørarbeidet og bruk av fagfeller, samtidig som de tilsynelatende har seriøse titler. Bekymring rundt useriøse tidsskrift har ført til debatt om konsekvenser for vitenskapens anseelse og til oppretting av svartelister, og hvitelister som bl.a. Directory of Open Access Journals (doaj. org/). Det har også blitt publisert artikler i Science (Bohannon, 2013) og i Nature (Sorokowski, Kulczycki, Sorokowska & Pisanski, 2017) som avslører useriøse tidsskrift. Opplæring i gjenkjenning av useriøse tidsskrift bør kanskje bli ett element i undervisningen i kildekritikk.

forskersamfunnet – et kunnskapsutviklende fellesskap … 79

4.2

Forskning og vitenskap som aktører i det moderne samfunn

I vår beskrivelse av forskningens normer og systemer for fagfellevurdering har vi skrevet som om fysikk nærmest er et område avsondret fra resten av samfunnet. Men samfunnsforhold preger forskningens fokus, og fysikkens resultater preger mange sider ved dagens samfunn. Vi vil her presentere noen kjente diskusjoner om hvordan endringer i vilkårene for forskning har medført endringer i forsk ningens praksiser og verdier, og hvordan noen av disse berører spørsmål om forskningens objektivitet.

Post-akademisk vitenskap Forskning koster penger. Forskerne skal ha sin lønn, og de trenger finan siering av laboratorier, utstyr og drift. Forskningen kan ofte ikke finansieres over universitetenes basisbudsjett alene, og forskerne søker derfor finansie ring fra industri og offentlige forskningsfond. Industri og samfunn har ofte en tro på at forskning kan bidra til å avhjelpe eller løse problemer av ulik art og dermed være kommersielt eller samfunnsøkonomisk verdifull. De er derfor ofte interessert i å støtte eller initiere forskning. Mange hevder at endringer i kostnader og finansiering har fått dyptgripende konsekvenser for naturvitenskapelig kunnskapsproduksjon. Ziman (2000) betegner den nye formen for kunnskapsproduksjon som post-akademisk naturvitenskap. Han peker på at den samfunnsmessige verdien av naturvitenskapelig kunnskap alltid har vært knyttet til løsning av praktiske menneskelige behov. Det nye er at denne nytte funksjonen er blitt institusjonalisert: Projects are typical instruments of science policy. They are handles by which governments, industrial firms, medical charities and other institutions endeavour to catch hold of science and bend it to their needs. Ziman, 2000, s. 15

Fokus på nytte og kostnader har resultert i økt ønske om styring og utbytte fra dem som finansierer forskningen. Et eksempel på dette er hvordan den amerikanske kongressen stoppet byggingen av Superconducting Super Collider under henvisning til kostnader og usikkerhet om hva en fikk igjen for pengene. I Storbritannia, og til dels også i Norge, ser vi for tiden hvordan det er et økende krav til at universitetenes institutter selv skaffer penger til egen forskning. Dette

80 kapittel 4 medfører igjen at forskere, for å få finansiert forskningen, må forholde seg tett til behov og satsingsområder formulert av industri og forskningsfond. I postakademisk vitenskap flyttes dermed mer og mer av problemformuleringen fra det individuelle til det kollektive nivå; fra den enkelte forsker eller forsk ningsgruppe til myndigheter, private stiftelser og industri. Dette betyr igjen at omdømmebygging og lobbyvirksomhet blir viktig. Som nevnt tidligere er det mange hypoteser og forskningsresultater som blir «forlatt», slik som de tidlige artiklene til Compton (se kapittel 3). I postakademisk vitenskap søker de som finansierer å forbedre denne «sløsende prosessen» for å få mer nyttige resultater for pengene. Et grep er å prøve å sikre at forskningsresultater har relevans for problemene som ønskes løst. Men det gjør samtidig at forskningen endrer karakter. I den tradisjonelle formen for kunnskapsproduksjon ved universitetene, kalt akademisk vitenskap av Ziman, er fagdisiplinens uløste problemer i fokus. For å kunne bidra med noe originalt må forskeren bruke år på å sette seg inn i det som er kjent, og det som finnes av hypoteser, for så å finne et delproblem innen fagdisiplinen. Kravet til nytte og anvendbarhet i post-akademisk vitenskap gjør at forskningens fokus mer blir på praktiske og tekniske problemer. Da praksisfeltet oftest er komplekst, blir forskningen samtidig mer tverrfaglig. Samtidig nærmer forskningen seg teknologien. Mens grunnforskningens mål tradisjonelt har vært å produsere generell og allmenngyldig kunnskap, har teknologien strebet etter praktiske løsninger på problemer. Grensene mellom naturvitenskap og teknologi utviskes til en viss grad i den post-akademiske vitenskapen (Ziman, 1996). I akademisk vitenskap er organisert skepsis, blant annet i form av fagfellevurdering, eneste kvalitetssikring og beskyttelse mot videreføring av feil utenfor laboratoriet. I post-akademisk vitenskap, som i industribasert forskning, blir praktisk utprøving av forskningsbaserte løsninger og mulighet for patentering et viktig grep for å sikre kvalitet. Ziman hevder at fokus på anvendelser og lokal problemløsning samtidig gjør at kravene til generaliserbarhet og teoretisk konsistens minker. Målet i post-akademisk vitenskap er ikke generelt gyldig kunnskap, men å utvikle modeller og kunnskap som fungerer i bestemte anvendelseskontekster: It will welcome conceptual diversity and not be fearful of possible inconsistencies. If an untidy mixture of theory and practice, computer simulations and numerical data turns out to be the best available solution to a particular problem – so what? Ziman, 1996, s. 753

forskersamfunnet – et kunnskapsutviklende fellesskap … 81

Dette betyr ikke at forskere vil slutte å lage modeller og hypoteser og å teste disse. Men samarbeid med næringsliv får konsekvenser for etablerte praksiser. Det som forskere før ville publisert umiddelbart, vil i forbindelse med oppdragsforskning kunne bli definert som «intellektuell eiendom» som kan kreves hemmeligholdt for en kortere eller lengre periode av kommersielle årsaker. Krav om hemmeligholdelse eller utsatt publisering av resultater kan vurderes som et brudd med normen om felleseie og innebære dårligere betingelser for uavhengig kritikk. Ziman (1996) hevder at selv om objektivitet fortsatt vil være et ideal i forskningen, så vil det kunne bli færre og færre situasjoner hvor objektivitet er det høyeste og styrende ideal.

Objektivitet og forskningens frihet Fra gammelt av er vi vant med at den enkelte forsker har sin akademiske frihet. Akademisk frihet innebærer at forskerne selv bestemmer hva de vil forske på, og at resultatene av arbeidet er deres egen intellektuelle eiendom. Denne friheten gir frihet fra kommersielle, politiske og andre interesser. En vanlig tenkning i vestlige demokratiske politiske system har vært at forskere begrenser seg til å produsere objektiv kunnskap om naturen (hva som er eller finnes), mens det politiske system skal stå for verdiavveiinger basert på de praktiske muligheter som forskernes objektive kunnskap gir (hva som bør gjøres). Forskerne skal for eksempel utforske og informere om mulige teknologier for energiproduksjon og tilhørende sikkerhetsaspekt, mens politikerne, basert på demokratiske prosesser, skal bestemme hvilke teknologier som bør realiseres eller forskes videre på. Denne arbeidsdelingen inngår i det som ofte betegnes som en samfunnskont rakt mellom forskning og det omliggende samfunn og ble utviklet i etterkant av 2. verdenskrig (Guston, 2000; Nydal, 2006). Denne «kontrakten» innebærer at naturvitenskapen tilbyr samfunnet objektiv kunnskap og tekniske muligheter, mens samfunnet på sin side finansierer forskningen og gir den rett til selv bestemmelse og frihet fra innblanding i forskningen. Denne kontrakten hadde som mål å gi rom for optimal utnytting av potensialet som ligger i forskning. Gusten (2000) peker på at kontrakten bygger på ideen om et tydelig skille mellom naturvitenskap og samfunn. Dette innebærer en tro på at naturvitenskapen fungerer best når den overlates til seg selv og forskere gis frihet til å forfølge fagets uløste problemer og selv opprettholder mekanismer for å sikre objektivitet og kvalitet. Flere forskere har pekt på at praksis ikke helt følger intensjonen i den gamle kontrakten lenger, og kanskje heller ikke lenger kan gjøre det (Nydal, 2006).

82 kapittel 4 Dels øker kravet fra oppdragsgivere og lekfolk om å få være med å bestemme hva som skal forskes på. Dels diskuterer mange om verdiaspekt knyttet til anvendelse av forskningsresultater alltid kan skilles fullstendig fra selve forskningen.

Verdiaspekt ved valg av forskningsproblem Kan finansieringsmekanismer gi forskning som fremmer én parts interesser? I moderne samfunn blir påstander som bygger på forskning, vanligvis tillagt større vekt enn udokumenterte påstander. Kunnskap legger føringer, og den som kan finansiere forskning, er med på å avgjøre hvilke argumenter som skal få best kunnskapsbase. Dermed er ikke valg av forskningsområder alltid verdimessig nøytralt. Hvis forskning gir mye ny kunnskap om hvordan man kan utvinne olje fra skifer, og mindre om fornybare energikilder, så legger det føringer på hvilke løsninger på energi- og miljøutfordringer et samfunn kan velge. Med store offentlige bevilgninger til forskning kan det offentlige støtte forskning og kunnskapsutvikling som er nødvendig for å realisere andre valg. Vitenskapelig kunnskap som er objektiv i den forstand at det er enighet om at den stemmer med reproduserbare målinger og observasjoner, trenger derfor ikke fungere nøytralt politisk sett. Forskning i tiårene etter 2. verdenskrig tydet på at røyking og bly i bensin er helseskadelig, og dette kunne tenkes å få politiske og økonomiske konsekvenser. Industrien initierte her forskning designet for å tilbakevise negative helseeffekter. Samtidig forsøkte industrien å forhindre publisering av forskning som viste helsefare ved røyking (Oreskes & Conway, 2010). Slik greide industrien lenge å så tvil om årsaken til påviste helseskader. I noen saker er det ikke nøytralitet i politisk betydning som skaper diskusjon, men at noen vurderer den vitenskapelige kunnskapen som uønsket fordi den strider mot våre grunnleggende verdier. Innen fysikk ble utviklingen av atombomben en vekker som viste oss at ikke all kunnskap nødvendigvis er ønskelig. I dag har vi viktige diskusjoner knyttet til nanoteknologi og nye materialer der det er usikkerhet knyttet til hva som kan skje hvis eventuelt skadelige nanopartikler trenger inn i cellene våre eller i dyr og planter. Kanskje vil også nanoteknologi kunne kombineres med genteknologi til teknologi som kan «forbedre» menneskekroppen? Selv om slik ny kunnskap kan være objektiv i betydningen faglig korrekt, så betyr ikke det at den er objektiv i betydningen verdifri. Noen vil hevde at vi «ikke skal tukle med naturen» eller med skaperverket, andre vil peke på føre-var-prinsippet. Slike diskusjoner berører dermed spørsmål om forskningens frihet i møte med verdimessige konsekvenser av eventuelle forskningsresultater.

forskersamfunnet – et kunnskapsutviklende fellesskap … 83

Verdiaspekt ved anvendelse av forskningsresultater Naturvitenskapelig kunnskap blir i dag etterspurt når næringsliv og samfunn ønsker kunnskapsbasert problemløsning eller legitimering av beslutninger. Men i mange samfunnsaktuelle problemstillinger forekommer det viktige spørsmål som forskningen ikke har avklart. Aktuelle eksempler er helseeffekten av små doser ioniserende stråling og miljømessige effekter av ulike typer nanopartik ler. Her foreligger ikke relevante naturvitenskapelige forskningsresultater som kjernekunnskap, og i slike spørsmål vil mange bygge argumenter på resultater fra forskningsfronten selv om disse har uavklart pålitelighet. En viktig årsak er at det i samfunnsaktuelle problemstillinger ofte foreligger handlingstvang: Det å utsette en beslutning eller en handling er også en avgjørelse, og ofte kan en ikke bare utsette problemet til forskerne har forsket, vurdert, kritisert og etablert konsensus om en forklaringsmodell og teknologiske muligheter. Da virker det rasjonelt å bygge på det en har av kunnskap, selv om det innebærer at en må bygge på uavklarte påstander fra forskningsfronten. Når forskningsresultater ikke omfattes av konsensus, kan det bunne i at bruk av vitenskapelige kriterier så langt ikke har vært tilstrekkelig til å avgjøre saken entydig. Men hvilke kriterier skal en da bruke når en skal velge hvilken hypotese en skal bygge på i en anvendelsessituasjon? Når forskere vurderer en sak ulikt, bør politikere og vi lekfolk da vurdere forskeres kompetanse, mulige personlige og institusjonelle interesser i forskningsmiljøet, skal vi bygge på det synspunkt som støttes av flest forskere (jf. FNs klimapanel), eller skal vi selv prøve å vurdere hvilke hypoteser som er best støttet av data? Funtowicz og Ravetz (2008) bruker betegnelsen post-normal vitenskap om forskning som er knyttet til presserende problemer og komplekse systemer, og som har store usikkerheter kombinert med høy relevans for politiske beslutninger. Effekter på helse og naturmiljø av ulike typer stråling og kjemiske stoffer og tekniske framtidsmuligheter med potensielt store økonomiske konsekvenser er typiske problemområder. For å produsere kunnskapspåstander innen en rimelig tid må forskerne gjerne forenkle problemene og gjøre usikre antakelser. I en slik prosess må forskerne også vurdere om den tilgjengelige, eller oppnåbare, vitenskapelige informasjonen er av høy nok kvalitet (jf. usikkerheter pga. systemets kompleksitet) til å kunne bli inkludert i den politiske beslutningsprosessen i det hele tatt. Fors kerne må foreta forenklinger for å gjøre problemet praktisk håndterbart. Slike forenklinger kan ha konsekvenser for kvaliteten på forskningsresultater og dermed for styrken til ulike gruppers argumenter i saken. Forskerne må også vurdere hvor store sikkerhetsmarginer en bør velge, gitt krav til tidsbruk og tilgjengelige ressurser.

84 kapittel 4 Denne typen vurderinger kan ikke besvares alene gjennom bruk av vitenskapelige normer; man må i tillegg ta hensyn til etiske eller politiske vurderinger. Funtowicz og Ravetz (2008) og andre (Kønig, Børsen & Emmeche, 2017) hevder at en konsekvens av verdidimensjonen ved post-normal vitenskap er at den tradisjonelle fagfellevurderingen, som jo skal fremme kvalitet og objektivitet i vitenskap, bør utvides slik at også berørte aktører og lekfolk deltar i vurderinger knyttet til forskningens relevans, antakelser, metoder og hvor en skal stille krav til sikkerhetsmarginer. Slik inkludering hevder de at allerede skjer i en del tilfeller. Forslaget har medført mye debatt. I flere land har slik dialog vært forsøkt i form av lekfolkskonferanser, der lekfolk (ikke-eksperter) har lyttet til forskere før de har diskutert og formulert synspunkter om videre forskning og teknologiutvikling innen for eksempel nanoteknologi og håndtering av radioaktivt avfall (se www.teknologiradet.no). Slik praksis kan vurderes som en demokratisering av naturvitenskapen og en ny måte å organisere forholdet mellom naturvitenskapen og det omliggende samfunn på, men også som en trussel mot forskningens frihet. Et sentralt poeng i diskusjoner om post-normal vitenskap er hvordan fors king må utføres for å øke lekfolks tillit til råd fra forskere. Viktigheten av dette understrekes av den økende tendensen til at politiske aktører bruker henvisning til vitenskapelig usikkerhet og mangel på bevis som argument mot tiltak mot f.eks. miljøproblemer (Oreskes & Conway, 2010). Kønig, Børsen & Emmeche (2017) oppsummerer de siste tiårs debatt om dette med at forskningen bør være preget av normene transparens, robusthet, usikkerhetsstyring, bærekraft og toleranse av åpen dialog med lekfolk. På engelsk kan disse fem normene uttrykkes med akronymet TRUST (Transparency, Robustness, Uncertainty management, Sustainability, and Tolerance). I et samfunn hvor også påstander uten forskningsbelegg florerer, hevder de at forskning som følger disse normene, lettere oppnår et vesentlig mål: vår tillit.

Et komplekst bilde Som lærere må vi vurdere hvordan dilemmaer knyttet til oppdragsforskning og samspill mellom forskning og samfunn kan tydeliggjøres i fysikkundervisningen. Et viktig aspekt her er at et fungerende demokrati forutsetter innsikt i sammenhenger i samfunnet. Innsikt i hvordan objektivitet og kvalitet kan fremmes og hemmes, kan gi elevene muligheter til å vurdere og kritisere forskning på saklig grunnlag. Samtidig vil innsikt i forskersamfunnets tradisjonelle kollektive praksiser med fagfellevurdering, publisering og kritisk diskusjon vise elever hvordan vitenskapen verdsetter og etterstreber kritisk tenkning og objektivitet.

forskersamfunnet – et kunnskapsutviklende fellesskap og en aktør i samfunnet 85

Diskusjonsspørsmål til del 1 1. Undersøk gjeldende læreplan i fysikk i videregående skole. Hvilke kompetansemål i planen mener du er vesentlige for fysikk som allmenndannelse? Er det noen kompetansemål som bare fungerer som studieforberedende? 2. I innledningen til boka Naturens kode skriver Gaute Einevoll og Eirik Newt (2005): Når fremtidens historikere ser tilbake, vil trolig 1900-tallets avdekking av de grunnleggende naturlovene framstå blant de fremste kulturelle hendelser i vår tid. Hvis vi skal være litt høytidelige, kan vi si at vi nå kjenner naturens kode, dvs. de basale prinsippene som naturen følger. […] Uansett hva en kommer frem til [på felter hvor dagens forståelse er ufullstendig], vil likevel etter alt å dømme dagens naturlover, som beskriver atomer, molekyler, gasser, væsker, faste stoffer, planter, dyr, mennesker og alt som ellers omgir oss på jorden, bli stående uforandret. Diskuter dette synet. Kan du komme på eksempler fra fysikken som taler hhv. for og imot et slikt syn? 3. Kan man si at vitenskapens prosesser for kvalitetssikring og «selvsensur» (bl.a. fagfelle vurdering og publiseringsprosedyrer) er en tilstrekkelig «forsikring» mot forskningsfusk? Er naturvitenskapene selvkorrigerende slik at forskningsfusk og økonomiske interesser knyttet til forskning i praksis er uproblematisk? 4. På hvilken måte kan fysikkhistorie i fysikkundervisningen bidra til elevenes forståelse i fysikk? Hvilken betydning kan fysikkhistorie ha for elevenes holdninger til fysikk? 5. Dagens forskning styres i stor grad av bevilgninger fra offentlige og private finansieringskilder (Norges forskningsråd, EU, ...) med veldefinerte planer for hvilke områder som skal satses på og hvilken nytteverdi forskningen forventes å ha. Diskuter fordeler og ulemper med en slik modell for styring av forskningen. 6. Hvor sikre kan vi være på at vitenskapen vi har, er «korrekt»?

86â&#x20AC;&#x192; kapittel 4

Dansende nordlys over nordisk vinterlandskap. Norske fysikere, med Kristian Birkeland i spissen, har gitt viktige bidrag til forstĂĽelsen av nordlyset. Foto: Sumos / Getty Images.

forskersamfunnet – et kunnskapsutviklende fellesskap og en aktør i samfunnet 87 [start del]

DEL 2 FYSIKKFAGET I NORSK UTDANNING Som lærer i et fag er det viktig å kjenne til hva som kjennetegner faget i skolen, hvilken tradisjon det står i, og hvordan det har utviklet seg. Lærerne preger under visningen, men det gjør også elevene med sine forventninger til innholdet i faget. I denne delen innleder vi med å presentere hovedtrekk i den historiske utviklingen fysikkfaget har hatt i norsk skole, og hvordan ulike formål med faget her kommer til uttrykk. Vi tar så for oss hva nasjonale undersøkelser viser om hva som kjenne tegner fysikkelevene i videregående skole, og hvorfor de har valgt faget. Til slutt presenterer vi resultater av undersøkelser som avdekker hva som faktisk foregår i fysikkundervisningen i norske klasserom.

fysikkfagets utvikling i norsk skole 89

Kapittel 5

Fysikkfagets utvikling i norsk skole Medforfatter i dette kapitlet: Rolf V. Olsen Et skolefags innhold og struktur er ikke gitt en gang for alle, men er gjenstand for stadige endringer, nye tolkninger og forhandlinger. I dette kapitlet starter vi med å presentere hva vi forstår med en læreplan, og hvordan vi kan snakke om ulike nivåer av en læreplan. For å forstå bakgrunnen for at faget har den formen det har, er det viktig å kjenne fagets historie. Vi presenterer derfor en historisk oversikt over læreplaner i fysikk på videregående skoles nivå fra 1885 til i dag, hvilke endringer faget har gjennomgått, og hvilke politiske og ideologiske forhold som har hatt innvirkning på denne utviklingen.

5.1

Fra læreplan til klasserommet

Ulike oppfatninger om hvilken funksjon et skolefag skal ha, og hva som dermed skal være fagets innhold, kommer klart til uttrykk hver gang læreplaner i skolen skal revideres. Med «læreplan» forstår vi her det dokumentet som styrer skolens virksomhet og dermed lærerens arbeid med elevene. Men begrepet «læreplan» har også en langt videre betydning, spesielt når det oversettes fra det engelskspråklige begrepet «curriculum», hvor betydningen gjelder alt fra politiske intensjoner om elevers læring til hva som foregår i klasserommet, og hva elevene rent faktisk sitter igjen med etter opplæringen. John Goodlad (1979) har introdusert begrepet læreplannivåer (engelsk: curriculum levels) for å betrakte dette. Disse nivåene er formulert som følger (se Imsen, 2016): Den ideologiske læreplan: Dette representerer intensjoner for opplæringen på et ideologisk og politisk nivå. Som vi har sett foran, kan man for eksempel for fysikkfaget ha ulike oppfatninger om hva som er hensikten med faget, og dermed hva det skal inneholde for elevene. Mange interessegrupper vil ha opp-

90 kapittel 5 fatninger om dette; fagmiljøene ved universitetene vil ha sin oppfatning om hva de vil elevene skal lære før de kommer som fysikkstudenter, mens fysikklærere, næringslivet, politiske partier, miljøvernorganisasjoner og andre interessegrupper kan ha helt andre oppfatninger. Den formelle læreplanen: Dette er læreplanen i den form den blir vedtatt av myndighetene. Den vil ofte være et kompromiss mellom de ulike interessene som har sine ulike varianter av den ideologiske læreplanen. Dette kompromisset har blitt til gjennom en lang prosess med høringsrunder og revisjoner før den endelige læreplanen er klar. Den endelige, formelle læreplanen i form av læreplandokumentet, er både et uttrykk for ulike intensjoner for skolens virksomhet og et direktiv som skoler og lærere er forpliktet til å følge. Den oppfattede læreplanen: Lærere, skoleledere og lærebokforfattere gjør sine tolkninger av hva den formelle læreplanen «egentlig» uttrykker, i lys av sin egen kompetanse, sine erfaringer og sin egen oppfatning av hva som bør være fagets innhold. Undervisningsplaner, eksamensoppgaver, lærebøker og andre læremidler er derfor et uttrykk for en oppfattet læreplan. Den gjennomførte læreplanen: Hva læreren faktisk gjennomfører av undervisning i klasserommet samsvarer ikke alltid fullt og helt med hvordan læreren har oppfattet læreplanen, og hva han/hun gjerne vil få til. Årsaker til dette kan være begrensninger i tilgang på utstyr og lærerkrefter, samarbeidsforhold i kollegiet eller elevenes motivasjon og innstilling til undervisningsmetoder. Den erfarte læreplanen: Hva elevene mener faget og undervisningen dreier seg om, samt deres læringsutbytte, inngår i den erfarte læreplanen. I kapittel 7 skal vi se at elevenes oppfatning av hva som er viktig i fysikkfaget, og hva som faktisk foregår, avviker noe fra lærerens oppfatning om det samme. Hva elevene faktisk lærer, omtales av og til som et ytterligere nivå: den oppnådde læreplanen. For hver overgang mellom læreplannivåer gjør aktørene tolkninger. Den virkeligheten elevene erfarer, kan derfor være ganske forskjellig fra de ulike intensjonene som har vært gjeldende på høyere nivå. Videre er læreplanendringer en langsom prosess hvor konserverende krefter ofte er i spill ved at forslag til radikale endringer i den formelle læreplanen for fysikk kan møte reaksjoner både fra fysikkfaglige miljøer og fra fysikklærere. Hvordan lærebokforfattere og lærere tolker den formelle læreplanen, påvirker hva som vektlegges i undervisningen. Disse tolkningene vil i stor grad være preget av de tradisjonene faget bærer med seg, og det er derfor viktig å ha et bevisst forhold til hva disse tradisjonene består i. I det følgende ser vi nærmere på hvilke tradisjoner fysikkfaget i norsk skole bygger på, og hvordan faget har utviklet seg.

fysikkfagets utvikling i norsk skole 91

5.2

Læreplaner i fysikk 1885–1975: Fysikk som «verkstedsfag»

Læreplaner 1885–1934 Den eldste læreplanen vi kjenner til, er «Undervisningsplan for Middelskolerne og Gymnasierne vedtaget den 1ste Marts 1885». Denne var svært knapp i formen. Fysikken inngikk her som en del av faget Naturvidenskaber på realgymnaset. Dette faget inkluderte også kjemi («Kemi og Mineralogi») og biologi («Naturhistorie»). For fysikk er lærestoffet angitt slik: Det kræves en Oversigt over Fysiken og et nærmere Kjendskap til Mekanik og Varmelære. Imidlertid bør den hele Fysik læses i sin Sammenhæng, og helst i følg ende Orden: Mekanik, Akustik, hvorunder det nødvendigste af Bølgebevægelse, Optik, Varmelære, Magnetisme og Elektricitet.

Hva elevene mer spesifikt skal lære innenfor dette, er ikke angitt i planen fra 1885. Et bedre innblikk i fagets innhold og nivå får vi gjennom den tilhørende «Fortegnelse over fysikalske Apparater, som ansees nødvendig for Middelskolen og Realgymnaset». Der angis det for eksempel at man innen varmelære behøver følgende apparater: 1. 2. 3. 4.

Simpelt Apparat til at bestemme Luftens Udvidelse ved Opvarmning En Leslis Blikterning til Forsøg med straalende Varme En Thermosøile bør om mulig anskaffes En Flaske med undersvovlsyrligt Natron til Paavisning af, at en Vædske kan afkjøles under Frysepunktet 5. En Kryofor 6. En Vandhammer 7. Maaske et Kompressionsapparat til Paavisning af en Gasarts Kondensation ved Tryk. Faaes hos Støhrer & Sohn i Leipzig for 24 Mark

Listene over apparater ga retning for hvilke forsøk som skal gjøres i undervisningen, og markerer på denne måten at fysikk skulle være et praktisk og eksperimentelt fag. Kravene til eksperimentell utrustning for undervisning i fysikk må også sies å være relativt høye, spesielt med tanke på at vi befinner oss i en tid hvor landets økonomi og tilfanget av teknisk utstyr i samfunnet for øvrig var et helt annet enn i dag. Fysikk som eget fag på gymnasnivå finner vi første gang i «Undervisningsplan for Gymnasiet» fra 1899. I denne planen er emnelista blitt atskillig mer vidtfavnende og spesifikk. For eksempel sier planen for mekanikk:

92 kapittel 5 Under den fremadskridende bevægelse gjennomgaaes, efter en kort indledning om træghed, kraft, hastighed og acceleration, tyngdekraften som eksempel paa en i retning og størrelse konstant kraft samt den bevægelse, der kommer i stand, naar en saadan virker paa legeme; man gaar nærmere ind paa accelerationen og indfører begrepet masse.

I spesifiseringen av innhold og nivå er det interessant å merke seg denne formuleringen om i hvor stor grad fysikken skal presenteres matematisk: De i form af matematiske formler udtrykte love maa anskues fra de forskjelligste sider, idet deres grundigere forstaaelse og tilegnelse sikres ved gjennomgaaelse af alle den slags regneeksempler, hvortil de naturligen giver anledning. Under dette arbeide maa man imidlertid vel vogte sig for at gjøre fysiken til et underbrug av matematiken; man bør undgaa enhver kunstlet anvendelse av formlerne og bør ikke indlade sig paa løsningen af mer indviklede opgaver, hvor hovedsagen snarere bliver færdighed i den matematiske behandling af de givne ligninger end en grundig indsigt i formlernes betydning og anvendelse.

Man påpeker her at vi må vokte oss vel for å gjøre fysikken til et underbruk av matematikken, men at man skal vektlegge grundig forståelse i kombinasjon med regneeksempler der det er naturlig. Denne diskusjonen om hvor framtredende matematikken skal være i fysikkfaget, er like aktuell i dag, mer enn hundre år senere. Emnelista fra 1899 var stort sett uforandret i nye planer som kom i henholdsvis 1911 og 1919. Men her ble eksperimentets viktighet framhevet i beskrivelsen av undervisningsinnholdet. I denne perioden ble også timetallet avsatt til fysikk utvidet vesentlig. Faget ble ansett som viktig i utdannelsen til de unge som skulle forme framtiden i et land som sto foran en omfattende industrialisering. På denne tiden var Norges Tekniske Høiskole nettopp opprettet (1910), etter modell fra tyske tekniske læreinstitusjoner. Ved den høytidelige åpningen av NTH formulerte kong Haakon det slik i sin tale: Efter mange års forberedelser og med store ofre har statsmaktene besluttet å gi landets ungdom adgang til en høiere utdanning på den tekniske videnskaps område. På grunnlag herav har det reist seg et nytt læresæte her i Trondheim, hvortil vi knytter de største forhåpninger om en rik framgang på teknikkens og industriens mangeartede områder. Gjengitt i Hemmer, Johnsson, Mork & Svare, 2010, s. 13

Kongens formuleringer illustrerer tidsånden godt: Norge var blitt en selvstendig nasjon, og man satset stort på å utdanne sine egne ingeniører og andre fagfolk for å gjøre landet til en moderne industrinasjon.

fysikkfagets utvikling i norsk skole 93

Læreplaner 1935–1975 En ny modernisering av skolens fysikkfag kom i 1935 gjennom «Undervisningsplan for den høgre almenskolen». Her var nye emner som røntgenstråler og fotoceller inkludert, og i enda større grad enn tidligere la denne planen vekt på å beskrive fysikkfaget som et praktisk fag. Faget ble ideologisk knyttet til «arbeidsskoleprinsippet», og satte eleven i fokus på en helt annen måte enn tidligere. Mens forsøk fra tidligere planer ofte ble gjennomført av læreren som demonstrasjonsforsøk, framhever 1935-planen, i tråd med arbeidsskoleprinsippet, at «som regel bør en øvelse være slik at den kan erstatte forsøk som ellers ville bli gjort som demonstrasjonsforsøk». I planen ble læreren oppfordret til å bryte inn i elevenes arbeid i minst mulig grad. Læreren ble oppfordret til å utvikle egne elevforsøk, og for dette formål plikter skolen å «skaffe fysikklærerne de vilkår dette krever», slik som eget arbeidsrom og nødvendig verktøy. Vi vet dessverre lite om hvordan disse ambisiøse intensjonene i undervisningsplanen fra 1935 faktisk ble fulgt opp på den enkelte skole under de vanskelige forhold som rådet på 1930-tallet og i krigsårene. Planen fra 1935 ble ikke avløst av en ny plan før i 1964. Denne planen skisserte et fysikkfag for reallinjen og i tillegg et fysikkfag av mindre omfang for naturfaglinjen. Stilen med relativt detaljerte emnelister ble videreført; innhold, form og perspektiv på faget var med denne planen også en videreføring av planen av 1935. Den oppsiktsvekkende konklusjonen er altså at hovedprinsippene i planen fra 1899 besto uendret fram til 1976! Vi skal imidlertid senere se at studier av lærebøker viser at faget likevel endret seg en del gjennom denne tidsperioden.

Fysikk som verkstedfag Vi har sett at den praktiske delen av faget er sterkt vektlagt i planene 1885–1975. Som hovedtrekk kan vi si at i hele denne tidsperioden kan fysikkfaget karakteriseres som et «verkstedfag». Fysikk var et fag med stor relevans for et samfunn i rivende industriell utvikling. Helt sentralt i planene var detaljerte lister over de anvendelses områder som de fysikkfaglige begrepene var verktøy for å forstå. I 1935-planen finner vi blant annet følgende tekniske anvendelser nevnt: Gasstermometeret, arbeid og effekt for dampmaskin med og uten ekspansjon, dampturbin, firetakts- og totaktsmotorer, dieselmotor, kuldemaskiner, dynamometer, talje, en moderne luftpumpe, fly, eksempel på vannturbin, galvaniske elementer, akkumulatorer, enfase- og trefasedynamoer og motorer, likestrømsdynamoer og motorer, transformatorer, radio-

94 kapittel 5 rørets bygning og egenskaper, radiorøret som forsterker og likeretter. Fysikkelevene måtte lære seg den detaljerte oppbygningen av slike apparater og gjengi dem med detaljerte tegninger når de skrev det som ble kalt «fysikkstil» til eksamen. Verkstedfaget fysikk innebar imidlertid ikke bare nyttige tekniske apparaFigur 5.1 Illustrasjon fra Isaachsen (1963), ter og verkstedbasert kunnskap. Det var Lærebok i fysikk for Realgymaset II, Aschehoug. også i høy grad vitenskapelig rettet, ved at en god del av det praktiske arbeidet besto i eksperimenter som i hovedsak hadde til hensikt å belyse fenomener og sammenhenger i den fysiske verden. Et eksempel på utstyr til slikt bruk er elektrisermaskinen, som går igjen i så å si samtlige lærebøker i fysikk fram til 1960-tallet, se et typisk eksempel i figur 5.1. Elektrisermaskinen ble brukt til å skaffe ansamlinger av store mengder ladning, tilsvarende en van der Graaf-generator. Den ble brukt til eksperimenter med ladning, men hadde ingen praktisk nytteverdi. Dette illustrerer perspektivet på faget som disse planene presenterer; at i fysikkfaget er sanseerfaringer og annen empiri gullstandarden for hvordan kunnskap om verden frambringes. «Verkstedfaget» fysikk var altså også et naturvitenskapelig verksted for elevene.

5.3

Læreplaner i fysikk 1976–1981: Modernisering og vitenskapeliggjøring av faget

Sputnik-sjokket og læreplanen av 1976 I 1976 gjennomgikk det norske skolesystemet på videregående nivå en omfattende reform. Det linjedelte gymnaset ble erstattet av et system som gjorde det mulig i større grad å velge fag (og velge bort fag!). Hvis vi betrakter fysikkfaget kun ut fra læreplanene, er det også med planen i 1976 faget endrer karakter vesentlig. Lærebøker og undervisningspraksis endret seg imidlertid mer gradvis. Samtidig med at faget etter hvert ble undervist for en mye større andel av ungdomskullet i en begynnende utdanningseksplosjon, ble faget langt mer vitenskapelig rettet. Der det tidligere ble formulert at elevene skulle undervises om hvordan dynamoer og transformatorer virker, ble fysikkfaget mer abstrakt

fysikkfagets utvikling i norsk skole 95

og mindre teknisk med den nye planen. Endringen i abstraksjonsnivå som vi finner i både læreplaner og lærebøker, henger sammen med utdanningsmessige endringer internasjonalt i etterkant av det som gjerne omtales som «Sputniksjokket». I 1957, under den kalde krigen, sendte Sovjetunionen opp satellitten Sputnik 1.Dette var den første kunstige satellitten i bane rundt jorda. Med dette demonstrerte Sovjetunionen en teknologisk overlegenhet som sjokkerte den vestlige verden og skapte frykt for hva dette teknologiske forspranget kunne brukes til i militær sammenheng. I skolen førte Sputnik-sjokket til omfattende reformer av realfagene i hele den vestlige verden. Fagene måtte moderniseres og vitenskapeliggjøres som et ledd i å ta igjen sovjeternes forsprang. I fysikk og matematikk skulle elevene ikke lenger bare lære om fysikken i hverdagens og industriens tekniske innretninger, de skulle lære seg abstrakt tenkning og vitenskapelighet som grunnlag for å bidra til vitenskapsbasert teknologi på høyt nivå. I tråd med dette finner vi en tydelig abstrahering av lærestoffet i lærebøkene. Dette gjelder ikke først og fremst det fysikkfaglige innholdet i seg selv, men i høy grad hvordan innholdet er vinklet. Figur 5.2 viser et eksempel på dette når det gjelder illustrasjoner av induksjon i en strømspole. Fra et detaljert eksperimentelt oppsett i Isaachsens lærebok fra 1943 finner vi en mer skjematisk figur i 1963-utgaven av samme læreverk, mens Rom, Stoff, Tid (Øgrim, Ormestad & Lunde) fra 1972 viser samme fenomen på en generalisert og abstrakt form. Her er magneten, eller spolen som danner magnetfeltet, erstattet med symboler for magnetfelt (prikker som symboliserer piler ut av papirplanet). Det er prinsippene som er viktige her, ikke hva det er som konkret gir opphav til magnetfeltet. Hva som kjennetegner illustrasjoner i fysikkbøker, og hvordan de har endret seg, er analysert i en studie av Bungum (2008). Her vises det også

a) Isaachsen, 1943 (Aschehoug)

b) Isaachsen, 1963 (Aschehoug)

c) Øgrim, Ormestad og Lunde, 1972 (Cappelen)

Figur 5.2 Fenomenet induksjon visualisert i lærebøker fra 1943, 1963 og 1972.

96 kapittel 5 hvordan bruk av pedagogiske modeller og analogier for å lette forståelsen for elevene på mange måter har erstattet de konkrete, tekniske visuelle framstillingene. Utviklingen til lærebøker er også grundig dokumentert i en hovedfagsoppgave i idéhistorie hvor Harkjerr (2002) analyserte 18 utgaver av Isaachsens lærebøker i fysikk i perioden 1903–1969. Hans analyse viser hvordan lærebøkenes utvikling gjenspeiler industrialiseringen og moderniseringen som foregikk i denne tidsperioden, blant annet ved at mekanikken, både i form av teori, anvendelser og eksperimenter, har blitt redusert til fordel for elektromagnetisme og feltteorier som framsto som mer framtidsrettet i en nasjon i sterk industriell utvikling. Harkjerr viser også at de første utgavene av Isaachsens lærebøker tidlig på 1900-tallet inneholdt historisk og filosofisk stoff som siden forsvant ut. Han påpeker at dette kan ha sammenheng med behov for legitimering av faget: På begynnelsen av 1900-tallet måtte fysikkfaget slåss for å bli akseptert som et ordentlig gymnasfag blant de humanistiske fagene som da rådde grunnen som akademiske fag. Gjennom fagets åpenbare relevans i den teknologiske utviklingen på 1900-tallet forsvant dette legitimeringsbehovet. En kan spørre seg om det er et nytt behov for legitimering av faget som ligger til grunn for at historiske, erkjennelsesmessige og samfunnsmessige sider igjen er blitt tydeliggjort i fysikkfagets læreplaner i nyere tid. Selv om utviklingen av fysikkfaget beskrevet ovenfor avspeiler industrialiseringen av Norge, var den ikke et særnorsk fenomen. Mange av endringene kom gradvis og var inspirert av reformprosjekter i USA og England, delvis utløst av Sputnik-sjokket i 1957. 1976-planen, som avspeiler den rivende utviklingen fysikk som vitenskap har hatt, presenterer relativt store endringer i fysikkfagets innhold. Blant annet kom det inn moderne emner knyttet til kjerne- og kvantefysikk. Planen åpnet dessuten for å ta inn tilvalgsstoff. Her ble det foreslått ulike moderne fysikk emner og emner med historisk-filosofisk tilknytning. Selv om det her lå en frihet for skoler og lærere til å gjøre valg med hensyn til fagets innhold, var ambisjonen med planen at den skulle bli styrende i langt større grad enn de tidligere planene. Mens det tidligere var blitt laget ulike eksamensoppgaver knyttet til ulike læreverk, skulle nå læreplanen være styrende for faget. Imidler tid viste det seg raskt at presiseringsnivået i planen ikke var godt nok. Dette førte til at ulike læreverk fortsatt behandlet en del emner svært ulikt. Det ble derfor jevnlig sendt ut skriv som presiserte ytterligere innholdet som krevdes til en felles eksamen.

fysikkfagets utvikling i norsk skole 97

5.4

Læreplaner 1982 og framover: Fysikk som allmenndannelse

Retningsendringen mot et vitenskapsfag ble videreført i den neste læreplanen i 1982, med justeringer i 1989. I forhold til tidligere planer fikk vi nå i tillegg et atskillig skarpere fokus på ytre perspektiver i faget. Fysikk ble beskrevet som fag i en samfunnsmessig kontekst, og den historisk-filosofiske dimensjon ble ytterligere nyansert. I målformuleringene for faget ble det første målet beskrevet som at elevene gjennom arbeid med faget fysikk skulle - få kjennskap til at fysikk utgjør en viktig del av kulturen vår, både fordi fysikk og teknikk representerer mye av grunnlaget for vår levestandard, og på grunn av den betydning naturvitenskapen på godt og vondt har hatt for den historiske utvikling og for filosofisk tenkning.

Dette peker i en ny retning ved at fysikk ble plassert som et kulturfag, som allmenndannende og samfunnsrelevant. Introduksjonen til læreplanen beskriver da også helt konkret at fysikkfaget retter seg mot tre grupper elever: elever som vil ha fysikk som del av sin allmennutdanning, elever som vil studere fysikk videre, og elever som trenger fysikk som grunnlag for studier innen andre fagområder. I emnelistene er det allmenndannende perspektivet tydelig ved at energi og samfunn som tema er kommet inn. Emnet omfatter energibruk i hjem og samfunn, energi og samfunnsstruktur samt etikk i tillegg til det fysikkfaglige stoffet knyttet til energiproduksjon og teknologiske prinsipper. Denne samfunnsvinklingen av faget skapte en del motstand; til og med lærebokforfattere forfektet at dette stoffet ikke hørte hjemme i et fysikkfag. Fysikkfaget ble også modernisert temamessig i denne planen ved at kvante fysikk, elementærpartikkelfysikk og astrofysikk kom inn som emner, mens tradisjonelle emner som termofysikk, optikk og statikk ble noe redusert. Faget fjernet seg derved ytterligere fra umiddelbar praktisk nytteverdi, og gikk i retning av fysikk som moderne vitenskap i et industrialisert samfunn. Videre ble det lagt vekt på at 2FY (tilsvarende Fysikk 1) skulle gi en mer kvalitativ behandling av fysikkemnene, mens 3FY (Fysikk 2) skulle legge større vekt på matematisk behandling og på den måten være mer studieforberedende. 2FY var dermed ment å ha en allmenndannende funksjon, i tråd med at det i denne tidsperioden ble regelen snarere enn unntaket at ungdom fullførte videregående utdanning.

98 kapittel 5 Reform 94, med ny plan i fysikk fra 1996/97, innførte en ny retorikk i læreplanen. Vi fikk målformuleringer som mer presist skulle angi hva elevene skulle kunne beherske i de ulike emnene etter opplæringen. Fysikkplanen vi fikk med denne reformen, medførte også andre mindre endringer, som å fjerne den fleksibiliteten og lokale variasjonen som var mulig med tilvalgsstoff i foregående plan. I tillegg forsvant tidsangivelsen av hvor mye praktisk arbeid elevene skulle dokumentere. Men vi fikk i stedet en noe skarpere definisjon av hva som er målet med det eksperimentelle arbeidet, mål som hvis de tas på alvor, tilsier minst like mye eksperimentelt arbeid i undervisningen som tidligere. Reform 94 befestet fysikkfaget som et kulturfag. Ett omfattende målområde dreide seg om historie, etikk og samfunnsspørsmål knyttet til fysikk. Dette vakte igjen sterke reaksjoner fra noen fagmiljøer i fysikk; det ble blant annet stilt spørsmål om det nå var meningen at elevene skulle kunne like mye om livet til Newton som om hans fysikk! Med Kunnskapsløftet i 2006 ble læreplanen som styringsdokument styrket. Innholdet i faget ble her presentert som spesifiserte kompetansemål, i tillegg til en forpliktende formulering av fagets overordnede mål. Kompetansemål angir mål for elevenes sluttkompetanse, mens skoler og lærere ble gitt «metodefrihet», det vil si at arbeidsmåter man bruker for å nå målene, ikke er angitt av læreplanen. Læreplanen fra 2006 hadde noen kontroversielle sider. Termofysikken, som tidligere var ansett som en viktig del av den klassiske fysikken, ble nesten fraværende. Matematikken fikk også en annen rolle i faget, ved at hovedområdet «Å beskrive naturen med matematikk» løftet fram matematikk som del av fysikkfaget på en helt annen måte enn før. Den matematiske behandlingen av fagstoffet har endret karakter fra utelukkende manuelle regneferdigheter til bruk av digital teknologi til å utvikle og analysere matematiske modeller for fysiske fenomener. Dette videreføres i Fagfornyelsen, hvor modellering og prog rammering blir vektlagt1. Hovedområdet «Den unge forskeren» representerte også en til dels ny vinkling på faget med læreplanene i 2006. Her ble fagets eksperimentelle natur vektlagt, men også vitenskapsteoretiske og historiske sider av faget. Gjennom dette skal elevene bli bevisst på hvordan fysikk som vitenskap utvikler seg, at det finnes uavklarte problemstillinger og erkjennelsesmessige problemer i fysikken, at forskere kan være uenige, og at man skal kunne vurdere forskningsresultater kritisk. Begge disse hovedområdene peker i retning

Læreplanene for Fagfornyelsen er ikke ferdigstilt når dette skrives.

fysikkfagets utvikling i norsk skole 99

av at fysikkfaget gjennom Kunnskapsløftet tok mål av seg til å bidra til å utdanne kritiske og bevisste samfunnsborgere. Samtidig ble faget i noe grad yrkesrettet gjennom hovedområdet «Fysikk og Teknologi», hvor medisinsk teknologi og elektronikk knyttet til sensorteknologi kom inn. Elektronikken fanger faktisk opp noe av den gamle tradisjonen med fysikk som verkstedfag. Både elektronikk og medisinsk teknologi har relevans for videre studier og arbeid i teknologiske fagfelt som bygger på fysikk, men de har også en klar allmenndannende funksjon ved at sensorteknologi og medisinske anvendelser av fysikk angår oss alle. Om man sammenlikner norske læreplaner i fysikk med læreplaner i andre nordiske land og Europa for øvrig, finner man mange likhetstrekk. Rammeverket for fysikk i TIMSS Advanced (Garden et al., 2006; Mullis & Martin, 2014) har da også vist seg å passe godt for de nokså ulike landene som deltok i studiene i 2008 og 2015. Med andre ord ser det ut til at det er mer likheter enn forskjeller som karakteriserer ulike lands læreplaner i fysikk. Det finnes likevel nyanseforskjeller. En studie fra 2004 (Olsen et al., 2004) viste at man i Norge vinkler fysikkfaget noe bredere enn mange andre steder, ved at læreplanene har en betydelig vekt på både samfunnsmessige og kulturelle sider av fysikkfaget og anvendelser i dagliglivet. En nyere sammenlikning av hvordan læreplaner mer spesifikt vinkler moderne fysikk, viser også at det norske fysikkfaget inkluderer filosofiske aspekter av fysikken i relativt stor grad sammenliknet med andre land (Henriksen et al., 2014). Vi har i dette kapitlet sett at fysikkfaget i skolen bygger på ulike tradisjoner og påvirkes av utviklingen i samfunnet forøvrig og av didaktiske strømninger. Som fysikklærer i dagens skole er man bærer av disse tradisjonene, men man har også mulighet til å påvirke utviklingen gjennom å delta i debatter i fagmiljøet og gjennom mer direkte bidrag til komiteer for fornyelse av læreplaner og ved utvikling av undervisningsmateriell.

100 kapittel 6

Kapittel 6

Hvem er fysikkelevene? Medforfatter i dette kapitlet: Maria Vetleseter Bøe Hva vet vi om de elevene som velger fysikk i videregående skole? Hvem er de, hvilke interesser og prioriteringer har de lagt til grunn for sitt valg, og hvilke mål har de for videre utdanning? Vi starter med å se på hvordan elevtall og kjønnsfordeling har utviklet seg for fysikkfaget. Deretter ser vi på hvordan fysikkfaget vurderes av elever i en utdanningsvalgsituasjon. I delkapittel 6.4 ser vi spesielt på kvinners og jenters underrepresentasjon i fysikken, og til slutt diskuterer vi hvordan skolen kan bidra til å motivere elever til å velge fysikk i videregående skole og høyere utdanning.

6.1

Elevtall og kjønnsfordeling i fysikkutdanning

Det er et mål at en betydelig andel av elevene har med seg fysikkompetanse når de går ut av videregående skole. Som nevnt i innledningen til boka har fysikkfaget både en allmenndannende og en studieforberedende rolle, og Fysikk 1 er opptakskrav ved en rekke høyere utdanninger. I framtidens kunnskapsbaserte samfunn vil kompetanse i naturvitenskap og teknologi være viktig. Spesielt er disse fagområdene sentrale for å fremme en bærekraftig utvikling som møter framtidens behov for energi, vann og mat uten å bidra til ytterligere klimaendringer. Kompetanse i fysikk bidrar både til å forstå disse utfordringene, til å utvikle løsninger på dem og til å forholde oss til dem som samfunnsborgere. Elevtallene i fysikk har variert en del i absolutte tall gjennom de siste 30 årene. Ser vi på andelen av 18- og 19-åringer som til enhver tid tar fysikk, viser det seg likevel at denne har holdt seg relativt stabil, med 11–12 % av årskullet (eller omkring ¼ av alle elever på studieforberedende utdanningsprogram) på Fysikk 1 og 6–8 % av årskullet på Fysikk 2. Jenteandelen viser en svakt økende ten-

hvem er fysikkelevene? 101

dens, med over 40 % jenter på Fysikk 1 og opp mot 30 % på Fysikk 2 i de siste årene. Til sammenlikning var det 14 % av 19-åringene i Sverige som tok fysikk på høyeste nivå i 2015 (Grønmo, Hole & Onstad, 2016). Sammenlikner vi med andre fag, er elevtallet på Fysikk 2 omtrent like stort som på Biologi 2, men noe lavere enn Kjemi 2. Det er også av sammenliknbar størrelse med programfag som Politikk og menneskerettigheter og Samfunnsfaglig engelsk (Utdanningsdirektoratet, 2018a). Det er relativt flere jenter enn gutter som slutter etter Fysikk 1. I skoleåret 2016/17 var det for eksempel 44 % jenter i Fysikk 1, mens jenter bare utgjorde 29 % av elevtallet i Fysikk 2 året etter, i 2017/18 (Utdanningsdirektoratet, 2018a). Dette henger nok sammen med at flere jenter enn gutter velger Fysikk 1 av strategiske grunner, for å kunne komme inn på bestemte studier i høyere utdanning eller holde alle muligheter åpne (Bøe, 2012). Når det gjelder tallet på studenter som går videre til fysikkrelatert høyere utdanning, er situasjonen noe annerledes. Selv om det totale antall studenter i fysikk i Norge (inkludert fysikktunge sivilingeniørutdanninger) er relativt stabilt, har fysikkstudentenes andel av ungdom i høyere utdanning sunket dramatisk de siste årtiene.

6.2

Hva ligger til grunn for ungdoms valg av fysikk?

Hvordan kan vi forstå elevers valg og bortvalg av fysikk som fag? Sosial-psykologiske modeller for hvordan utdanningsvalg foretas (Eccles & Wigfield, 2002), opererer ofte med to hovedelementer i prioriteringene som ligger til grunn for valget: mestringsforventning (Vil jeg komme til å klare det?) og verdien av faget for eleven selv (Hva får jeg igjen for det?). Fagets verdi inneholder ulike aspekter: interesse (Synes jeg det er interessant?), nytte (Kan dette være nyttig, for eksempel for å komme inn på høyere utdanning?), selvrealisering og identitet (Stemmer dette faget med den jeg ønsker å være?), og kostnad (Hva vil det koste meg av innsats og arbeid?). Vi skal se litt på hvordan disse elementene spiller inn på elevers valg og bortvalg av fysikk. I en undersøkelse blant elever i videregående skole plasserte Bøe og Henriksen (2013) fysikkelever i grupper ut fra hvilke motivasjonsfaktorer de svarte at de hadde lagt vekt på da de valgte fysikk. De tre gruppene kan ses på som tre typer fysikkvelgere med ulik motivasjonsprofil.

102 kapittel 6 • De bredt motiverte elevene utgjorde den største gruppa, og la stor vekt på indre motivasjonsfaktorer som interesse og selvrealisering. Samtidig la de også stor vekt på mestringsforventning og på den ytre motivasjonsfaktoren nytteverdi for studieopptak. Disse elevene la lite vekt på å holde kostnader i form av arbeidsmengde og vanskelighetsgrad nede. • De ytre motiverte elevene la relativt liten vekt på interesse og selvrealisering, men de la stor vekt på nytteverdi for studieopptak. De la moderat vekt på mestringsforventning og lite vekt på kostnader. • De indre motiverte elevene la stor vekt på interesse og selvrealisering, men de la relativt lite vekt på nytteverdi for studieopptak, mestringsforventning, og kostnader. Jenter var overrepresentert blant de bredt motiverte og de ytre motiverte elevene, men underrepresentert blant de indre motiverte elevene. Flere faktorer inngår altså i elevenes motivasjon for fysikk, men ulike elever vektlegger faktorene forskjellig. Hva vet vi om de enkelte motivasjonsfaktorene? Når det gjelder mestringsforventning, vet vi at fysikk anses og oppleves som et vanskelig og krevende fag (DeWitt, Archer & Moote, 2018), og at mange elever har mindre tro på at de skal gjøre det godt i fysikk og andre realfag enn i øvrige skolefag (Angell, Guttersrud, Henriksen & Isnes, 2004; Angell, Henriksen & Isnes, 2003; Bøe, 2012; Häussler & Hoffmann, 2000; Lyons, 2006). Jenter har gjennomgående lavere faglig selvtillit i fysikk enn gutter (Bøe & Henriksen, 2013; Mujtaba & Reiss, 2013), selv om de i Norge presterer omtrent likt som guttene både på eksamen og i standpunktkarakterer i Fysikk 2 (Utdannings direktoratet, 2018a). Dette kan i en del tilfeller være reelt hinder for å velge fysikk, og det bør være et mål for fysikk- og naturfaglærere å bidra til å gi både jenter og gutter en faglig selvtillit som samsvarer med hva de faktisk kan klare. Interesse for faget oppgis av elever og studenter som en av de viktigste ver diene som legges til grunn for valg av fysikk (Bøe & Henriksen, 2013; DeWitt et al., 2018). Et generelt trekk fra forskning i naturfag- og fysikkdidaktikk er at de fleste elever er interessert i verdensrommet og «eksotiske» temaer som relativitetsteori og kvantefysikk (Angell et al., 2004; Osborne & Collins, 2001;Schreiner & Sjøberg, 2007), mens en del hverdagsnære temaer som friksjon, elektrisitet eller værfenomener vekker mindre interesse (Schreiner, 2006). Det er også en del kjønnsforskjeller når det gjelder hvilke interesser elevene uttrykker. Undersøkelser fra inn- og utland viser at jenter generelt er mer opptatt av estetiske fenomener og filosofiske aspekter av fysikk, mens guttene er mer interessert i

hvem er fysikkelevene? 103

teknologiske anvendelser og dramatiske fenomener som eksplosjoner. Videre tyder undersøkelser på at jenter i større grad enn gutter søker å forstå fysikken for å kunne «ta den ut i verden» og bruke den i samhandling med andre mennesker. Dette gjør blant annet at de er opptatt av anvendelser av fysikken innen for eksempel medisin, og at de gir uttrykk for at de liker å kunne «forklare ting for andre» (Angell et al., 2004; Osborne & Collins, 2001). Men hva er det som skaper den enkelte ungdoms interesse for fysikk? Undersøkelser viser at fysikkelever ofte er inspirert både av foreldre, lærere, populærvitenskap og barndomsopplevelser til å la seg fascinere av fysikkfaget (Schreiner, Henriksen, Sjaastad, Jensen & Løken, 2010), noe følgende sitat vitner om (se også avsnitt 6.5): TV-program om kvantefysikk, generell interesse for kjemi, har sett mye på pop.vit.kanaler opp gjennom åra. Fysikkelev, VGS, i Vilje-con-valg-undersøkelsen

En annen innfallsvinkel til hvordan interesse for fysikk bygges opp, er å se på elevers erfaringer. Basert på ROSE-undersøkelsen beskrev Sjøberg (2009) forskjeller i gutters og jenters aktiviteter og erfaringer fram til 15-årsalder. Det viste seg at jentene langt oftere hadde naturorienterte og estetiske erfaringer som f.eks. å samle stein eller blomster, stelle dyr eller finne stjernebilder på himmelen, mens guttene i større grad hadde erfaring med f.eks. mekanikk, elektronikk og modellbygging. Videre tyder forskning på at støtte hjemmefra, og spesielt fra far, kan ha stor betydning for jenters valg av fysikk (Hasse, Sinding & Trentemøller, 2008; Rødseth & Bungum, 2010; Schreiner et al., 2010). Kanskje er det slik at gutters aktiviteter i barndommen lettere disponerer for valg av realfag, mens jenter oftere orienterer seg mot realfagene dersom noen i deres nærmeste krets initierer dem til disse fagområdene? Selvrealisering og identitetsutvikling er blant de viktigste verdiene som inngår i ungdoms utdanningsvalg og den viktigste forventningen de har til studier og framtidig yrke. Ungdom i vestlige, industrialiserte land har identitetsutvikling som et nøkkelprosjekt, og i dette prosjektet inngår – i tillegg til valg av vennekrets, musikk, klær osv. – også valg av utdanning (Schreiner, 2008). Det klassiske spørsmålet «Hva vil du bli når du blir stor?» kan erstattes med «Hvem vil du være når du blir stor?». Mye tyder på at det tradisjonelle bildet av en fysiker harmonerer dårlig med den personen mange unge ønsker å «bli». Taconis og Kessels (2009) fant at elever beskrev det de oppfattet som «typiske fysikkelever», som mindre attraktive, sosiale og kreative, men mer intelligente, enn elever som

104 kapittel 6 valgte andre fag – og at de fleste identifiserte seg mer med disse andre elevene og dermed var mindre tilbøyelige til å velge fysikk. Valget var altså delvis basert på hvordan de opplevde samsvaret mellom sin egen personlighet og hvordan de oppfattet personligheten til en typisk fysikkelev. Skal vi få flere elever og studenter til å velge fysikkutdanning, må vi vise at fysikkfaget kan favne et bredere spekter av identiteter enn det litt karikerte bildet av den «klassiske realisten». Så lenge stereotype oppfatninger som disse får dominere, vil de virke begrensende på ungdoms (særlig jenters) frie valg av utdanning. Videre er det viktig at et mangfold av elever føler seg hjemme i fysikken når de først kommer dit. Nytteverdi – i form av å samle poeng og «holde mulighetene åpne» for videre utdanning – er blant de viktigste grunnene elever oppgir for å velge fysikk i videregående skole (Bøe & Henriksen 2013), og fysikkelevene er villige til å «betale prisen», i alle fall i Fysikk 1: Sammenliknet med elever som tar språk og samfunnsfag, er realfagselever langt mindre opptatt av å få tid til andre ting enn skolearbeid (Bøe, 2012). To av de tre motivasjonsprofilene Bøe og Henriksen (2013) fant blant norske fysikkelever, hadde lagt stor vekt på nytteverdi for videre studier. I Fysikk 1 finnes det altså to grupper elever som er der delvis eller helt av instrumentelle årsaker, og en tredje gruppe som er der først og fremst på grunn av sin sterke interesse for fagområdet. Dette representerer selvsagt en utfordring for læreren – men også en mulighet: Hvis elevene gjennom Fysikk 1 opplever at faget er mer spennende og relevant enn de hadde forestilt seg, vil de kanskje fortsette til Fysikk 2, selv om de opprinnelig hadde andre planer. Mange av fysikkelevene i Bøe og Henriksens (2013) undersøkelse hadde fremdeles ikke bestemt seg for framtidig yrke da de gikk i Fysikk 1.Blant dem som hadde klare planer for utdanning og yrke, var det langt flere jenter enn gutter som planla å studere medisin, mens det var flere gutter som siktet seg inn på teknologistudier. Det kan være viktig å vise en del av de medisininteresserte jentene at framtidens medisinske diagnostikk og behandling i stor grad avhenger av kreativ nyutvikling og anvendelser av fysikk og teknologi, og at det finnes utfordrende og meningsfylte jobber for fysikere og teknologer i medisinsk-teknisk industri, i helsevesenet og innen medisinsk forskning. Kostnaden – i form av arbeidsmengde og vanskegrad – oppfattes som svært stor i fysikkfaget (Angell et al., 2003; Bøe, 2012), og dette er nok en viktig grunn til at mange elever velger faget bort. For eksempel fant Bøe og Henriksen (2013) at fysikkvelgere forventet at faget ville koste dem mer tid og krefter enn om de hadde valgt noe annet. Holdningen blant både elever og lærere er at det er bare de flinkeste elevene (særlig i matematikk) som har forutsetninger for å greie

hvem er fysikkelevene? 105

skolefysikken. Denne holdningen er ikke helt ubegrunnet; Utdanningsdirektoratet (2018b) opplyser at elever med full fordypning i fysikk og matematikk tenderer til å ha bedre karakterer enn de øvrige elevene i fellesfagene. Dette er med på å underbygge inntrykket av at fysikkelevene er blant de flinkeste og mest samvittighetsfulle. Det er likevel grunn til å oppmuntre elever med uforholdsmessig lav mestringsforventning i fysikk – og blant dem er det mange jenter – til å prøve seg. Kanskje skal man ikke si at faget er lett, men heller understreke at det er fullt mulig å tilegne seg fysikkforståelse for den som gjør en rimelig innsats, og at elevene vil få den faglige støtten og oppmuntringen de trenger underveis.

6.3 Skolefysikk-kulturen Hva møter elevene når de velger fysikk? Forskning fra både inn- og utland tyder på at skolefysikken preges av en særegen kultur (Archer, Moote, Francis, DeWitt & Yeomans, 2017; Bøe & Henriksen, 2013; Carlone, 2004). I denne kulturen er det fysikkens lover og fenomener som er i fokus, mens fagets historie, praksiser og anvendelser kommer i bakgrunnen. Undervisningen er ofte lærersentrert med mye tavleundervisning og oppgaveregning (Lie et al., 2010). Elever og studenter er gjerne drevet av sterk faginteresse, selv om nytteverdien av fysikk for videre utdanning også er viktig for mange. Kulturen omfatter et syn på fysikk som spesielt krevende. Carlone (2004) kalte denne kulturen for «prototypical physics» og pekte blant annet på at målet med undervisningen så ut til å være å frambringe framtidige fysikere snarere enn å undervise «fysikk for alle». I en studie blant mer enn 13 000 ungdommer i England fant DeWitt et al. (2018) at fysikk ble oppfattet som vanskelig, maskulint og bare for de flinkeste. Elever som ikke identifiserte seg med den beskrivelsen av faget, hadde vanskelig for å velge fysikk. Samtidig var fysikkens status som bare for de mest eksepsjonelle elevene noe av appellen for dem som planla å velge fysikk. Denne «prototypiske skolefysikk-kulturen» står altså sterkt både blant lærere og elever som føler seg hjemme i den, samtidig som den kan oppleves fremmedgjørende for dem som ikke ser seg selv som prototypiske fysikkelever. Fysikkfaget og skolesystemet har en utfordring i å tilby et fysikkfag som oppleves som attraktivt også for elever med litt andre orienteringer og interesser enn den «klassiske fysikkeleven» har. Det ligger stort potensial i å videreutvikle fysikkfaget til å inkludere et videre spekter av perspektiver, interesser og arbeidsmåter, slik at også elever som ikke er orientert mot den tradisjonelle skolefysikk-kulturen, opplever at fysikk kan være noe for dem.

106 kapittel 6

6.4

Kjønnsforskjeller i fysikk – hva skyldes de, og hvorfor skal vi bry oss?

Hvorfor så få kvinner og jenter? Siden den første nobelprisen i fysikk ble delt ut i 1901,har bare tre kvinner fått prisen: Marie Sklodowska Curie i 1903, Maria Goeppert-Mayer i 1963 og Donna Strickland i 2018. Blant begynnerstudenter i fysikk i Norge i 2009 var det litt over 25 % jenter, mens jenteandelen i skolefysikk (Fysikk 1 + 2) er i underkant av 40 %. Omkring tre av fire norske fysikklærere er menn (Grønmo, Hole & Onstad, 2016). Hva skyldes denne kjønnsskjevheten? Ligger forklaringen hovedsakelig i kultur, oppdragelse og de mulighetene kvinner faktisk gis i samfunnet? Skyldes det genetiske kjønnsforskjeller i anlegg eller interesseområder? Forskning tyder på at i den grad kjønnsforskjeller eksisterer i evner og anlegg for matematikk og naturvitenskap, så er ulikhetene små og overskygges av det store spennet av individuelle variasjoner blant begge kjønn (Hyde & Linn, 2006). Wang og Degol (2017) har sammenstilt flere tiår med forskning på kjønnsforskjeller i matematikktunge realfag. De konkluderer med at sosiokulturelle faktorer i større grad enn biologiske forskjeller forklarer forskjeller i kognitive evner, mestringsforventning og interesser og preferanser. Spesielt ser det ut til at stereotype oppfatninger om fysikkfaget og fysikere – både i og utenfor fysikklasserommet – bidrar til at flere gutter enn jenter opplever at fysikk er for dem (Archer et al., 2017).

Gjør det noe at kvinnene velger bort fysikken? Er det så farlig hvem som velger utdanning og arbeid innen fysikk og relaterte fagområder, så lenge forskningen og teknologiutviklingen som utføres, holder høy kvalitet? Vi mener det er gode grunner til å holde fokus på kvinners og jenters deltakelse i fysikk. For det første trengs kvinnene for å bidra til å møte samfunnets antatt økende behov for realfaglig arbeidskraft. For det andre vil vi hevde, i tråd med kultur- og demokratiargumentene for naturfag i skolen (se Innledning), at kvinner bør ta del i det viktige kunnskaps- og samfunnsområdet som fysikk og naturvitenskap representerer – både for å berike sitt eget syn på verden og for å delta på innsiktsfullt vis med sine prioriteringer på arenaer i samfunnet der morgendagens teknologi utvikles og realfagsrelaterte beslutninger tas. Et tredje argument som kan framsettes, er at verdiene, interessene, erfaringene og tilnærmingene som kvinner bringer inn i realfagene, kan være forskjel-

hvem er fysikkelevene? 107

lige fra menns og dermed bidra til nytenkning og innovasjon innen realfag og teknologi. Londa Schiebinger (2008) gir eksempler på hvordan et spesifikt kvinneperspektiv har ført til ny utvikling innen genetikk så vel som bil-design. Dette argumentet er omdiskutert, særlig når det gjelder fysikk. Den kvinnelige astrofysikeren Megan Urry (2008, s. 150, vår oversettelse) skriver i kapitlet «Har fotoner kjønn?»: Innen fysikk og astronomi har forskerne riktignok en del frihet i valget av forsk ningsområde, men det er liten frihet – og slett ingen kjønnsrelatert innflytelse – når det gjelder resultater av eksperimenter eller tolkningen av observasjoner av den fysiske verden.

En kultur der mange kvinner ikke føler seg hjemme? Urry hevder imidlertid samtidig at en konkurranseorientert og elitistisk kultur innen fysikermiljøer kan virke svært fremmedgjørende, og i noen tilfeller direkte diskriminerende, overfor kvinner. Den svenske forskeren Anna Daniels son (2009) skriver at kjønn i fysikken er både synlig og usynlig: På den ene siden oppfattes faget i seg selv som helt upåvirket av sosiale strukturer; på den andre siden er mannsdominansen i faget svært påfallende. Danielsson beskriver hvordan kvinnelige fysikkstudenter balanserer mellom normene for «kvinnelighet» og normene for hva en fysiker er, og hvordan én måte å håndtere denne balansen på er å framstille seg som «annerledes enn tradisjonelle kvinner» og dermed skape seg en plass i den mannsdominerte fysikk-kulturen. Hasse (2002) fant at kulturen på et fysikkstudium i Danmark blant annet inkluderte fysikk-vitser, interesse for science fiction-litteratur og lek med å utforme nye eksperimenter, og at mannlige studenter i større grad enn kvinnelige tok del i disse aktivitetene og interessene og dermed ble inkludert i kulturen.

Jenter i fysikklasserommet Hva så med jentene i norske fysikklasserom? Som vi så i forrige avsnitt, er det en del forskjeller mellom jenter og gutter når det gjelder hvilke verdier og overveielser de legger til grunn for sine utdanningsvalg. En norsk undersøkelse fant at jentene som faktisk valgte fysikk, opplevde faget og undervisningen relativt likt guttene (Angell et al., 2004; Angell et al., 2003). Forskerne så dette som et tegn på at de jentene som velger fysikk, dels passet inn i og dels tilpasset seg den fysikk-kulturen vi beskrev ovenfor. Samtidig viser tall fra TIMSS Advanced 2015

108 kapittel 6 at langt færre jenter enn gutter i Norge uttrykte at de opplever undervisningen som engasjerende, og at de liker å lære fysikk (Grønmo et al., 2016; Mullis, Martin, Foy & Hooper, 2016). I England fant Mujtaba og Reiss (2013) at gutter og jenter som planla å fortsette med fysikk, hadde lik oppfatning av fysikklærere og fysikkundervisning. Oppmuntring fra lærere viste seg å være en viktig motivasjonsfaktor for fysikkvalg, men jenter rapporterte i mindre grad enn gutter å ha fått slik oppmuntring. Tilbakemeldinger fra lærere og foreldre framstår også som viktig for utvikling av faglig selvtillit. Studier har funnet at gutter oftere enn jenter får høre at de har talent når de gjør det bra i realfag, og at de har jobbet for dårlig når de mislykkes, mens jenter heller får ros for å ha arbeidet hardt når det går bra, og får forståelsen av at de mangler talent når det går dårlig (Wang & Degol, 2017). Hvis jentene da i tillegg tenker at fysikk krever medfødt talent, er det vanskelig å opparbeide god tro på egne muligheter til å lykkes. Kanskje kan dette bidra til å forklare kjønnsforskjeller i prestasjoner i fysikk; se kapittel 27 og 28. Stereotype oppfatninger om at gutter er bedre enn jenter i realfag, kan gjøre at jenter presterer dårligere på grunn av den såkalte stereotypitrusselen («stereo type threat») (Spencer, Steele & Quinn, 1999). En stereotypitrussel er en selvoppfyllende profeti der for eksempel jenter presterer dårligere enn de kunne gjort på en prøve fordi de har en oppfatning om at jenter pleier å prestere dårli gere enn gutter på slike prøver. Marchand og Taasoobshirazi (2013) undersøkte fenomenet blant amerikanske fysikkelever. De delte flere hundre elever inn i tre grupper som alle besvarte samme fysikkprøve. I den første gruppa fikk elevene før de tok prøven vite at gutter pleide å gjøre det bedre enn jenter på denne prøven. I den andre gruppa fikk ikke elevene noen informasjon, men de var i en tradisjonell prøvesituasjon. I den tredje gruppa fikk elevene vite at jenter og gutter pleide å gjøre det like bra på prøven. Guttene presterte likt i alle tre gruppene. I de to første gruppene gjorde jentene det dårligere enn guttene. I gruppa der elevene fikk beskjed om at jenter og gutter presterte like bra, fikk jentene like gode resultater som guttene. Funnet illustrerer at stereotype oppfatninger gir seg utslag i jenters prestasjoner, men også at disse kan motvirkes med relativt enkle grep, nemlig å minne elevene på at jenter og gutter generelt har like gode forutsetninger for å lykkes i fysikk. Det kan også lønne seg å ta opp det at kvinner er underrepresentert i fysikk i en klasseromsdiskusjon. En stor amerikansk undersøkelse fant at jenter som hadde deltatt i en slik diskusjon på skolen, oftere enn andre valgte fysikk (Hazari, Sonnert, Sadler & Shanahan, 2010). Murphy og Whitelegg (2006) gjennomgikk forskning på jenter i skolefysikken og foreslo en rekke tiltak for å øke jentenes deltakelse, blant annet fokus på

hvem er fysikkelevene? 109

mestringsforventning, kunnskap satt i sammenheng og læring gjennom diskusjon i klasse eller gruppe. Det er verdt å merke seg at mange av de løsningene og didaktiske grepene som foreslås som «jentevennlige», vil være fordelaktige også for gutter (Labudde, Herzog, Neuenschwander, Violi & Gerber, 2000). Trolig er det slik at «et jentevennlig fysikkfag er et elevvennlig fysikkfag». Mye tyder i alle fall på at det kreves endringer i hele kulturen knyttet til fysikk – både i undervisningspraksis og i måten fysikk og fysikere framstilles på – for å gjøre det lettere for flere jenter å velge og å fortsette med fysikk. En slik kulturendring tar tid og vil møte utfordringer. Bøe, Henriksen og Angell (2018) undersøkte for eksempel hvordan elever som var vant til tradisjonell fysikkundervisning, opplevde å lære kvantefysikk i et digitalt, samarbeidsorientert opplegg med fokus på kvalitativ forståelse og bruk av språk. Ett av funnene var at når undervisningen endres, endres også rammene for elevenes utvikling av mestringsforventning og interesse. For eksempel syntes mange elever det var vanskelig å forstå om de hadde prestert godt når de vanlige regneoppgavene var erstattet av kvalitative diskusjoner. Elevene trengte å bli oppmerksom på at det å gjennomføre en faglig diskusjon med argumentasjon basert på fysikkunnskap, kan være en «gyldig» prestasjon i fysikkfaget – selv om slike diskusjoner ikke alltid har bare ett entydig fasitsvar.

6.5

Hvordan motivere til å velge fysikk?

Et spørsmål som i høy grad angår fysikklærere i videregående skole, er hva som kan gjøres for å motivere elever til å velge og til å fortsette med fysikk, både i videregående skole og i fysikkrelaterte høyere utdanninger. Jørgen Sjaastad (2012) har analysert begynnerstudenters beskrivelser av hva som motiverte dem til å velge realfaglig eller teknologisk utdanning, og funnet at lærere utgjør omtrent en fjerdedel av de personene som nevnes som inspirasjoner til utdanningsvalget. Lærerne beskrives stort sett i positive ordelag, som disse sitatene illustrerer (se Schreiner et al., 2010): Veldig flink fysikklærer i 2FY vekket interesse for fysikk. Flink mattelærer på ungdomsskolen. Realfagsstudent, Vilje-con-valg-undersøkelsen Lærer i matematikk og naturfag på ungdomsskolen var viktig inspirasjon til mine interesser i realfag. Fysikkelev, VGS, i Vilje-con-valg-undersøkelsen

110 kapittel 6 På grunnlag av beskrivelsene av lærere i Vilje-con-valg-undersøkelsen kan vi oppsummere det slik: En lærer som motiverer til videre valg av realfag, er en dyktig lærer som engasjerer og motiverer, som skaper en tilknytning til faget, og som oppnår personlig kontakt, og som støtter elevenes utvikling av en sunn mestringsforventning. Læreren har altså, i noen tilfeller, avgjørende betydning for elevers videre utdanningsvalg. Det å rekruttere faglig dyktige og inspirerende lærere er altså av avgjørende betydning både for å øke prestasjonene i realfag i årene framover og for å sikre rekrutteringen til realfaglige utdanninger og yrker. Forskning på ungdoms utdanningsvalg tyder på at fysikkfaget tiltrekker seg elever og studenter med en genuin interesse for det faglige innholdet i seg selv, mens elever og studenter på andre fag i større grad etterspør godt studiemiljø, framtidsutsikter, ideologiske aspekter og praktiske anvendelser. Det ligger et stort potensial i å vise også noen av de elevene som i dag ikke søker seg til fysikk, at målsettinger om spennende jobbmuligheter, god inntekt, faglige utfordringer i et dynamisk miljø, og mulighet til å utgjøre en forskjell i verden også kan nås gjennom fysikkstudier! Det er et mål at hver enkelt ungdom skal ha et fritt og informert utdanningsvalg. Dette forutsetter blant annet tilgang til informasjon om utdanninger og yrker, og fravær av formelle og uformelle hindre for frie valg. Uformelle hindre kan for eksempel være stereotype oppfatninger og forventninger om fysikk og fysikere som i praksis kan begrense valgfriheten til noen grupper og gjøre det ekstra vanskelig for disse ungdommene å se seg selv i fagene. Videre tyder mye på at ungdom vet at fysikk gir mange muligheter, men lite om hvilke muligheter som finnes ut over de store, kjente yrkesgruppene som lege og ingeniør. Disse faktorene bidrar til å gjøre ungdoms valg av fysikk mindre frie og informerte, og kan føre til at en del unge velger bort faget på feil eller mangelfullt grunnlag. Klarer vi å forandre på det, kan næringsliv, forvaltning og utdanningsinstitusjoner få en større, mer variert, representativ og kjønnsbalansert arbeidsstyrke, i tråd med norske idealer for demokrati og likestilling.

hva foregår i norsk fysikkundervisning? 111

Kapittel 7

Hva foregår i norsk fysikkundervisning? I dette kapitlet skal vi kort se på hva forskning viser om hva som foregår i fysikklasserommet, og hva slags oppfatninger elevene og lærerne har om fysikkfaget og undervisningen. Vi vil si noe om hva som kjennetegner undervisningen, hvilke undervisningsmetoder som brukes, og hvem fysikklæreren er.

7.1 Fysikktimene Den gangen læreren skjøt en flaske sånn i hodehøyde over elevene […] da ble det litt fart over fysikken synes jeg! 2 Gutt, 3FY.

Som vi så i kapittel 6, viser undersøkelser at mange fysikkelever synes faget er vanskelig og arbeidskrevende, men samtidig gir de uttrykk for at faget er interessant, og at de synes undervisningen er god. Sammenliknet med elever og studenter på andre fag uttrykker fysikkelevene i større grad at deres fag er vanskelig, og at arbeidsmengden er stor.

Undervisning i fysikk I undersøkelsen «Fysikkutdanning i Norge» (FUN) (Angell et al., 2003) fikk fysikkelever og lærere et avkrysningsspørsmål der de ble bedt om å vurdere hvor ofte et utvalg av ulike undervisningsmetoder ble brukt i det fysikkurset de for øyeblikket arbeidet med. Elevene ble dessuten bedt om å indikere hvor ofte de kunne ønske seg at de ulike undervisningsmetodene ble brukt dersom de kunne velge. Metodene som ble presentert, var bl.a. forelesninger/tavle 2

Fra Øystein Guttersruds hovedoppgave (se Guttersrud, 2001).

112 kapittel 7 undervisning, gruppediskusjoner av nye begreper, demonstrasjoner, elev øvinger, individuell oppgaveregning, oppgaveregning i grupper, osv. Det viste seg at fysikkelevene stort sett var enige med sine lærere om hva som faktisk foregikk i fysikktimene (se figur 7.1). Noen forskjeller var imidlertid tydelige: Lærerne oppga at de i relativt liten grad drev tavleundervisning og i større grad drev kvalitativ drøfting av begreper, mens elevene opplevde forholdet ganske motsatt. Det samme gjaldt oppgaveregning i grupper, lærerne oppga betydelig mer tid til dette enn elevene. Som figur 7.1 viser, var elevene stort sett fornøyde med situasjonen som den var, det var forholdsvis lite sprik mellom hva elevene opplevde i timene, og hva de kunne ønske seg. Imidlertid var det et visst ønske hos elevene om mer «kvalitative undervisningsmetoder», som f.eks. drøfting (i plenum eller i grupper) av de kvalitative sidene ved nye begreper, og demonstrasjoner for å forklare begreper. Elevene ga også uttrykk for at de ønsket mer tid til å diskutere fysikkproblemer i klassen eller grupper. I FUN-undersøkelsen ble også 2. klasse-elever fra flere ulike fag spurt om hva som foregår i timene, og hvordan de syntes det burde være. Resultatet viste at tavlegjennomgang av læreren er betydelig mer brukt i realfagene enn i engelsk og samfunnskunnskap. Læreren gjennomgår nytt sto˛ på t avla Læreren gjennomgår regneoppgaver på tavla Læreren legger vekt på en matematisk fremstilling av sto˛e t Læreren legger vekt på å drø˜ e nye begreper kvalitativt Læreren bruker elevenes forslag når timene planlegges Demonstrasjoner for å forklare begreper/ fenomener Elevøvelser med ferdige beskrivelser Elevene velger selv problemer og metode ved elevøvinger Elevene diskuterer begreper og fysikkproblemer i klassen Elevene diskuterer begreper og fysikkproblemer i grupper Elevene regner oppgaver i timen hver for seg Elevene regner oppgaver i timen i små grupper

Lærere − slik er det

Prosjektarbeid i fysikk

Elever − slik er det Elever − ønsker

Elevene bruker andre bøker i tillegg til lærebøkene 0

Andel som svarer «(svært) o˜e» (%)

Figur 7.1 Hva foregår i fysikktimene. (Figuren er basert på Angell et al. (2003).)

100

hva foregår i norsk fysikkundervisning? 113

Lærerne ser også ut til å være fornøyd med situasjonen i fysikklasserommet. De sier at de både har et fint og spennende fag, og at de har flinke og motiverte elever. Men at læreren står overfor mange utfordringer i fysikklasserommet, kan følgende karakteristikker av fysikkfaget illustrere (Guttersrud, 2001): • Vanskelig stoff, forklart på en enda vanskeligere måte, med mange forvirrende formler • Alltid noe å se bort fra for at formlene fortsatt skal gjelde • Vi får jo egentlig bare formlene og så skal vi begynne å regne liksom • Hvis det blir altfor mye tavleundervisning, så kan bli litt sånn surt At det finnes mange måter å være en god fysikklærer på, gir Guttersrud (2001) et godt eksempel på. Han beskriver hvordan elever med to forskjellige fysikk lærere diskuterer undervisningen. Det framkommer at disse to lærerne er meget forskjellige, og at de benytter svært ulike metoder. Men elevene til begge lærerne er fornøyd med «sin» lærer og hevder at de har den beste undervisningen og den beste læreren. En annen kilde til å studere hva som foregår i fysikklasserommet, er TIMSS3 Advanced. Norge har deltatt i alle de tre undersøkelsene som har vært gjennomført i 1995, 2008 og 2015. I TIMSS 2008 ble både elever og lærere spurt om hvor ofte ulike aktiviteter forekom i timene. Lærernes svar stemmer godt overens med elevenes. Det som dominerer, er at elevene løser oppgaver eller hører på at læreren gjennomgår nytt stoff. Andre aktiviteter som f.eks. å skrive forklaringer på fenomener, lese i læreboka, relatere fysikkstoffet til dagliglivet, se på demonstrasjoner eller planlegge eksperimenter, foregår i langt mindre grad. TIMSS Advanced 2015 hadde ikke tilsvarende spørsmål til elevene, men noen spørsmål til lærerne kan gi en indikasjon på hva som foregår i klasserommet i 2015, se figur 7.2. Det ser altså ut som det fortsatt er lærerne som i stor grad gjennomgår fagstoff, og at elevene regner oppgaver i norske fysikktimer. Imidlertid tyder resultatene fra TIMSS 2015 på at elevene synes fysikkundervisningen er engasjerende, og det er en klar sammenheng mellom hvor engasjerende elevene finner undervisningen, og hvor godt de presterer i faget (Grønmo et al., 2016).

TIMSS står for «Trends in International Mathematics and Science Study». TIMSS er knyttet til organisasjonen IEA (International Association for the Evaluation of Educational Achievement).

114 kapittel 7 Lærer gjennomgår Lærer demonstrerer eksperiment Designer eller planlegger eksperimenter Gjør eksperimenter Leser lærebok eller annet materiale Oppgaver Prøver 0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 % (Nesten) hver time

Omtrent halvparten

Noen timer

Aldri

Figur 7.2 Hvor ofte ulike aktiviteter forekommer i timene basert på lærernes svar. Data er hentet fra TIMSS (2015).

Hva er viktig i fysikkfaget? I FUN-undersøkelsen (Angell et al., 2003) ble fysikkelever i videregående skole, fysikkstudenter ved flere av våre universiteter og fysikklærere bedt om å vurdere hva de anså som viktig i fysikkfaget. Emner som handler om det å forstå verden og dagligdagse fenomener, ble vurdert høyt av alle grupper. Elever og studenter ga relativt sammenfallende svar. Imidlertid var det forholdsvis stor forskjell på lærere og elever på to områder. For det første la lærerne mer vekt på den eksperimentelle siden. Det gjelder både «lære å bruke måleapparater» og «kunne oppleve spennende eksperimenter». Riktignok ga mange elever uttrykk for at å «gjøre eksperimenter i fysikk» er interessant, men det kan tenkes at elevøvinger oppfattes av elevene som «artig krydder» i undervisningen, uten at øvingene lykkes i å illustrere den viktige rollen eksperimenter har i utviklingen av naturvitenskapen. For det andre ga lærerne uttrykk for at å «kunne gjøre beregninger ut fra de grunnleggende naturlovene» er viktigere enn det elevene ga uttrykk for. Verken lærere, studenter eller elever betraktet kjennskap til vitenskapshistorien som viktig. Ifølge både TIMSS Advanced og FUN-undersøkelsen er det forholdsvis sjelden at elevene selv velger problemstillingene og de metodene de vil bruke for å løse eksperimentelle oppgaver. Det skjer med andre ord sjelden at norske

hva foregår i norsk fysikkundervisning? 115

elever må planlegge et eksperiment eller en undersøkelse. Figur 7.2 viser at 89 % av lærerne i 2015 rapporterer at de bare i noen timer ber elevene designe eller planlegge et eksperiment.

Digitale hjelpemidler i fysikktimene I TIMSS Advanced i 2008 fikk elevene spørsmål om hvor ofte de brukte kalku lator og datamaskin i fysikktimene. Lie et al. (2010) viste at norske elever brukte kalkulator mye: 93 % av de norske elevene oppga at de brukte kalkulator hver eller nesten hver time, mens det var langt færre som oppga at de brukte datamaskin i timene. Dette har endret seg. I 2015 oppga lærerne at alle elevene hadde digitale hjelpemidler tilgjengelig (Grønmo et al., 2016). Her ble det ikke skilt mellom ulike digitale hjelpemidler. Det er imidlertid interessant å se hva elevene bruker disse hjelpemidlene til. Figur 7.3 viser at omfanget av digitale hjelpemidler er blitt betydelig større i løpet av de siste årene. Det er også et bredt spekter av aktiviteter som forekommer, men der «løse likninger» og «behandle algebraiske uttrykk» forekommer hyppigst.

Lese tekst digitalt Finne informasjon Analysere data Lage grafer Løse likninger Behandle algebraiske uttrykk Gjøre modellering eller simulering Numerisk integrasjon 0%

20 %

40 %

60 %

(Nesten) hver dag

1–2 ganger i uka

1–2 ganger i måneden

Aldri

80 %

100 %

Figur 7.3 Hvor ofte digitale hjelpemidler blir brukt til ulike aktiviteter basert på lærernes svar. Data er hentet fra TIMSS (2015).

116 kapittel 7

7.2

Undervisningsmetoder og prestasjoner

Er det mulig å påvise noen effekter av undervisningsmetoder på elevens prestasjoner? I TIMSS Advanced 2008 har en sett på sammenhengen mellom noe av det som foregår i klasserommet, og elevenes prestasjoner på den faglige testen i TIMSS. Siden lærerens gjennomgåelse av fagstoff er så dominerende, kan en ikke si noe om hvilken betydning dette har for prestasjoner. Variasjonen i klasserommene er for liten til at det kan gi seg utslag i statistikken. Derimot er det to aktiviteter i klasserommet som ser ut til å ha betydning for elevenes prestasjoner. Det ene er at elevene ofte regner oppgaver på egen hånd, og det andre er at læreren bruker noe tid på å gjennomgå lekser. Omtrent halvparten av elevene i TIMSS 2008 svarte at de arbeidet hver for seg med oppgaver hver eller nesten hver time. Disse elevene skåret signifikant høyere på TIMSS-testen enn de som løste oppgaver sjeldnere (se figur 7.4). Når det gjelder gjennomgåelse av lekser, skriver Lie et al. (2010) at omtrent 20 % av elevene svarte at det aldri ble gjennomgått lekser i timene, og disse elevene skåret signifikant dårligere enn de resterende elevene på testen. Det ser altså 560

550

Fysikkskår

540

530

520

510

500 (Nesten) hver time

Omtrent halvparten

Noen timer eller aldri

Løse oppgaver alene Figur 7.4 Hvor ofte elevene arbeider på egen hånd med oppgaver sett i sammenheng med prestasjon i fysikk. Fysikkskår er en skalert poengsum der gjennomsnittet for alle landene er 500, og standardavviket er 100 poeng. Konfidensintervallene for gjennomsnittene er vist som vertikale streker. Figuren er basert på Lie et al. (2010).

hva foregår i norsk fysikkundervisning? 117

ikke ut til å spille noen stor rolle om lekser ble gjennomgått mer eller mindre ofte, men noen ganger må til! De skriver også at når en ser på sammenhengen mellom gjennomsnittsskåren per klasse og hvor ofte lekser blir gjennomgått, viser det seg at gjennomsnittsresultatet i de klassene der lekser gjennomgås forholdsvis ofte, er bedre enn i andre klasserom. Det kan med andre ord spores ulike klasseromskulturer med hensyn til lekser. I 2015 oppgir 95 % av lærerne at de gir lekser i sin fysikklasse, og det er først og fremst oppgaveregning og å lese i læreboka som er vanlig å gi som lekse, mens for eksempel samle og analysere data forekommer sjeldnere (Grønmo et al., 2016).

Tradisjonelt fysikklasserom? Ut fra de undersøkelsene som vi har referert til, tegnes det et bilde av norske fysikklasserom som er preget av mye tradisjonell undervisning, der lærer gjennomgang og individuell oppgaveregning er ganske dominerende. Dette samsvarer med beskrivelsen av typisk realfagsundervisning i en rekke land verden rundt; se også kapittel 6. Det ser også ut til at elevene i stor grad er tilfreds med dette. Bøe et al. (2018) skriver at den lærersentrerte undervisningen som dominerer i fysikklasser, er rettet mot elever som liker denne undervisningsformen og lærer godt av den. Videre skriver de at det tradisjonelle klasserommet er tilpasset elever som liker å løse fysikkoppgaver (gjerne med regning), og som opplever mestring gjennom å løse slike oppgaver. Disse elevene, som er best tilpasset det tradisjonelle fysikklasserommet, har også en velutviklet individuell interesse for fysikkfaget. Er den undervisningen som foregår, god og effektiv nok? TIMSS Advanced viste at norske elever er blitt betydelig svakere i fysikk når vi sammenlikner prestasjonene i 1995 med 2008 og 2015. Dette er nok til dels relatert til at norske elever er relativt svake i algebra (Grønmo et al., 2016). Vi tror likevel ikke at mer regnetrening alene er tilstrekkelig hvis elevene skal utvikle en dyp forståelse for fysikk. Kvalitativ drøfting av fenomener, å «snakke fysikk» (se kapittel 14 ) og til å sette faget inn i en historisk, samfunnsmessig og til og med filosofisk sammenheng er også viktig for at elevene skal utvikle oversikt og faglig intuisjon og eierskap til faget.

118 kapittel 7

7.3

Hvem er fysikklæreren?

Det er i alle fall én ting som er gjentatt utallige ganger i løpet av de siste tiårene, og det er at fysikklærerne har høy gjennomsnittsalder, og at de fleste av dem er menn! TIMSS Advanced har bekreftet dette, men det har også endret seg noe de siste årene. I 2008 var det mange fysikklærere i den øvre aldersgruppa, 60 % var 50 år eller mer, og 26 % var 60 eller mer (Lie et al., 2010). I 2015 var 43 % av fysikklærerne 50 år eller mer, og 22 % var over 60 år. Gjennomsnittsalderen for fysikklærerne har altså gått noe ned (Grønmo et al., 2016). Det er imidlertid verdt å merke seg at den største gruppa er i alderen fra 40 til 49 år. Ifølge den norske TIMSS Advanced-rapporten fra 2008 var 88 % av fysikk lærerne menn. I 2015 var 76 % menn. Det er fortsatt et stort flertall av menn, men det er blitt mindre. Av de ni landene som deltok i TIMSS Advanced 2015, var det bare Libanon som hadde en lavere kvinneandel blant fysikklærerne enn Norge. Fysikklærere er jevnt over meget godt utdannet. De aller fleste har mastergrad eller tilsvarende innen fysikk; et fåtall har bare en bachelorgrad eller tilsvarende (Grønmo et al., 2016). TIMSS-undersøkelsen viste også at norske fysikklærere i stor grad er tilfredse med jobben sin, men at de deltar i profesjonell kompetanseutvikling i langt mindre grad enn sine kolleger i de fleste andre land i undersøkelsen. Gjennom forskningsprosjektet «ReleKvant Kompetanse» stilte Frågåt, Henriksen og Tellefsen (2019) spørsmålet: «Hva trenger du å kunne for å være en god fysikklærer?» Spørsmålet ble besvart via nettskjema av 212 fysikklærere i 2016. Et tilsvarende spørsmål (med naturfag i ordlyden) ble stilt til første- og sisteårsstudenter på femårige lektorprogrammer i naturfag på flere norske universiteter, og det kom 180 svar. Frågåt intervjuet både fysikklærere og lektorstudenter. Det viste seg at fysikklærernes første og viktigste svar på spørsmålet var at fagkunnskap var sentralt for å være en god fysikklærer. Mange lærere nevnte også (selv om det var på siden av spørsmålsstillingen) viktigheten av rammebetingelser for å kunne gjøre en god jobb: gode fysikkrom, tilstrekkelig utstyr for forsøk, nok tid til undervisningsforberedelse, samt gode samarbeidsrelasjoner med kolleger og ledelse. De nevnte også personlige egenskaper som entusiasme og empati, samt pedagogiske ferdigheter. Førsteårsstudentene på naturfaglektorutdanningene la relativt mer vekt på pedagogiske og didaktiske ferdigheter, men også disse var opptatt av solid fagkunnskap. De relativt få respondentene fra siste år på lektorutdanningen beskrev faglig og pedagogisk/ didaktisk kompetanse med omtrent lik vekt. Svarene i undersøkelsen kan tyde

hva foregår i norsk fysikkundervisning? 119

på at koblingen mellom fag og pedagogikk, gjennom det som kalles «pedagogical content knowledge» (PCK), er noe uuttalt blant lærere og lektorstudenter. Frågåt, Henriksen og Tellefsen (2019) argumenterer for at hvis fysikk lærere og lektorstudenter får gode muligheter til å beskrive og reflektere over sin kompetanse med fagdidaktiske begreper, vil de lettere kunne delta i, og nyttiggjøre seg, fagdidaktisk forskning som kan utvikle og forbedre fysikk undervisningen i klasserommet. At lærere deltar i slike forskningsbaserte, faglige dialoger, er viktig hvis fysikkundervisningen skal utvikle seg fra dagens ganske tradisjonelle metoder og i retning av mer variert, elevsentrert og inkluderende fysikkundervisning.

120â&#x20AC;&#x192; kapittel 7

hva foregår i norsk fysikkundervisning? 121

Diskusjonsspørsmål til del 2 1. Ta for deg et hovedområde fra læreplanen i fysikk. Undersøk hvordan kompetansemålene er representert i en lærebok i faget. Finner du overensstemmelse mellom den formelle læreplanen og den oppfattede læreplanen i form av hvordan lærebokforfatterne har vektlagt og vinklet stoffet? Hvilke justeringer må eventuelt læreren gjøre for at undervisningen skal være i overensstemmelse med læreplanen? 2. Undersøk illustrasjoner i en av dagens fysikkbøker, og sammenlikn med figur 5.2. Er illustrasjoner av fagstoff i hovedsak konkrete, abstrakte, eller framstiller de pedago giske modeller av fenomener? Hvilke illustrasjoner tror dere støtter elevenes læring best, og hvorfor? 3. Hvordan tror du læreplanen i fysikk kommer til å se ut i framtiden? Hvilke temaer, og hvilke aspekter av faget, mener du bør bli viktige i fysikkfaget i de neste tiårene? 4. I kapittel 6 skrev vi at den «prototypiske skolefysikk-kulturen» står sterkt både blant lærere og elever som føler seg hjemme i den, samtidig som den kan oppleves fremmedgjørende for dem som ikke ser seg selv som prototypiske fysikkelever. – I hvilken grad bør fysikkfaget tilpasses de elevene som faktisk velger faget, og i hvilken grad bør faget legges opp for å tiltrekke elevgrupper som i dag velger andre fag? – Sett at man skulle utvide elevgrunnlaget for programfaget fysikk til for eksempel det dobbelte. Hvilke endringer tror du måtte gjøres for å få til dette? Hvilke fordeler – og hvilke utfordringer – ville følge med en slik utvidelse? 5. Diskuter i lys av figur 7.1 lærernes og elevenes oppfatning av bruken av hhv. kvalitative drøftinger og matematisk framstilling av nye begreper i fysikkundervisningen. Hvorfor kan oppfatningene være forskjellige? Hvilke konsekvenser bør funnene som presenteres i figuren, få for undervisningen?

122 kapittel 7

Detektoren «Compact Muon Solenoid» ved CERN lar oss se inn i mikrokosmos. Foto: CERN / Maximilien Brice, 2008.

hva foregår i norsk fysikkundervisning? 123 [start del]

DEL 3 Å LÆRE FYSIKK Å lære fysikk kan være utfordrende. I denne delen tar vi for oss hvilke utfordringer elevene står overfor, og vi ser på hva slags forestillinger elever kan ha om fysiske fenomener. Et sentralt spørsmål er: Hvordan kan vi forstå elevers utfordringer i møte med fysikkfaget? I den forbindelse ser vi på ulike perspektiver på læring.

elevers møte med fysikkfaget 125

Kapittel 8

Elevers møte med fysikkfaget I dette kapitlet skal vi kort ta for oss det vi kaller representasjonsformer i fysikk. Vi skal ta for oss elevers forestillinger og noen typiske misoppfatninger i fysikk, samt se på noe av det forskningen sier om elevforestillinger.

8.1

Elevers utfordringer i fysikk

Mange elever opplever fysikkfaget som spennende og interessant, men også vanskelig og krevende. Hvorfor er det slik? Noen forklaringer kan vi finne i hva som kjennetegner fysikk som vitenskapsdisiplin. Som nevnt i kapittel 1 dreier fysikkfaget seg om å beskrive fenomener i den fysiske virkeligheten med modeller som gjør bruk av matematikk og abstrakte begreper. Fysikken søker å systematisere vår kunnskap om den materielle verden på en generalisert form. Gjennom slike abstrakte generaliseringer fjerner vi oss paradoksalt nok fra de konkrete fenomenene vi beskriver i fysikken, samtidig som vi får et slagkraftig verktøy for å både beskrive og forutsi hendelser hvor fenomenene inngår. For eksempel kan vi observere at det dannes dugg når temperaturen synker en sensommerkveld, og at denne forsvinner – som dugg for solen – morgenen etter. Observasjonene i seg selv sier oss ingen ting om vanndamp, metningstrykk eller hvordan metningstrykk avhenger av temperaturen. Lovene fra termofysikken er generaliserte, abstrakte modeller. Å etablere slik generalisert kunnskap er det man streber etter i fysikken. Denne avstanden mellom kunnskap etablert i fysikken og det som vi kan observere i hverdagen eller i laboratoriet, bidrar til at fysikk framstår for mange som vanskelig, nesten mystisk. I fysikken «forklares» trivielle hendelser som f.eks. at en stein faller eller at det er dugg i gresset, med henvisning til langt mer generelle sammenhenger som kan framstå som umiddelbart ubegripelige. Eleven, derimot, vil ofte være fornøyd med en oppfatning om at det dannes dugg fordi det er natt eller at steinen faller rett og slett fordi du slipper den. Det er opplagt at materielle objekter faller nedover, så hvorfor skulle det være nød-

126 kapittel 8 vendig å bringe jordklodens masse inn i dette? Elevens møte med kunnskapen i fysikken kan være preget av fascinasjon, men også av frustrasjon og irritasjon. I fysikk møter eleven mange nye begreper, men også ofte en ny bruk av kjente begreper. Dette bidrar til at faget kan framstå som komplisert og bare for de spesielt innvidde. I fysikken har begreper som kraft og energi egne og helt presise definisjoner, mens de i dagliglivet brukes med løsere innhold eller også med andre betydninger. En fysiker kan for eksempel finne på å hevde at sola ikke «går ned», siden vårt heliosentriske verdensbilde tilsier at sola står i ro, mens forklaringen på hva vi observerer, er at jorda roterer om sin egen akse. Dette kan føre til at en del elever oppfatter fysikk som en lite hensiktsmessig form for kunnskap med tanke på å forholde seg til omverdenen.

8.2

Kunne veksle mellom representasjoner i fysikk

Begrepet representasjoner blir brukt på ulike måter i didaktisk litteratur. En viktig distinksjon er på den ene siden eksterne representasjoner, slik som for eksempel tekst og bilder, og på den andre siden interne representasjoner eller mentale modeller som elever utvikler for å forstå innholdet i det som skal læres (Opfermann, Schmeck & Fischer, 2017). I det følgende er det eksterne representasjoner som er tema. I fysikk representeres kunnskap på ulike måter. Vi beskriver størrelser og sammenhenger med matematiske symboler og med fysikkfaglige begreper, vi lager grafiske framstillinger av de samme sammenhengene, og vi forholder oss til eksperimentelle oppsett og måleresultater. Vi deler gjerne slike representa sjonsformer i fysikk inn i fem hovedkategorier (Angell, Kind, Henriksen & Guttersrud, 2008; Dolin, 2002): • Fenomenologisk representasjon: En opplevelse eller beskrivelse av fenomenet slik det umiddelbart opptrer. Altså, hva er det som skjer slik vi kan observere det direkte? – Vi kan bruke et vertikalt kast som eksempel.: En gjenstand kastes opp over, bremses opp til den når en viss høyde og faller tilbake samtidig som farten nå øker. • Eksperimentell representasjon: Hvordan fenomenet opptrer eksperimentelt ved bruk av måleinstrumenter og annet utstyr. Her inngår også hvilke muligheter og begrensinger et eksperimentelt oppsett har.

elevers møte med fysikkfaget 127

– Det vertikale kastet kan undersøkes eksperimentelt ved for eksempel å måle posisjon og fart med en datalogger. • Grafisk representasjon: I fysikk inngår typisk tabeller, grafer, figurer og avbildninger som grafiske representasjoner. – Det vertikale kastet skal kunne beskrives med sammenhørende verdier for posisjon og tid, og for fart og tid i en tabell. Det kan også lages grafer som fremstiller ulike sammenhenger av målte verdier. • Matematisk-symbolsk representasjon: Hvordan fenomenet representeres i form av matematiske symboler og likninger. – Her kommer bevegelseslikningene som beskriver det vertikale kastet, altså v = v0 + gt og s = v0t + 12 gt 2 Dessuten kan både krefter og energi representeres med likninger, for eksempel G = mg , E = mgh eller E = 12 mv 2 • Begrepsmessig representasjon: Hvordan fenomenet kan uttrykkes gjennom klart definerte begreper og relateres til mer generelle sammenhenger. – Det vertikale kastet representeres ved hjelp av begrepene posisjon, fart og akselerasjon. Begreper som energibevaring, gravitasjon og felt kan også inngå. I tillegg til at eleven skal beherske hver enkelt av disse representasjonsformene, er fysikk et utfordrende fag fordi det også kreves at man kan gå mellom de ulike formene, og «oversette» et fysikkfaglig fenomen fra en representasjonsform til en annen. Vi ser ofte at elever har problemer med slike «oversettelser»; de kan for eksempel beherske en sammenheng på matematisk form, men gjenkjenner den ikke innenfor en eksperimentell representasjon. Eller de kan ha en god begrepsmessig forståelse av et fenomen, men klarer ikke å uttrykke den på matematisksymbolsk form. Å lære fysikk innebærer rett og slett å lære seg en hel rekke nye språk og tenkemåter (se også kapittel 14). Dette betyr at elevene ikke bare behøver trening i å bruke de ulike representasjonsformene, men også må få mulighet til å opparbeide kompetanse i å gå mellom de ulike representasjonsformene, for eksempel å forklare med ord hendelser beskrevet i grafer eller med matematiske symboler. Et viktig poeng er at bruken av representasjoner er en integrert del av vitenska pelig tenkning, og alle som skal lære å resonnere vitenskapelig, må kunne bruke og forstå innholdsspesifikke representasjoner (Kind, Angell & Guttersrud, 2017).

128 kapittel 8 Metoder for tilrettelegging for læring gjennom elevers aktive bruk av visuelle representasjonsformer er prøvd ut i en studie i det såkalte REDE-prosjektet (se Knain et al., 2017).

8.3

Elevers forestillinger i fysikk

Å lære fysikk innebærer også at eleven må ta inn over seg nye ideer som bryter fundamentalt med det eleven har bygd opp av forestillinger basert på erfaringer og fornuftige betraktninger om hvordan den fysiske verden fungerer. Det er utfordrende å endre på slike innarbeidede forestillinger, og det er derfor vesentlig for læreren å kjenne til hvilke forestillinger eleven gjerne sitter med. Det elevene allerede vet, er kanskje den viktigste faktoren som påvirker læring, eller som Ausubel har sagt: If I had to reduce all of educational psychology just to one principle, I would say this: the most important single factor influencing learning is what the learner already knows. Ascertain this and teach him accordingly. Ausubel, Novak & Hanesian, 1978, før forordet

Noe av forklaringen på at forestillingene elevene har med seg, har så stor innvirkning på ny læring, er at læring i betydelig grad er et samspill mellom eksisterende ideer og nye inntrykk. Studier av elevers forestillinger og begreper før og etter undervisning har hatt et betydelig fokus innenfor det fagdidaktiske forskningsfeltet gjennom mange år. Disse studiene er spesielt knyttet til det såkalte konstruktivistiske forskningsparadigmet som vi vil beskrive i kapittel 9. Noen typer av slike elev forestillinger kan kanskje sies å være uttrykk for at undervisning ikke er så effektfull eller vellykket som ønskelig. Begreper og forestillinger elevene har i forkant av undervisning i et emne, stammer ofte fra dagligspråket eller hverdagslige erfaringer, men de kan også stamme fra tidligere undervisning. Hva grunnen enn er, vil mange av elevenes ideer og forestillinger ikke være i overensstemmelse med dagens oppfatning innenfor fagfeltet, og de representerer derfor en viktig utfordring for fysikklæreren. Kortfattet kan vi si at for mange slike elevforestillinger gjelder: • De er fornuftige sett fra elevenes side • De bygger på erfaring • De kan på et vis forstås

elevers møte med fysikkfaget 129

• De deles av mange • De er motstandsdyktige overfor undervisning Siden forestillingene elever har, er så vesentlige for læring og undervisning, er omfanget av forskning på området formidabelt, med flere tusen rapporter om elevforestillinger bare innenfor fysikk. Den mest omfattende oversikten kommer fra Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften (IPN) (Duit, 2009), som fram til 2009 jevnlig ga ut en bibliografi over publikasjoner som omhandler forestillinger elever har. I denne boka presenteres også en del elevforestillinger innen ulike fysikkemner i del 5.

Eksempel 1. Elektriske kretser Elektrisitetslære, og spesielt elektriske kretser, er et område som har vært viet stor oppmerksomhet i den fagdidaktiske forskningen. Særlig blant elever på barne- og ungdomstrinnet er det avdekket mange forestillinger når det gjelder grunnleggende begreper i elektrisitetslære (Anderson & Kärrquist, 1979; Duit, Jung & Rhoeneck, 1985; Loughran, Berry & Mulhall, 2012). Det er identifisert en rekke modeller for elevtenkning omkring elektriske kretser med batterier og lamper. Sentrale faglige poeng for alle enkle elektriske kretser er at det er like stor strøm i hele kretsen, at både batteri og lampe har to poler, og strømmen brukes ikke opp, men det foregår energioverføring. Anderson og Kärrquist (1979) har kategorisert og beskrevet noen typiske forestillinger eller modeller elever kan ha og som strider mot disse faglige poengene. I «en-pol-modellen» holder det med én ledning mellom f.eks. batteri og lampe. «Stømforbruksmodellen» innebærer at de forskjellige komponentene i kretsen forbruker strøm etter hvert som strømmen passerer dem. Det er lite eller ingen strøm som kommer tilbake til batteriet. Denne forestillingen kommer klart fram i oppgaven gjengitt i figur 8.1. I «Konstant-strømkilde-modellen» gir batteriet en konstant strøm uavhengig av hvilke komponenter som inngår i kretsen. «Kollisjonsmodellen» innebærer at strømmen fra batteriet går gjennom begge ledningene og møtes i lampa og får den til å lyse. Noen undervisningsmessige grep for å møte disse modellene finnes i kapittel 19. Oppgaven i figur 8.1 belyser noen av elevenes forestillinger om elektrisk strøm og hva slags modeller de kan tenkes å ha. Oppgaven er «klassisk» i den forstand at ulike varianter av denne oppgaven er brukt i en rekke undersøkelser verden over, og resultatene er nokså sammenfallende.

130 kapittel 8 En lommelyktpære er koplet til et batteri slik at lampa lyser. Hvilken forklaring synes du er best?

A Strømmen går inn i lampa gjennom den ene ledningen. Den får glødetråden til å lyse, og like mye strøm går tilbake til batteriet gjennom den andre ledningen.

B Det går strøm til lampa gjennom begge ledninger. Strømmen møtes i glødetråden og får den til å lyse.

C Det går strøm til lampa fra en av polene på batteriet. Strømmen får glødetråden til å lyse.

D Strøm går inn i lampa gjennom den ene ledningen. Strømmen får glødetråden til å lyse. Det som er igjen av strøm, går tilbake til batteriet.

E Strøm fra begge polene på batteriet samles og går inn i lampa. Strømmen får glødetråden til å lyse.

Figur 8.1 Forklaringer på hvorfor lommelyktpæra lyser.

Blant elever på ungdomstrinnet er særlig «kollisjonsmodellen» (alternativ B) et populært valg i mange undersøkelser. Men også alternativ D («strømforbruksmodellen») og alternativ E har ofte god tilslutning. Til og med blant fysikkelever i den videregående skolen har det vist seg at dette er fagstoff som mange elever i beste fall har temmelig diffuse forestillinger om. Det blir ofte påpekt at vår språkbruk kan være med på å forsterke de forestillingene eller modellene elevene har. Vi får for eksempel «strømregning» fra energiselskapene, og det skulle jo indikere at vi betaler for noe vi har forbrukt. Men vi betaler ikke for oppbrukt strøm, men for den elektriske energien som blir overført til oss.

elevers møte med fysikkfaget 131

Når elever tror på strømforbruksmodellen, kan det henge sammen med et uklart elektrisitetsbegrep, eller at forståelsen for elektrisitetsbegrepene er annerledes utenfor naturfagklasserommet fordi de blir brukt annerledes. Hvis de sier at strømmen brukes opp, men samtidig ikke har noe klart strøm begrep, kan de mene noe mer diffust som at elektrisiteten brukes opp, basert på erfaringer med at batterier «går tomme» ved bruk. Kanskje er dette litt uklare elektrisitetsbegrepet nærmere et energibegrep enn et strømbegrep. I så fall kan det faktisk være noe riktig i tenkningen. Vi «bruker» jo noe, nemlig den energien som blir overført.

Eksempel 2. Krefter Problemer knyttet til elevers forståelse av kraft og bevegelse er kanskje det området som har vært gjenstand for flest undersøkelser, og det er dokumentert at kraftbegrepet er meget vanskelig. Det gjelder også elever som har valgt fysikk som fordypning i den videregående skolen. Forestillingen om at det må virke en netto kraft i bevegelsesretning når noe beveger seg med konstant fart, og at det er en form for indre kraft som får en gjenstand til å bevege seg i en kastebane, har vært selve kroneksemplene på det som i den naturfagdidaktiske litteraturen ofte er kalt alternative forestillinger. I en undersøkelse blant elever i 3. klasse i videregående skole viste Angell (1996) at mens 98 % av elevene svarte at en kraft kan virke i bevegelsesretningen, var det bare 45 % som svarte at kraften kan virke mot bevegelsesretningen. Oppgaven handlet om en gjenstand som bare var påvirket av én kraft. At en så stor andel av elevene ikke er fortrolig med at kraften godt kan virke mot bevegelsesretningen (for eksempel ved bremsing), sier noe om hvor lite intuitiv newtonsk mekanikk er. Og det sier noe om hvilke utfordringer en har i fysikkundervisningen. Oppgaven i figur 8.2 har vært en såkalt trendoppgave i TIMSS Advancedundersøkelsen, og denne oppgaven har faktisk vært med i alle de tre undersøkelsene i henholdsvis 1995, 2008 og 2015. Det gir oss anledning til å studere hvordan elevene svarer på denne oppgaven over et ganske langt tidsrom.

132 kapittel 8

To kraftmålere, L og M drar i hverandre som vist på figuren.

De to kraftmålerne er korrekt kalibrerte for å vise kraften i newton (N). Vi leser av kraften 4 N på L. Hva er kraften vi leser av på M dersom fjærkonstanten for L er dobbelt så stor som for M? A. 2 N B. 3 N C. 4 N D. 8 N

Figur 8.2 Oppgave om to kraftmålere. Basert på TIMSS 2015.

Tabell 8.1 viser svarfordelingen, og alternativ C er rett svar. Tabell 8.1 År

A Prosent

B Prosent

C* Prosent

D Prosent

1995

0,6

2008

0,8

23 (jenter 19, gutter 25)

2015

1,3

34 (jenter 23, gutter 38)

For det første ser vi at andelen av elevene som svarer riktig, er omtrent lik i 1995 og 2015, mens langt færre svarer riktig i 2008. At omtrent 1/3 av elevene (og enda færre i 2008) får til oppgaven, viser at oppgaven framstår som g anske vanskelig. Svarene fordeler seg ganske jevnt på de to distraktorene4 A og D, mens B blir praktisk talt ikke brukt. Det tyder på at få elever gjetter svaret, og at det er nokså tilfeldig om de ganger eller deler på to for å kompensere for den dobbelte fjærkonstanten. Vi legger også merke til at guttene svarer betydelig bedre på oppgaven enn jentene (se kapittel 27 for mer om TIMSS-testene og om kjønnsforskjeller). 4

Alternativene til det rette svaret i en flervalgsoppgave kalles gjerne for distraktorer.

elevers møte med fysikkfaget 133

En kan innvende mot oppgaven at elever kan bli «lurt» til å svare feil på grunn av opplysningen om fjærkonstanten. En skal virkelig være overbevist om at Newtons 3. lov gjelder for ikke å bli forvirret av den overflødige opplysningen om ulike fjærkonstanter. Elevene med høy totalskår på hele testen, altså de beste elevene, lar seg ikke på langt nær så lett «lure» som de svakere elevene (Angell, 1996). Uansett, det er verdt å merke seg at elevenes grunnleggende forståelse for Newtons 3. lov ikke ser ut til å ha endret seg vesentlig siden 1995, til tross for den oppmerksomheten kraftbegrepet har i skolefysikken, og ikke minst i den fysikkdidaktiske litteraturen.

Hvor kommer elevenes forestillinger fra? Som nevnt stammer begreper og forestillinger elevene har i forkant av undervisning, ofte fra dagligspråket eller hverdagslige erfaringer. Eksemplene over fra elektrisitetslære og mekanikk viser dette tydelig. Vi skriver mer om språkets rolle i undervisningen i kapittel 14. Men ulike forestillinger elever har, kan også stamme fra tidligere eller pågående undervisning. Det gjelder særlig temaer som ikke hører til dagliglivet. Her tenker vi på først og fremst på kvantefysikk og relativitetsteori. Dette kommer vi tilbake til i kapitlene 21 og 23.

Hva skal vi kalle elevenes ideer? I litteraturen er det brukt en rekke navn eller uttrykk på ideer som elever har og som avviker fra dagens vitenskapelige teorier og begreper, for eksempel misconceptions, alternative framework, intuitive physics, alternative conception eller student ideas. På norsk har blant annet betegnelsene hverdagsforestillinger, alternative forestillinger og intuitive ideer vært brukt. Alle disse ulike betegnelsene kan være uttrykk for forskjellige teoretiske ståsteder. F.eks. innebærer begrepet alternative framework en idé om at elevers forestillinger er reelle alternativer til vitenskapens aksepterte bilde. En annen ytterlighet kan representeres ved begrepet misconception: Hvis elevene uttrykker andre oppfatninger enn de allment aksepterte, beror det på feil eller misforståelser som kan rettes på hvis en bare forklarer de riktige sammenhengene på en mer forståelig måte. Begrepet hverdagsforestillinger innebærer et fokus på at de fungerer «til hverdags», og at de bygger på erfaring. Det som er vesentlig i vår sammenheng, er hvor dyptsittende (eller standhaftige) disse elev-ideene er, altså i hvilken grad de «overlever» undervisning, og hvordan læreren skal forholde seg til dem i undervisningen. Dette kommer vi tilbake til i slutten av dette avsnittet.

134 kapittel 8

Konsistens i elevtenkning Et viktig spørsmål om elevtenkning er i hvilken grad det er konsistens i elevforestillinger som ikke er i overensstemmelse med fysikkens beskrivelser. For eksempel, når en bruker begrepet alternative framework, kan det oppfattes som en form for ordnet kunnskapskonstruksjon hos eleven. Begrepet impliserer at en elev har et sett av ideer som er konsistente, og at ideene til sammen danner en sammenhengende og logisk beskrivelse av et naturvitenskapelig fenomen eller begrep. Rosalind Driver var en meget toneangivende forsker innenfor det naturfagdidaktiske feltet både i Storbritannia, som hun kom fra, og internasjonalt. Spesielt i sine tidlige arbeider poengterte hun at elevenes begreper utgjorde alternative framework (Driver & Easley, 1978), som assosieres med former for generelle, strukturerte og konsistente teorier. I senere arbeider (se f.eks. Clough & Driver, 1986; Driver & Erickson, 1983) reises imidlertid spørsmålet om stabilitet og konsistens i elevers forestillinger. La oss illustrere dette med et eksempel fra fysikken: Vi holder et lodd i en snor og lar den svinge som en kjeglependel. Hele tiden mens loddet beveger seg, virker det krefter på loddet. Det er tyngden (tyngdekraften fra jorda) og kraften fra snora som holder loddet i banen. Flere krefter er det ikke! Det har vist seg at mange fysikkelever aksepterer denne analysen av krefter som virker på et pendellodd. Riktignok vil noen mene at det i tillegg må være en kraft som «drar» loddet utover. Det er jo på en måte det vi kjenner når vi holder i snora. Men nå snakker vi om kreftene på loddet, og da er det ingen slik kraft som virker utover. Ofte blir den «følte» kraften kalt sentrifugalkraft, selv om den ikke er en kraft i newtonsk forstand.5 Hvis vi derimot spør om hvilke krefter som virker på oss når vi sitter i en bil som kjører i en sving, vil mange svare at her er det en kraft (sentrifugalkraft) som drar oss utover. Men det er det ikke. Også her er det krefter fra bilen (setet, bilbeltet, bildøra og liknende) som holder oss i bilens bane gjennom svingen. Fra et fysikk-synspunkt er altså analysene av krefter på pendelloddet og personen i bilen ekvivalente, men i bil-eksempelet har elevene selv følt «kraften» som drar oss utover i svingen. Vi ser altså at forestillinger knyttet til samme fysiske fenomen kan være sterkt avhengig av konteksten, og av opplevelser elever kan relatere til denne. Forestillingene er altså ikke del av et konsistent tankemønster (alternative framework).

Sentrifugalkraft får imidlertid mening hvis vi innfører det vi kaller fiktivkrefter, men det er ikke tema her.

elevers møte med fysikkfaget 135

Forholdet mellom hverdagsbegreper og vitenskapelige begreper var også sentralt for den russiske læringsteoretikeren Lev S. Vygotsky (1896–1934). Ifølge Vygotsky (1987) er hverdagsbegreper basert på konkrete hendelser og er ikke deler av et sammenhengende tankemønster. Hverdagsbegreper eller spontane begreper er usystematiske, og de er sterkt kontekstbundne. Erfaringer, kontakt med konkrete gjenstander og uformelle sosiale kontakter danner grunnlaget for hverdagsbegreper. Disse begrepenes basis er ikke kritisk tenkning og evidens, men gjensidig forståelse av felles erfaring gjennom sosial interaksjon (se også kapittel 9). Andrea diSessa er fysiker og fysikkdidaktiker, og han hevder at det finnes to svært ulike syn på det han kaller intuitiv fysikk (diSessa, 1993). Det første synet innebærer at elever på basis av sine hverdagserfaringer utvikler bemerkelsesverdig velartikulerte naive teorier, og at slike naive teorier er ganske konsistente. diSessa avviser dette synet og hevder at intuitiv fysikk ikke likner teorier slik en bruker ordet i naturvitenskapelig forstand. Det andre synet innebærer derimot at intuitiv fysikk er en fragmentert samling ideer, intuitive ideer, som er løst knyttet sammen og mangler helt den systematikk som kjennetegner vitenskapelige teorier. Det er nærliggende å se diSessas oppfatning av intuitiv fysikk og intuitive ideer i sammenheng med Vygotskys bruk av spontane og vitenskapelige begreper. Begrepsbruken om elevers forestillinger er utførlig diskutert i Angell (1996).

Elevtenkning og undervisning Et sentralt mål innenfor det fysikkdidaktiske feltet er å forstå elevtenkning for å kunne forbedre undervisning og læring. Imidlertid inneholder elevenes tenkning en rekke ulike aspekter og nyanser, og det er naturligvis ikke bare én måte å møte elevenes forestillinger på. I noen tilfeller vil læreren gjennom samtale eller kanskje ved hjelp av et eksperiment kunne konfrontere elevene med at deres (alternative) forestillinger er uholdbare og må endres. I andre tilfeller vil det være mer naturlig å ta utgangspunkt i elevens (intuitive) ideer som er riktig, og bygge videre på dette. I eksempel 1 (se avsnitt 8.3) la vi blant annet vekt på at en «strømforbruksmodell» faktisk inneholder noe korrekt. Hvis begrepet strøm egentlig oppfattes mer i retning av energi, er «strømforbruksmodellen» langt på vei riktig. Med andre ord, hvis vi ikke oppfatter «strømforbruksmodellen» som en alternativ forestilling som må endres i sin helhet, men heller betrakter den som det vi

136 kapittel 8 har kalt en «intuitiv idé», kan det få andre undervisningsmessige konsekvenser enn ren avlæring. Et eksempel til, denne gangen fra mekanikken, kan illustrere dette poenget: Mange har en forestilling om en iboende kraft (impetus) som får en stein til å bevege seg framover etter at den er kastet. Dette passer ikke med Newtons teori om krefter, men hvis vi i stedet oppfatter den iboende kraften som bevegelsesmengde, er vi kanskje ikke så langt fra fysikkens beskrivelse likevel. Fragmenter av noe som er riktig i elevenes mer eller mindre ustrukturerte begreper, kan utnyttes og bygges videre på i undervisningen. Eksemplene foran viser på ulike sett at det kan være mer riktig i denne type elevsvar enn det en som lærer ofte oppfatter. I mange tilfeller er presisering av fysikkens begreper en nøkkel til å komme videre. I andre tilfeller vil det være mer hensiktsmessig å konfrontere elevenes tenkning gjennom eksempler eller erfaringer som støtter opp om en mer naturvitenskapelig oppfatning eller uttrykksmåte. Dette kommer vi tilbake til i kapittel 9.1 om konseptuell endring.

Fysikk og hverdagskunnskap Som fagpersoner må vi kunne akseptere at elever har begreper og forståelse av fenomener som ikke er i overensstemmelse med dagens vitenskap, men som likevel kan være verdifulle i hverdagslivet. For eksempel er forestillingen om at vi «bruker opp» energien, ikke i overensstemmelse med energibevaringsloven. Likevel fungerer den helt utmerket i hverdagen selv om det her dreier seg om at energien går over til mindre tilgjengelige former snarere enn at den blir «oppbrukt». Imidlertid må det framheves at i mange sammenhenger trenger elevene vitenskapelige begreper for å kunne oppnå en tilfredsstillende forståelse. Mange elever holder likevel fast ved sine alternative forestillinger fordi de har vist seg nyttige i visse sammenhenger. De fleste av oss er medlemmer av ulike subkulturer som vi beveger oss mellom i vårt daglige liv. For elever kan familien representere én subkultur, vennegjengen en annen og idrettslaget en tredje. Fysikklasserommet kan også betraktes som en egen subkultur, med egne normer og egen terminologi (se mer om dette i Sjøberg (2009)). Elever vil selvsagt bringe med seg noe av kulturen fra dagliglivet i familien eller vennegjengen inn i klasserommet, og dermed bringer de også med seg måter å beskrive fysiske fenomener på. Å lære fysikk kan slik beskrives som å krysse grensen fra dagliglivets kultur(er) over i f ysikkulturen. Denne grensekryssingen kan i mange tilfeller være problematisk for elevene,

elevers møte med fysikkfaget 137

spesielt i tilfeller der de har med seg forestillinger fra hverdagskulturen (se også Aikenhead, 1996, 2000). Det blir ofte sagt at lærerens rolle er som en tilrettelegger og inspirator. En lærers kunnskap om og forståelse av elevers forestillinger og ideer blir nødvendigvis temmelig avgjørende i dette perspektivet. Læreren må kjenne til, og kunne diagnostisere, forestillinger som elever ofte har, og se hvordan de er forbundet med elevenes hverdagskunnskap. Videre må man i undervisningen kunne utnytte og bygge på elevenes intuitive ideer, og utfordre alternative forestillinger. Læreren har som oppgave å legge til rette for at elevene får utvikle og bruke vitenskapelig tenkning, begreper og uttrykksmåter, altså vektlegge at elevene får trening i å ta i bruk fysikkspråk og representasjoner i fysikk.

138 kapittel 9

Kapittel 9

Perspektiver på læring Hvordan kan vi forstå elevenes problemer med fysikkfaglig stoff som forestillingene beskrevet i forrige kapittel vitner om? Hvorfor beholder de sine feilaktige forestillinger selv om de har fått grundig undervisning om emnet? Hvordan bør læreren tilrettelegge undervisningen slik at elevene lærer? For å kunne svare på disse spørsmålene må vi forstå hva læring innebærer. I enhver undervisningssituasjon er jo tanken at den som kan noe – læreren – lærer «fra seg» det han eller hun kan til den som skal tilegne seg denne kunnskapen, det vil si eleven. Dette gjelder også når eleven skal lære «fra» en lærebok eller en datamaskin. Ideen som ligger i formuleringen ovenfor, er at kunnskap «overføres» fra en lærer til en elev. Men vi vet alle at så enkelt er det ikke. Kunnskap overføres ikke uten videre til oss bare ved at vi hører på en lærer eller leser det som står i en bok. Vi sitter ikke igjen med en kopi av lærerens forståelse etter å ha hørt på en forklaring. Eleven møter undervisningen med gitte forutsetninger, forkunnskaper og forestillinger, og det krever aktiv innsats for å tilegne seg ny kunnskap og gjentatt øving for at kunnskapen skal feste seg. Verbene brukt i setningen foran (tilegne seg, feste seg) antyder likevel at vi tenker på kunnskap som om det var noe materielt eleven får fra læreren eller omgivelsene. Kunnskap er noe man kan få, og ha, og også kan miste. Denne ideen ligger da også innbakt i metaforen som uttrykker det mest banale synet på læring, det vi gjerne henviser til som «flaskepåfyllingsmodellen». En ser her for seg eleven som en tom (eventuelt halvfull) flaske som fylles opp utenfra med innhold i form av kunnskap. Flaska selv er et passivt objekt i denne prosessen. Moderne syn på læring tar imidlertid alle utgangspunkt i at læring er en aktiv prosess, og at kunnskap er en del av personen selv snarere enn noe personen «har». I dette kapitlet presenteres noen ulike perspektiver på kunnskap og læring, og hvordan disse på ulike måter kan ligge til grunn for planlegging og gjennomføring av undervisning i fysikk slik at vi kan møte elevers utfordringer og fremme deres læring i faget.

perspektiver på læring 139

9.1

Konstruktivisme som læringssyn

I kapittel 1 var vi inne på konstruktivisme, og særlig radikal konstruktivisme i et epistemologisk perspektiv. Her skal vi i hovedsak konsentrere oss om konstruktivisme som læringssyn. Konstruktivisme er et begrep som brukes om ulike retninger innenfor både erkjennelsesteori og læringsteori. Felles for disse retningene er at man ser på kunnskap som konstruert mening. Det betyr at kunnskap ikke mottas passivt, men bygges aktivt opp av det tenkende individ. Det er dette som blir omtalt som triviell konstruktivisme (Glasersfeld, 1992) eller konstruktivismens premiss (Quale, 2008). Ifølge konstruktivismen etableres kunnskap gjennom en tilpasningsprosess der individets forståelser og ideer om sammenhenger testes ut og justeres til de er forenlige med individets erfaringsverden. Dette representerte i sin tid et brudd med behaviorisme som retning i læringspsykologien, hvor man hadde fokus på kartlegging av hvordan visse stimuli ga visse resultater (respons). Knyttet til undervisning og læring innebærer en slik stimuli‒respons-modell at man utelukkende forholder seg til hvilken observerbar adferd ulike undervisningsaktiviteter fører til. Konstruktivismen derimot, innebærer at man søker å forstå hva som skjer i selve læringsprosessen. Det som kommer ut av en lærers munn, er et uttrykk for lærerens kunnskap, men fører ikke nødvendigvis til læring for elevene. I et konstruktivistisk perspektiv er eleven et subjekt som selv konstruerer sin forståelse i møte med inntrykk utenfra, for eksempel fra undervisning, fra en lærebok eller fra en praktisk situasjon. Innen læringsteori skiller man gjerne mellom individuell eller personlig konstruktivisme og sosialkonstruktivisme. Begge disse perspektivene har hatt stor innvirkning på tenkning og praksis innenfor realfagdidaktikk.

Individuell konstruktivisme Individuell konstruktivisme har fokus på individet, og på hvordan læring foregår under påvirkning fra den ytre verden, både den materielle og den sosiale (Driver, Asoko, Leach, Scott & Mortimer, 1994). Spesielt innen realfagsdidaktikk har den tatt utgangspunkt i teoriene til den sveitsiske psykologen og filosofen Jean Piaget (1896–1980). Han beskriver individets kunnskap som representert gjennom kognitive skjema som inngår i mer omfattende kognitive strukturer. Læring krever at disse strukturene utvides eller modifiseres. Når individet møter inntrykk utenfra gjennom observasjoner, samtaler, lesing og annet, kan de kognitive skjemaene forsterkes gjennom assimilasjon, dersom inntrykkene utenfra er i samsvar med det individet kan fra før. Dersom de nye inntrykkene ikke

140 kapittel 9 er i samsvar med eksisterende kognitive skjema, oppstår en kognitiv konflikt. Konflikten mellom hva man kan fra før og nye inntrykk kan enten resultere i at den nye kunnskapen avvises, eller at de kognitive skjemaene endres. Denne endringen av kognitive skjema kalles akkommodasjon. Når konstruktivisme som læringssyn knyttet til naturfagene skal beskrives, vil mange ta utgangspunkt i den grunnleggende artikkelen til Driver og Easley fra 1978. Noe av hovedpoenget deres er at kunnskap eksisterer i det erkjennende individ, og de legger vekt på elevenes personlige måter å konstruere teorier om verden på (Driver & Easley, 1978). Ved å fokusere på elevers egne forestillinger la de grunnlaget for den suksessen konstruktivismen har hatt i mange naturfagdidaktiske miljøer (særlig i tiårene før år 2000). Dette perspektivet på læring har ligget til grunn for en stor mengde forskning utført for å avdekke elevers forestillinger innenfor ulike temaer i naturfagene, og spesielt i fysikk (se også kapittel 8). Man mente, og mener, at kunnskap om de forestillingene elevene møter faget med, er helt avgjørende for hvordan undervisningen bør legges opp. En rekke testoppgaver ble laget for å avdekke ulike forestillinger og skape kognitive konflikter som utgangspunkt for undervisning.

Konseptuell endring Hva skal så til for at elever skal endre sine forestillinger, altså at undervisningen leder til det vi kaller en konseptuell endring? Posner et al. (1982) foreslo i sin tid fire betingelser for at konseptuell endring skulle skje: 1. 2. 3. 4.

eksisterende begreper må oppleves som utilstrekkelige et nytt begrep må være forståelig et nytt begrep må synes plausibelt et nytt begrep må kunne åpne for nye problemstillinger og ny kunnskap

Duit og Treagust (1995) poengterer at det er tre ulike typer kognitive konflikter: a) mellom elevenes forutsigelser i et eksperiment og det som faktisk kommer ut av eksperimentet, b) mellom elevenes begreper og lærerens begreper, og c) mellom elevenes begreper seg imellom. Mange studier framhever at kognitive konfliktstrategier i undervisningen har vært effektfulle. Likevel påpeker de også at en må være varsom. Det avgjørende er om elevene virkelig ser konflikten. Hva som synes å være en konflikt sett fra lærerens perspektiv, behøver nødvendigvis ikke være det sett fra elevens synspunkt. Kort sagt: Elevene må utsettes for kognitive konflikter gjennom oppgaver og praktisk arbeid slik at de kan vurdere det som

perspektiver på læring 141

nødvendig eller ønskelig å endre sine begreper og sine konseptuelle rammeverk. Langt på vei vil de undervisningsmessige konsekvensene av et slikt syn innebære å konfrontere elevene med deres alternative forestillinger eller intuitive ideer slik at de selv kan innse at de må endre sin forståelse av et begrep eller et fenomen. Likevel viser det seg at det er vanskelig å utrydde gamle forestillinger fullstendig (se kapittel 8), og de vil også kunne eksistere parallelt med vitenskapelige begreper. En undervisningsmessig konsekvens av dette vil være at en synliggjør for elevene i hvilke sammenhenger hverdagsbegrepene har begrenset verdi og der de vitenskapelige begrepene er mer verdifulle. Erfaringer og sanseinntrykk er viktige, men de kommer ikke til oss med innebygde begreper eller forklaringsmodeller. Forklaringsmodeller må eleven selv gjette på, lage, konstruere, og prøve ut for så å se om de er forenlige med sanseinntrykk og tidligere erfaringer. Denne gjettingen eller konstrueringen gjøres selvsagt ikke i et vakuum, siden elevene også lytter til lærer og leser i læreboka. Men siden innsikt ikke overføres direkte, så må eleven lage seg hypoteser om hva det er lærer og lærebok prøver å fortelle. Disse hypotesene er det elevene så i neste runde kan se om gir mening i lys av tidligere observasjoner og forståelser og videre sanseinntrykk gjennom lytting, lesing og observasjon.

Kritikk av individuell konstruktivisme Mange har reist kritikk av konstruktivismen, basert på både vitenskapsfilosofi og pedagogisk teori (se for eksempel Jenkins, 2000; Matthews, 1992a, 1994; Nola, 1997). Michael Matthews (1992a, 1994) hevdet at konstruktivisme bare er en nyformulering av tradisjonell empiristisk teori, altså at den som vil utforske virkeligheten, må bygge på erfaring, og at all kunnskap i siste instans kan føres tilbake til sansene. Forholdet mellom vitenskapelige begreper og hverdagslige erfaringer utgjør et sentralt poeng i Matthews kritikk. Teoretiske begreper utvikles ikke fra umiddelbare erfaringer, like lite som de refererer direkte til slike erfaringer Matthews skriver bl.a.: Problemet for konstruktivistene er hvordan de, gitt deres prinsipper, skal få barn til å tro, forstå og gjøre vitenskapelige ideer meningsfulle som ikke bare går utover deres erfaring, men ofte er i direkte motstrid til deres erfaringer. Matthews, 1994, s. 55, vår oversettelse

Det er med andre ord få som vil kunne lære f.eks. newtonsk mekanikk fra hverdagslige erfaringer. «Virkeligheten» oppfører seg tilsynelatende ikke-newtonsk.

142 kapittel 9 Konstruktivisme som læringssyn, og særlig triviell konstruktivisme, kan synes å framstå som selvfølgelig i vår dager. Ingen vil benekte at erkjennelse produseres aktivt, det er ikke noe som bare hender. Dermed representerer ikke triviell konstruktivisme noe nytt. Den er trivielt sann. Det er imidlertid mulig at et trivielt konstruktivistisk syn kan gi pedagogisk innsikt som ikke er triviell. Resultatet av mange års forskning på elevers forestillinger viser dette. Også kritikere av konstruktivisme, som dem referert ovenfor, har pekt på at konstruktivisme støtter en form for interaktiv, antidogmatisk og engasjerende undervisning som utvikler kritisk sans og forståelse.

9.2

Sosialkonstruktivisme og sosiokulturelle syn på læring

Innen konstruktivisme som læringssyn ser en på læring i et individuelt pers pektiv, selv om man tar hensyn til den sosiale konteksten og betydningen av språk i læringsprosessen. Alle retninger innen konstruktivisme baserer seg på at kunnskap er noe som konstrueres av individet, med mer eller mindre fokus på den sosiale konteksten læringen foregår i. I sosialkonstruktivismen og særlig innen sosiokulturelle syn på læring får den sosiale og kulturelle konteksten en langt mer fundamental rolle, ved at den er med å bære selve kunnskapen. I de neste avsnittene omtaler vi disse perspektivene på læring samt noen flere aspekter av det som kan sies å høre til sosiokulturell læringsteori.

Sosialkontruktivisme Individuell konstruktivisme og Piagets teorier, eller snarere bruken av dem, er blitt mye kritisert fordi de utelukkende tar et individuelt utgangspunkt for å forstå hvordan læring foregår. Innen sosialkonstruktivisme som læringssyn legges det mer vekt på den sosiale konteksten læringen foregår i. Joan Solomon (1987, 1994) er en av dem innenfor det realfagdidaktiske feltet som klart har anlagt et sosialkonstruktivistisk perspektiv. Hun hevder at spesielt de første årene i den konstruktivistiske æra (1978–86) var i stor grad den individuelle konstruksjon av kunnskap i fokus, og at det var manglende interesse for de sosiale aspekter. Men ifølge Solomon er personlig kunnskap notorisk usikker hvis den ikke blir sosialt forsterket. Hun henviser til Vygotsky når hun sier at våre vanlige måter å kommunisere på er mer enn bare å overlevere meldinger. Vi kommuniserer ikke så mye for å beskrive ting som de «virkelig» er, men

perspektiver på læring 143

for å dele meninger med andre. Dette gjøres ikke gjennom sammenlikning av erfaringer, men gjennom en operasjon av «intersubjektivitet som prosess» (Solomon, 1994). Begrepet intersubjektivitet brukes her om en prosess der meninger uttrykkes og utveksles i et språk som deltakerne er sosialisert inn i.6 Man utvikler altså et felles språk for felles erfaringer, og dette språket blir en vesentlig del av deltakernes kunnskaper knyttet til erfaringene. For å utvikle ny kunnskap må elevene derfor få anledning til å delta i en sammenheng hvor fysikkens språk brukes. De må også få prøve ut nye fagspesifikke måter å snakke på. I kapittel 14 skal vi se nærmere på språkets betydning i undervisningen.

Sosiokulturelle læringssyn Sosiokulturelle læringssyn har sitt utgangpunkt i et perspektiv basert på Vygotskys arbeider (Vygotsky, 1978, 1987). Sentralt hos Vygotskys er ideen om at læring innebærer en vei fra en sosial kontekst til individuell forståelse. Det betyr ganske enkelt at vi møter nye ideer i sosiale situasjoner der vi kommuniserer ved hjelp av å snakke, skrive, lage bilder osv. Vygotsky framhever at slik kommunikasjon eller interaksjon eksisterer på et sosialt plan, som for eksempel kan være et klasserom. Aktiviteter i klasserommet gir hver elev muligheter til å reflektere over og utvikle individuelle meninger om det som blir kommunisert. Ord, gester og bilder brukt i den sosiale situasjonen gir de nødvendige redskapene som trengs for individuell tenkning. Vygotsky bruker begrepet internalisering, og med det menes prosessen der enkeltindivider blir i stand til å bruke begreper og ideer alene etter først å ha lært å bruke disse på det sosiale plan (Vygotsky, 1987). Læreren og medelever i en sosial kontekst spiller derfor en viktig rolle i læringsprosessene ved å stimulere til språklig deltakelse og individuell konstruksjon av kunnskap. Det er altså en overgang fra det sosiale til det individuelle planet. Sagt på en annen måte: Dette innebærer et skifte av fokus fra eleven som enslig tenker til eleven i en sosial kontekst der hverdagsbegreper integreres i et system av sammenhengende begreper gjennom interaksjon med andre. Mortimer og Scott (2003, s. 10, vår oversettelse) sier om det sosiokulturelle perspektivet: Hvis du er interessert i hvordan læring foregår for eksempel i et naturfagklasserom, er et godt sted å starte å undersøke samtalene (snakkingen) og andre former for kommunikasjon i klasserommet. 6

I vitenskapsteori brukes vanligvis begrepet intersubjektivitet om det forhold at observasjoner, data, lover, teorier osv. i prinsippet foreligger på samme måte for, og kan etterprøves av, enhver kompetent person.

144 kapittel 9 Språk er et nøkkelbegrep i det sosiokulturelle perspektivet, fordi språket er det viktigste redskapet for å kunne kommunisere og tilegne seg kunnskaper i fellesskap. Ifølge tradisjonen etter Vygotsky er bruk av språk og andre tegn også en forutsetning for konstruksjon av kunnskap. Og i tråd med ideen om internalisering er det språket som er verktøyet for individuell tenkning. I dagliglivet bruker vi et hverdagslig språk til å snakke og tenke om verden. Ofte er slike måter å snakke på ganske så spontane i den forstand at de er uten bevisste refleksjoner og tenkning. Vi kan for eksempel si at «jeg brukte opp all energien min på skituren». Det blir forstått, og det er ingen grunn til å trekke inn prinsippet om energiens bevaring. Vi tar opp flere aspekter ved språk og læring i kapittel 14. Vygotsky peker på at det er viktig for læring av vitenskapelige begreper at elevene på forhånd har utviklet spontane begreper i hverdagslivet som det kan bygges videre på. Læring av vitenskapelige begreper vil igjen virke tilbake på de spontane begrepene og bidra til økt systematikk og bevissthet i elevens tenkning. Elevers hverdagsforestillinger eller alternative forestillinger kan i denne sammenheng betraktes som startpunkter for utvikling av ønskede vitenskapelige begreper (Howe, 1996). Vygotsky knyttet bl.a. uttrykket den nærmeste utviklingssonen (på engelsk: zone of proximal development, ZPD) til samspillet og den gjensidige påvirkningen mellom spontane og vitenskapelige begreper innenfor skoleundervisningens rammer. Den nærmeste utviklingssonen betegner forskjellen på det en elev kan hanskes med på egen hånd, og det han eller hun kan løse av oppgaver under medvirkning av en lærer eller en annen person med mer ekspertise (Vygotsky, 1978). Undervisning basert på et sosiokulturelt læringssyn vil naturlig nok ta utgangspunkt i gruppa eller klassen av elever og lærer. Det må legges til rette for aktiviteter og diskusjoner både i små grupper og i hele klassen der elevene får anledning til å sette ord på sin forståelse av begreper og fenomener og få hjelp til å utvikle språket og forståelsen videre. Læringsressursene om kvantefysikk og generell relativitetsteori som vi omtaler i kapittel 21 og 23, er i stor grad bygd opp i et slikt perspektiv.

Kunnskap som situert og læring i praksisfellesskap Med et syn på kunnskap som situert ser man på kunnskap som uløselig knyttet til den konteksten hvor den er utviklet og blir anvendt. En sier at kunnskapen er situert i den aktuelle konteksten. Begrepet forbindes gjerne med de to amerikanske læringsteoretikerne Jean Lave og Etienne Wenger (se for eksempel

perspektiver på læring 145

Lave & Wenger, 2003). De hevder at konteksten for kunnskapen er en vesentlig komponent av selve kunnskapen, og kunnskap tilegnet i én kontekst kan derfor ikke uten videre overføres til nye kontekster. Med dette perspektivet på kunnskap vil man i undervisningssammenheng legge vekt på hvilke kontekster man presenterer læringsinnholdet i. For å skape en robust og anvendelig forståelse av begrepet kraft i mekanikken vil man for eksempel ta for seg krefter på ulike objekter i helt ulike omgivelser og situasjoner. Videre vil man, hvis hensikten er at elever skal opparbeide seg kunnskap i å bruke energienheter i dagliglivet, måtte bruke nettopp eksempler fra dagliglivet i undervisningen. Vi kan ikke forvente at elevene uten videre skal kunne overføre begreper lært i en viten skapelig sammenheng til ulike hverdagssituasjoner. Konteksten hvor begrepet skal anvendes, bør være del av hvordan begrepet presenteres. Da kan anvendelsen bli en del av elevenes kunnskap om energi, og fysikkfaglig kunnskap en integrert del av hvordan elevene vil forholde seg til energibruk i dagliglivet. Et syn på læring som situert innebærer altså at konteksten kunnskapen skapes og anvendes i, er en vesentlig komponent av kunnskapen. Dette innbefatter også den sosiale konteksten. Fra Wenger (1998) har vi begrepet «communities of practice», eller «praksisfellesskap», som i senere år har fått en del oppmerksomhet innen fagdidaktikk. Et praksisfellesskap rommer normer for hva som er nyttig og gyldig kunnskap, hvilke verktøy en tar i bruk for å løse problemer, og hvilke måter disse kan brukes på. Denne måten å forstå kunnskap på innebærer at man plasserer kunnskap i en kultur, ikke primært som en egenskap ved individer. Dette er vesensforskjellig fra konstruktivisme, hvor man ser kunnskap som konstruert av individet og antar at denne kunnskapen befinner seg i individets bevissthet. I sosialkonstruktivisme ser man denne kunnskapen som konstruert i et fellesskap, men fortsatt er det individet som innehar kunnskapen. I et situert syn på læring ser man på praksisfellesskapet, ikke individet, som bærer av kunnskapen. Fysikklasserommet kan ses på som et slikt praksisfellesskap; det samme kan en gruppe fysikkforskere. Ideen om praksisfellesskap inkluderer også et syn på læring. Her vil en ofte sammenlikne med hvordan læring foregår i de tradisjonelle håndverksfagene. En lærling vil over tid bli del av et praksisfellesskap ved å arbeide over lang tid sammen med sin mester og andre utøvere. Gradvis blir lærlingen et fullverdig medlem av praksisfellesskapet og den kunnskapstradisjonen dette utgjør. I prosessen beveger lærlingen seg i det Vygotsky har kalt den nærmeste utviklingssone. I denne sonen vil eleven utvikle sine kunnskaper og ferdigheter ved å løse problemer ved hjelp fra en lærer eller mester.

146 kapittel 9 Hvis vi tar denne måten å tenke læring på med oss inn i klasserommet for fysikk og andre realfag, vil man legge vekt på at lærer og elever bør samarbeide om å løse utfordrende oppgaver i faget, planlegge et forsøk eller et større prosjektarbeid. Læreren fungerer som modell for elevene, ikke fordi han eller hun har de riktige svarene på rede hånd, men ved å løse problemer sammen med elevene. Læreren vil på denne måten innføre elevene i måter man angriper prob lemer på, hvordan man stiller gode spørsmål, og hvordan man kan kombinere kunnskap for å oppnå et resultat i teoretisk eller eksperimentell sammenheng. I læringsteorien betegnes dette som apprenticeship (lærlingordning), og når betegnelsen utvides til arbeid som i større grad er intellektuelt (kognitivt) enn håndverksmessig, snakker man om cognitive apprenticeship (Brown, Collins & Duguid, 1989). Dette gjør fysikkeleven til en «lærling» i fysikk og en deltaker i fysikk som praksisfellesskap.

Oppsummering: Læring som tilegnelse og deltakelse Ideen om læring som deltakelse, som beskrevet i det foregående, utgjør én av to metaforer som brukes for å illustrere hovedkategorier av læringssyn, nemlig tilegnelse og deltakelse (Paulsen, 2003; Scott, Asoko & Leach, 2007; Sfard, 1998). Fagdidaktikeren Sfard (1998) hevder at vi trenger begge metaforene for å kunne beskrive læring og kunnskap, og at det er uheldig å bare fokusere på en av dem. Læring som tilegnelse innbefatter kognitive syn på læring, slik som konstruktivisme og sosialkonstruktivisme. Eleven skal tilegne seg kunnskaper, ferdigheter og det språket som faget forvalter. Kunnskaper betraktes her nærmest som en materiell substans som kan formidles, deles med andre og lagres hos enkeltindivider og i lagringsmedier slik som bøker eller datamaskiner. Pers pektivene på læring i denne kategorien hjelper oss til å identifisere og forstå noen av de utfordringene elever har med denne tilegnelsen. Situert læring inngår i deltakelse som metafor for læring. Her dannes elevens kunnskap gjennom medvirkning i det kunnskapsfeltet faget representerer på en mer dynamisk måte. Kunnskapen er manifestert i et fellesskap av samhandlende mennesker, og er således ikke klart lokalisert på et enkelt sted eller i et individ. Å tilrettelegge for læring vil med dette perspektivet i større grad fokusere på elevens målrettede aktivitet sammen med læreren enn å definere det eksakte faginnholdet som skal formidles fra lærer til elev.

perspektiver på læring 147

9.3

Læring som erfaringer

Erfaringers betydning for læring forbindes ofte med den amerikanske utdanningsfilosofen John Dewey (1859–1952) (se for eksempel Aasen, 2008). Dewey (1909) hevdet at utvikling av tenkning og kunnskap skjer gjennom refleksjon over erfaringer og inntrykk. Slik refleksjon består av to sammenflettede prosesser. I møte med nye erfaringer eller ny informasjon vil elever spontant kunne utvikle tentative forslag til forklaringer. Under utvikling av disse tentative forklaringene bruker eleven sin eksisterende kunnskap som grunnmur og ressurs. Slike tentative forklaringer vil derfor tendere til å være konsistente med kunnskaper vi har fra før. I den andre refleksjonsprosessen utledes logiske kon sekvenser av den tentative ideen, og disse testes mot ny informasjon. Gjennom slike doble refleksjonsprosesser, gjerne i flere runder, utvikles ny innsikt. Den tentative forklaringen fra første refleksjon kan selvfølgelig være utilstrekkelig, men er nødvendig for utvikling av ny innsikt. Denne første refleksjonen innebærer nemlig et kreativt sprang, og kan forklare hvordan elever, og vi alle, kan utvikle nye faglige tenkemåter som går på tvers av intuisjon og hverdagsforestillinger. Dewey sin tenkning har klare likheter med hypotetisk-deduktiv tenkning (se kapittel 3), men ble utviklet før dette begrepet kom. En erfaring i Deweys læringssyn er en helhetlig opplevelse av et fenomen som inkluderer både observasjoner, emosjoner og refleksjon. Dewey peker på at doble refleksjonsprosesser oppstår når vi er engasjert i en problemstilling. Engasjement hevder Dewey at kommer naturlig når elever jobber med praktiske arbeidsoppgaver som oppleves som relevante, og hvor eleven samtidig møter problemer som krever utvikling av ny innsikt. Slike problemer kan vi i fysikkundervisningen tilrettelegge for gjennom bruk av ulike former for praktisk arbeid. Fokuset på engasjement innebærer at en emosjonell dimensjon løftes fram som forutsetning for læring. Dette er også vektlagt i nyere læringsforsk ning (National Academies of Sciences Engineering Medicine, 2018) og i utredningen som ligger til grunn for Fagfornyelsen (NOU 2014:7, 2014). Hos Dewey inkluderer denne emosjonelle dimensjon også estetiske opplevelser. I tillegg til fascinerende eksperimenter har vi i fysikk også formler, sammenhenger og prob lemløsning, som f.eks. gjennom sin enkelhet eller forklaringskraft kan vekke estetiske opplevelser hos elever. Gjennom vekt på elevenes utvikling av tentative forklaringer i første refleksjonsprosess kan undervisning inspirert av Dewey sin tenkning også lettere få fram den kreative dimensjonen av fysikkfaget. Uttrykket «Learning by doing», som ofte brukes om Dewey sin læringstenkning, kan lett misforstås og brukes til å legitimere ulike varianter av akti-

148 kapittel 9 vitetsbasert læring. Men det er opplagt at en elev ikke vil tilegne seg kunnskap f.eks. om Newtons lover ved å gjøre eksperimenter med objekter helt på egen hånd. I undervisningen er det derfor nødvendig å ta innover seg at når Dewey diskuterer læring basert på erfaring, så snakker han om refleksjon over disse erfaringene. Det er refleksjonen som muliggjør utvikling av innsikt. Refleksjonsprosessen innebærer behov for ny informasjon som tentative forklaringer kan testes mot, og som kan gi grunnlag for nye tolkninger og uttestinger. Slik ny informasjon kan tilrettelegges for i form av observasjoner fra eksperimentering og faglige innspill fra lærer eller fagtekster (Thorsheim, Kolstø & Andresen, 2016). Deweys filosofi om læring setter eleven i sentrum, som den som er aktiv, utforskende og autonom i læringsaktiviteten. Dette står sentralt i tenkningen som har formet norsk skole i nærmere et århundre; utdanning skal realisere det potensialet som ligger i elevene gjennom aktivitetspedagogikk og «arbeidsskole», som var en bærende idé i Normalplanen for grunnskolen fra 1939. Dewey-inspirerte arbeidsmåter vil bli diskutert i kapittel 13, som handler om utforskende arbeidsmåter.

perspektiver på læring 149

Diskusjonsspørsmål til del 3 1. Diskuter hvordan forskjellige representasjonsformer i ulike fysikkemner kan brukes til å fremme forståelse og utforskende dialoger, for eksempel induksjon og fotoelektrisk effekt. 2. Oppgaven i figur 8.1 er godt egnet til å avdekke forestillinger elever har om strømmen i en elektrisk krets. Vi vet at mange elever faller ned på «kollisjonsmodellen» eller «strømforbruksmodellen», selv i fysikk som programfag. Diskuter hvordan undervisning og dialog med elevene kan legges opp for å endre disse forestillingene i retning av en riktigere modell for elektrisk strøm i en krets. 3. I kapittel 9 har vi presentert ulike perspektiver på læring. Hva er de viktigste forskjellene mellom dem? Hvilke konsekvenser får de ulike læringssynene for hvordan man vil planlegge undervisningen i fysikk? 4. Alle perspektivene på læring som er beskrevet i kapittel 9, vektlegger at den som lærer, selv må være aktiv. Betyr dette at en forelesning for elever eller studenter er uten verdi? Hvordan kan en forelesing legges opp slik at elevene aktiveres og lærer mest mulig?

150 kapittel 9

Når en vanndråpe treffer et reservoar med tilstrekkelig fart, gir den opphav til en «rekyldråpe» som reiser seg over vannflaten. Foto: AndrewJohnson / Getty Images.

perspektiver på læring 151 [start del]

DEL 4 Å UNDERVISE FYSIKK SOM TEORETISK OG EKSPERIMENTELT FAG Hva kjennetegner god fysikkundervisning? Dette er et viktig spørsmål å stille, og at læreren i klasserommet har stor betydning, er hevet over tvil. Vi vil si det på denne måten: Lærerens betydning kan neppe overvurderes. Noe av det som kjennetegner en dyktig fysikklærer, er at hun eller han er i stand til å variere undervisningen, har et arsenal av ulike metoder og tilnærminger og er i stand til å velge det som er mest velegnet i hver enkelt undervisningssituasjon. Hva som er velegnet i hvert tilfelle, vil avhenge både av målet for undervisningen, av temaet som skal undervises, av kjennetegn ved den enkelte elevgruppe og av lærerens erfaring, interesser og kompetanse. I denne delen av boka vil vi beskrive noen undervisningsstrategier som er aktuelle å bruke i fysikkundervisningen. Framstillingen vil være preget av at vi mener eksperimentet er viktig i fysikkfaget – men vi beskriver også andre tilnærminger.

hva er god fysikkundervisning? 153

Kapittel 10

Hva er god fysikkundervisning? Didaktikk kommer fra to greske ord, didaskein, som betyr å lære, undervise eller klargjøre, og didakti’ké techné, som betyr undervisningskunst. For å være litt høytidelig er det fysikklæreren bedriver i klasserommet, undervisningskunst. Å undervise er komplekst, og både et visst talent og trening er vesentlig for å beherske denne kunsten. Som for en kunstner må yrkesutøvelsen gis et personlig uttrykk. Dette gjør at svært ulike lærere alle kan være gode lærere. Likevel finnes det fellestrekk som man vet kjennetegner god undervisning, og det er noen slike kjennetegn på god undervisning vi vil diskutere i dette kapitlet.

10.1

Lærerens betydning

John Hattie har gitt ut boka Visible Learning (Hattie, 2009), som tar for seg mer enn 800 metastudier7, og dermed mange tusen enkeltstudier, om hva som synes å ha betydning for elevers prestasjoner (se også kapitlene 9, 13 og 29). Her vil vi trekke fram seks punkter som han hevder er essensielt at lærere tar høyde for i sin undervisning (Hattie, 2009, s. 238–239): 1. Lærere har betydelig innflytelse på læring. 2. Lærere må være ledende, innflytelsesrike, omsorgsfulle og aktivt engasjert i undervisningen og elevens læring. 3. Lærere må være oppmerksomme på hva hver enkelt elev uttrykker av tanker og kunnskaper og bruke dette til å gi elevene meningsfulle erfaringer. Lærere må ha god kunnskap og forståelse, både faglig og didaktisk, slik at de kan gi konstruktiv tilbakemelding til hver enkelt elev som fører til god progresjon gjennom pensum. 7

En metastudie er en analyse av en rekke enkeltstudier innenfor et område.

154 kapittel 10 4. Lærere må være bevisste på læringsintensjonene og suksesskriteriene for sine undervisningstimer, skaffe seg innsikt i hvor godt de oppnår målene for alle elevene, og vite hvordan de skal fortsette derfra. Sentrale spørsmål er ifølge Hattie: «Where are you going?», «How are you going?» og «Where to next?» 5. Lærere må i sin undervisning gå fra enkeltstående ideer eller kunnskapselementer til mer komplekse kunnskapselementer. Videre må læreren hjelpe elevene med å trekke forbindelser mellom disse ideene og kunnskapselementene slik at elevene kan utvide sin egen forståelse. Det er ikke kunnskapen eller ideene, men elevenes konstruksjon av denne kunnskapen og disse ideene gjennom tolkning, tilbakemeldinger og videreutvikling som er vesentlig. 6. Skoleledere og lærere må skape skoler, personalrom og klasseromsmiljøer der det å gjøre feil og prøve ut egne tolkninger er velkomment som en del av læringsmulighetene, der det å forkaste ukorrekt kunnskap og forståelse er velkomment, og der alle kan føle seg trygge ved å lære og utforske kunnskap og forståelse. Hattie sine seks punkter innebærer blant annet at lærerens valg og handlinger har betydning for hvor mye elevene lærer. En dyktig lærer samhandler aktivt med elevene om faglige spørsmål. Lærere som overlater ansvar for læringsarbeidet til elevene, oppnår dårligere resultater. Videre hevder Hattie at læreren må skaffe seg innsikt i og ta utgangspunkt i elevenes forkunnskaper og forestillinger (se også kapittel 8). Planlegging av undervisning bør også ta hensyn til elevenes interesseområder og lokale forhold og muligheter. Skal læreren kunne gi elevene meningsfulle erfaringer, må faget legges på et nivå som er tilgjengelig for elevene (jf. den proksimale utviklingssonen, kapittel 9). Læreren må stimulere elevene til aktivt å knytte nytt stoff til det de allerede kan, og samtidig stimulere dem til å strekke seg mot nye innsikter gjennom refleksjon og dialog (se kapittel 14). Læreren må også ha klare tanker om læringsmål for undervisningen. Da er det ikke nok å ha bestemt seg for tema og hvilke begreper og eksperimenter som skal vektlegges. Læreren må ha klare tanker om hva elevene skal lære, og hvilke situasjoner eleven skal kunne bruke kunnskapen i. Hvilke begreper eller sammenhenger skal elevene lære? Skal elevene kvalitativt kunne gjengi fakta, forklare observasjoner eller greie ut om relasjoner mellom ulike fagbegreper? Skal elevene kunne bruke relasjoner til å analysere problemsituasjoner og

hva er god fysikkundervisning? 155

beregne størrelser kvantitativt? Skal elevene kunne forklare begreper som hypotese og modell, eller skal de også kunne planlegge og utføre forsøk i praksis? Og hva kjennetegner en god forklaring, en korrekt oppgaveløsning og en god laboratorierapport? På bakgrunn av svar på slike spørsmål om læringsmål og vurderingskriterier må læreren kunne identifisere hva elevene så langt mestrer, og hvordan de kan gå fram for å komme videre i retning av læringsmålene. For å støtte elevenes læring må læreren ha kjennskap til hva som kjennetegner, og hva som fremmer, konstruksjon av kunnskap. Sosialkonstruktivistisk læringsteori synliggjør hvordan elever tolker inntrykk og konstruerer forståelser i lys av kunnskaper de allerede har, og hvordan elevenes etablerte og begynnende konstruksjoner kan utfordres slik at de kommer inn i fruktbare kunnskapsbyggende prosesser. Kunnskapskonstruksjon forutsetter at elevene får introdusert nye ideer og observasjoner, men også at de gis oppgaver og tilbakemeldinger som gjør at de aktivt må tenke igjennom, snakke, skrive eller løse problemer med de nye begrepene og ideene. Gjennom slike prosesser vil elevenes konstruksjoner utvikle seg i retning av etablert faglig forståelse. Spesielt må læreren legge til rette for at elevene videreutvikler og kan relatere ulike fagbegreper til hverandre slik at kunnskap og ideer blir integrert i større forståelsessystemer. Hattie finner for eksempel gode resultater i studier hvor elever må lage begrepskart over faglige temaer (se kapittel 15.4). Aktive konstruksjonsprosesser fremmes av at elever får prøvd ut sine g ryende forståelser og diskutert uklarheter slik at de kan få tilbakemeldinger og ny input som kan bringe dem videre. Slik utprøving av egen forståelse forutsetter et minimum av trygghet på at det å «røpe» misforståelser og unøyaktigheter i forståelse ikke får ubehagelige sosiale eller karaktermessige konsekvenser. Det er derfor avgjørende at læreren bidrar til å fremme et trygt klassemiljø, og en arbeidskultur der det å endre synspunkt gjennom argumenterende og utfors kende dialoger vurderes som naturlig og positivt.

Lærerens kompetanse Det er et hovedpoeng i Hatties beskrivelse av god undervisning at læreren har en helt sentral rolle. Et hovedpunkt er at lærerne må møtes for å diskutere, evaluere og planlegge sin undervisning på bakgrunn av hvordan de lykkes med forsøk og undervisningsstrategier, og på bakgrunn av tilbakemeldinger elevene gir. Lærerens refleksjon er altså ikke tilstrekkelig; den må gjøres i lys av observasjoner og den respons de får på undervisningen. Undervisning kan aldri vurderes

156 kapittel 10 eller forbedres uten å ta elevenes opplevelse av den i betraktning! Gjennom å dele og diskutere med kolleger en er trygg på, vil en kunne få rike og utviklende refleksjoner og støtte til utprøving av nye ideer. Lee Shulman introduserte i 1986 begrepet pedagogisk innholdskunnskap (pedagogical content knowledge, PCK) (Shulman, 1986, 1987). Han hevdet at lærere trenger PCK, en spesiell kunnskap som lærere må ha for å kunne undervise faglig innhold til ulike elever. PCK er altså en kunnskap knyttet til hvordan undervise i det enkelte temaer eller begreper. Det er den praksisorienterte kunnskapen som kombinerer pedagogisk og fagdidaktisk teori med lærerens erfaringer og refleksjoner knyttet til undervisning i det enkelte emne. PCK omfatter også en forståelse for hva som gjør læring av enkelte temaer lett eller vanskelig for elevene. Shulman hevdet at PCK innebærer et betydelig skifte i en lærers forståelse av undervisning: ... fra selv å (kunne) forstå fagstoffet, til å bli i stand til å klargjøre stoffet på nye måter, reorganisere og dele det opp, knytte det til aktiviteter og følelser, til klargjørende metaforer og øvelser, og tydeliggjøre det gjennom eksempler og demonstrasjoner, slik at det kan bli forstått av studenter Shulman, 1987, s. 13

PCK, slik som Shulman introduserte det, har vært gjenstand for mye diskusjon, og denne forståelsen av kjennetegn på læreres utøvende kompetanse har blitt videreutviklet flere ganger (Bjønness, Johansen & Byhring, 2011; Carlson & Daehler, 2018). Men fortsatt tror vi at kjernen i PCK kan formuleres i tråd med Shulman (1987, s. 15): But the key to distinguishing the knowledge base of teaching lies at the intersection of content and pedagogy, in the capacity of a teacher to transform the content knowledge he or she possesses into forms that are pedagogically powerful and yet adaptive to the variations in ability and background presented by the students.

I del 5 av denne boka gjør vi et forsøk på å formidle PCK gjennom konkrete forslag til undervisningsopplegg som samtidig er forankret i læringsteori og forskning på elevers utfordringer i møte med fysikkfaget. Vanessa V. Kind (2009) påpeker at en god lærer må kunne diskutere med elevene deres forståelse av vitenskapelige modeller, metaforer og analogier for å bli bevisst elevenes problemer i læringsprosessen. Det å høre på elevene kan øke lærerens PCK hvis han eller hun virkelig tar seg tid til å vurdere forestil-

hva er god fysikkundervisning? 157

lingene elevene bringer med seg til undervisningen, eller forestillinger de har fått gjennom undervisningen. For at en lærer skal utvikle sin profesjonalitet, er det ikke tilstrekkelig å bare skaffe ny faglig og pedagogisk kunnskap; læreren må relatere denne kunnskapen til kompleksiteten, mulighetene og nyansene i undervisningssituasjonen når undervisningen skal planlegges. Konstruktiv tilbakemelding forutsetter at læreren har kunnskap i faget, men også innsyn i elevenes læring. Dette innebærer at læreren tilrettelegger med aktiviteter preget av dialog, skriving, tegning og regning på en slik måte at elevenes forståelse og læring blir synlig for læreren. På bakgrunn av denne innsikten må læreren gi elevene tilbakemeldinger gjennom veiledning, meldinger eller felles gjennomgang av stoff flere strever med.

10.2 Læreren og elevene Elevene er sjelden en ensartet gruppe. Det kan være vanskelig for læreren å se hver enkelt elev blant de mange. I klasserommet finnes elever med ulik bakgrunn, ulike interesser og ulike evner og forutsetninger for å lære fysikk. Noen elever er svært dyktige i fysikk, og et viktig spørsmål er hva vi gjør med dem. Skal en ha egne tilbud til de aller dyktigste? Hva med dem som kanskje ikke er helt glitrende faglig, men som med stor interesse og dyp innlevelse leser populærvitenskapelige magasiner og følger vitenskapsprogrammer på TV og YouTube? Noen av disse er veldig interessert i fysikk, bare ikke det som er pensum i skolen! Også dette må fysikklæreren forholde seg til. Det er en utfordring, men den gode læreren tar slike problemer med å tilpasse undervisningen på alvor og finner måter å møte dem på.

Synlig undervisning og synlig læring Den gode læreren kjenner sine elever, vet om deres styrker og svakheter, lytter til deres tilbakemeldinger og ser den enkelte elev som individ. Den gode læreren driver tydelig og målrettet tilrettelegging for læring som stimulerer elevene til aktivitet, refleksjon og dialog. Å aktivisere elevene skjer gjennom det Hattie kaller synlig undervisning («visible teaching»), og resultatet er synlig læring («visible learning»). Hovedpoenget i visible teaching er at aktivitetene ledes av læreren på en tydelig måte slik at elevene vet hva de skal gjøre, hvordan de skal arbeide med oppgaver, og hvorfor de gjør det de gjør. Det siste innebærer også at det ikke er tilstrekkelig at eleven gjør forsøk. De må få oppgaver som frem-

158 kapittel 10 mer aktiv bearbeiding av observasjoner og teori. Det er da det vil skje læring. Hovedpoenget i visible learning er at læreren skaffer seg innsikt i elevenes læring underveis i læringsprosessen. Dette krever at læreren gir elevene oppgaver og aktiviteter som innebærer at læringen blir synlig. Nå kan jo ikke læreren se elevenes forståelse ved å se inn i hodene på dem. Læreren kan se om elevene er i aktivitet, og om de ser ut til å følge med, men det er ikke det samme som å observere læring. Men læreren kan lytte til elevenes faglige prat seg imellom, under veiledning og under klassediskusjoner, og skaffe seg innsikt i deres faglige skriving og oppgaveløsning. Gjennom å ha et utforskende blikk på elevenes læring kan læreren få innsikt i hvordan ulike undervisningsaktiviteter bidrar til læring, og få et godt grunnlag for å gi elevene faglig veiledning og for planlegging av videre undervisning.

Faglig innsikt Det er selvsagt også helt sentralt at den gode lærer har inngående kunnskap og god oversikt over faget sitt. Den gode lærer føler eierskap til faget og brenner for å videreformidle det til andre. Som nevnt i kapittel 6 er lærere viktige for elevenes motivasjon for å velge – og fortsette med – fysikk og realfag mer generelt, og stikkord for inspirerende lærere er faglig dyktighet og evne til å engasjere elevene og gi dem en tilknytning til faget.

Stimulere elevenes læringsstrategier «Reciprocal teaching» er også en undervisningsmetode som Hattie framhever at gir høy effekt. Her er fokus på at læreren klarer å få sine elever til å bruke konstruktive læringsstrategier i læringsarbeidet. Slike strategier kan være å stille spørsmål, klargjøre problemstillinger, gjøre prediksjoner og lage oppsummeringer, alt gjennom dialoger mellom lærer og elev. Et felles kjennetegn på alle disse læringsstrategiene er at eleven språklig bearbeider og bruker nye ideer aktivt. En god fysikklærer lærer sine elever opp til å bruke et bredt spekter av læringsstrategier.

Variasjon I en rapport om fysikkfaget i det almene gymnas i Danmark (EVA, 2001) kom det fram at elevene etterlyste mer variasjon i undervisningen, og at elevene mente at de hadde for liten innflytelse på arbeidsmåtene og det de arbeidet

hva er god fysikkundervisning? 159

med. Rapporten var blant annet basert på elevfortellinger der elever hadde skrevet tre korte tekster om hva som er bra, hva som er dårlig og hvordan det burde være i fysikkundervisningen. Variasjon var et stikkord her. Et sitat fra en tilbakemelding fra en elevgruppe kan illustrere dette: Variasjon er nøkkelordet i hele diskusjonen om hvordan undervisningen kan forbedres. Variasjon i undervisningen er helt avgjørende for om elevene finner faget spennende […] Det var i gruppen mange forslag til forbedringer av faget, men i bunn og grunn handlet alle nettopp om variasjon. Angell & Paulsen, 2003, s. 12

Elever lærer ulikt. Noen liker å lytte, noen synes de lærer best av å lese, og noen er for eksempel mer avhengige enn andre av at abstrakt stoff blir konk retisert med eksempler. Hvis vi tror det bare er én metode som kan gi god undervisning, bærer det galt av sted. Selv om læreren må finne sin personlige stil, behøver han eller hun et bredt repertoar av undervisningsmetoder. Troen på én rett metode gjør en bare blind for en rekke andre gode tilnærminger til undervisningen. Et mangfold av undervisningsmetoder er bedre egnet til å treffe det mangfoldet vi har i elevgruppa, og til å utvikle hver enkelt elev i like mangfoldige retninger.

Kunnskap og kompetanser En god lærer er også bevisst på at en læreplan inkluderer ulike typer kunnskap og kompetanser, både teoretiske begreper og praktiske og analytiske ferdig heter. Elevene skal også lære å planlegge og gjennomføre eksperimenter. Kanskje skal elevene også læres opp til å tenke kritisk. For å oppnå ulike typer kompetanse kreves gjerne bruk av ulike undervisningsmetoder. Elever blir ikke dyktige til problemløsning bare ved å høre på lærerens forklaringer, eller dyktige til å formulere forklaringer av å regne oppgaver. Det må være samsvar mellom arbeidsmåter og kompetansemål. Selv om det går hurtigere når lærer forklarer hvordan forskning foregår, og tar kortere tid for elevene å utføre ferdig oppsatte forsøk, så må elevene selv gjennomføre utforskende prosesser hvis de skal oppnå ferdigheter knyttet til utforskning og eksperimentering (se kapittel 13 om utforskende arbeidsmåter). Variasjon i undervisningen blir derfor også viktig for at elevene skal utvikle den bredden i kompetanser som læreplanen legger opp til.

160 kapittel 10

Kunne kommunisere med elevene Selv med god innsikt i fag og undervisningsmetoder vil ikke undervisningen kunne bli god hvis ikke læreren samtidig evner å kommunisere med elevene. I kommunikasjon knyttet til læring er faglige og empatiske dimensjoner sammenflettet. For å kunne velge rett nivå på oppgaver og forklaringer er læreren, som tidligere nevnt, avhengig av innsikt i elevenes forkunnskaper og utford ringer. For å kunne skaffe seg slik innsikt må læreren ha en ekte interesse i å forstå elevenes tenkning og språkbruk og tilstrekkelig empatisk evne til å sette seg inn i elevenes tenkning og språkbruk. For at kommunikasjonen med elever og klassen skal fungere, må elevene også erfare at lærer respekter dem slik de er, faglig og personlighetsmessig, og at læreren vil dem vel. Når elever erfarer dette, vil undervisning, veiledning og aktiviteter kunne gi optimalt utbytte, og elevene vil lettere være positivt nysgjerrige til utprøving av nye og varierte undervisningsaktiviteter.

Skape sammenheng mellom læringsmål, læringsaktiviteter og vurdering John Biggs og Catherine Tang (2011) bruker uttrykket «constructive alignment» («samstemt undervisning») om en situasjon der det er en tydelig sammenheng mellom læringsmål, lærings- og undervisningsformer, arbeidskrav og sluttvurdering/eksamen. Slik beskriver de hvordan «samstemt undervisning» kan utformes (Biggs & Tang, 2011, s. 100–101): 1. Beskriv læringsutbyttet som du ønsker at eleven skal ha. Bruk verb som «forklare», «anvende», «reflektere over» osv. 2. Utform undervisning og læringsaktiviteter som gir elevene mulighet til å oppnå det intenderte læringsutbyttet. 3. Bruk vurderingsformer som gjør det mulig å bedømme elevenes prestasjoner. 4. Bruk denne bedømmelsen til å lage standard vurderingskriterier.

En god lærer? Finnes det så en «oppskrift» på hvordan være en god lærer? Svaret er kanskje både ja og nei. Sett i sammenheng med det vi har skrevet ovenfor, kan vi si det stilles en rekke krav til den gode læreren i form av bevissthet om egen undervisning og omtanke for elevene og deres læring. Men det betyr selvsagt ikke at alle lærere skal være like. Det er viktig at hver lærer finner sin personlige stil, der

hva er god fysikkundervisning? 161

han eller hun kan utfolde seg og spille på sine egne forutsetninger. I kapittel 7 beskrev vi hvordan elever kunne være tilfredse med sine lærere selv om de hadde meget forskjellige undervisningsstiler. Det er ikke én undervisningsstil som kjennetegner gode lærere. Målet er å engasjere elevene til aktivt å lytte, tenke og arbeide med problemstillinger i fysikk, aktivt delta i dialoger og selv overvåke egne læringsprosesser. Men det finnes mange måter å fremme slik aktivitet hos elevene på. Noen lærere fremmer for eksempel faglig engasjement gjennom bruk av humor, noen bruker overraskende demonstrasjoner, noen er gode på bruk av sammenlikninger, engasjerende bilder eller animasjoner. Hver lærer må finne ut hvordan bruke egne personlige muligheter, samtidig som målet er det samme: faglig interesse og elevers aktive interaksjon med fag, oppgaver og lærer. Det er verdt å understreke hvor viktig det er at læreren har oppmerksomheten rettet mot elevene og deres forståelse og læring og mindre oppmerksomhet mot egne prestasjoner i klasserommet. Undervisningskunst handler om å få til et samspill mellom personlige muligheter og aktiv interaksjon, til beste for alle elevenes læring.

162 kapittel 11

Kapittel 11

Eksperimenter i fysikkundervisningen Eksperimentelt arbeid kan lære elevene alt som er verdt å lære i fysikk eller Eksperimentelt arbeid er for dyrt og altfor tidkrevende. Bendtsen & Jacobsen, 2016.

I dette kapitlet tar vi for oss begrunnelser for eksperimentelt arbeid i skole fysikken, hvilke roller de spiller i undervisningen, og noen viktige problemstillinger som er knyttet til eksperimenter i skolefaget fysikk. Vi vil også belyse noen aspekter ved usikkerhetsregning i fysikk. Eksperimentelt arbeid i skolefysikken blir ofte omtalt som praktisk arbeid, noe som omfatter elevforsøk, demonstrasjonsforsøk, rapportskriving samt aktiviteter i og utenfor laboratoriet. Fysikk er utvilsomt både et teoretisk og et eksperimentelt fag, og det må selvsagt gjenspeiles i skolefysikken. I FUN-prosjektet (Angell et al., 2003) kom det fram at elevene verken så på fysikkfagets eksperimentelle karakter som viktig eller karakteristisk for faget. Derimot ga mange elever uttrykk for at «å gjøre eksperimenter i fysikk», var interessant. Kan dette i så fall henge sammen med den «prototypiske fysikkulturen» (se kapittel 6) der begreps- eller innholds kunnskap i fysikk gjerne betraktes av elever og lærere som mer sentralt enn kunnskap om og ferdigheter i naturvitenskapelig arbeidsmåte?

11.1

Åpne og lukkede forsøk

Ethvert eksperiment har et eller annet problem som elevene skal finne ut av, en prosedyre for gjennomføring og vanligvis et resultat. Disse tre kategoriene kan entydig være gitt på forhånd, eller de kan være åpne, det vil si at elevene selv må definere dem. Problemstillingen kan altså være gitt eller åpen, metoden eller gjennomføringen kan være gitt eller åpen, og resultatet kan også være gitt

eksperimenter i fysikkundervisningen 163

eller åpent. Man formulerer gjerne eksperimentets ulike antall «frihetsgrader» (Anderson, 1989; Nielsen & Paulsen, 1992). Det tradisjonelle er «kokebokforsøket» med null frihetsgrader. Forsøket som skal gjøres, er detaljert beskrevet, metoden er gitt, og svaret står i læreboka. I den andre enden av skalaen er det åpne forsøket med tre frihetsgrader, altså åpen problemstilling, åpen metode og åpent resultat. Dette vil være et svært omfattende eksperiment å gjennomføre. Det er selvsagt ikke noe mål at alle forsøk i skolen nødvendigvis skal ha tre frihetsgrader, men det er også viktig at ikke alle forsøk er kokebokforsøk, siden elevene behøver trening i å utforme eksperimenter selv. Hva man velger, vil variere med hvilket budskap man vil formidle til elevene gjennom forsøket. Det klassiske kokebokforsøket gir for eksempel elevene erfaring med å identifisere variabler, lage gjentatte måleserier, behandle data, tegne grafer osv. I kokebokforsøket blir elevene ledet gjennom datainnsamlingen fordi det er selve prosedyren og databehandlingen som er essensen i forsøket. I de to neste kapitlene (kapittel 12 og 13) vil arbeidsmåter som innebærer to til tre frihetsgrader, bli presentert i form av modellering og utforskende arbeidsmåter generelt.

11.2

Begrunnelser for det eksperimentelle arbeidet

Det har vært gjort mange forsøk på å utvikle den eksperimentelle siden av skolefysikken. Mye av det eksperimentelle arbeidet i skolen har vært preget av strukturerte, lukkede forsøk, altså det vi har kalt kokebokforsøk. Tanken har vært at elevene skulle få praktisk erfaring med forsøk gjennom ganske detaljerte oppskrifter, og samtidig få illustrert sentrale aspekter av teorien elevene hadde gjennomgått. Det har imidlertid vært mye diskutert i didaktiske miljøer både verdien av det praktiske arbeidet og i tilfelle hvordan det skal gjøres. Abrahams og Millar (2008) spør (retorisk i tittelen): «Does practical work really work?» På 1960-tallet var slagordet «discovery learning», som blant annet var inspirert av teoriene til psykologen Jerome Bruner (1961), og som ble sett på som et svar på en kritikk av kokebokforsøk. Man tok utgangspunkt i at elevene, i stedet for å få tradisjonell undervisning med lærergjennomgåelse og mye utenatlæring, skulle utvikle eksperimentelle og analytiske ferdigheter gjennom å stille spørsmål, være aktive og selv å oppdage sammenhenger i naturen. Nå er det imidlertid ikke slik at man i skolen skal tro at elevene selv gjennom eksperi menter skal kunne finne fram til naturlover. Det er misforstått og naivt, og de

164 kapittel 11 fleste tilhengerne av «discovery learning» gikk nok ikke så langt heller. Ideen om «discovery learning» ble imidlertid kritisert, både for manglende vitenskapelig validitet og for manglende læringsutbytte for elevene. Også vektleggingen av teoretisk kunnskap framfor vitenskapelig metode ble kritisert, og det førte til en ny tilnærming til det eksperimentelle arbeidet, nemlig ideen om «prosess». Det betydde at å lære om naturfag fikk en framtredende plass. Tanken var at elevene etter at de hadde glemt det meste av det faktiske naturfaglige innholdet, fremdeles skulle huske noe om metoder og prosesser. Kunnskap om hvordan vitenskapelige fakta blir etablert og ikke faktaene i seg selv ble sett på som det mest verdifulle (se f.eks. Hodson, 1996). På 1990-tallet fikk vi en variant av «discovery learning» under betegnelsen «inquiry-based learning». Noe av ideen var at elevene gjennom undersøkelser og eksperimentelt arbeid skulle bruke tilsvarende framgangsmåte som vitenskapsfolk gjør når de driver forskning. På den måten blir elevene «mini-vitenskapsfolk». Samtidig skulle det tilrettelegges med klarere styring av prosess og utstrakt bruk av støttestrukturer og dialogsituasjoner. Ofte blir «inquiry» assosiert med en konstruktivistisk idé om læring fordi en fokuserer på elevenes utforskning og egne aktiviteter i deres prosess med å konstruere egen forståelse (se kapittel 9). Til tross for kritikken av disse retningene er det opplagt gode elementer i både «discovery learning» og » inquiry-based learning» (på norsk utforskende arbeidsmåter; se kapittel 13) som kan være nyttig å ta med seg inn i fysikkundervisningen. For at eksperimentelt arbeid skal gi læringsutbytte for elevene, trenger lærere kunnskap, ferdigheter og ressurser som kan gjøre dem i stand til å undervise effektivt i et praktisk læringsmiljø. De må være i stand til å hjelpe elevene til å samarbeide både intellektuelt og fysisk når det gjelder praktiske undersøkelser og teoretisk refleksjon. Elevenes oppfatningsevne og adferd i laboratoriet er i stor grad influert av lærernes forventninger og vurderingspraksis og av typen laboratorieveiledninger, oppgaver og utstyr de har. Lærke Bang Jacobsen (2010) er opptatt av bl.a. i hvilken grad lærerne eksplisitt uttrykker mål og læringsutbytte til elevene når de skal gjøre laboratoriearbeid. Hun peker på at elevene selv sier at laboratoriearbeidet endrer seg «til det bedre» når målene med arbeidet er klare. Og det betyr at det blir brukt mer tid på å diskutere og reflektere over målene til laboratoriearbeidet og relasjonene til den fysikken arbeidet omfatter. Klare uttrykte mål i det eksperimentelle arbeidet i skolen er viktig fordi det løfter de svakes nivå, det løfter de sterkes nivå, det fører til større selvstendighet, og det styrker selvtilliten til elevene (Bendtsen & Jacobsen, 2016).

eksperimenter i fysikkundervisningen 165

Med utgangspunkt i arbeidene til Wellington (se for eksempel Hodson, 1996) og Lunetta og Hofstein (1998) vil vi framheve tre argumenter for at det eksperimentelle arbeidet skal inngå i skolens undervisning: A. Ferdighets- og kompetanseargumenter. Dette innebærer blant annet nyttige praktiske ferdigheter (f.eks. kunne bruke måleinstrumenter) og kompetanser knyttet til kritisk iakttakelse og evnen til å trekke slutninger. B. Kognitive argumenter. Dette dreier seg om at det eksperimentelle arbeidet bidrar til utvikling av elevenes forståelse av fysikkens begreper og teorier, og at det har betydning for forståelse av vitenskapelige metoder, hypotesedannelser og naturvitenskapens egenart. Dette argumentet er altså en kombinasjon av teorilæring og naturvitenskapelig tenkeog arbeidsmåte. C. Affektive argumenter. Her tenker en særlig på at det eksperimentelle arbeidet kan bidra til å fremme positive holdninger til naturvitenskap og en følelse av selvstendighet og oversikt. Likeledes kan eksperimentelle arbeid virke motiverende og skape entusiasme hos elevene. Vi har altså et bredt perspektiv og mangfoldig mål for det eksperimentelle arbeidet i skolen. I sin doktoravhandling konkluderer Verner Schilling med at hovedmålet med fysikkundervisningen er det eksperimentelle arbeidet (Schilling, 2006). Et interessant poeng hos Schilling er at det gir god mening å oppfatte teori læring i fysikkundervisningen som et middel for å forstå og gjennomføre eksperimentelle undersøkelser – snarere enn den tradisjonelle oppfatningen som er å se det eksperimentelle arbeidet som et pedagogisk hjelpemiddel for å lære fysikkens teori. Ifølge Schilling er det ultimate målet med fysikkundervisningen eksperimentet. Man må derfor i fysikkundervisningen bygge opp teori slik at det blir mulig å stille adekvate spørsmål som kan behandles eksperimentelt. Man må med andre ord, ifølge Schilling, utvikle teori og begreper for å kunne gjøre eksperimenter, og ikke omvendt! Det betyr ikke at elevene ikke kan gjennomføre eksperimenter før de kan all teori, men at nivå og kvalitet på eksperimentene elevene kan gjennomføre, alltid vil være avhengig av det teoretiske nivået de er på. Schillings argumentasjon er kanskje overraskende for mange, men den utfordrer i alle fall våre (tilvante?) forestillinger om målet med det eksperimentelle arbeidet i fysikkundervisningen. Vi vil framheve at ett av eksperimentets mange budskap (se avsnitt 11.3) er at det kan bidra til teoriforståelse. Vi tror det er en vekselvirkning her, siden teoriforståelse krever kunnskap om det teorien

166 kapittel 11 omhandler, altså observasjoner og fenomener, mens eksperimentering med fenomener krever teoriforståelse. Men dette er overhodet ikke trivielt. Utford ringen er jo at mange elever ikke forstår teorigjennomgangen, og derfor ikke forstår det de skal gjøre i laboratoriet. Mange mener derfor en må begynne både på elevenes nivå og i observasjoner og erfaringer som kan gi mening til teorien. Bendtsen og Jacobsen (2016) framhever at målet med det eksperimentelle arbeidet er å kunne forstå og anvende teorien i praksis. Og de foreslår å sette et klart skille mellom det teoretiske problemet og det praktiske. Det betyr at elevene først løser noen teoretiske oppgaver knyttet til fenomenet de skal studere, og så går i gang med forsøket. Siden den teoretiske forståelsen er på plass først, kan det settes større krav til selvstendighet i det praktiske arbeidet. For eksempel kan en øke graden av åpenhet i den praktiske problemstillingen. Vi tror at et slikt bevisst skille kan være et bidrag til å gjøre det eksperimentelle arbeidet meningsfylt. Men på den andre siden kan vi ikke forvente at alle elevene i en klasse skal ha «teorien på plass» når de skal gjøre forsøk. Det vil være en vekselvirkning mellom teori og eksperiment. I naturvitenskapen utvikles og forstås teori i lys av empiri og empiri i lys av data. Det er ikke mulig å lære det ene først. Det er samspillet som gjør læringen krevende. Hofstein og Kind (2012) har skrevet detaljert om hvordan det praktiske arbeidet i skolen har utviklet seg over tid. De konkluderer blant annet med: The biggest challenge for practical work, historically and today, is to change the practice of «manipulating equipment not ideas». The typical laboratory experience in school science is a hands-on but not a minds-on activity. Hofstein & Kind, 2012, s. 202

Dette er også i tråd med Abrahams og Millar (2008) som i en studie fra Storbritannia konkluderte med at lærernes fokus i det eksperimentelle arbeidet i hovedsak var rettet mot å manipulere fysiske objekter og utstyr, mens fokus på kognitive utfordringer, som å knytte observasjoner til konseptuelle ideer, var nesten fraværende. Hofstein og Kind (2012) framhever også vitenskapelig argumentasjon som viktig i det praktiske arbeidet. Praktisk arbeid blir da en måte å introdusere elevene til argumenterende tekster slik som forskere benytter. Gjennom trening i å skrive argumenterende eksperimentrapporter kan elevene også få økt innsikt i naturvitenskapelig tenkeog arbeidsmåte (se kapittel 13 og 15).

eksperimenter i fysikkundervisningen 167

11.3

Eksperimentets mange målsettinger

Ethvert elevforsøk eller demonstrasjon har en eller flere funksjoner i undervisningen, og bidrar med ulike budskap til elevene. Det er viktig at vi har et bevisst forhold til hva slags budskap vi ønsker å formidle i ulike eksperimentelle situasjoner, og at eksperimentet dermed kan ha ulike roller i undervisningen. Nedenfor har vi kategorisert de forskjellige rollene forsøk kan ha, vel vitende om at det ikke er noen klare skillelinjer mellom kategoriene. Utformingen av et forsøk avgjør hvilket budskap som blir formidlet, og bør bestemmes av hvilket pedagogisk formål vi har.

Eksperimentet for å bli kjent med laboratorieutstyr (A)8 Det å gjøre elevene kjent med utstyret er her viktigere enn selve innholdet. I forsøk bruker vi gjerne utstyr som elevene er lite kjent med fra dagliglivet, men som er viktig i fysikk som fag. For at utstyret skal bli brukt rett, må elevene få øving i å bruke det. Usikkerhet i hvordan utstyret skal brukes er ofte en hindring for å få utført forsøkene på en god måte, eller kan gjøre at det faglige budskapet kommer i bakgrunnen. Vi kan for eksempel tenke på hvordan elevene skal bli kjent med utstyr for måling av strøm og spenning. Både analoge og digitale instrumenter krever at en forstår hvordan en kobler måleinstrumentet i serie for å måle strøm og i parallell for å måle spenning. Videre må en kunne forholde seg til ulike skalaer og måleområder. Uten slike grunnleggende kunnskaper vil det være vanskelig å gjennomføre eksperimenter der det inngår elektriske målinger.

Eksperimentet som øving i å utforme og gjennomføre forsøk (A) Vi understreker igjen at fysikk i stor grad handler om strategier for å finne ut av ting, med andre ord metoder for å etablere kunnskap om naturen. Strategier for å finne svar på en problemstilling innebærer blant annet å kunne gjennomføre forsøk for å finne mulige sammenhenger. Hvordan skal vi undersøke om noe er tilfellet, eller om det finnes en sammenheng? For elevene handler det om å velge passende utstyr og målemetoder. De må ha noe kjennskap til laboratorieutstyr, 8

A, B og C refererer til de tre argumentene vi beskrev ovenfor.

168 kapittel 11 til rutiner og måleteknikker. Elevene må også kjenne til viktige sikkerhetsrutiner ved laboratoriearbeid, og de må ha en formening om hvilke fysiske størrelser som kan tenkes å inngå. Dersom selve problemstillingen for forsøket er gitt, kan elevene i noen sammenhenger selv finne framgangsmåten og utforme forsøket.

Eksperimentet som innføring i et emne (B, C) Elevene kommer til undervisningen med svært forskjellige erfaringer. Når læreren skal begynne et nytt emne, blir det derfor en oppgave å sørge for at elevene får en felles plattform av erfaringer. Det kan for eksempel skje ved at vi gjennomfører demonstrasjonsforsøk eller gjør elevøvinger. På den måten får både læreren og elevene noen «knagger» å knytte teorien til i den videre undervisningen. Eksperimenter egner seg også godt som motivasjonsmiddel når klassen skal ta fatt på et nytt emne, altså at det eksperimentelle arbeidet kan bidra til å fremme positive holdninger til naturvitenskap (se «det affektive argumentet» ovenfor. En mulighet er da å la noen forklaringer «henge i lufta» til senere. Kanskje kan læreren lykkes i å vekke nysgjerrighet om emnet. Et eksempel kunne være å la elevene se gjennom et gitter og observere fargespekteret som innledning til en undervisningssekvens om lys og interferens. Senere kan elevene gjøre mer strukturerte interferensforsøk og beregne bølgelengden til lyset.

Eksperimentet som illustrasjon (B) Her har eksperimentet til hensikt å illustrere et fenomen gjennom erfaringer. På noen områder av fysikken har elever mange erfaringer om emnet utenfor skolen, men erfaringene er gjerne «ubevisste». Eksperimentet skal da «vekke» eleven og gjøre erfaringene bevisste. På andre områder vil som regel elevene mangle erfaringer. For eksempel er det mange fenomener innenfor området moderne fysikk en selvsagt ikke kan observere direkte eller kunne tenkes å ha særlig erfaring med fra hverdagen. Et forsøk som da illustrerer et fenomen, kan da gi elevene erfaringer som det er vanskelig å tilegne seg utenfor skolen, men som danner et viktig grunnlag for forståelse. Å illustrere hvordan α-, β- og γ-stråling stoppes av ulike materialer, kan være et godt eksempel. Grunnleggende sett blir teori forståelig i lys av observasjoner den kan beskrive, og observasjoner kan bare forstås naturvitenskapelig i lys av forklarende teori (se kapittel 3). Praktisk arbeid gir her et verdifullt utgangspunkt for

eksperimenter i fysikkundervisningen 169

å hjelpe elevene til å koble og forstå teori i lys av observasjoner, og til dette kan læreren gjerne velge å bruke lukkede styrte kokebokforsøk. For å kunne tilrettelegge for god læring er det nødvendig å være bevisst muligheter, forutsetninger og utfordringene ved bruk av kokebokforsøk. Et viktig kjennetegn ved kokebokforsøk er at de forutsetter en viss teoretisk innsikt for at eleven skal kunne forklare observasjonene. Erfaringsmessig vil elever fokusere på å følge oppgitt prosedyre, koble utstyr rett og få korrekte observasjoner notert. Det mer krevende punktet i prosedyren om å tolke resultater i lys av relevant teori får lett mindre oppmerksomhet, og noen elever velger å skrive av andre eller en forklaring i læreboka eller fra eksperimentrapporter lagt ut på internett. Refleksjon over teori blir dermed skadelidende. Vår hjerne har et begrenset arbeidsminne, og kognitiv overbelastning kan være noe av forklaringen på hvorfor mange elever ikke mestrer å fokusere på teori når de gjør forsøk. Særlig gjelder dette elever som ikke forsto eller husker den aktuelle teorien så godt. Vi tror at læreren bør bruke god tid på klassediskusjoner basert på elevenes målinger, observasjoner og forsøk på forklaringer i lys av teori. Skal en få tid til dette, og samtidig unngå ensidig fokus hos elevene på prosedyrer, kan en prøve å finne øvinger som er enkle og raske å gjennomføre, og som samtidig gir tydelige observasjoner. Når målet er å lære teori og ikke å lære å eksperimentere, kan en gjerne kutte ut vanlig rapportskriving og heller be elevene skrive en forklaring av observasjonene i forsøket med egne ord.

Eksperiment som testing av hypotese (B) Vi kan løfte fram eksperimentets vesentlige rolle i vitenskap ved at eksperimentet fungerer som svar på et spørsmål vi stiller. I et slikt forsøk skal elevene få bruke sine kunnskaper og erfaringer til å forutsi resultatet av forsøket før det blir utført: Hva kommer til å skje under eksperimentet? Budskapet er altså: Sett opp en hypotese, og bruk eksperimentet til å teste hypotesen. Når elevene får sammenlikne resultatet av eksperimentet med hypotesen sin, gir vi dem mulighet til å korrigere sine oppfatninger eller i hvert fall til å stille spørsmål ved oppfatningene sine. Vi kan tenke oss en situasjon der elevene skal koble opp en enkel elektrisk krets med et batteri og en lampe, og så skal de måle strømmen med et ampere meter. Hvis en elev spør om hvor i kretsen amperemeteret skal kobles inn, er det som lærer fort gjort å si at det ikke spiller noen rolle fordi strømmen er den

170 kapittel 11 samme i hele kretsen. Men læreren kunne jo si at eleven selv burde undersøke om plasseringen har noe å si! Det er mange grunner til å la elevene lære seg å sette opp hypoteser: • • • •

Elevene blir aktivisert til faglig gjennomtenkning Problemet blir avgrenset Elevene tar utgangspunkt i sine erfaringer og kunnskaper Elevene får erfaring med naturvitenskapelige arbeidsmåter

Elevene kan formulere hypoteser hver for seg eller i grupper på to‒tre elever. En kan gjerne gjennomføre en «Tenk-Par-Del»-runde9. Da får alle delta, og de fleste blir kognitivt aktivert hvis lærerens spørsmål er på et tilgjengelig nivå for alle, og dessuten får ikke elevene selv bestemme om de vil bidra eller ei. Under en lærerstyrt diskusjon kan det likevel være best at hele klassen stiller hypoteser. Læreren kan skrive opp forslag fra elevene på tavla og be elevene begrunne forutsigelsene sine. Det er viktig at det er en idé eller hypotese som testes i eksperimentet, og at det ikke primært blir et spørsmål om hvem av elevene som gjettet riktig. Det er ofte utfordrende for elevene å sette opp hypoteser. Av og til er det nesten umulig for dem å forutsi hva som kommer til å skje under gitte betingelser. Hypotesen blir da en ubegrunnet gjetning, og en bør vurdere nøye om denne formen for undervisning da har noen verdi, og om man heller bør legge opp forsøket med den hensikt å gi elevene grunnleggende erfaringer med fenomenet. Gjennom undersøkelser som TIMSS Advanced og FUN (Angell et al., 2003; Lie et al., 2010) vet vi at det å gi elevene anledning til selv å utforme forsøk er lite utbredt. Dette betyr at mange elever går glipp av ganske vesentlige sider av fysikken.

Eksperimentet som repetisjon og testing (B) I noen sammenhenger kan eksperimentet brukes i avslutningen på undervisningen om et emne, som repetisjon eller i forbindelse med elevvurdering eller testing. I slike situasjoner kan vi gjøre noen endringer i et tidligere forsøk og la elevene gjennomføre det, eller velge et forsøk der elevene kjenner hele framgangsmåten og alt utstyret fra tidligere forsøk.

Tenk-Par-Del innebærer at elevene først tenker gjennom en problemstilling, deretter diskuterer prob lemstillingen med en medelev, og til slutt deler de sine ideer med hverandre i plenum.

eksperimenter i fysikkundervisningen 171

Eksperimentet som differensieringsmiddel I tillegg til argumentene vi refererte til tidligere, er det ofte i fysikkfaget et problem å finne gode måter å differensiere på. Hvordan kan vi møte elevenes ulike evner og interesser for fysikkfaglige problemstillinger? I en eksperimentell situasjon er det i alle fall mulig å differensiere noe i enkelte forsøk. En del elever klarer å sette opp hypoteser og gå nokså langt i den skriftlige bearbeidingen av resultatene. For andre elever bør kravet kanskje være at de skal gjennomføre forsøket og bare observere og beskrive sine observasjoner i en kort rapport. I noen forsøk ligger det også godt til rette for variasjon i hvor langt en går i det eksperimentelle. Forsøket kan utvides slik at de som raskt blir ferdige med det alle skal gjennom, får noen ekstra utfordringer ved å utvide forsøket. Oppgavene for de elevene som trenger flere utfordringer, kan være: • å foreslå forbedringer av eksperimentet • å formulere nye hypoteser eller problemstillinger med forslag til hvordan de eventuelt kan undersøkes Vanligvis inneholder eksperimentene mer enn ett budskap. Det er derfor viktig å være seg bevisst hva eksperimentet skal belyse, og innpasse det i en konkret sammenheng (Séré, 2002) . Som i kommunikasjon ellers gjelder det å sende færrest mulig budskap samtidig. Dermed øker sjansene for at mottakeren oppfatter dem. Små endringer i eksperimentet og i problemstillingene kan endre et budskap.

Demonstrasjonsforsøk Mye av diskusjonen om det eksperimentelle arbeidet dreier seg om elevøvinger. Men vi skal heller ikke undervurdere betydningen av demonstrasjonsforsøk. Læreren kan samle hele klassen til en felles opplevelse der de gjennom diskusjoner og observasjoner kan bli aktive deltakere i demonstrasjonen. I demonstrasjonsforsøket kan gjerne elevene delta som assistenter, være med på å stille hypoteser, og ikke minst sette ord på begreper og fenomener gjennom klassediskusjoner. Utfordringen her kan være å engasjere elevene, ikke bare til å observere, men å tolke observasjoner i lys av hypoteser eller teori. Potensialet for læring gjennom demonstrasjonsforsøk er dermed i høyeste grad til stede.

172 kapittel 11

11.4

Organisering av eksperimenter i fysikkundervisningen

Det er vanlig å organisere elevøvinger ved å la to og to (eller flere) elever arbeide sammen om gjennomføringen. Alle elevene gjør samme øving samtidig. Det forutsetter nok utstyr og nok plass. I noen situasjoner kan det være lurt å organisere forsøkene som stasjonsøvinger. Da plasseres ulike øvinger i laboratoriet, og grupper på to til kanskje fem elever går rundt og arbeider på stasjon etter stasjon. Det kan være mange gode grunner til en slik organisering: • • • •

flere forskjellige forsøk kan belyse samme fenomen samtidig bedre utnytting av utstyr hvis det ikke er nok utstyr til en hel klasse differensieringsmuligheter som følge av at det brukes forskjellig utstyr mulighet for repetisjon ved at elevene kan prøve utstyr som læreren har brukt i demonstrasjoner tidligere • mulighet for at elever kan jobbe i grupper og stimuleres til å snakke fysikk mens de jobber Noen ganger kan det være aktuelt å gå ut av laboratoriet for å gjøre forsøk. Det kan være alt fra enkle forsøk med fart og akselerasjon i skolegården til mer avanserte forsøk som for eksempel kan foregå i en fornøyelsespark.10 Elevene kan samle data som de kan ta med seg tilbake til klasserommet og bearbeide der. Det finnes mye god litteratur om Amusement Park Physics (se f.eks. Escobar, 2008). En kan også la elevene gjøre «hjemme-elevøvinger», altså øvinger som de gjør hjemme, eller i alle fall ikke på skolen. Det kan være forsøk med enkle hjelpemidler som gjerne finnes hjemme, eller det kan være målinger med mobiltelefonen som både kan fotografere og filme. Det er heller ikke noe i veien for at elevene kan ta med seg dataloggere hjem. I de senere årene er det også blitt mulig med internettbaserte eksperimenter (se kapittel 17).

Skrive rapporter og journaler Rapportskriving er også en del av det eksperimentelle arbeidet. Grunnlaget for å kunne skrive en god rapport er at en gjør gode og detaljerte notater underveis

Se også «Fysikkfryd på Tusenfryd» på naturfag.no – med oppgavesamling og forslag til dataloggingsøvinger.

eksperimenter i fysikkundervisningen 173

i laboratoriet, altså skriver en journal med alle nødvendige data, skisser (gjerne foto) av apparatoppstillingen osv. Riktignok behøver ikke alle forsøk medføre skriving av rapport. Som nevnt tidligere kan også selve opplevelsen der og da av et forsøk ha betydning for forståelse av fenomener og begreper, og ikke minst som en motiverende faktor. Å skrive eksperimentrapporter innebærer å skrive i en spesiell sjanger som det er viktig at elevene både blir kjent med og får erfaring i å bruke. Dette tar vi opp i mer detalj i kapittel 15.

Laboratoriesikkerhet Det er selvsagt viktig å lære elevene gode arbeidsvaner med hensyn til sikkerhet, både for å beskytte elevene når de arbeider i laboratoriet, og for å trene dem opp til å ta hensyn til risiko på forskriftsmessig måte. Det er siden 1979 utarbeidet et eget hefte om sikkerhetsregler for naturfagundervisningen. Naturfagsenteret (http://www.naturfagsenteret.no/) har revidert den siste utgaven av sikkerhetsreglene og laget en nettutgave. Hensikten med denne utgaven er å gi noen retningslinjer når det gjelder sikkerheten i naturfagundervisningen. De anbefalingene og reglene som finnes i heftet, gjelder både innredning av naturfagrom og arbeidsmetoder i undervisningen. Vi skal ikke gå i detalj her om hvilke sikkerhetsregler som gjelder i naturfag rommet. Men vi vil påpeke at det er rektor som har arbeidsgiveransvaret og ansvaret for at opplæringsloven blir fulgt. Rektor får dermed ansvar for at både lærere og elever har et fullt forsvarlig arbeidsmiljø i naturfagrommet. Det er også rektors ansvar å påse at naturfaglærerne har den nødvendige kompetanse i sikkerhetsspørsmål. Naturfaglærerne er ansvarlige for at sikkerhetsreglene blir fulgt, og for at rektor får beskjed dersom forholdene ikke ligger til rette for en sikkerhetsmessig forsvarlig naturfagundervisning. Lærerne skal være kjent med reglene for sikkerhet i naturfagrommet og hvilke lover og forskrifter som gjelder for arbeidet der, og han eller hun skal kunne dokumentere kunnskaper på dette området. Videre har læreren plikt til å gi elevene veiledning knyttet til sikkerhet slik at elevene utvikler respekt og forståelse for regelverket og for bruk av verneutstyr og sikkerhetsutstyr. Det er også lærerens ansvar å vise elever som ikke makter å følge sikkerhetsreglene, bort fra laboratoriet. Om noe skjer, kan læreren aldri legge ansvaret på elevene! Hele sikkerhetsheftet kan lastes ned fra http://www.naturfag.no.

174 kapittel 11

11.5 Måleusikkerhet Måleusikkerhet er selvsagt viktig i eksperimentell fysikk. Vi tror at elevenes forståelse for betydningen av måleusikkerhet i mange tilfeller ikke er god nok. I det følgende gir vi derfor en kort introduksjon til noe grunnleggende usikker hetsregning som vi håper kan være en støtte for lærere i arbeidet med eksperimenter i klasserommet. Alle målinger er beheftet med en usikkerhet. Å kunne vurdere usikkerheten er en vesentlig del av det eksperimentelle arbeidet. Som vi så i kapittel 3, er usikkerhet en viktig del av falsifisering eller bekreftelse på eksperimentelle resultater og oppdagelser. Vi skal ikke gå i detalj her, men framheve noen få ting som vi synes er sentralt. Dessuten vil vi helt konkret slå et slag for grafisk utjevning som en måte å gi innsikt i hva måleusikkerhet innebærer. Verdien av en målt størrelse i fysikk er alltid beheftet med en usikkerhet. Vi kan si at usikkerheten er et mål på hvor stor spredning det er i gjentatte målinger av samme størrelse. Usikkerheten skyldes uunngåelige målefeil som kan deles i to typer: systematiske feil og tilfeldige feil. Systematiske feil kan ikke fjernes ved å ta mange målinger, for de skyldes problemer eller feil ved selve måleapparatet, eller målingene kan for eksempel være påvirket av elektromagnetiske felt eller bakgrunnsstråling. Tilfeldige feil skyldes tilfeldige variasjoner i måleprosessen. Slike feil kan vi aldri fjerne helt, men vi kan prøve å gjøre dem så små som mulig. Ved å gjenta målinger mange ganger vil tilfeldige feil kansellere hverandre, og vi kommer nærmere den «sanne verdien», forutsatt at det ikke er systematiske feil. Vi tror det er viktig at elevene kan diskutere forskjellen på systematiske og tilfeldige feil. Altfor ofte ser vi i forsøksrapporter fra elever at de leter etter «feilkilder» framfor å diskutere måleusikkerhet. Dessuten kan elever ofte ramse opp en mengde feilkilder, uten å gjøre en kvalitativ vurdering av hvilke som er av størst betydning, og hvilken vei hver av dem vil påvirke resultatet.

Presis og nøyaktig måling Når vi måler noe i fysikk, ønsker vi å finne det beste estimatet for den målte størrelsen gitt med en usikkerhet. Vi skiller også mellom begrepene nøyaktig måling og presis måling. Et måleresultat er nøyaktig hvis det er fritt for systematiske feil, og det er presist hvis den tilfeldige feilen er liten. Når vi måler en fysisk størrelse, kan vi altså ikke forvente å få den «sanne verdien», men vi ønsker å si noe om innen hvilket område eller intervall den ligger. Dette gjør vi ved å oppgi resultatet av målingen sammen med et estimat

eksperimenter i fysikkundervisningen 175

Figur 11.1 a: Presis og nøyaktig måling. b: Presis, men ikke nøyaktig måling (systematisk feil).

av feilen. F.eks. kan vi måle lengden av en gjenstand med en linjal inndelt i millimeter. Vi kan anslå usikkerheten til å være ± 0,5 mm. Resultatet kan f.eks. skrives l = 24,0 mm ± 0,5 mm. Det betyr at vi er ganske sikre på at lengden av gjenstanden er i intervallet fra 23,5 mm til 24,5 mm. Usikkerheten i enkeltstørrelser kan i mange tilfeller vurderes skjønnsmessig (som i eksempelet over). I spesifikasjonene til et måleinstrument, som er mer avansert enn en linjal, vil det stå hvor nøyaktig instrumentet er. For eksempel vil en digital temperaturmåler kunne ha oppgitt en usikkerhet på 0,1 grad Celsius. Størrelsen på tilfeldige feil i en enkeltstørrelse kan en finne ved å gjøre gjentatte målinger og deretter finne gjennomsnittet. Et vanlig mål for usikkerheten er standardavviket, som kan forstås som det gjennomsnittlige avviket fra gjennomsnittet. Gjennomsnitt og standardavvik kan elevene lett finne med lommeregner eller datamaskin. Men som vi skal se, det er kanskje andre metoder som kan være vel så klargjørende for våre elever.

Gjeldende siffer I eksempelet ovenfor har vi skrevet svaret l = 24,0 mm med tre gjeldende siffer, og usikkerheten ligger i det siste sifferet (± 0,5 mm). Og slik er det. Vi bør alltid runde av svarene slik at usikkerheten ligger i det siste sifferet. Når vi skal avgjøre hvor mange gjeldende siffer vi skal ha med i et svar, skal svaret ha like mange gjeldende siffer som det tallet i oppgaven som har det minste antallet gjeldende siffer. Et svar kan ikke bli mer nøyaktig enn de tallene vi startet med. Å beherske antall gjeldende siffer er viktig. Vi ser altfor ofte at elever oppgir tall med like mange siffer som kalkulatoren gir, uten å reflektere over det.

176 kapittel 11

Usikkerhet i sammensatte størrelser For å anslå usikkerheten til en størrelse som er lik summen (eller differansen) av to andre størrelser, legger vi sammen usikkerheten i de andre størrelsene. En størrelse y er en sum eller differens av to andre størrelser: y = a ±b Da blir usikkerheten i y: Δy = Δa + Δb der Δy betyr den absolutte usikkerheten i y, og tilsvarende for a og b. Hvis vi skal anslå usikkerheten til en størrelse som er lik en annen størrelse ganget med en faktor, blir også usikkerheten ganget med samme faktor: Vi får også at hvis m = x ± Δx blir km = kx ± kΔx der k er et tall.

Relativ usikkerhet For mer sammensatte størrelser er det nyttig å innføre begrepet relativ usikkerhet, og med det mener vi den absolutte usikkerheten delt på størrelsen selv, Δy altså y Se på uttrykket: y=

ab c

Da blir

Δy Δa Δb Δc = + + y a b c

Den relative usikkerheten for en sammensatt størrelse er altså summen av de relative usikkerhetene for hver enkelt faktor som inngår i størrelsen.

eksperimenter i fysikkundervisningen 177

Grafisk utjevning – et eksempel I et eksperiment for å finne tyngdeakselerasjonen g, målte vi tiden t en metallkule brukte på å falle fritt fra ro fra ulike høyder h. Grafen viser h som funksjon av t2. Bruk dataene vist i grafen, og finn en verdi for g. Anslå usikkerheten i verdien for g. h (m) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

0,02

0,06

0,10

0,14 t˜ (s˜)

Figur 11.2 Oppgave om usikkerhet.

Løsning: h (m) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

0,02

0,06

0,10

0,14 t˜ (s˜)

Figur 11.3 Graf med best tilpasset linje.

Vi har på øyemål lagt en best tilpasset rett linje mellom punktene på grafen (den blå i midten). Stigningstallet (k) til grafen leser vi av til å være 5,0 m/s2. Bevegelseslikningen for fritt fall er h = 12 gt 2

178 kapittel 11 Tyngdeakselerasjonen er altså g = 2k = 10,0 m/s2. Vi har også tegnet inn en øvre og nedre grense for en rett linje mellom punktene. De to linjene representerer usikkerheten i målingene. Største verdi for tyngdeakselerasjonen blir da g maks = 10,5 m/s2og minste verdi blir g min = 9,5 m/s2. Dermed kan vi skrive tyngdeakselerasjonen som g = 10,0 m/s2 ± 0,5 m/s2. Det er selvsagt mange andre måter å vurdere usikkerheten i dette eksempelet på, f.eks. ved å regne ut gjennomsnittet eller bruke regresjon på datamaskin eller lommeregner. Poenget her er først og fremst å bevisstgjøre elevene på at alle målinger har måleusikkerhet, og at eksperimentalfysikeren må forholde seg til og kunne vurdere usikkerheter.

Standardavvik og regresjon For helhetens skyld gir vi her en kort presentasjon av noen sentrale begreper knyttet til usikkerhetsregning. Som nevnt ovenfor er det alltid knyttet en målefeil til resultatet når vi gjør en enkeltmåling. Målefeilen ei kan vi skrive slik: ei = xi − X Her er xi en enkeltmåling og X er den «sanne verdien» som er ukjent. Hvis vi gjør mange målinger, kan vi si at gjennomsnittet av alle enkeltmålingene (x) er lik den sanne verdien. Her ser vi bort fra systematiske feil. Variansen sier noe om variasjonen eller spredningen i målingene. Den er gitt av

σ2 =

1 n

∑(x −x ) i

Vi ser at variansen er summen av alle enkeltmålingenes avvik fra gjennomsnittet kvadrert, og så delt på antall målinger. Vi kvadrerer fordi alle avvikene skal bidra. Uten kvadrering ville positive og negative avvik fra gjennomsnittet kunne utlikne hverandre. Det er imidlertid vanlig å angi spredningen i målingene ved det vi kaller standardavviket, som er kvadratroten av variansen. Altså: 1 σ = ⎛⎜ ⎝n

∑

⎞2 (xi −x ) ⎟ ⎠ 2

Vi kan tenke oss at vi gjør en rekke serier av målinger av samme størrelse og regner ut gjennomsnittet hver gang. Da vil også gjennomsnittsverdiene ha en

eksperimenter i fysikkundervisningen 179

fordeling som også har sitt standardavvik. Det kalles standardavviket på gjennomsnittet eller standardfeilen. Standardavviket på gjennomsnittet uttrykkes slik:

σm =

σ n

Når vi skal angi usikkerheten i en målt gjennomsnittsverdi, bruker vi altså standardfeilen. Hvis utvalget av målingene er gjort fra en størrelse som er normalfordelt, vil det være en sannsynlighet på 95 % for at den sanne verdien ligger i intervallet m ± 2σ m der m er den målte gjennomsnittsverdien og σ m er standardfeilen. Legg merke til at standardavviket til et utvalg av måledata er en beskrivelse av variasjonen i målingene, mens standardfeilen er et estimat for hvor langt gjennomsnittet av de utvalgte målingene er fra den «sanne verdien». Som sagt, veldig formell usikkerhetsregning er ikke et viktig mål for fysikkfaget i skolen. Men vi tror likevel for eksempel at forskjellen mellom standardavvik og standardfeil kan være nyttig å vite noe om for våre elever.

Regresjon Å bruke regresjon er blitt mer populært i skolen etter at datateknologien har gjort det så mye enklere enn tidligere. Vi vil, som nevnt, advare mot for omfattende og detaljert bruk av moderne teknologi i denne sammenhengen. Forståelsen av de sentrale poengene i usikkerhetsregningen kan lett forsvinne i teknologien. Her kommer imidlertid noen eksempler på bruk av regresjon i noen enkle forsøk i fysikk. Vi tror i alle fall at noen elever vil kunne finne dette interessant. Men det er selvsagt viktig at læreren er bevisst på bruken, og at tilpasningen til den øvrige undervisningen gir mening. Regresjon handler om at man ut fra noen få målinger kan lage en matematisk funksjon (kan også kalles modell) som viser sammenhengen mellom forskjellige størrelser; altså at vi går fra noen målepunkter (sammenhørende x- og y-verdier) til en generell sammenheng mellom x og y, uttrykt ved et funksjonsuttrykk. Grunnen til at vi vil finne et slikt funksjonsuttrykk, er at vi vil kunne si noe generelt om sammenhengen observasjonene viser. Ved å finne en funksjon kan vi også gi prediksjoner (forutsigelser) om framtiden.

180 kapittel 11

Lineær regresjon Vi ser på et eksempel: En fjær er festet i veggen, og vi strekker fjæra ut med forskjellig kraft. Vi måler samhørende verdier av fjærforlengelsen x og kraften F. Resultatet er gitt i tabell 11.1. Tabell 11.1 Kraften som funksjon av forlengelsen. x (cm)

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

F (N)

0,45

1,2

1,7

1,8

2,6

2,8

3,6

4,3

4,8

Vi bruker Excel til å tegne punktene i et diagram (figur 11.4).Vi ser at dataene (punktene) ser ut til å ligge nokså nær en rett linje. F/N 6 5 4 3 2 1 0

x/cm

Figur 11.4 Kraften på en fjær som funksjon av forlengelsen.

Vi vil prøve å finne en lineær funksjon, altså på formen f (x) = ax + b som passer best mulig til målepunktene. Funksjonen kan vi finne med en kalkulator, regneark eller f.eks. GeoGebra. Her har vi brukt Excel (figur 11.5):

eksperimenter i fysikkundervisningen 181 F/N 6 5

y = 0,5227x – 0,0273 R˜ = 0,98844

4 3 2 1 0 0

x/cm

–1 Figur 11.5 Diagram med lineær funksjon.

Funksjonen programmet har funnet, er f (x) = y = 0,5227x − 0,0273. Her er det opplagt for mange siffer. Siden vi vet at x = 0 når F = 0, er det rimelig å sette konstantleddet lik 0. Tallet foran x er stigningstallet, og det kan vi sette til 0,52. Da har vi følgende funksjon: y = 0,52x , eller vi kan skrive at F = 0,52x. Det betyr at kraften kan skrives som en lineær funksjon med stigningstallet 0,52, som vi i dette tilfelle vil kalle fjærkonstanten, og konstantleddet lik 0. Vi er også interessert i hvor godt funksjonen (eller modellen) vi har funnet, passer til dataene våre. Det kan vi finne ved å se på korrelasjonskoeffisienten (R) mellom x og y. Verdiene for R varierer mellom ‒1 og 1,avhengig av hvor god tilpasningen er mellom dataene og grafen. Dersom R er nær 0 er tilpasningen dårlig. Jo nærmere 1 eller ‒1 R kommer, desto bedre tilpasning. Det er imidlertid mer vanlig å se på R2, altså kvadratet av korrelasjonskoeffisienten. Her ser vi at R2 = 0,98844, altså veldig nær 1,og vi kan konkludere med at tilpasningen er god. R2 kalles «bestemmelseskoeffisienten» og er et mål på hvor godt den lineære regresjonsmodellen passer til dataene. R2 kan også tolkes som hvor stor andel av variasjonen i dataene som den lineære modellen kan forklare. Eller sagt på en litt annen måte: R2 tolkes som hvor stor del av variansen i y som er relatert

182 kapittel 11 til variansen i x. Det er viktig å være klar over at verken R eller R2 sier noe om kausalitet, altså at x fører til y. En ting til: Modellen vi har funnet, passer godt for de dataene vi har målt, men det er ikke sikkert at modellen holder for alle mulige verdier. Hvis kraften blir veldig stor, kan kanskje fjæra ryke, og da er vi utenfor gyldighetsområdet for modellen. Et eksempel til: Vi slipper en kule med utgangsfarten 0 m/s og måler hvor langt den faller i løpet av en viss tid. Resultatet er gitt i tabell 11.2. Tabell 11.2 Høyden som funksjon av tiden. t (s)

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

h (m)

0,01

0,09

0,11

0,25

0,3

0,5

0,61

0,87

1,1

1,4

1,45

1,7

Vi lager en graf i Excel og får (figur 11.6): h/m 2 1,5

1 0,5

t/s 0

0,2

Figur 11.6 Høyden som funksjon av tiden.

0,4

0,6

0,8

eksperimenter i fysikkundervisningen 183

Hvis vi prøver oss med en lineær tilpasning her også, får vi (figur 11.7): y/m 2

y = 3,0264t – 0,2595 R˜ = 0,9346

1,5 1 0,5

t/s

0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

–0,5 Figur 11.7 Diagram med lineær funksjon.

Dette ser jo ganske bra ut. Bestemmelseskoeffisienten er høy (0,93). Men hvis vi gransker dataene litt mer nøye, ser vi at vi kan få en enda bedre tilpasning hvis vi prøver med en polynomfunksjon (R2 = 0,99), som vist i figur 11.8. y/m 2 y = 4,6163t˜ + 0,2433t R˜ = 0,9921

1,5 1 0,5

t/s

0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

Figur 11.8 Diagram med annengradsfunksjon.

Funksjonen kan vi skrive slik: y = 4,6t 2 + 0,2t. Dette er jo ikke så langt fra det vi kunne forvente for fritt fall der y = 12 gt 2 når startfarten er 0 m/s. Vi bør ikke overdrive kravene til elevene når det gjelder måleusikkerhet. Men det er viktig at elevene vet at alle målinger innebærer usikkerhet, og at de kan gjøre enkle vurderinger av usikkerheten når de gjør eksperimentelt arbeid.

184 kapittel 11

11.6 Datalogging Datainnsamling er en viktig del av de eksperimentelle vitenskapene. Med et dataloggingssystem kan vi hente måleresultater direkte inn i tabeller og grafiske framstillinger og utforske disse med enkle tastetrykk. De fleste dataloggingssystemer har tre hovedkomponenter: 1) selve loggeren, en «boks» som sørger for at det tas målinger med jevne mellomrom (alt fra tusenvis av ganger i sekundet til en gang i døgnet), 2) et sett med ulike sensorer for måling av fysiske størrelser som spenning, kraft, posisjon osv., og 3) et program for å visualisere og behandle måledataene. Som regel er det også mulig å eksportere dataene for å behandle dem i andre programmer. Datalogging har gitt oss muligheter til å gjennomføre nye og kanskje mer spennende og virkelighetsnære forsøk i skolen. Det betyr f.eks. at vi kan undersøke fenomener som går veldig fort og derfor er umulig å observere uten automatisk logging med datamaskin – og motsatt; vi kan samle inn data over lange tidsrom uten at vi en gang behøver å være til stede. Videre kan en studere måleserier i sann tid, for eksempel en graf som framstiller bevegelse. Det gir elevene en mulighet til lettere å se sammenhengen mellom et fenomen og den grafiske representasjonen. Selve datainnsamlingen kan bli effektiv og gir muligheter for hurtige og repeterte innsamlinger. På den måten kan elevene få mer tid til å konsentrere seg om analysearbeidet og ikke minst se sammenhenger mellom ulike representasjonsformer (se avsnitt 8.2). Det kan også gi mer tid til felles deling og diskusjon av forslag til analyser av data, og dermed til å støtte elevene i arbeidet med å koble teori og observasjoner. Det kan imidlertid være et problem for elevene å bli kjent med utstyret og programvaren som hører til. Særlig hvis det går lang tid mellom hver gang utstyret er i bruk, må læreren gi elevene tid til å sette seg inn i det igjen. Graf-verktøyet er vesentlig. En kan finne toppunkter og bunnpunkter, helningen på grafen, arealet under grafen osv. Det betyr at en kan gjøre meningsfulle beregninger på reelle data man selv har framskaffet, selv om de analytiske uttrykkene grafene representerer, er altfor vanskelige til å regne på. Det kan være et viktig bidrag til å knytte forsøkene nærmere til virkeligheten enn en del tradisjonelle lab-forsøk. Vi vil også framheve at interaksjonen med datamaskinen og diskusjoner i klassen kanskje er nøkkelen til å gjøre datalogging til noe å lære av! I del 5 der vi diskuterer fysikkfagets innhold og hvordan undervise ulike emner, vil vi vise helt konkrete eksempler på hvordan vi kan bruke datalogging i undervisningen.

Kraft

eksperimenter i fysikkundervisningen 185

Tid

Figur 11.9 Kraften som funksjon av tiden i et kollisjonsforsøk.

Datalogging har utvilsomt åpnet for nye måter å gjøre fysikkforsøk på. At det går an i et skoleforsøk å måle kraften som funksjon av tiden i en kollisjon og se sammenhengen mellom kraftstøt og bevegelsesmengde, er bare ett lite eksempel på hva datateknologien kan brukes til. Figur 11.9 viser kraften som funksjon av tiden i et kollisjonsforsøk. Arealet under kurven (altså integralet av kraften) kan en finne ved hjelp av dataloggingsprogrammet. Dermed finner en kraftstøtet og kan sammenlikne det med endring av bevegelsesmengden dersom en samtidig har målt farten før og etter støtet. Til slutt en advarsel: Det er mange gode tradisjonelle forsøk som en fortsatt bør gjøre uten bruk av datateknologi. F.eks. finnes det mange ulike programmer for kobling og måling på strømkretser på dataskjermen. Det kan sikkert være bra i noen situasjoner, men vi mener bestemt at koblinger med virkelige batterier, ledninger, lamper, amperemeter og voltmeter er helt essensielt for at elevene skal få en forståelse av elektriske kretser og måleutstyr. Så dropp ikke «gamle gode forsøk» fordi de ikke er «moderne» nok! Det er viktig å fokusere på selve eksperimentet, det fysiske fenomenet og det man faktisk måler, og ikke bare på hva datamaskinen gjør, eller tallene og grafene man ser på skjermen.

186 kapittel 12

Kapittel 12

Modeller og modellering i fysikkundervisningen Som nevnt i kapittel 1 er et av målene med fysikk som vitenskap «å lage modeller av virkeligheten». Modellene er gjerne formulert som matematiske uttrykk om sammenhenger mellom fysiske størrelser. Med et slikt perspektiv på fysikken blir det viktig å gi elever forståelse av hva som menes med modeller, og hvordan de kan utvikles. En mulighet er å gi elevene enkle øvinger hvor de selv konstruerer og arbeider med modeller – aktiviteter som etterlikner vitenskapelig modellutvikling. En annen betydning av modeller i undervisningen er pedagogiske modeller eller analogier som ikke representerer den fulle, vitenskapelige forståelsen, men som vi bruker i utdanningssammenheng for å forklare abstrakte begreper eller prosesser i fysikkfaget. I dette kapitlet diskuter vi betydningen av modeller i fysikkundervisningen med spesiell vekt på matematiske modeller, og vi viser et eksempel på en praktisk modelleringsøving. Til slutt behandler vi kort databeregninger og programmering i fysikkundervisningen.

12.1

Modeller i fysikken og i fysikkundervisningen

Gilbert (2004, s. 116) skriver følgende om modeller i naturvitenskapen og i undervisningen: Models are essential to the production, dissemination, and acceptance of scientific knowledge [...] they function as a bridge between scientific theory and the worldas-experienced («reality»).

Det er to hovedperspektiver som framheves som begrunnelse for modelleringstilnærmingen til fysikkfaget i skolen:

modeller og modellering i fysikkundervisningen 187

• Fysikk dreier seg om å lage (matematiske) modeller av virkeligheten, både generelle modeller og modeller for konkrete situasjoner. Å arbeide med fysikk dreier seg i økende grad om å utvikle, teste og bruke modeller, og dette bør reflekteres i skolens fysikkfag. • Modeller og modellering kan være gode redskaper når en skal undervise og lære fysikk. Innenfor det didaktiske forskningsfeltet har det lenge vært påpekt at elevene burde få mer innblikk i og forståelse av naturvitenskapens egenart (Nature of Science, som ofte blir omtalt som NOS i engelskspråklig litteratur) (Duschl, 1990; Lederman, 1992). Noe av det samme ligger i kravet om at elevene ikke bare skal få kunnskaper i fysikk, men også om fysikk. Det er flere (se f.eks. Lederman, 1999) som har vist til at det blant elever (og også studenter) finnes utpregete naive forestillinger om vitenskapens egenart (se også kapittel 25). Vi tror at å bruke modeller og modellering i fysikkundervisningen kan være et bidrag til å gi elevene innsikt i dette. For det første kan elevene få undervisning i matematisk modellering med tanke på både forståelse om modeller og modellering i seg selv. For det andre kan teorier og teoretiske prinsipper i fysikk bli presentert med et modelleringsperspektiv. Og for det tredje kan formler og likninger presenteres som matematiske modeller. Med andre ord, elevene skal ikke bare lære formler og hvordan de skal brukes, men de skal også lære om formler som matematiske modeller. Det er åpenbart en utfordring for elever å skulle konstruere modeller for mer eller mindre ukjente fenomener. Men vi tror det er viktig for elevene å kunne arbeide med «autentiske» vitenskapelige metoder. Vi vil imidlertid advare mot å tro at elevene på denne måten skal «oppdage» kjente lover og teorier i fysikk. Det er heller slik at modelleringen i skolesammenheng kan baseres på at eleven lager matematiske modeller knyttet til et helt spesifikt fenomen (f.eks. luftmotstand på en fallende gjenstand) ved å bruke etablert og kjent teori (som Newtons lover). I modelleringsprosessen må elevene identifisere relevante variabler basert på teori, og dernest bruke eksperimenter og matematisk verktøy til å bestemme sammenhengen mellom dem (den matematiske modellen). Hestenes (2006) uttrykker dette ved å se på vitenskapelige teorier som «regler for modelleringsspillet», slik at f.eks. Newtons lover utgjør reglene for modelleringsspillet i mekanikk. Elevene kan ikke forventes å «oppdage» Newtons lover gjennom eksperimenter, men de kan bruke «regler» gitt av Newton til å utvikle modeller for spesifikke fenomener som de kan studere empirisk. Det vil imidlertid være

188 kapittel 12 nyttig å diskutere med elevene at vi bruker begrepet modell både om fysikkens generelle formler og for spesielle situasjoner og helt spesielle fenomener. Modellering som forskningsverktøy, og særlig matematisk modellering, har blitt brukt med suksess i fysikk i lang tid. Hva som egentlig menes med modell, er imidlertid ikke helt enkelt å formulere. I kapittel 1 skrev vi at modell brukes om en omfattende kunnskapsstruktur (for eksempel Standardmodellen for partikkelfysikk), og i andre sammenhenger kan gyldigheten av en modell framsettes som en hypotese (se også avsnitt 3.2). Greca og Moreira (2002) ser på modeller i fysikk som bindeledd mellom fenomener og vitenskapelige teorier. Modeller og teorier er selvsagt også sterkt knyttet sammen med konseptuell forståelse. For eksempel kan Keplers modell (eller lover) for planetbevegelse og Galileis lov for fritt fall ses som forutsetninger for Newtons teori, men kan også bli utledet som en konsekvens av den teorien. Fysikk har altså et sterkt fokus på matematiske modeller der fysiske egenskaper og prosesser er representert i matematiske likninger. Når vi bruker pedagogiske modeller i undervisningen, er det viktig å være oppmerksom på at modeller som er ment å være til hjelp for forståelsen, også kan lede til misforståelser. Mens enkelte sider ved en modell ofte stemmer godt overens med den virkelige situasjonen eller med en vitenskapelig modell, kan andre sider gi feilaktige assosiasjoner for elevene. En modell er verken riktig eller gal, men kan være mer eller mindre egnet til å belyse fysiske fenomener. For eksempel er Bohrs atommodell velegnet til å beregne bølgelengder på spektrallinjene i hydrogenatomet, men den gir ikke noe godt bilde av elektronets faktiske bevegelser rundt hydrogenkjernen. Modeller har alltid sine begrensninger. Elever er ofte det vi kan kalle naive realister, de tror det er en 1:1-korrespondanse mellom modeller og virkeligheten (Harrison, 2001; Harrison & Treagust, 2000). Dermed er det mulig at elever ikke forstår hvordan en bruker modeller til å forklare fenomener. Boulter og Buckley (2000) skriver at elever ofte møter representasjoner som de er forventet å forstå, uten noen eksplisitt diskusjon om modellens styrker og begrensninger. Det er derfor viktig at elevene får et metaperspektiv på modeller for å forstå modellenes muligheter og begrensinger. En elev som Guttersrud (2001) refererer til i sin hovedoppgave, uttrykker sitt syn på fysikk og virkelighet på følgende noe underfundige måte: Fysikk er virkeligheten på en annen måte. Du diskuterer ikke virkeligheten som den er, men det som ligger bak. Henriksen et al. (2018) så på hvilken forståelse av modeller og av naturvitenskapens egenart som ble uttrykt gjennom elevers diskusjoner av bølge- og

modeller og modellering i fysikkundervisningen 189

partikkelmodellen for lys. De fant at en del elever hadde et syn på modeller som «tilnærminger til virkeligheten» og som et verktøy til å forklare eller forutsi noe, men en del elever uttrykte likevel en forventning om at vitenskapen til slutt skulle finne fram til «sannheten»: det står ikke noe i forklaringene […] om at lyset var en partikkel, at det oppførte seg som en partikkel, det var bare lettere for å forklare et fenomen, så vi har jo ikke noen konkrete beviser for det, så vidt som jeg vet.

12.2 Ulike typer modeller i fysikkundervisningen I det følgende skal vi dele undervisningsmodeller i noen hovedkategorier. For enkelte vanlig brukte modeller i fysikkundervisning kan det likevel være vans kelig å avgjøre hvilken kategori modellen tilhører.

Skalamodeller En skalamodell har likhet med et fysisk objekt, et system eller en prosess i en bestemt målestokk. Skalamodeller kan noen ganger være mindre enn det de skal illustrere, som for eksempel en skalamodell av solsystemet. Andre skalamodeller forstørrer et system, som når en sammenlikner en atomkjerne med for eksempel en appelsin og så beregner modellstørrelsen til hele atomet. Skalamodeller har gjerne en «riktig» målestokk for enkelte egenskaper, mens andre egenskaper ikke vil være gjengitt i korrekt forhold. Ser vi for eksempel på et modellfly, kan de geometriske dimensjonene stemme med det virkelige flyet, mens forholdet mellom masse og vingeareal ikke nødvendigvis er korrekt.

Analogimodeller En analogimodell er et objekt, et system eller en prosess hentet fra et område vi gjerne er godt kjent med og som har viktige likhetspunkter med det originale systemet som vi ønsker å studere. Et eksempel på en analogimodell kan være å sammenlikne lys med vannbølger; et annet er «trampolinemodellen», der krumningen av det firedimensjonale tidrommet rundt et massivt objekt sammenliknes med «dumpen» som et tungt objekt lager på en trampolineduk (se kapittel 23 og Kersting & Steier, 2018). Analogier er nyttige, men må likevel brukes med forsiktighet. Hvis de trekkes for langt, kan de gi opphav til feilaktige forestillinger. Når vi bruker analogi-

190 kapittel 12 modeller i fysikkundervisningen, er det viktig å skille mellom positiv, negativ og nøytral analogi. Positiv analogi er de egenskapene ved modellen som passer overens med det virkelige systemet, mens negativ analogi er egenskaper ved modellen som vi vet ikke passer overens med systemet. Dersom vi ikke vet om en egenskap ved modellen korresponderer med egenskaper hos systemet, sier vi at analogien er nøytral. En slik nøytral analogi kan gi ideer til videre undersøkelser. I undervisningen kan det være uheldig å bare fokusere på de positive analogiene. Dersom en ikke også diskuterer de negative analogiene ved modellen, kan elevene komme til å tro at modellen er gyldig også på områder hvor den i virkeligheten ikke passer. Et eksempel på negativ analogi i vannstrømmodellen for elektriske kretser er at i et vannrør renner vannet ut hvis det blir brudd på kretsen, mens elektronene ikke lekker ut av en ledning hvis denne brytes (se kapittel 19).

Matematiske modeller En matematisk modell er en symbolsk beskrivelse av en egenskap eller et aspekt ved naturen. F.eks. er likningen s = 12 gt 2 en modell for fritt fall. Hvert symbol i likningen korresponderer med en fysisk størrelse. En slik matematisk modell er mer abstrakt enn det virkelige fysiske systemet. Vanligvis må det virkelige systemet oppfylle bestemte betingelser for at den matematiske modellen skal være gyldig. Dersom et fallende legeme ikke har en bevegelse som passer med likningen s = 12 gt 2 er det ikke noe «galt» verken med det fysiske systemet eller med den matematiske modellen. Men det fallende legemet oppfyller ikke de betingelsene som modellen gjelder for. I dette tilfellet er betingelsene at beve gelsen foregår i et homogent gravitasjonsfelt, og at det ikke er noen friksjon eller luftmotstand.

12.3 Å beskrive naturen med matematikk I fysikk blir matematikk brukt til å systematisere observasjoner gjennom fysiske lover, og det dreier seg om bruk av matematikk for å formulere presise modeller og hypoteser, for å gjøre beregninger og for å beskrive fenomener og forutsi hvordan et system vil oppføre seg i framtiden. Det handler også om hvordan matematikk blir brukt som språk i fysikk, og hvordan den matematiske formuleringen gir grunnlag for å vurdere modellers gyldighet.

modeller og modellering i fysikkundervisningen 191

Forholdet mellom fysikk og matematikk har vært, og er, et stadig tilbakevendende tema i fysikkdidaktikk. Flere har påpekt at mange elever har problemer med å se sammenhengen mellom matematikken de holder på med i matematikktimene, og den matematikken de faktisk bruker i fysikken (f.eks. Taber, 2006). Øystein Guttersrud (2008) diskuterer også problemer elever har med å se sammenhengen mellom en matematisk likning og dens fysiske tolkning. Elever har ofte ikke tenkt på at en formel i fysikk som s = vt formelt er akkurat den samme likningen som y = ax, som de er vant med fra matematikken. Noe av det samme påpeker Bagno, Berger og Eylon (2008), som har undersøkt forståelsen av formler i fysikk hos israelske elever i videregående skole. De fant at elevene hadde vage beskrivelser av komponentene i en formel, at de hadde problemer med å spesifisere under hvilke betingelser formelen gjaldt, og at de i liten grad kunne manipulere enheter i en formel. For mange elever består vanskelighetene i hva slags matematikk de er forventet å bruke, og hvordan de skal oversette fra en fysisk situasjon i en oppgave til et formalisert matematisk språk. Erickson (2006) fant at når studenter løser praktiske oppgaver, arbeider de enten i matematikkmodus eller fysikkmodus. De kan f.eks. lett identifisere stigningstallet i en lineær likning når de er i matematikkmodus, men finner det vanskelig å identifisere rollen til konstanter i en fysikkformel. Er det da mulig for elever å bruke likninger og formler med mer fysikkfor ståelse? Sherin (2001) har studert begynnerstudenter i fysikk på universitetsnivå, og han hevder at til en viss grad har matematiske likninger i fysikk fått et ufortjent negativ renommé, og at fysikkforståelse i for stor grad har vært assosiert med en fysikkundervisning uten for mye symbolsk formalisme. Sherin hevder imidlertid at bruk av symbolske uttrykk og likninger kan involvere betydelig forståelse og ikke bare mekanisk manipulasjon. Sherin (2001, s. 523) skriver (vår oversettelse): […] det synes rimelig å foreslå at i forkant av fysikkundervisningen bør elever få erfaring med å utvikle en enkel matematisk modell og uttrykke innholdet i modellen. […] For elever med en bakgrunn i modellering, vil ikke hver fysikk-likning innebære en ny utfordring, men elevene kan bli i stand til å se fysikkuttrykk som eksempler på spesielle typer av modeller. For eksempel v = v0 + at er et eksempel på en modell som beskriver lineær økning med tid.

Resultater fra TIMSS Advanced viser også at matematikkunnskapene hos n orske elever som tok 3FY i 2008 og Fysikk 2 i 2015, var langt fra tilfredsstillende, og at

192 kapittel 12 de var svakere enn i en tilsvarende undersøkelse fra 1995 (se kapittel 27 – om internasjonale tester). De norske elevene viste spesielt mangelfulle kunnskaper i grunnleggende algebra. Hvis vi i tråd med Sherin mener at bruk av algebra og symbolske uttrykk involverer forståelse, må vi også se på hvordan vi presenterer formler og likninger. Paul Hewitt, forfatteren av Conceptual Physics11, har pekt på at mange elever har problemer med å forstå hva likninger og formler egentlig betyr. F.eks. Newtons 2. lov, som oftest blir presentert på formen F = ma, burde heller bli F presentert som a = . Da ville mange elever rent intuitivt lettere forstå samm menhengen mellom akselerasjonen og henholdsvis kraft og masse: Større kraft gir større akselerasjon, og større masse gir mindre akselerasjon (Hewitt, 2012). Vi skal ikke gjøre et altfor stort poeng av dette, men det er verdt å tenke gjennom om det er mer intuitivt forståelige måter å presentere matematiske uttrykk på.

12.4 Eksempel på modelleringsøving I prosjektet Fysikkutdanning for det 21. århundre (FYS21) ved Skolelaboratoriet for fysikk ved UiO var empirisk-matematisk modellering et bærende element (Angell, Henriksen & Kind, 2007; Angell, Kind & Henriksen, 2008). I modelleringsøvingene i prosjektet FYS21 ble det lagt vekt på å gjøre elevene bevisste på at fysikkformler er matematiske modeller. Elevene fikk oppgaver der de selv skulle utvikle en matematisk modell for en gitt situasjon for deretter å vurdere kvaliteter og begrensinger ved denne. Gjennom alle øvingene ble det også lagt vekt på å trene elevene i en bevisst bruk av de ulike representasjonsformene og vekslinger mellom disse. Særlig ble sammenhenger mellom empiri (målinger), graf og matematisk modell vektlagt.

Muffinsformer og luftmotstand Små, tynne papirkakeformer (muffinsformer) vil når vi slipper dem etter kort fall-lengde, oppnå konstant fart, det vi kaller terminalfarten. Fra Newtons 2. lov har vi at mg − L = ma for et fallende legeme i luft (der L er luftmotstanden), og når farten er blitt konstant, får vi at luftmotstanden vil være L1 = mg hvis m er

Conceptual Physics (12.utg.), Pearson Education.

modeller og modellering i fysikkundervisningen 193

massen til muffinsformen. Med to muffinsformer i hverandre vil vi ha luftmotstanden L2 = 2mg. Vi setter opp to hypoteser: 1. Luftmotstanden er proporsjonal med farten, altså L ∝ v 2. Luftmotstanden er proporsjonal med farten kvadrert, altså L ∝ v 2 Utledning av forutsigelser: Hvis L ∝ v , blir v ∝mg , og hvis massen dobles, vil farten øke til det dobbelte Hvis L ∝ v 2, blir v ∝ mg . Dobles nå massen, vil farten øke med faktoren 2 De to hypotesene kan undersøkes ved å slippe henholdsvis én og to muffinsformer samtidig fra ulike høyder. Hypotese 1 styrkes hvis to muffinsformer faller dobbelt så langt (i et like langt tidsrom) som én muffinsform. Hypotese 2 styrkes hvis to muffinsformer faller 2 ganger så langt. Forsøk med muffinsformene kan også gjøres med datalogger ved å slippe henholdsvis 1,2, 3, 4 og 5 muffinsformer og måle farten når den er blitt konstant (terminalfart).

Figur 12.1 Forsøk med muffinsformer og luftmotstand. Foto: Carl Angell.

194 kapittel 12 6

Antall mu˜nsforme r

0 0

v (farten)

Antall mu˜nsforme r

0 0

10 v 2 (farten kvadrert)

Figur 12.2 Figuren viser resultatet av et forsøk vi har gjort (Angell & Ekern, 1999).

modeller og modellering i fysikkundervisningen 195

En kan nå teste de to hypotesene ovenfor ved å tegne grafer av luftmotstanden som funksjon av farten og sammenlikne resultatene med forutsigelsene. Luftmotstanden som er lik tyngden ved konstant fart, er altså proporsjonal med antall muffinsformer. Vi får at luftmotstanden som funksjon av farten ikke gir noen rett linje, og vi forkaster dermed hypotese 1.Plotter vi derimot luftmotstanden som funksjon av farten kvadrert, får vi en fin rett linje som dermed styrker vår hypotese 2 om at luftmotstanden er proporsjonal med kvadratet av farten. Vi kunne selvsagt også ha brukt kurvetilpasning eller regresjon. Det oppstår imidlertid et problem for mange elever fordi de ukritisk lar programmet lage best mulig matematisk tilpasning. Det kan for eksempel resultere i en nærmest «perfekt» tilpasset kurve beskrevet som en funksjon sammensatt av mange ledd. Problemet er da å kunne tolke alle leddene i funksjonen. En kunne tenke seg at eksempelet med luftmotstand ga en potensfunksjon av 4. grad. Men hvordan skulle en i et slikt tilfelle tolke leddene av 3. og 4. grad? Det er jo ikke noen fornuftig fysisk tolkning av disse leddene. Som fysiker vil man ofte prøve å finne de «enkleste» modellene. Da får vi ofte fram de vesentligste aspektene ved et fenomen. Vi bør derfor oppfordre elevene til å søke etter enkle modeller. I dette eksempelet er det luftmotstandens avhengighet av farten kvadrert som er kjernen.12 Enda et poeng kan være verdt å nevne. I dette forsøket er hensikten med selve målingen bare å finne farten når den er blitt konstant (terminalfarten). Vår erfaring er at en får best resultater hvis en måler posisjonen og undersøker det område der posisjon‒tid-kurven blir en rett linje, og så finner farten som stigningstallet til den rette linjen. Det siste poenget kan være vel verdt å diskutere med elevene. Gjennom en slik modelleringsoppgave får elevene analysere et fysisk fenomen, identifisere relevante variabler basert på teori, og de får bruke eksperimenter og matematiske redskaper til å bestemme sammenhenger, altså en modell, mellom disse variablene. Videre er tanken at elevene skal argumentere for hvordan de har brukt dataene til å komme fram til en konklusjon. Dermed blir fokus rettet mot å klargjøre de ulike representasjonene av fenomenet for å hjelpe dem til å utvikle perspektiver på kunnskap og resonnering i fysikk. Sammenhengen mellom matematikk og fysikk blir følgelig forsterket, og oppmerksomheten blir rettet mot vitenskapelig tenkemåte relatert til eksperimentelle resultater, spesielt

Denne sammenhengen gjelder for moderate og store hastigheter. For små hastigheter er luftmotstanden nærmere proporsjonal med farten.

196 kapittel 12 ved å formulere hypoteser og teste dem eksperimentelt (se også Kind et al., 2017). Vi vil imidlertid poengtere at modellbegrepet ikke læres bare gjennom å erfare modellering og argumentering, men at det knyttes eksplisitt til en forståelse av naturvitenskapens egenart (se også kapittel 13). En av konklusjonene fra prosjektet FYS21 (2005) er at elevenes forståelse av vitenskapens egenart, deres læringsstrategier og deres kompetanse til å håndtere ulike representasjonsformer, gjensidig støtter hverandre. Vi tror altså at innslag av det vi har kalt empirisk-matematisk modellering med fokus på representasjonsformer, kan bidra til elevenes læring i fysikk.

12.5 Databeregninger og programmering i fysikkutdanningen I de siste årene har det vært økende oppmerksomhet rundt bruk av modellering, programmering og databeregninger i fysikkundervisningen. Ved Universitetet i Oslo er beregningsorientert naturvitenskap («computing in science education») innført ikke bare i fysikkstudiene, men på de fleste matematisk-naturvitenskapelige studieprogrammer. I skolens læreplaner i matematikk og naturfagene får programmering og modellering også en stadig større plass (Haraldsrud & Tellefsen, 2018; Utdanningsdirektoratet, 2018c). Det er flere grunner til dette. En åpenbar grunn er selvsagt at en stadig større del av hverdagen vår preges av data-algoritmer, modeller og informasjonsteknologi, fra sosiale medier via værmeldingen til posisjoneringssystemer, robotisering av industrien og utvikling av maskinlæring og kunstig intelligens. De fleste som arbeider som fysikere eller bruker fysikk i jobben sin, har databeregninger og programmering som viktige verktøy. Da ville det være underlig om ikke utdanningssystemet ga elever og studenter innsikt i denne typen arbeid. MaltheSørenssen, Hjorth-Jensen, Langtangen og Mørken (2015) skriver: «Beregninger brukes i dag som en integrert del av utøvelsen av faget, og målet er at den samme integrasjonen reflekteres i utdanningen, slik at studentene bruker beregninger like naturlig som de i dag bruker tradisjonell matematikk.» En annen grunn er at databeregninger og programmering kan støtte læring og motivasjon bl.a. ved at elever blir i stand til å utforske problemstillinger som blir for komplekse å angripe med penn, papir og kalkulator. Det kan f.eks. dreie seg om å se på bevegelse med luftmotstand eller å modellere bevegelsen til flere himmellegemer som er gravitasjonsmessig påvirket av hverandre. På denne måten kan mer realistiske og komplekse problemstillinger angripes i

modeller og modellering i fysikkundervisningen 197

Figur 12.3 Python-program som beregner strekning for gjenstand i fritt fall. Fra Haraldsrud og Tellefsen (2018).

fysikkutdanningen på et tidligere stadium enn før. Haraldsrud og Tellefsen (2018) gir eksempler på hvordan programmering og modellering kan integreres i og støtte læringen innen skolefysikk. Et av de enkleste eksemplene er å lage et program i Python som beregner fall-lengde for en gjenstand i fritt fall (se figur 12.3). Programmet er basert på bevegelseslikningen som elevene kjenner godt. Ved å bytte ut tiden i tredje linje i figur 12.3 kan elevene raskt beregne fall-lengder for ulike tider. I tillegg kan de leke seg med å la gjenstanden ha en startfart eller ved å la tyngdeakselerasjonen ha andre verdier. Slik kan de f.eks. modellere fallbevegelser på andre himmellegemer. Det pågår en del forskning for å finne fram til hvordan, og i hvilket omfang, databeregninger og programmering best bør brukes i fysikkutdanningen. I en metastudie av læringseffekten av å programmere fant Scherer, Siddiq og Sánchez Viveros (2018) indikasjoner på at programmering kan gi moderate økninger i andre kognitive ferdigheter som kreativitet, resonneringsferdigheter og romlig forståelse. Forfatterne presiserte likevel at det var uklart hvorvidt vinningen ved å programmere ville være større enn vinningen ved andre typer aktiviteter som støtter de samme kognitive ferdighetene. Programmering gir altså elevene innsikt i en viktig arbeidsmåte for fysikere og ferdigheter i å bruke digitale verktøy i fysikk, og disse ferdighetene er til en viss grad overførbare til mer generell kompetanse. Det kan også knyttes til begrepet «Computational Thinking», som vi tar for oss i kapittel 17. Det gjenstår imidlertid å finne ut om programmeringsoppgaver i tillegg kan støtte elevenes begrepsutvikling innen sentrale områder i skolefysikken.

198 kapittel 13

Kapittel 13

Læring gjennom utforskende arbeidsmåter I kapittel 12 så vi på utvikling av elevenes modelleringskompetanse. I dette kapitlet diskuterer vi metoder for å utvikle elevenes faglige forståelse og metodekompetanse gjennom det som gjerne kalles utforskende arbeidsmåter (på engelsk: inquiry-based learning). Utforskende arbeidsmåter tar på alvor viktigheten av at elevene utvikler interesse, dybdeforståelse, kompetanse i vitenskapelig utforskning og en kritisk og spørrende holdning. I utforskende arbeidsmåter gjør elevene observasjoner, formulerer hypoteser, tester disse gjennom metoder de selv har vært med å utforme, og vurderer resultatene. Gjennom sammenlikning og diskusjon av egne ideer med ideer fra medelever og forklaringer presentert av lærer utvikler elevene fysikkfaglig forståelse. Gjennom refleksjon over prosessen utvikles elevenes innsikt i naturvitenskapelig tenkeog arbeidsmåte. I tradisjonell lærerstyrt undervisning legger først læreren fram fagstoffet, hvoretter elevene bearbeider stoffet gjennom å svare på ulike spørsmål formulert i oppgaver og læringsdialoger. Praktisk arbeid benyttes først etter at elevene har fått teorien undervist, og da gjerne i form av ferdig strukturerte «kokebok øvinger» med få eller ingen frihetsgrader (se kapittel 11).Elevenes oppgave reduseres lett til å reprodusere resultatet gjennom å følge den oppgitte prosedyre. For en del elever blir resultatet at de fokuserer mye på hva som skal gjøres, og mindre på å forstå den forklarende teorien. Dette beskrives noen ganger som «hands on – minds off». Med utforskende arbeidsmåter skal elevene selv utvikle ideer til tolkninger knyttet til et eksperiment som gir rom for utforskning, eller de skal selv utvikle framgangsmåte og noen ganger også problemstilling. Elevene får erfare reell utforskning der de utvikler empirisk begrunnede påstander. Eksperimenter og oppgaver som brukes i utforskende arbeidsmåter, må derfor ha en annen karakter enn kokebokforsøk, og kan f.eks. ikke forutsette at teorien er kjent for elevene eller presentert på forhånd.

læring gjennom utforskende arbeidsmåter 199

Det er mange måter å forstå utforskende arbeidsmåter på. I dette kapitlet vil vi i første del se på tilrettelegging for utvikling av innsikt i faglige begreper gjennom elevers praktiske utforskning basert på små utforskende oppgaver fra lærer. I andre del vil vi diskutere hvordan veiledning og støttestrukturer med ulike formål er viktig for å gi alle elever en effektiv læringsprosess. Denne delen vil samtidig peke på muligheter for bruk av større utforskende oppgaver der læringsmålet inkluderer utforskende kompetanse.

13.1

Begrunnelser for å bruke utforskende arbeidsmåter

Bruk av utforskende arbeidsmåter har vært omdiskutert (Hattie, 2009; Kirschner, 2006). Det har vært hevdet at kritikken gjelder undervisning der elevene skal oppdage sammenhenger selv (såkalt discovery learning) uten aktiv tilrettelegging med bruk av støttestrukturer (Hmelo-Silver, Duncan & Chinn, 2007). Oppsummeringer av forskning på utforskende arbeidsmåter, slik vi forstår denne arbeidsmåten i dag, finner at den kan gi effektiv læring (Alfieri, Brooks, Aldrich & Tenenbaum, 2011;Minner, Levy & Century, 2010). I en analyse av 37 studier av utforskende arbeidsmåter fant Furtak, Seidel, Iverson og Briggs (2012) generelt positive læringseffekter (effektstørrelse 0,5, som regnes som relativ høyt). Størst effekt på læring fant de når den utforskende undervisningen innebar at elevene skulle utvikle og begrunne forklaringer, presentere og diskutere sine forklaringer i klassen, og lærer knyttet disse til forkunnskaper og faglige begreper (effektstørrelser over 0,7). I den internasjonale storskalaundersøkelsen TIMSS med fokus på grunnskolen (4. og 9. trinn) fant en i 2015 høyere faglige prestasjoner hos norske elever med lærere som uttrykte trygghet i å bruke utforskende arbeidsmåter (Bergem, Kaarstein & Nilsen, 2016). Storskalaundersøkelsen PISA undersøkte bruk og effekt av utforskende arbeidsmåter på 9. trinn i 2015, men skilte ikke mellom ulike typer praktisk arbeid og ga derfor ikke klare resultater. Utforskende arbeidsmåter regnes som særlig godt egnet til å engasjere og utfordre elevene i faget, og til å utvikle elevenes innsikt i naturvitenskapelig arbeidsmåte og kritisk tenkning. Praktisk utforskning kombinert med stimulans til å tenke ut mulige forklaringer hjelper elevene å bygge bro mellom konkrete observasjoner og abstrakte forklaringsmodeller. Ser vi på læreplanene i fysikk og andre realfag, vil vi ofte finne at elevene skal kunne planlegge, gjennomføre og vurdere resultater fra forsøk og utvikle

200 kapittel 13 kunnskap om hvordan forskersamfunnet utvikler og kvalitetsvurderer nye forskningsresultater i fysikk. Roberts og Gott (2006) peker på at slik metodekompetanse ikke er en separat kompetanse som kan utvikles løsrevet fra faglig innsikt. Bruk av et amperemeter krever for eksempel innsikt i forskjellen mellom parallell- og seriekobling, og utvikling av hypoteser og metoder krever innsikt i det emnet en skal arbeide med. De hevder videre at metodekompetanse også inkluderer teoretisk kunnskap om prosedyrer og metodiske prinsipper. Eksempler på slik metodekompetanse er beskrevet i kapittel 3 om naturvitenskapelig tenkeog arbeidsmåte. Metodekompetanse krever i tillegg ferdigheter knyttet til praktisk bruk av slik kunnskap. Utforskende arbeidsmåter gir nettopp en mulighet til å utvikle elevenes innsikt i metode og fag til en helhetlig faglig kompetanse.

13.2 Kjernepunkter i utforskende arbeidsmåter Utforskende arbeidsmåter kan forstås på ulike måter. Noen forstår det som utforskende prosjekt som går over flere uker, andre som små styrte utforsk ninger i starten av en time, og atter andre forstår det som systematisk bruk av flere utforskende eksperimenter gjennom et læringsløp. Det viktigste felles kjennetegnet er at elevene får oppgaver der de utfordres til å lete etter mønstre eller mulige forklaringer i møte med data før de har fått undervisning i underliggende teori. Slike oppgaver kalles utforskende, og noen ganger induktive, siden elevene til å begynne med selv skal foreslå tolkninger av data. I praksis vil elevene normalt jobbe hypotetisk-deduktivt ved at de også tester ut tolkningsideer mot data, og gjerne må forbedre og teste ut forslag til tolkninger i flere runder. Data som elevene skal utforske, kan være produsert av elevene selv gjennom små eksperimenter, eller de kan være demonstrasjoner eller måledata som lærer tilrettelegger. Et annet sentralt poeng er at data bør inneholde et mønster eller forskjeller (ikke bare bestå av en enkelt observasjon). Det er disse forskjellene elevene skal prøve å forklare. Da blir elevenes forslag til mønstre eller forklaringer faglig relevante, selv om de ikke trenger å være faglig riktige. Relevante observasjoner bør være tydelige, og eksperimentene bør helst være så enkle og raske å gjennomføre at de raskt kan gjentas for uttesting av ideer til hypoteser. Målet er at elevene gjennom arbeidet med å tolke data begynner å tenke i mønstre og forklaringer, dvs. i dype strukturer, og dermed utvikler en beredskap og en interesse som muliggjør økt forståelse av fagstoff når lærer legger fram fysik-

læring gjennom utforskende arbeidsmåter 201

kens forklaringsmodeller. Flere studier finner økt og mer varig læring og utbytte av lærers framlegging av stoff når elevene først jobber utforskende (Bransford, Brown, Cocking, Donovan & Pellegrino, 2000, se også kapittel 3). Årsaken synes å være at elever som får nytt stoff forklart innledningsvis, i større grad tenderer til å prøve å huske hva lærer sa, mer enn å forsøke å tenke i faglige prinsipper når de gjør oppgaver (Schwartz, Chase, Oppezzo & Chin, 2011). Her er et eksempel på en kort utforskende aktivitet som kan brukes som innledning til arbeid med bølger: I mange fysikklasserom finnes det lange metallspiraler som elevene enkelt kan bruke til å lage stående bølger med spiralen liggende på gulvet. Hvis lærer innledningsvis gir en kort demonstrasjon og viser at bølgen kan lages med f.eks. ulike utslag, blir det lettere for elevene å forstå hva de skal gjøre. Gjennom å variere avstanden mellom fastholdt node og punktet hvor du griper spiralen og svinger den fram og tilbake, er det lett å få til bølger med ulike bølgelengder (se figur 13.1). For å engasjere elevene til å observere ulike kjennetegn på bølger kan en gi dem følgende utforskende oppgave: Lag to bølger som er forskjellige og ta bilder med mobilen. Studer bildene og foreslå noen observerbare forskjeller mellom bølgene dere har laget. Tegn de to bølgene på et stort papirark (A3). Tegn dem slik at forskjeller mellom bølgene kommer godt fram, og vis disse på tegningen. Tegninger og forslag til forskjeller legges fram for klassen.

Figur 13.1 To litt ulike stående bølger laget ved at én elev holder fast den ene enden av en metallspiral, én elev lager bølger, og én elev tar bilde med mobilen. Man kan her observere noder (knuter), antinoder (buk), bølgelengder, utslag, amplituder og faser. Bildet er tatt av forfatterne med mobiltelefon uten ekstra innstillinger. For å gjøre det enklere å se tydeligere at noder står stille mens antinoder svinger, kan elevene eventuelt velge lang lukkertid. Foto: Stein Dankert Kolstø

202 kapittel 13 Lærer ber elevene presentere forslag til observerbare forskjeller og begrunne disse i observasjoner. Dette innebærer samtidig trening i faglig argumentasjon basert på observasjon. Når forslag deles, kan lærer vise og notere foreslåtte kjennetegn på en tegning av en bølge på tavla. Gjennom å diskutere likheter og forskjeller mellom gruppenes forslag vil elever nå høre at andre grupper har sett ting de selv ikke la merke til. Lærer kan også peke på ulike andre områder av tegningen og be elevene vurdere om dette er et kjennetegn på bølger som fortjener et eget navn. Elevene kan nå bli bedt om å videreutvikle sine forslag til beskrivende kjennetegn i lys av innspill fra diskusjonen. I en avsluttende runde kan lærer be om innspill fra elevene på en forskjell om gangen. I denne runden oppsummerer lærer med å presentere fysikkens begreper og peker på likheter og forskjeller i elevenes og fysikkens beskrivelser av kjennetegn på bølger. Lærer supplerer med å rette oppmerksomheten mot observasjoner som kan utfordre elevene til å oppdage kjennetegn som de ikke selv har foreslått, som for eksempel fase. Lærer kan eventuelt også gi elevene en utforskende oppgave der de skal foreslå en metode for å tallfeste fasen. Her vil notering av akseverdier på tegningene av bølger på tavla være en nødvendig støtte for arbeidet. Hvis mange av elevene har mobiler som kan vise video i sakte film, kan de også få i oppgave å lage video av en bølge som beveger seg bortover et langt tau, og foreslå en metode for å tallfeste bølgefarten matematisk. Elevenes utkast vil normalt være forskjellig fra fysikkens etablerte uttrykk, men kan gi et engasjement og en kognitiv forberedelse som gjør at lærerens forklaring gir god mening. Som i forslaget ovenfor kan det ofte være lurt at lærer innledningsvis demonstrerer eksperimentoppsettet for at elevene skal komme raskt i gang. Det kan også være hensiktsmessig med en innledende idémyldring i samlet klasse slik at alle ser bedre hva oppgaven etterspør, og kanskje får noen ideer til hva de kan undersøke. Selv om elevenes forslag til beskrivelser eller forklaringer normalt vil ha stor variasjon i grad av faglig korrekthet, vil forslagene bygge på observasjoner, og derfor ofte ha noe ved seg som kan bygges videre på. Lærer må her utvikle en læringskultur i klassen som fokuserer på at målet er det samme som i forskning: forbedring av ideer gjennom å utvikle og teste hypoteser, dele argumenter og bygge på hverandres forslag. På den måten kan elevenes forslag forbedres samtidig som de blir vant til å vurdere forslag kritisk i lys av empiri. Gjennom refleksjon over den utforskende og argumenterende prosessen kan elevene også få økt innsikt i naturvitenskapelig tenkeog arbeidsmåte og nødvendigheten av kritisk tenkning for å oppnå solid kunnskap.

læring gjennom utforskende arbeidsmåter 203

En utforskende aktivitet kan ofte utbygges med videre utforskninger. En mulighet innen bølgelære vil være å be elevene bruke mobilen til å ta opp videoer av to måter å lage bølger på ved bruk av lett utstrukne slinky-spiraler («trappetroll») liggende på gulvet: en når de beveger den ene enden fram og tilbake, og en når de gir den ene enden et raskt lite støt. Oppgaven blir å beskrive forskjeller på bølgetypene før lærer innfører begrepene tversbølger og langsbølger. Etter en ny oppgave der elevene blir kjent med overlagring av bølger, kan en levere ut et bilde som tydelig viser interferensmønster fra to punktkilder, f.eks. som vist i figur 13.2, gjerne etter å ha sett en kort video som viser fenomenet. Her kan elevene få i oppgave å foreslå en årsak til at det blir utslokking akkurat på visse punkter, og gjerne foreslå en måte å regne ut hvor det blir utslokking (det siste som en mer krevende oppgave for engasjerte elever). For at flere skal mestre oppgaven, bør lærer gjerne først vise et stort bilde eller tegning som viser slik interferens, og kort diskutere mønstrene en ser, og hvordan f.eks. skjærings punkt mellom bølgebunner kommer i punkter med ulike avstander fra bølge kildene. Hvis elevene får utlevert et stort ark med interferensbildet, kan de måle og tegne opp hjelpestreker på arket. Som utvidelse kan elevene få to lysark med

Figur 13.2 Bildet viser interferensmønster fra to sirkelbølger. Slike bilder kan du finne på internett, eller du kan la deg inspirere av Veritasium sin video på YouTube om «The Original Double Slit Experiment» og se hvordan du kan lage tydelig interferensmønster på et vann ved å bevege opp og ned korte stenger hvor du har festet to baller. Foto: sciencephotos / Alamy Stock Photo

204 kapittel 13 påtegnede sirkelbølger. De kan da variere avstand mellom bølgesentrene og undersøke effekten av det. Det å finne egnede eksperimenter og utforskende spørsmål kan være en utfordring når du ønsker å jobbe utforskende med elevene, siden det ikke er så mange slike oppgaver i lærebøkene. En del inspirerende eksempler kan en finne i litteraturen (se f.eks. McDermott, 1995; Olson & Loucks-Horsley, 2000) og på naturfag.no, samt nettstedene teachingmysteries.eu/en/ og scientix.eu/home.

13.3 Overordnet struktur for utforskende arbeidsmåte En kjent modell for utforskende arbeidsmåter er 5E-modellen (Bybee, 2006). Her følger undervisningen de fem fasene engasjere, utforske, forklare, utvide, vurdere (engage, explore, explain, extend, evaluate). Modellen kan vise til gode resultater (Bybee, 2006; Lawson, 1995) og vektlegger utvikling av fagkunnskap like mye som utvikling av praktisk metodekompetanse. Denne modellen gir hjelp til å strukturere også mer åpne og lengre utforskende prosjekter som vil stå i fokus i resten av kapitlet.

Engasjere og identifisere spørsmål for utforskning Et kritisk punkt i utforskende arbeidsmåter er elevenes engasjement i forsk ningsspørsmålet. I tråd med læringsteoriene til Dewey og Piaget (se kapittel 9) finner flere studier at elevers engasjement i et faglig emne kan fremmes gjennom bruk av overraskende og kontrastfylte observasjoner (Schwartz et al., 2011). Et eksempel er ballonger som gnis med ulike materialer, slik at noen ballonger tiltrekker hverandre, mens andre i stedet frastøter hverandre. Du kan finne mange forslag til slike faglige triggere på internett ved å søke på «discrepant events». Som illustrert med eksempelet med utforskning av bølger er det viktig å være bevisst at elevene gjerne trenger innledende observasjoner for å kunne begynne å utvikle hypoteser og metoder. Hvis du legger opp til at elevene skal formulere egne forskningsspørsmål, vil det gjerne kreve veiledning for at disse skal bli mer presise og forskbare. Hvis vi legger opp til at alle elevene i klassen skal arbeide med samme emne til samme tid, gir det rom for sosialt faglig fellesskap og samarbeid elevene imellom. Det gir også viktige muligheter for fellessituasjoner med forelesninger, klassesamtaler og innlagte eksperimentelle øvinger med relevans for alle elevgruppenes

læring gjennom utforskende arbeidsmåter 205

prosjekter. I grunnskolen vil mange elever kunne la seg engasjere av spørsmål hvor de vet at læreren sitter med svaret, for eksempel om hva som virker inn på svingetiden til en pendel. På videregående skole kan det være viktigere at problemstillingen er reell og med et mer åpent resultat. Hvis målet med den utforskende aktiviteten er økt begrepsforståelse, må læreren være bevisst på at oppgaven stimulerer til nettopp dette. Hvis vi for eksempel ser på spørsmålet «Hvilke kjennetegn har de åtte planetene i vårt solsystem?», så legger det opp til enkel reproduksjon. Slik reproduksjon gir små krav til faglig analyse og vurdering, og elevenes utforskning innebærer ikke økt innsikt i faglige begreper og sammenhenger. Ser vi på det stimulerende spørsmålet «Hvilket batteri er best?», så ser vi at det gir rom for utvikling og læring av forskningsmetoder. Men en svakhet ved denne problemstillingen er at den kan utforskes uten å trekke inn elektrisitetslære eller annen fysikkfaglig teori. I en utprøving var det for eksempel noen elever som satte batterier i en elektrisk lekebil og tok tiden før lekebilen stoppet. Dette er en hensiktsmessig måte å løse problemet på slik det er formulert, men innebærer ingen fysikkfaglig fordypning. Spørsmålet som skal utforskes, bør ikke kunne utforskes og svares på uten å bruke fysikkfaglige begreper. En oppgave hvor elevene skal undersøke hvor glatt det er ute, kan f.eks. utfordre elevene til å bestemme friksjonskoeffisienten mot underlaget for ett eller flere stoffer eller be elevene vurdere hypotesen om at friksjonskraften er proporsjonal med normalkraften. Helt «åpne forsøk» kan gjerne brukes når fokuset er på utvikling av metodeforståelse, hvor styringen ikke nødvendigvis trenger å sikre at alle elevene jobber med samme fagstoff. Nedenfor følger en liste med eksempler på utforskende spørsmål til prosjekter med rom for ulik grad av elevstyring som samtidig krever fysikkfaglig utforskning. • • • • • • • • • •

Hvilke faktorer har betydning for hvor lenge en ball spretter? Hvor mye radioaktivitet er det i klasserommet? Hvor nøyaktige er skolens amperemetre? Vurder om den oppgitte usikkerhet i resistans på noen motstander er korrekt. Observer månen i en måned, og lag en tegning eller modell som forklarer endringer dere observerer. Mål lydhastigheten i luft så eksakt som mulig. Undersøk hvilke endringer som skjer med lyd når den må passere en vegg. Undersøk hypotesen om at friksjonskraften er proporsjonal med normalkraften. Hva påvirker svingetiden til en pendel? Undersøk effektiviteten til et elektrisk apparat.

206 kapittel 13 • • • • • •

Hvordan kan en beregne hvor kulene i et biljardspill vil gå etter en klinking? Hva skjer når americium fra gamle røykvarslere kommer ut i naturen? Er dyre polaroidsolbriller bedre til å stoppe polarisert lys enn de billige er? Hvordan er den elektriske ledningsevnen til blyantstreker på papir? Hvordan varierer den elektriske ledningsevnen til menneskehud? Hvordan varierer svingetiden til et «trappetroll» (slinky-spiral) med antall runder spiralen har?

Utforskning I den utforskende fasen skal elevene samle data som kan belyse problemstil lingen de har satt opp. Elevene kan selv utvikle en metode for egen undersøkelse til å teste ut egne hypoteser og ideer, eller bruke en metode fra læreren som i eksempelet med utforskning av bølger. Elevene kan også bruke eksisterende data fra kilder på internett. Et eksempel er data om solflekkaktivitet samlet inn av solforskere, der elever kan gå inn og se etter mønstre på liknende måte som forskere gjør. I planleggingsfasen bør læreren unngå å bedømme elevers metoder og forklaringsforslag som rette og gale. Det som er viktig, er at læreren kommenterer mangel på presisjon og klarhet. Når det gjelder undersøkelses metoder, er kritiske spørsmål veien å gå for å øke elevenes refleksjonsnivå rundt variabelkontroll, usikkerhet osv. Elevene kan lett bruke mye tid på å finne ut hva de skal gjøre, og hvordan de kan undersøke spørsmålet sitt. Læreren kan her vurdere å ta en aktiv rolle, stille veiledende spørsmål, peke på ulike muligheter og ikke minst sette tidsfrister. Som et alternativ til å gå rundt og snakke med hver gruppe kan læreren kreve at hypotese og metode leveres inn for kommentering.

Forklaring Når elevene har samlet inn data og begynner å diskutere hypoteser og formulere forklaringer, så vurderes og kritiseres disse best gjennom å utfordre med data som hypotesen kanskje ikke forklarer. Et alternativ til diskusjon i samlet klasse er å arrangere «forskermøter» der to eller tre grupper legger fram hypoteser og data, eller utkast til analyse av data, og medelever kommer med konstruktive tilbakemeldinger til hverandre, supplert av lærer (Bjønness & Kolstø, 2015). Mange elever vil trenge utfordrende veiledning for å se at modeller ikke følger fra data, men alltid er en av flere mulige tolkninger.

læring gjennom utforskende arbeidsmåter 207

Elevene kan ikke gjennom egen utforskning oppdage fysikkens begreper og teorier. I 5E-modellen vil læreren i forklaringsfasen legge fram naturvitenskapens forklaringer på fenomenene som undersøkes. Det er da viktig å ikke bare forlate elevenes forslag til forklaringer, men aktivt utfordre elevene til å sammenlikne egne ideer med lærerens forklaring. På denne måten kan elevene få bygd på sine forkunnskaper og ideer og få testet og videreutviklet sine tolkninger av lærerens forklaringer. Slike læringssamtaler forutsetter at elevene opplever at lærer viser respekt og interesse for elevenes ufullstendige ideer. Bare gjennom at elevene tør å legge fram sine begynnende tolkinger, blir de tilgjengelig for samtale og tilbakemelding, og dermed videre utvikling. Rapportskriving innebærer at mønstre i data tydeliggjøres, og at resultater tolkes i lys av teori, og at teori forklares i lys av resultater. Rapportskriving er derfor egnet til videre bearbeiding av data fra elevenes utforskninger. I en modell utviklet av Carolyn Keys, Brian Hand, Vaughan Prain og Susan Collins (1999) kalt «The Science Writing Heuristic» tilrettelegges det for tre refleksjonsfaser for å støtte elevene i utvikling av faglig baserte tolkninger av data. Først skal hver elev skrive egne tolkninger av eksperimentene. Så arbeider elevene i små grupper og sammenlikner tolkninger av data. Til slutt sammenlikner elevene egne hypoteser og oppfatninger med fagstoff i lærebøker og andre kilder. I The Science Writing Heuristic legges det opp til at elevene får korte forelesninger og diskusjoner på egnede tidspunkter underveis. Når elever tolker egne data og genererer, vurderer og kritiserer forslag til forklaringer, blir det tydelig hvordan utforskende arbeidsmåter har likheter med naturvitenskapelig tenkeog arbeidsmåte. I faglig fokuserte utforskende prosjekter vil det samtidig være en viktig forskjell, ved at elevenes oppgave er å sette seg inn i og anvende etablert teori i tolkningsarbeidet, ikke å utvikle nye teorier. For å løfte elevenes erfaringer til å bli innsikt i må vi snakke med elevene om hva vi kan lære av erfaringene. Et godt utgangspunkt for diskusjon med elevene kan være å stille spørsmål hvor de kan reflektere i lys av erfaringer de har gjort: «På hvilke måter likner måten dere arbeider på nå, på måten fysikkforskere jobber? På hvilke måter er det ulikt?»

Anvendelse og vurdering Læring basert på egen utforskning vil være tett knyttet til det eksempelet som utforskes. Nye begreper og innsikter bør derfor anvendes i andre situasjoner for at elevene skal se det generelle i innsiktene (Bransford et al., 2000). Her kan man

208 kapittel 13 bruke tradisjonelle problemløsende tekstoppgaver, men det kan også være en fellesdiskusjon rundt en ny fysisk situasjon tydeliggjort gjennom en demonstrasjon eller et bilde. Her kan læreren eksplisitt be elevene anvende nye innsikter og utfordre dem med spørsmål som «Hva vil skje hvis …?» og «Hvordan kan vi forklare at …?». Uten trening i videre anvendelse vil elevene lett få problemer med overføring og bruk av kunnskap i nye situasjoner (jf. utfordringen knyttet til hvordan våre kunnskaper er situerte, diskutert i kapittel 9). Utvikling av korrekt forståelse krever løpende tilbakemeldinger underveis på gryende kunnskapskonstruksjoner. Evaluering er derfor ikke en egen fase i arbeidet – et poeng vi vil diskutere nærmere nedenfor.

13.4 Strukturering og lærerstyring Ifølge «The self-determination theory» (på norsk gjerne kalt selvbestemmelsesteorien) er det særlig tre psykologiske behov som er av betydning for hvor mye innsats elevene legger i læringsarbeidet (Roeser & Galloway, 2002). For det første må elevene ha trygghet for at de får et faglig utbytte av innsatsen som står i forhold til tidsbruken. For det andre må det være rom for medbestemmelse. Elever som bare blir fortalt hva de skal gjøre og ikke får innvirke på egen arbeidssituasjon, vil tendere til å engasjere seg mindre i arbeidet. For det tredje er det viktig at arbeidssituasjonen er sosialt god. Hvis situasjonen for eksempel er sosialt ubehagelig, vil eleven kunne prøve å dra seg unna eller prøve å delta minst mulig. I utforskende arbeidsmåter er det stort rom for medbestemmelse siden elevene selv skal delta i utvikling av spørsmål, metoder og resultater. Dette er også ønskelig for at elevene skal utvikle autonomi og evne til å hanskes med komplekse faglige situasjoner. Hvis elevene er med i arbeidsgrupper som fungerer godt sosialt, vil situasjonen gi rom for både faglig samtale og småprat. Men elevene trenger også trygghet på at innsatsen vil gi et godt faglig utbytte. Erfaringen fra forskning de siste tiårene har vært at bruk av støttestrukturer er nødvendig for at elevene skal få godt faglig utbytte. I Danmark har det vært en del utprøving av såkalt prosjektorganisert undervisning (POU) i fysikk. I en rapport om erfaringer (Angell et al., 2002) pekte noen lærere på at selv om noen faglig sterke elever fikk godt utbytte, fikk faglig svake elever ofte svakere læringsutbytte. Samtidig har andre erfart at nettopp faglig svake og demotiverte elever får økt glede, innsats og utbytte ved utforskende arbeidsmåter (Knain & Kolstø, 2011). Hmelo-Silver, Duncan og Chinn (2007) hevder at bruk av støttestrukturer som ulike oppgaver og maler utgjør hovedskillet mellom vellykkede utfors

læring gjennom utforskende arbeidsmåter 209

kende prosjekter og utforskende prosjekter med svakt læringsutbytte. Nedenfor følger noen forslag til oppgaver og støttestrukturer som er aktuelle i utforskende arbeid. Bruk av slike må selvfølgelig vurderes i forhold til hvor stor og kompleks elevenes forskningsoppgave er. På websiden ambitiousscienceteaching.org kan en finne ulike støttestrukturer og ressurser til bruk i utforskende arbeidsmåter.

Støttestrukturer for faglig begrepsutvikling Når elever jobber i grupper med ulike problemstillinger, kan det være krevende å få tid til å gi alle den støtte og veiledning de trenger. Den viktigste faglige støtten under utforskning er å tilrettelegge for utforskende samtale mellom elever og mellom elever og lærer. Neil Mercer og Karen Littleton (2007) har vist at utforskende samtaler hvor deltakerne deler forslag, etterspør begrunnelser, lytter til hverandre og prøver finne ut av ting sammen, fremmer læring (se kapittel 14). Bruk av utforskende oppgaver innebærer at elevenes tenkning blir synlig og tilgjengelig for lærer slik at lærer kan ta utgangspunkt i denne. Dette viktige prinsippet utdyper vi videre i kapittel 14 om språk og læring. Wells, Hestenes og Swackhamer (1995) viser et eksempel fra en lærer som ber elevgruppa skissere opp grafer og forklaringer på småtavler når de jobber. Det klargjør ideer, fremmer faglig samtale i gruppene og gjør at ideene kan vises og forklares raskt og effektivt med klassen. Når elevene har faglige spørsmål fra egen utforskning i bakhodet og har kjempet litt med problemene, øker også utbyttet av samtaler med lærer. En effektiv teknikk er å be elevgruppene dele forslag til forklaringer med klassen. Dette er særlig viktig for å få med elever på alle faglige nivåer. Ofte er det tilstrekkelig at to‒tre grupper legger fram hver gang. Hvis første delingsøkt kommer tidlig, vil den samtidig kunne fungere som hjelp for alle til å få avklart tolkning av oppgaven og til at alle elevene får tilgang til ideer slik at de får en god start. Under delingsøkter kan lærer notere stikkord på tavla, og ulike forklaringsideer kan sammenliknes og diskuteres opp mot målinger og teori. Bruk av delingsøkter gjør det mulig for lærer å gi tilbakemeldinger og introdusere utfordringer og ny informasjon som alle gruppene kan ha nytte av. Det kan dermed minske behovet for veiledning som ellers lett kan bli en flaskehals ved utforskende arbeidsmåter. Når læreren går rundt og samtaler med gruppene, bør hun eller han ikke bare diskutere framdrift med dem, men utfordre elevene til å forklare observasjoner, begreper og sammenhenger i et fysikkfaglig språk. Målet er hele tiden elevenes bearbeiding av observasjoner språklig og tankemessig.

210 kapittel 13 Når elevene får lage sin egen problemstilling, innen rammer satt av lærer, kan det bli mindre relevant med hyppige delingsøkter. Da kan behovet for støttende veiledning bli stort. Men elever som ikke er faglig sterke, vil gjerne velge seg enklere problemstillinger. Lærer kan også kreve at problemstillingen må godkjennes før de går videre, og da kan lærer veilede elevene til å formulere problemstillinger som er overkommelige for dem. Ulik kompleksitet i problemstillinger vil normalt resultere i at elever får ulikt læringsutbytte, slik det også er i tradisjonell undervisning. Læringen kan likevel bli størst hvis elever jobber med problemstillinger som er overkommelige. Gir vi elevene stor frihet i valg av problemstilling, vil variasjon i resulterende læring normalt bli stor. Når målet er å lære å utforske problemstillinger mer selvstendig, er dette greit. Hvis elevene skal lære bestemte faglige begreper, kan det være bedre at lærer bestemmer problemstillinger slik som i eksempelet ovenfor med arbeid med bølger. Det er for sent hvis læreren oppdager faglige misforståelser først når rapporten fra prosjektet er innlevert. Læreren bør kreve at elevene underveis skriver forklaringer på fysikkbegreper og metodene de bruker. Noen ganger underveis bør de skrive oppsummeringer av tanker i en loggbok. Tekster elevene skriver, kan gjøres prosessorienterte ved at de kan forbedres etter første innlevering og etter hvert som forståelsen øker. En kan også gi elevene i oppgave å kommentere og foreslå forbedringer i en annen elevs tekst. Det er vanligvis lærerikt for begge parter. Hvis en bruker webbasert loggføring og skriving underveis (delt Google-dokument, OneDrive, læringsplattform eller annet), kan læreren få innsikt i elevenes framdrift og læringsprosess. Dette gir et godt utgangspunkt for oppfølging, samtidig som det blir mulig for elever å lese og kommentere hverandres tekster og ideer.

Støttestrukturer for læring av fagets tenkeog arbeidsmåter Elevene bør også få oppgaver og støttestrukturer for utvikling av ideer og innsikt i prosedyrekunnskap og fagets tenkeog arbeidsmåter. Elever som ikke er trente i å lage utforskende spørsmål, vil kunne trenge hjelp til dette. En måte å gjøre dette på er å be alle komme med forslag til spørsmål på grunnlag av en stimulerende demonstrasjon eller video. Forslag diskuteres kort, og gode forslag noteres på tavla. Gjennom kommentarrunden får elevene eksemplifisert kjennetegn på egnede og uegnede forskningsspørsmål, og lærer kan oppsummere generelle kjennetegn på gode forskningsspørsmål. Fra lista på tavla får de også en rekke eksempler på forskningsspørsmål som de kan la seg inspirere av eller velge blant.

læring gjennom utforskende arbeidsmåter 211

Når elevene skal utvikle en plan eller metode, vil en mal for planlegging av utforskning kunne synliggjøre noen av fagets tenkemåter og effektivisere elevenes arbeid. Den kan inneholde overskrifter og korte forklaringer som signaliserer at hypoteser ikke bare skal formuleres, men også begrunnes, at prosedyrer for datainnsamling tydeliggjøres, og at kilder til usikkerhet identifiseres og vurderes. Hypotesetesting basert på identifisering og kontroll av variabler er en viktig del av vitenskapelig tenkemåte. Noen bruker her et eget skjema for notering av variabler og identifisering av uavhengige og antatt avhengige variabler som skal hjelpe elevene å oppnå oversikt og kontroll samt komme inn i tankegangen. Andre måter å støtte utvikling av elevenes faglige tenkemåter på er å gi dem tydelige vurderingskriterier knyttet til produktkrav. Hvis elevene ikke har erfaring med teksttypen eller med selvstendig rapportskriving, bør de få en mal for skri ving av sluttproduktet der overskrifter og forklaringer hjelper dem på vei. Som med andre nye produkter, som forskningsspørsmål, hypoteser, planer, visuali sering og diskusjon av resultat, bør eksempler på disse gås igjennom i fellesskap. Når elevene utforsker en problemstilling, skal de utvikle en empirisk begrunnet påstand eller konklusjon. Da er det naturlig å be dem skrive en argumenterende eksperimentrapport etter mal av profesjonelle eksperimentrapporter som beskrevet i kapittel 15. Lærer kan så gi elevene i oppgave å vurdere hverandres rapporter, og dermed få trening i bruk av (utdelte?) vitenskapelige vurderingskriterier og fagfellevurdering. På naturfag.no finnes et tidsskrift kalt SPISS, hvor elever kan få erfaring med slik fagfellevurdering. I etterkant kan en klasse diskusjon bevisstgjøre elevene på hva en kan se etter når en vurderer kvalitet på forskning og eksperimentrapporter. På denne måten får elevene praktisert og reflektert over kjennetegn på kritisk tenkning og naturvitenskapelig tenkemåte.

Støttestrukturer for utvikling av autonomi, kritisk tenkning og evne til å hanskes med faglig kompleksitet For elever som er uvant med lengre utforskende prosjekter, kan det være vans kelig å få oversikt over prosessen og alt som skal gjøres. For å fremme faglig fokus og framdrift kan en benytte strukturering av arbeidsprosesser, maler for planlegging og gjennomføring, milepælplaner og krav til loggføring og godkjenning av delprodukter som forskningsspørsmål og metoder underveis. Spesielt er det viktig å gi klare krav til sluttprodukt og informasjon om vurderingskriterier og sluttvurdering.

212 kapittel 13 I større prosjekt blir det lett mye nytt som skal læres. Mange elever vil kunne prøve å redusere kompleksiteten ved å senke ambisjoner, skrive av eller prøve å finne ferdige metoder og svar. En måte å gi elevene mer oversikt på er å arbeide med sentrale faglige begreper i forkant av prosjektet, skissere en prosjektplan, dele ut den informasjon de trenger, og gi dem ideer til hypoteser, metoder og framstilling og tolkning av resultater. På den andre siden kan det være et mål å utvikle elevenes autonomi, og da må slik støtte begrenses. Det er derfor viktig å avpasse bruken av styring og støttestrukturer etter hvor selvstendige og faglig sterke elevene er. I tillegg må det tas hensyn til hvor mye erfaring de har med utforskende arbeidsmåter. Nye arbeidsmåter må læres, og hvis elevene ikke har blitt opplært til utfors kende arbeidsmåte på tidligere årstrinn, trenger de mer hjelp og støtte underveis. I en diskusjon av ulike modeller for utforskende arbeid peker Marshall, Horton og Smart (2008) på viktigheten av at utforskning, forklaring og anvendelse hele tiden ledsages av refleksjon over egen forståelse, læringsutbytte og læringsprosess. På denne måten kan elevene utvikle sin metakognitive bevissthet om hvordan arbeide med komplekse problemer. Erfarne lærere har ofte flere metoder de bruker for å fremme elevenes ansvarlighet og oversikt over framdrift som samtidig kan bidra til å unngå «gratispassasjerer». Jobben med å være gruppeleder lar de gå på omgang, og økt starter med identifisering og fordeling av oppgaver til alle. Under veiledning og som respons på forslag etterspør lærer om elevene har delt og diskutert ideene på gruppa, og om alle på gruppa er enige. På slutten av hver økt skal gruppa eller hver elev skrive en egenvurdering. På bakgrunn av sin gjennomgang av forskning hevder Hattie (2009) at «når oppgaver er svært komplekse for eleven, vil det være metakognitive ferdigheter mer enn intellektuelle evner som er avgjørende for læringsutbytte» (s. 30, vår oversettelse). Marshall, Horton og Smart (2008) peker på at slik metakognitiv refleksjon kan fremmes ved å gi elevene i oppgave å forklare strategier de brukte (refleksjon), og hvordan de tenkte når de skulle velge ut og gjennomføre disse strategiene (metakognisjon) i etterkant av utforskende problemløsning. Det er sannsynlig at utbytte av ulike arbeidsmåter varierer med elevenes motivasjon, læringsstrategier og alder. Basert på en analyse av TIMSS 2015-data peker Teig, Scherer og Nilsen (2018) på at utforskende arbeidsmåter krever gjennomtenkt tilrettelegging og bør inkludere presentasjon og diskusjon av fagstoff for å gi god læring. Som lærer må du selv vurdere hvilke arbeidsmåter som best synes å fremme aktiv refleksjon over sammenhenger og oppøving i relevante kompetanser hos dine elever.

språk og kommunikasjonsf ormer i fysikkundervisning 213

Kapittel 14

Språk og kommunikasjons former i fysikkundervisning Språk er vesentlig for utvikling av kunnskap. Fra vitenskapshistorien ser vi at innføring av nye begreper er en viktig del av nye tankesystemer som bringer vitenskapen videre. På samme måte er bruk av begreper og andre representasjonsformer i fysikk vesentlig for elevers læring. Fagets språk utgjør også en viktig side av faget; for å kunne fysikk må en også kunne språket fysikken uttrykkes i, og hvilke sjangrer faget gjør bruk av. I dette kapitlet tar vi for oss språkets rolle i læringsprosessen, kjennetegn ved fysikkens språk og hvordan læreren gjennom ulike kommunikasjonsformer i klasserommet kan hjelpe eleven til å gjøre fysikkens språk til sitt eget.

14.1

Språkets rolle i læringsprosessen

Innenfor sosiokulturelle syn på læring (se avsnitt 9.2) er språkets rolle i læringsprosessen vesentlig. Dette er i motsetning til hva vi finner innen konstruktivistisk tenkning om læring, hvor en gjerne spør hva som kjennetegner og hva som fremmer forståelse som en intern egenskap ved individet. Men med et perspektiv på kunnskap som et kollektivt fenomen er det ikke nok å ha en personlig oppfatning av noe. Når vi betegner noe som kunnskap, innebærer det at det er et synspunkt, med tilhørende begreper, som man deler med flere. Språkliggjøring av kunnskap og meninger er derfor nødvendig for å kunne ta del i det vi betrakter som kunnskap. Innenfor naturfagdidaktikken har fokus på språkets rolle økt i senere tid, med støtte i Vygoskys teorier som ble kjent i Vesten på 1970-tallet. Som vi så i avsnitt 9.2, skilte Vygotsky mellom spontane og vitenskapelige begreper. Spontane begreper er basert på sanseinntrykk og samhandling i hverdagssituasjoner, og elevers hverdagsforestillinger kan være knyttet til slike spontane begreper. Vitenskapelige begreper derimot, er ikke basert på spesielle situasjoner. De

214 kapittel 14 gjør det mulig å forstå relasjoner mellom begreper mer generelt, og er felles i en kultur eller et fagfelt. Alle vitenskapelige begreper er i sin natur språklige og uttrykkes i skriftlig form gjennom tekst og fagspesifikke symboler, matematiske uttrykk, kurver eller andre grafiske representasjoner. Disse representerer konvensjoner forskersamfunnet er blitt enig om å bruke. Men Vygotsky sin påstand går lenger ved at han hevder at vitenskapelig kunnskap grunnleggende sett er symbolsk og derfor må læres gjennom språk og samhandling. Innen kognitive eller konstruktivistiske syn på læring begynte en derfor å utforske språkets rolle i læringen. Et første poeng ble at læreren eller en lærebok må bruke språk og symboler for å introdusere fagets begreper for elevene. Det er ikke mulig å lære vitenskapelige begreper bare gjennom situasjonsbestemte erfaringer som for eksempel elevøvinger og demonstrasjoner. Dette poenget støttes også av vitenskapsteori og induksjonsproblemet som ble drøftet i kapittel 3. Men et like viktig poeng er at eleven selv må bruke språk og symboler for å teste og justere dem mot andres bruk av språk og symboler. Målet med læringen kan formuleres som at elevenes konstruksjoner av kunnskap skal likne mest mulig på lærerens (og lærebokas) konstruksjoner. Dette krever at elevenes begynnende forståelser hele tiden testes mot lærerens. Språket gir uttrykk for tanker og forståelse, men språket er likevel ikke en direkte avspeiling av tankens struktur. Vygosky selv uttrykte det slik: Språkets struktur representerer slett ikke en enkel avspeiling av tankens struktur. Derfor kan man heller ikke bare henge språket over tanken som en ferdigsydd kjole. Språket tjener ikke som uttrykk for den ferdige tanken. En tanke som blir omsatt i språk, blir omstrukturert og forandres. Tanken blir ikke uttrykt i ordet, den blir til gjennom ordet. Vygotsky, 1987, s. 353, vår oversettelse

Det å utvikle forståelse innebærer altså å utvikle et språk om det en søker å forstå. Ord er i seg selv ikke bærere av forståelse. Elevene kan ikke ta opp den fulle innsikt innbakt i et begrep gjennom å høre det eller gjennom å pugge det, heller ikke gjennom å få det forklart. Eleven må arbeide gjennom tenkning og språklig samhandling, samt praktisk handling der nødvendige erfaringer mangler, og derigjennom gradvis utvikle en egen forståelse av de nye begrepene. Med dette perspektivet på språkets rolle i læringen vil en lærer søke å tilrettelegge for situasjoner der elevene må uttrykke seg språklig og delta i dialoger i alle faser av læringsprosessen. Det er viktig at elevene får sette ord på sine kunnskaper og ideer; dette bidrar til å bli bevisst på hva egen kunnskap består

språk og kommunikasjonsf ormer i fysikkundervisning 215

i. Læringssituasjoner bør derfor ta utgangspunkt i elevenes spontane begreper. Men elevene skal også videreutvikle språket sitt til et vitenskapelig språk som kan anvendes i ulike situasjoner. Først da har man en fullt utviklet forståelse for kunnskapen fysikken representerer.

14.2 Hva kjennetegner fysikkens språk? Gjennom opplæringen skal elevene gradvis tilegne seg og kunne bruke det språket som er karakteristisk for faget, det vil si fagets begreper og sjangrer. I boka Språk, tekst og kommunikasjon i naturfag gir Mork og Erlien (2017) en grundig oversikt over feltet og mange ideer til hvordan man kan arbeide med språk i naturfagene mer generelt. De tar for eksempel for seg ulike sjangrer som er aktuelle i naturfag, som for eksempel eksperimentrapporter og naturvitenskapelige beskrivelser, og gir konkrete verktøy for hvordan læreren kan hjelpe elevene til å bli kjent med disse sjangrene. I fysikk kan språket og symbolene som brukes, gjøre at en faglig framstilling framstår som totalt uforståelig for en utenforstående. Ikke bare gjør man bruk av en mengde faguttrykk, slik enhver fagtekst vil gjøre, framstillingen vil også være full av kompakt informasjon gjennom likninger, symboler og diagrammer, altså fysikk uttrykt gjennom ulike representasjonsformer (se avsnitt 8.2). Fysikken blir dermed som et fremmedspråk for elevene, og å forstå fullt ut hvordan representasjonene skal tolkes, krever lang trening. Men også oppbygningen og språkføringen i en fysikkfaglig framstilling har visse karakteristiske kjennetegn. I det følgende vil vi se nærmere på disse kjennetegnene og hvilke utfordringer eleven vil ha i å forstå og bruke dette språket.

Multimodalitet De ulike representasjonsformene som brukes i fysikk, gjør at man lettere kan få fram flere sider ved et fenomen. Visse sider uttrykkes best ved likninger, mens andre illustreres best gjennom et diagram. Tekstforskere vil her snakke om at en forfatter gjør bruk av ulike modaliteter, det vil si former for «tekst». Ulike modaliteter kan ha ulike potensialer, gjerne kalt modal affordans, for å få fram et budskap. Fotografier, tabeller og annen grafikk får lett fram romlige og kvantitative forhold, mens skrevet tekst er godt egnet til å beskrive kvalitative sammen henger og tidsrelasjoner (Kolstø, 2009). Når natur og teori skal formidles og relateres til hverandre, trenger fysikere ofte å få med både romlige, kvantitative,

216 kapittel 14 kvalitative forhold og tidsrelasjoner. Disse må ses i relasjon til hverandre for å få en fullgod forståelse av innholdet. I fysikkundervisingen har mange erfart at elever ofte vegrer seg mot å tegne skisser av problemsituasjonen i tekstoppgaver, og at de ofte lar være å bruke illustrasjoner, diagram og likninger på eget initiativ når de skriver forklaringer og «essay-oppgaver». En mulighet til å trene på dette er å la elevene jobbe i små grupper med å lage en grafisk representasjon av et fenomen eller sammenheng. Alle på gruppa må enes om hvordan dette skal representeres i tegningen, og hver deltaker vil kunne legge merke til mangler eller ting de har forstått annerledes og delta i samtalen med sine argumenter (Knain et al., 2017). Når elevene tegner, blir også deres forståelse lett tilgjengelig for lærer, og gir et godt grunnlag for veiledning. Mer generelt er det viktig å bevisstgjøre elevene på hvordan en bruker og leser tekster med ulike representasjonsformer slik at flere kan lære å mestre dette bedre. Dette krever at man som lærer peker på hvilken funksjon de har i ulike sammenhenger.

Faguttrykk og nominalisering Et typisk trekk ved naturfaglige tekster er at de inneholder mange faguttrykk i form av nominaliseringer (Mork & Erlien, 2017). Nominalisering innebærer at et verb eller et annet ikke-substantiv gjøres om til et substantiv, dvs. et nomen. Med utgangspunkt i verbene stråle, fange inn og kondensere har naturvitere laget substantivene stråling, (elektron‑) innfanging og kondensasjon. Slike nominaliseringer innebærer ofte at en setter navn på fenomener eller fysiske prosesser i naturen. Ved å bruke nominaliseringer kan den som skriver, referere til en hel prosess ved hjelp at et enkelt ord, og så legge til mer informasjon om fenomenet innen rammen av en setning. Dette gjør setninger abstrakte og informasjonstette. I tillegg vil tekster i naturfagene ikke fokusere på hva personer gjør, men hva som kan skje i naturen. Tidsaspektet forsvinner samtidig. Et eksempel er følgende setning fra en lærebok i fysikk: Elektrisk strøm oppstår når elektriske krefter flytter ladninger – og dermed gjør arbeid. Rom Stoff Tid. Fysikk 1, Jerstad, Sletbak, Grimenes & Renstrøm, 2007, s. 237

Her ser vi at begrepet ladning er en nominalisering av verbet «å lade». Setningen inneholder også faguttrykkene elektrisk strøm, elektriske krefter og arbeid. Vi ser også at tiden er verken fortid, nåtid eller framtid, men en vilkårlig eller generali-

språk og kommunikasjonsf ormer i fysikkundervisning 217

sert tid. Bak verbene flytte, oppstå og gjøre står ikke et menneske som aktør, men den abstrakte aktøren «elektriske krefter». De ordene som bærer mest mening i setningen, er ikke verbene, men faguttrykkene som alle er substantiv. Ordene krefter, strøm og arbeid brukes i hverdagsspråk, men har her en spesifikk faglig betydning. Vi legger også merke til nominaliseringen i at elektriske krefter «gjør arbeid», de «arbeider» ikke!

Bruk av passiv Et annet karakteristisk trekk ved naturvitenskapelige framstillinger er bruk av passiv form. Man sier for eksempel at «temperaturen ble målt» i stedet for «jeg målte temperaturen» (eller endog med nominalisering: «Temperaturmåling ble utført»). Dette bidrar ytterligere til at den menneskelige aktøren forsvinner. Til grunn for dette ligger antakelsen om at det er uvesentlig hvem som gjorde målingen – man ville fått samme resultat uansett. Resultatet framstår dermed også som mer objektivt riktig når de menneskelige aktørene som utførte målingene, er utelatt. I naturvitenskapene er bruk av ulike modaliteter, nominaliseringer og passiv form hensiktsmessig da det gir mulighet for å pakke mye informasjon på liten plass, noe som blant annet gjør teoribygging og argumentasjon lettere. Imidlertid kan dette også bidra til at tekstene blir mer utilgjengelige for elevene. I undervisningen kan det være til hjelp om læreren gjør disse typiske kjennetegnene ved fysikkfaglige framstillinger eksplisitte for elevene, og peker på hvorfor de kan være hensiktsmessige.

14.3 Å lære fysikk gjennom kommunikasjon i klasserommet Fysikkens språk må tilegnes gjennom bruk, både skriftlig og muntlig. I kapittel 15 skal vi se på hvordan skriving som del av fysikkfaget kan hjelpe elevene til å tilegne seg fysikkens skriftlige språkformer og sjangrer, mens vi i de følgende avsnittene ser på hvordan muntlig kommunikasjon i klasserommet kan bidra til at elevene lærer fysikkens språk.

Kommunikasjonsformer i klasserommet For en lærer er det viktig å være bevisst på hvordan kommunikasjonen foregår i klasserommet, og hvordan ulike kommunikasjonsformer kan ha ulike

218 kapittel 14 funksjoner for elevenes læring. Det kan her være nyttig å ta utgangspunkt i et rammeverk utviklet av Mortimer og Scott (2003), som har analysert kommunikasjonsformer i undervisning i naturfagene. Rammeverket har to dimensjoner, som kombinert gir fire typer av kommunikasjonsformer («communicative approaches») illustrert i tabell 14.1. Tabell 14.1 Kommunikasjonsformer i undervisning (fra Mortimer & Scott, 2003). Interaktiv

Ikke-interaktiv

Dialogisk

A Interaktiv/dialogisk

B Ikke-interaktiv/dialogisk

Autoritativ

C Interaktiv/autoritativ

D Ikke-interaktiv/autoritativ

Dimensjonen interaktiv/ikke-interaktiv dreier seg om hvorvidt elever deltar i samtalen eller om kommunikasjonen foregår som en enetale fra læreren til elevene. Dimensjonen dialogisk/autoritativ dreier seg om hvordan læreren tar hensyn til elevenes innspill og synspunkter. I en autoritativ13 kommunikasjonsform har læreren de riktige svarene, og hensikten med kommunikasjonen er å formidle disse til elevene i en monologisk form som likner en forelesning (felt D i tabell 14.1), eller ved å gi avklarende tilbakemeldinger på ulike innspill som er kommet fra elevene (felt C). En dialogisk kommunikasjonsform har derimot til hensikt å løfte fram elevenes syn og diskutere disse, enten ved en interaktiv samtale (felt A) eller ikke-interaktivt (felt B) ved at læreren gjennom en enetale peker på tidligere innspill fra elevene. Kommunikasjonsformene som de to dimensjonene danner, har ulike funksjoner i dialoger med elevene. Dialoger i klasserommet er viktige for elevenes læring, men for å få tilgang til kunnskapen fysikk som fag representerer, behøver elevene også porsjoner av godt strukturert informasjon gitt i fagets eget språk, noe som ofte vil forutsette en autoritativ kommunikasjonsform. Det er altså ikke slik at en form for kommunikasjon alltid er bedre enn de andre. God undervisning kjennetegnes derimot av en gjennomtenkt variasjon mellom ulike kommunikasjonsformer og ulike arenaer for språklig samhandling. Slik kan de bidra til at eleven gradvis gjør fagets innhold og språk til sitt eget. De fire kategoriene i tabell 14.1 vil vi bruke i det følgende for å diskutere hvordan læreren kan bruke muntlig kommunikasjon i fysikkundervisning på ulike måter for å støtte elevenes læring. 13

Autoritativ skal her forstås som «faglig korrekt» – det er altså ikke snakk om en autoritær lærer som tar i bruk maktmidler i klasserommet!

språk og kommunikasjonsf ormer i fysikkundervisning 219

Ikke-interaktive kommunikasjonsformer Rute D i tabell 14.1, angitt som en ikke-interaktiv og autoritativ kommunikasjonsform, inkluderer den klassiske forelesningsformen hvor læreren gjennomgår fagstoff for elevene. TIMSS-undersøkelsen viser at denne formen for undervisning, i tillegg til at elevene arbeider med oppgaver på egen hånd, i stor grad dominerer fysikkundervisningen (se kapittel 7). Dette er sannsynligvis fordi undervisningsformen oppfattes som effektiv bruk av tiden. Mange er med god grunn kritiske til «forelesninger» siden elevene må være aktive for å utvikle kunnskap og språk. Men sekvenser med monologer fra lærer har likevel en viktig funksjon. For at elevene skal kunne utvikle sine spontane begreper til vitenskapelige, er det vesentlig at de får forklart nye ideer på en strukturert måte, og at de opplever hvordan fagfolk bruker fysikkens språk. Mange elever klarer imidlertid bare i et avgrenset tidsrom å være oppmerksomme i en forelesningspreget undervisning. For å holde på oppmerksomheten er det viktig at framstillingen er engasjerende og har noen spenningsmomenter. Det er også viktig at elevene vet hva som forventes av dem: Skal de skrive ned hva som står på tavla? Har de fått en problemstilling som forelesningen skal hjelpe dem til å løse? Dette må læreren tenke over på forhånd og kommunisere til elevene. Rute B i figuren representerer en kommunikasjonsform som er dialogisk (eller flerstemmig), men likevel ikke-interaktiv. Dette er altså en monolog fra lærerens side, men det dialogiske innebærer at ulike syn uttalt av elever eller andre kommer til uttrykk. Læreren kan bruke denne kommunikasjonsformen for å oppsummere ulike ideer og synspunkter, og vise likheter og ulikheter mellom dem. Dette kan fungere som avrunding på en sekvens med mye interaktiv dialog, slik at man får samlet trådene for elevene. Det kan også være en konstruktiv måte å innlede til eksperimenter på, ved at man peker på uavklarte spørsmål som elevene skal forsøke å finne svar på.

Interaktive kommunikasjonsformer Enhver lærer vet at det er viktig å aktivisere elevene i klasserommet for å fremme faglig refleksjon. I undervisning i hel klasse vil slik aktivitet ofte være i form av samtale, altså interaktive kommunikasjonsformer. Læreren vil derfor ofte være fornøyd etter en time hvor det har vært mye muntlig (faglig) aktivitet fra elevene. Det er imidlertid verdt å tenke over hvem som har vært aktive; ofte er det et fåtall av elevene som har ytret seg, selv i en time hvor klassen som helhet har framstått som fokusert og faglig aktiv. Hva med elevene som ikke har ytret seg?

220 kapittel 14 Noen av dem (men langt fra alle!) har kanskje fulgt oppmerksomt med, men de har ikke brukt og utviklet sitt eget språk om fagstoffet. Noen elever er også engstelige for å heve stemmen i klasserommet hvis de er usikre på fagstoffet. Korte gruppediskusjoner kan her være et nyttig innslag i en undervisningssekvens med dialoger i hel klasse. Etter å ha diskutert med en medelev eller en liten gruppe, kan det være lettere å sette ord på ideene sine overfor hele klassen. Et annet viktig moment er hvordan elevene deltar i en lærerstyrt klasseromsdialog, altså hvilken form dialogen med klassen har uttrykt gjennom dimensjonen dialogisk/autoritativ i tabell 14.1. Mortimer og Scott viser at klasseromsdialoger ofte følger en interaktiv/autoritativ kommunikasjonsform (kategori C) med et IRE-mønster: Initiering ‒ Respons ‒ Evaluering. Dette innebærer at læreren stiller et spørsmål, en elev svarer, og læreren gir et svar som fungerer som en evaluering av elevens respons. Vi finner også ofte et IRF-mønster, hvor F står for «Feedback». Det betyr at eleven blir spurt om å utdype sitt svar eller ledes videre på vei til svaret læreren er ute etter. Dette kan pågå i såkalte kjeder med sekvenser av IRE eller IRF. Her er et eksempel på hvordan en slik kjede typisk kan foregå i diskusjon om en oppgave i mekanikk: Lærer: Hvordan skal vi angripe denne oppgaven? [initiering] Elev: Vi kan bruke at F = ma [respons] Lærer: Det er riktig, vi kan bruke Newtons andre lov. [evaluering] Men hvordan kan vi finne a? [initiering] Elev: Den er 9,81. [respons] Lærer: Nei, da ville det jo vært fritt fall. [evaluering] Andre forslag? [gjentatt initiering] Elev: Vi kan bruke en bevegelseslikning [respons] Lærer: Bra! Hvilken vil du bruke? [evaluering og feedback] Erfarne lærere makter ofte å gjennomføre svært lange slike kjeder hvor dialogen med elevene driver fram innholdet i undervisningen. Denne kommunikasjonsformen bidrar til å aktivisere elevene (i det minste noen av dem), men kan også fungere som en form for gjettekonkurranse hvor elevene forsøker å gjette seg til hva læreren vil høre, i stedet for å sette ord på sine egne ideer. Læreren i eksempelet går ikke inn på elevens begrunnelser: Hvorfor kan vi bruke Newtons 2. lov? Hvorfor tenkte du at akselerasjonen var 9.81 m/s2? Selv om dette ville vært nyttig, både for eleven som svarer, og for de andre, velger læreren å ikke gå inn på begrunnelsene, trolig for ikke å miste framdrift i opp-

språk og kommunikasjonsf ormer i fysikkundervisning 221

gaveløsningen. Det er også klart for alle at læreren sitter med alle svarene og har en klar formening om hva han eller hun vil fram til. Dette er derfor en autoritativ kommunikasjonsform, om elevene er aldri så aktive. Elevenes egne ideer følges ikke opp, bare det som anses som korrekt, inkluderes eller diskuteres videre. Det er hele veien læreren som har regien og driver dialogen framover. Situasjoner hvor læreren derimot får fram og responderer på elevenes egne ideer på deres egne premisser, bringer oss over i rute A i figuren, en interaktiv/ dialogisk kommunikasjonsform. Her inngår elevens ideer i en reell dialog mellom lærer og elev. Slike sekvenser er viktige for at elevene skal kunne sette ord på sine egne tenkemåter og forståelse av nye begreper og dermed videreutvikle sitt faglige språk. Dette gjør de i liten grad ved kun å gi korte svar på lærerens spørsmål. Når man introduserer et nytt emne i undervisningen, er en slik kommunikasjonsform svært hensiktsmessig, siden det aktiverer elevenes forkunnskaper og ideer. En interaktiv/dialogisk kommunikasjonsform kan også brukes til å støtte elevenes bearbeiding og forståelse av framlagt stoff. Filosofen og språkforskeren Mikhail Bakhtin (Bakhtin, 1981; Dysthe, 1995) peker på at når en lytter til (eller leser ) andres utsagn, så må disse tolkes for å gi mening (jf. diskusjonen om konstruktivisme i kapittel 9). Vi har alle litt ulike forkunnskaper, erfaringer og perspektiver. I en dialog vil deltakere derfor ha ulike synspunkter, et fenomen som Bakhtin kaller flerstemmighet. Når elever leser eller hører en forklaring fra læreren, vil de sitte igjen med sine egne tolkninger. Disse vil være mer eller mindre forskjellige fra lærerens forståelse. Bakhtin hevdet at det er den personlige responsen og tolkningen på andres utsagn som påvirker vår egen forståelse og tenkning. Formulering av egen respons på andres ytringer, høyt eller inni oss, beskriver Bakhtin som «det indre overbevisende ordet». Læring gjennom dialog kan ifølge Bakhtin oppstå i møte med tekster og forelesninger så vel som med muntlige dialogpartnere. Men mange elever vil lettere kunne la seg engasjere av muntlig dialog. Gitt påstanden om at elevene tolker andres forklaringer i lys av egen forforståelse, vil lytting til lærerens forklaring aldri alene kunne resultere i faglig korrekt tenkning. Dialog om tolkninger av fagstoff er derfor nødvendig for å utvikle elevenes faglige forståelse. Muntlig dialog gir her muligheter for læreren til å engasjere elevene og lede deres tolkninger mot bedre faglig forståelse. Slike læringsdialoger har faglig autoritativ «enstemmig» forståelse som mål, men legger til rette for flerstemmighet for å fremme elevenes bearbeiding av fagstoffet. Elevenes bidrag i dialogen vil normalt ikke være helt faglig korrekte. Det kan da være fristende for en lærer å gripe inn med å korrigere (og dermed gå til

222 kapittel 14 felt C i tabell 14.1). Men mange elever vil tolke slik evaluerende tilbakemelding som et signal om at det er faglig korrekte svar lærer er ute etter. Da vil elever kunne slutte å gi uttrykk for sin forståelse og heller satse på å huske utsagn som lærer evaluerer som korrekte (Mestad & Kolstø, 2014). Elevens prosessering av informasjonen blir da overfladisk, og dialogens potensial for å fremme faglig forståelse kan svekkes. Det er derfor viktig at elevene erfarer at lærer er interessert i innholdet i deres svar, og ikke bare evaluerer innspill langs en skala fra rett til galt. Det er flere andre metoder lærer kan bruke for å hjelpe elevene videre (Thorsheim et al., 2016). En metode er å be om svar fra flere elever. Lærer kan så peke på likheter eller forskjeller i elevenes svar, som tilsvarer felt D (ikkeinteraktiv/autoritativ) i tabell 14.1, og på denne måten få fram faglige poeng og samtidig relatere til innholdet i elevenes svar. Lærer kan utfordre elevene til selv å identifisere slike likheter og forskjeller, og til å vurdere hvordan et elevinnspill passer med kjent informasjon, f.eks. fra en demonstrasjon eller et poeng fra tidligere presentert fagstoff. Utfordringen for læreren er å få elevene til å tenke igjennom egne tolkninger og endre disse bl.a. i lys av utfordrende spørsmål og innspill. Når ulike elevinnspill er diskutert, kan lærer oppsummere med å klargjøre gjenstående uklarheter angående rett fysikkfaglig forståelse og språkbruk.

Elevdiskusjoner som del av dialogisk undervisning Dialogisk undervisning kan innebære diskusjoner mellom elever i par eller smågrupper. Da får alle elevene satt ord på sine ideer, og ideene kan utfordres og utvikles i møte med en diskusjonspartner. Men det er ikke åpenbart at elev diskusjoner er produktive for elevenes læring, siden det forutsetter at elever bygger på hverandres innspill og utfordrer hverandre til å begrunne sine oppfatninger (Mercer & Littleton, 2007). I prosjektet ReleKvant14 (se kapittel 21) ble det undersøkt hva som kommer ut av slike smågruppediskusjoner når elever diskuterer fundamentale spørsmål innen kvantefysikk. Analyse av lydopptak av elevsamtalene viste at omkring 70 % av diskusjonene var produktive på den måten at elevene bygger på hverandres utsagn i en felles argumentasjon (kumulative diskusjoner), eller også utfordret hverandres utsagn (eksplorerende diskusjoner). Ytterligere analyser viste at smågruppediskusjonene har et potensial for læring ved at elevene må forsøke å sette ord på det som er vanskelig, de utvikler nye spørsmål og får fordypet forståelse gjennom utveksling av ideer

Se https://www.mn.uio.no/fysikk/forskning/prosjekter/relekvant/index.html

språk og kommunikasjonsf ormer i fysikkundervisning 223

(Bungum, Bøe & Henriksen, 2018). Disse resultatene kan selvsagt være påvirket av at elevene var bevisste på at noen ville høre på lydopptakene og dermed kanskje ville yte litt mer enn de ellers ville gjort. Men de illustrerer like fullt hvilket potensial som ligger i elevdiskusjoner. Nedenfor ser du et utdrag av en eksplorerende elevdiskusjon hvor elevene er blitt utfordret til å diskutere om det er mulig å tenke seg at lys kan være både bølge og partikkel, altså bølge/partikkel-dualismen. Den lille sekvensen viser et eksempel på hvordan oppgaven genererer spørsmål fra elevene om hvordan dualismen skal tolkes: Er lys bølger og partikler samtidig og i alle situasjoner? Kan det være at det kan tolkes som partikler som går i en bølgebevegelse? Er lys kanskje et fenomen som ikke kan beskrives med de klassiske modellene i det hele tatt? Utdrag fra elevsamtale om bølge/partikkel-dualismen Elev 1: Går det an å tenke seg at lys både er en partikkel og en bølge? Elev 2: Ja, det er et skikkelig rart spørsmål. Mener du liksom om det kan være begge samtidig? Elev 1: Ja, eller jeg tenker at alt lys både kan ... Jeg tror spørsmålet er ute etter, alt lys både kan ses på som bølger og som partikler i alle situasjoner. Elev 2: Det kan jo ikke være bølge og partikkel samtidig, når vi definerer ... Elev 1: Hva om det er partikler i bølger? Elev 2: Ja, men kanskje det er noe imellom. Kanskje det er noe ... hvordan kan det være en partikkel og en bølge? Tenk om det egentlig er den partikkelen som har sånn bølge ... Elev 1: Ja, bølgebevegelse, ja. Kanskje det er noe helt nytt som vi ikke har klart å registrere. Et nytt fenomen som vi ikke har sett før. Spørsmålene gir godt grunnlag for å bringe elevers forståelse videre. Men utford ringen er jo at den autoritative stemmen fra læreren i liten grad blir del av smågruppediskusjoner i klasserommet, som kan bety at potensialet for læring ikke realiseres, eller at elevene rett og slett blir sittende igjen med misoppfatninger som resultat av diskusjonen. I diskusjonen i utdraget fra en elevsamtale ser vi for eksempel mulighet for at misoppfatningen om at lys er partikler i bølge bevegelse, skulle kunne feste seg og til og med spres blant elevene. Forskning viser også at ikke alle elevdiskusjoner er produktive. Mange elever bygger ikke på hverandres innspill og utfordrer ikke hverandre til å gi begrunnelser når uenighet oppstår (Mercer & Littleton, 2007). Det viser seg at bevisst opplæring

224 kapittel 14 i utforskende samtale, der elevene oppfordres til å etterspørre hverandres synspunkt og begrunnelser og prøver å bli enige, øker kvaliteten på elevenes dialoger. Lærerens innspill og oppsummeringer behøves også for å sette elevenes refleksjoner inn i en faglig sammenheng. I eksempelet ovenfor bør for eksempel læreren ta opp og klargjøre at «partikkel i bølgebevegelse» ikke er en hensiktsmessig tolkning av hva dualismen innebærer. Det vil også være lærerikt for elevene om læreren løfter fram de tolkningene av kvantefysikk som elevenes diskusjon berører, altså om kvanteobjekter har en tilstand, eller om de får den ved måling (se avsnitt 21.4 for mer om dette). Det vil trolig være motiverende for elevene å se at problemstillinger de selv diskuterer, kan ses i sammenheng med problemer som fysikere og filosofer har bakset med i årtier. Det er altså vesentlig at læreren får tilgang på det som utvikler seg i diskusjonene i smågrupper, for å plassere ideene i et faglig landskap for elevene i etterkant av diskusjonene. I stedet for at slike faglige avklaringer gjøres gjennom tradisjonelle lærerstyrte oppsummeringer i plenum, kan elevene levere inn et lite notat eller et lydopptak i etterkant. Da blir alle elevene aktivisert, læreren få innsikt i hva slags forståelse som finnes i hele elevgruppa, og læreren får anledning til å bearbeide elevresponsene før man oppsummerer i klassen. En slik oppsummering basert på elevenes innspill blir et eksempel på en ikke-interaktiv, men dialogisk kommunikasjonsform, altså rute B i tabell 14.1.Med mange elever vil dette selvsagt være arbeidskrevende for læreren, og må kanskje erstatte for eksempel tilbakemelding på skriftlige arbeider. Man vil også måtte ta opp igjen temaet ved neste undervisningsøkt slik at læreren kan gå gjennom elevenes materiale i mellomtiden. Men på denne måten kan potensialet for læring som ligger i smågruppediskusjoner, realiseres ved en god balanse mellom dialogiske og autoritative kommunikasjonsformer.

skriving i fysikk 225

Kapittel 15

Skriving i fysikk I dette kapitlet vil vi argumentere for at fysikklærere bør bruke skriveoppgaver i undervisningen, og diskutere hvordan dette kan gjøres. Mange elever mangler forståelse for læringsverdien i skrivearbeid og tolker skriving i fysikk mer som dokumentering av hva de kan enn som læringsarbeid. Det er lett å tenke at når elevene først har forstått stoffet, så går det greit å formulere forståelsen skriftlig, for eksempel på en prøve. Læringsteoretikere vil her påpeke at det å utvikle forståelse, og det å kunne formulere fagstoff språklig er to sider av samme sak. I dette kapitlet skal vi derfor se på hvordan skriving kan bidra til læringsprosessen og samtidig lære elevene å skrive slik fysikere gjør. I første del av kapitlet vil vi presentere teorier som beskriver hvordan skriving kan fremme læring. Deretter vil vi se på ulike typer skriveoppgaver, med særlig fokus på skriving i naturvitenskapelige sjangrer.

15.1

Lære å skrive – skrive for å lære

Når fysikere skal utvikle ny kunnskap, gjør de mye bruk av skriving. Hypoteser formuleres, modeller skisseres og regnes på, under eksperimenter loggføres observasjoner og ideer, og resultater og tolkninger formidles skriftlig gjennom rapporter og artikler. På samme måte som forskere er avhengige av skriving for å klargjøre og teste ut egne ideer, vil også elever kunne klargjøre og teste ut egen forståelse gjennom skriving. I kapittel 9 om læringsteori diskuterte vi hvordan vitenskapelig kunnskap grunnleggende sett er abstrakt og symbolsk ved at den uttrykkes gjennom språk og symbolsk representasjon. Den må derfor læres gjennom språk, og eleven bør stimuleres til å formulere sin begynnende forståelse skriftlig. Det å kunne skrive i faget er også en del av opplæringens mål. Skriving kan på denne måten ses på både som en læringsmetode og et læringsmål i fysikkundervisningen. Innen forskning på skriving og læring er det to sentrale retninger. Innen den ene vektlegger man at det å kunne et fag inkluderer det å kunne skrive i

226 kapittel 15 sjangrer som brukes i faget, som for eksempel forklaring og eksperimentrapport i naturvitenskapene. Men for mange elever faller skriving i faget vanskelig da de ikke kjenner til eller har lagt merke til hva som kjennetegner gode tekster i fysikk (Knain, 2005). Tydelig og eksplisitt undervisning i de ulike sjangrene de skal kunne bruke, kan gi flere elever tilgang til faget og fagets teksttyper. Innen den andre retningen vektlegger en skriveoppgaver hvor elevene kan formulere sin begynnende forståelse i sitt eget hverdagsspråk. Når elevene skal prøve å forstå nye ideer, er det viktig at disse blir koblet til egne erfaringer og hverdagsspråk. I starten kan det være enklere når en kan skrive fritt og ikke trenger å tenke på rett bruk av sjanger. Med økt faglig forståelse kan de senere komme nærmere en vitenskapelig språkbruk og forståelse gjennom å skrive i fagets egne sjangrer. Spissformulert kan vi si at den ene trenden fokuserer på viktigheten av å lære å skrive i faget, og den andre vektlegger hvordan skriving er viktig for å lære fagets innhold. Disse formålene står ikke i et motsetningsforhold, men utfyller og overlapper hverandre.

15.2 Skriving som fremmer læring Verdien av skriving er særlig at det fremmer klarhet i forståelse ved at det framtvinger bruk av hele meningsfulle setninger som inngår i en større logisk sammenheng. Skrivingen spiller en viktig rolle i læreprosessen fordi vi gjennom skriving får orden på tankene. Norskdidaktikeren Frøydis Hertzberg (1986, s. 2) sier det på følgende måte: I muntlig kommunikasjon kan vi tillate en stor grad av avbrudd, utelatelser, selvkorrigeringer og sammenblandinger av ulike grammatiske konstruksjoner. Den skriftlige kommunikasjonen er derimot nærmest kjennetegnet av at den mangler disse mulighetene. I skrift er kravet om fullstendige setninger styrende for det vi kan sette på papiret. Av dette følger at vi i skriving i en helt annen grad enn i tale blir tvunget til å gjennomføre og fullføre sammenhengende resonnementer.

Naturfagdidaktikerne Wallace, Hand og Prain (2004) viser til at • jo mer faginnholdet blir manipulert gjennom skrivingen, jo mer sannsynlig er det at innholdet blir husket og forstått • læringseffekten er størst for den informasjonen som står i fokus for skrivingen • hvis fagstoffet allerede er godt forstått, vil skriving ofte ikke ha noen læringseffekt

skriving i fysikk 227

Disse funnene støttes av forskningen til Bereiter og Scardamalia (2013). Basert på sin forskning har de formulert en modell som forklarer hvordan skriving fremmer læring. De skiller mellom to ulike former for skriving. Den ene formen kaller de kunnskapsfortellende skriving (knowledge telling). Eleven forteller da det eleven vet om emnet, slik eleven har lagret og organisert det i sin hukommelse. Den som skriver, prøver ikke her å omdanne noe av det som huskes, til en annen form. Den andre formen for skriving kaller de kunnskapstransformerende (knowledge transforming) skriving. Dette er skriving kjennetegnet ved at den som skriver, må omdanne fagstoffet gjennom at det skal skrives for et formål og i en form som gjør at eleven ikke bare kan skrive ned alt hun husker om emnet. De snakker om dette som problemløsning, der den som skriver, må gjøre gyldige faglige valg og struktureringer, og samtidig gjøre retoriske valg som gjør at teksten kommuniserer godt til mottakeren. Vi kan her tenke oss hvordan en elev som har en begynnende forståelse av bølgefysikk, skal formulere en forklaring av observasjoner fra et interferenseksperiment. Da er det ikke nok å ramse opp faktasetninger som huskes fra lærerens gjennomgang. Fagstoffet må relateres til observasjonene på en faglig korrekt måte, og eleven må forholde seg til kravet om at det er en forklaring som skal skrives, og dermed skrive slik at en leser kan forstå fenomenet. Bereiter og Scardamalia fokuserer på kunnskapstransformerende skriving. Andre har pekt på at mange tekster også krever en annen type transformering. Som beskrevet i kapittel 8 betegner begrepet representasjonsformer ulike måter å uttrykke kunnskap på (f.eks. observasjoner, diagram, formler, begreper, bilder, se Dolin, 2002). Bereiter og Scardamalia sitt begrep om transformering kan forklare hvorfor det er lærerikt for elevene å veksle mellom ulike representasjonsformer og å inkludere flere representasjonsformer i skriveoppgaver. Hvis en elev for eksempel skal bli trygg på en grafisk representasjon av en bevegelse framstilt som en graf med strekning som funksjon av tiden, så vil forståelse fremmes gjennom at eleven forsøker å språklig formulere sammenhenger mellom grafen og den fysiske bevegelsen.

15.3 Ulike faglige sjangrer Naturvitere har utviklet ulike skriftlige sjangrer for å formidle ulike faglige budskap. Noen ganger ønsker en å formidle hvordan en må gå fram for å oppnå et bestemt eksperimentelt resultat, andre ganger ønsker en å greie ut om faglige begreper på et felt eller å argumentere for en bestemt tolkning av resultater

228 kapittel 15 fra et eksperiment. Når visse måter å skrive på er blitt vanlig innen et fellesskap, vil mange tekstforskere omtale disse skrivemåtene som sjangrer. Typiske sjangrer i naturvitenskapene er eksperimentprosedyre, begrepsoversikt, forklaring, eksperimentrapport, teoriutviklende artikkel, oversiktsartikkel, ekspertutredning, håndbøker og biografi (Kolstø, 2009; Veel, 1997). Vi kjenner mange av disse igjen i fysikkfaget og naturfag i skolen. Lærebøkene inneholder beskrivelser, for eksempel av atomers oppbygging, og forklaringer av endringer, for eksempel hvordan elektroner i atomer kan eksistere. I tillegg inneholder de gjerne prosedyretekster elevene skal lese for å kunne utføre elevøvinger. Tekstforskere hevder at sjangrer er kjennetegnet ved at de har ulike kommunikasjonsformål og har en struktur eller oppbygging som brukerne har funnet formålstjenlig (Knain, 2005; Kolstø, 2009). Vi kjenner dette godt igjen i eksperimentrapporten, hvor vi ofte ønsker at elevenes rapporter skal inneholde bestemte underoverskrifter. Oppbyggingen av tekster i de andre sjangrene er vi ikke alltid like bevisst. En oversikt over naturvitenskapelige sjangrer og deres kjennetegn finnes hos Kolstø (2009). Naturvitenskapelige sjangrer kan grovt sett sorteres i to grupper: argumenterende og refererende sjangrer. Dette er viktig å påpeke, da lærebøker i fysikk nesten utelukkende gjør bruk av refererende sjangrer som begrepsoversikt, forklaring og prosedyretekster (samt oppgaver). Labrapporter i skolen har ofte samme struktur som profesjonelle eksperimentrapporter, med hypotese, metode, resultater og diskusjon. Forsøket har gjerne et kjent svar, og fokuset er ikke på utvikling av empirisk støtte til en hypotese, men at elevene skal lære teori gjennom å formulere en forklaring på observasjoner de har gjort (se også kapittel 11). De kan derfor bli hovedsakelig refererende og forklarende. Eksperimentrapporten som profesjonelle forskere skriver, er derimot en argumenterende sjanger, noe vi vil komme tilbake til mot slutten av kapitlet. I tillegg er også ekspertutredninger og debattinnlegg eksemp ler på argumenterende sjangrer. Bruken av argumenterende tekster tydeliggjør at fysikk er et forskerfellesskap der ny kunnskap utvikles og debatteres (se kapittel 3). Denne kunnskapen kan ikke leses direkte ut av naturobservasjoner. Kunnskapsutvikling krever en kreativ idé som kan gi mening til observasjoner, og slike ideer må begrunnes. Begrunnelser kan ha ulik tyngde, og påstander kan omfattes av ulike grader av konsensus i et fagmiljø (se kapittel 4). Dette innebærer at tekster i fysikk ofte vil inneholde signaler om hvor sterkt forfatteren mener at en påstand står, for eksempel om det er et faktum, forskningsfunn, hypotese eller synspunkt. Graden av enighet en påstand er støttet av, kalles gjerne en påstands epistemiske status.

skriving i fysikk 229

I en lærebok og i forklaringer vil tradisjonelt alle påstander bli framsatt som naturfaglige fakta. Men dette gjelder ikke for en eksperimentrapport. Her vil selve formålet med rapporten nettopp være å legge fram en eksperimentelt begrunnet påstand. Hovedpåstanden i en eksperimentrapport kan derfor ha lav epistemisk status. Samtidig kan forfatteren i noen deler av rapporten legge fram påstander fra forskningslitteraturen med høy eller midlere epistemisk status. En slik kombinasjon av påstander med ulik epistemisk status finner vi også i ekspertutredninger, debattinnlegg og forskningsformidling. Skal elever kunne skrive og lese naturfaglige tekster med forståelse og kritisk blikk, må de kunne gjenkjenne hvordan en forfatter tillegger ulike påstander ulik grad av sikkerhet. Hvis en ikke kjenner formålet med en tekst, vil det være mer krevende å forstå det som søkes formidlet. Kjennskap til en sjanger gjør en også bedre i stand til å vurdere når og hvordan en kan forholde seg kritisk til budskapet i en tekst. En skriftlig forklaring kan en for eksempel vurdere om stemmer med etablert for ståelse på et fagfelt, og argumentene i en utredning kan en vurdere om er relevante og holdbare. Tilsvarende må en laboratorieprosedyre leses og vurderes på en annen måte enn en gjør med en argumenterende tekst. Tenkemåter i et fag vil også være reflektert i sjangrer og språkbruk i et fag. Dette er tydelig i eksperiment rapporten, som ofte brukes som eksempel på vitenskapelig tenkeog arbeidsmåte.

15.4 Skrive for å lære Som oftest skriver vi for at en mottaker skal lese det. Dette kaller vi formell eller transaksjonell skriving. I fysikk innebærer dette at en skriver i naturvitenskapelige sjangrer. Hvis det ikke er en mottaker av det som blir skrevet, kaller vi det for uformell eller ekspressiv skriving. Vanlige praksiser som å ta notater eller skrive ned stikkord er eksempler på uformell skriving for å lære. Uformell skriving har verdi på alle alderstrinn, mens formell skriving i faget er naturlig å tillegge økt vekt etter som elevene blir eldre. Vi vil her kort referere noen typer uformelle skriveoppgaver før vi går grundigere inn på læring gjennom formell skriving.

Å skrive seg inn i et emne For å fremme forankring av nytt stoff i det elevene kan fra før, er det viktig å aktivere elevenes forkunnskaper. Læreren kan her gi elevene instruksen «Skriv alt du kommer på om …» (Hertzberg, 2006). Alle elever skriver alene, og det er

230 kapittel 15 gjerne nok med 3–5 minutter. Alle starter og stopper på lærers signal. Etterpå arbeider elevene i grupper på 3–4. De får beskjed om å lese opp for hverandre, rett fra papiret og uten å legge til noe. Dette skal være en tidseffektiv oppstart, og fakta er viktigere enn formuleringer. Når elevene deler med hverandre i små grupper, vil mange oppdage at medelever heller ikke «vet alt», og for mange kan dette gi større trygghet til å delta i samtaler i klassen i emnet. Gjennom å notere og dele det de husker får elevene repetert og aktivert relevant kunnskap slik at ny kunnskap i emnet bedre kan knyttes til det de kan fra før. Hertzberg peker på at slik skriving og høytlesing ofte frambringer viktige faglige spørsmål. Lærer kan legge inn en kort plenumsrunde for å få fram noen av disse spørsmålene. Det kan være motiverende for elevenes arbeid at det er deres spørsmål som danner utgangspunkt for arbeidet med emnet. Det er selvfølgelig mulig å bare ta med den første individuelle fasen. En kan også utvide med å oppfordre elevene til å notere spørsmål i den individuelle fasen, og deretter stryke spørsmål som blir avklart under arbeidet i gruppene. Gjennom elevenes spørsmål vil lærer også kunne få innsikt i noen av elevenes hverdagsforestillinger om emnet (se kapittel 8) og ta disse opp gjennom dialogiske kommunikasjonsformer (se kapittel 14). Vi ser at i denne typen skriveoppgave får elevene bruke sitt eget hverdagsspråk når de skriver om et faglig tema. Dette letter skrivingen, klargjør for elever og lærer hva de vet – og hva de ikke vet, og et lavt faglig presisjonsnivå er normalt og uproblematisk siden det er oppstarten av et nytt tema.

Skrive definisjoner og forklaringer Fysikkfaget er fullt av faguttrykk for størrelser og prosesser i naturen. Under arbeidet med å lære disse kan vi gi elevene i oppgave å skrive små definisjoner og forklaringer av nye begreper (Hertzberg, 2006). Vi kan be dem definere størrelser som spenning og amplitude og fenomenbeskrivende begreper som induksjon og interferens. Lærer bør påpeke at elevene i sine definisjoner og forklaringer skal forsøke å fange a) det viktigste ved begrepet og b) det som er forskjellen på dette og på faglig nærliggende begrep. Også denne skriveoppgaven kan etterfølges av en plenumsrunde der forslag til kjennetegn leses opp og diskuteres. Hvis en selv setter seg ned for å skrive en definisjon, vil en fort oppdage at dette ikke alltid er enkelt. Ofte vil også ulike eksperter vektlegge ulike aspekter ved et begrep. Hertzberg skriver at hun gjerne ber elevene bli enige om hva en definisjon bør ha med, i stedet for å prøve å formulere en felles definisjon. Hun har også erfart at elever i etterkant har sjekket mot oppslagsverk og kommet

skriving i fysikk 231

med kvalifisert kritikk av disse definisjonene. Også i denne oppgavetypen er det rom for at elevene bruker egne ord, men de utfordres samtidig til å bruke fysikkens begreper og talemåter og å øke presisjonsnivået. Oppgavetypen krever også mer bruk av hele setninger og sammenhengende resonnement. Den kan også brukes som en oppsummerende lesestrategi i etterkant av en leseoppgave.

Skrive oppsummeringer og egenvurdering I Hatties (2009) store studie kommer satsing på utvikling av elevenes læringsstrategier høyt på lista over tiltak som fremmer læring. Flere læringsstrategier innebærer bruk av ulike typer skriving som skal fremme refleksjon over fagstoff. Et eksempel på en slik oppgavetype er skriving av oppsummeringer. Gjennom å formulere egen gryende forståelse av begreper og forklaringer med egne ord blir elevene «tvunget» til å forsøke å rydde i uklare tanker og klargjøre egen forståelse. I tillegg til at denne prosessen i seg selv fremmer elevenes læring, så blir det også lettere for elevene å finne ut hva hun eller han må spørre læreren om. Læreren kan også be elevene notere ned spørsmål til leselekse i læreboka som en del av leseleksa. En type læringsstrategier som Hattie og andre (Elstad & Turmo, 2006) finner er spesielt nyttig, er elevenes overvåking og aktive kontroll med egen læring (ofte kalt metakognisjon). Når elevene i klassen er på ulikt faglig nivå, velger mange fysikklærere å si at elevene selv må velge hvilke oppgaver de skal arbeide med. Skal slik tilpasset opplæring fungere, er det vesentlig at elevene har nok innsikt i egen læring til å kunne velge oppgaver med rett vanskelighetsgrad (jf. Vygotsky sin idé om den nærmeste utviklingssonen, kapittel 9). En vanlig metode for å utvikle elevenes innsikt i egen læring er å be elevene skrive egenvurdering i form av en type logg i en periode. Slik logg inneholder spørsmål som skal fremme elevenes gjennomtenkning av egne valg og utvikle deres innsikt i hvordan de kan lære effektivt. Lærer kan for eksempel be elevene svare på følgende spørsmål etter hver fysikktime eller på slutten av hver uke: «Hvilke oppgaver valgte du å jobbe med? Hvorfor valgte du akkurat disse? Fortell hvordan du arbeidet, og hva du har lært» (Elstad & Turmo, 2006, s. 59).

Skrive tankekart En læringsaktivitet som kommer spesielt godt ut i bl.a. Hatties studie av hva slags undervisning som gir gode resultater, er utvikling av tankekart. Det å lage tankekart innebærer at en identifiserer sentrale ideer og noterer disse i et selv-

232 kapittel 15 valgt mønster som sier noe om hvilke begreper eller ideer som hører sammen. Et tankekart kan også inkludere stikkord mellom ulike ideer som forteller noe om hvordan en mener disse henger sammen. Ofte betegnes tankekartet da som et begrepskart. Særlig når eleven forsøker å ta med slike stikkord, vil arbeidet med å lage tankekart fremme – og vise – elevens forståelse av faglige sammenhenger (Novak & Cañas, 2008). Tankekart kan brukes til å strukturere egne tanker før en lager en tekst eller presentasjon, men kan like gjerne brukes til å oppsummere og få oversikt over egen forståelse av et stoffområde. Det å kunne identifisere sammenhenger, likheter og forskjeller mellom begreper er av mange regnet som et kjennetegn på dypere forståelse. Mange som synes det tar lang tid å skrive utfyllende oppsummeringer, eller som sliter med dysleksi eller skrivevegring, kan erfare tegning av tankekart som en god metode. Ved å be elevene lage tankekart to og to kan en få fram gode faglige diskusjoner mellom elever om forskjeller og likheter mellom ulike faglige begreper. Tankekart kan også lages i fellesskap på tavla. Ulike innspill fra ulike elever kan gi opphav til gode faglige diskusjoner samtidig som elevene vil kunne bli kjent med tankekart som læringsstrategi. Et tankekart i fysikk kan med fordel inkludere mange ulike representasjonsformer som matematiske sammenhenger, grafer og skisser av fenomener eller eksperimenter. Tankekart kan godt lages som kolonner med overordnede, underordnede og sideordnede begreper for de som ikke trives med «rotete» sjøstjerneformede tankekart. På naturfag.no finnes det informasjon om programmer for digital konstruksjon av tankekart for dem som ønsker at tankekart enkelt skal kunne deles. Når elever skriver ut sin forståelse av begreper og sammenhenger i form av oppsummeringer eller tankekart, kan læreren få god innsikt i elevenes forståelse av begreper og sammenhenger og et godt grunnlag for underveisvurdering og for planlegging av videre undervisning.

Andre skriveaktiviteter for å skrive for å lære Andre oppgavetyper kan være å be elevene lage oppgaver til hverandre eller til neste prøve, skrive leserinnlegg eller lage minileksikon til et emne. Noen av disse teksttypene nærmer seg formelle sjangrer, som forklaring, definisjon og leserinnlegg, men formålet trenger ikke være å lage et produkt som skal leses av andre. Mange skriveoppgaver kan brukes i etterkant av leseoppgaver. Samtidig kan skriving, for eksempel det å skrive alt en kommer på om et tema, være en god forberedelse til lesing. Skriving kan også være en god måte å forberede klas-

skriving i fysikk 233

sesamtaler på. Hvis alle elevene må forberede seg noen minutter med å notere noen ideer, vil det kunne gjøre at flere våger å delta, og at det faglige nivået på samtalen økes ved at innlegg blir mer gjennomtenkte.

15.5 Lære skriving i fagets sjangrer Innen formell skriving er det en sentral erfaring at for å kunne skrive godt i en sjanger trenger eleven å ha sett gode eksempler på sjangeren. På samme måte som det er vanskelig å skrive et godt kåseri hvis du aldri har hørt et, så er det vanskelig å skrive gode eksperimentrapporter hvis du ikke har sett gode eksempler på slike. For mange elever vil det også være viktig at læreren introduserer en sjangers formål, oppbygging og andre kjennetegn, da mange elever ikke greier å identifisere dette bare ved å lese eksempeltekster. Dette kan innebære at læreren går igjennom og forklarer et kort eksempel på sjangeren eller diskuterer spesielle innholdskomponenter med klassen. Etter at elevene har fått en innføring, kan vi gi dem en støttestruktur i form av et oppsett med overskrifter eller seksjoner de første gangene de selv skal skrive i sjangeren. Hvis læreren formulerer kvalitets kriterier (vurderingskriterier) og gir tilbakemelding underveis i skriveprosessen, vil det kunne strekke elevene mot både faglig innhold og god struktur. Fra tradisjonen med prosessorientert skriving er det kjent at elevene kan lære mye av å gi og få tilbakemelding fra hverandre og fra læreren. Vår erfaring er at hvis elevene får utlevert et sett med innholdsfokuserte vurderingskriterier, vil de ofte gå inn i det faglige innhold og ikke hovedsaklig fokusere på layout og språkføring i sine vurderinger. Tilbakemelding kan gis på ulike måter. Hvis tilbakemelding kommer underveis, vil elevene normalt være åpne for å se på innholdet en gang til. Hvis tilbakemeldingen kommer når elevene tenker at teksten er ferdig eller etter den er levert inn, vil elevene typisk være opptatt av karakter eller annen sluttvurdering. De vil da ikke være motivert for å gå inn i teksten på ny. Når de får tilbakemelding, er det derfor viktig at elevene vet om teksten skal arbeides videre med. Når elever skriver i faglige sjangrer, trenger de bevissthet om målgruppe og formålet med sjangeren, og denne bevisstheten er det som gjør at skrivingen blir kunnskapstransformerende (Bereiter & Scardamalia, 2013; Keys, 1999). Læreren kan her tydeliggjøre en tenkt målgruppe og et kommunikasjonsformål for elevene. En kan også prøve å finne en tenkt eller faktisk mottaker i en situasjon der tekstens kommunikasjonsformål gir mening (Hvem skal eleven forklare for?). En mulighet her er å be elevene lage prosedyretekster (Rijlaarsdama, 2006) for andre elever, hvor de skal beskrive prosedyrer og forklare teorien som inngår i et forsøk.

234 kapittel 15

Å skrive forklaringer og utgreiinger I boka De mangfoldige realfagstekstene av Skjelbred og Maagerø (2010) pekes det på at mange oppgaver i lærebøker i naturfagene er såkalte «kortsvarsoppgaver». En ulempe med disse små oppgavene er at elevene ofte bare hurtigleser teksten for å finne en setning de kan bruke som svar. Da blir det mindre faglig tenkning enn meningen var. Oppgaver som krever grundigere forklaringer, unngår i større grad dette problemet (se kapittel 16 angående problemløsningsoppgaver). Hva kjennetegner så en god forklaring? Forklaringer handler om prosesser i naturen og er knyttet til endringer over tid og vår forståelse av hvorfor ting skjer. Dette er ikke nødvendigvis et trivielt poeng. Elevene har ofte lang erfaring med at en i naturfag og andre skolefag skriver faktasetninger og beskrivelser som svar på oppgave i læreboka. Når elevene bruker slike «skolesjangrer», blir prosesser ofte utydelige eller forsvinner. Når elever skriver utgreiinger i fysikk, det som noen kaller essayoppgaver, hender det også at elevene ramser opp fakta mer enn de forklarer prosesser i naturen. Et typisk eksempel er astronomi, hvor en del elever har lest mye fagstoff utover læreboka, og hvor det er lett å finne informasjon på nettet. Disse elevene kan ofte fortelle mange fakta om stadier i stjerners liv, kjennetegn på stjerner som blir hvite dverger, røde kjemper, svarte hull, osv. Det som lett kan glippe, er det vi kan kalle fysikken i prosessene. Elevene bør derfor oppmuntres til å forklare prosesser, for eksempel: Hva er det som driver endringene fra gasståke til antent stjerne og videre til stjernens død? Hvorfor får ikke gravitasjonskreftene stjernene til å kollapse til nøytronstjerner allerede i starten? Hvorfor gjør ikke strålingstrykket stjernene mye større? Hvis læreren ikke er bevisst forskjellen mellom begrepsoversikter (stjernetyper og stadier i stjerners liv), faktaoppramsinger («Stjerner med større masse enn åtte ganger solas blir til svarte hull») og forklaringer, kan prosessiden bli underfokusert. Spesielt kan det bli uheldig hvis prosessiden ikke vektlegges i vurderingskriterier. Hvis elevene får «full pott» bare de har med nok fakta, så vil forståelsen bli skadelidende. Det å skrive forklaring innebærer også en interessant mulighet for lærerik skriving etter elevøvinger. I mange elevøvinger skal elevene gjøre observasjoner for å bekrefte og bearbeide sin forståelse av en teori. Det blir da unaturlig å kreve en full eksperimentrapport. For å fremme elevenes læring av teorien kan vi i stedet be elevene skrive en forklaring der de tar utgangspunkt i egne observasjoner. Gjennom en slik oppgave unngår en den største utfordringen knyttet til praktisk arbeid: å få elevene til å se sammenhenger mellom observasjoner og teorier.

skriving i fysikk 235

En måte å lære elevene å skrive gode forklaringer i fysikk på er å gi dem en støttestruktur eller et rammeverk som i tabell 15.1 (uten eksempelet som jo elevene skal skrive). Elevene formulerer først observasjonene de har gjort, og som skal forklares med relevant teori. I kolonnen med eksempel har vi illustrert ideen om «setningsstartere» (se kursivert tekst) som kan brukes for å hjelpe elever i gang med skrivingen de første gangene. Den oppgavetypen kan også tenkes brukt etter fellesdemonstrasjoner. Slike rammeverk bør bare brukes i en avgrenset periode. Målet er at eleven skal lære sjangeren og etter hvert kunne bruke den selvstendig og gjerne på en mer personlig og fleksibel måte. Tabell 15.1 Forslag til en støttestruktur for skriving av «forklaringsrapporter». Seksjon

Innhold

Eksempel

Overskrift:

Navn på fenomen

Tiltrekking ved ladningsforskyvning

Innledning:

Observasjoner som skal forklares?

I forsøket observerte vi at ... ballonger vi hadde gnidd mot en ullgenser, kunne henge på murveggen. Vi så også at ...

Hoveddel:

Steg-for-stegforklaring

Vi tror ballongen hang fordi ... ballongen ble positivt elektrisk ladd når den ble gnidd. Når et ladd legeme er inntil et ikkeledende stoff (veggen i forsøket vårt), vil det bli en ladningsforskyvning hvor de negative ladningene (elektronene) i veggen beveger seg mot den positivt ladde ballongen. Det blir da elektriske krefter mellom elektronene i veggmaterialet og ladningen på ballongen. Siden ballongen er laget av gummi, er den en dårlig elektrisk leder. Derfor vil ...

Det å skrive forklaringer av egne observasjoner prøvde vi ut på ulike måter i forskningsprosjektet ElevForsk (Knain & Kolstø, 2011). Her erfarte vi at elever i naturfag på videregående ofte først refererte framgangsmåte (slik de var vant til). Selv om vi ba dem skrive forklaringer, var det få elever som inkluderte tekst med forsøk på forklaring. Vi observerte også at mange elever virket bekymret for at det de skrev, ikke var riktig, og at dette kunne trekke ned vurderingen av besvarelsen deres. Senere forsøkte vi å gi en grundigere innføring i hva vi mente med forklaring. Vi poengterte at hver gruppe skulle skrive sin egen foreløpige forklaring slik de selv tenkte, og at forklaringen ikke skulle leveres inn for vurdering. Nå skrev elevene mye rikere forklaringer, dels med eget hverdagsspråk og dels med forsøksvis bruk av nye vitenskapelige begreper. Vi observerte flere gode diskusjoner innad i gruppene om hva de skulle skrive. I andre halvdel av timen leste alle gruppene opp sine forklaringer (og lærer skrev dem inn på elektronisk tavle så alle kunne se dem). Dette ga et utgangspunkt for rike, faglige diskusjoner i klassen om begreper og formuleringer. Læreren vurderte

236 kapittel 15 timen og diskusjonen som lærerik for elevene. Med denne arbeidsmåten har vi erfart at også faglig svake elever har latt seg engasjere i faglige diskusjoner (Mestad & Kolstø, 2014).

Tolkningsoppgaver Tidligere i kapitlet ble det påpekt at fysikkens mange representasjonsformer utgjør en utfordring for elevene. Samtidig kan oppgaver som krever veksling mellom de ulike representasjonsformene, innebære lærerik kunnskapstrans formerende skriving. Mange oppgaver i lærebøker i fysikk etterspør transformerende tolkning av ulike typer grafer. Tolkninger av grafer inngår ofte i eksperimentrapporter og i utredninger. Siden oppgavetypen innebærer anvendelse av fysikkunnskaper i en tolkningssituasjon, vil de ofte være mer krevende, og potensielt mer lærerike, enn forklaringsoppgaver. Figur 15.1 viser et eksempel på en slik «tolkningsoppgave». Den kan ikke besvares med direkte avlesing av verdier, men krever at elevene tolker grafene i lys av kunnskap om forholdet mellom temperatur og bølgelengde på stråling fra svarte legemer. Grafen viser hvordan utstrålt effekt fordeler seg på ulike bølgelengder λ i spekteret fra en bestemt stjerne. Bruk grafen til å bestemme stjernens overflatetemperatur. Hvilken spektralklasse tilhører stjernen? u

200

400

600

800

1000

λ/nm

Figur 15.1 Oppgave fra læreverk i fysikk som krever at eleven skal skrive en tolkning av en grafisk framstilling av informasjon. Basert på Callin et al. (2008).

Gjennom å formulere en tolkning skriftlig får elevene trening i å gå mellom ulike representasjoner samtidig som de bruker nye begreper i logisk sammenhengende formuleringer.

skriving i fysikk 237

Å skrive vurderende tekster Fysikkfaglige vurderinger er en argumenterende teksttype som vi gjerne finner i form av utredninger og som element i diskusjonsdelen av eksperimentrapporter. Formålet er å ta stilling til riktigheten av en påstand. I en fysikkfaglig vurdering legges det gjerne først fram en påstand eller problemstilling som skal vurderes. Deretter legges det fram et faglig resonnement som tar utgangspunkt i fysikkens lover og prinsipper. Til slutt formuleres en konklusjon som avklarer riktigheten av den innledende påstand. Den undervisningsmessige verdien ligger i at vurderingsoppgaver krever at elevene anvender fysikkens begreper og sammenhenger på en selvstendig måte og formulerer fullstendige resonnementer. Slike oppgaver krever gjerne at eleven forsøker å forstå definisjoner av begreper og hvordan for eksempel proporsjonalitet i en formel kan brukes i en begrunnelse. En del av oppgavene i læreverk i fysikk er nettopp vurderingsoppgaver. I oppgaven i figur 15.2 har vi gjengitt en vurderingsoppgave hvor elevene må bruke innsikten om at det er forholdet mellom åpning og bølgelengde som avgjør hvor markant en bølge blir bøyd. Figuren viser plane vannbølger som passerer en åpning der bølgene blir bøyd.

a Avgjør om bøyningen blir mer eller mindre markert med de samme bølgene når vi gjør åpningen, 1. smalere, 2. bredere. b Avgjør om bøyningen blir mer eller mindre markert med den samme åpningen når bølgelengden blir, 1. mindre, 2. større. c Tegn figurer som illustrerer disse fire tilfellene.

Figur 15.2 Oppgave fra læreverk i fysikk som krever at eleven skriver en vurderende tekst. Basert på Callin et al. (2008).

238 kapittel 15 Elevene må her formulere resonnementer der de må tenke i logiske relasjoner. Kravet til språklig formulering kan innebære at resonnementet blir mer presist, og at eventuelle uklarheter blir tydeligere for eleven selv. Skriftlighet øker disse kravene ytterligere. Oppgaven kan også gi trening i å bruke ulike representasjonsformer. I alle typer vurderingsoppgaver bør en kreve at elevenes resonnementer er logisk holdbare og presise. Det gir størst læringseffekt og samtidig opplæring i fysikkens tenkemåter.

Eksperimentrapporten som sjanger Vitenskapelige artikler i form av eksperimentrapporter er den sjangeren forskere bruker desidert mest. En av grunnene til at eksperimentrapporten er viktig i skolens fysikk og naturfag, er at det er liten tradisjon for skriving og lesing av andre typer argumenterende tekster. Hvis elevene skal kunne forstå hvordan argumentering er viktig i fysikk, er det nyttig at de lærer å skrive rapporter som har fellestrekk med forskeres eksperimentartikler. I noen kjente studier finner Bazerman (1998) og Gross (1990) at eksperimentrapporten fra slutten av det sekstende århundre etter hvert endret seg fra å være rapporterende til å bli argumenterende. Begge peker på at Isaac Newton var sentral i denne utviklingen av sjangeren. Da Newton publiserte artikkelen hvor han presenterte sin teori om farger og brytning (Newton, 1672, tilgjengelig på www.newtonproject.sussex.ac.uk), ble han møtt med kritikk og motforestillinger. Han måtte etter hvert innrømme at hans «doktriner» var å betrakte som hypoteser, og i sin skriving begynte han å parere mulig kritikk i forkant gjennom å legge inn flere detaljer om metode og observasjoner og å begrunne hvordan observasjonene støttet hans teorier. En slik tydeliggjøring av hypoteser og begrunnelser innebærer at en tekst argumenterer for en teori gjennom å henvise til mulige fortolkninger av data. Det underliggende problem er selvfølgelig induksjonsproblemet som ble diskutert i kapittel 3: Det er ikke mulig å trekke logisk gyldige slutninger fra observasjoner til generelle teorier. Forskerne må derfor argumentere gjennom å begrunne og sannsynliggjøre sine ideer til tolkning av data. Denne skrivemåten, som i sin tid innebar økt vektlegging av teoriutvikling, var Newton en viktig bidragsyter til. Denne forståelsen av eksperimentrapportens oppbygging og formål støttes av analyser av språket i eksperimentrapporter. Slike analyser viser at mens presentasjon av metode og resultat har rapporterende karakter, så inneholder introduksjon og diskusjon typisk mange vurderinger (Swale, 2002). I en annen studie

skriving i fysikk 239

viser Knorr-Cetina (1981) hvordan noen forskere hun fulgte, gjentatte ganger forandret og reformulerte de sentrale påstandene i sine eksperimentrapporter i møte med tilbakemeldinger fra kolleger og fagfellevurderinger (se kapittel 4). Den vanskelige vurderingen var hvor mye de kunne påstå på grunnlag av presenterte data uten å få kritikk for å være spekulative. Det synes derfor å være feil å omtale eksperimentrapporter som rene «rapporteringer» av hva som skjedde i et forskningsprosjekt. I fortolkningen av resultater ligger det et kreativt bidrag til teori, og resultater knyttes til denne teorien gjennom argumenter. Denne forståelsen støttes også av studier av eksperimentrapporter som har funnet at disse ikke gir en kronologisk riktig presentasjon av hendelser under den mer eller mindre kaotiske forskningsprosessen, men er en retorisk omskriving for et bestemt kommunikasjonsformål: å argumentere for den vitenskapelige verdien av en framsatt hypotese (Bazerman, 1998; Swale, 2002). Forskeres eksperimentrapporter er normalt bygd opp med fire hovedseksjoner: introduksjon, metode, resultater og diskusjon, ofte forkortet til IMRoD. Men i lys av hypotetisk deduktiv tenkning kan strukturen også leses som en påstand som presenteres i sammendrag, innledning og/eller i diskusjonen, og der forfatteren i diskusjonen synliggjør hvordan resultater støtter hypotesen, samtidig som metode støtter en implisitt påstand om at data holder høy kvalitet. Hovedformålet med eksperimentrapporter er derfor å argumentere for riktigheten av en hypotese eller påstand ved bruk av empiri og støttende teori.

Å skrive eksperimentrapporter Når elevene selv skal skrive eksperimentrapporter, trenger de klare retningslinjer. Vi vil her anbefale å ta utgangspunkt i IMRoD-strukturen samtidig som elevene får forklart innholdet i hver av de fire hovedseksjonene samt krav til innledning og litteraturreferanser. En god beskrivelse av ønsket innhold vil samtidig fungere som vurderingskriterier. Her er et forslag til informasjon om struktur og innhold i elevenes eksperimentrapporter: • Overskrift: Denne skal fortelle om tema, eventuell hypotese, resultater eller påstanden i rapporten. • Introduksjon: Det skal være lett å se hva som er målet med eksperimentet. Forskningsspørsmål eller hypotese skal være begrunnet og formulert klart og tydelig, og teoretisk bakgrunn skal presenteres. • Metode: Metode, utstyr og framgangsmåte skal være beskrevet slik at lesere kan forstå og vurdere kvaliteten på data som presenteres i neste seksjon.

240 kapittel 15 Undersøkelsesmetoder skal vise at en har oversikt over og kontroll med variabler som inngår i eksperimentet. • Resultater: Måledata eller observasjoner med relevans for forskningsspørsmålet presenteres på måter som viser interessante mønstre i data. Grafer bør ha aksetekster, hensiktsmessige skalaer og enheter på aksene, og tydelige avmerkinger av målepunkter. Usikkerhetene i måledata skal presenteres tydelig. Når framstilte verdier er beregnede verdier, må metode og et eksempel gis. • Diskusjon: Etter en kort oppsummering av viktigste resultat formuleres en påstand som får fram tolkning av resultater i lys av hypotesen i innled ningen. Det skal forklares tydelig hvordan resultater og eventuelt teori støtter påstanden, og om resultater er rimelige ut fra relevant teori. Feilkilder og beregnede usikkerheter oppgis og brukes til å diskutere hvor stor tiltro leseren bør ha til påstanden som ble formulert. • Referanseliste: Denne skal inneholde liste over kilder som er brukt i arbeidet. I tillegg kan lærer peke på at det forventes at elevene bruker fagspråk på en korrekt måte, og at språket i eksperimentrapporter bør ha god flyt og være forståelig. Elevenes skriving av eksperimentrapporter blir mer lærerik og meningsfull hvis de er kjent med dens formål og med kvalitetskriteriene fysikere bruker når de leser og vurderer eksperimentrapporter (jf. begrepet «mottakerbevissthet»). Flere kjennetegn på kvalitet i forskning er beskrevet i kapittel 3 og 4 og kan i undervisningen formuleres i forenklet versjon i form av vurderingskriterier. En utfordring knyttet til skriving av eksperimentrapporter i skolen er at vi sjelden foretar genuin utforskning slik at elevene har grunnlag for å utvikle egne hypoteser og tolkninger av resultater. Oftest følger elevene ferdige prosedyrer eller «kokebokoppskrifter» (se kapittel 11 og 13), og både resultater og fortolkninger i form av teori er kjente for lærer (og for mange av elevene) forut for øvingen. Da gir det ikke mening å skrive en eksperimentrapport med liknende struktur og formål som profesjonelle eksperimentrapporter. Når elevene etter slike øvinger blir bedt om å skrive eksperimentrapporter, blir resultatet lett fiktiv argumentering eller uholdbar resonnering. Vi ser at mange elever her velger å følge lærerens IMRoD-liknende oppsett, men likevel skriver en tradisjonell forklaring i diskusjonsdelen. Elevene kan da ha problemer med hvor ulike deler av innholdet skal stå. Dette er rimelig siden forklaringen jo ikke kan utledes fra noen få måleresultater, og logikken i teksten kan derfor lett bli noe underlig. En slik sammenblanding av sjangrene «forklaring» og «eksperimentrapport» synliggjør behovet for klarere undervisning i fysikkfagets sjangrer.

skriving i fysikk 241

Skal elevene skrive eksperimentrapport, bør vi derfor tilrettelegge for praktisk arbeid der elevene samler inn data som på en eller annen måte er unike. Da kan elevene argumentere for en hypotese inspirert av egne data og begynnende forståelse av aktuell teori. Alternativt kan de skrive en utforskende rapport der de tar utgangspunkt i en problemstilling i stedet for en hypotese, og konkluderer med en begrunnet påstand om et mønster eller en sammenheng. Slike mer utforskende praktiske arbeidsmåter er diskutert i kapittel 13 om utforskende arbeidsmåter og kapittel 12 om modellering i fysikk. I kapittel 25 diskuteres hvordan eksperimentrapporten også kan fremme forståelse av naturviten skapens egenart.

242 kapittel 16

Kapittel 16

Læring gjennom oppgaveløsing Oppgaveløsing har en framtredende plass i fysikkundervisningen i videre gående skole. Det synes å være en sterk tro på at regning og løsning av oppgaver har en gunstig læringseffekt. Og ikke minst, oppgaveløsing er en viktig del av eksamensforberedelsene. Mange har dessuten erfart at de først fikk et «eierforhold» til fagstoffet i fysikk etter å ha arbeidet med en mengde ulike oppgaver. I norske og i mange andre lands lærebøker er det et betydelig omfang av øvingsoppgaver knyttet til teoriframstillingen. Det forventes at elevene løser mange slike standard øvingsoppgaver som et ledd i læreprosessen. Men det er også viktig at elevene får et bevisst forhold til hvordan en løser fysikkoppgaver, og hva slags problemløsningsstrategier som er gode, og det er ikke sikkert at det er antall oppgaver som er det avgjørende. I en studie fra Sør-Korea fant Byun og Lee (2014) ingen signifikant korrelasjon mellom antall oppgaver elevene løste, og deres faglige resultater, enten det var på eksamen eller prestasjoner på Force Concept Inventory.

16.1

Fremmer oppgaveløsing læring?

Er vi nå så sikre på at denne omfattende oppgaveløsingen gir elevene all den forståelsen vi ønsker – og fremmer den læring? Et av hovedproblemene for elever kan være at de ofte ikke er i stand til å gjennomføre en kvalitativ analyse av prob lemstillingene i oppgaven før de løser den. Mange elever mangler med andre ord en form for generell problemløsningsstrategi. Det medfører for eksempel at de går rett på formler eller likninger som inneholder den ukjente, uten først å se helheten i problemstillingen. Vi tror mange lærere vil gjenkjenne følgende spørsmål fra en elev: «Hvilken formel skal vi bruke her, lærer?» Da blir verdien utover å få «rett svar» liten. For å motvirke dette bør både lærere og lærebokforfattere være nøye med hvordan man formulerer oppgaver, og ikke minst er

læring gjennom oppgaveløsing 243

det viktig at elevene trenes i å omformulere problemstillingen i en oppgave til et løsbart problem. Og videre: Kanskje er det slik at den store vektleggingen av oppgaveløsing kan være et hinder for elevenes begrepsutvikling og forståelse. Man kan godt tenke seg at oppgaver som er svært rutinepregete med innsetting av tall i en formel, kan virke mot sin hensikt, både fordi det er lett å få rett svar, og fordi elevene ikke får trening i en mer generell problemløsningsstrategi. Det er med andre ord ikke så viktig hvor mange oppgaver man løser, men det er viktig hvordan man løser oppgaver, og hvilke oppgaver man løser. Til og med nokså kompliserte regneoppgaver kan løses uten at de grunnleggende begrepene er forstått. En slik instrumentell forståelse knyttet til oppgaveløsing kan altså være med på å gi både elever og lærere en misvisende oppfatning av hva som faktisk er forstått. Den omfattende kartleggingen av det vi har kalt alternative forestillinger innenfor fysikkdidaktisk forskning (se kapittel 8), har jo med all tydelighet vist at mange elever som kan «regne riktig», mangler forståelse for grunnleggende begreper og teorier. Et godt eksempel har vi fra den amerikanske fysikkdidaktikeren Andrea diSessa, som har referert til en undersøkelse han gjorde blant begynnerstudenter i fysikk på MIT. Disse studentene, som nesten alle hadde beste karakter fra videregående skole, ga uttrykk for at de egentlig ikke hadde skjønt hva fysikken dreide seg om da de gikk på skolen, og diSessa konkluderte: They did not understand even though they could perform (diSessa, 1993, s. 206). Vi vil imidlertid på ingen måte underslå betydningen av matematikk og kvantitative analyser i fysikkfaget. Selvsagt behøver elevene både regnetrening og arbeid med begrepsforståelse. Det at vi faktisk kan regne på en rekke fenomener, er selvsagt et helt avgjørende trekk ved faget. Slipper vi f.eks. en ball fra en meters høyde over gulvet, kan vi temmelig nøyaktig regne ut hvor lang tid fallet varer. Norsk skolefysikk er i stor grad algebrabasert, riktignok med noen innslag av differensial- og integralregning. Noe av problemet er at elevene ikke har gode nok matematikkunnskaper (se også kapittel 27). Det gjelder både det at de har vanskeligheter med å formulere fysiske problemstillinger matematisk, og at de har problemer med selve utregningene. Det kreves med andre ord en omfattende trening i oppgaveløsing og i problemløsningsstrategier, der matematiske manipulasjoner inngår for å utdype ens forståelse i fysikk. Inntil nylig har det vært nokså enerådende med såkalte åpne oppgaver (altså ikke flervalgsoppgaver) i fysikk i norsk skole. Det gjelder som øvingsoppgaver i lærebøkene, til lokale prøver og til eksamen. Det har vært en utbredt oppfatning at det er viktig at elevene begrunner sine svar og viser hvordan de har kommet

244 kapittel 16 fram til løsningen. Noen ganger vil det si å vise kvalitative fysiske resonnementer, og andre ganger vil kvantitative resonnementer være mer framtredende, altså bruk av og manipulering med matematiske likninger. Det er selvsagt viktig for elevene å få trening i å uttrykke seg og gjøre rede for sine resonnementer skriftlig (se også kapittel 15). Innlevering av slike oppgaver gir også læreren anledning til å få innsikt i hvordan det står til med elevenes kunnskaper og forståelse. Vi tror særlig at tilbakemeldingen elevene får fra læreren, har stor betydning for læringsutbyttet. Den kan være skriftlig eller muntlig til hver enkelt elev, eller den kan være i form av gjennomgåelse for hele klassen. Det viktige er utvilsomt at det foregår en dialog i klasserommet. Variasjonen av oppgaver innenfor det vi vil kalle standardformatet i norske lærebøker i fysikk, er god. Det er regneoppgaver, teorioppgaver og det som ofte kalles forståelsesspørsmål. Og det kan være åpne oppgaver og flervalgsoppgaver. Men kanskje skulle en av og til tenke på å utvide oppgavesjangeren noe utover dette standard testformatet. Det amerikanske tidsskriftet The Physics Teacher har i hvert nummer forslag til det de kaller Fermi-spørsmål. Det er spørsmål som i første omgang går ut på å gjøre overslagsberegninger. Ofte blir det referert til problemer som kan løses på baksiden av en papirserviett!15 Her er et eksempel: Jules Verne skrev i 1865 boka Reisen til månen, der han brukte en kanon til å skyte folk ut i verdensrommet. Hvor langt måtte kanonløpet være for at et menneske skulle kunne oppnå unnslipningshastigheten og samtidig overleve? Det samme tidsskriftet har også lang tradisjon med å presentere «Figuring Physics», som er flervalgsoppgaver, ofte med en uventet vri! På naturfag.no ligger det en samling med «grubleoppgaver» i fysikk utviklet av Paul Hewitt.

16.2 Kognitive dimensjoner i oppgaver Det er flere ulike typer oppgaver som brukes i skolen. Det spenner fra enkle faktaoppgaver til sammensatte problemstillinger som både krever resonnering og matematisk forståelse. Det kan derfor være hensiktsmessig å være bevisst på at oppgaver kan ha ulike dimensjoner. I TIMSS Advanced, for eksempel, deles oppgavene inn i en innholdsdimensjon, altså helt enkelt hvilke faglige temaer en oppgave omhandler, og en kognitiv dimensjon som beskriver hva slags tankeprosesser som er forventet av elevene når de arbeider med oppgavene. Den mest kjente klassifisering (taksonomi) stammer fra Benjamin Bloom. For det kogni15

Se The Physics Teacher: https://aapt.scitation.org/journal/pte

læring gjennom oppgaveløsing 245

tive området opererer Bloom med seks hierarkisk ordnede klasser: kunnskap (gjengi, beskrive), forståelse (kunne sammenfatte, forklare, tolke), anvendelse (kunne bruke ny kunnskap i nye situasjoner), analyse (kunne se sammenhenger), syntese (generalisere, trekke egne slutninger) og vurdering (kunne bedømme ut fra evidens og ulike kriterier) (Bloom, Englehart, Furst, Hill & Krathwohl, 1956). Fordi de tre kognitive dimensjonene i TIMSS Advanced16 er så direkte knyttet til oppgaveløsing, gjengir vi dem i det følgende (Lie et al., 2010, s. 24–25):

Kjennskap Det første kognitive området handler om å ha kjennskap til grunnleggende begreper, symboler, enheter, lover og prosesser i fysikk. Det handler også om å kunne bruke et vitenskapelig språk og kunne beskrive og vise forståelse for fysiske sammenhenger.

Anvendelse Det andre kognitive området handler om anvendelse. Her fokuseres det på evnen elevene har til å kunne bruke kunnskap på gitte (standard) problemstillinger. Det innebærer også at elevene skal kunne bruke diagrammer og modeller til å illustrere strukturer og sammenhenger og demonstrere kunnskap om fysiske begreper. Elevene skal kunne finne løsninger på kvantitative og kvalitative problemer, og de skal kunne forklare fysiske fenomener og observasjoner.

Resonnering Et hovedmål for fysikkutdanningen er at elevene skal kunne resonnere og argumentere vitenskapelig når de løser oppgaver, at de skal utvikle forklaringer og trekke konklusjoner, og at de skal kunne utvide kunnskapen de har til nye situasjoner. Det tredje kognitive området handler altså om resonnering. Dette området omfatter problemløsing som inneholder uvante og til dels komplekse fenomener. Elevene skal kunne analysere et problem og finne hvilke underliggende prinsipper som er involvert. De skal kunne finne og anvende likninger, formler og sammenhenger, og de skal kunne vise analytiske teknikker og dess uten kunne evaluere løsninger. Vitenskapelig tenkemåte involverer også å kunne

TIMSS Advanced brukte de samme kategoriene for de kognitive dimensjonene i 2008 og 2015.

246 kapittel 16 utvikle hypoteser og kunne designe vitenskapelige undersøkelser i tillegg til å kunne analysere og tolke data. Elevene bør altså få ulike utfordringer gjennom løsning av forskjellige typer oppgaver og av oppgaver som stiller ulike krav til kognitive ferdigheter. Det er selvsagt ikke tilstrekkelig med oppgaver som bare krever reprodusering og enkel formelinnsetting. Løsning av oppgaver skal være med på å utvikle elevenes forståelse for faget. Ofte er oppgavene i lærebøkene knyttet til hvert enkelt kapittel, og dermed knyttet til et enkelt tema. Det er gjort noen undersøkelser som indikerer at såkalt «spacing and mixing» gir god læringseffekt. Det vil si at oppgaver fra ulike kapitler blandes. Dermed oppnås bedre hukommelse over tid, og elevenes evne til å knytte et problem til aktuelle begreper eller prosedyrer blir styrket (Rohrer, 2009). På den måten kan elevene få økt innsikt i mer generelle løsningsmetoder, og de kan få forståelse for at det er likheter mellom ulike deler av fysikken som de kan utnytte i oppgaveløsningen.

16.3 Problemløsning Er et problem noe som objektivt finnes, eller er det et problem for enkelte, men ikke for andre? En mulig definisjon på et problem er: Om der er et hinder mellom der du er og dit du skal, og du ikke vet hvordan du skal komme forbi hinderet, da har du et problem. Denne definisjonen identifiserer ikke hinderet eller oppgaven som skal løses, men det er situasjonen med en deltaker som skaper problemet. Problemet ligger i den enkeltes vekselvirkning med oppgaven. Ulike personer vil derfor ikke oppleve samme hinder med å løse oppgaven. Dette gir oss en svært bred definisjon av hva et problem er. Her skal vi imidlertid konsentrere oss om regneoppgaver i fysikk, altså problemer som kan løses på en systematisk måte. Regneoppgaver inkluderer bruk av likninger (formler), men ikke nødvendigvis innsetting av tall. Regneoppgaver kan altså være «kvalitative» i den forstand at de krever drøfting av variabler og hvordan ulike variabler avhenger av hverandre. I mange oppgaver har vi i prinsippet tre komponenter i problemløsningen: gitte data, metode og resultat. Oppgaver i lærebøker er ofte slik at dataene og metoden for løsningen er gitt, og resultatet står i fasiten. Med metode mener vi først og fremst likninger eller formler som står i kapitlet som oppgaven er gitt i. Dette betyr at problemløsningen ofte bare handler om å finne den rette likningen som passer til de gitte dataene. Denne metoden har en slående engelsk forkortelse: G. U. E. S. S. (given, unknown, equation, search, solve). Her handler det egentlig ikke om noen

læring gjennom oppgaveløsing 247

større forståelse; en har en algoritme og søker etter en likning etter det som er oppgitt, og får ut et eller annet. Fokus her ligger ikke på forståelse, men på å finne rett likning og få svar. En bedre metode eller strategi for problemløsning beskrives av matemati keren George Polya, som skrev boka How to Solve It, utgitt i 1945. Strategien består av fire trinn (Polya, 1945): • • • •

Understand Plan Carry out Look back

Det finnes mange varianter av dette, men i prinsippet baseres de i hovedsak på Polyas trinn. Vi vet at mange elever ikke følger disse trinnene og oftest hopper over et eller flere av dem. Det påvirker resultatet av oppgaveløsningen.

Problemløsning i fysikk Problemløsning i fysikk handler om å forstå hva oppgaven dreier seg om, og å forstå selve spørsmålsstillingen og dermed kunne omformulere denne til en form som man kan løse. Det betyr som oftest å kunne sette opp matematiske uttrykk (likninger) som beskriver problemet som skal løses. Tabell 16.1 viser skjematisk en strategi for oppgaveløsning i fysikk basert på Polyas ideer. Her har vi lagt vekt på «understand» og «plan», og ikke minst framhever vi betydningen av å tolke og vurdere svaret, samt å kunne reflektere over hva en har lært av å løse oppgaven («look back»). Vi vil også presisere viktigheten av å tegne gode figurer og å identifisere gitte og ukjente størrelser. Tabell 16.1 Strategier for oppgaveløsning. Hva vet du?

Hva skal du finne?

Hva har du funnet?

Les

Les oppgaven nøye

Skriv

Skriv ned gitte størrelser og identifiser den ukjente variabelen

Tegn

Tegn figur med gitte størrelser og data

Analyser og skriv

Analyser problemet med utgangspunkt i grunnleggende fysiske prinsipper og skriv ned den ukjente variabelen og sammenhenger der den inngår, sammen med størrelser du kjenner → regnestykke/likninger

Regn

Regn ut. Bruk symboler helt til den ukjente er isolert på én side. Sett deretter inn tall hvis aktuelt. Ta med enheter

Tolk

Tolk og vurder svaret. Ved tallregning: Sjekk enheter

Nyt og reflekter

Nyt mestringen, og tenk gjennom hva du har lært av å løse oppgaven

248 kapittel 16

Opplæring i problemløsning i fysikk Når elever skal lære problemløsning, kan strategier de bruker, telle mer enn antall oppgaver de gjør (Byun & Lee, 2014), og mange elever ser ut til å bruke lite effektive strategier når de jobber med oppgaver (Chi, Bassok, Lewis, Reimann & Glaser, 1989). Problemløsning krever kombinert bruk av fysikkens prinsipper og kognitive ferdigheter knyttet til prosedyrer. Forskningen finner at elever som raskt blir gode på problemløsning, reflekterer over løsningsmetoder gjennom det som kalles selvsnakk eller selvforklaring (Renkl, 1997). Mens de jobber, lager de seg forslag til forklaringer på de ulike stegene i en problemløsning. Det er særlig to forhold slike elever reflekterer over. Det ene er mulige løsningssteg de kan gjøre. Bevisstgjøring av løsningssteg er et nødvendig utgangspunkt for videre selvforklaring. Bevisstgjøring av løsningssteg må kombineres med refleksjon over mål for disse; «jeg kan bruke bakken som nullpunkt for høyden til ballen som kastes, for da faller ene leddet for potensiell energi bort». Det andre er at de vurderer hvilket fysisk prinsipp som kan komme til anvendelse. Renkl (1997) peker på at det ikke synes å være tilstrekkelig at elevene nevner et prinsipp, f.eks. «mekanisk energi er bevart». Eleven må også tenke igjennom om betingelser for bruk av disse er oppfylt: «Mekanisk energi er bevart siden vi ikke skal ta med luftfriksjon.»

Selvforklaring Selvforklaring kan gi effektiv læring av problemløsning i to vanlige situasjoner: jobbing med ferdige løsningsforslag og selvstendig problemløsning. Forskning viser at når ferdigheter i problemløsning i et emne er lite utviklet, vil mange elever kunne lære mer av å studere løsningsforslag enn av selv å prøve å løse de samme problemene (van Merrienboer & Sweller, 2005). For å få denne læringseffekten må elevene reflektere aktivt over stegene i løsningsforslaget. Etter å ha studert et løsningsforslag kan eleven gjerne prøve å løse samme problem uten å se på løsningsforslaget, og gjerne presse seg litt før en sjekker løsningsforslaget på ny. Bruk av et ferdig løsningsforslag bør følges opp umiddelbart med selvstendig arbeid med et liknende problem, og deretter med løsningsforslag med økende vanskelighetsgrad. Når eleven begynner å beherske grunnleggende problemløsning innen et emne, er det mer effektivt for videre læring å jobbe uten løsningsforslag. For å øke læringsutbyttet fra arbeid med oppgaver vil en del elever trenge hjelp til å utvikle gode vaner for selvforklaring. Ofte vil elever godta informasjon presentert f.eks. i et løsningsforslag uten nødvendigvis å jobbe med å oppnå dyp forståelse. En tilnærming som kan gi positive effekter, er når lærer under

læring gjennom oppgaveløsing 249

oppgavegjennomgang forklarer elevene hvordan de kan resonnere ved prob lemløsning (Wittwer & Renkl, 2010). Dermed får elevene modellert hvordan de kan gjennomtenke løsningssteg og mål for disse, samt prinsipper som kan gjelde, og om betingelser for disse er oppfylt i oppgaven. Også her er det best å bare gå igjennom én oppgave før elevene prøver selv. Under senere veiledning av elevene kan lærer stimulere til effektiv refleksjon gjennom å bruke de ulike elementene i god selvforklaring som utgangspunkt for veiledende spørsmål.

Produktiv feiling En strategi som kan øke elevenes utbytte fra lærers gjennomgang av oppgaver på tavla, er å først gi den som oppgave til elevene, alene eller i grupper. Oppgaven bør ikke være vanskeligere enn at elevene greier å starte på den, men samtidig så vanskelig at mange ikke greier å løse den. Når lærer går igjennom oppgaven, vil elevene kunne relatere til utfordringer de selv møtte, og engasjementet i gjennomgangen blir ofte større. Bruk av denne strategien, kalt «productive failure» i forskningslitteraturen, gjør at elevene oppnår bedre begrepsforståelse og bedre prosedyreforståelse.

16.4 Diagnostiske oppgaver Vi har framhevet at oppgaver og oppgaveløsing kan ha en viktig diagnostisk funksjon. En effektiv og rask måte å diagnostisere elevers forestillinger på er å bruke flervalgsoppgaver. I Norge har det vært liten tradisjon for å bruke flervalgsoppgaver i skolen, men det er i ferd med å endre seg, også til eksamen. Flervalgsoppgaver med gode distraktorer gir læreren en god oversikt over en del av de (alternative) forestillingene elevene måtte ha. Figur 16.1 viser et eksempel fra TIMSS i 1995 (Angell, Kjærnsli & Lie, 1999, s. 120–121). To kuler med massene m og 2m er forbundet med en lett snor og holdt i ro. Systemet blir sluppet og faller fritt, som vist på figuren.

Hvor stort er snordraget når systemet faller? g er tyngdeakselerasjonen. A. 0 B. mg C. 2mg D. 3mg

Figur 16.1 Oppgave fra TIMSS 1995.

250 kapittel 16 I denne oppgaven spørres det om snordraget når to legemer forbundet med en snor er i fritt fall. Vi kan se bort fra luftmotstanden, begge kulene faller med samme akselerasjon, og snordraget er null. I 1995 var det 34 % av norske fysikkelever (3 FY) som svarte riktig. Størstedelen av dem som svarte feil, valgte distraktor B. Det er nok det mest intuitive alternative svaret. Mange elever resonnerte trolig med at kula med størst masse må dra på den andre med kraften mg. Oppgaven er tilsynelatende enkel, men ser vi på de norske resultatene, finner vi at det bare er blant de beste elevene at kunnskapene er solide nok til at de gjennomskuer problemstillingen. Blant de 25 % beste elevene (målt på hele TIMSS-testen) er det omtrent 80 % som svarer riktig, men selv her er det omtrent 15 % som velger distraktor B, nemlig at snordraget er mg. En slik oppgave kan altså ha en diagnostisk funksjon, og i dette tilfellet kan en til og med sammenlikne resultatet i egen klasse med et gjennomsnitt for hele landet. Gode diagnostiske oppgaver har distraktorene formulert slik at de kan avsløre hverdagsforestillinger. Denne typen flervalgsoppgave kan være et godt utgangspunkt for diskusjon i klassen. For eksempel kan læreren presentere oppgaven på tavla. Elevene kan så få noen minutter til å bestemme seg for hvilket alternativ de mener er riktig. Læreren kan så registrere hvor mange som har valgt de ulike svaralternativene. Uten å si hva som er riktig svar, kan så elevene få diskutere oppgaven i små grupper, og etter en stund kan læreren på ny registrere de ulike svarene elevene foreslår, og diskusjonen kan fortsette i hele klassen. I praksis vil denne typen interaktiv undervisning ha god hjelp av elektroniske responssystemer som f.eks. Kahoot eller Socrative. Ideen er at læreren og elevene oppretter et nettverk der de kan stille spørsmål og avgi svar elektronisk. Det vanligste er at en bruker sine smarttelefoner, men nettbrett og datamaskiner kan også brukes.

16.5 Oppgaver og matematikk Som nevnt foran i dette kapitlet trenger elevene regnetrening på sin vei mot en god forståelse i fysikk. Og selv om kvalitativ begrepsforståelse er viktig, kan vi ikke komme bort fra at bruken av matematikk i fysikken er helt sentralt. Hva slags matematikk er det da vi snakker om? Som nevnt er norsk skolefysikk i hovedsak algebrabasert med noen innslag av differensial- og integralregning. Gjennom undersøkelsene i TIMSS Advanced (Grønmo et al., 2016; Lie et al., 2010) ser det ut til at elevene i økende grad kommer med svake matematikkunn-

læring gjennom oppgaveløsing 251

skaper til fysikkundervisningen i videregående skole. I fysikktimene vil mange fysikklærere legge vekt på å formulere et fysisk problem matematisk, og så si at resten er «bare» matematikk. I så måte forutsetter læreren at elevene kan løse matematikken, og i mange tilfeller vil matematikken tilsynelatende være enkel. Det kunne for eksempel være en oppgave om en ladd partikkel som går i sirkel bane i et homogent magnetfelt, og der spørsmålet er å finne radien i sirkelen. Elevene må forstå hva fysikken handler om, altså at vi har en kraft på den ladde partikkelen gitt av F = qvB og Newtons 2. lov anvendt på sirkelbevegelse med konstant fart: F = ma = m

v2 r

Dette er uttrykk elevene gjerne finner i formelsamlingen, men derfra til å finne radien er åpenbart ikke lett. Hadde imidlertid våre elever hatt mye algebra trening, ville mange sikkert fått det til. Det er med andre ord noe våre elever har mistet på veien. I matematikkundervisningen arbeider de med langt mer kompliserte problemer enn dette, men det ser altså ut til at elever mangler trening både i grunnleggende algebra og å bruke sine matematikkunnskaper. I TIMSS Advanced 2008 ble det særlig tydelig at elevenes grunnlag i enkel algebra er blitt vesentlig dårligere i perioden fra 1995 til 2008. I 1995 svarte norske elever i gjennomsnitt like godt på oppgaver som inneholdt algebra som de uten. I 2008 var dette betydelig endret. Det var spesielt oppgaver som krever manipulasjon med algebraiske uttrykk (for eksempel kunne beskrive et fysisk system med flere likninger og løse likningssettet), at de norske elevene var blitt betydelig svakere i (Angell, Lie & Rohatgi, 2011).TIMSS Advanced 2015 viser at manglende algebrakunnskaper fortsatt er et problem for norske fysikkelever (Grønmo et al., 2016). Som nevnt ovenfor er det bare noen få innslag av differensial- og integralregning i de norske fysikkursene i videregående skole. Det er et tankekors at differensiallikninger som beskriver fysiske fenomener, kan behandles i matematikkfaget, men ikke i fysikk! Dynamiske fysiske systemer beskrives jo med differensiallikninger, og det kan derfor være grunn til å stille spørsmål om hvorfor skolefysikken ikke tar konsekvensen av det. I en del land vil for eksempel skolefysikken inneholde en behandling av en enkel harmonisk oscillator: m

d 2x = −kx dt 2

men dette har gjennom lang tid ikke vært en del av fysikkpensum i norsk skole.

252 kapittel 16 Et poeng som lett blir borte for elevene, er hvor elegante de matematiske beskrivelsene er. For eksempel: At kreftene som virker mellom himmellegemer, kan skrives så presist og enkelt som Newtons gravitasjonslov, burde gi grunn til ettertanke. Og i tillegg kan en i undervisningen legge vekt på at loven om Coulomb-krefter har akkurat samme matematiske struktur. En annen problemstilling knyttet til matematikk og oppgaveløsning er i hvilken grad en skal bruke kalkulator, dataprogrammer som GeoGebra (som lenge har vært svært utbredt i realfagene i norsk skole), og/eller programmerings aktiviteter i fysikkundervisningen (se også kapittel 12 og 17). Ved å bruke prog rammering og numeriske metoder kan elevene nærme seg mye mer virkelig hetsnære problemer. Vi tror imidlertid at det er viktig å beholde den analytiske tilnærmingen i oppgaver der dette kan gi økt forståelse eller nyttig trening i å bruke fysikkens formalisme. Samtidig bør digitale hjelpemidler brukes målrettet både som verktøy til å belyse problemstillinger og for å illustrere en sentral arbeidsmåte i fysikk.

digitale ressurser for læring i fysikk 253

Kapittel 17

Digitale ressurser for læring i fysikk Datamaskinen spiller i dag en viktig rolle i undervisning, der elevene både skal få kompetanse i bruk av digitale verktøy og bruke teknologien for å lære fag. Digitale verktøy kan bidra til at vi kan behandle nye temaer, vi kan skape mer variasjon i undervisningen, og vi kan gjøre forsøk som før var umulige eller veldig vanskelige å gjennomføre. I dette kapitlet skal vi se på noen digitale ressurser og hvilke muligheter og utfordringer de gir for undervisning i fysikk. Digitale ressurser omfatter den teknologien som anvendes for innsamling, lagring, behandling, overføring og presentasjon av informasjon. Dette kan ha ulike funksjoner som kan grupperes i fire kategorier: 1. Bruk av digitale ressurser som læringsmål Dette handler om at elevene skal skaffe seg digital kompetanse i å anvende teknologi for å samle inn, lagre, behandle, overføre og presentere informasjon. Dette omfatter også bruk av programmerings- og modelleringsverktøy. 2. Digitale ressurser som læringsstøtte Her er hensikten at teknologien skal være et hjelpemiddel for læring, ikke at elevene skal lære seg den spesielle teknologien. For eksempel kan bruk av datalogging med tilhørende programvare være en støtte for å lære både begrepsforståelse i fysikk og vitenskapelige arbeidsmåter på overordnet nivå. For å fylle denne funksjonen må det være en forholdsvis lav terskel for eleven for å ta verktøyet i bruk. Kategorien inkluderer ressurser for deling og kommunikasjon. 3. Digitale læringsressurser Digitale læringsressurser er spesifikt utviklet for å støtte elevenes læring innen bestemte temaer. Viten-programmene fra Naturfagsenteret (se eksempler i kapittel 21 og 23) er slike læringsressurser der elevene kan arbeide med

254 kapittel 17 fagstoff gjennom tekst, bilder, videoklipp, animasjoner, simuleringer, diskusjonsoppgaver og skriveoppgaver – alt innenfor samme læringsplattform. 4. Digitale ressurser som administrativ støtte Elever og lærere kan bruke digitale læringsplattformer der en kan utveksle informasjon, organisere innleveringer, arrangere diskusjonsfora osv. En kan også lage oversikter over læringsressurser slik at elevene ikke går seg vill i informasjonssøk. I dette kapitlet vil vi ta for oss funksjonene i de tre første punktene. Et fellestrekk ved digitale ressurser er at de legger til rette for veksling mellom ulike representasjonsformer gjennom bruk av ulike medier for kommunikasjon. Spesielt har vi helt andre muligheter for visualisering enn med tekstbaserte medier som lærebøker. Vi starter derfor med noen grunnleggende perspektiver på visualisering og multimediebasert undervisning.

17.1

Visualisering og multimediebasert undervisning

Digitale ressurser har gitt oss nye muligheter for visualisering av prosesser i fysikken. Visualisering kan også handle om hvordan man presenterer numeriske resultater. Menneskets syn, med hjernen som databehandler, er utrolig sofistikert. Vi kan se trender og mønstre som ikke er synlige i datatabeller, noe som gjør at vi tydelig kan se forandringer. For mange vil det være lettere å tolke en graf eller et histogram enn en tabell. I dag er vi heller ikke begrenset til todimensjonale eller tredimensjonale grafer, men kan visualisere flere variabler ved hjelp av ulike farger og mønstre. Men vi skal også være klar over at mange elever generelt har problemer med å forstå og tolke grafer. Da kan visualisering gjennom datateknologi være mer til hinder enn til støtte for læringen. Historisk sett har ulike teknologiske nyvinninger gitt løfter om stor pedagogisk gevinst, uten nødvendigvis å kunne leve opp til disse forventningene. For eksempel sa den amerikanske oppfinneren Thomas Edison i 1922 at «filmen er skjebnebestemt til å revolusjonere vårt utdanningssystem, og om noen år vil den fortrenge bruken av lærebøker» (Cuban, 1986). I dag finner vi liknende påstander om nyere former for multimedia for undervisningsformål. Med multimedia mener vi informasjon som presenteres med flere ulike representasjonsformer, for eksempel tekst og bilde samtidig. Clark og Feldon (2005) diskuterer noen vanlige påstander når det gjelder multi

digitale ressurser for læring i fysikk 255

media i undervisningen, og de hevder at det går an å sette spørsmålstegn ved flere av disse. Påstandene er blant annet at multimediebasert undervisning gir bedre læring enn tradisjonell undervisning, og at multimediebasert undervisning er mer motiverende enn andre typer undervisning. Disse to påstandene inngår ofte i argumenter for multimediebasert undervisning. Men så langt har vi ikke belegg for at de generelt er gyldige. Det kommer an på hvordan den multimediebaserte undervisningen blir lagt opp. Det er ikke teknologien i seg selv som avgjør dette, men hvordan den blir anvendt. Multimediebaserte ressurser tilpasset elevenes språk og fagets læreplaner er en god start. I tillegg kommer god styring fra lærerens side og klare beskjeder om hva som er målet med arbeidet. Multimediebasert undervisning kan gi større variasjon i undervisningsmetoder og bedre differensiering, noe som igjen kan føre til bedre læring. Men dette er avhengig av et godt samspill mellom lærer og elev, kritisk vurdering av når digitale ressurser skal være en del av undervisningen, og et bevisst valg av de digitale ressursene som blir tatt i bruk. Det er flere utfordringer forbundet med bruk av multimedia i undervisningen. For eksempel kan man lage for omfattende presentasjoner, noe som kan føre til kognitiv overbelastning for elevene. Dermed får man ikke den læringseffekten man ønsker. Mayer (2001) har ut fra kognitive teorier og empiriske forsøk formulert en rekke prinsipper for hvordan læringen kan forbedres gjennom bedre design av multimedia. Blant disse er: • Bruk bilde og fortellerstemme (The Modality Principle). Når stoff presenteres på to måter samtidig (både visuelt og auditivt), øker læringen. Dette betyr at bilde sammen med muntlig fortelling er mer effektivt enn bilde sammen med skriftlig tekst. • Reduser den kognitive belastningen (The Redundancy Principle). Det handler om å ikke presentere for mye informasjon som eleven skal ta til seg samtidig. Det betyr for eksempel at hvis en animasjon krever konsentrasjon for å forstå, må ikke fortellerstemmen bringe ytterligere informasjon som skal absorberes samtidig. • Skap sammenheng mellom ord og bilder (Spatial Contiguity Principle). Tekst og bilde som skal formidle ulike sider av samme tema, bør presenteres nær hverandre slik at det blir lettere å koble dem sammen. • Skap helhet med ord og bilder (Temporal Contiguity Principle). Elever lærer bedre når f.eks. korresponderende tekst og bilde presenteres samtidig, og altså ikke etter hverandre.

256 kapittel 17 • Ta bort det unødvendige (Coherence Principle). Dette handler om at elever lærer bedre når unødvendig informasjon tas bort. Imidlertid kan noe i og for seg unødvendig stoff også bidra til å levendegjøre fagstoffet. Disse prinsippene er formulert på bakgrunn av empiriske studier og er ikke nødvendigvis allmenngyldige. Imidlertid kan vi bruke dem som gode råd, kanskje også i videre sammenheng enn innenfor multimediebasert undervisning.

17.2

Bruk av digitale ressurser som læringsmål

Å opparbeide ferdigheter i å bruke digitale ressurser kan være et læringsmål i seg selv. Dette ligger i læreplanenes angivelse av digitale ferdigheter i faget, og med den digitale utviklingen kan vi forvente en økende vektlegging av programmering i ulike fag i skolen. I kapittel 11 beskrev vi kognitive, affektive og ferdighetsargumenter for eksperimentelt arbeid i klasserommet. Disse argumentene er aktuelle også i forbindelse med programmering i fysikkundervisningen: Programmering kan ses på som en sentral ferdighet for en som kan litt fysikk, på linje med ferdigheter som f.eks. å bruke måleinstrumenter som multimeter eller dataloggere på riktig måte. Kognitive argumenter for programmering kan omfatte både forståelse av hvordan forskning i fysikk i dag foregår, og dermed av naturvitenskapens egenart, og forståelse av selve det naturvitenskapelige innholdet – fysikkens begreper og prosesser. Affektive argumenter vil omfatte motivasjon og mestring som elever kan oppleve gjennom arbeid med programmering. Det foreligger per i dag relativt lite publisert forskning internasjonalt, og enda mindre i Norge, angående elevers kognitive og affektive utbytte av programmering i realfagene i skolen. I fysikk ligger programmering tett opptil hva vi forstår med modellering, som vi behandlet i kapittel 12, men det er også knyttet til en internasjonal utvikling hvor Computational Thinking (CT) ses som en viktig kompetanse. På norsk brukes av og til algoritmisk tenkning som begrep, men dekker ikke helt hva som ligger i CT. I en europeisk ekspertrapport beskrives CT som en tankeprosess som er uavhengig av teknologi, og som innebærer ferdigheter i å utvikle løsninger som kan prosesseres av en datamaskin (Bocconi et al., 2016). Det er altså ikke bare ferdigheter i å kode i et programmeringsspråk vi mener når vi snakker om programmering, Computational Thinking eller algoritmisk tenkning. Weintrop et al. (2016) beskriver praksiser som inngår i CT i naturfag og matematikk, og som alle har relevans for fysikk:

digitale ressurser for læring i fysikk 257

• Datahåndtering, som involverer innsamling, analyse og visualisering av data • Modellering og simulering, som involverer både bruk og utvikling av modeller samt å kunne vurdere dem • Digital problemløsning, som i tillegg til programmering innebærer å forberede problemer til å kunne løses digitalt, velge effektive beregningsverktøy og vurdere ulike tilnærminger til et problem • Systemtenkning, som innebærer å kunne håndtere kompleksitet og forstå sammenhenger innad i et system Å behandle egne forsøksdata digitalt og utvikle modeller kan være motiverende for elevene. Det kan også gi dem en mer autentisk opplevelse av hva det vil si å arbeide med fysikk enn de får med manuelle prosedyrer for datahåndtering. Dette tar tid, og det kan derfor være hensiktsmessig å bruke samme programvare som i matematikken, f.eks. GeoGebra til utvikling av modeller, siden elevene har erfaring med dette fra matematikk. Python er også et aktuelt programmeringsverktøy som får stadig større gjennomslag i utdanningssektoren, se for eksempel Center for Computing in Science Education ved Universitetet i Oslo.17 Det går også an å lage modeller ved hjelp av regneark, men disse er ganske begrensede og ikke spesielt konkurransedyktige i forhold til andre programpakker. Programmering kan være krevende for elever, siden de må forholde seg til det faglige fysikkinnholdet og de digitale verktøyene samtidig. Dersom elevene får nok tid til oppgavene, kan dette imidlertid også ha en synergieffekt ved at datamaskinen krever nøyaktige instruksjoner for å være til hjelp. Dette kan bidra til at elevene blir mer bevisst på hva de ulike begrepene og sammenhengene i fysikk innebærer, og de kan få trening i å uttrykke sin kunnskap presist ved å måtte «forklare» den matematisk til datamaskinen. Det er dette som også ligger i algoritmisk tenkning («hvilke algoritmer må jeg gi datamaskinen for at den skal løse problemet for meg?»), men blir av og til misforstått til at elevene bare skal følge en algoritme.

17.3

Digitale ressurser som læringsstøtte

Det er mange måter å bearbeide lærestoff på ved hjelp av digitale ressurser. Vi tar her for oss digitale flervalgsoppgaver, informasjonssøk, responssystemer og digitale ressurser for formidling og kommunikasjon. 17

www.mn.uio.no/ccse

258 kapittel 17

Digitale flervalgsoppgaver Digital teknologi gir mulighet for effektiv administrasjon og deling av flervalgsoppgaver for undervisningen, og eleven kan få umiddelbar respons på sine svar på oppgaver. Mange land, deriblant Norge, bruker flervalgsoppgaver til eksamen. Dette i seg selv er en god grunn for å bruke flervalgsoppgaver i undervisningen, siden elevene da får øvd seg på oppgaveformatet de får til eksamen. Men det er flere andre gode grunner til å bruke flervalgsoppgaver også. Elever som blir testet underveis i læringsprosessen, husker lærestoffet bedre (Pyc & Rawson, 2010). Ved å følge opp teori, eksperiment eller video med flervalgsoppgaver kan vi hjelpe eleven til å knytte lærestoffet bedre sammen. Ved å lage gjennomtenkte flervalgsoppgaver kan testene også fungere som en læringsmodul i seg selv, og ikke bare som en repetisjonsøving (se også kapittel 16 om oppgaver og 29 om tester). Læreren kan selv lage flervalgsoppgaver ved hjelp av oppgavegeneratoren på læringsplattformen. Disse oppgavegeneratorene begynner nå å bli relativt avanserte. Litt avhengig av hvilken plattform man har, kan man bestemme om rekkefølgen på oppgavene skal være tilfeldig, om rekkefølgen på svaralternativene skal være tilfeldig, om oppgavene skal trekkes ut fra en større «bank» med oppgaver, osv. Dette bør læreren tenke gjennom på forhånd. For eksempel kan det være en stor fordel å la svaralternativene komme i tilfeldig rekkefølge, slik at det blir vanskeligere å jukse ved å se på naboeleven. Det aller viktigste er likevel å lage gode distraktorer. Det er vanskelig å lage gode flervalgsoppgaver, men hvis flere går sammen og samler gode oppgaver i en database, kan det bli en verdifull ressurs som flere kan bruke. Digitale flervalgsoppgaver gir også muligheter for å gjøre bruk av prinsippet «Answer-until-correct», hvor elevene får prøve flere ganger helt til de får rett svar. Dette kan involvere en vurderingsalgoritme hvor man får full uttelling for rett svar på første forsøk, og gradvis færre poeng for påfølgende forsøk. Resultatet kan gi et bedre bilde av elevenes kunnskaper enn om utfallet av oppgaven er dikotomt som rett/galt, og likner således i den forstand mer på en fritekstoppgave. Det kan også være både motiverende og mer lærerikt for elevene at de umiddelbart får vite om svaret er feil, og at de da kan få prøve igjen.

Informasjonssøk på internett Det er mye informasjon og ressurser tilgjengelig på internett. Problemet er å finne det en trenger, for å skape meningsinnhold og kunne kommunisere det til andre. Google og andre søkeverktøy har gjort det enklere å finne informa-

digitale ressurser for læring i fysikk 259

sjon, men det er ikke alltid lett å søke på en god og effektiv måte. Som regel får man altfor mange treff av likt og ulikt. En kan imidlertid unngå egne søk hvis en bruker nettsteder som har samlet passende og interessant stoff og undervisningsressurser på ett sted. Man kan finne materiale samlet hos ulike profesjonelle organisasjoner som American Physical Society, Institute of Physics, American Association of Physics Teachers. Fordelen med disse er at de har gjennomgått en faglig kvalitetssikring. På norsk er Store norske leksikon et godt sted å starte, og forskning.no kan være en god kilde når det gjelder aktuelle forskningssaker. I de kommende årene vil antakelig kunstig intelligens og maskinlæring gjøre det mulig å lage individuelt tilpassede læringsforløp, for eksempel slik at elevers respons på flervalgsoppgaver avgjør hvilke tilbakemeldinger de får, og hvilke oppgaver eller hvilket lærestoff elevene sendes videre til. Slik kan hver enkelt elev få oppgaver og lærestoff tilpasset sitt eget nivå og tempo og de ferdighetene og læringsutfordringene som eleven demonstrerer gjennom sin vekselvirkning med en digital læringsplattform. Informasjonssøk skjer i dag nesten utelukkende på internett med mer eller mindre sikre kilder. Dette gjelder også i fysikk. En hovedutfordring for elevene kan være at de møter et nytt fag med nye begreper på et fremmed språk. Mange nettsider har også fysikkfaglige feil. Læreren bør derfor hjelpe elevene ved å legge ut lenker til kvalitetssikrede sider med minst mulig kompliserende stoff. Det kan være gunstig å bruke læringsplattformen til å gi elevene oversikt over de beste lenkene. For at elevene skal kunne bruke internett som kilde, må de kunne forstå kildekritikk og kunne forholde seg kritisk til informasjonen de finner. Wikipedia er ofte brukt som oppslagsverk. Wikipedia blir gransket og korrigert av kyndige personer, og spesielt den engelske versjonen forbedres jevnlig. Likevel finnes det mye feilaktig informasjon der, særlig i mindre språk som norsk. En tankevekker for elevene kan være at de selv undersøker hva som står skrevet om samme emne på ulike språk.

Elevresponssystemer og omvendt undervisning Elevresponssystemer er et fellesnavn for systemer der elevene kan avgi svar på oppgaver med mobiltelefon, nettbrett eller PC. Slike systemer kan brukes på mange måter, fra enkle flervalgsoppgaver (quiz) til mer omfattende undervisningsopplegg. I det som kalles omvendt undervisning, er tanken at elevene skal jobbe med lærestoffet hjemme og få noen oppgaver som skal leveres elektronisk før under-

260 kapittel 17 visningen. Læreren får dermed en idé om hva som blir viktig å ta opp i starten av undervisningen i klasserommet. Dette kalles på engelsk Just in Time Teaching (Novak, Patterson, Gavrin & Christian, 1999). I klasserommet kan læreren gi nye oppgaver ved å bruke et elevresponssystem kombinert med elevsamtaler i grupper og i hele klassen (Peer Instruction, se Mazur & Hilborn, 1997). Hovedpoenget er altså at elevene arbeider med lærestoffet hjemme, mens undervisningstiden i større grad brukes til oppgaveløsning eller praktiske aktiviteter for å bearbeide lærestoffet, og at denne undervisningsformen i stor grad utnytter digitale verktøy.

Digitale ressurser for formidling og kommunikasjon Presentasjonsprogrammer som Powerpoint og Impress brukes av lærere i de fleste fag i skolen. Mange elever har også god kompetanse på dette. Det er viktig å være bevisst på at slike presentasjoner kan virke passiviserende på elevene, selv om de er godt strukturert. Et pedagogisk grep for læreren for å møte dette problemet er å lage korte presentasjoner som primært inneholder figurer og bilder. Elevene kan så bruke notatmodus i presentasjonsprogrammet til å ta egne notater mens læreren gjennomgår stoffet. Dette fungerer best dersom innholdet ikke har for mange likninger. En utfordring i fysikk er nettopp bruk av matematisk notasjon som gjør elektroniske notater vanskeligere. Etter hvert blir stadig flere læreboktekster tilgjengelige som lydfiler. Lesesvake elever kan ha stor nytte av dette, men i fysikk må vi være oppmerksomme på hvordan teksten ofte hører sammen med både grafer og likninger. Det er derfor ikke alle fysikkfaglige tekster som egner seg som lydfiler siden disse formidler tekstbasert informasjon. Men elever kan også se i boka mens de hører på lydfilen, og de kan stoppe lydfilen når de trenger tid til å se grundigere på illustrasjoner og formler Den hel-digitale læreboka er på vei inn i skolen, men mange elever og lærere vegrer seg fortsatt for å lese store mengder kunnskapsinnhold på skjerm. Norsk forskning på styrker og svakheter med ulike lesemedier har da også vist at lesing på skjerm gir mer hjernestress og at leseren lettere mister helheten i teksten (Mangen, 2008).

17.4

Digitale læringsressurser

Animasjoner Animasjoner er digitale, dynamiske visuelle framstillinger av prosesser der brukeren er passiv observatør eller er aktiv kun ved å klikke på elementer for å

digitale ressurser for læring i fysikk 261

få fram ny informasjon. Animasjoner er først og fremst et visualiseringsverktøy. Forskning viser at animasjoner kan gjøre det lettere å huske naturfaglig innhold og gjør det mer motiverende å lære (Mork & Erlien, 2017). Likevel er det viktig å være oppmerksom på at animasjonene bør være tilpasset elevene og læreplanen både innholdsmessig og kontekstuelt. Det er mange fine animasjoner på internett, men de kan inneholde fremmede begreper og ligge utenfor lærestoffet elevene skal arbeide med. Det kan medføre at det blir kompliserende i stedet for klargjørende for elevene. Animasjoner kan være spesielt nyttige i fysikk for å visualisere prosesser og fenomener som er vanskelig å observere, eller som involverer bevegelser. Visualisering av veldig små ting, veldig raske prosesser eller veldig langsomme prosesser egner seg godt som animasjon. For å gi god læringseffekt bør det være aktiviteter og oppgaver knyttet til animasjonene. Animasjonen får en høyere læringsverdi dersom elevene må gjøre noe aktivt, som for eksempel å klikke for å komme videre. Læringsverdien øker ytterligere dersom eleven får konkrete spørsmål knyttet til animasjonen.

Simuleringer Simuleringer er digitale eksperimenter der brukeren aktivt kan endre på parametere og se hvordan dette påvirker utfallet av eksperimentet. Simuleringer kan også fungere som et visualiseringsverktøy. Datasimuleringer er ikke bare pedagogiske verktøy, men viktige profesjonelle redskaper siden forskning og teknologiutvikling i dag nesten alltid går veien om simuleringer. Når man for eksempel skal utvikle en ny type skrog til skip, vil man i startfasen lage simuleringer av hvordan skroget oppfører seg i vannet. Deretter lager man en skala modell for utprøving i en vanntank. Til slutt blir skroget produsert for bruk. Opplæring av piloter skjer gjennom flysimulatorer, og man kan til og med simulere golfspill i innendørs haller. Simuleringer har dermed blitt en del av både arbeidsliv og fritid for svært mange. I skolefysikken kan simuleringer ofte fungere som et dataeksperiment som likner på laboratorieforsøk. Hensikten med en datasimulering er å utvikle en forenklet modell av et fysisk system. Når vi tester ut forskjellig input i en gitt algoritme, får vi resultater som sier noe om hvordan modellen virker. Simuleringen kan således være en bro mellom eksperimentet og de teoretiske beregnin gene. Men simuleringer kan også brukes til å lage «eksperimentelle» måleserier der det ikke er lett å få til idealiserte eksperimenter i praksis.

262 kapittel 17 Simuleringer er også nyttige i forbindelse med prosesser som skjer veldig raskt (relativitetsteori), veldig sakte (C-14-metoden) eller med objekter i veldig stor eller liten skala (galaksekollisjoner, fusjonsprosesser, transistorer). Simuleringer gjør det også mulig på en enkel måte å visualisere og utforske systemer som er vanskeligere tilgjengelige gjennom ordinære skolelaboratorieforsøk; et eksempel her er simuleringen av fotoelektrisk effekt i Viten-programmet «Kvantefysikk» (se viten.no). Universitetet i Colorado har også mange gode simuleringer for fysikkundervisning;18 noen finnes til og med på norsk. Det finnes også simulerte eksperimenter designet for bruk i skolen; et eksempel er «Andøya Mission Control,19 et nettbasert læringsspill i naturfag der elever gjennomfører et romoppdrag direkte fra skolen sin. I undervisningen kan vi bruke simuleringer både som individuelt arbeid, arbeid i par eller som demonstrasjon. Simuleringer kan også fungere godt som hjemmearbeid der elevene skal levere en forsøksrapport til slutt. Nøkkelen til lærdom ligger uansett i en tett interaksjon mellom arbeid med simuleringen og diskusjon av innholdet i klasserommet.

Internettbaserte eksperimenter Datateknologi har gjort det mulig å eksperimentere på avstand. Man kan koble seg opp til en webserver som styrer et eksperiment, og hente ut data fra eksperi mentet. Fordelen er at man får tilgang til eksperimenter som enten er for farlige å gjøre i klasserommet, som krever infrastruktur man ikke har tilgang til eller som koster for mye i form av innkjøp av utstyr. Ved å legge til et webkamera som filmer datainnsamlingen, kan man øke opplevelsen av å være med på eksperimentet. I astronomi går det an å bestille tid på et teleskop og styre det ved hjelp av en webserver.20 Eckert, Gröber og Jodl (2009) framhever at internettbaserte forsøk kan åpne for nye veier i undervisningen. For eksempel kan læreren introdusere et eksperiment i klassen, kanskje rent kvalitativt, og siden kan elevene gjøre forsøket selv over internett som hjemmearbeid.

18 19 20

Se phet.colorado.edu Se narom.no Se for eksempel telescope.org

digitale ressurser for læring i fysikk 263

Video Video har blitt en stadig mer populær måte å kommunisere visuell informasjon på og er nå en vesentlig del av de unges mediehverdag. De fleste elever har erfaring med å finne videoer på YouTube, og mange produserer egne videoer. YouTube har egne sider med fysikkrelatert stoff, men av varierende kvalitet. I tillegg er videoer for undervisning laget for en bestemt kontekst og målgruppe, og det er ikke sikkert de fungerer like godt i en annen kontekst. Mange andre nettsider leverer samlinger med fysikkfaglige videoer som faglig sett holder høy kvalitet. Både NASA, ESA, CERN og andre store forskningsaktører har gode utdanningsvideoer. I tillegg kan vi finne store videosamlinger på NRK/skole, HowStuffWorks og forlagenes nettsider for sine læreverk. Mange elever lærer lettere gjennom lyd og bilde, men for å sikre et størst mulig læringsutbytte kan det være fornuftig å gi elevene konkrete oppgaver knyttet til videoen. Video kan brukes som en introduksjon til et nytt tema, til bearbeiding av lærestoffet eller som repetisjon. En variasjonsmulighet er å gi en video med oppgaver i lekse eller gi oppgavene til videoen på skolen dagen etter. Ofte kan en fremme elevenes gjennomtenkning ved å stoppe videoen rett før f.eks. et eksperiment settes i gang, og be dem tenke igjennom, og dele med klassen, tanker om hva de tror vil skje, og hvorfor dette vil skje. Læreren kan lage egne videoer for sin spesifikke undervisningskontekst, rettet til en eller flere elever på samme måte som skriftlig tekst. Man kan spille inn en kort video som tilbakemelding på elevers oppgaveløsning eller som svar på spørsmål fra en elev. Dette gir en form for personlig kontakt, og den tekniske kvaliteten av videoen blir mindre viktig. Det tilsvarer en håndskrevet papirlapp, som i prinsipp er ment for engangsbruk og ikke har en overføringsverdi. Dette kan også gjøres til hele klassen. Elevene kan også selv produsere videoer, for eksempel som rapportering fra arbeid med et tema, et forsøk eller et større prosjekt. Elevene vil ofte være motivert for å lage et godt produkt; man bør imidlertid oppmuntre til at også fagstoffet skal ha god kvalitet, ikke bare innpakningen i form av kreativ filming og ulike effekter! Når det gjelder publisering av videoer, er det viktig å være oppmerksom på juridiske sider av dette. Det er ikke lov til å publisere bilder eller videoer av personer uten deres (eller for mindreårige, deres foresattes) samtykke. Dette gjelder for alle åpne publiseringskanaler, inkludert «private» kanaler på YouTube. Du kan heller ikke legge ut bilder fra for eksempel lærebøker på en åpent publisert video uten tillatelse, heller ikke om du oppgir kilde eller formålet utelukkende er egen undervisning.

264 kapittel 17

Mobiltelefoner Moderne mobiltelefoner inneholder et stort antall hjelpemidler som man kan bruke i fysikkundervisningen. Det finnes muligheter for å ta bilder, å søke informasjon på internett og å spille inn videoer, til og med i sakte film. Samtidig inneholder mobiltelefoner sensorer som kan brukes i undervisningen. Akselerometer og gyroskop samt GPS er de mest brukte. Kameraet og mikrofonen kan brukes til å måle lysintensitet og lydnivå. Dessuten kan høyttaleren brukes som lydkilde. Det finnes ulike apper som utnytter disse sensorene. Den mest brukte er Physics Toolbox,21 der det også er forslag til ulike eksperimenter. Det finnes også ulike prosjekter der en utnytter mobiltelefonens kamera som detektor i spektrometer22 eller som mikroskop. Mange av appene kan gi .csv-filer (komma-separerte) som lett kan leses med et Python-skript og visualiseres ved hjelp av enkel programmering. På denne måten har elevene tilgang til sine egne dataloggere.

21 22

https://www.vieyrasoftware.net/ https://spectralworkbench.org/

digitale ressurser for læring i fysikk 265

Diskusjonsspørsmål til del 4 1. I kapittel 11 skriver vi om åpne og lukkede eksperimenter, og at eksperimenter kan ha ulike antall frihetsgrader. Diskuter påstanden: «Det er et mål i fysikkundervisningen at eleveksperimentene skal ha så mange frihetsgrader som mulig.» 2. Gi noen gode grunner for å bruke datalogging og digitale verktøy i fysikkeksperimenter. Hvordan kan disse gode grunnene realiseres i praktisk undervisning? 3. Foreslå noen problemstillinger som kan egne seg til en modelleringsoppgave i fysikk 1 eller fysikk 2. 4. Det kan vises til mange rapporter som dokumenterer at «utforskende arbeidsmåter» gir elevene både læringsutbytte og god innsikt i naturvitenskapens metoder. Men det er også de som hevder at lærerens styring kan bli for uklar i mange slike prosjekter. Diskuter disse synspunktene. 5. I kapittel 14 har vi beskrevet ulike kommunikasjonsformer i klasserommet (se figur 14.1). Se for deg at du skal undervise om gravitasjonsloven som felles gjennomgang i en klasse. Hvordan vil du planlegge bruk av ulike kommunikasjonsformer i løpet av timen? 6. Kan man med tekst uttrykke Newtons andre lov like tydelig og presist som i den matematiske formuleringen? Hva med Maxwells likninger? Kan en matematisk formulering romme all fysikken i et tema, eller må den suppleres med annen informasjon? 7. Hvor viktig er oppgaveløsing i fysikk? Diskuter grunnlaget for den sterke troen mange har på at oppgaveløsing fremmer læring i fysikk. 8. Grunnleggende ferdigheter som «å kunne lese» og «å kunne uttrykke seg muntlig og skriftlig» inngår i alle fag. Diskuter dette i lys av kapitlene om språk og læring og skriving i fysikkfaget (kapittel 14 og 15).

266 kapittel 17

William Henry Bragg gir en «juleforelesning» for barn ved the Royal Institution i London. Juleforelesningen ble innstiftet av Faraday i 1825 og har vært holdt hvert år siden. Foto: Science Photo Library / NTB scanpix

digitale ressurser for læring i fysikk 267 [start del]

DEL 5 FYSIKKFAGETS INNHOLD I denne delen vil vi gå inn på de enkelte fagområdene innen skolefysikken og se på typiske elevforestillinger, begrepsmessige utfordringer og aktuelle undervisnings strategier som læreren kan bruke. Delen dekker ikke alle temaer som er representert i læreplanen; for eksempel er statisk elektrisitet ikke omtalt. Vi har valgt å foku sere på områder der vi fra erfaring og fagdidaktisk forskning kjenner til spesielle utfordringer som fysikklærere har nytte av å kjenne til. Dette gjelder for eksempel for Newtons lover og for elektriske kretser. Denne delen er ment som en kilde som læreren kan bruke for å få ideer og inspirasjon under forberedelsene til undervisning i et tema. Læreverkenes veiledninger og nettsteder, samt ressurser som nettstedet naturfag.no og bøker som Eksperimentboka (Øgrim & Andersen, 2005) er også gode kilder å benytte i forberedelsesarbeidet.

å undervise i mekanikk 269

Kapittel 18

Å undervise i mekanikk 18.1

Elevers forståelse av mekanikk

Mekanikk er den grenen av fysikken som handler om krefter, likevekt og beve gelse. Mekanikk er ofte det første temaet elevene møter innen fysikken, og det er også et område der elevene møter store utfordringer. Samtidig er elevers forestillinger innen mekanikk et av de best beskrevne områdene innen naturfagdidaktikken, se f.eks. Duit (2009). I kapittel 8 beskrev vi typiske trekk ved elevers alternative forestillinger eller hverdagsforestillinger. Innen mekanikk ble disse gjort kjent gjennom arbeidet til bl.a. Driver og Easley (1978) og Viennot (1979), og i årene etter har utallige undersøkelser konstatert at de samme hverdagsforestillingene innen mekanikk går igjen hos elever og studenter i en rekke ulike land og på ulike utdannings nivåer – også blant universitetsstudenter i fysikk! En viktig kilde til disse forestillingene er nok at vi alle har erfaringer som tilsynelatende strider mot fysikkens beskrivelse (se eksempler i kapittel 8). Mange lærere opplever at de skjønner newtonsk mekanikk til bunns først etter å ha undervist i noen år. Klassisk mekanikk er basert på noen få enkelt formulerte lover om sammenhenger mellom krefter og bevegelse. Likevel tar det lang tid og mye fordypning å virkelig befeste sin forståelse av dette fagområdet. En annen utfordring kommer fra språket. Vi kan føle oss «fulle av krefter» en dag; vi hører om prisene på elektrisk kraft, vi kan koke suppe på kraft og vi har hørt om sentrifugalkraften som presser vasketøyet mot ytterveggen i sentrifuge trommelen. I fysikken har ordet «kraft» en snevrere og mye mer spesifikk betydning, og dette representerer en utfordring for elever som setter seg inn i mekanikk for første gang. Noe av det geniale som ble gjort under den viten skapelige revolusjon, fra Galileo til Newton, var nettopp denne presiseringen av begrepsbruk som gjorde det mulig å snakke om, beskrive, og regne på bevegelse på en mer fruktbar måte.

270 kapittel 18 Disse utfordringene – de språklige og de som kommer fra den tilsynelatende konflikten mellom praktiske hverdagserfaringer og fysikkens beskrivelse – er det viktig at læreren er oppmerksom på når hun introduserer mekanikken for elevene. En viktig utfordring for fysikklæreren er å hjelpe eleven til å bygge bro mellom hverdagens opplevelse av krefter og bevegelse og fysikkens beskrivelse. Driver et al. (1994) og Duit et al. (2007) har beskrevet mange typiske hverdagsforestillinger som elever (og studenter) kan ha angående krefter. De vanligste kan oppsummeres som følger: • • • • • • • • • • • • •

Hvis det er bevegelse, må det være en kraft. Hvis et objekt er i ro, virker ingen kraft. Når en gjenstand beveger seg, virker det en kraft i bevegelsesretningen. Et objekt i bevegelse har en iboende kraft som holder det i bevegelse. Et objekt stopper når «kraften er brukt opp». En konstant kraft fører til konstant fart. Friksjon er ikke en «ordentlig kraft», men en motstand mot bevegelse. Gjenstander i ro, eller ubevegelige gjenstander som bord og veier, utøver ikke krefter. Objekter i sirkelbevegelse opplever en sentrifugalkraft. Tyngdekraft virker bare når det er luft til stede. Vektløshet betyr fravær av tyngdekraft. Tunge ting vil alltid falle fortere enn lette.23 Det er helt naturlig og trenger ingen forklaring at ting faller nedover; ting faller «fordi vi slipper dem» eller «fordi det ikke er noe som holder dem oppe».

For å møte mange av disse forestillingene kan læreren minne om at vi faktisk lever i en verden med både gravitasjon og friksjon: I situasjoner der vi opplever å «bruke en kraft for å holde en bevegelse i gang», sørger vi i virkeligheten bare for at kraftsummen er null ved å dra med en kraft som er motsatt like stor som friksjonen. Går vi til vitenskapshistorien, ser vi at elevers forestillinger i mekanikk har fellestrekk både med Aristoteles’ beskrivelse av bevegelse og med den senere forestillingen om en «iboende kraft» – impetus – i alt som beveger seg. Ifølge impetusteorien overfører kasteren en slags kraft fra hånden til steinen, og denne «impetus» bevares inne i steinen til den er brukt opp. Det er interessant å merke 23

At tunge ting faller fortere enn lette, stemmer i mange tilfeller fra hverdagen – for eksempel faller en stein fortere enn en fjær fordi luftmotstanden er relativt veldig mye større på fjæra. På den andre siden faller en stor og en liten stein tilnærmet like fort over moderate avstander, og i tilfeller uten luftmotstand (som vi ofte behandler i fysikkoppgaver!) faller alle gjenstander like fort.

å undervise i mekanikk 271

seg at impetusbegrepet har mye til felles med dagens fysikkbegrep «bevegelsesmengde»: noe som et legeme «har med seg» i bevegelsesretningen. Måten mange elever spontant bruker ordet «kraft» på, er ofte mer lik begrepet bevegelsesmengde. Som vi har sett i kapittel 8 og 9, er elevens eksisterende forestillinger – enten disse er riktige, gale eller ufullstendige sett fra et naturvitenskapelig synspunkt – viktige utgangspunkt for videre læring. Forestillinger og erfaringer fra hverdagen er viktige springbrett til en mer presis vitenskapelig beskrivelse. Det å utfordre eller videreutvikle elevers forestillinger innen mekanikk kan gjøres på mange ulike måter; for eksempel gjennom eksperimenter og demonstrasjoner, tradisjonell tavleundervisning, grubleoppgaver, elevdiskusjoner, regneeksemp ler osv. Vi skal se på noen mulige undervisningsstrategier knyttet til erfaringsmessig krevende begreper og lover i mekanikken.

18.2 Et metodisk opplegg for å undervise krefter og Newtons lover Newtons første og andre lov. Krefter og bevegelse Newtons første lov sier at et legeme24 vil fortsette sin tilstand av ro eller rettlinjet bevegelse med konstant fart hvis summen av kreftene på legemet er null. Den kan også uttrykkes matematisk: ΣF = 0 ⇔ mv = konstant Her er det viktig å merke seg at implikasjonen går begge veier: Kraftsum lik null betyr bevegelse med konstant fart, og bevegelse med konstant fart impliserer at kraftsummen må være null. Videre er det lurt å presisere allerede tidlig i undervisningen om krefter at en kraft er en vekselvirkning som alltid involverer to legemer. Newtons første lov er, som nevnt, lite intuitiv for de fleste. Den store utford ringen ligger kanskje i å innse at ro og rettlinjet bevegelse med konstant fart er to likeverdige tilstander. Et legeme kan være i bevegelse uten at det virker krefter (tenk f.eks. på et romfartøy på reise gjennom verdensrommet, fjernt fra alle himmellegemer – eller en puck på en perfekt glatt isbane). En utfordring er at vi til daglig aldri opplever situasjoner der det ikke virker krefter. Friksjon og luftmotstand virker i alle dagligdagse situasjoner, men disse kreftene kan ofte være 24

«Legeme» er et noe gammelmodig ord som mange elever vil forbinde med en menneskekropp. Noen vil foretrekke å bruke «gjenstand».

272 kapittel 18 vanskelige å «se» eller oppleve direkte. Det kan være nyttig å presisere at en kraft kan forandre størrelsen på farten til et legeme (som når pucken etter hvert bremses opp av friksjonskraften fra isen og til slutt stopper helt), eller retningen på farten til et legeme (som når tyngdekraften fra jorda hele tiden endrer retningen på månens fart). «Hvorfor faller ikke månen ned?» er et ikke-trivielt spørsmål man trenger en del innsikt i newtonsk mekanikk for å kunne svare på. Å innse at en kraft (og en fart og en akselerasjon) alltid har en retning, er en viktig nøkkel til forståelse i mekanikk og bevegelseslære. Da blir det også lettere å forholde seg til at akselerasjonen kan peke i en annen retning enn bevegelsesretningen. Et annet spørsmål som elever kan undre seg over, er hvordan man kan kaste et eple opp i lufta mens man sykler og få eplet i hodet et brøkdels sekund senere. Hvorfor sykler man ikke fra eplet mens det er i svevet? Dette svarer til spørsmå lene som ble diskutert på Galileos tid: Hvis jorda faktisk var i bevegelse, hvordan kunne da ting som ble sluppet ned fra et høyt tårn, lande ved foten av tårnet og ikke et stykke bortenfor? Å forestille seg at eplet beveger seg med samme horisontale fart som syklisten også mens det er i svevet, strider mot manges intuisjon. Angell, Haugan og Isnes (1992) skisserte et metodisk opplegg for å undervise krefter og Newtons lover hvor det å kunne identifisere krefter er et viktig første steg mot forståelse av mekanikk. Læreren kan starte med å legge en tykk bok på et bord og tegne en figur av boka på bordplata (figur 18.1).Boka er det systemet vi ønsker å studere, og læreren markerer dette ved å gi boka en bestemt farge (f.eks. rød). Så er utfordringen til elevene (gjerne gjennom en lærerstyrt dialog i full klasse) å identifisere og tegne inn alle kreftene som virker på boka (altså systemet) som røde piler. Hver kraft skal ha et navn, og navnet skal si noe om hvilket legeme eller system kraften kommer fra, og om kraften skyver eller drar. En velegnet framgangsmåte er: 1. Identifiser «systemet». Marker «systemet» (her boka) med en bestemt farge som skiller det fra omgivelsene 2. Identifiser kreftene som virker. Hvilke krefter virker der «systemet» (her boka) er i kontakt25 med omgivelsene? Hvilke fjernkrefter virker? (tyngdekraft, magnetisk kraft, … ). Er det flere krefter som virker?

I skolefysikken snakker vi ofte om kontaktkrefter der makroskopiske objekter er i kontakt med hverandre, og fjernkrefter som gravitasjon og elektromagnetiske krefter som virker på avstand. Dette skillet forsvinner imidlertid på mikronivå, siden kontaktkrefter mellom legemer er elektromagnetiske i natur.

å undervise i mekanikk 273

3. Tegn piler som illustrerer kreftene. Tegn piler i samme farge som «systemet» er tegnet. Hvilke retninger har kreftene? Er noen krefter større enn andre? Jo større kraft, jo lengre pil. 4. Gi kreftene navn. Gi navn etter hvor kraften kommer fra (for eksempel «jord-drag» eller «bord-skyv»). I vårt tilfelle (figur 18.1) har vi to krefter; jord-drag og bord-skyv, og siden systemet (boka) er i ro, må summen av kreftene være lik null. Vi tegner altså de to pilene like lange. For noen elever vil kraften oppover fra bordet på boka stride mot en hverdagsforestilling. Her kan læreren utfordre elevene til å gi sine forklaringer og motforestillinger, og deretter utfordre dem til å gi argumenter som støtter ideen om at det bør være én kraftpil nedover og én oppover. Her kan det være til hjelp å legge boka på en tynn planke som bøyes når vi legger boka på den, og spørre elevene hva som gjør at planken bøyes nedover – og hva som gjør at planke og bok kommer til ro i en ny posisjon, der planken forblir nedbøyd. Dette kan gjøre det lettere å innse at det kan virke krefter selv der det ikke er bevegelse. En annen enkel erfaring elevene kan gjøre, er å legge en bok i en flat og utstrakt håndflate (i ro) og vurdere om de ikke bruker en kraft fra hånden på boka for at den ikke skal falle ned. Hvis elevene ikke blir overbevist, kan læreren legge en bok til oppå den andre og be elevene vurdere på nytt.

Bord-skyv

Jord-drag Figur 18.1 Boka på bordet er vårt system. Tyngdekraften (jord-draget) angriper midt i boka og drar den nedover, mens normalkraften fra bordet (bord-skyv) angriper langs hele bokas underside og presser den oppover.

274 kapittel 18 Bord-skyv Hånd-drag

Bord-drag

Jord-drag Figur 18.2 Vi drar boka over bordet med jevn fart. Det er nå fire krefter som virker på boka: jord-drag og bord-skyv (motsatt like store) og hånd-drag og bord-drag (motsatt like store).

Vi kan gå videre til å ta tak i permen på boka og dra den med konstant fart bortover bordet (figur 18.2). Da er det to nye krefter som virker på boka: hånddrag og bord-drag (friksjon), og elevene får igjen spørsmål om størrelsen på kreftene (så lenge boka beveger seg med jevn fart over bordet, er disse to like store). Det er fortsatt boka som er systemet vårt, og alle krefter som virker på systemet, er røde. Til slutt kan vi gi boka en dytt slik at den sklir et stykke bortover bordet før den stanser. Vi ser på systemet «boka» mens den sklir, og elevene får igjen spørsmålet om hvilke krefter som virker, og hvilke størrelser de har. Nå er det tre krefter som virker på systemet: jord-draget og bord-skyvet i vertikalretningen, og borddraget (friksjonen), som virker i horisontalretningen og i motsatt retning av bokas bevegelse. Kraftsummen i horisontalretningen er forskjellig fra null, og boka akselererer. Newtons andre lov sier at ΣF = ma. Akselerasjonen blir negativ fordi ΣF er negativ (med positiv retning i bokas bevegelsesretning). Det vil si at farten minker. Det kan være viktig å understreke at summen av kreftene på et legeme alltid har samme retning som – og er proporsjonal med – forandringen i farten (akselerasjonen). Proporsjonalitetsfaktoren er legemets masse. Her har vi valgt konsekvent å bruke termene «skyv» og «drag» for krefter. Ikke alle elever (eller lærere) vil synes at dette er en naturlig terminologi. For eksempel er et uttrykk som «bord-drag» ganske fremmedartet og kan tenkes å skape forestillinger om at bordet «aktivt» drar i boka. Noen vil foretrekke å bruke de noe lengre termene «kraft på bok fra bord», «kraft på jord fra bok» osv. – her kommer det klart fram hvilket legeme kraften virker på, og hvilket legeme som gir opphav til kraften. Da blir det også enklere (se nedenfor) å se hva som er motkraften til hver av kreftene vi introduserer.

å undervise i mekanikk 275

Disse aktivitetene kan virke banale, men vi mener at det er viktig at de faktisk blir gjennomført. Spesielt skal vi være nøye med figurene – det må gå tydelig fram hva som er systemet vårt, hvilke krefter som virker på det, og hvor kreftene kommer fra. Å etablere gode vaner for å tegne figurer med krefter (og med konsistent bruk av farger) er verdifullt for elevene når de skal videre til mer komplekse situasjoner i mekanikken. Hele tiden kan læreren bruke de fire punktene i framgangsmåten beskrevet over for å skape refleksjon og dialog mellom elevene om krefter og hvordan de virker. I Fysikk 2 kan det være nyttig å arbeide med Newtons andre lov også på formen ΣF ⋅t = Δmv for å knytte forbindelsen til begrepet bevegelsesmengde: En kraft som virker over en viss tid, gir opphav til en endring i bevegelsesmengde.

Newtons tredje lov: Kraft og motkraft Newtons tredje lov handler om vekselvirkningen mellom to legemer eller systemer. En instruktiv parafrase over Newtons tredje lov er at «du kan ikke berøre uten å bli berørt». Vi kan bruke eksempelet vårt med boka på bordet og gå videre til å tegne inn motkreftene til de kreftene vi tegnet i forrige avsnitt. Vi minner om Bord-skyv

Bok-skyv

Jord-drag

Bok-drag

Figur 18.3 Vi ser på boka som ligger i ro på bordet, og tegner inn krefter på systemet (boka) med rødt og motkreftene til disse med blått.

276 kapittel 18 at kraft og motkraft alltid er like store og motsatt rettet, og at de virker på hvert sitt legeme. For å få med alle motkreftene må vi nå ta med selve jordkloden på figuren vår (figur 18.3). Jordkloden blir påvirket av gravitasjonen fra boka, bok-draget, som angriper i jordas sentrum. Bordet utsettes for et bok-skyv, som er motkraften til bord-skyvet på boka. Bok-skyvet og bok-draget tegner vi blå, siden de er motkrefter til kreftene som virker på vårt røde system (boka), og dermed virker på andre legemer. Det er helt vesentlig å få fram at Newtons første og andre lov handler om kreftene som virker på ett legeme eller system, mens den tredje loven handler om en vekselvirkning mellom to legemer eller systemer. Derfor har vi på figurene 18.1–18.3 vært så nøye med å gi én farge (her: rød) til systemet vårt og alle kreftene som virker på det, og en annen farge (her: blå) til motkreftene som virker på legemer eller systemer i omgivelsene. Et interessant eksempel er en tautrekkingskonkurranse mellom to lag. Hvordan kan det ene laget vinne når kraften det ene laget trekker med, er lik motkraften fra det andre laget (via tauet) hele tiden? Her gjelder det å se på hvert lag som et system, og se på kreftene på dette laget. Kraften på føttene til laget fra bakken (bakke-skyvet) er avgjørende; det laget som får størst kraft her, vinner. Tenk bare på hvordan konkurransen ville arte seg dersom et lag av muskelbunter som sto på glatt is, trakk tau med et lag av «spjælinger» som sto på asfalt!

Gravitasjon: Når virker den, og hva er vektløshet? Gravitasjon og vektløshet er også temaer som vekker undring og ofte er krevende for elever. I dagliglivet snakker vi om vekt, masse og tyngde som omtrent samme sak – vi måler alle tre i kg og finner verdien ved å stille oss på badevekta. I fysikken kan vi si at massen er «hvor mye stoff du består av» (målt i kg), tyngden er den kraften som jorda tiltrekker deg med (målt i N), mens vekten er utslaget på badevekta (også i N). Romfarere i et romskip, eller en person som hopper fra 10-meter’n, er vektløse, men ikke tyngdeløse. Vektløshet er altså et «lure-begrep». Det kan høres ut som en tilstand der tyngdekraften ikke virker, mens det oftest betyr omtrent det motsatte, nemlig en situasjon der bare tyngdekraften virker! Det du kjenner som et trykk under fotsålene når du står stille på gulvet, er normalkraften fra gulvet (gulv-skyvet). Det er denne kraften som gjør at du «kjenner din egen tyngde». Henger du etter armene i et tau, vil vekten din være lik snordraget. Vi «føler oss» vektløse – i den forstand at vi ikke kjenner vår egen tyngde – nettopp i situasjoner der bare tyngdekraften virker og det ikke er noen kraft fra underlaget eller fra et tau en henger i.

å undervise i mekanikk 277

18.3 Diagnostiske oppgaver i mekanikk Konkrete eksempler eller oppgaver er ofte gode utgangspunkter for å hjelpe elevene til å bli klar over sin egen forståelse og til å uttrykke forståelsen gjennom ord eller formeluttrykk. Dette kan videre være gull verdt for læreren, som dermed får innblikk i elevenes tankegang, og dermed får et utgangspunkt for å legge opp den videre undervisningen. Slik bruk av oppgaver kalles diagnostisk. Figuren viser en ball spretterpå pågulvet. gulvet. Vi ser tstanden. Figuren viser banen til banen en balltilsom harsom sprettet serbort bortfrafralu˜mo luftmotstanden. R P

Tegn piler som viser retningen til akselerasjonen som ballen har ved punktene P, Q og R. Tegn piler som viser retningen til akselerasjonen som ballen har ved punktene P, Q og R. Figur 18.4 Diagnostisk oppgave der fart og akselerasjon har ulik retning. Her peker akselerasjonen rett nedover i alle punkter, mens farten i hvert punkt er tangent til banen. Et hyppig feilsvar fra elever på denne oppgaven er at akselerasjonen tegnes med samme retning som farten i punktene P og Q, eller at akselerasjonen peker rett nedover i P og rett oppover i Q.

Oppgaven i figur 18.4 kan få elevene til å reflektere over begrepene fart og akselera sjon (og krefter). Problemstillingen i denne oppgaven er velkjent, og varianter av den har vært prøvd ut blant elever i Norge og mange andre land tidligere. Når det gjelder flere av feilsvarene, kan vi tolke dem som en form for aristo telisk tenkning eller impetustenkning. Elever tenker seg at akselerasjonen peker nedover når ballen faller mot gulvet, og at den peker oppover etter at ballen har sprettet mot gulvet og er på vei oppover igjen. At akselerasjonen peker nedover når ballen faller nedover, er naturlig og trenger ingen forklaring. Impetustenkningen, og dermed alternative forestillinger, kommer først fram når en skal forklare hvordan ballen kan bevege seg oppover, altså mot gravitasjonen. Ifølge «impetusteorien» er det en iboende «kraft» eller «bevegelse» i ballen når den beveger seg oppover, som den har fått fra støtet mot gulvet. Denne «bevegelsen» avtar gradvis, og når ballen når toppunktet av banen, tar gravitasjonen over igjen. Her kan læreren spørre om elevene tenker at det er slik at gravitasjonskraften først «slås på» når ballen er på toppen av banen? Det finnes mange samlinger av oppgaver innen mekanikk som er nøye gjennomtenkt og utprøvd nettopp for å avdekke elevers og studenters forståelse av sentrale begreper og prinsipper innen mekanikken. TIMSS-undersøkelsen har frigitt

278 kapittel 18 B

En kjelke glir nedover en bakke som er en del av vertikal sirkelbane. befinner segav en Enen kjelke glir nedover en Kjelken bakke som er en del vertikal sirkelbane. for øyeblikket i et område med litt sand, slik at farten er avtakende. Tegn en figur og kommenter Kjelken befinner seg for øyeblikket i et område med kreftene Det være et rimelig litt sand, på slikkjelken. at farten er bør avtakende. størrelsesforhold mellom kraftpilene du tegner. Tegn en figur og kommenter kre°ene på kjelken.

Det bør være et rimelig størrelsesforhold mellom kra°pi lene du tegner. Figur 18.5 Figuren viser svar på oppgaven om krefter på en kjelke som glir nedover med avta kende fart. Det er viktig å merke seg at N > GN fordi banen er en del av en sirkel, og at R > GP på grunn av friksjonen.

G˜ G° G

en rekke oppgaver gjennom sine publikasjoner (Angell et al., 1999; Lie et al., 2010). Andre eksempler på velprøvde tester for å undersøke elevers og studenters mekanikkforståelse er Force Concept Inventory (Hestenes, Wells & Swackhamer, 1992). Tidligere eksamensoppgaver i fysikk er også interessante å bruke. En oppgave som viser hvordan vi kan bruke vektornotasjonen aktivt for å få elevene til å resonnere omkring krefter, er vist i figur 18.5. I denne oppgaven, der kjelken beveger seg på en del av en sirkelbane, er det mange elever som tegner inn en netto kraft i bevegelsesretningen. Videre vil noen elever tegne inn sentripetalkraften som en egen kraft i tillegg til gravitasjonen og kraften fra bakken. Mange elever innser ikke at det egentlig bare er to krefter som virker her, nemlig gravitasjonen (jord-draget, G på figuren) og kraften fra underlaget (bakke-skyvet, B på figuren). Det vi kaller normalkraft og friksjon, er egentlig komponenter av bakke-skyvet, på samme måte som GN og GP er komponenter av jord-draget. Oppgaver av denne typen krever en dyptgående forståelse av kraftbegrepet og en forståelse for vektornotasjonen. De faller altså langt vanskeligere for de fleste elever enn mer regnetekniske oppgaver. For noen elever kan det være oppklarende å tegne inn summen av kreftene som en egen vektorpil med en egen farge – for å unngå sammenblanding med de enkelte kreftene som virker, og for å finne retningen på akselerasjonen. I kapittel 14 skrev vi om hvordan samtale, det å sette ord på sin forståelse i en utveksling med andre, er essensielt i en læringsprosess. Mortimer og Scott (2003, s. 22) sa det så sterkt:

å undervise i mekanikk 279

We believe that talk provides the principal means by which student ideas and understanding can be probed and worked on by the teacher, in supporting meaning making and internalization. Mortimer & Scott, 2003, s. 22

Å la elever diskutere mekanikkoppgaver i grupper kan være en verdifull strategi. Force Concept Inventory er utviklet mest med tanke på fysikkelever og -studenter. Det finnes tilsvarende oppgaver som passer bedre innen fysikkdelen av naturfaget, men som også kan være nyttige i fysikklasser i noen sammenhenger. Blant disse finner vi «grubletegninger», som den på figur 18.6. Slike tegninger finnes innen de fleste fagområder i naturfaget, og de er tilgjengelige (med faglige kommentarer) via nettstedet naturfag.no.

Grubletegning Grubletegning

Rullebrett Rullebrett Det må virke en kraft som

Det er bare friksjonen som

holder henne i bevegelse

virker

Hvis det ikke er friksjon, vil

Siden hun ikke skyver ifra,

bevegelsen fortsette

virker ingen krefter

Hva mener du?

Figur 18.6 Grubletegninger kan være et fint utgangspunkt for elevdiskusjoner, også i mekanikk. Tegningene er tilgjengelige via nettstedet naturfag.no. På denne tegningen er situasjonen mer kompleks enn det ser ut ved første blikk. Her er det jo friksjonen som er ansvarlig både for at brettet ruller (i stedet for å gli), og for at det kommer til å stoppe etter en stund. Hentet fra naturfag.no. © Millgate House Education, oversatt av Naturfagsenteret.

280 kapittel 18

18.4 Instruktive eksperimenter og demonstrasjoner i mekanikk Eksperimenter og demonstrasjoner bør være en naturlig del av fysikkunder visningen på alle nivåer (se kapittel 11),og i mekanikk er det mange gode forsøk å ta av! Læreverkene har selvsagt en del forslag til forsøk i sine bøker og på nettsidene. Her er noen enkle demonstrasjoner som kan gjennomføres i klasserommet, og som kan gi elevene en «følelse» av krefter og Newtons lover: • La en elev sitte i en kontorstol med hjul, en annen dytter i gang, en tredje dytter for å få stolen til å endre retning, en fjerde stopper stolen. Kan de som dyttet stolen, kjenne at de også ble dyttet på? (Newtons 3. lov) • La en elev prøve å dytte kontorstolen forsiktig i gang og skyve den sakte over gulvet mens en annen sitter stille oppi. Kan den som dytter, kjenne at det krever krefter å få stolen til å starte å rulle over gulvet, mens det krever lite krefter å holde den i gang (man må bare motvirke friksjonen? (Newtons 1.lov) • La to elever sitte i hver sin kontorstol med hjul med beina trukket opp slik at de ikke berører gulvet. Den ene eleven dytter på den andre. Hva skjer? Begge stolene begynner å rulle! Kraft er lik motkraft. (Newtons 3. lov) Dette forsøket virker også bra på rulleskøyter eller på skøytebanen. • For riktig å overbevise seg om at kraft og motkraft alltid er motsatt like store – til og med når legemene de virker på, er i akselerert bevegelse – kan man koble to kraftsensorer til en datalogger, stille den ene på å gi positive verdier for «skyv» og den andre positive verdier for «drag», og så holde én kraftsensor i hver hånd mens man vekselvis skyver dem mot hverandre og trekker dem fra hverandre – gjerne mens man beveger sensorene i ulike retninger. På skjermen vil det komme fram kurver som til enhver tid er perfekte speilbilder av hverandre! • Noen elever vil anta at tyngdekraften alltid er lik normalkraften, men dette stemmer bare i situasjoner uten akselerasjon. Dette kan vi illustrere ved å stå på en badevekt i en heis som starter, eller med en datalogger med kraftplate. En elev som tar sats mot kraftplata og gjør et hopp, vil ha en normalkraft fra underlaget (målet av kraftplata) som varierer gjennom de ulike delene av satsen (og tilsvarende ved landing). • La elevene «føle» kreftene mellom to magneter, både tiltrekkende og fra støtende krefter. La dem tegne kreftene i hver situasjon. La deretter en magnet virke på en binders eller en spiker. Tegn kreftene i denne situasjonen. • For å vise at krefter ikke bare kan endre bevegelsestilstanden til et legeme, men også deformere et legeme, kan vi la elevene bruke krefter på en plastilina

å undervise i mekanikk 281

klump, på en gummistrikk, på en binders slik at den rettes ut eller på en plastlinjal slik at den bøyer seg. En nyttig introduksjon til rettlinjet bevegelse, som også tar i bruk flere representasjonsformer (se avsnitt 8.2), er å studere bevegelse med jevn fart og med jevn akselerasjon. Vi kan f.eks. bruke en datalogger med bevegelsessensor. Sensoren beregner avstanden til objektet, og ut fra dette kan loggeren også beregne farten og akselerasjonen til et objekt i bevegelse. Start gjerne med å la elever bevege seg i forhold til sensoren mens posisjons- og eventuelt fartsgrafen tegnes opp på skjermen i sanntid. Etter hvert kan elevene bli utfordret til å gå slik at for eksempel fart‒tid-grafen blir en rett, stigende linje. Da må elevene gjerne tenke seg litt om, og kanskje revurdere sin tenkning etter å ha sett den resulterende grafen. Videre kan man studere for eksempel en lekebil som beveger seg med jevn fart, en vogn som ruller ned et skråplan, osv. (se figur 18.7). Ved å sammenholde posisjons-, farts- og akselerasjonsmålinger har vi et utmerket utgangspunkt for å diskutere bevegelseslikningene og relatere dem til formen på grafene og sammenhengen mellom de tre grafene. Liknende øvinger kan gjøres ved å bruke innebygde sensorer i mobiltelefoner. For å trene elevene i å bruke derivasjon og integralregning i beregninger med strekning, fart og akselerasjon kan man, i stedet for å bruke fartsgrafen fra dataloggeren som i figur 18.7, tilpasse en annengradsfunksjon til posisjonsgrafen og derivere denne to ganger for å bestemme akselerasjonen. Elevene kan også knytte den tilpassede annengradsfunksjonen til bevegelseslikningene og bruke dette til å bestemme akselerasjonen. Videre kan de se på arealet under fartsgrafen og sammenholde dette med sluttposisjonen. Merk at akselerasjonsgrafen fra vanlige dataloggere som regel blir ganske ujevn; dette skyldes i stor grad algoritmen som systemet bruker for å bestemme akselerasjon ut fra posisjonsmålinger. Oftest er det bedre å bruke stigningstallet til fartsgrafen til å bestemme akselerasjon. Dette forsøket kan også utvides ved å studere baller av ulike størrelser og materialer som faller fritt. (Får de samme akselerasjon? Hvilken?) Det er også mulig å studere sammenhengen mellom den potensielle energien til en vogn på toppen av skråplanet med den kinetiske energien vogna har ved bunnen av skråplanet. Merk at vi i slike sammenhenger i skolefysikken gjerne underslår det faktum at ikke all den potensielle energien går til å gi vogna translatorisk kinetisk energi (relatert til vognas lineære bevegelse nedover skråplanet); noen få prosent av energien går over til rotasjonskinetisk energi i hjulene.

282 kapittel 18 I tillegg tapes selvsagt en del energi til omgivelsene gjennom friksjon. Det er altså ikke noen grunn til å forvente at all den potensielle energien ved toppen kan gjenfinnes som kinetisk energi ved bunnen av banen. 0,7

Posisjon (m)

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

Fart (m/s)

0,4

0,3

0,2

0,1

Akselerasjon (m/s2)

1,0

0,5

0,0

–0,5 0,0

0,82

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

Tid (s) Figur 18.7 Grafer fra en datalogger med bevegelsessensor som måler posisjonen, farten og akselerasjonen til en vogn som ruller nedover et skråplan. Alle tre kurver har samme tidsakse, og vi kan utfordre elevene til å forklare sammenhengen mellom de tre grafene.

å undervise i elektromagnetisme 283

Kapittel 19

Å undervise i elektromagnetisme 19.1

Elevers forståelse av elektriske kretser og sentrale begreper i el-lære

Mens mekanikk kan by på undervisningsmessige utfordringer nettopp fordi elevene har hverdagserfaringer som tilsynelatende strider mot fysikkens beskrivelse, dreier elektrisitet seg om fenomener som er mindre håndgripelige, og som elevene stort sett har mindre erfaring med. Imidlertid er språket også her en kilde til hverdagsforestillinger: Vi snakker om å bruke strøm (mens fysikken sier at strømmen i en krets ikke blir brukt opp, men er den samme alle steder i en enkel krets), og vi «betaler strømregningen», ikke energiregningen. En del erfaringer fra hverdagslivet bidrar også til hverdagsforestillinger innen elektrisitetslære, se også kapittel 8 om elevers forestillinger. Akkurat som i mekanikk er det utført en rekke studier for å kartlegge elevers forestillinger innen elektrisitetslære og elektromagnetisme. Vi skal se på de vanligste her, og i avsnittene 19.2–19.4 foreslå noen strategier og aktiviteter som læreren kan bruke for å møte disse forestillingene hos elevene og hjelpe dem til å bygge opp en mer komplett fysisk forståelse av begreper som strøm, spenning, elektrisk energi osv. Beskrivelsene nedenfor relaterer seg stort sett til enkle, elektriske likestrømskretser, som gjerne er sentrale i den grunnleggende undervisningen i elektrisitetslære og for den videre begrepsbyggingen.

Strøm, spenning og energi I fysikken kan man forklare at det oppstår strøm i en leder enten ved at det finnes et elektrisk felt i lederen, eller at det er en potensialforskjell (spenning) mellom punkter i lederen. Ladning, spenning og feltstyrke er mer primære begreper enn strøm. En spenning eller et elektrisk felt kan eksistere uten at det finnes strøm. For mange elever er imidlertid strøm det primære begrepet. Elev-

284 kapittel 19 ene ser gjerne på spenning som en egenskap hos, eller en konsekvens av, strøm. Elevenes strømbegrep har mye til felles med fysikkens energibegrep; de tenker seg at strøm kan lagres, transporteres og omdannes, og at den kan forbrukes på tilsvarende måte som olje eller bensin. Til tross for at mye tid legges ned i å undervise om spenning, er det mange som ikke forstår spenningens sentrale rolle. En vanlig strategi er å forklare at kildens (f.eks. batteriets) rolle ikke bare er å avgi energi, men samtidig å «skyve på ladninger». Kilden gjør et arbeid når den driver elektronene rundt i kretsen. Det totale arbeidet i kretsen er avhengig av hvor mye ladning som blir flyttet. Men arbeidet per ladning er det samme enten vi flytter mye eller lite ladning, og det er dette vi kaller spenningen. En analogi er masse som faller i tyngdefeltet. Når en stein faller ned en høyde h, utfører tyngdekraften arbeidet W = mgh. Arbeidet per masse som tyngdekraften utfører, er W/m = gh. På tilsvarende vis utfører elektriske krefter i en krets et arbeid per elektrisk ladning, og det er altså dette vi kaller spenning, U = W/q. Det kan også være nyttig å presisere at et elektrisk felt er et område av rommet der det virker krefter på elektriske ladninger. En ladning (for eksempel et elektron) som befinner seg i et elektrisk felt, vil altså bli «dratt» i, på samme måte som en gjenstand med masse «dras» i et tyngdefelt. Noe av det mange elever husker fra elektrisitetsundervisningen, er nok Ohms lov, U = R ∙ I. Vi vil imidlertid argumentere for at en annen enkel sammenheng er vel så viktig for mange praktiske formål, nemlig sammenhengen mellom spenning, strøm og effekt, P = U ∙ I. Det er denne sammenhengen som gjør oss i stand til å regne på energiomsetningen i en krets.

Strømforbrukstenkning Når det gjelder elektriske kretser, resonnerer elever ofte med hjelp av såkalt forbrukstenkning. Den som ser på et vanlig elektrisk apparat, vil raskt observere at det går én ledning til apparatet. Det er nærliggende å tenke seg at det overføres noe fra uttaket i veggen gjennom ledningen til apparatet. Om man i tillegg lytter til og tenker igjennom ulike uttrykk i det daglige språket, forstår man at dette «noe» er strøm eller elektrisitet og at det forbrukes. En elev som tenker i en strømforbruksmodell, vil forestille seg at strømuttaket i veggen er en kilde til strøm på samme måte som et batteri, og at f.eks. en lampe som vi kobler til, vil forbruke strømmen helt eller delvis. Begrepet spenning, som forklarer hvorfor en strøm settes i gang, synes det ikke å være behov for i denne teorien. Det er like naturlig for batterier å avgi strøm som det er for vann å renne ut av en flaske om betingelsene er de rette. Det naturlige behøver ingen nærmere forklaring.

å undervise i elektromagnetisme 285

Lyser

Lyser ikke

Figur 19.1 Lyser lampa?

La oss nå se på hvordan elever vil resonnere om enkle likestrømskretser når de bruker forbrukstenkning. Hvordan skal man koble en lyspære til et batteri slik at den lyser? Figur 19.1 viser noen aktuelle muligheter. Mange elever tror at skrugjengene på lyspæra kun er til for å skru pæra fast i holderen; de vet ikke at gjengene er ett av pæras to tilkoblingspunkter. Selv om en elev har lært seg at et batteri har to poler, og at strømmen går rundt i kretsen, kan han eller hun likevel anvende forbrukstenkning. Dersom flere identiske pærer kobles i serie, slik som i figur 19.2, kan forbrukstenkning lede fram til ideen om at lampe 1 forbruker strøm. Lampe 2 får da mindre strøm og lyser svakere, mens lampe 3 lyser enda svakere. Dette forsøket kan utvides ved å koble inn et amperemeter på ulike steder i kretsen for å se om strømmen varierer gjennom kretsen.

1 Figur 19.2 Tre pærer i serie.

286 kapittel 19 For parallellkobling kan elever gjøre tilsvarende antakelser: På figur 19.3 vil de to pærene ifølge strømforbrukstankegangen lyse svakere enn om det bare hadde vært én pære tilkoblet (pærene antas å være like). Mange elever mener at et gitt batteri alltid og uavhengig av hvordan kretsen ser ut, gir fra seg samme mengde strøm. Er det to lamper, må de «dele på strømmen». Fra fysikken vet vi derimot at batteriet alltid leverer (omtrent) samme spenning, men at batteriet vil bli raskere utladet med to pærer i parallell enn med én pære. Alle disse kretsene er lette å koble opp i klasserommet, slik at elever kan gjøre prediksjoner, utføre Figur 19.3 To pærer i parallell. forsøket og deretter diskutere resultatet. Blant de spørsmålene som gjerne kommer opp når elevene skal koble kretser, er om det har betydning hvilken side av lyspæra, amperemeteret osv. som kobles til hvilken pol/utgang på batteriet eller spenningskilden. Et godt svar kan da være: «Prøv!» I figurene og i teksten her har vi brukt lommelyktpærer med glødetråd. Som vi vet, skal glødelamper ikke lenger brukes i vanlig belysning. Moderne sparepærer, og i særdeleshet LED-pærer, er i ferd med å overta. Det finnes nå LEDlommelyktpærer med akkurat samme skrugjenger som på glødepærene vi til nå har brukt i laboratoriet. De er gjerne beregnet for 12 V, men fungerer utmerket også med 9 V-batteri. Dette fungerer i praksis akkurat som glødepærene, men strømmen i kretsene blir mindre enn vi er vant til. I en krets med én LED-pære og et 9 V-batteri vil det gå en strøm på ca. 0,01A. Til sammenlikning vil en typisk glødepære i en lommelykt beregnet for 4,5 V ha en strøm på 0, 2 A til 0,3 A. Det er altså betydelig mindre strøm som går gjennom en slik moderne LED-pære, og vi får like mye lys med mindre strøm enn i en glødepære, siden store deler av energien i en glødepære avgis i form av varme. Det kan være verdt å merke seg at hvis vi kobler to like LED-pærer i serie til 9 V-batteriet, vil strømmen reduseres betydelig mer enn til halvparten (som en kanskje kunne tro). Det kommer av at sammenhengen mellom strøm og spenning for en diode er langt fra lineær. Strøm‒spennings-karakteristikken for en diode følger derimot en eksponentialfunksjon. Hvis vi kobler to av våre LED-pærer i serie, vil strømmen bli omtrent 0,002 A gjennom de to. Det betyr også at resistansen i kretsen har økt til mye mer enn det dobbelte.

å undervise i elektromagnetisme 287

Sekvenstenkning Når en pære kobles med et par ledninger til et batteri, oppstår umiddelbart et elektrisk felt i ledningene. Ledningselektronene i hele kretsen vil «kjenne» det elektriske feltet og begynne å bevege seg samtidig – det oppstår en strøm. I en elektrisk krets vil en forandring ett sted umiddelbart merkes i hele kretsen. Dette innebærer at vi må betrakte hele systemet for å kunne forutsi og forstå hva som hender når vi gjør en lokal forandring. Mange elever resonnerer derimot ut fra sekvenstenkning: De tenker seg at strømmen påvirkes i tur og orden av de kretselementene (f.eks. lyspærer eller motstander) den passerer. Med andre ord mener disse elevene at en forandring på ett sted i kretsen får konsekvenser «nedstrøms», men ikke «oppstrøms». Oppgaven i figur 19.4 er egnet til å utfordre sekvenstenkning. Den kan også enkelt utføres som forsøk i fysikktimen.

R1 og R2 er to motstander som kan varieres. A Hvis R1 blir mindre, kommer lysstyrken i pæra til å øke, minke eller være uforandret? Forklar hvordan du tenkte! B Hvis R2 blir mindre, kommer lysstyrken i pæra til å øke, minke eller være uforandret? Forklar hvordan du tenkte! C Hvis R1 blir større, kommer lysstyrken i pæra til å øke, minke eller være uforandret? Forklar hvordan du tenkte! D Hvis R2 blir større, kommer lysstyrken i pæra til å øke, minke eller være uforandret? Forklar hvordan du tenkte!

Figur 19.4 Oppgave som utfordrer sekvenstenkning.

288 kapittel 19

19.2 Diagnostiske tester og oppgaver med enkle elektriske kretser Det finnes en god del diagnostiske oppgaver (både teoretiske og praktiske) som er velegnet til å avdekke og utfordre elevers hverdagsforestillinger om elektriske kretser. Noen er allerede presentert i forrige avsnitt; her presenterer vi noen flere slike. De kan brukes både til formativ og summativ vurdering (se kapittel 26), i kombinasjon med eksperimenter i klasserommet, og som grunnlag for diskusjon mellom elever. En nyttig oppgave i denne sammenheng er oppgaven gjengitt i figur 8.1 i kapittel 8. En liknende oppgave er «Lyser lampa?» i figur 19.1.Disse oppgavene er selvsagt svært enkle, men det viser seg likevel at i noen fysikkgrupper kan det være nødvendig å starte på dette nivået. Det er også en del enkle eksperimenter som kan utføres med et batteri, noen ledninger, noen lyspærer og et par multimetre, og som er nyttige både som tester av elevforståelse og som læringsaktiviteter der elevene kan sette opp hypoteser og prøve dem ut i praksis. Siden elektrisitet er et tema der vi vet at gutter gjennomgående har flere praktiske erfaringer enn jentene, er det spesielt viktig at

Seriekobling: Koble opp kretsen som på ÿguren. Bytt om ledningene som går fra polene til batteriet, og undersøk om pærene lyser like kra° ig. Skru ut den ene pæra. Hva skjer? Hvorfor?

Parallellkobling: Koble opp kretsen som på ÿguren. Spenningskilden kobles inn til slutt. Skru ut den øverste pæra. Hva skjer? Skru den inn igjen, og skru ut den nederste pæra. Hva skjer? Skru den inn igjen. Hold en ekstra ledning mellom kontaktpunktene til den ene lampa et kort øyeblikk. Hva skjer? Hvorfor er det viktig å ha ledningen koblet inn bare et kort øyeblikk?

Serie- og parallellkobling: Koble opp kretsen som på ÿguren. Skru ut hver av lampene etter tur, og skru den inn igjen før du skrur ut den neste. Kan du forutsi – og forklare – hva som skjer i hvert tilfelle?

d Amperemeter og voltmeter: Koble opp kretsen som på ÿguren, og lesåavutforske voltmeteret og amperemeteret. Bytt ut amperemeteret med Figur 19.5 Velegnede forsøk for elektriske kretser. ei lommelyktpære. Hva skjer? A V

å undervise i elektromagnetisme 289

jentene får gjennomføre slike praktiske forsøk for å opparbeide erfaring og selvtillit knyttet til elektriske kretser. Noen eksempler på velegnede oppgaver er gjengitt i figur 19.5. Disse kan utvides ved å spørre hva som skjer om man bytter ut én av lampene med en lampe beregnet for å gi en annen effekt. Merk at elever ofte finner det vanskelig å «oversette» kretsdiagrammer som dem på figur 19.5 til reelle, oppkoblede kretser. Det kan være nyttig å øve på denne «oversettingen» med litt ulike varianter av kretser. For eksempel er det ikke nødvendig i praktisk oppkobling å sette inn forgreiningspunkter mellom batteriet og lyspærene i figur 19.5 b, slik kretsdiagrammet kan gi inntrykk av. Det holder å koble den ene pæra til batteripolene og deretter koble inn den andre pæra i parallell. En tommelfingerregel er at hvis vi antar at ledningene har tilnærmet null resistans, kan alle punkter i kretsen som bare er forbundet med ledning, betraktes som «samme punkt» (de er på samme potensial). En annen ting å merke seg er at lommelyktpærer med glødetråd, som fortsatt er vanlige i fysikk- og naturfagrom på skoler, ikke er helt ohmske – dvs. at strømmen ikke går ned til det halve hvis man går fra én pære til to pærer i serie koblet til et batteri. Den følgende oppgaven (figur 19.6) kan kanskje være utfordrende for noen, men den kan i alle fall være et godt utgangspunkt for en diskusjon i klassen.

Tre ulike lommelyktpærer (I, II og III) skal kobles i serie med et 9 V-batteri. Pærene er påstemplet følgende verdier (merk at de påstemplede verdiene gjelder når pærene er koblet opp alene eller i parallell, slik det er i ei lommelykt – ikke i serie, som her!): I: 6 V / 0,3 W II: 3,5 V / 0,2 A III: 3,8 V / 0,3 A FØR dere kobler opp kretsen, lag én eller flere begrunnede hypoteser om hva som vil skje: Vil alle pærene lyse, eller bare én eller to, eller ingen? Vil de lyse omtrent like sterkt, eller vil noen lyse svakere? Bruk sammenhengene fra elektrisitetslæren til å gjøre nødvendige beregninger og forklare det dere observerer.

Figur 19.6 Tre pærer i serie.

3,8 V / 0,3 A

6 V / 0,3 A

3,5 V / 0,2 A

290 kapittel 19

15 V

Amperemeter A

I den elektriske kretsen til høyre er bryteren S åpen.

Hvordan går det med amperemeter- og voltmeterutslagene når bryteren S blir lukket?

4˜

Bryter S (åpen)

3˜

A Amperemeterutslaget øker, voltmeterutslaget avtar. B Amperemeterutslaget avtar, voltmeterutslaget øker.

2˜

C Amperemeterutslaget øker, voltmeterutslaget øker. D Amperemeterutslaget avtar, voltmeterutslaget avtar.

V Voltmeter

Figur 19.7 Oppgave fra TIMSS Advanced 2008 (Basert på Lie et al., 2010).

Det er sikkert flere kombinasjoner av pærer som kan brukes, men poenget her er at bare én pære lyser. Pæra beregnet for 6 V trenger betydelig mindre strøm enn de andre for å lyse normalt. Eller sagt på en annen måte, den har størst resistans. Som sagt, det noe overraskende resultatet av forsøket kan være et godt utgangspunkt for en diskusjon i klassen om de helt grunnleggende begrepene og fenomenene knyttet til elektriske kretser. Ved å bruke sentrale sammenhenger i elektrisitetslære (U = RI og P = UI samt resultantresistansen for en seriekobling) kan elevene forklare resultatet. Oppgaven i figur 19.7 er en klassisk, men krevende oppgave om elektriske kretser. Kombinasjonen av parallell- og seriekobling sammen med en bryter som endrer kretsen, er erfaringsmessig vanskelig. Her er det i tillegg spørsmål om hvordan både strømmen og spenningen endrer seg når bryteren blir lukket. På denne oppgaven er det erfaringsmessig en del elever som velger alternativ B eller D, der strømmen avtar. Mange elever tenker nok at når det kobles inn én motstand til i kretsen (riktignok i parallell), må strømmen bli mindre. En del tenker også at spenningen gir en gitt strøm som er uavhengig av hvilke komponenter vi har i kretsen. En analogi vi kan bruke her, er å tenke på fotballpublikum som trykker på utenfor inngangsportene til stadion. Hvis man åpner flere porter, blir den totale strømmen av supportere inn på stadion større – akkurat som den totale strømmen i en krets blir større når vi setter inn en parallellkobling, fordi den totale resistansen avtar.

å undervise i elektromagnetisme 291

19.3 Analogimodeller i undervisningen i elektrisitet Elektrisitetslære er abstrakt i den forstand at det er vanskelig å visualisere hva som skjer og vanskelig å knytte begrep som «spenning» til dagligdagse, direkte erfaringer. Kanskje derfor er analogimodeller hyppig brukt som pedagogisk hjelpemiddel i undervisningen om elektrisitet. Her skal vi presentere noen slike. Hver av dem kan være velegnet i visse situasjoner, for å hjelpe elevene å bygge opp forståelse av sentrale begreper. Imidlertid vil vi peke på viktigheten av å problematisere modellene sammen med elevene og komme fram til styrker og svakheter: Hvilke begreper og prinsipper innen elektrisitetslæren er denne modellen et godt redskap for å forstå? Hvilke aspekter ved den vitenskapelige beskrivelsen av fenomenet fanger modellen ikke opp? Kan modellen gi opphav til misforståelser dersom analogiene trekkes for langt? Vi vil understreke at denne typen diskusjoner med elevene er en forutsetning for at læring gjennom analogier og modeller skal være vellykket.

Snoranalogien Analogien er nyttig for å illustrere forskjellen mellom energi og strøm. Den brukes også for å innse at vi må ha en sluttet krets med strøm gjennom hele kretsen for at overføring av energi skal kunne foregå. Når vi bruker snoranalogien i klasserommet, står eller sitter elevene i en ring som representerer kretsen. En snor eller et tau strekkes rundt kretsen, og elevene holder løst rundt den med begge hender. Snora knyttes sammen slik at den danner en sirkel (figur 19.8). Hendene representerer ledningen i en elektrisk krets, og snora representerer strømmen. Læreren, eller en elev, er «batteriet» og sørger for at snora (strømmen) sirkulerer rundt i kretsen av elever ved å trekke i den ene snorenden (pass på at snora sirkulerer og ikke hoper seg opp!). La elevene legge merke til at snora beveger seg samtidig og med like stor hastighet i alle deler av kretsen. Den samme mengden snor som forlater «batteriet» kommer tilbake. Dette tilsvarer at strømmen er den samme i hele kretsen, altså Kirchhoffs strømlov. Hvis man har tegnet noen prikker på snora, kan disse representere elektronene og konkretisere analogien ytterligere. Hånda til den som er batteriet, overfører energi til snora. Dersom en eller flere elever i sirkelen utøver motstand ved å holde hardere rundt snora, vil snora bevege seg saktere. Fokuser på at det da går saktere i hele kretsen; resistansen har økt, og strømmen avtar. For å få snora til å gå like fort må den som er batteri, ta

292 kapittel 19

Figur 19.8 Snoranalogien med elever. (Basert på Angell et al., 2011).

i hardere, det vil si øke energitilførselen – og dermed spenningen. Elevene som yter motstand, kjenner at energi overføres til ham/henne ved at hånda blir varm. Med denne analogien er det lett å overbevise elevene om at strømmen må være den samme hele veien rundt en krets uten forgreininger, og de opplever bokstavelig talt på kroppen hva som er forskjellen på energi og strøm. De forstår at strømmen ikke blir brukt opp på sin vei gjennom kretsen, men at energien tilgjengelig fra batteriet kan bli brukt opp – siden eleven som representerer batteriet, blir sliten av å dra snora rundt dersom det er mye motstand (resistans) i kretsen. Det er imidlertid vanskelig å illustrere forgreinede kretser med snoranalogien.

Ertemodellen Denne analogimodellen brukes til å forklare at når vi slår på bryteren, går det strøm i hele kretsen med én gang (vi trenger ikke vente til elektronene har kommet fra batteriet til lyspæra osv.). Vi kan tenke oss elektronene i ledningen som erter som ligger tett-i-tett i et rør. Hvis vi dytter på erten i den ene enden av røret, begynner ALLE ertene å bevege seg samtidig, og det kan skje noe i den andre enden av lederen (en ert faller ut / pæra lyser) i samme øyeblikk som vi skyver på erten (setter på spenningen) i den andre enden. Merk at ertemodellen kan gi inntrykk av at elektroner i en ledning beveger seg ordnet og «i takt» samme vei hele tiden. Dette er ikke tilfellet; elektroner i en ledning vil alltid ha svært raske, termiske bevegelser i alle retninger. Når vi setter på en spenning, får vi en netto drift (svært langsom) av elektroner gjennom ledningen, men det vil fortsatt være enkelte elektroner som beveger seg i motsatt retning.

å undervise i elektromagnetisme 293

Vannstrømanalogien Denne modellen er svært utbredt innen undervisning i elektrisitetslære og brukes for å bedre forståelsen av elektriske kretser, med særlig vekt på spenningsbegrepet. For at det skal gå en elektrisk strøm i en krets, må det være en spenningskilde som sørger for elektriske krefter som kan gjøre arbeid ved å frakte ladninger (elektroner) rundt i kretsen. En mye brukt analogi er et vannsirkulasjonssystem der en pumpe eller sola (tilsv. batteriet) løfter vann fra sjøen opp på et fjell og dermed gir høyt potensial. Vannet renner nedover fjellsiden og kan der drive et vannhjul og dermed gjøre arbeid. Vannet renner til slutt ut i havet, hvor det har null potensial og pumpes opp igjen av pumpa eller sola (batteriet). Vi har altså et sluttet kretsløp. I denne analogien vil ladning bli analogt med vannmengde, og vannstrøm med elektrisk strøm. En innsnevring av elva eller vannrøret vil tilsvare en elektrisk motstand i kretsen. Vannledningsanalogien er mye brukt fordi den gir en ganske god illustrasjon av det problematiske spenningsbegrepet ved at denne representerer høydeforskjellen. Det er imidlertid flere «farer» forbundet med å bruke vannanalogien. Hovedinnvendingen går ut på at man kan bruke sekvensiell tenkning til å forklare hvordan vann strømmer. Dersom elva snevres inn nær utløpet, vil ikke vannstrømmen lenger oppe i elva påvirkes umiddelbart. Vi ser kun en effekt «nedstrøms». Dette er ikke tilfellet i en elektrisk krets, der en lokal forandring fører til en momentan endring av strømmen gjennom hele kretsen (se avsnittet om sekvenstenkning i avsnitt 19.1).Snoranalogien som vi beskrev foran, får derimot med nettopp dette poenget, ved at snoras hastighet endres gjennom hele ringen av elever (global endring) idet en lokal endring (en elev strammer grepet om snora) inntreffer. Vann i kretsløp er noe elevene kan forholde seg til. Imidlertid er det ikke sikkert analogien hjelper dem til å forstå det som skjer i kretsen. Erik Mogstad undersøkte hvordan ungdomsskoleelever forstår ulike analogier for elektriske kretser. Han fant at elever har et nokså vagt forhold til vannrør og vannpumper som brukes i analogien, trolig siden de mangler erfaring med dette fra hverdagen. I diskusjon av hvordan en innsnevring av et vannrør representerer resistans i en krets, kom det denne type spørsmål fra elevene: Er det slik at innsnevringen gjør at vannet går saktere, eller går det bare mindre vann? Går vannet saktere etter innsnevringen? Elevene har altså ikke de erfaringene som skal til for at analogien skal være til nytte for å forstå en elektrisk krets, og analogien er uansett ikke fullkomment konsistent. En annen svakhet ved vannstrømanalogien er at hvis det blir brudd på et vannrør, vil vannet strømme ut, mens et brudd på en elektrisk krets vil føre til at det ikke lenger går strøm. Ingen elektroner «renner ut» av den løse ledningsen-

294 kapittel 19 den! Videre kan vi i en elektrisk krets ha både positive og negative ladningsbærere, mens det i et vannrørsystem finnes bare én type partikler som strømmer (vannmolekylene). Et vannrør kan bli tomt for vann, men en metalledning kan ikke tømmes for elektroner.

Bowlingkuleanalogien En analogi som representerer spenning som høydeforskjell, er bowlingkule analogien (se Rossing, Stefansson & Bungum, 2003), som vist i figur 19.9. Tilsvarende som snoranalogien illustrerer den kontinuitet (Kirchhoffs strømlov) i kretsen, og at elektronene tilføres energi ved å løftes i tyngdefeltet. Personen som løfter kulene, representerer spenningskilden (batteriet) og tilfører kulene energi. Kulene avgir energi når de faller i tyngdefeltet. Man kan også legge inn at fallet foregår i flere trinn, som vist i figur 19.9, slik at spenningen fordeles på ulike komponenter. Analogien er ikke så godt egnet til å diskutere strøm og resistans (forsøk å forklare hva som skjer med strømmen når vi innfører mer resistans!), men illustrerer godt Kirchhoffs spenningslov, det vil si at spenningen (høydeforskjellen) som personen tilfører, må fordele seg på alle de ulike komponentene i kretsen. I figuren heller banen litt, som betyr at vi mister litt høyde også i ledningene, som samsvarer godt med forhold i kretsen. Den største

Tyngdefeltet

Figur 19.9 Elektrisk krets representert ved bowlingkuler i tyngdefeltet. Basert på Rossing, Stefansson & Bungum (2003).

å undervise i elektromagnetisme 295

fordelen med denne bowlingkuleanalogien er at den gir oss et tydelig begrep om elektrisk potensial som tilsvarer høyde, mens spenningen tilsvarer høydeforskjell. I undersøkelsen til Mogstad (2016) viste det seg at dette kan være et godt utgangspunkt for flinke ungdomsskoleelever til å forstå spenningsbegrepet, nettopp fordi de får et begrep for energinivå, eller potensial. Elever har erfaring med løft og fall i tyngdefeltet, men analogien representerer likevel en sterk abstraksjon som kan være vanskelig å gripe for en del elever på dette nivået. For fysikkelever i videregående skole bør den imidlertid kunne være fruktbar. En liknende analogi, som representerer en elektrisk krets gjennom en skiheis og en skibakke, er brukt i lærebøker i fysikk. Her løfter heisen skiløperne til et høyere nivå i bakken. De tilføres altså potensiell energi, som avgis som friksjonsarbeid når de står på ski ned bakken. Heisen representerer spenningskilden, og bakken kan utformes som ett bratt fall (en enkelt komponent som får hele spenningen) eller flere små fall (mange komponenter som får mindre spenning). Det blir da tydelig at om man tar ut en komponent fra kretsen, blir spenningen større over resterende komponenter. Denne analogien representerer imidlertid ikke kontinuitet av strøm i kretsen på noen god måte.

Bruk flere analogier! Vi har sett at analogimodeller kan være egnet til å styrke elevers forståelse for elektriske kretser. Alle analogiene har imidlertid svakheter og bryter fort sammen om man forsøker å bruke dem på alle aspekter av kretslæren. Vi anbefaler derfor å bruke flere ulike analogier, avhengig av hva man vil illustrere. Det blir derfor også viktig å forklare elevene at analogien ikke forklarer alt, og at de ikke må tas for bokstavelig. Ved å tenke i ulike analogier kombinert med direkte erfaringer med elektriske kretser vil elevene kunne bygge en forståelse for elektrisitetslære som etter hvert kan gi den samme intuitive følelsen for systemet som vi har for snorer, vannrør og skiheiser. Bruk av analogimodeller i fysikkundervisningen er også diskutert i avsnitt 12.2.

19.4 Elevforståelse og didaktiske strategier knyttet til magnetfelt og elektromagnetisk induksjon Feltbegrepet er abstrakt og utfordrende for elevene. Det kan bli enklere å visualisere et magnetfelt og kreftene som det utøver, ved f.eks. å la en magnet holde en binders «svevende» i en sytråd festet til gulvet; (se figur 19.10). En morsom

296 kapittel 19 variant er å «klippe over magnetfeltet» slik at bindersen faller ved å føre en saks inn mellom magneten og bindersen. Sammenhengen mellom elektrisitet og magnetisme, og fenomenet elektromagne tisk induksjon, er sentrale i alle former for energiproduksjon som involverer en generator, og for å skjønne hovedprinsippet for en elektromotor. Den magnetiske kraften på en strømførende leder i et magnetfelt er lett å vise (figur 19.11). Vi bruker en lett, bøyelig ledning (eller en tynn remse med metallfolie) som henger inne i en hesteskomagnet. I korte øyeblikk kobler vi til strømmen (da kortslutter vi batteriet, så det er viktig å bare beholde denne koblingen i et sekund eller to – ellers tappes batteriet fort!). Når strømmen begynner å gå gjennom ledningen, vil den bevege seg enten ut av hesteskoen eller innover i den, avhengig av strømretningen i ledningen (bytt om polene på batteriet, eller snu hesteskomagneten med den andre polen opp, og se hvordan det påvirker utslaget!). Ørsteds forsøk er enkelt å demonstrere for elevene og viser at en strømførende leder gir opphav til magnetiske krefter (figur 19.12). Et lommelyktbatteri, et vanlig kompass og en ledning er nok. Når kretsen sluttes for et kort øyeblikk, slår kompassnåla synlig ut. Begrepet elektromagnetisk induksjon kan vi lett knytte til enkle forsøk og dagligdagse fenomener. For å vise hvordan vi kan lage elektrisk strøm, bruker vi en spole, gjerne med 600 eller 1200 viklinger, en lommelyktpære (helst 1,5 V/0,09 A) eller

Figur 19.10 Magnetiske krefter kan visualiseres av en binders i en sytråd som trekkes oppover av en magnet. La gjerne elevene tegne kreftene som virker på bindersen! Foto: Carl Angell / Ellen K. Henriksen.

Figur 19.11 Den magnetiske kraften på en strømførende leder. Foto: Carl Angell / Ellen K. Henriksen.

Figur 19.12 Ørsteds forsøk. Foto: Carl Angell / Ellen K. Henriksen.

å undervise i elektromagnetisme 297

Figur 19.13 En enkel demonstrasjon av elektromagnetisk induksjon. Foto: Ellen K. Henriksen.

Figur 19.14 En magnet som roterer nær en spole, gir opphav til indusert strøm gjennom spolen. Foto: Carl Angell / Ellen K. Henriksen.

lysdiode, og en kraftig hesteskomagnet (figur 19.13). Når vi beveger magneten fort ut og inn i spolen, får vi pæra til å lyse. Det er dette som er prinsippet for vanlige norske energiverk. Der blir vannets potensielle energi omgjort til kinetisk energi og videre til elektrisk energi. Dette forsøket kan vi gjøre mer ut av. Vi kan bevege magneten sakte eller fort og se hvordan det virker inn på lyset. Videre kan vi bevege spolen og holde magneten i ro. Dersom bevegelsen skjer så langsomt at vi ikke får lys, kan vi spørre om det går strøm likevel. Det kan vi undersøke med et følsomt amperemeter. Vi bytter ut pæra med et amperemeter eller et voltmeter. Når vi beveger magneten inn og ut av spolen, kan vi se at amperemeteret gjør utslag, og at utslaget skifter retning etter hvilken vei vi beveger magneten i forhold til spolen. Vi kan også se at utslaget blir større hvis vi øker farten i bevegelsen. Her er det mange muligheter for å få elevene til å forutsi hva som vil skje før de gjør forsøket. De kan altså stille hypoteser, og forsøket de utfører, kan gi dem et svar! Vi kan legge en stavmagnet i noe som kan rotere, slik at magneten roterer i forhold til en spole (figur 19.14). Spolen kobler vi til et amperemeter eller voltmeter (det er enklest å se effekten her hvis man bruker et «gammeldags» viserinstrument heller enn et digitalt multimeter). Vi kan se at strømmen i spolen går fram og tilbake i takt med magnetens rotasjon. Forsøket med en magnet som faller gjennom en spole mens spenningen over spolen registreres av en datalogger, er en klassiker innen undervisning av elektromagnetisme (figur 19.15). Dette forsøket kan utvides på ulike måter og gi opphav til en rekke interessante faglige diskusjoner og modellbetraktninger; for eksempel om sammenhengen mellom magnetens fart (eller høyden over spolen som den slippes fra) og ekstremalverdien til den første toppen/bunnen på spenningskurven. Dette forsøket kan gi oppgave til interessante diskusjoner

298 kapittel 19 knyttet til Faradays induksjonslov og Lenz’ lov; for eksempel: Hva representerer arealet under toppen/bunnen i spenningsgrafen? Hvorfor er den første toppen/ bunnen bredere og lavere enn den andre, osv. Et beslektet forsøk er å la en sylinderformet magnet falle gjennom et langt aluminiumsrør (sett av disse selges gjennom læremiddelfirmaer). Fordi magneten induserer strømmer i røret og setter opp et magnetfelt som bremser beveg elsen (Lenz’ lov), bruker magneten uventet lang tid på å falle gjennom røret. Her er også energiregnskapet interessant: Når så lite av magnetens opprinnelige potensielle energi ved toppen av røret gjenfinnes som bevegelsesenergi ved bunnen, hvor er den resterende energien blitt av? 0,2

Spenning (V)

0,1

0,0

– 0,1

– 0,2

– 0,3

0,00

0,05

0,10

0,15 Tid (s)

Figur 19.15 «Magnetfall gjennom spole» – se detaljer på naturfag.no.

0,20

0,25

å undervise i energifysikk 299

Kapittel 20

Å undervise i energifysikk Noe av det som kjennetegner naturvitenskapen, er at den søker etter begreper og teorier med stor generalitet. Energi er et slikt begrep. Uansett hva slags prosess vi studerer, kan vi alltid betrakte den ut fra et energisynspunkt. En av grunnene til at energibegrepet står så sentralt, er blant annet at vi kan drive «regnskap» med det. Energi som forsvinner ett sted, finner vi igjen et annet sted. Dermed kan vi gjøre opp et regnskap som stemmer. Fysikken lærer oss altså at energien er en størrelse som er bevart. Energi inngår – direkte eller indirekte – i de aller fleste temaer både i fysikk og naturfag i skolen, ikke minst innenfor klima og bærekraftig utvikling, som får en stadig mer sentral plass. Vi mener at energifysikk knyttet til klima og energi er så viktig at vi tar med to avsnitt om det her (avsnitt 20.4 og 20.5).

20.1 Elevers forståelse av energi «Energi» er et godt eksempel på et ord som vi bruker mye i dagliglivet, men som har en mye mer spesifikk betydning i fysikkfaget (se avsnitt 8.1).Nedenfor har vi listet opp noen trekk ved elevers forståelse av energibegrepet og prosesser som involverer energi (Andersson, Bach & Zetterqvist, 2002; Driver et al., 1994; Liu & McKeough, 2005). • Yngre elever tenker seg energi bare i forbindelse med levende ting, særlig mennesker. Vi trenger energi for å leve og være i aktivitet. En del elever tenker at energi er noe som først og fremst trengs og brukes av, og manifesteres hos, levende vesener. • De tenker seg at energi henger sammen med kraft og bevegelse. I den grad elever tenker seg energi i forbindelse med ikke-levende ting, må det være bevegelse til stede. Elevene skiller ikke mellom begreper som energi, kraft og effekt. Mange tenker seg at energi opptrer bare «når noe skjer» (og denne forestillingen forsterkes og opprettholdes av en del lærebøker).

300 kapittel 20 • Elever ser ikke alltid behovet for ideen om energibevaring. Er det f.eks. snakk om en ball som spretter på et gulv, bruker ikke elevene energibegrepet til å forklare hvorfor ballen ikke spretter høyere enn høyden den ble sluppet fra; de snakker i stedet om en «kraft» i ballen e.l. Elever finner det vanskelig å forstå at biologiske prosesser, som f.eks. respirasjon, involverer energibevaring. Elevene tenker seg at slike prosesser lager energi, som senere kan brukes. • Elever tenker seg gjerne varme som et «stoff» som kan flyte fra ett objekt til et annet. I noen sammenhenger framstiller de energi som en ingrediens: Energi kan «slumre» i en gjenstand og plutselig «utløses» av ett eller annet. Energi assosieres med ting der energi er lagret. Olje og batterier er to ting som antas å «inneholde» energi. • Det er vanskelig for elever å skille mellom varme og temperatur. De tenker også ofte på temperatur som en egenskap ved hvert materiale (metall er kaldt, ull er varmt). • Elever tenker seg gjerne at varme brer seg ved at «varme molekyler» forflytter seg. De kan også tenke seg at når vi legger hånda på noe som føles kaldt, blir kulda overført til hånda (i stedet for at hånda overfører varme til det kalde materialet). • Svært få elever bruker partikkelmodellen for å beskrive og forklare varmeledning. Elevene tillegger molekylene makroskopiske egenskaper og tenker seg at hvert enkelt molekyl kan være varmt, utvide seg eller smelte. Det er med andre ord omfattende utfordringer knyttet til undervisningen om energibegrepet.

20.2 Undervisningsstrategier knyttet til energi, varme og temperatur Energibegrepet og energibevaring Det er ikke mulig å gi noen kortfattet definisjon av hva energi er. Begrepet energi er komplekst, og vi må heller prøve å forstå energibegrepets mange aspekter. Hver gang det skjer noe, blir det omformet energi. For elever kan helheten ofte være enklere enn delene, det vil si at de mange ganger forstår helheten før de har oversikt over enkeltdelene som inngår. Vi tror at energibegrepet kan være nokså intuitivt for elever, fordi det er så nært knyttet til erfaringer fra dagliglivet. Ting skjer ikke av seg selv. Opptrekksleker

å undervise i energifysikk 301

må trekkes opp før de kan bevege seg, bilen må ha bensin eller batteri, mobil telefonen må lades, osv. Energibegrepet kan altså være intuitivt dersom vi knytter det til noe konkret, nemlig til energikilder. Ofte introduseres energibegrepet ved at man går veien om arbeid som kraft ganger vei. Dette krever forståelse av strekning og kraft; i tillegg har retningene til kraften og strekningen noe å si. I noen bøker finner vi dette utsagnet: «Energi er evnen til å utføre arbeid.» Dette er et forsøk på å definere energi, og selv om det er et nært forhold mellom begrepene arbeid og energi, er etter vår mening «definisjonen» utilstrekkelig. Vi kan for eksempel nevne at energien i et lukket system alltid er bevart, mens evnen til å utføre arbeid i et lukket system ikke trenger å være det. Definisjonen er dermed lite hensiktsmessig. Energi har dessuten med varme å gjøre, ikke bare med arbeid. Fysikeren James Maxwell (1831–1879) skal ha sagt: «Energy is the go of things.» På norsk leser vi i en del lærebøker: «Energi er det som får ting til å skje.» Men heller ikke dette er noen god definisjon; for eksempel kan et system ha potensiell energi uten at det skjer noe som helst! Energi er derimot en abstrakt størrelse som kan beregnes på mange forskjellige måter, og som forteller oss hvilke hendelser og prosesser som er mulige, og hvilke som ikke er mulige. Mengden av energi som er tilgjengelig i en bestemt situasjon, begrenser hva som er mulig. Fysikeren Richard Feynman har sagt følgende som vi synes fanger opp noe helt vesentlig ved energibegrepet: Det er et faktum, eller hvis du vil en lov, som styrer alle naturlige prosesser som vi kjenner. Det er ingen unntak fra denne loven; den gjelder så langt vi vet i dag eksakt. Denne loven kalles loven om energibevaring. Den sier at det er en bestemt størrelse som vi kaller energi, som ikke endres i det mangfold av endringer som foregår i naturen. Det er en meget abstrakt idé fordi det er et matematisk prinsipp, og den sier at det er en tallstørrelse som ikke endrer seg når noe skjer. Feynman, 1995, s. 69

Her understreker Feynman noe av det problematiske med energibegrepet, nemlig at det er en abstrakt, matematisk definert størrelse og ikke «noe» som vi kan ta tak i og flytte på. Når vi jobber med energibegrepet, involverer det at vi jobber med tall. Energi er relatert til «hvor mye» og ikke til «hvordan». Når vi skal holde orden på energiregnskapet, må vi være nøye med hvilket system vi snakker om. Noen ganger vil energi forlate et system; andre ganger kommer

302 kapittel 20 energi inn i systemet. Tar vi med systemets omgivelser, skal derimot energiregnskapet alltid gå i null. Loven om energibevaring i et lukket system er en av de viktigste lovene vi har i fysikken. Merk at det er avgjørende at elever får trening i å identifisere hva som er systemet når de skal arbeide med energioppgaver. Energi er en størrelse som kan omformes fra en form til en annen, men kan aldri skapes fra intet og vil aldri forsvinne til intet. I termofysikken kan vi formulere dette i termofysikkens første lov: ΔU = Q +W der ∆U er endring av systemets indre energi, Q er tilført eller avgitt varme (positiv når varme tilføres systemet), og W er arbeid utført på eller av systemet (positiv når omgivelsene utfører arbeid på systemet).26 Dette er en matematisk formulering av energibevaringsprinsippet. Den kan ikke bevises, men all vår erfaring tilsier at ideen er riktig.

Energikjeder Vi kan bruke energikjeder til å få fram noen viktige sider ved energibegrepet: • Energi kan lagres som potensiell energi i et system (f.eks. mekanisk potensiell energi i et vannreservoar høyt over havet eller kjemisk potensiell energi i et batteri). • Energi kan overføres fra ett system eller en gjenstand til et annet system eller en annen gjenstand. • Energien forsvinner ikke, den skifter bare form. Dette er uttrykt i energi bevaringsloven. • Energien blir mindre tilgjengelig for oss etter hvert som den overføres fra system til system. En energikjede består av energikilder og energimottakere. Vi kan sette navn på energiformer for å markere hvordan energien foreligger i hver enkelt situasjon. Selv om vi kan si at alle energiformer i bunn og grunn enten er potensiell energi eller bevegelsesenergi, kan det være nyttig å bruke betegnelser som «kjemisk energi» eller «muskelenergi» for å knytte energien til den konkrete situasjonen. Et eksempel er vist i figur 20.1. 26

Fortegnskonvensjonen for arbeid er motsatt i noen land (f.eks. USA).

å undervise i energifysikk 303

Kjerneenergi produseres i sola og sendes ut som elektromagnetisk stråling …

… som går over til kjemisk energi i gresset i fotosyntesen …

… videre til kjemisk energi i kukroppen …

… videre til kjemisk energi hos jenta som drikker melk …

… videre til mekanisk stillingsenergi i fjæra på leketøyet når jenta trekker det opp …

… videre til bevegelses energi i leketøyet …

… videre til økt temperatur i omgivelsene når leketøyet stopper på grunn av friksjon

Figur 20.1 Eksempel på energikjede. Foto (fra venstre): ©joachimbago, ©Biletskiy_Evgeniy, ©Akabei, ©Emely, ©doomu, ©Digiphoto, ©STRANNIK9211 / Getty Images.

Vi får altså utviklet en energikjede ved at vi griper fatt i den prosessen vi ser, og spør gjentatte ganger om hvor denne energien kommer fra. Når vi tegner energikjeder, får vi ikke fram at en energikilde vanligvis er energikilde for flere energimottakere. Vi velger ut bare én energimottaker når vi tegner energikjeder. Egentlig kunne vi tegnet et «energinett». Jenta i figuren bruker energien som hun får gjennom maten, til mer enn bare å trekke opp fjæra i bilen. Dersom vi følger energikjeder bakover, ender vi nesten alltid med sola (de få unntakene omfatter bl.a. kjerneenergi, jordvarme og tidevannsenergi). Hvordan solenergien er opphav til de komplekse energikjedene på jorda, er ikke minst viktig for å forstå klima- og energifysikk, se avsnitt 20.4 og 20.5. Som oftest ender en energikjede med at en del av energien avgis til omgivelsene som termisk energi. Etter at energien har endt opp i omgivelsene, er den svært lite tilgjengelig for oss. Ved å understreke dette når vi tegner energikjeder, får vi fram at energien ikke blir borte, men at den bare blir mindre tilgjengelig for oss.

Varme, termofysikkens 2. lov – og energikvalitet Bruken av ordet varme er også komplisert for elevene fordi ordet blir brukt annerledes i dagligtale. I dagligtale snakker vi noen ganger om varmeenergi; dette tilsvarer fysikkens begrep termisk energi. I fysikken bruker vi begrepet varme om den energioverføringen som foregår på grunn av temperaturforskjeller. Varme er energioverføring på samme måte som arbeid er det. Vi kan derfor si at det for eksempel kommer varme fra en ovn. Men ovnen selv har ikke varme

304 kapittel 20 (den har i så fall termisk energi). En populær analogi er at varme er som et kyss: Du kan gi eller få et kyss, men du kan ikke ha et kyss. Dette er også analogt med måten vi bruker ordet arbeid på. Et system har ikke arbeid, men systemet kan utføre et arbeid. Det vil si at arbeid er energioverføring. Dersom vi aksepterer energiprinsippet om at energi aldri blir borte, og at energi heller ikke blir skapt av ingenting, kan det se ut som om praten om energikrise bare er tull. Vi kan jo bare resirkulere energien: Den forsvinner jo aldri, men går bare over i andre former. Men så enkelt er det ikke. Det er termofysikkens andre lov som setter begrensninger for energiutnyttingen. Når vi skal bruke energi, må energien omformes og transporteres før den foreligger på rett sted til rett tid. Og energi kan ha høyere eller lavere kvalitet alt etter evnen til å utføre arbeid. Andre lov sier at ved alle naturlige prosesser minker den totale energikvaliteten. Vi kan derfor si det slik at etter første lov blir energi ikke forbrukt, den blir bare omformet. Det vi forbruker, er energiens kvalitet. En annen måte å formulere andre lov på er å si at varme ikke spontant kan gå fra et kaldere til et varmere legeme. Nok en formulering av den samme loven er at alle naturlige prosesser fører til større mikroskopisk uorden, eller at entropien øker. Høyverdig energi er altså energi som kan utføre arbeid. Mekanisk energi og elektrisk energi er gode eksempler. Derimot har termisk energi med liten temperaturforskjell i forhold til omgivelsene lav kvalitet. La oss ta et eksempel: Elektrisk energi blir overført til forbrukerne, og i strømledningene er det en viss mikroskopisk orden i den forstand at elektronene har en ordnet, netto drift fra den negative mot den positive polen. Når vi skrur på panelovnen, går den elektriske energien over til termisk energi i omgivelsene. Nå får vi en nedgang i mikroskopisk orden. Luftmolekylene får større kinetisk energi, og deres bevegelse er uordnet. Den termiske energien i rommet kan vi vanskelig utnytte videre til å gjøre arbeid. Vi sier at energien nå har en lavere kvalitet enn da den ble overført som elektrisk energi i ledningen. Et annet eksempel utdyper det hele. Når vi bremser bilen foran rødt lys, omformer vi høyverdig kinetisk energi til termisk energi i bremsesystemet. Mye av denne energien «går tapt» når den overføres som varme til omgivelsene. I en del biler kan noe av denne energien tas vare på gjennom såkalt regenerativ bremsing ved at bilens elektromotor brukes som en generator og overfører bevegelsesenergi til elektrisk energi i bilens batteri. Da har vi altså mistet høyverdig bevegelsesenergi, og står igjen dels med lavverdig termisk energi og dels med høyverdig elektrisk energi.

å undervise i energifysikk 305

20.3 Forsøk, demonstrasjoner og undervisningsressurser Nedenfor gir vi eksempler på forsøk som kan brukes til å la elevene bli kjent med ulike sider ved energibegrepet, med energiformer og med hvordan man kan «føre regnskap» med energi. • Forsøket med to sorte baller, en som spretter og en som ikke spretter (tilgjengelig gjennom læremiddelfirmaer, kalles gjerne «happy/unhappy balls» eller «bounce/no bounce balls»). Hvordan blir energiregnskapet for hver av dem? Den som ikke spretter, gir bl.a. kraftigere lyd! Vi må også anta – selv om det er vanskelig å måle det – at ballen som ikke spretter, varmer opp gulvet og lufta i rommet. • Noen skoler har (eller kan skaffe) et kamera som registrerer infrarød stråling. Dette kan bl.a. brukes til videre utforskning av forsøket over: Hvis vi i stedet for en lett sprettball slipper en tung kule (helst flere kg) ned på en skriveblokk av papir, kan vi bruke IR-kameraet til å vise varmeutviklingen der kula traff blokka. Et IR-kamera kan også brukes til en rekke andre forsøk; (se for eksempel Haglund, Jeppsson, Hedberg & Schönborn, 2015). For eksempel kan man notere seg hvordan vindusglass slipper lys igjennom, men stopper IR-stråling – en viktig egenskap ved vindusglass og dessuten en modell av atmosfærens «drivhusegenskaper», se figur 20.2. Figur 20.2 Person som holder en glassrute, tatt med infrarød stråling og synlig lys. Vi ser at glasset slipper igjennom synlig lys, slik at vi ser konturene av personens kropp bak glasset – men det slipper i liten grad igjennom infrarød stråling; varmestrålingen fra kroppen (fargekodet av kameraet med gulgrønne nyanser) slipper ikke ut gjennom glasset. Foto: Ellen K. Henriksen

• Vi kan tilføre noen dråper vann og litt sot fra en brennende fyrstikk til lufta inne i en flaske, og deretter bruke en sykkelpumpe med gummipropp til å øke trykket inne i flaska (se «Lag sky i flaske» på www.naturfag.no). Når vi slipper korken, faller trykket raskt inne i flaska. Flaska gjør arbeid på omgivelsene ved å skyve på lufta. I denne kortvarige prosessen er energiutvekslingen med omgivelsene via varme marginal (Q = 0 J); energien til arbeidet som gjøres på omgivelsene, må dermed hentes fra den indre energien til lufta inne i flaska, og temperaturen faller. Da kondenseres vanndampen inne i flaska til

306 kapittel 20 dråper på de små sotpartiklene, og vi ser en sky inne i flaska hvis den holdes opp mot en mørk bakgrunn. • Lage en enkel vannkoker: Av en konstantantråd lager vi en «varmespiral». Denne kan vi plassere i vann i en kolbe. Ved å sende strøm gjennom varme spiralen, og samtidig måle strøm og spenning, kan vi beregne hvor mye energi vi tilfører over en viss tid (E = U I t). Samtidig kan vi måle temperatur stigningen i vannet over en viss tid, og ut fra det kan vi beregne hvor mye energi som er tilført vannet. Resultatene kan gi nyttige diskusjoner omkring energiregnskap. • Vi kan gjøre forsøk med solceller og f.eks. en enkel propell. Vi kan undersøke hvor sterkt lys som må til for at solcellen skal gi en viss spenning; hvordan vinkelen på det innfallende lyset påvirker spenningen, osv. • Vi kan studere overføring av mekanisk energi til termisk energi ved hjelp av et pleksiglassrør som er 1 meter langt og fylt med blyhagl av en viss masse. Den ene enden av røret har et hull på siden slik at en kan sette inn et termometer. Ved å snu røret f.eks. 40 ganger vil haglkulene falle 40 ganger 1 m. Vi kan måle temperaturstigningen i haglet og beregne den mottatte energien, samt den avgitte mekaniske energien, og drøfte resultatet i lys av energibevaringsloven.27 Energiteknologi er i rivende utvikling, og det anbefales å følge med i relevante fora. Teknologiske nyvinninger og energipolitiske overveielser kan tas opp i klassen og bidra både til økt forståelse av energifysikk og til forståelse av fysikkens vekselvirkning med samfunnet (se kapittel 25).

20.4 Elevers forståelse av klima og bærekraftig utvikling Spørsmålet om hvilke energikilder verden skal bruke i framtiden, er blant de viktigste og vanskeligste samfunnet står overfor. Dette er også et område hvor fysikk og realfag griper inn i politikk, samfunnsliv og etiske spørsmål. Dette bør man ikke feie under teppet i undervisningen, men heller bruke det som 27

Her må elevene kjenne formelen for varmekapasitet, Q = cmΔT, der Q er energien som må tilføres for å gi temperaturstigningen ΔT i det aktuelle materialet, c er materialets varmekapasitet, og m er massen. Merk at i dette tilfellet er bruken av Q for tilført energi litt misvisende, siden det i akkurat dette forsøket er tilført mekanisk energi (arbeid W), ikke tilført varme, som gir temperaturøkningen og dermed økt indre energi ΔU i blyet.

å undervise i energifysikk 307

et eksempel på de komplekse vekselvirkningene mellom naturvitenskapen og vårt moderne samfunn (se også kapittel 25). Det er viktig at skolen forbereder elevene på en bred debatt der de tar i bruk forståelse av naturvitenskap så vel som av samfunn og etiske prinsipper. Videre mener vi at det er viktig at elevene får en tro på at de store utfordringene innen energi og klima kan løses, og at deres egne holdninger og handlinger har betydning. Elever eksponeres i dag for klima- og miljørelatert stoff i massemedier og gjennom politikk og miljøorganisasjoner. Men feltet er komplekst, og mange elever har en mangelfull forståelse av de grunnleggende naturvitenskapelige fenomenene som er involvert. Nedenfor oppsummerer vi noen typiske trekk ved elevers forståelse av klima- og energiproblematikk (Arslan, Cigdemoglu & Moseley, 2012; Hansen, 2010; Schreiner, Henriksen & Hansen, 2005). Elever (og andre!) forveksler ofte klimaproblematikk med andre miljøprob lemer som svekkelse av ozonlaget, sur nedbør, lagring av radioaktivt avfall osv. Videre skiller ikke elever alltid mellom naturlig drivhuseffekt og menneske skapt global oppvarming. Det kan være grunn til å presisere at den naturlige drivhuseffekten er en forutsetning for livet på jorda, men at denne forsterkes av menneskelig aktivitet (først og fremst CO2-utslipp knyttet til transport og energiomsetning) slik at vi får en global oppvarming og medfølgende klimaendringer: endringer i temperatur, nedbørsmønster, vind- og havstrømmer, isdekke, vegetasjon osv. For en del elever kan ordet «klima» ha et mer ideologisk innhold og brukes i langt videre betydning enn den naturvitenskapelige. Mange elever har fått med seg at atmosfæren «holder på varmen», men selve «mekanismen» i drivhuseffekten er vanskeligere å få tak i. Her gjelder det å skille mellom den relativt kortbølgede strålingen (hovedsakelig synlig lys) fra sola som slipper inn gjennom jordatmosfæren uten å absorberes, og den mer langbølgede varmestrålingen som jorda sender ut igjen som resultat av at solenergien har gått over til termisk energi i kontinenter og hav. Det er denne mer langbølgede strålingen som absorberes av atmosfæregassene i stedet for å passere uhindret ut i rommet – og resultatet er en oppvarming av atmosfæren og jorda. Når elever sier at «solstrålingen slipper lett inn, men ikke så lett ut igjen», overser de at det er en annen type stråling (andre bølgelengder) som sendes ut fra jorda, og at dette er årsaken til at atmosfæren har en annen virkning på den utgående strålingen enn på den innkommende. Denne forvirringen kan også henge sammen med en mer generell svak forståelse av prosesser som transmisjon, refleksjon og absorpsjon av stråling. Disse prosessene kan man med fordel diskutere (og illustrere med lys, glass, speil osv.) i klasserommet.

308 kapittel 20 Elever misforstår ofte årsaken til havnivåstigning. Mange vet at global oppvarming kan føre til havnivåstigning, men tenker seg at det utelukkende skyldes smeltende is (breer og/eller havis). Her er det to poenger som undervisningen kan ta tak i: for det første at termisk utvidelse av havvannet er den viktigste årsaken til havnivåstigning, og for det andre at smeltende is bare bidrar til stigningen hvis det er innlandsis som smelter og renner ut i havet (smelting av flytende havis bidrar ikke til stigning; denne forskjellen kan enkelt illustreres med isbiter i et vannglass). De fleste elever kjenner til at CO2 er en viktig drivhusgass og kjenner hovedkildene til denne. Dette kan man utnytte som et godt utgangspunkt i undervisningen. Elever kjenner til noen, men ikke alle, muligheter til å redusere klimaproblemet. Her mener vi at det er viktig å vise hvordan individet kan bidra til bærekraftige løsninger og reduserte CO2-utslipp, både gjennom daglige forbruksvalg og gjennom organisasjoner og politiske prosesser. Mange er opptatt av miljøvennlige transportløsninger, og dette er utvilsomt viktig – men i klasserommet kan man gjerne også diskutere hvordan nesten alt forbruk av varer og tjenester innebærer energibruk og dermed bidrar til den stadig økende globale energibruken som, tross rask teknologisk utvikling innen f.eks. sol energiteknologi, fortsatt hovedsakelig er basert på fossile brensler. Mediene har en tendens til å overdrive uenighet innen forskersamfunnet om den naturvitenskapelige forståelsen av klimautviklingen. Selv om det finnes både usikkerhet i klimamodellene og uenighet mellom forskergrupper om virkningen av visse komponenter innen klimasystemet, er det blant klimaforskere bred enighet om hovedlinjene i den naturvitenskapelige beskrivelsen av klimaet og om at det foregår en oppvarming som har en menneskeskapt komponent. I klasserommet kan vi ta tak i påstander og diskusjoner fra klimadebatten og utnytte dem til å lære mer både om de naturvitenskapelige prosessene som er involvert i klimavitenskap, og om «naturvitenskapens egenart» og den komp lekse vekselvirkningen mellom vitenskap og samfunn (se Sinnes, 2015 samt kapittel 4 og kapittel 24).

20.5 Ressurser for undervisning om klima og bærekraftig utvikling Når det gjelder undervisning om drivhuseffekt og klima, er det viktig at kildene er oppdaterte, for i dette feltet endrer vår viten seg raskt! I Norge er nettsidene

å undervise i energifysikk 309

til CICERO Senter for klimaforskning et godt utgangspunkt for å lete fram oppdatert informasjon. Media er ofte premissleverandører i klimadebatten, og et godt undervisningsgrep kan være å ta utgangspunkt i ordskiftet i f.eks. (nett)aviser og disku sjonsfora og bruke disse som utgangspunkt for en diskusjon som gjerne kan favne hele bredden av problemkomplekset: Hva er vitenskapelig kunnskap; hvilke teknologiske løsninger finnes; hvilke politiske grep kan gjøres; hva er enkeltindividets rolle, og hva er rettferdig byrdefordeling mellom ulike deler av verden? Nettavisen forskning.no er én av en rekke kilder som har fyldige artikler om en rekke aspekter ved klima, bærekraftig utvikling og ulike energiløsninger. For å forklare de grunnleggende fysiske mekanismene som skaper drivhus effekten, trengs klargjøring av noen sentrale begreper og prosesser som energiabsorpsjon og -transmisjon, strålingsspektre og sortlegeme-stråling. Det er da mulig å gjøre enkle modellberegninger med bruk av Stefan-Boltzmanns lov.28 Tilbakekoblingsmekanismer er forsterkende og dempende effekter som er viktige for å forstå klimaet. Noen slike mekanismer kan også enkelt demonstreres i klasserommet. For eksempel kan vi studere betydningen av albedo (refleksjon) ved å bruke datalogger med to temperatursensorer, én under en glasskål med hvitt underlag og én under en tilsvarende skål med sort underlag. Når begge skålene belyses med en kraftig lampe, vil temperaturen stige under begge, men mest under skålen med sort underlag. En rekke andre undervisningsressurser knyttet til energi, klima og bærekraftig utvikling er tilgjengelige og kan søkes opp f.eks. gjennom naturfag.no.

Se https://www.mn.uio.no/fysikk/forskning/grupper/biofysikk/Klima-2012-01-versjon.pdf

310 kapittel 21

Kapittel 21

Å undervise i kvantefysikk Medforfattere i dette kapitlet: Maria Vetleseter Bøe og Nils-Erik Bomark Kvantefysikk er en teori med enorm suksess, og stadig overbeviser den ved å være det teoretiske grunnlaget for å utvikle komponenter til teknologiske innretninger med fantastisk presisjon. Det kan være lett å tenke på kvantefysikk som noe esoterisk som kun diskuteres i fysikkundervisningen og ikke har så mye med livet ellers å gjøre, derfor er det viktig å poengtere betydningen av kvantefysikken for samfunnet vårt. Noe som kanskje ikke så mange tenker på, er at strukturen til det periodiske systemet er helt basert på kvantefysikk, det betyr at vi egentlig ikke kan diskutere kjemi uten å legge resultater fra kvantefysikken til grunn. Videre trenger vi kvanteteorien for å beskrive energibånd i halvledere, som gjør oss i stand til å lage transistorer og dermed mikroprosessorer som inngår i det meste av elektronikk i dag. Medisin blir også mer og mer avhengig av kvantefysikk; tenk bare på røntgen-undersøkelser, PET-skanning og MRIskanning, som alle bygger på kvantefysiske fenomener. Kvantedatamaskiner er et annet felt der forsknings- og utviklingsaktiviteten er høy. Kvantefysikken kan forutsi de mest forunderlige eksperimentelle resultater, men den gir ingen visuelle bilder som vi kan bruke til å forestille oss de fysiske prosessene som foregår. Når vi prøver å bruke den klassiske fysikkens begreper og modeller til å beskrive kvantefysiske fenomener, ender vi ofte opp i paradokser. Likevel blir fortsatt klassiske analogier og bilder brukt i lærebøker og andre læringsressurser. Dette er én av utfordringene lærere og elever møter i kvantefysikk i skolen. I dette kapitlet ser vi på gjennomgående trekk i elevers forståelse av kvantefysikk og på hvordan emnet kan undervises med fokus på historiske perspektiver, språk og filosofi.

å undervise i kvantefysikk 311

21.1

Elevers forståelse av kvantefysikk

Elevers forståelse av kvantefysikk er studert i flere land og for både videregående skole og høyere utdanning. Samtidig er det gjort langt mindre forskning på kvantefysikkforståelse enn på elevers forståelse i mekanikk eller elektromagnetisme. Gjennomgående ser det ut til at elevenes utfordring med kvantefysikk i stor grad stammer fra at de er vant til å se på verden med klassisk fysikk. De sliter ofte med å gi slipp på klassiske måter å tenke på når de jobber med kvantefysikk. Forståelsen er gjerne fragmentert (Hadzidaki, 2008) og inneholder både klassiske og kvantefysiske elementer på et spektrum fra ren klassisk tenkning brukt på feil sted til korrekt kvantefysisk forståelse (Krijtenburg-Lewerissa, Pol, Brinkman & van Joolingen, 2017). I høyere utdanning kan studenter oppleve å kunne regne riktig i kvantefysikk uten å forstå det begrepsmessige innholdet (Johansson, 2018). Nedenfor følger en gjennomgang av de mest framtredende problemområdene for elevers og lavere grad-studenters forståelse i kvante fysikk (Ayene, Kriek & Damtie, 2011; Baily & Finkelstein, 2014; Cheong & Song, 2014; Hadzidaki, 2008; Henriksen et al., 2018; Krijtenburg-Lewerissa et al., 2017; Olsen, 2002; Renstrøm, 2011). Elever har ofte utfordringer med at forståelse av klassisk fysikk blander seg inn i en gryende forståelse av kvantefysikk. Sannsynligvis henger det til dels sammen med bruk av klassiske begreper og analogier i undervisningen, som nevnt i innledningen til dette kapitlet. For eksempel ser mange for seg kvante fysiske partikler som klassiske partikler med entydig posisjon og bane. Det kommer blant annet til uttrykk når de ser for seg elektroner gå i ordnede planetbaner rundt atomkjernen. En del elever tolker bølge/partikkel-dualismen som at elektroner eller fotoner beveger seg i bølgebaner, og bølgefunksjonen ses av noen som en direkte representasjon av partikkelens bane. Noen elever omtaler bølge/partikkel-dualismen på en mer kvantefysisk måte, for eksempel som at lys eller elektroner er både bølger og partikler eller har både partikkel- og bølgeegenskaper. Likevel er det få som ser det som problematisk eller motstridende at punktpartikler uten utstrekning beskrives med bølgelengde som representerer en type utstrekning. Relatert til bølge/partikkel-dualismen er Heisenbergs uskarphetsrelasjoner, som oppstår matematisk som en konsekvens av bølgebeskrivelsen av kvantefysiske partikler. I stedet for å beskrive uskarphetsrelasjonene som en grunnleggende uskarphet i naturen, knytter elever dem ofte til måleusikkerhet på grunn av ytre påvirkning, dårlige måleinstrumenter eller observatøreffekt. Flere studier setter elevers utfordring med å forstå kvantefysikk i sammenheng med manglende bevissthet rundt og forståelse for

312 kapittel 21 viktige prinsipper i klassisk fysikk. Hvis elever ikke har god innsikt i den klassiske fysikkens antakelser om kontinuitet og determinisme, er det krevende å forstå kvantisering, superposisjon og statistisk tolkning av kvantesystemer og hvordan disse bryter med klassisk fysikk. Forskningen som har studert elevers kvantefysikkforståelse, kommer i flere tilfeller med anbefalinger om undervisning som kan møte utfordringene. Selv om det fortsatt trengs forskning på området, vil vi oppsummere de anbefalin gene som foreligger her (Bungum et al., 2018; Henriksen et al., 2018; KrijtenburgLewerissa et al., 2017; Renstrøm, 2011).Flere studier trekker fram at en kvalitativ tilnærming fokusert på begrepsforståelse kan gi tilfredsstillende forståelse for elever i videregående skole og lavere grad i høyere utdanning. Skillet mellom klassisk fysikk og kvantefysikk bør gjøres eksplisitt. Spesielt anbefales det å gjøre elever oppmerksomme på determinisme, kontinuitet og lokal virkelighet som grunnprinsipper i klassisk fysikk, for å gjøre mulig en forståelse av kvante fysikkens brudd med disse. For å unngå at klassiske analogier forvirrer elevene, foreslår noen å erstatte begreper som «partikkel» og «bølge» med «kvanteobjekt» eller «kvanton». Videre anbefaler forskningslitteraturen at elever bør gjøres oppmerksom på at det foreligger ulike tolkninger av kvantefysikken, og at disse har sammenheng med filosofisk ståsted. Generelt har flere ulike studier sett at både filosofiske og historiske perspektiver lar elevene utforske utviklingen og tolkningen av kvantefysiske begreper og fenomener. For eksempel kan fokus på historisk utvikling av og forskjeller mellom ulike atommodeller gi bedre forståelse av kvantemodellen for atomet. I de neste delkapitlene ser vi på hvordan kvantefysikkens historie og et spesielt fokus på bruk av språk og filosofisk tilnærming kan brukes i kvantefysikkundervisning.

21.2 Å undervise i kvantefysikk med historiske perspektiver: Hvordan oppnå hensikts messig forståelse av kvantefysiske begreper? I forrige avsnitt så vi at klassiske modeller og analogier i introduksjonen av kvantefysikken kan gjøre det vanskelig for elevene å utvikle en god forståelse. For eksempel trekkes dette fram som hovedårsaken til at mange elever ikke oppnår god og hensiktsmessig forståelse av begreper som kvantisert energi og

å undervise i kvantefysikk 313

foton. I dette delkapitlet vil vi vise hvordan en historisk tilnærming kan brukes for å gjøre kvantefysikkens begreper klarere for elevene. På denne måten viser vi også hvordan fysikken er en kreativ prosess som går framover gjennom disku sjon og uenighet og i en historisk og sosial sammenheng (se også kapittel 2).

Begrepene kvantisert energi og kvantesprang Et viktig mål i undervisningen i kvantefysikk er at elevene skal oppdage den dramatiske forskjellen det er mellom klassiske systemer der energien endres kontinuerlig, og kvantefysiske systemer der energien endres diskontinuerlig. Et av de grunnleggende «sanne» prinsippene de greske filosofene i antikken var enige om, var at alle prosesser i naturen foregår kontinuerlig. Naturen gjør ingen sprang, het det. Ingen av de to store teoriene i klassisk fysikk, Newtons mekanikk og Maxwells elektromagnetiske teori, utfordrer denne «sannheten». Det finnes ingen klassiske systemer som har kvantisert energi, og som dermed endrer energi i sprang. Når vi prøver å forstå kvantefysiske prosesser med begreper og modeller fra den klassiske fysikken, ender vi ofte opp i paradokser. En betingelse for å oppnå meningsfull forståelse av kvantefysiske begreper er en erkjennelse av at de bryter med sentrale prinsipper i klassisk fysikk. Likevel viser undersøkelser at den tradisjonelle undervisningen og lærebøkene gjør det motsatte, de skjuler forskjellen mellom den klassiske fysikkens prinsipper og kvantefysikkens. Forskning viser at hvis elever blir introdusert for kvantefysikk gjennom halvklassiske modeller og klassiske analogier, mister de muligheten til å forstå hvilken dramatisk forskjell det er mellom klassisk fysikk og kvantefysikk (Hadzidaki, 2008). Et eksempel på en klassisk analogi som skal hjelpe elevene til å forstå forskjellen på kvantisert energi og kontinuerlig energi, er en trapp. Trinnene representerer de mulige, tillatte og stabile kvantetilstandene. Mellom tilstandene finnes ingen stabile tilstander fordi det ikke er mulig å befinne seg der. Her blir elevene ledet til å tro at atomene kan ha alle mulige energier, men at det kun er et utvalg av dem som er stabile. De ikke-stabile tilstandene hopper elektronene over. Analogiens hensikt er å gi elevene et bilde av forskjellen mellom kvantisert energi og kontinuerlig energi. Men i stedet kan den bidra til at elevene mister mulighet til å forstå det ubegripelige at atomene ikke endrer energi jevnt mellom de tillatte tilstandene. Kuler som spretter fra trinn til trinn i en trapp, endrer energien kontinuerlig, det gjør ikke et atom som endrer energi. I 1900 utledet Max Planck et uttrykk for energien til de ulike frekvensene i lyset fra et legeme med en gitt temperatur, en såkalt strålingslov. Sentralt i

314 kapittel 21 utledningen av strålingsloven var at energiene til de vibrerende ladningene som emitterte strålingen, er gitt ved E = nhf, der n = 0, 1, 2, 3,…., h = 6,63 ⋅ 10–34 Js og f er vibrasjonsfrekvensen til ladningene. Verken Planck eller samtidens fysikere hadde problemer med å akseptere dette uttrykket som innebar at vibrasjonsenergien til ladningene er kvantisert. Men da Einstein noen år senere påpekte at konsekvensen av energikvantiseringen er at molekylene verken absorberer eller emitterer energi kontinuerlig, men i kvantesprang, strittet fysikerne imot. Å endre energi fra en tilstand til en annen uten å ha hatt energiene mellom, var uhørt. Først omkring 1911 var kvantesprang akseptert som en konsekvens av kvantisert energi blant de fleste fysikerne, men Planck selv aksepterte den ikke før omkring 1920. Ikke fordi det var blitt mer begripelig at energi kan endres i kvantesprang, men fordi denne tolkningen stadig ble bekreftet i eksperimenter. Siden vi i dagliglivet ikke observerer kvantiserte systemer, er det vanskelig for elever å forstå hvor dramatisk forskjellen er mellom erfaringer i hverdagen og eksperimentelle resultater fra kvantefysiske systemer. Siden det ikke finnes noen kvantefysiske systemer som kan forklares med klassisk fysikk, bør alle fortellinger som skal bidra til begrepsforståelse, handle om kvantefysiske systemer. I figur 21.1 er energinivåene til to vibrerende molekyler med ulike frekvenser illustrert med horisontale linjer uten forbindelser. Det ene molekylet har dobbelt så stor frekvens som det andre. Avstanden mellom energinivåene er hf for begge molekylene, og når frekvensen er dobbelt så stor, blir avstanden mellom nivåene dobbelt så stor. For å få fram lyset som absorberes eller emitteres når et molekyl foretar et kvantesprang med energi hf, er det tegnet horisontale piler mellom nivåene. For å unngå at elevene får inntrykk av at det finnes en forbindelse mellom nivåene, er det ikke tegnet vertikale linjer mellom tilstandene. For fysikerne som måtte forholde seg til at vibrasjonsenergien til ladde partikler som emitterer lys er kvantisert, var det kvantesprangene mellom nivåene som var mest utfordrende å akseptere. Da Erwin Schrödinger i 1926

hf hf hf hf

4hf

2hf hf

3hf 2hf

1hf

1hf 0

hf 0

Figur 21.1 Energinivåene til to vibrerende molekyler med ulik frekvens.

å undervise i kvantefysikk 315

introduserte en ny kvantemekanikk der elektronene ble tilordnet en bølgefunksjon, var målet å bli kvitt kvantesprangene. Han håpet på at overgangene mellom energinivåene til atomer og molekyler ikke var mer mystiske enn overgangen fra en stående bølge på en streng til en annen med ulikt antall knutepunkter. De fleste fysikerne var svært glade for at Schrödinger hadde erstattet kvantesprangene med kontinuerlige overganger mellom ulike stående bølger. Men gleden var kortvarig. Det viste seg ganske snart at den kvantemekaniske bølgefunksjonen, som gjør det mulig å bestemme alt vi kan vite om et kvantefysisk system, ikke har noen fysisk tolkning. Den klassiske analogien, stående bølger på en streng, viste seg altså ikke å ha noen likheter med de kvantefysiske bølgefunksjonene. Eksperimenter viste imidlertid allerede i 1926 at kvadratet av bølgefunksjonen gir sannsynligheten for posisjonsfordeling til partikler i et spredningseksperiment. Kvadratet av bølgefunksjonen til et elektron i et atom gir for eksempel sannsynligheten for å detektere elektronet i en bestemt posisjon. Det er likevel vanlig å tolke kvantemekaniske bølgefunksjoner direkte til fysiske egenskaper i naturen. Når bølgefunksjonen som beskriver et dobbeltspalteeksperiment med fotoner og elektroner, tolkes i klassiske termer, blir resultatet at fotoner og elektroner befinner seg i begge spalteåpningene på samme tid. I kvantemekanikken betyr en måling at bølgefunksjonen kollapser og en av de mange mulighetene blir realisert. Utsagnene som sier at i den atomære verden er partiklene på mange steder på samme tid, er altså en fysisk tolkning av ikke-fysiske bølgefunksjoner. Ved å tolke kvantemekanikken i klassiske termer, altså at den sier hvordan naturen er, viskes forskjellen mellom fysikkens klassiske og kvantefysiske teorier ut (se mer om fortolkninger av kvantefysikken i avsnitt 21.3). I Hadzidaki (2008) blir elevenes misoppfatninger i kvantefysikk etter introduksjonskursene beskrevet og karakterisert som standhaftige og i stand til å overleve senere avanserte kurs i kvantemekanikk. Ved å introdusere elevene for Plancks kvantisering av energien til vibrerende ladninger får elevene mulighet til å dvele ved betydningen av begrepet kvantisert energi. Ved å fortelle at Planck og mange andre fysikere ikke kunne akseptere at konsekvensen av at energien er kvantisert, nemlig kvantesprang mellom nivåene, får elevene selv oppleve hvor ubegripelig det er at energi ikke endres jevnt.

316 kapittel 21

Hvordan oppnå hensiktsmessig forståelse av begrepet foton? De fleste lærebøkene introduserer elevene for fotonbegrepet ved å fortelle hvorfor og hvordan Einstein kom fram til den, en ny teori for lys. Ifølge den velkjente fortellingen, som vi finner i de aller fleste anerkjente lærebøkene, var det en dramatisk uoverensstemmelse mellom resultater fra forsøk med fotoelektrisk effekt og den klassiske bølgeteorien for lys som fikk Einstein til å foreslå at lys er en strøm av fotoner. Ut fra denne hypotesen kunne Einstein enkelt forklare resultatene fra fotoelektrisk effekt-forsøkene som var utført, og dermed ble fotonene akseptert. Artikkelen (Arons & Peppard, 1965; Albert Einstein, 1905) som Einstein publiserte i 1905, hvor fotonene blir presentert, blir derfor ofte omtalt som «artikkelen om den fotoelektriske effekt». Dessverre er lærebøkenes versjon av kvantefysikkens utvikling en omskrevet historie som har svært lite med den virkelige historien å gjøre (Renstrøm, 2011). Fenomenet fotoelektrisk effekt hadde ingenting med Einsteins motivasjon for å lete etter nye egenskaper til lys å gjøre. Spørsmålet er hvilke undervisningsstrategier som kan gi elevene en forståelse av at fotoner ikke har noen egenskaper felles med klassiske systemer, verken bølger eller partikler. I løpet av de fire siste tiårene har betydningen av fysikkhistorie i fysikkundervisningen for elevenes forståelse av begreper og fysikkens egenart blitt diskutert i en rekke artikler og på internasjonale konferanser (Höttecke & Silva, 2011; Kragh, 1992; Matthews, 1989, 1992b, 1994; Seroglou, Koumaras & Tselfes, 1998). At fysikkhistorie i liten grad blir brukt for å fremme elevenes begrepsforståelse, kan skyldes mangel på kurs i fysikkens utvikling i fysikklærerutdanningen og mangel på læringsmateriell tilpasset elevene og målene for opplæringen (Höttecke & Silva, 2011).Her vil vi vise hvordan en historie om hvorfor Einstein foreslo en ny lysteori, hvordan han kom fram til uttrykket for energien til lys med en gitt frekvens, og hvordan fotonene ble mottatt av samtiden, får fram de viktigste egenskapene til fotoner uten at klassiske analogier som partikler og bølger blir nevnt. Historien er i hovedsak basert på primærkilder. I den berømte 1905-artikkelen skriver Einstein at Plancks strålingslov for frekvensfordelingen i strålingen fra et legeme med en gitt temperatur ikke kan utledes fra klassiske teorier. Ifølge strålingsloven utledet fra klassisk fysikk er energien per frekvensenhet proporsjonal med kvadratet av frekvensen. Jo høyere frekvens, desto høyere energi, sier klassisk fysikk. Men virkeligheten, som Plancks lov er i samsvar med, viser at energien til strålingen går mot null

å undervise i kvantefysikk 317

for de høye frekvensene. Det var denne motsetningen mellom den klassiske fysikkens uttrykk for frekvensfordelingen i strålingen fra et legeme med en gitt temperatur og eksperimentelle resultater som motiverte Einstein til å undersøke egenskaper til lys med høy frekvens. Av en eller annen grunn valgte han å undersøke hvordan entropien til lys med en gitt frekvens endres når volumet til en kasse lyset er innelukket i, endres. Målet for Einstein er å undersøke om lys med høye frekvenser avslører en egenskap den klassiske bølgeteorien ikke omfatter. Resultat av utledningen av forandringen i entropien S til lys med totalenergi E og frekvens f når volumet til beholderen endres fra V0 til et delvolum V ble SV − SV0 =

E ⎛V⎞ ln β f ⎜⎝ V0 ⎟⎠

der β er en konstant. Einstein skriver i artikkelen at dette uttrykket viser at entropien til lys endres med hensyn på volumet på samme måte som en ideell gass med n molekyler gjør: n

R ⎛ V ⎞ nR V SV − SV0 = ln ⎜ ⎟ = ln N ⎝ V0 ⎠ N V0 der N er Avogadros tall og R er gasskonstanten. Einstein blir overbevist om at likheten mellom de to uttrykkene avslører den egenskapen ved lys han leter etter. Ved å sette de to uttrykkene lik hverandre får han et uttrykk for den totale energien E til strålingen med frekvens f i kassa: ⎛ Rβ ⎞ E = n⎜ f ⎝ N ⎟⎠ Rβ viste seg å være lik Plancks konstant h, og uttrykket for den N totale energien til lyset i beholderen er:

Konstanten

E = nhf , der n = 1, 2, 3, …n som gir energiene hf, 2hf, 3hf …nhf . Ifølge denne utledningen er den totale energien til lyset, eller strålingen, i kassa et helt tall multiplisert med energien hf, som Einsteins kalte et lyskvant. Einstein understreker i artikkelen at lyskvantene alltid opptrer som hele, altså med energi hf. Navnet lyskvant betyr altså energienheten hf. I et støt mellom et lyskvant og materie, kan lyskvantet ikke avgi en brøkdel av sin energi; bare enten hele energien eller ingenting. Det finnes lyskvanter med

318 kapittel 21 alle mulige energier, fordi lysets frekvens kan endres kontinuerlig. Men energien til et lyskvant kan verken øke eller avta. Denne egenskapen, være eller ikke være, skiller lyskvantene fra klassiske partikler som kan avgi en vilkårlig brøkdel av sin energi når de vekselvirker med materie. Energien til en vanlig partikkel kan både øke og avta. Når lyskvanter blir brukt til å eksitere et molekyl eller et atom, må lyskvantet ha nøyaktig energien som tilsvarer overgangen fra grunntilstanden og en eksitert tilstand. En partikkel derimot kan eksitere molekyler og atomer dersom energien minst tilsvarer en mulig energiovergang. Et lyskvant har altså ingen egenskaper felles med en klassisk partikkel. I 1905 var det ingen eksperimentelle resultater som kunne bekrefte Einsteins lyskvanthypotese. For at hypotesen skulle bli tatt alvorlig, valgte Einstein å bruke den til å forutsi sammenhengen mellom frekvensen til lyset og den kinetiske energien til elektronene i fotoelektrisk effekt. Einstein skriver at lyskvanthypotesen gir at når et lyskvant vekselvirker med et elektron i metallets overflate, avgir det hele sin energi hf til elektronet. Hvis denne energien er større enn metallets løsrivningsarbeid W, vil elektronet forlate metallet med kinetisk energi: Ek = hf – W I et forsøk med fotoelektrisk effekt utført av Philipp Lenard i 1902 observerte han at det ikke er noen sammenheng mellom lysets intensitet og elektronenes kinetiske energi. Et annet resultat var at for hvert metall finnes en nedre frekvensgrense for løsrivelse av elektroner. Lenard klarte ikke å måle sammenhengen mellom frekvensen til lyset og elektronenes kinetiske energi, og det var derfor ingen resultater Einstein kunne sammenlikne sin likning med. Men hvis elektronet løsrives fra metallet fordi det absorberer energi fra lyset, skulle økt lysintensitet ifølge Maxwells elektromagnetiske teori medføre økt kinetisk energi. Lenard konkluderte derfor med at fotoelektrisk effekt er et resonans fenomen, elektronene blir løsrevet fra overflaten fordi lys med samme frekvens som elektronene i metallet setter dem i svingninger, og på den måten blir de løsrevet. Denne forklaringen ble akseptert av fysikerne helt fram til 1913, da Bohrs atommodell gjorde forklaringen umulig. Einsteins hypotese om lyskvanter var det ingen andre enn han selv som hadde sans for. Utledningen av E = nhf ble oppfattet som spekulativ, og siden det ikke var behov for en ny lysteori, kunne man velge å se bort fra den i nesten 20 år. Einstein ble imidlertid verdensberømt for sin relativitetsteori, og i 1913 foreslo Planck og en rekke andre fysikere Einstein som medlem til det prøys-

å undervise i kvantefysikk 319

siske vitenskapsakademiet. Brevet til komiteen får fram samtidens oppfatning av Einsteins lyskvanthypotese: I sum kan man si at det knapt finnes ett av de store problemer som moderne fysikk er så rik på, hvor Einstein ikke har bidratt på bemerkelsesverdig vis. At han av og til har bommet i sine spekulasjoner, som for eksempel i sin hypotese om lyskvanter, kan ikke tale for mye mot ham, for det er ikke mulig å introdusere helt nye idéer i selv de mest eksakte vitenskaper uten å ta en sjanse en gang iblant. Sitert i Pais, 1982, s. 382

Fysikkverdenen oppfattet altså lyskvanthypotesen som skivebom. I 1915 mestret Robert Millikan å måle energien til elektronene som løsrives i et fotoelektrisk effektforsøk. Det viste seg at Einsteins likning stemte perfekt overens med de eksperimentelle verdiene. Men for Millikan var en bekreftelse av Einsteins likning for fotoelektrisk effekt ikke det samme som å bekrefte ideen om lyskvanter. Tvert imot omtaler han Einsteins lyskvantteori på første side i artikkelen som «bold», for ikke å si «reckless» fordi den «flies in the face of the thoroughly established facts of interference» . Millikan viser til interferensfenomenet som et bevis for at Einsteins hypotese må være feil. I kapitlet hvor Millikan drøfter teorier for fotoelektrisk effekt, gjør han det klart at selv om Einsteins likning er bekreftet i hans eksperiment, så er teorien Einstein har utledet likningen fra, uholdbar. Denne oppfatningen delte fysikerne med Millikan, som skrev: Til tross for at Einsteins likning tilsynelatende var en fullstendig suksess, har den fysiske teorien den er ment å være et symbolsk uttrykk for blitt funnet såpass uholdbar at jeg tror Einstein selv har gått bort fra den. Millikan, 1917, s. 230

Millikans artikkel om fotoelektrisk effekt kom i mars 1916. Den 21.juli samme år holdt Einstein et foredrag for et tysk fysisk selskap i Berlin hvor han diskuterte en ny utledning av Plancks strålingslov basert på atomers emisjon og absorpsjon av stråling. Det var ingenting i dette foredraget som tydet på at han hadde gått bort fra lyskvantideen. Fysikerne var overbevist om at det var mulig å komme fram til den riktige likningen for fotoelektrisk effekt uten å ta i bruk Einsteins lyskvanter. Samme år som Millikan publiserte sin artikkel, utvidet Einstein sin teori med lys ved å bruke det relativistiske uttrykket for sammenhengen mellom energi E og bevegelsesmengde p på et lyskvant: E=

(mc ) + ( pc ) 2 2

= pc

320 kapittel 21 fordi massen m til et lyskvant er null, p er bevegelsesmengde og c er lysfarten. Fra 1916 er det to uttrykk for lyskvantenes energi: E = pc E = hf som gir at bevegelsesmengden p til et lyskvant med frekvens f er: p=

hf h = c λ

De masseløse lyskvantene kan ifølge Einsteins teori beskrives med størrelsene energi og bevegelsesmengde. I 1921 ble Einstein tildelt nobelprisen for sine arbeider innen teoretisk fysikk og likningen for fotoelektrisk effekt. Lyskvanthypotesen nevnes ikke i begrunnelsen. Ingen var i tvil om at den viktige likningen kunne utledes uten å gjøre bruk av lyskvanter. Vendepunktet for lyskvantenes skjebne kom i 1923 da Arthur Compton publiserte en artikkel som handlet om spredning av røntgenstråler mot elektroner. Han skriver at når han betrakter spredningen som et elastisk støt mellom lyskvanter og elektroner og krever at energi og bevegelsesmengden skal være bevart, kan han perfekt redegjøre for de eksperimentelle resultatene. Ved å anvende Maxwells teori derimot, er det ikke samsvar mellom teori og eksperiment. Niels Bohr, som i 1913 hadde lyktes i å utvikle en kvantemodell for atomet, var en av lyskvantenes sterkeste motstandere. For Bohr var det først og fremst interferensfenomenet som overbeviste han om at lys er et bølgefenomen, og det er ikke lyskvanter. Men da nye og svært nøyaktige spredningseksperimenter bekreftet Comptons funn i 1924, skrev Bohr i et brev at det ikke var annet å gjøre enn å gi innsatsen mot lyskvantene en så hederlig begravelse som mulig. I 1926 skiftet lyskvantene navn til fotoner. Energien til monokromatisk lys med frekvens f består av n udelelige fotoner. Men hvordan kan interferensmønsteret oppstå i et dobbeltspalteeksperiment med lys hvis det er udelelige fotoner som sendes gjennom spaltene? Når ett og ett foton ble sendt mot dobbeltspaltene, dukket det ikke opp et svakt interferensmønster som ble sterkere etter hvert som antall fotoner økte. Alle fotonene avsatte ett merke på skjermen. Ett foton oppfører seg altså ikke som en bølge når det sendes gjennom to spalter. En vannbølge som passerer en spalte, vil uansett amplitude vise et interferensmønster. Etter at flere tusen fotoner har passert gjennom spaltene, danner prikkene til sammen et interferensmønster. Interferens og diffraksjon er altså statistiske fenomener.

å undervise i kvantefysikk 321

Ved å formidle historien om hvordan fotonene ble introdusert i fysikken, er det mulig å dvele ved egenskapene til fotoner uten å trekke inn klassiske analogier. I tillegg gir det elevene mulighet til å oppdage at det ikke er riktig, slik lærebøkene ofte gir inntrykk av, at når et eksperiment bekrefter en hypotese, så blir den akseptert (se også kap. 3). Det kan være fristende i undervisningen å spørre «Hva er et foton?», og på tilsvarende måte «Hva er et elektron?», men her bør man være bevisst på hva man da spør etter. Som vi har sett, er både fotoner og elektroner ting som sakner klassiske analogier. Derfor kan man ikke svare slike spørsmål med noe enkelt som «en bølge» eller «en partikkel», begge disse svarene og alle varianter hvor «bølge» og «partikkel» blir byttet ut mot noe fra klassisk fysikk eller hverdagen, er rett og slett feil eller i det minste grovt overforenklede (se også diskusjonen av begrepet «kvanton» i kapittel 21.3).

Bohrs kvantemodell for atomet og teori for hydrogenatomet Sentralt i elevenes opplæring i kvantefysikk er Niels Bohrs kvantemodell for atomet. Mange lærebøker velger å formidle atomfysikk i en historisk kontekst. Historien som fortelles i velrenomerte lærebøker er velkjent, men inneholder mange myter og er et eksempel på en omskrevet historie (Renstrøm, 2011). Problemet med den omskrevne versjonen er at den ikke bidrar til at elevene får en riktig forståelse av forskjellen mellom Bohrs kvantemodell for atomet og teori for hydrogen. Elevene går også glipp av et unikt eksempel på hvor viktig tilfeldigheter kan være i utviklingen i en av fysikkens viktigste oppdagelser. En detaljert framstilling av Bohrs vei til en modell for atomet basert på primær- og sekundærkilder er gitt i artikkelen Niels Bohrs vei til en kvanteteori for atomets struktur (Renstrøm, 2013a), i heftet Kvantedramaet (Renstrøm & Renstrøm, 2015) og i artikkelen Bohrs vei til en modell for atomet (Renstrøm, 2013b) er framstillingen tilegnet fysikkelever. Her velger vi ut de hendelsene og begivenhetene i denne utviklingen som kan bidra til at elevene oppnår forståelse av hvor revolusjonerende modellen og teorien var, og som viser hvor mangfoldig utviklingen av nye og revolusjonerende teorier i fysikken er. I 1904 ble det foreslått to atommodeller med elektroner, den ene av John Thomson i Cambridge og den andre av japaneren Hantaro Nagaoka i Manchester. I begge modellene beveger elektronene seg i sirkelbaner. I Thom-

322 kapittel 21 sons modell beveger elektronene seg i en sfære av positiv ladning, og i Nagaokas modell beveger elektronene seg rundt en positivt ladd kjerne. Thomsons modell ble den toneangivende fram til 1911 fordi modellen er mekanisk stabil. Elektronene beveger seg i stabile baner. I Nagaokas såkalte planetmodell er elektronbanene ustabile. Hvis elektronene kommer ut av sine baner, blir de ikke trukket tilbake. For å forklare at atomer emitterer lys med bestemte frekvenser, kan elektronene i tillegg til å sirkulere også vibrere med bestemte frekvenser når de tilføres energi. Atomene vil emittere lys med samme frekvens som elektronene vibrerer med, slik Plancks ladninger gjør. Ernest Rutherford ledet på denne tiden verdens førende senter i utforskning av radioaktivitet, og i 1909 ble det gjennomført et spredningseksperiment med alfapartikler mot tynne folier av gull. Rutherford konkluderte at spredningsvinklene til alfapartiklene kun var mulig å forklare dersom atomene har en positivt ladd kjerne, som i Nagaokas modell. Rutherford publiserte resultatene av eksperimentet og denne konklusjonen i en artikkel i mai 1911, samme måned som Bohr disputerte for doktorgraden i København. Avhandlingen til Bohr handlet om elektronteorier for metaller og hadde ingenting med atommodeller å gjøre. Bohr valgte å tilbringe sin postdocperiode i England fra høsten 1911 til sommeren 1912. Høsten var han i Cambridge under ledelse av Thomson og våren i Manchester under ledelse av Rutherford. Bohr var helt fram til juni 1912 kun opptatt av å arbeide videre med sin avhandling, og det var tilfeldig at han i juni 1912 i Manchester ble interessert i atomets struktur. Bohr har fortalt at mens han ventet på noe radium til et eksperiment, hadde han tatt seg tid til å lese en artikkel av en kollega, Charles Darwin, som hadde utledet en teori for hvordan alfapartiklene taper energi i kollisjonene med elektronene i gullfolien de passerer gjennom. I beregningene hadde Darwin gjort en forenkling og antatt at elektronene kunne betraktes som frie partikler, altså se bort fra bindingen til kjernen. Darwins teori for alfapartiklenes fartstap stemmer ganske godt overens med flere kjente egenskaper til atomene, men den forutsier også egenskaper som opplagt var feil. Bohr forsto at årsaken til disse feilene var å anta at elektronene ikke er bundet til kjernen. Han bestemte seg for å forbedre Darwins utledning og publisere en artikkel om temaet. Men langt viktigere enn å forbedre en teori for alfapartiklers fartstap gjennom folier var at denne hendelsen førte til at Bohr ble interessert i atomets bygning, som han skriver i et brev til sin bror. Han skriver at han har en idé om hvordan han kan komme fram til et uttrykk for energien til atomene i deres grunntilstand. Modellen Bohr valgte å ta utgangspunkt i, var Nagaokas planetmodell, der elektronene beveger seg i sirkelbaner rundt en

å undervise i kvantefysikk 323

positivt ladd kjerne. Ved å bruke Newtons 2. lov for sirkelbevegelse fikk han en sammenheng mellom radien i banen og farten til elektronene. Men siden begge disse størrelsene er ukjente, introduserte Bohr en hypotese det ikke er mulig å utlede fra noen klassiske teorier, nemlig at elektronenes kinetiske energi v er proporsjonal med omløpsfrekvensen ω = : 2π r 1 h⎛ v ⎞ Ek = mv 2 = ⎜ ⎟ 2 2 ⎝ 2π r ⎠ der proporsjonalitetsfaktoren er h/2 og r er radien i banen. Med denne hypotesen, og den klassiske likningen, fikk Bohr at grunntilstands energien til atomene er gitt ved: E = −X

2mπ 2e 4 h2

der X er en konstant som er avhengig av antall elektroner i atomet, m er massen til elektronet, og h er Plancks konstant. Ved å tilpasse konstanten X fikk Bohr formelen til å stemme overens med eksperimentelle målinger. Bohr rakk å gjøre dette arbeidet ferdig før han måtte reise tilbake til Danmark. Utover høsten 1912 fortsatte han å arbeide med en artikkel som skulle handle om egenskaper til atomer i grunntilstanden. Bohr la flere ganger vekt på at han ikke var interessert i å prøve å forstå opphavet til atomenes linjespekter. Han var på dette tidspunktet overbevist om at strålingen fra atomer kom fra vibrerende elektroner i atomet. Eneste måte man kjente til at stråling med en gitt frekvens kunne oppstå på, var at ladninger vibrerte med samme frekvens. I et brev til Rutherford datert 31.januar 1912 skriver Bohr at han er i ferd med å avslutte artikkelen han påbegynte i Manchester, og at den ikke vil inneholde noen forsøk på å forklare frekvensene i atomenes linjespekter. Han skriver: Jeg befatter meg overhodet ikke med spørsmålet om beregninger av de frekvenser som svarer til linjene i det synlige spekteret. Jeg har kun forsøkt, på grunnlag av en enkel hypotese som jeg har benyttet fra starten av, å diskutere atomets og molekylenes struktur i deres «permanente» tilstand; det vil si at jeg har forsøkt å utlede det angjeldende systems enkle generelle egenskaper uten – i tråd med ditt råd – å begi meg inn på detaljerte beregninger av noe spesielt system annet enn det aller enkleste. Hoyer, 1981, s. 579

324 kapittel 21 Men artikkelen som Bohr sendte til Rutherford 6. mars, handler nesten utelukkende om en ny og revolusjonerende forklaring på linjespektrene. Denne forklaringen er Bohrs kvantemodell for atomet, og den gjelder fortsatt. Det var et møte med Hans Marius Hansen, som arbeidet ved universitetet i Göttingen, i februar 1913 som gjorde at Bohr la til side artikkelen han holdt på med, og skrev en ny som innførte noe helt nytt i fysikken. I samtalen med Hansen ble Bohr spurt om hans atommodell stemte overens med Balmers formel for frekvensene til linjene i hydrogenspekteret. Bohr, som ikke hadde vært opptatt av spektrene og ikke hadde gjort noen beregninger for frekvensene i spektrene, måtte innrømme at han ikke kjente til denne formelen, men han lovet å finne ut av det. Bohr har fortalt flere ganger at straks han så Balmers formel for frekvensene i lyset fra hydrogen, forsto han mekanismen bak utsendelsen av lys fra atomer. Bohr merket seg at i Balmers formel er det en differanse mellom to brøker med kvadrattall i nevneren: ⎛ 1 1⎞ f = R⎜ 2 − 2 ⎟ ⎝2 n ⎠ Bohrs uttrykk for energien til grunntilstanden har også et kvadrat i nevneren. Differansen mellom to energiledd ville komme på samme form som Balmers formel. Det kunne bety at frekvensen i lyset fra et atom ikke er koblet til vibrasjonsfrekvenser til elektronene i atomet, men er bestemt av energioverganger i atomet. Men i Bohrs modell var det foreløpig kun én tilstand, grunntilstanden. For å innføre flere tilstander kvantiserte han elektronenes kinetiske energi: ⎛ h⎞ ⎛ v ⎞ Ek = n ⎜ ⎟ ⎜ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2π r ⎟⎠ der n = 1, 2, 3, 4... Ved å koble dette uttrykket med Newtons 2. lov for sirkelbevegelsen til elektronet i hydrogenatomet fikk Bohr at energien til tilstandene i hydrogen er: E=−

2mπ 2e 4 n 2h 2

Bohr antok at energien til lyset som blir emittert når atomet endrer energi, er gitt ved hf. Frekvensen i lyset som emitteres når energien endres fra en tilstand med kvantetall n til en tilstand med kvantetall m er:

å undervise i kvantefysikk 325

f =

En − Em 2mπ 2e 4 ⎛ 1 1⎞ = ⎜⎝ 2 − 2 ⎟⎠ 2 h h m n

Bohr sammenliknet dette uttrykket med Balmers formel for frekvensene i strålingen fra hydrogen og fant at de stemte godt overens. Denne historien viser at det er forskjell på Bohrs kvantemodell for atomet, altså at atomer har kvantisert energi, og at frekvensen i lyset fra atomer ikke har noe med egenfrekvenser til elektroner i atomet å gjøre, og likningene han brukte til å utlede et uttrykk for energiene til tilstandene i hydrogenatomet. Ettertiden viste at disse likningene ikke kan brukes til å beregne energien til tilstandene i atomer med flere elektroner. Men kvantemodellen gjelder for alle atomer. Da Einstein ble klar over at Bohrs modell også stemte for frekvensene i lyset fra ionisert helium, sa han: Så avhenger altså ikke frekvensen i lyset som sendes ut fra et atom med frekvensen til elektronet i atomet. Dette er et enormt fremskritt. Sitert i Pais, 1996, s. 176

Elever og studenter kan lett få en oppfatning av at Bohrs modell kun gjelder for hydrogen, og at den i tillegg ikke er riktig. Ved å skille modellen fra teorien blir elevene oppmerksomme på at i Bohrs beregninger av energien til tilstandene i hydrogenatomet bruker han en klassisk likning, Newtons 2. lov, som skulle vise seg ikke å ha noe å gjøre i den atomære verden. Sirklene måtte ut av atomene. Ofte blir sirklene beskrevet som en del av Bohrs atommodell, men de er en del av teorien for beregninger av energinivåene. Historien om Bohrs vei til en ny atommodell får også fram at selv i de eksakte vitenskapers historie spiller tilfeldigheter noen ganger en viktig rolle.

21.3 Språk og filosofi i undervisning av kvantefysikk I videregående skole blir kvantefysikk for det meste behandlet med lite matematikk, siden den matematiske formalismen i kvantemekanikk er nokså avansert. Dette gjør det ekstra krevende for lærerne, som ikke kan aktivisere elevene med regneoppgaver og laboratorieforsøk i samme grad som i andre temaer i fysikken. Samtidig åpner dette for å variere undervisningsformen i fysikk, for eksempel ved historisk tilnærming eller ved å bruke diskusjoner og skriveoppgaver som

326 kapittel 21 læringsverktøy. Bevisst bruk av språk er viktig i all fysikkundervisning, men kanskje spesielt i kvantefysikk, der vi i skolen er avhengig av kvalitative beskrivelser for å bygge opp et nytt begrepsapparat. En del av begrepene i kvantefysikk brukes også i klassisk fysikk, men kan ha en litt annen betydning i kvantefysikken. I tillegg åpner kvantefysikk for en del filosofiske aspekter hvor det ikke alltid finnes «fasitsvar». I kapittel 14 skriver vi om språk og læring i fysikk generelt, og viser eksempler på dialogisk undervisning med gruppediskusjoner i kvantefysikk. I 2016 ble vitenprogrammet Kvantefysikk (www.viten.no/kvantefysikk/) lansert for å støtte lærerne med undervisning i dette emnet. I utviklingen av programmet ble det lagt ekstra vekt på at elevene skal bruke språket i skriftlige og muntlige oppgaver, og få innblikk i filosofiske dilemmaer som kvantefysikken skaper. I tillegg gjorde den digitale plattformen det mulig å bruke animasjoner, filmer og simuleringer til å visualisere fenomener fra kvantefysikk. Det foregående delkapitlet om kvantefysikkens historie (21.2) illustrerer hvordan fysikere utviklet ny teori for å møte eksperimentelle resultater som rokket ved fundamentale klassiske antakelser om verden, for eksempel anta kelsen om kontinuitet. Viten-programmet Kvantefysikk starter med en animasjonsfilm om kvantefysikkens historie med spørsmålet «hva er lys?» i sentrum. Etterpå inviteres elevene inn i den filosofiske diskusjonen rundt at kvantefysikken beskriver lys som noe som kan vise både partikkel- og bølgeegenskaper. Før animasjonsfilmen får elevene spørsmålet: «Hva tenker du at lys er? Beskriv det så godt du kan. Bruk mellom tre og fire setninger.» Tanken bak denne oppgaven er å la elevene å gi uttrykk for hvilke forestillinger de har om lys, og ikke minst, la dem skrive seg i gang (jf. kapittel 15). De får trening i å formulere seg skriftlig, og gjennom svarene sine kan de danne et grunnlag for den videre diskusjonen om lys. Det følgende er noen eksempler på slike skriftlige svar fra elever (se Henriksen et al. 2018 for flere eksempler) . Elev 1: Jeg tenker at lys er bølger og partikler. Denne formuleringen tyder på at eleven er kjent med bølge/partikkel-dualismen fra tidligere undervisning, men reflekterer ikke over at det kan være noen motsetning mellom de to modellene. Elev 2: Lys er en strøm av fotoner. Det har både bølgeegenskaper og partikkelegenskaper.

å undervise i kvantefysikk 327

Her slår eleven først fast at lys er fotoner, for deretter å framheve dualismeperspektivet. Elev 3: Jeg tenker at lys er både bølger og partikler på samme gang. Partiklene kan være på flere steder samtidig og kan flytte på seg uten å liksom trenge å bevege seg fra A til B. Så lys er ganske rart. Dette er et eksempel på hvordan en elev kan gi uttrykk for en undring over lysets natur, og at dualismeperspektivet ikke er uproblematisk. Eksemplene viser hvordan elever kan uttrykke sin forståelse gjennom skriftlige formuleringer, og der de i ulik grad kan bruke fysikkfaglige begreper og terminologi. Slike «skriv deg i gang»-oppgaver kan også gi lærer anledning til å kartlegge og forstå elevenes kunnskaper innenfor et tema før undervisningen tar til. Spørsmålet om hva lys er, peker mot en mer grunnleggende og filosofisk diskusjon knyttet til bølge/partikkel-dualismen. Niels Bohr betraktet bølge/ partikkel-dualismen som en fundamental egenskap ved naturen. Han så på denne dualismen som et aspekt av det han kalte komplementaritet, et begrep han introduserte i 1927: «The two views of the nature of light are rather to be considered as different attempts at an interpretation of experimental evidence in which the limitation of the classical concepts is expressed in complementary ways» (Bohr, 1928, s. 581).Blant fysikere er det bredt akseptert at lys oppfører seg som bølger i noen eksperimenter og som partikler i andre. Men hva som menes med denne dualismen på et mer fundamentalt (ontologisk29) plan, er ikke så klart og er fortsatt tema for diskusjon (se f.eks. Bunge, 2003). Ifølge Niels Bohr og den såkalte københavnerfortolkningen av kvantefysikken er det ikke fysikkens oppgave å framstille den «sanne» naturen til et fenomen (se også kapittel 1). Fysikken kan bare gi oss et verktøy til å forutsi og presist uttrykke resultatet av et eksperiment eller en prosess vi kan observere. Bohr (1961, s. 18) skrev: «In our description of nature the purpose is not to disclose the real essence of the phenomena but only to track down, so far as it is possible, relations between the manifold aspects of our experience.» I en slik instrumentell forståelse av kvantefysikken blir spørsmålet om «den sanne naturen» til lys meningsløs. Eller som Baily og Finkelstein (2010, s. 2) har bemerket:

Ontologi handler om hva som grunnleggende sett finnes.

328 kapittel 21 The positivistic aspect of the Copenhagen Interpretation (the refusal to discuss meaning or reality) is arguably one reason why this particular interpretation has maintained such popularity over the years, in that it allows practicing physicists to apply quantum theory without having to worry about what is «really going on» (otherwise known as «Shut Up and Calculate!»).

En annen filosofisk posisjon er realisme, som har som utgangspunkt at verden eksisterer uavhengig av en observatør, og at vitenskapelige begreper kan representere «objektive, strukturelle aspekter ved den fysiske verden» (Karakostas & Hadzidaki, 2005, s. 607). Våre daglige erfaringer og observasjoner er basert på realisme. Vi tenker det er en virkelig måne vi ser på kveldshimmelen og at den eksisterer også når vi ikke kan se den. Spørsmålet er om det er annerledes med fotoner og lys. I et realistisk perspektiv er det vanskelig å forestille seg at lys kan være virkelig partikkel og virkelig bølge samtidig. For å løse dette problemet har Bunge (2003) foreslått at københavnerfortolkningen av kvante fysikken bør erstattes med en realisme-fortolkning, og han har introdusert begrepet «quanton». Kvanton er tenkt som et virkelig kvanteobjekt som er udelelig (en partikkelegenskap), men spredt ut i rom og tid bestemt av Heisenbergs uskarphetsrelasjon (en bølgeegenskap). Dermed kunne en både unngå bølge/ partikkel-dualismen og analogier til klassisk fysikk. Så vidt vi vet, er det bare i Frankrike begrepet kvanton er introdusert i læreplanen for videregående skole. Det har imidlertid vist seg at begrepet er lite brukt i franske lærebøker, og det er lite som tyder på at undervisningen i kvantefysikk i Frankrike i særlig grad støtter seg på kvanton-begrepet (Lautesse, Valls, Ferlin, Héraud & Chabot, 2015). Vi så ovenfor noen eksempler på elevers svar på spørsmålet «Hva tenker du at lys er?», og analysen av svarene viste at de fleste elevene svarte i tråd med lærebøkene at lys kan være, oppføre seg eller beskrives som bølger og partikler. Det var imidlertid få som reflekterte over motsetningen mellom en modell av lys som bølger og en partikkelmodell. Etter at elevene hadde arbeidet med læringsressursene en stund, ble de bedt om å diskutere i små grupper spørsmålet: «Går det an å tenke seg at lys er både bølge og partikkel?» Svarene og diskusjonene til elevene var nå mer nyanserte, og flere elever erkjente dualismeparadokset. I flere tilfeller ga elevene uttrykk for at lys viste bølge- eller partikkelegenskaper avhengig av situasjonen eller et eksperiment. Det framkom imidlertid også misforståelser av typen «fotoner er partikler som har en bølgeformet bevegelse». Dette understreker problemet diskutert i avsnitt 21.2med å lene seg på begreper fra klassisk fysikk når kvantefysiske systemer skal beskrives; elevene har lett for å trekke slike klassiske analogier for langt. Henriksen et al. (2018) påpe-

å undervise i kvantefysikk 329

ker imidlertid at resultatene av undersøkelsen viser at elever på videregående skolenivå er i stand til å gripe og diskutere sentrale dilemmaer i forståelsen av bølge/partikkel-dualismen. Det følgende er fra en diskusjon mellom to elever: Elev 1: Jeg skrev at lys har bølge-natur og partikkel-natur og lys har ikke masse, men bølgelengde og frekvens. Elev 2: Bølgelengde og frekvens? Men hvis de oppfører seg som fotoner som er partiklene så er det vel ikke bølgelengde og frekvens som partikler? Elev 1: Nei. Da ville det bare være bølgenatur, da. Elev 2: Ja, de har vel ikke bølgenatur heller hvis man ser på det som fotoner. Det er det som er problemet da, er det ikke? At det kan oppføre seg fint som begge deler. Og begge deler er gyldig, mens begge deler også motsier seg selv liksom, det er paradoksalt. Denne diskusjonen viser med all tydelighet at noen elever er i stand til å formulere filosofiske dilemmaer, og dette er også et godt eksempel på det som vi kalte produktiv diskusjon i kapittel 14. Diskusjonsoppgaver i kvantefysikk har også avdekket at begrepet observasjon er utfordrende i kvantefysikk. Å forstå at observasjon må involvere en vekselvirkning er vesentlig for å få en konstruktiv forståelse av for eksempel dobbeltspalteeksperimentet med elektroner. I dette eksperimentet viser elektro ner bølgenatur ved å produsere interferensmønster når de sendes gjennom en dobbeltspalte og mot en skjerm. Men hvis man forsøker å observere hvilken spalte et enkelt elektron går gjennom, forsvinner interferensmønsteret og elektronene oppfører seg som partikler. Huseby (2018) studerte i sin masteroppgave hvordan elever forstår dette eksperimentet. Han fant at mange elever tolker ‘observere’ som å se, altså en passiv registrering. Selv elever som tolket observasjon som en måling, hadde i liten grad inkludert en vekselvirkning i sin forståelse, altså at observasjonen påvirker det som observeres. Dette gjorde kvantefysikken enda mer mystisk enn den behøver å være for elevene, ved at de for eksempel i diskusjonene funderte på hvordan elektronene kan oppføre seg annerledes når de blir observert, som om de var levende, altså at de har en bevissthet om at noen ser på dem og derfor endrer oppførsel. Å vektlegge observasjon som vekselvirkning i undervisningen vil kunne gjøre dette klarere for elevene, og i tillegg tydeliggjøre forskjellen på de ulike filosofiske tolkningene av kvantefysikk vi har beskrevet i det foregående.

330 kapittel 21 Undervisning med fokus på språk og kvalitativ forståelse med bruk av historiske og filosofiske perspektiver er imidlertid uvant for mange elever og lærere. Den kvalitative tilnærmingen gjør at regneoppgavene det brukes mye tid på i mekanikk og elektromagnetisme, blir erstattet med for eksempel gruppediskusjoner og tekstoppgaver. Historiske og filosofiske aspekter er ikke mye vektlagt i et gjennomsnittlig fysikklasserom. Hvordan opplever elever en slik utradisjonell undervisningsform? Bøe et al. (2018) studerte dette på bakgrunn av fokusgrupper med elever som hadde jobbet med vitenprogrammet Kvantefysikk. De fant at overgangen fra regneoppgaver med fasit til kvalitative skrive- og snakke oppgaver gjorde det vanskelig for elevene å følge med på hvor godt de presterte. Videre så de at historiske og filosofiske perspektiver motiverte elevene, men at de så på det som krydder mer enn som noe de skulle lære. Forfatterne anbefalte å hjelpe elevene med å identifisere god begrepsforklaring og god fysikkargumentasjon som prestasjoner i fysikk og, kanskje viktigst, å eksplisitt peke på historiske og filosofiske aspekter som læringsmål i seg selv. Kvantefysikk representerer en mulighet til å gjøre elevene kjent med historisk-filosofiske aspekter ved fysikken, til å la dem øve på å tenke og argumentere med fysikkbegreper, og til å prøve ut litt andre læringsaktiviteter enn man bruker i andre fysikktemaer. Vi tror at kvantefysikk kan bidra til å vise fram fysikken som et dynamisk kunnskapsområde utviklet gjennom diskusjon og meningsbrytning og drevet fram av menneskelig nysgjerrighet og kreativitet.

å undervise i astronomi og astrofysikk 331

Kapittel 22

Å undervise i astronomi og astrofysikk Medforfatter i dette kapitlet: Cathrine Wahlstrøm Tellefsen For 13,8 milliarder år siden, etter vår foreløpig beste vitenskapelige forståelse, oppsto tid og rom, masse og energi – kort sagt alt vi vet om og noen gang kommer til å få vite om – fra den begivenheten vi kaller «Big Bang». Siden har universet utvidet seg, dannet stjerner og galakser, planeter – og ganske nylig oss mennesker. For 1,3 milliarder år siden – kort etter at flercellede organismer hadde begynt å utvikle seg på jorda – kolliderte to sorte hull og sendte gravitasjonsbølger gjennom tidrommet. I 1916 forutsa Albert Einstein at slike bølger skulle eksistere, og 100 år senere, i 2015, ble gravitasjonsbølgene fra de sorte hullene detektert på jorda og åpnet dermed en ny æra i astronomien. Beskrivelsen over illustrerer kanskje hvorfor mange elever lar seg engasjere i denne delen av fysikkfaget: Astronomien trekker opp de helt store perspektivene og stimulerer til refleksjon over menneskets plass i universet og hvordan verden slik vi kjenner den, har blitt til. Astronomi er den eldste av naturvitenskapene og har helt siden antikken spilt en viktig og spesiell rolle for menneskene. Historisk sett har astronomi spilt en sentral rolle i utdanning ved å inngå som en av de sju frie kunstene; grammatikk, retorikk, dialektikk, musikk, aritmetikk, geometri og astronomi. Astronomi er et av de temaene som vekker sterk interesse hos elever, både jenter og gutter, og er for mange elever starten på en bredere interesse for realfagene og for realfaglig utdanning. Dessuten fascinerer astronomien fordi den stadig er i rask utvikling; her gjøres banebrytende oppdagelser i vår egen tid, i motsetning til andre deler av skolefysikken der f.eks. Newtons lover har vært uforandret i hundrevis av år. Mange får interessen for astrofysikk stimulert også utenfor skolen, gjennom populærvitenskapelige TV-program og tidsskrifter, og slike kilder kan representere en ressurs i undervisningen.

332 kapittel 22

22.1

Elevforestillinger og undervisnings strategier knyttet til solsystemet og jord–måne-systemet

Det finnes mange misoppfatninger innen astronomi, ikke bare hos yngre barn, men også hos eldre elever og hos voksne. Noen av dem dreier seg om mer jordnære (bokstavelig talt!) fenomener enn de store spørsmålene nevnt ovenfor. Det er viktig å være bevisst på disse misoppfatningene som kan sitte igjen hos elever i ungdomsskolen og i videregående skole, og ta opp disse i undervisningen. Vi ønsker jo ikke elever som kan alt om utviklingen av sorte hull, men som fortsatt ikke vet hvorfor det er årstider på jorda! PISA-undersøkelsen fra 2003 (Kjærnsli, Lie, Olsen, Roe & Turmo, 2004) viste at norske 15-åringer var usikre på fenomener som dag/natt, årets gang, og ikke minst årsaken til årstider. For eksempel svarte 1/3 av elevene på en PISAoppgave at vi har dagslys og mørke fordi jorda kretser rundt sola, mens under halvparten svarte at jordas rotasjon rundt sin egen akse var årsaken. Elever (og mange voksne!) har ofte misoppfatninger om størrelser i universet. Jordas størrelse blir gjerne overvurdert, mens avstander i solsystemet og i universet for øvrig blir undervurdert. I en undersøkelse publisert i 2018 ba Rajpaul og medarbeidere (Rajpaul, Lindstrøm, Engel, Brendehaug & Allie, 2018) norske ungdomsskoleelever om å rangere følgende fra minst til størst: galakse, planet, stjerne, univers, solsystem. Litt under halvparten av elevene gjorde dette helt riktig. Den alminneligste misforståelsen var å rangere planeter som større enn stjerner. Slike misoppfatninger om størrelser og avstander kan oppstå når vi bruker skjematiske figurer som ikke er korrekte skalamodeller. Fordi det ikke er mulig å presentere en korrekt skalamodell i en bok, nøyer man seg ofte med å presentere f.eks. sola og planetene i riktig størrelse i forhold til hverandre, mens avstandene blir feil. Dette bidrar til å forsterke misoppfatningene selv om det står at avstandene ikke er korrekte. For å møte slike misoppfatninger kan det være en god idé å lage sin egen skalamodell30. Det kan være nyttig å skritte opp solsystemet, for eksempel i en skala 1:10 milliarder. Da blir sola på størrelse med en melon eller grapefrukt, planetene får størrelser fra små pepperkorn til kirsebær, avstanden fra sola til den ytterste planeten (Neptun) blir 450 meter, og avstanden til nærmeste stjerne (utenom sola) blir omtrent som avstanden fra Oslo til Kairo! 30

Se for eksempel http://www.exploratorium.edu/ronh/solar_system/ eller http://thinkzone.wlonk.com/ SS/SolarSystemModel.php

å undervise i astronomi og astrofysikk 333

Elever har også problemer med å forklare hvorfor vi har årstider. Her kan det være lurt å be elevene starte med å skissere forklaringen for en medelev. Mange vil foreslå forklaringen at det er sommer i Norge når jorda er nærmest sola. De har lært at banen er ellipseformet, og at avstanden til sola derfor varierer. Men de fleste vet også at det er sommer i Australia når det er vinter i Norge. Hvis ellipsebanen var årsaken til årstidene, burde den nordlige og sydlige halvkule ha de samme årstidene. Dette kan vi bruke til å skape en kognitiv konflikt hos elevene: Det kan ikke være avstanden til sola som bestemmer om det er sommer eller vinter! Vi kan tydeliggjøre at jordaksen ikke står vinkelrett på baneplanet omkring sola ved å studere solhøyden til forskjellige tider på året og se på solinnstrålingen per kvadratmeter, og koble det til oppvarming. Til slutt kan vi konkludere med at det er helningen på jordaksen i forhold til baneplanet som er årsaken til årstidene. Når nord peker vekk fra sola, har vi vinter i Norge. Vi kan modellere hvordan jordas posisjon gir årstidsvariasjoner ved å henge opp en stjerne (Nordstjernen) på veggen i klasserommet, plassere en lampe midt i rommet som sola, og skissere jordas bane rundt sola med kritt på gulvet. La en elev være jordkloden, med en globus i hånda. Eleven må la jordaksen peke mot Nordstjernen mens hun beveger seg rundt langs jordbanen (husk at jorda beveger seg rundt sola MOT urviseren). Be henne stille seg opp der det er midtsommer, midtvinter, vårjevndøgn og høstjevndøgn. Be til slutt alle elevene om å stille seg opp på fødselsdagen sin! Det kan godt være at elever har et overdrevent bilde av hvor ellipseformet jordbanen er. Vi kan lage en skalamodell som viser forskjellen mellom største og minste avstand. I perihel (nærmest sola, i januar) er avstanden ca. 147 millioner km. I aphel (lengst fra sola, i juli) er avstanden ca. 152 millioner km. Dette betyr at sommerhalvåret er lenger enn vinterhalvåret i nord (jf. Keplers andre lov). Flere undervisningsideer knyttet til jord-sol‒måne-systemet om jord finnes i Persson (2013). Mange elever har også problemer med å gi en korrekt forklaring på månefaser og formørkelser; for eksempel forveksler en del elever månefaser med formørkelser ved at de forklarer månefaser med jorda som kaster skygge. Når det gjelder formørkelser, kan det være greit å være klar over at vi får måneformørkelse bare ved fullmåne, siden måne, jord og sol må ligge på samme linje (med jorda mellom sola og månen) for at månen skal komme inn i jordskyggen og bli formørket. Vi får likevel ikke måneformørkelse ved hver fullmåne, fordi månen ved de aller fleste fullmåner passerer under eller over jordskyggen. Det kommer av at månens baneplan heller 5° med jordbanens plan. Dette kan illustreres med ulike planetarieprogram, se også avsnitt 22.7.

334 kapittel 22

22.2 Elektromagnetisk stråling og spektroskopi Astronomi og astrofysikk har vært, og er fortsatt, hovedsakelig basert på observasjoner av lys og annen elektromagnetisk stråling fra objekter på himmelen. Jordatmosfæren slipper ikke igjennom hele spekteret av elektromagnetisk stråling. For å studere andre bølgelengder enn synlig lys, mikro- og radiobølger må vi benytte instrumenter utenfor jordatmosfæren. Dette har skjedd siden 1970-tallet, først gjennom rakettoppskytninger, og senere ved å sende instrumenter i bane omkring jorda eller utover i solsystemet. Inngangen til romalderen førte til en dramatisk økning i vår kunnskap om universet, spesielt gjennom romteleskopet Hubble, som ble sendt ut i rommet i 1990, og som fortsatt tar bilder av universet både med synlig lys, IR- og UV-stråling. Det finnes i dag en rekke romteleskoper i bane i tillegg til Hubble. Forståelse av det elektromagnetiske spekteret og egenskapene til de ulike typene stråling er sentralt for å forstå astrofysikk. Spektrene fra stjerner, den kosmiske bakgrunnsstrålingen, gammaglimt fra supernovaer, radiobølger fra pulsarer og andre kilder gir informasjon om fysikken i universet.

Planckfunksjonen Det første vi kan la elevene få kjennskap til, er at stjernene har forskjellige farger. Ikke alle har godt nok fargesyn til å se dette, men de aller fleste klarer å se at f.eks. Betelgeuse er mer rødlig enn Rigel i stjernebildet Orion. Fargeforskjellen kommer av stjernens overflatetemperatur. Dette har sammenheng med at stjernen stråler som et svart legeme. For å forstå hva vi mener med et svart legeme, kan vi bruke elevenes kjennskap til farger. En rød gjenstand reflekterer hovedsakelig lange bølgelengder i det lyset som treffer den, mens en hvit gjenstand reflekterer alle bølgelengder. En svart gjenstand reflekterer ingen bølgelengder. Det er nettopp dette som er definisjonen av et svart legeme – det stråler kun på grunn av sin egen temperatur og ikke på grunn av refleksjon av lys fra en utenforliggende kilde. Plancks strålingslov beskriver strålingen fra et svart legeme. I astrofysikk skal elevene kjenne til to spesialtilfeller av denne strålingsloven, nemlig Wiens forskyvningslov og Stefan-Boltzmanns lov. Wiens forskyvningslov forteller i hvilket bølgelengdeintervall utstrålingen fra stjernen er mest intens. Dette vil igjen gi et synsinntrykk av hvilken farge stjernen har. Solstrålingen har energimaksimum ved bølgelengden λtopp = 500 nm. Bruk av Wiens forskyvningslov gir da en overflatetemperatur på ca. 5800 K. Dette kaller vi gjerne fargetempera turen til sola.

å undervise i astronomi og astrofysikk 335

Stjernen Rigel er varmere og har maksimum i den ultrafiolette delen av spekteret. Vi ser ikke ultrafiolett, men planckkurven viser at det blir sendt ut mye energi også i det blå bølgelengdeområdet. Det er viktig å presisere overfor elevene at selv om Rigel er «blå», sender den ut elektromagnetisk stråling i hele spekteret. Det går an å lage planckkurver ved hjelp av et grafisk tegneprogram, f.eks. Geogebra, eller studere dem med PhET-simuleringer31. Da kan elevene selv variere temperaturen og se hvordan energimaksimum flytter seg mot kortere bølgelengder når temperaturen øker. Wiens forskyvningslov er et resultat av å derivere planckfunksjonen og sette denne lik null. Da finner vi energimaksimum i strålingen. Selv om selve derivasjonen ligger utenfor skolens kompetansemål, kan en kvalitativ forståelse av dette være innenfor hva vi forventer at elevene kan forstå. Fra matematikken er de vant til å sette den deriverte lik null for å finne maksimum og minimum for funksjoner. Ettersom planckfunksjonen gir utstrålt energi per bølgelengdeintervall, vil integrasjon av planckfunksjonen gi totalt utstrålt energi over alle bølgelengdeintervaller. Det er dette som er Stefan-Boltzmanns lov. Det totale arealet under planckfunksjonen øker proporsjonalt med temperaturen i fjerde potens. Hvis vi ser på Rigel og Betelgeuse igjen, så er energien per bølgelengdeintervall høyere for alle bølgelengdeintervaller i Rigel. Rigel sender altså ut mer rødt lys enn Betelgeuse, men den sender ut enda mer blått lys. For å lage et visuelt bilde av dette kan vi presisere at planckfunksjonen til to stjerner med forskjellig temperatur aldri krysser hverandre.

Spektrallinjer Videre tolking av den elektromagnetiske strålingen fra stjerner krever forståelse av spektre og hvordan atomer og molekyler har et unikt «fingeravtrykk» i form av spektrallinjer som svarer til energioverganger som er unike for hvert atom eller molekyl. Ofte vil Bohrs atommodell og spektrallinjene til hydrogen være en innfallsport til å forstå spektre. At hvert grunnstoff har sitt eget unike sett med spektrallinjer, kan demonstreres ved å bruke spektralrør som finnes på mange skoler. Disse krever høy spenning, så læreren må koble mens elevene bruker håndholdte spektroskop eller gitter til å se på spektrene. Se også på stearinlysflamme, lysstoffrør, glødelampe, pc-skjerm, sollys og andre tilgjengelige lyskilder (husk likevel å presisere overfor elevene at de aldri må se direkte

Se phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/blackbody-spectrum

336 kapittel 22 på sola!). Det kan være lurt å la elevene først gjette på hva slags spektre de vil se, før de får observere. Det kan være nyttig å merke seg de tre hovedtypene av spektre: Et varmt legeme eller en varm gass under høyt trykk sender ut et kontinuerlig spektrum (dette gjelder bl.a. solas indre). En varm gass under lavt trykk sender ut et linjespektrum – dette skjer f.eks. i lysstoffrør. Et absorpsjonsspektrum får vi når stråling med et kontinuerlig spektrum passerer gjennom en tynn gass som absorberer visse bølgelengder. Ser vi på solspekteret gjennom et godt spektroskop, oppdager vi at det er mørke absorpsjonslinjer (kjent som fraunhoferlinjer) i det ellers kontinuerlige spekteret. Disse skyldes at gasser i solas atmosfære, der trykk og temperatur er lavere enn i solas indre, absorberer visse bølgelengder. Når de samme gassene sender lys ut igjen, sendes det i alle retninger, ikke bare utover. Dermed blir intensiteten av lys som forlater solas fotosfære, svakere ved disse spesielle bølgelengdene, og vi ser dem som mørkere linjer i solspekteret. Fraunhoferlinjene er altså «fingeravtrykkene» til grunnstoffene i solatmosfæren, og er synlige med gode skolespektroskoper under gunstige forhold.

Dopplereffekt Dopplereffekten gir informasjon om radiell bevegelse i forhold til en observatør. Det er viktig å presisere at transversell bevegelse ikke kan avsløres av dopplereffekt. Den radielle bevegelsen kan enten være for hele stjernen eller deler av stjernen. Vi kan f.eks. bestemme rotasjonsfarten til sola ved å se på dopplerforskyvning av spektrallinjer mot solranden, og vi kan bestemme rotasjonen til stjerner ut fra bredden av linjene (den ene siden av stjernen beveger seg mot oss, den andre fra oss). Dersom alle spektrallinjene er rødforskjøvet til enhver tid, beveger hele stjernen seg bort fra oss. Dersom linjene veksler mellom å være rød- og blåforskjøvet, betyr det at stjernen er del av et dobbeltstjernesystem – den går i en bane slik at den vekselvis beveger seg mot oss og fra oss. Mange dobbeltstjerner er avslørt av dopplereffekten, og ikke minst kan vi avsløre hvite dverger på denne måten. Her er Sirius med sin lille hvite dvergstjerne Sirius B et klassisk eksempel. Videre er dopplerforskyvning en måte å oppdage store planeter rundt stjerner på (se avsnitt 22.6). For å illustrere selve prinsippet med dopplereffekt kan man bruke lyd. Da kan elevene selv høre hvordan frekvensen endrer seg avhengig av bevegelsen til lydkilden. Det er imidlertid et viktig poeng som ikke kommer fram ved bruk av lyd: forskyvningen Δλ er avhengig av laboratoriebølgelengden, λ0 . Det betyr at forskyvningen ikke er like stor for alle spektrallinjene.

å undervise i astronomi og astrofysikk 337

Vi har

Δλ v = λ0 c

Det betyr at for en stjerne med en gitt fart vil de blå linjene bli mindre forskjøvet enn de røde. I lærebøker er forskyvningen ofte tegnet like stor for alle linjer. Det er en forenkling.

22.3 HR-diagram og stjerneutvikling Elevforståelse av stjerner og stjerneutvikling er mindre studert enn mange andre områder av fysikkdidaktikken. Bailey og medarbeidere (Bailey, Johnson, Prather & Slater, 2012; Bailey, Prather, Johnson & Slater, 2009) rapporterte at amerikanske collegestudenter som ikke spesialiserte seg innen astronomi, hadde en brukbar forståelse av hva en stjerne er («en gasskule», ofte med tilleggsopplysninger om at den «brenner», lyser, sender ut energi m.m.). Imidlertid var det få av studentene som spontant beskrev fusjon som kilden til energiomsetning i stjerner, og en del studenter forvekslet stjernenes energiomsetning med kjemiske reaksjoner, særlig forbrenningsreaksjoner. Videre var det mange som beskrev at stjerner blir dannet ved at gass og støv samler seg, men det var få som oppga at det er gravitasjon som fører til dette. En del studenter forvekslet stjerner på slutten av livssyklusen med stjerneskudd (støvkorn eller småstein som kommer inn i jordatmosfæren og lyser pga. varmeutvikling ved friksjon mot lufta). En del studenter uttrykte misforståelsen at røde eller hvite stjerner var varmere enn blå. Hertzsprung-Russell-diagrammet (HR-diagrammet) er et verktøy for å forstå stjerneutvikling. Det er flere ting læreren bør være oppmerksom på, og bruke tid på, når det gjelder HR-diagrammet. Først og fremst er det viktig å få fram at når vi sier at stjerner beveger seg i HR-diagrammet, så handler det ikke om en forflytning i rommet, men en forandring i fysiske egenskaper. Forandringene i fysiske egenskaper er hele tiden et resultat av at stjernen søker strålingsbalanse. Her kan vi trekke en parallell til jorda og drivhuseffekten. Dersom det ikke er strålingsbalanse, vil enkelte parametere forandre seg slik at det igjen oppnås strålingsbalanse. I stjernene på hovedserien er det balanse mellom strålingstrykk og gasstrykk utover og gravitasjon innover. Når fusjonsprosessene stanser opp, får gravitasjonen overtaket inntil nye fusjonsprosesser starter og en ny strålingsbalanse inntreffer, men da er ikke stjernen lenger i hovedserien. Aksene i HR-diagrammet krever ekstra forklaring. Opprinnelig ble stjernene delt inn i spektralklasser ut fra hvordan spektrene så ut med hensyn på

338 kapittel 22

Utstrålt e˜ek t (Ps=1 )

O Blå

B Blåhvit

Spektralklasser F Gulhvit

A Hvit

G Gul

K Gulrød

M Rød Betelgeuse

100 000

Rigel Superkjemper

10 000 Bellatrix

Polaris

1000 100 10

Kjemper

Sirus

Ho ve ds e

rie

Sola

1 0,1 0,01 Hvite dverger

0,001

Proxima Centauri

0,0001

50 000

30 000

11 000

7500

5900

5200

3900

2500

Over°a tetemperatur (K) Figur 22.1 Hertzsprung-Russell-diagrammet. Noen kjente stjerner er markert. Betelgeuse og Bellatrix er «skuldrene» i stjernebildet Orion, mens Rigel er den ene «foten». Basert på Tellefsen et al. (2007).

hydrogenlinjer. Kjølige stjerner viste molekyllinjer, og varme stjerner viste sterke hydrogen- og heliumlinjer. Etter hvert forsto astronomene at dette hadde sammenheng med overflatetemperaturen og justerte spektralklassene etter denne. Derfor vil vi i HR-diagrammer få oppgitt både spektralklasse og overflatetemperatur (se figur 22.1).Moderne versjoner av HR-diagram har erstattet spektraltypen med fargeindeks (en observasjonell størrelse) for stjernene, men den eldre typen er fortsatt utbredt i populærlitteratur og skolebøker.

å undervise i astronomi og astrofysikk 339

Fordi HR-diagrammet startet med spektralklasser, er ikke temperaturintervallene på x-aksen jevne. Dessuten går temperaturskalaen «feil vei». Noen elever synes dette virker underlig, men årsaken er altså historisk. Her har vi derfor et eksempel på at en historisk innfallsvinkel i undervisningen kan hjelpe elevene til å forstå fysikkinnholdet bedre. Langs andreaksen kan vi finne forskjellige skalaer avhengig av kilden vi bruker. Noen steder står det luminositet og andre steder effekt. Dette er kun fordi astronomene ofte bruker begrepet luminositet om «utsendt energi per sekund». Det er altså det samme som totalt utstrålt effekt (fra hele stjernen). Skalaen er logaritmisk, noe som igjen kan by på problemer for elever. Dessuten er skalaen gitt med solas utstrålte effekt som enhet. Det er vel verdt å bruke litt tid på å forstå denne skalaen. I noen HR-diagrammer er det også oppgitt magnitude eller absolutt lysstyrke langs andreaksen. Dette er et mål for hvor sterkt stjernen faktisk lyser, mens relativ lysstyrke er hvor sterkt den lyser sett fra jorda. Himmelens klareste stjerne, Sirius, har en relativ lysstyrke på ‒1,45 og en absolutt lysstyrke på 1,44. Polarstjernen (Polaris) har en lysstyrke på 1,95 og en absolutt lysstyrke på ‒3,66. Det betyr at magnituden/lysstyrken avtar jo sterkere stjernen lyser. Sirius er mer lyssterk sett fra jorda og har derfor et lavere tall for relativ lysstyrke. Men hvis de to stjernene hadde samme avstand fra jorda, ville polarstjernen lyst sterkest ettersom den har lavest verdi for absolutt lysstyrke. I HR-diagrammet er det absolutt lysstyrke som gjerne blir gjengitt. På grunn av den omvendte skalaen kan det være en fordel å bruke HR-diagram som bare har effekt langs andreaksen og ikke legge vekt på begreper som magnitude og luminositet, men hvis man skal konstruere egne HR-diagram, er ofte magnitude den størrelsen man enklest finner fram til. Elevene kan regne ut effekten til en stjerne dersom de kjenner radius og overflatetemperatur. Da bruker de Stefan-Boltzmanns lov og formelen for overflatearealet av en kule: P = U· A = σT4 · 4πR2 På denne måten kan vi knytte sammen kunnskap om strålingslovene, matematikk og HR-diagrammet. Det er viktig å legge vekt på fysikken i forklaring av HR-diagrammet. Kjemper og superkjemper har stor utstrålt effekt og lav temperatur. Formelen ovenfor er illustrativ; hvis P skal være stor, men T er liten, så må R være kjempestor – altså kjempestjerner! Tilsvarende for hvite dverger – de har høy temperatur og liten effekt. Da må R være veldig liten – nettopp en dvergstjerne.

340 kapittel 22 Hovedpoenget er at elevene skal forstå hvordan HR-diagrammet er et sent ralt hjelpemiddel til å forstå stjerneutvikling. Ved å plassere en stjerne i HRdiagrammet ut fra temperatur og effekt kan vi si noe om hvor i livsløpet stjernen er. Planetarieprogrammer (se avsnitt 22.7) angir verdi for både spektralklasse, fargeindeks, lysstyrke og absolutt lysstyrke.

22.4 Kosmologi Kosmologi handler om hvordan universet ble til, og hvordan det utvikler seg. En hovedutfordring for elever (og andre!) som skal forholde seg til kosmologi, er de enorme tidsrommene (milliarder år) og avstandene (milliarder lysår) som inngår i beskrivelsen. Selv størrelsen på solsystemet er vanskelig å ta inn over seg, og da blir avstandene og tidene i kosmologien fullstendig uten forankring i hverdagen. Det kan hjelpe å bringe inn en skalamodell der vi f.eks. komprimerer universets historie til ett år. En vanlig misoppfatning i kosmologi er at Big Bang var en form for eksplosjon. Men det fantes ingenting før Big Bang – verken tid eller rom. Det går ikke an å snakke om før Big Bang når tiden ikke fantes! Vår automatiserte årsak‒ virkning-tenkning (kausalitet) bryter sammen når vi skal snakke om hvordan universet ble til. Det var ingen eksplosjon som bredde seg utover i rommet, for rommet fantes heller ikke – det ble til med Big Bang. Kosmologien er basert på «Det kosmologiske prinsipp», postulatet om at universet på store avstandsskalaer ser likt ut for alle observatører. Universet er homogent og isotropt på store avstandsskalaer. Det betyr at hvis vi ser bort fra lokale tetthetsvariasjoner, så er universet ensartet (homogent) og ser likt ut helt uavhengig av hvilken retning man observerer i (isotropt). Big Bang-teorien er i dag den beste teorien vi har for universets utvikling. For elevene bør vi legge vekt på at teorien er den beste vi har, men den er slett ikke perfekt. Det er mange uløste gåter. Likevel er det flere grunner til at vi setter vår lit til teorien. De tre viktigste er: 1) universets ekspansjon, 2) grunnstoffordelingen i universet, 3) den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Universets ekspansjon: Astronomene ble først oppmerksom på universets ekspansjon i 1920-årene, gjennom observasjoner av blant annet amerikaneren Edwin Hubble og teori utviklet av belgieren Georges Lemaître. Vi kan illustrere universets ekspansjon ved å tegne prikker på en ballong og blåse den opp. Det er viktig å presisere at prikkene illustrerer galaksehoper. Enkelgalakser i en

å undervise i astronomi og astrofysikk 341

hop er gravitasjonsmessig bundet til hverandre og beveger seg derfor ikke bort fra hverandre (i vårt eget nabolag er det tvert imot slik at vår nærmeste nabo, Andromeda-galaksen, vil kollidere med Melkeveien om omkring 4 milliarder år, på grunn av gravitasjonen). Det er med galaksehoper som «enhet» at universets ekspansjon blir tydelig. Ballongmodellen forklarer hvordan alle galaksehopene fjerner seg fra hverandre uten at noen av dem er i sentrum, men modellen er et todimensjonalt, krumt rom. Ved å bruke en bolledeig med rosiner som modell får vi et tredimensjonalt rom, der rosinene lokalt sett er i ro, men samtidig beveger seg fra hverandre når deigen hever. Men også denne modellen har sin begrensning. Den generelle relativitetsteorien (se kapittel 23) sier at vi lever i et firedimensjonalt tidrom, og også dette rommet kan ha en krumning – men den er nesten umulig for oss å visualisere. Er universet uendelig stort? Det vet vi ikke sikkert, men den observerbare delen av universet er helt sikkert endelig. Vi kan bare se objekter som er nær nok til at lyset har brukt kortere tid enn universets levetid på å nå fram til oss. Objekter som befinner seg i fjernere områder av tidrommet, kan vi aldri få informasjon om. Grunnstoffordelingen: Fram til ca. 380 000 år etter Big Bang var universet så varmt og tett at enkeltatomer ikke kunne eksistere; i stedet var det en «suppe» av elementærpartikler (hovedsakelig protoner, dvs. hydrogenkjerner, og elektroner, samt stråling). Etter 380 000 år var universet kaldt nok til at de første hydrogenatomene kunne dannes, og da ble det samtidig mulig for elektromagnetisk stråling å bevege seg mer uhindret gjennom rommet fordi antallet frie elektroner minket. Universet ble gjennomsiktig for elektromagnetisk stråling. Det betyr at vi ikke har noen observasjoner av elektromagnetisk stråling å støtte oss til fra før denne tiden. Men vi har teoretiske beregninger, og disse beregningene sier blant annet noe om massefordelingen av grunnstoffer. En halvtime etter Big Bang var temperaturen blitt så lav at fusjon av protoner og nøytroner stanset opp. De teoretiske beregningene gir oss en opprinnelig fordeling av grunnstoffer som er slik: ca. 75 % hydrogen, 24 % helium og ca. 1 % litium, beryllium og andre stoffer. Det viser seg at denne opprinnelige massefordelingen stemmer med det vi observerer i dag. Grunnstoffordelingen i universet er derfor en av de tre viktige grunnene til at Big Bang-teorien står sterkt i dag. Vi må ikke blande sammen denne grunnstoffordelingen med fordeling av grunnstoff i sola eller andre stjerner. I stjernene foregår det fusjonsprosesser slik at fordelingen endrer seg. Men når vi ser på universet som helhet, finner vi igjen den opprinnelige grunnstoffordelingen.

342 kapittel 22 Den kosmiske bakgrunnsstrålingen er en av de viktigste observasjonene som støtter teorien om Big Bang. Det ble forutsagt allerede i 1948 at slik stråling burde eksistere, men da den ble oppdaget i 1964, var det ved en tilfeldighet: Arno Penzias og Robert Wilson ved Bell Laboratories i New Jersey fanget inn et uventet støysignal med radioantennen de arbeidet med. Det ble etter hvert klart at dette signalet representerte selve «ekkoet fra ursmellet» – stråling som har vært underveis gjennom universet siden det ble «gjennomsiktig» 380 0000 år etter Big Bang, og som har fått stadig lengre bølgelengde etter hvert som selve rommet har utvidet seg, slik at den nå har en bølgelengde på omkring 1 mm, dvs. stråling i mikrobølgeområdet. Merk at dette representerer en kosmologisk rødforskyvning og ikke en dopplereffekt. Vi kan lage en modell av dette ved å tegne en bølge på en bred buksestrikk. Gummistrikken representerer rommet, og bølgen representerer stråling med en gitt bølgelengde. Ved å strekke strikken ser elevene hvordan rommet ekspanderer slik at strålingens bølgelengde øker. Spekteret til den kosmiske bakgrunnsstrålingen er blitt målt med stor nøyaktighet og betegnes som «en perfekt planckkurve». Den svarer til spekteret fra et sort legeme med temperatur 2,7 K.

22.5 Nye utforskningsmuligheter og uløste mysterier Nye observasjonsmuligheter har gjort kosmologi til et område som er i rask utvikling. Innen tradisjonell astrofysikk, basert hovedsakelig på observasjon av elektromagnetisk stråling, får vi stadig nye og spennende resultater, særlig fra satellittbårne instrumenter. Nøytrino-observatorier kan også få betydning. Den mest slående nye teknologien som forventes å gi mange spennende funn i årene som kommer, er deteksjon av gravitasjonsbølger, som ble nevnt i starten av dette kapitlet (se også kapittel 23 om generell relativitetsteori). Gravitasjonsbølger representerer en av de få observasjonsmulighetene av universet som ikke involverer elektromagnetisk stråling. Etter den første deteksjonen i 2015 er det observert gravitasjonsbølger fra flere kilder. En av de mest interessante observasjonene ble gjort i 2017; det var et signal fra to nøytronstjerner som smeltet sammen til én. To sekunder etter at gravitasjonsbølgesignalet ble fanget opp, ble et gammaglimt fra samme område på himmelen detektert av satellittinstrumenter. Dette førte til at verdens teleskoper ble rettet mot kilden til disse signalene, og observasjoner ble gjort i mange bølgelengdeområder.

å undervise i astronomi og astrofysikk 343

Begivenheten bekreftet flere ulike teorier, bl.a. hvordan tunge grunnstoffer som gull og platina dannes, noe som gjør at dagens lærebøker må skrives om. Siden gravitasjonen er en ganske svak kraft, kreves kilder med svært store masser og/eller høye hastigheter for å gi detekterbare gravitasjonsbølger. Gravitasjonsbølger er en sammentrykking og utvidelse av selve rommet og kan detekteres med hjelp av et ekstremt følsomt Michelson-interferometer. I praksis betyr dette at signalene som vi kan detektere med dagens instrumenter, må komme fra supernovaer eller fra svarte hull eller nøytronstjerner som smelter sammen. Selv da er gravitasjonsbølgesignalet så svakt at sammentrykkingen som registreres i detektoren, ∆L/L, er av størrelsesorden 10–21 – det vil si at en meterstokk vil trykkes sammen med en milliondel av diameteren til et proton! For at dette skal være mulig, kreves meget følsomme og avanserte instrumenter. Universet har fortsatt mange uløste gåter. De to største er kanskje mørk materie og mørk energi. Mørk materie har blitt observert indirekte, men ingen vet hva det er. På liknende måte som planetene i vårt solsystem har lengre omløpstid jo lenger vekk de er fra sola, ville man forvente (basert på gravitasjonskrefter) at stjerner i de ytre delene av galakser roterer langsommere rundt galaksens sentrum enn stjerner lenger inn. Imidlertid har det vist seg, bl.a. basert på astronomene Fritz Zwickys og Vera Rubins arbeid med galaksers rotasjonskurver, at stjerner i ytre deler av Melkeveien og andre galakser beveger seg raskere enn forventet. Dette tyder på at det må være mer masse i de ytre delene av galaksen enn det vi kan se. Dette kalles mørk materie – stoff som har masse og dermed påvirkes av gravitasjonskrefter, men som ikke vekselvirker med elektromagnetisk stråling og dermed er usynlig. Hva slags «materie» dreier det seg om? Dette spørsmålet forskes det intenst på både innenfor partikkelfysikken og innen astrofysikken. Astronomene studerer blant annet gravitasjonseffekter ved kollisjoner mellom galakser. I denne jakten på den mørke materien kombineres fysikkens aller største med det aller minste. Mørk energi er kanskje enda mer mystisk. I 1998 ble det oppdaget at universet ekspanderer raskere og raskere. Tidligere trodde man at tyngdekraften etter hvert ville bremse ekspansjonen og kanskje til og med få universet til å trekke seg sammen igjen. Men det viser seg altså at utvidelsen går stadig raskere. Dette må skyldes en slags frastøtende tyngdekraft, og det er dette fenomenet som kalles mørk energi. I vår bolledeigmetafor for universets utvidelse kan vi si at mørk energi er «gjæren i den kosmiske bolledeigen». Kvanteteorien sier at det er umulig å fjerne all energi i et rom; det vil alltid være en såkalt vakuumenergi til stede selv når alt stoff og all stråling er fjernet. Denne vakuumenergien knyttes til

344 kapittel 22 Einsteins kosmologiske konstant, som inngår i den generelle relativitetsteorien som en frastøtende gravitasjon som får universet til å utvide seg stadig raskere. Universet inneholder ca. 5 % vanlig materie, altså atomer. 27 % er mørk materie, og de resterende 68 % er mørk energi. Mørk materie og mørk energi er blant de virkelig store mysteriene i vitenskapen. Dette kan illustrere for elevene at fysikk er mye mer enn ferdige lover og teorier og at fysikken trenger kreative og kloke hoder for å løse dem! Det kan også være motiverende å få vite at i kosmologi samarbeider man på tvers av landegrenser og på tvers av fagområder for å komme fram til en bedre forståelse av universet.

22.6 Planeter rundt andre stjerner. Liv i universet? Mennesket har lenge undret seg på om det finnes liv andre steder i universet. For ikke lenge siden regnet mange det som sannsynlig at det var liv på Mars; nå vet vi at Mars er en død planet, men vi søker likevel etter spor etter liv som kanskje kan ha eksistert der tidligere. De siste tiårenes forskning har vist at planeter rundt stjerner er et alminnelig fenomen i universet: Siden 1990 er det påvist flere tusen planeter som kretser rundt andre stjerner. Det finnes en rekke ulike metoder for å lete etter planeter rundt andre stjerner; her skal vi kort nevne to av dem: stjerneformørkelse og varierende rød- og blåforskyvning (dopplereffekt). På jorda kjenner vi til hvordan en solformørkelse skjer: Månen passerer mellom oss og sola og blokkerer sollyset for oss. På samme vis kan en planet som passerer foran en stjerne i vår siktelinje, blokkere deler av lyset fra stjernen slik at det periodisk blir 1–2 % svakere (se figur 22.2 a). Denne metoden forutsetter at planetens bane foran stjernen sin ligger i vår synslinje. Det at planetene beveger seg rundt sola, som ligger i ro i sentrum i solsystemet, er en forenkling. I virkeligheten beveger både sola og planetene seg i bane rundt systemets felles massesenter. I vårt eget solsystems tilfelle ligger riktignok dette massesenteret inne i sola eller nær solas overflate – men ikke i solas sent rum. For planetsystemer med større planeter kan både stjernen og planeten gå i en tydelig bane rundt det felles massesenteret. Med mindre planetsystemets plan står vinkelrett på siktelinjen fra jorda, vil både planet og stjernen bevege seg i en bane slik at de vekselvis beveger seg mot oss og fra oss. Da vil lyset fra stjernen, sett fra jorda, være vekselvis rødforskjøvet og blåforskjøvet, med en periode som tilsvarer stjernens og planetens omløpstid rundt det felles masse senteret (se figur 22.2 b).

å undervise i astronomi og astrofysikk 345 Stjerne

Planet

Lysstyrke

Lyskurve

Tid

Dopplere˜ ekt

Usynlig planet

b) Figur 22.2 a) En planet som passerer foran en stjerne i vår siktelinje, vil forårsake et fall på noen få prosent i lysstyrken fra stjernen. b) En stjerne som går i bane rundt det felles massesenteret med en stor planet, vil gi vekselvis rød- og blåforskjøvet lys, siden stjernen vil bevege seg vekselvis mot oss og fra oss. Basert på figurer fra cnx.org © OpenStax, Rice University [CC BY 4.0].

Spekulasjonene om liv i universet har fått fornyet interesse nå som vi vet at det finnes en mengde planetsystemer i universet. Dette er spørsmål som engasjerer elever. Det er også et spørsmål som krever tverrfaglig behandling der både fysikk, kjemi og biologi spiller inn. Det er en interessant øving for elever å diskutere hvilke forutsetninger som kreves for liv, for eksempel hvilke grunnstoffer som må være til stede, om det er nødvendig med flytende vann eller et annet

346 kapittel 22 løsningsmiddel, hvordan temperaturen (og temperaturvariasjonen) på planeten må være, osv. De kan også diskutere hvor sannsynlig det er – dersom det faktisk finnes liv der ute – at det er intelligent liv, og at det vil utvikle teknologi for å reise ut i rommet eller kommunisere med andre sivilisasjoner.

22.7 Digitale ressurser i astronomiundervisning Det finnes mye og godt populærvitenskapelig stoff om astronomi og astro fysikk, og dette er et område der bruk av populærvitenskap og nettressurser er viktig av flere grunner. For det første finnes fantastiske visualiseringer, ikke minst fotografier, som kan inspirere og fascinere elevene. Særlig NASA, ESO og ESA har flotte bilder med tilhørende lærerike tekster, bl.a. gjennom nettstedet «Astronomy picture of the day». En annen grunn til å utnytte nettbaserte og populærvitenskapelige ressurser er at det stadig skjer nye oppdagelser innen astronomien, slik at tradisjonelle lærebøker umulig kan være oppdatert. I fysikkundervisningen er dette en god mulighet til å vise elevene at naturvitenskapen stadig er i utvikling, at vår kunnskap stadig oppdateres, og at det fortsatt er uløste mysterier å ta fatt i. Planetarieprogrammer er en annen verdifull ressurs. Det finnes gode, digitale stjernekart med tilleggsfunksjoner til bruk både på datamaskin og som apper til mobiltelefoner og nettbrett. Det fine med mobiltelefon-apper er at de kan brukes ute mens man observerer himmelen. For eksempel vil de raskt kunne gi svar på om det er en planet du ser på himmelen, eller en stjerne, de kan hjelpe deg å lokalisere Andromeda-galaksen, navnsette stjernebilder osv. Ved hjelp av planetarieprogram kan man blant annet (se flere ideer i Persson, 2013): • studere månefaser ved å se hvordan månen og sola står i forhold til hver andre i løpet av en måned • studere fargen til stjernene • lage sitt eget HR-diagram • plassere bestemte stjerner inn i et HR-diagram, f.eks. Pleiadene • se hvordan ulike kulturer har delt inn stjernehimmelen i ulike stjernebilder En fordel med planetarieprogram er at man kan styre tiden slik at observasjonene ikke tar lang tid. Dessuten er det aldri overskyet! Men slike programmer kan selvsagt ikke erstatte ekte observasjoner under stjernehimmelen.

å undervise i relativitetsteori 347

Kapittel 23

Å undervise i relativitetsteori Relativitetsteori har aldri vært noen dominerende del av norsk skolefysikk, men spesiell relativitetsteori (SR) har vært på læreplanen og i norske lærebøker i hvert fall siden 1960-tallet. SR er også en del av fysikkpensum på videregående skolenivå i mange land (Arriassecq & Greca, 2012). Generell relativitetsteori (GR) er det bare noen få land som har som del av fysikkfaget i skolen (Kersting, Henriksen, Bøe & Angell, 2018). Dette til tross for at denne teorien representerer vitenskapens beste og mest presise forståelse av gravitasjon, og at forskning tyder på at selv ganske unge elever kan oppnå en kvalitativ forståelse av hovedtrekk innen GR (Kaur, 2018; Kaur et al., 2018). Det eksisterer relativt lite forskning på elevforståelse, læringsutfordringer og hensiktsmessige undervisningsstrategier og læringsaktiviteter innen dette området av fysikken. I dette kapitlet skal vi ta fram noe av det foreliggende forskning og erfaring kan si oss om relativitetsteori i skolefysikken.

23.1

Spesiell relativitetsteori

Den spesielle relativitetsteorien beskriver forholdet mellom tid og rom. Den bygger på to postulater: 1. Fysikkens lover har samme form i alle treghetssystemer (det spesielle relativitetsprinsippet). 2. Lysfarten i vakuum har samme verdi i alle treghetssystemer. SR utfordrer våre forestillinger om verden blant annet fordi våre erfaringer stammer fra bevegelser der farten er mye mindre enn lysfarten. Undervisning om SR gir oss imidlertid en god anledning til å gi elevene et eksempel på hvordan vitenskapen noen ganger utvikles i sprang; her fra newtonsk mekanikk til Einsteins teorier. Dette er i tråd med viktige aspekter knyttet til vitenskapens egenart (nature of science, NOS) (se f.eks. Lederman, Abd‐E l‐K halick, Bell &

348 kapittel 23 Schwartz, 2002). Med andre ord, elevene får anledning til å se hvordan ulike ideer kan utvikle seg til mer kraftfulle begreper som kan bygge rammer for nye vitenskapelige teorier.

Sentrale temaer i spesiell relativitetsteori Både i Norge og flere andre land er det mulig å identifisere noen sentrale innholdskomponenter i SR som undervises i videregående skole (Andersen, 2018). Det er: • • • • • •

Referansesystemer – treghetssystemer Einsteins postulater; relativitetsprinsippet og at lysfarten er konstant Samtidighetens relativitet Tidsdilatasjon Lengdekontraksjon Relativistisk bevegelsesmengde og energi

Det er selvsagt variasjoner når det gjelder hva som er med i pensum i ulike land. Det gjelder også når vi ser på hvordan pensum i Norge har utviklet seg over tid. Bruken av matematikk varierer også. I Norge har de matematiske uttrykkene for tidsdilatasjon og relativistisk energi og bevegelsesmengde vært med de siste tiårene.

Elevers utfordringer i spesiell relativitetsteori Når elever i videregående skole møter SR, er deres erfaringer i all hovedsak klassisk fysikk og newtonsk mekanikk i særdeleshet. Begge postulatene til Einstein bryter med våre tilvante erfaringer og representerer en utfordring for våre elever. Det er særlig tre ting elever på videregående skolenivå har problemer med: Elever flest mener at det må finnes et absolutt referansesystem, at gjenstander har absolutte egenskaper, og at hvordan ting skjer, er uavhengig av hva en observatør oppfatter (Dimitriadi & Halkia, 2012). Aslanides og Savage (2013) har utviklet og analysert en «Relativity Concept Inventory (RCI)» for spesiell relativitetsteori. I artikkelen er de imidlertid mest fokusert på statistiske analyser og ikke så mye på fagdidaktiske problemstillinger. RCI er utviklet for begynner studenter ved universitetet og inneholder gode og interessante spørsmål. Dimitriadi og Halkia (2012) skriver at elevene i deres undersøkelse hadde størst problemer med det spesielle relativitetsprinsippet og ikke lysfartens inva-

å undervise i relativitetsteori 349

rians. En mulig forklaring, skriver de, er at elevene finner det lettere å anvende egenskapen til lysfarten enn relativitetsprinsippet. Kanskje en også bør endre måten klassisk mekanikk blir undervist på fordi det så lett leder til ideen om absolutt bevegelse. Det kan være en god idé å hjelpe elevene bort fra forestillingen om et absolutt referansesystem også i klassisk fysikk, for eksempel ved å tydeliggjøre at vi selv må velge referansesystem når vi løser oppgaver.

Relativistisk masse eller bare masse? Det har vært en diskusjon om en skal bruke begrepene relativistisk masse og hvilemasse eller bare masse i SR. De norske lærebøkene brukte lenge begrepene relativistisk masse og hvilemasse, men har gått over til å bare bruke begrepet masse. Dette er i tråd med Einsteins egen bruk av begrepene. Riktignok finner vi relativistisk masse i Einsteins tidligste publikasjoner, men etter hvert var han meget klar i å unngå begrepet. Einsteins likning kan derfor skrives E0 = mc 2 der E0 er hvileenergien og m er massen (se f.eks. Hecht, 2009; Okun, 2009). Dermed unngår vi både hvilemasse og relativistisk masse. Det betyr at relativistisk bevegelsesmengde skrives som p = γ mv og relativistisk energi E = γ mc 2 der γ 1 er Lorentzfaktoren, γ = . v2 1− 2 c

23.2 Generell relativitetsteori Generell relativitetsteori beskriver gravitasjon på en helt annen måte enn klassisk fysikk gjør. I GR behandles ikke gravitasjon som en kraft, men som et samspill mellom masse, tid og rom: Gravitasjon er et geometrisk fenomen. Da teorien ble lansert av Einstein i 1915, forutsa den en del uventede fenomener som senere er blitt påvist gjennom eksperimenter, blant annet at lys bøyes rundt massive objekter, at tiden går langsommere nær store masser, og at gravitasjonsbølger eksisterer. GR er en svært abstrakt teori. Elever har i liten grad erfaringer med relativistiske fenomener, og GR bygger på avansert matematikk som ikke er tilgjengelig for videregående skoleelever. Likevel ble GR innført i den norske læreplanen fra 2006, med det noe upresise læreplanmålet «… gi en kvalitativ beskrivelse av den generelle relativitetsteorien» (Utdanningsdirektoratet, 2006b). Et viktig spørsmål er dermed: Hva skal «kvalitativ forståelse av GR» bety?

350 kapittel 23

Sentrale temaer i generell relativitetsteori Med utgangspunkt i Kersting et al. (2018) har vi laget en oversikt over fenomener og begreper som kan være aktuelle på videregående skolenivå: • Ekvivalensprinsippet – Lokalt32 er det ikke mulig å skille mellom et gravitasjonsfelt og et akselerert system: Tyngde og akselerasjon er to sider av samme sak • Referansesystemer og relativitetsprinsippet – Et treghetssystem er et referansesystem i fritt fall – En kan bare definere treghetssystemer lokalt – Det generelle relativitetsprinsippet sier at fysikkens lover har samme form i alle referansesystemer • Tidrommet og krumning – Gravitasjon er ikke en kraft, men en manifestasjon av krumningen av tidrommet – Gjenstander som ikke er påvirket av krefter, følger geodetiske kurver i tidrommet – Masse forteller tidrommet hvordan det skal krumme, og tidrommet forteller masse hvordan den skal bevege seg • Relativistiske fenomener – Gravitasjonell lysavbøyning – Gravitasjonell frekvensforskyvning – Gravitasjonell tidsdilatasjon Dagens norske læreverk skiller seg ikke så mye fra hverandre når det gjelder behandlingen av ekvivalensprinsippet, referansesystemer og relativitetsprinsippet, og relativistiske fenomener, mens det er noe større forskjeller når det gjelder behandlingen av tidrommet og krumning. Nettressursen «Generell relativitetsteori» på viten.no introduserer GR i tråd med de fenomenene og begrepene som er presentert ovenfor, og inkluderer bl.a. interaktive simuleringsoppgaver om krumt tidrom

Forutsetningen for at gravitasjon og akselerasjon kan betraktes som ekvivalente fenomener, er at gravitasjonsfeltet er homogent. Gravitasjonsfeltet rundt jorda er for eksempel inhomogent (det avtar med høyde over jordoverflaten), men på et lite område på jordoverflaten vil gravitasjonsfeltet være tilnærmet homogent. Derfor er det viktig å understreke ordet lokalt når man formulerer ekvivalensprinsippet.

å undervise i relativitetsteori 351

Læringsressursen «Generell relativitetsteori» på viten.no Forskningsprosjektet ReleKvant33 har utviklet en nettbasert læringsressurs i generell relativitetsteori (se også kapittel 21 om prosjektets tilsvarende ressurs i kvantefysikk). Læringsressursen (viten.no/relativitetsteori/) er basert på et sosiokulturelt syn på læring som framhever språkutvikling som en viktig del av læringsprosessen (se også kapittel 9). Dette blir spesielt tydelig i undervisningen i GR der elevene må bruke språket aktivt gjennom interaksjon med medelever og lærer siden de ikke har det matematiske rammeverket tilgjengelig. Elevene blir gjentatte ganger bedt om å diskutere gitte problemstillinger med medelever, og de må skrive korte svar på spørsmål. De skiftlige svarene blir lagret i læringsplattformen slik at læreren har tilgang til alle svarene fra elevene. Videre inkluderer læringsressursen historiske og filosofiske betraktninger, samt aspekter av vitenskapens egenart (NOS). Korte videosnutter, animasjoner, simuleringer og analogier er tenkt å hjelpe elevene når de skal forsøke å forstå de sentrale fenomenene og begrepene i GR. Læringsressursene presenterer også noen relativistiske fenomener og praktiske anvendelser. I GPS-satellitter for eksempel, vil tiden gå saktere på grunn av farten (SR) og raskere på grunn av høyden (GR). Dette må korrigeres for, og elevene får erfare at relativitetsteori har stor praktisk betydning for vårt daglige liv.

Elevers utfordringer i generell relativitetsteori Selv om det er få studier av elevers forståelse og forestillinger i GR på videre gående skolenivå, finnes det en del undersøkelser på universitetsnivå. Vi tror at videregående elever vil møte mange av de samme utfordringene som universitetsstudenter har. Basert på fysikkdidaktisk litteratur har Kersting et al. (2018) identifisert følgende spesielle utfordringer: • • • •

Elever strever med definisjonene av referansesystemer og treghetssystemer Elever strever med rollen til observatører i ulike referansesystemer Elever strever med å anvende ekvivalensprinsippet Elever klarer ikke å forbinde likheten mellom treg og tung masse med ekvivalensprinsippet • Elever tar som gitt at Euklids geometri gjelder for vårt univers

Se http://www.mn.uio.no/fysikk/forskning/prosjekter/relekvant/index.html

352 kapittel 23

Figur 23.1 To ulike kartprojeksjoner som illustrerer korteste vei mellom to punkter på en krum flate. Illustra sjonene er hentet fra læringsressursen «Generell relativitetsteori», viten.no/relativitetsteori. By Strebe (eget arbeid) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons.

Læringsressursene beskrevet i forrige avsnitt tar for seg en rekke av disse utford ringene, blant annet ved hjelp av: • illustrasjoner og tankeeksperimenter som for eksempel viser forskjellen på Newtons og Einsteins definisjon av et akselerert system for å illustrere begrepet referansesystem • videosnutter kombinert med diskusjonsoppgaver som for eksempel knytter elevers hverdagserfaringer til ekvivalensprinsippet • diskusjonsoppgaver om relativistiske begreper • en simuleringssekvens om krumning av tid Et eksempel er den interaktive oppgaven der elevene blir bedt om å diskutere og tegne korteste flyrute fra Oslo til New York for å illustrere gravitasjonens geometriske natur. Den korteste veien på en krum flate (jorda) ser ikke ut som en rett linje på en alminnelig, todimensjonal representasjon av flaten (figur 23.1 til venstre). Vi må bytte perspektiv for å skjønne at et fly likevel tar den korteste veien (figur 23.1 til høyre). Som nevnt tidligere er krumning av tidrommet begrepsmessig kanskje det vanskeligste. Vi har ingen muligheter til å forestille oss et firedimensjonalt system. Einstein har selv sagt (Viereck, 1929): No man can visualize four dimensions, except mathematically […] I think in four dimensions, but only abstractly. The human mind can picture these dimensions no more than it can envisage electricity. Nevertheless, they are no less real than electromagnetism, the force which controls our universe, within, and by which we have our being.

å undervise i relativitetsteori 353

Trampolinemodellen Den generelle relativitetsteorien forteller at et objekt med masse krummer tidrommet rundt seg. Mange sammenlikner det med en tung kule på en trampo line (se figur 23.2). Denne analogien er veldig lett å se for seg, men selvsagt ikke tilstrekkelig til å kunne forklare alle gravitasjonsfenomener. For eksempel er analogien avhengig av gravitasjon (som trekker den tunge kula ned) for å forklare gravitasjon som krumning av tidrom i analogien! Videre tar ikke analogien hensyn til tid; den viser bare krumning i rom. Jorda, for eksempel, krummer både tid og rom rundt seg. Massen til jorda er imidlertid ikke stor nok til å krumme rommet betydelig. Vi opplever gravitasjon stort sett fordi den krumme tiden fører til at vi blir trukket ned. Selv om vi «står stille», beveger vi oss nemlig langs tidsdimensjonen hele tiden. Modeller og analogier er svært nyttige å bruke i fysikkundervisningen (se kapittel 12). Kersting og Steier (2018) har identifisert styrker og svakheter ved trampolinemodellen, se tabell 23.1.

Figur 23.2 En analogi til krumt tidrom. Foto: Rost-9D / Getty Images.

354 kapittel 23 Tabell 23.1 Styrker og svakheter ved trampolinemodellen. Oversatt fra Kersting og Steier (2018, s. 18) av forfatterne, – litt forenklet. Styrker ved tramplinemodellen

Svakheter ved trampolinemodellen

• • • •

• Trampolinemodellen tilslører at tidrommet er firedimensjonalt • Trampolinemodellen tilslører at tidrommet har en tidsdimensjon • Trampolinemodellen tilslører at krumningen er en indre egenskap. Den beskriver krumt tidrom som om det var en usynlig dimensjon som tidrommet kan krumme i • Trampolinemodellen tilslører at krumningen rundt massive objekter er symmetrisk i alle retninger (i analogien krummes trampolinen bare nedover) • Trampolinemodellen gjør bruk av tyngde kraften for å forklare forandringen av trampolineduken

• • • •

Tidrommet er dynamisk og ikke statisk Tidrommet blir påvirket av objekter Tidrommet endrer bevegelsen av objekter Jo mer massivt et objekt er, jo mer vil det endre tidrommet Gravitasjonelle fenomener involverer ikke noen «mystisk» påvirkning Gravitasjon er geometri. Trampolinemodellen viser en mekanisme for hvordan gravitasjon oppstår Trampolinemodellen er enkel og intuitiv Trampolinemodellen har stor forklaringskraft. Den kan vise orbitale bevegelser, krumt rom og lysets baner

Kersting og Steier (2018) konkluderer med at til tross for svakheter har trampolinemodellen potensial til å fungere som en god analogi. Undervisningen i GR kan bli vellykket hvis elevene virkelig forstår begrensningene til vitenskapelige modeller og analogier. Forskningen som er gjort tilknyttet læringsressursen «Generell relativitetsteori» gjennom ReleKvant-prosjektet (se Kersting et al., 2018; Kersting & Steier, 2018), har vist eksempler på at videregående skoleelever kan oppnå en akseptabel kvalitativ forståelse av GR når de får tilpassede læringsressurser og tilstrekkelig støttestrukturer for læring gjennom interaksjon med medelever og lærer. Det følgende er et eksempel på en del av diskusjon mellom fire elever der de fikk spørsmålet: «Ifølge Newton, hvorfor opplever dere at dere trekkes ned mot jorda? Og ifølge Einstein?» – Nei, han beskriver jo gravitasjonen som en kraft, som da trekker oss ned eller masser mot hverandre. – Ja, da vil to objekter med masse trekkes mot hverandre hvor det objektet med størst masse har størst tiltrekningskraft, og derfor trekkes vi ned mot jorda. – Ja, nettopp. – Og ifølge Einstein så er det jo geometrien og krumning av rom som gjør at vi trekkes mot der rommet krummes, altså mot objekter med stor masse. – Men her er det jo også de største objektene som krummer mest.

å undervise i relativitetsteori 355

Historiske perspektiver og eksperimentelle bekreftelser på generell relativitetsteori Vi har tro på at en historisk og i noen grad filosofisk tilnærming til stoffet er nyttig og til hjelp for elevene. Et eksempel er historien om da gravitasjonell lysavbøyning ble observert under den totale solformørkelsen 1919 og det resulterte i store avisoppslag (se figur 23.3). Observasjonen ble en viktig eksperimentell bekreftelse/støtte til GR-teorien, og gjorde Einstein til en superkjendis nærmest over natten. GR bryter med noen viktige nøkkelideer i klassisk fysikk, og dette er et viktig poeng å få fram for elevene. Det newtonske synet på absolutt tid og rom dominerte vitenskapen i nesten 200 år. Selv om Leibniz allerede på 1700-tallet foreslo at tid og rom ikke var absolutt, var det først på slutten av 1800-tallet at noen filosofer og vitenskapsfolk på nytt Figur 23.3 Fra New York Times begynte å stille spørsmål ved begrepet absolutt tid og rom. For eksempel Ernst Mach (1893), 10. november 1919. som var både fysiker og filosof, var opptatt av slike spørsmål. Einstein kjente godt til Machs arbeider og var nok i noen grad inspirert av dem da han introduserte et dynamisk tidrom som erstatning for absolutt tid og rom (Zahar, 1977). Gravitasjonsbølger ble forutsett av Einstein i den generelle relativitetsteorien i 1915. Gravitasjonsbølger er svingninger i tidrommet som brer seg som bølger. For at objekter skal sende ut gravitasjonsbølger, må de akselerere som for eksempel når to sorte hull beveger seg rundt hverandre. Gravitasjonsbølger beveger seg med lysfarten. Teorien for universets begynnelse (Big Bang) forutsier at det skal dannes kosmiske gravitasjonsbølger i denne prosessen som det skal være mulig å detektere spor av i dag. Dette åpner for helt nye muligheter til å studere utviklingen av universet helt tilbake til begynnelsen. Einstein selv mente at gravitasjonsbølger ga så svake signaler at det ikke ville være mulig å detektere dem. Men i 2016 fikk vi de første resultatene fra LIGOeksperimentene (Ligo, 2018) som kunne påvise at gravitasjonsbølger virkelig eksisterer (Abbott et al., 2016). Og i 2017 detekterte forskerne for første gang

356 kapittel 23 gravitasjonsbølger i tillegg til lys fra to kolliderende nøytronstjerner. Dette var en enorm støtte til Einsteins teori, det ga nobelpris i fysikk i 2017, og det fikk moderne fysikk på dagsordenen i media. Slike begivenheter vekker åpenbart interesse hos våre fysikkelever, og vi tror lærere vil ha både stor glede og nytte av å bringe slike aktuelle forskningsgjennombrudd inn i undervisningen. Det motiverer elevene, og det forteller at fysikken stadig er i utvikling. Og ikke minst vil vi jo gi våre elever den mest oppdaterte vitenskapelige forståelsen av vårt univers, noe som altså inkluderer generell relativitetsteori!

Tvillingparadokset Mange har hørt om tvillingparadokset, og vi tror en diskusjon i klasserommet om dette paradokset kan utfordre elevenes forståelse av noen sentrale prinsipper i både spesiell og generell relativitetsteori (se f.eks. Grøn, 2009). Ifølge den spesielle relativitetsteorien går en klokke saktere jo større fart den observeres å ha. Dette betyr at hvis en av to tvillinger reiser ut i rommet og tilbake med en fart nær lysfarten, og den andre blir igjen på jorda, så vil hun som er igjen på jorda, mene at tvillingen vil være yngre enn henne når de møtes etter reisen. Men ifølge relativitetsprinsippet kan hun som er ute og reiser, oppfatte seg selv som i ro og tvillingen som reisende. Begge vil dermed hevde at den andre er yngst når de møtes. Det er denne motsigelsen som kalles tvillingparadokset. For å løse paradokset må vi bruke generell relativitetsteori og gravitasjonell tidforlengelse. Når hun som er ute og reiser, snur, er hun akselerert. Da opp lever hun ifølge relativitetsteorien et tyngdefelt, og tvillingen på jorda vil være høyere oppe i dette tyngdefeltet og derfor eldes raskere enn henne selv mens hun opplever dette tyngdefeltet. Hvis vi tar hensyn til dette, vil begge være enige om at den som er igjen på jorda, vil eldes mest, og paradokset er dermed løst.

å undervise teknologi som del av fysikkfaget 357

Kapittel 24

Å undervise teknologi som del av fysikkfaget Som vi har sett i oversikten over utviklingen av fysikkfaget i skolen i kapittel 5, har faget over tid endret karakter fra hva vi kalte et verkstedfag til et vitenskapsfag. I nyere tid har imidlertid teknologiske sider av fysikkfaget fått fornyet oppmerksomhet, som beskrevet i kapittel 5. Kunnskapsløftet fra 2006 brakte inn temaene halvlederteknologi med dioder, transistorer og sensorer, digital teknologi for behandling av lyd og lys, teknologiske anvendelser av induksjon og fysikk brukt i medisinsk diagnostikk. Når man ser på lærebøkene i fysikk, ser man likevel et fokus på prinsipper fra fysikken snarere enn at teknologisk kunnskap i sin helhet er representert. I dette kapitlet gir vi først en innføring i hvordan dette kunnskapsområdet kan beskrives, og deretter noen eksempler på hva dette kan innebære i form av undervisningsprosjekter som ivaretar teknologisk kunnskap, men som også har et fysikkinnhold.

24.1 Teknologi som kunnskapsområde Naturvitenskapen generelt, og kanskje fysikken spesielt, har utvilsomt vært viktig for utviklingen av dagens teknologi. Nettopp derfor er det viktig å være klar over at teknologi som kunnskapsområde er noe annet og mer enn anvendelser av innsikter som naturvitenskapen har etablert. Et syn på teknologi som et eget kunnskapsområde har vært en viktig begrunnelse for at man i mange land har etablert teknologi som et eget skolefag. Digital teknologi og programmering har i senere år fått mye oppmerksomhet i denne sammenhengen, men det er vesentlig å se mye bredere på teknologisk kunnskap. Teknologi er alltid knyttet til en praktisk kontekst og har til hensikt å løse praktiske problemer. Vi kan derfor si at teknologisk kunnskap i høy grad er situert (se kapittel 9), og ikke uten videre lar seg overføre til andre sammenhenger. Dette betyr ikke at teknologisk kunnskap er en rent praktisk form for

358 kapittel 24 kunnskap i den forstand at den bare «sitter i fingrene». Det er mange begreper og prinsipper involvert i teknologi, men den tar ofte en noe annen form enn i rendyrket naturvitenskap. Siden teknologisk kunnskap er praktisk og kontekstavhengig, er det utfordrende å beskrive eksplisitt hva den består i. Teknologifilosofen Staudenmaier (1985) har beskrevet teknologisk kunnskap i form av fire kunnskapskategorier: vitenskapelig grunnkunnskap, ingeniørteori, kunnskap om problematiske forhold og tekniske ferdigheter. Vitenskapelig grunnkunnskap er den standardiserte kunnskapen, ofte i abstrakt og generell form, som vi finner i matematiske og naturvitenskapelige fagdisipliner. For å bli nyttig i en konkret teknologisk kontekst, må denne kunnskapen tilpasses den praktiske utfordringen man står overfor. Basert på et syn på kunnskap som situert har Layton (1991) pekt på at vi framfor å anvende kunnskap fra naturvitenskap innen teknologi heller bør snakke om rekonstruksjon av kunnskap. Dette innebærer at kunnskapen må pakkes om, gjøres mindre abstrakt, integreres med annen kunnskap og tilpasses de aktuelle forhold i en konkret kontekst. Dette krever kanskje enda dypere innsikt i hva den vitenskapelige kunnskapen innebærer enn når man arbeider med den på et rent teoretisk plan. Ingeniørteori innebærer generaliserte kunnskaper med en logisk konsistent struktur, men som står nærmere praktiske anvendelser enn den vitenskapelige kunnskapen. Den kan være utviklet med utgangspunkt i empirisk erfaring snarere enn fra teoretisk stringens, og styrken i ingeniørteori består derfor ikke i forklaringskraft, men i anvendelseskraft. Den tredje kunnskapskategorien, kunnskap om problematiske forhold, dreier seg om tilfeller hvor den generaliserte kunnskapen ikke strekker til, men hvor problemet likevel kan være av generell natur. Dette handler om hvordan man kan forutse problemtilfeller og strategier for å gjøre tilpasninger, ofte som kompromisser. Den siste kategorien, tekniske ferdigheter, er rent praktisk kunnskap om konkret bruk av verktøy og instrumenter, og som bare gir mening i rent praktiske sammenhenger. I tillegg til disse kunnskapskategoriene er kunnskap om samfunnsmessige og menneskelige forhold vesentlig i teknologiutvikling. Ropohl (1997) har beskrevet denne kunnskapskomponenten som sosioøkonomisk forståelse. Denne handler om å forstå hva som skal til for å gjøre et produkt salgbart, ikke bare gangbart i ren teknisk forstand. Om man går grundig inn i teknologihistorien, vil man se at denne kunnskapsformen har vært helt vesentlig for eksempel for hva Thomas Alva Edison utrettet. Hans viktigste oppfinnelse var ikke lyspæra

å undervise teknologi som del av fysikkfaget 359

som han er kjent for, men kanskje heller hans moderne forskningslaboratorium i Menlo Park, hvor han kjøpte opp rettigheter til patenter og ledet et stort antall ansatte i å lage systemer for utvikling og produksjon av elektriske systemer og distribusjon av elektrisk energi (se for eksempel Stross (2007) for mer om denne fascinerende historien!). Dette ga ham et fortrinn framfor blant annet hans samtidige, Nikola Tesla, som var en mye større kapasitet både når det gjelder oppfinnelser og vitenskapelige arbeider. Tesla manglet imidlertid teft for forretninger og lønnsomme strategier, og mye av hans ellers geniale virksomhet ble en økonomisk katastrofe (se for eksempel Lomas (1999) for en enda mer fascinerende historie!). Det var forretningsvirksomhet, markedsføring og politiske forhandlinger som gjorde at det ble Edison som i ettertid er blitt stående som «oppfinneren av lyspæra». Det som gjorde Edison til et geni, var hvordan han markedsførte og forhandlet fram sine egne ideer om hvordan elektrisitet kunne forsyne storsamfunnet med energi. Verken realfagene eller skolen som helhet kan gi elevene dyp innføring i alle aspekter av teknologisk kunnskap. Det er likevel viktig at kjennskap til vekselvirkning mellom teknologi og samfunn blir en del av deres forståelse av teknologi, både i form av utviklingen rent historisk og når det gjelder dagens nyvinninger innen teknologi.

24.2 Teknologisk kunnskap: eksempler på undervisningsprosjekter Teknologi representert innenfor rammene av naturvitenskap vil lett kunne formidle et inntrykk av teknologi som en enkel og rettlinjet anvendelse av naturvitenskapelig kunnskap til praktiske formål. Et eksempel på dette er å presentere elevene for prinsippet om elektromagnetisk induksjon anvendt i energiproduksjon. I kunnskap om kraftverk inngår dette som vitenskapelig grunnkunnskap i kategoriene til Staudenmaier presentert ovenfor. Men dette er jo ikke tilstrekkelig til å forstå, eller langt mindre bygge, et kraftverk. I fysikkfaget har vi sjelden tilstrekkelig med tid til å gå i dybden i teknologiprosjekter i hele sin bredde, men fysikklæreren bør passe på at elevene i hvert fall i noen sammenhenger får bli kjent med et større spekter av teknologisk kunnskap hvor fysikk inngår. Her gir vi to eksempler på hva det kan være.

360 kapittel 24 Antall blader: 3 Vindhastighet (m/s): 5 Rotasjonshastighet (rpm): 500 Mølle diameter (m): 0,8 Rør diameter (cm): 11

Figur 24.1 Undervisningsopplegg med vindmøller. Foto: Berit Bungum

Bygg en vindturbin Figur 24.1 illustrerer et undervisningsopplegg utviklet ved Institutt for marin teknikk ved NTNU,34 hvor elevene bygger vindturbiner som kan få lys i en liten lampe. Det innebærer bruk av et modelleringsprogram for utforming av vin gene til turbinen, slik at de er tilpasset vindhastighet og dimensjonene vingene skal ha. Vingene skjæres ut og må monteres på en måte som gir stabilitet og minst mulig motstand. Videre bygges en dobbel likeretter, siden generatoren produserer vekselstrøm. Her blir elevene kjent med elektroniske komponenter, verktøy og prinsipper ingeniører benytter seg av. Opplegget dekker dermed de øvrige kunnskapsformene til Staudenmaier: ingeniørteori, kunnskap om problematiske forhold og tekniske ferdigheter. Det er åpenbart at elever ikke kan bygge en slik vindmølle bare med utgangspunkt i kunnskap om induksjon. De vil heller ikke lære Faradays induksjonslov gjennom byggeprosjektet, og dette er heller ikke meningen med undervisnings34

For fullstendig byggebeskrivelse, se www.marin.ntnu.no/OceanSpaceExplorer/

å undervise teknologi som del av fysikkfaget 361

prosjektet. Generatoren gir elevene erfaring med et eksempel på bruk av fenomenet induksjon i teknologisk sammenheng, og de må i stor grad forholde seg til den praktiske konteksten. For eksempel må de arbeide nøyaktig med å få generatoren plassert stabilt slik at mest mulig av rotasjonsenergien overføres. De får også erfaring med hvordan dioder kan kobles for å bygge en likeretter som omgjør vekselstrøm fra generatoren til likestrøm i kretsen med lampa, og med hvordan dataprogrammer brukes for å forme vingene slik at de gir optimal energiproduksjon. Dette gir et bredere og mer autentisk bilde av hvordan fysikere og ingeniører arbeider i profesjonell sammenheng, enn om man bare gir elevene eksempler på hvordan induksjon brukes innen teknologi.

Bygg en sensor for luftfuktighet Dette undervisningsopplegget er utviklet i masteroppgaven til Brit Nes (2008) og ble utviklet for å møte kompetansemålene om teknologi i fysikkfaget ved innføringen av Kunnskapsløftet. I opplegget skal elevene arbeide med halv ledere, dioder og transistorer, virkemåten til lysdetektorer og sensorer og deres egenskaper, og opplegget vektlegger andre kunnskaper enn de rent fysikkfaglige. Opplegget går ut på at elevene bygger et sensorsystem for måling av relativ luftfuktighet. Siden relativ luftfuktighet avhenger av temperaturen, innebærer dette at systemet i tillegg til fuktighet må måle temperaturen i lufta. En fuktighetssensor kobles i serie med en termistor på et koblingsbrett. Videre bygges et «display» som består av 10 lysdioder, hvor antallet som lyser, er et mål for hvor høy luftfuktigheten er, se figur 24.2. For å få til dette gjør man bruk av en integrert krets («chip»), som registrerer analoge nivåer for elektrisk spenning og fra dette styrer antall lysdioder som lyser. I tillegg kobles det inn motstander for at sensorsystemet skal virke optimalt i ønsket område for luftfuktigheten. Oppgaven til elevene inneholder også å orientere seg om sensoren i datablad fra forhandleren. De skal finne nøyaktighet for sensoren, hvilket måleområde den kan brukes innenfor, og hvor stor spenning den tåler. De skal også avgjøre hvilket fysisk prinsipp sensoren arbeider etter, det vil si hvilken parameter som varierer med luftfuktigheten (parameteren kan være kapasitans, resistans eller termisk ledningsevne). Deretter følger en øvingsoppgave med avlesning i en tabell i databladet for å finne relativ luftfuktighet ved gitt temperatur og avlest resistans. Til slutt skal de finne ut hva sensoren koster, og sammenlikne med andre tilgjengelige fuktighetsmålere fra samme forhandler.

362 kapittel 24

Figur 24.2 Sensorsystemet opp koblet på koblingsbrett. Foto: Brit Nes.

Elevene kobler opp sensoren og termistoren i serie på et koblingsbrett. De kobler til en spenningskilde og måler spenningen over termistoren med et multimeter. Denne øker når fuktigheten i lufta øker. Fra denne spenningen beregnes relativ luftfuktighet fra karakteristikken av fuktighetssensoren fra databladet. Med lysdioder som «display» gjøres sensorsystemet mer brukervennlig enn når vi må måle spenning, og så regner om til luftfuktighet. Elevene kan også få eksperimentere med å endre funksjonen til kretsen med en enkel omkobling slik at en gitt lysdiode lyser ved et bestemt fuktighetsnivå, i stedet for at det er antall lysende dioder som angir nivået for luftfuktighet. Dermed kan kretsen også bygges som et alarmsystem som melder fra med lys eller lyd om fuktigheten faller under eller stiger over bestemte verdier. Hvilken kunnskap kan et slikt undervisningsopplegg gi elevene? Gjennom å bygge sensorsystemet erfarer elevene bruk av komponenter og utstyr i en formålsrettet sammenheng. Forståelse av sensorsystemet i sin helhet krever kjennskap til prinsippene komponentene fungerer etter, og grunnleggende kretsforståelse. Dette representerer vitenskapelig grunnkunnskap i Staudenmaiers kategorisering av teknologisk kunnskap som ble presentert i det foregående. Kobling av sensoren på koblingsbrett krever innsikt i hvordan banene på brettet er koblet sammen. Dette kan ikke utledes fra kunnskaper i ren fysikk, men er konvensjoner som er innarbeidet på dette spesifikke teknologifeltet fordi det er formålstjenlig. Undervisningsopplegget gjør elevene kjent med viktige verktøy som fagfolk bruker, hvordan komponentene ser ut, og hvordan de håndteres. Dette gir dem en følelse av gjenkjennelse og mestring om de møter disse verktøyene og komponentene senere. Å lære om komponentene med en teoretisk lærebokvinkling gir ikke elevene denne opplevelsen, mens den integrerte kretsen gjør at elevene blir kjent med bruk av halvlederkomponenter på den måten de vanligvis opptrer

å undervise teknologi som del av fysikkfaget 363

i moderne elektronikk, det vil si ikke som enkeltkomponenter, men satt i system med mange andre komponenter. Å lete fram opplysninger fra datablad avspeiler også teknologisk kunnskap som ikke er standard innhold i fysikktimene. Men elevene blir her oppmerksomme på mangfoldet av komponenter og produkter som finnes, og de omfattende systemene for å finne fram til dette hos forhandlerne. De ser at skal man jobbe med elektronikk, må man være presis når det gjelder spesifikasjoner, og de blir kanskje overrasket over hvor billige avanserte komponenter faktisk er. Opplegget om sensorsystemet inneholder også aspekter av ingeniørteori. De begrepene og sammenhengene som står sentralt, er ikke de samme som man fokuserer på i ren fysikkundervisning. For eksempel beskrives en gruppe komponenter i kretsen som en «spenningsdeler», fordi det er den funksjonen disse komponentene har for kretsens formål. I tradisjonell fysikkundervisning ville man heller ta utgangspunkt i Kirchhoffs 1. lov og hvordan den kan brukes til å finne spenningen over hvilke som helst enkeltkomponenter i en krets når verdier for resistans og spenning fra spenningskilden er kjent. Dette er et eksempel på rekonstruksjon av kunnskap som beskrevet av Layton (1991) og referert tidligere i kapitlet. Kretsen elevene bygger, vil i de fleste tilfeller ikke virke optimalt ved første forsøk. Elevene må gjøre feilsøking og å tilpasse instrumentet til å virke optimalt for fuktighetsområdet i de omgivelsene en vil måle på. Dette krever den type kunnskap som Staudenmaier har beskrevet som kunnskap om problematiske forhold. Det er viktig at elevene får nok tid til å utvikle også denne formen for kunnskap, og får erfare feilsøking og justeringer som en naturlig del av prosessen og ikke et tegn på egen utilstrekkelighet. De opplever da at arbeid med teknologi krever et vidt spekter av kunnskap, og de kan også oppnå gleden over å lykkes og at arbeid med realfag kan være skapende i å kombinere ulike former for kunnskap i å lage et produkt.

364 kapittel 25

Kapittel 25

Å undervise om fysikkens egenart og vekselvirkning med samfunnet Som diskutert i kapittel 4 er fysikk et fag som utvikles i tett vekselvirkning med resten av samfunnet. Læreplaner i fysikk vektlegger gjerne at elevene skal få vitenskapsteoretisk innsikt i fysikkens kjennetegn slik at de kan forstå hvordan fysikkfaglig kunnskap utvikles, og hvordan vi kan vurdere pålitelighet av forsk ningsresultater. Kanskje bør elevene også utvikle innsikt i teknologisk bruk og kunne diskutere spørsmål knyttet til kontroversielle anvendelser. Et sentralt mål er at elevene skal utvikle sin evne til kritisk tenkning og kunnskapsbasert deltakelse i diskusjoner relatert til utvikling og anvendelser av forskningsresultater. I dette kapitlet skal vi starte med å se på bakgrunnen for å ta med slike perspektiver i læreplanen. Deretter skal vi se på hva elever tenker om fysikkens egenart og naturvitenskapelig metode. Til slutt skisserer vi noen strategier for å ta opp denne typen stoff i undervisningen.

25.1 Undervisning om fysikkens egenart – hva og hvorfor? Svein Sjøberg (2009) skriver at det «å lære naturfag» har flere dimensjoner: Elevene skal kjenne naturvitenskapens produkter (begrepene, lovene, teoriene), de skal kjenne naturvitenskapens praksiser (prosessene som fører fram mot ny innsikt), og de skal kjenne naturvitenskapen som sosial institusjon (hvordan den påvirker og blir påvirket av tankestrømninger og økonomiske forhold i samfunnet). Realfagdidaktikere har gjennom årtier hevdet at naturvitenskapens egenart og vekselvirkning med samfunnet bør få en bredere plass i skolen. En hoved-

å undervise om fysikkens egenart … 365

begrunnelse er målet om naturvitenskapelig allmenndannelse: Skal en samfunnsborger kunne nyttiggjøre seg naturvitenskapelig innsikt for å ta kloke forbrukerbeslutninger eller gjøre seg opp meninger om f.eks. energipolitikk, holder det ikke å forstå de naturvitenskapelige begrepene og prinsippene som er relevante. Man må også kjenne til hvordan naturvitenskapelig kunnskap framkommer gjennom en vekselvirkning mellom observasjoner/eksperimenter, teoribygging og faglig diskusjon; hvilke feilkilder og usikkerheter som finnes; at en del kunnskap kan være kontroversiell; at noe naturvitenskapelig kunnskap er mer sikker eller etablert enn de forklaringsmodellene som konstrueres på forskningsfronten; at forskere arbeider innenfor vitenskapelige paradigmer så vel som samfunnsmessige og økonomiske rammer som påvirker hvilke spørsmål de stiller, og hvordan de tolker data. Behovet for slik innsikt blir spesielt tydelig i møte med omdiskuterte saker hvor kunnskaper i fysikk er relevante, eksempelvis diskusjoner om klimaendringer, valg av energikilder for framtiden og effekter av ulike typer stråling på helse. I slike saker er det ofte ikke bare politiske veivalg som diskuteres, men også naturvitenskapelige argumenter, siden resultatene fra ulike studier ved forskningsfronten kan være sprikende. Skal elever forstå hvordan eksperter kan vurdere en sak ulikt, trenger de innsikt i at forskning innebærer tolkning og argumentasjon. Det å kunne resonnere vitenskapelig og kritisk er viktig i mange sammenhenger, både i studier og forskning og mer generelt. Trening i å argumentere med bruk av data og teori er derfor et viktig mål for fysikk undervisningen. Det er altså gode grunner til hvorfor fysikkens egenart bør være representert i fysikkundervisningen. Mye tyder imidlertid på at dette området ofte får en mindre plass i mange klasserom enn læreplanen skulle tilsi. For eksempel svarte både fysikkelever og -lærere i den norske FUN-undersøkelsen at aspekter knyttet til vitenskapens historie og vekselvirkning med samfunnet var mindre interessante og viktige enn andre aspekter ved faget (Angell et al., 2004), og Bøe et al. (2018) rapporterte at en del elever så på vitenskapsfilosofisk og historisk stoff mer som «artig krydder» i undervisningen enn som læringsmål med en verdi i seg selv. Sannsynligvis må slikt stoff i større grad inngå eksplisitt i lærerens vurdering av elevkompetanse hvis det skal få større plass i elevenes arbeid med faget (jf. diskusjon om «constructive alignment» i kapittel 10.2). Skal det bli seriøsitet og innsats i arbeidet med fysikkens egenart, må dette fagstoffet selvfølgelig også inkluderes på prøver, og gjerne også i lekser. Allchin (2011) foreslo at ved å bruke oppgaver der elevene skal analysere tekster om forskning hentet

366 kapittel 25 fra nyhetsmedia og vitenskapshistorien, er det mulig å teste elevers forståelse av fysikkens egenart og ikke bare deres faktakunnskaper. Osborne og medarbeidere (2001) bemerket at til tross for all oppmerksomheten rundt viktigheten av naturvitenskapens egenart i naturfagundervisningen er dette merkelig nok fortsatt et marginalt trekk i de fleste naturfaglærerutdanninger. Noen peker også på at det mangler enighet blant teoretikerne om nøyaktig hva vi skal forstå med «naturvitenskapens egenart». Spør man erfarne fysikere hva Newtons første lov sier, vil alle gi mer eller mindre nøyaktig det samme svaret – det vil ikke være uenighet. Spør man derimot hva som er essensen i naturvitenskapelig metode, vil svarene sannsynligvis sprike langt mer. Imidlertid er det en del fagdidaktikere som har søkt – og mener de har funnet – et minste felles multiplum av viktige aspekter ved naturvitenskap som de fleste aktive forskere, vitenskapsteoretikere, fagdidaktikere og naturfaglærere kan enes om. Osborne og medarbeidere (2003) presenterte et slikt «minste felles multiplum» og noterte samtidig at mange av disse aspektene (men ikke alle) faktisk var omtalt i læreplaner i en rekke ulike land. Et eksempel er at utredningen om framtidens skole i Norge hevder at elever bør lære vitenskapelige metoder og tenkemåter (NOU 2015:8, 2015). Behandlingen av naturvitenskapens egenart i læreplaner ble oppsummert av McComas og Olson (1998) i følgende liste (omarbeidet til norsk av forfatterne av denne boka), som vi kan betrakte som et mulig svar på hva læreren bør legge vekt på når det gjelder naturvitenskapens egenart som tema i undervisningen: Vitenskapelig kunnskap er i sin natur foreløpig Naturvitenskap er basert på empirisk evidens Forskere krever reproduserbarhet og sannferdig rapportering Naturvitenskap er et forsøk på å forklare fenomener i den fysiske verden Forskning er kreativt arbeid Naturvitenskap inngår i en samfunnsmessig tradisjon Naturvitenskap spiller en viktig rolle i teknologi Vitenskapelige ideer påvirkes av den sosiale og historiske sammenhengen de utvikles i • Nyvinninger innen naturvitenskap skjer gradvis • Naturvitenskap har global betydning

• • • • • • • •

Vi gjenkjenner mange av disse punktene fra kapittel 3 og 4 i denne boka. Lista fra McComas og Olson er selvfølgelig ikke ment som punkter som elevene bare skal pugge. Poenget er at elevene skal forstå punktene og kunne bruke

å undervise om fysikkens egenart … 367

denne forståelsen i situasjoner og saker hvor forskning og bruk av forskning diskuteres (Allchin, 2011).God forståelse vil normalt bygge på en kombinasjon av erfaring og refleksjon. Det samme gjelder kompetanse i å bruke forståelse i nye situasjoner. Forslagene til arbeidsmåter i dette kapitlet har som mål å gi slike erfaringer som gir grunnlag for kunnskapsbyggende refleksjon. Å kjenne naturvitenskapens egenart og hvordan den griper inn i samfunns livet så vel som i enkeltindividers liv, vil gjøre elevene bedre rustet til å framskaffe og vurdere relevant, naturvitenskapelig informasjon i sammenhenger der de trenger det både som privatpersoner, som yrkesutøvere og som samfunnsborgere. I dette inngår også å kunne sile ut informasjon som ikke er vitenskapelig. I læreplanen K06 for Fysikk 1, under «Den unge forskeren», står det f.eks. at elevene skal kunne «gi eksempler på noen alternative forklaringsmodeller som ikke er forenlige med fysikkens forklaringer, og som heller ikke baserer seg på vitenskapelig metodikk». For å arbeide med slike kompetansemål er det naturlig at man i klassen trekker inn astrologi, ulike «alternative» behandlingsformer eller andre pseudovitenskapelige praksiser, og diskuterer hva som skiller disse fra vitenskapelig baserte praksiser (se kapittel 3). Det er ikke vanskelig å få tak i tekster og reklamemateriell som danner grunnlag for diskusjon; flere eksemp ler er gitt i Sjøberg (2009). Når man diskuterer slike spørsmål i klasserommet, gjelder det at læreren trår varsomt og styrer diskusjonen på en klok måte. Man bør unngå å framstille det slik at vitenskapen «har alle svarene» – og samtidig bør man klart peke ut de kriteriene som gjør at noen undersøkelser og noen typer viten kan kalles vitenskapelige. Læreren bør formidle at fysikkens domene er å beskrive og forklare fysiske fenomener i naturen. Fysikkens teorier kan derfor ikke brukes til å avgjøre religiøse eller åndelige spørsmål, for eksempel om Gud finnes, eller om universet er skapt. Annerledes er det med påstander som begrunnes ved å bruke fysikkens begreper (som for eksempel at «kvantemedisin» eller «krystallterapi» kan kurere sykdom). Her må vi stille de samme krav til dokumentasjon og mulighet for falsifisering som vi gjør med andre påstander og utsagn innen naturvitenskapen.

25.2 Elevenes syn på naturvitenskapens egenart Hva tenker elever om hva som kjennetegner naturvitenskap generelt og fysikk spesielt? Forskere har pekt på en del svakheter i elevers forståelse av natur vitenskapens egenart. For eksempel mener mange elever at:

368 kapittel 25 • eksperimenter som er riktig utført, gir uforanderlige, absolutte, objektive fakta • vitenskapelige modeller er kopier av virkeligheten • samvariasjon (korrelasjon) impliserer en årsakssammenheng • vitenskapelige modeller blir oppdaget av forskerne • naturvitenskap er «en samling viten» • kreativitet og originalitet ikke er involvert i naturvitenskap Ryder, Leach og Driver (1999) undersøkte universitetsstudenters syn på naturvitenskap og fant bl.a. at studentene hadde en svak forståelse av sammenhengen mellom data (målinger/observasjoner) og de konklusjonene vi kan og ikke kan trekke om fenomener i naturen. Studentene uttrykte at nye innsikter i vitenskapen kunne bevises endelig ved bruk av empiriske data alene. De manglet altså en forståelse av det viktige bidraget fra analyse og teoribygging og hvordan disse vekselvirker med empiriske undersøkelser. I PISA-undersøkelsen i 2015 (Kjærnsli & Jensen, 2016) gjorde norske 15-åringer det bedre på oppgaver som dreide seg om å forklare fenomener på en naturvitenskapelig måte enn på oppgaver som krevde at de skulle vurdere og planlegge naturvitenskapelige undersøkelser. Dette kan tyde på at undervisning av «naturvitenskapelig innhold» står noe sterkere enn «naturvitenskapelig arbeidsmåte» i norsk naturfagundervisning. Det er interessant å merke seg at guttene gjorde det klart bedre enn jentene på den første kategorien oppgaver, mens gutter og jenter presterte tilnærmet likt på den andre kategorien. Tilsvarende viste TIMSS Advanced-undersøkelsen fra 2008 (Lie et al., 2010) at norske fysikkelever var bedre på oppgaver som kunne besvares «rett fram» ut fra kjennskap til fakta, begreper eller naturlover, enn på oppgaver som krevde anvendelse av eller resonnering ut fra fysikkunnskap. Øystein Guttersrud (2008) ba over 400 fysikkelever i 2. klasse i norske videregående skoler om å svare på hvor enige de var i ulike påstander om fysikkens egenart og naturvitenskapelig arbeidsmåte. Figur 25.1 gir noen eksempler på påstander og hvordan elevene stilte seg til dem. Noe av det mest slående med resultatene er kanskje hvordan elever klart uttrykker at en naturlov er noe som oppdages, ikke skapes. De plasserer seg altså (ikke overraskende) blant realistene snarere enn blant konstruktivistene (se kapittel 1).Videre er det litt påfallende at elevene uttrykker såpass stor enighet i at innsamling av nok fakta resulterer i sikker kunnskap, og noe nedslående er det at de ikke ser en større rolle for kreativitet og fantasi innen vitenskap. I denne

å undervise om fysikkens egenart … 369

En naturlov er noe forskere oppdager Forskerenes kunnskaper og erfaringer påvirker hvordan de tolker observasjoner Innsamling av nok fakta resulterer i sikker kunnskap Forskere i fysikk bruker o˜e kreativitet og fantasi Fysikk har som mål å lage så enkle modeller som mulig Forskerens forventninger, håp og ønsker påvirker hvordan de tolker observasjoner En naturlov er noe forskere skaper 1,0 I svært liten grad

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0 I svært stor grad

Figur 25.1 Fysikkelevers grad av enighet i ulike utsagn om fysikken egenart og naturvitenskapelig arbeidsmåte. Skalaen går fra 1 («I svært liten grad») til 4 («I svært stor grad»). Merk at et gjennomsnitt på 2,5 markerer et «nøytralt midtpunkt» på skalaen. Undersøkelsen er hentet fra Guttersrud, 2008.

noe forenklede framstillingen av naturvitenskap er det nettopp det intellektuelle elementet som mangler: Mange har en overdreven tro på at empirien taler for seg selv, en mangelfull forståelse intellektuell Her og er det mye “greier”. F eksav athvilken man begynner påog ‘1’,kreativ prosess det er å utvikle ny forståelse innen vitenskap. mens tallene begynner på ‘0’ . Men jeg har kuttet og ordnet. I en undersøkelse av hvordan fysikkelever diskuterte bølge/partikkel-dualismenMen. for lys, fant Henriksen, og det Bungum (2018) at noen elever I både manus ogAngell, i korr Vistnes opereres uttrykte naivdet forventning om at fysikken meden6 relativt tall, mens er 7 liggende søyler. til slutt ville «bevise» hva lys er en gang for alle, mens andre elever var i stand til å reflektere over rollen Ja ja .... i fysikken: til modeller Elev 1: Ingen er helt perfekte forståelser da. Elev 2: Det er en fin måte å si det på. […] Elev 1: Så vi vet egentlig ikke sannheten, vi bare vet en tilnærming til den på en måte. Elev 2: Ja. Elevers ufullstendige forståelse av naturvitenskapenes egenart kommer også til syne i situasjoner hvor naturvitenskap og samfunn vekselvirker. For eksempel har mange elever en forenklet tro på at uenighet mellom forskere må skyldes

370 kapittel 25 manglende kompetanse eller en (skjult) agenda eller interesse hos noen av dem. Et annet problemområde er at en del strever med å se grensene for eksperters domene og det viktige skillet mellom deskriptiv fagkunnskap og normative verdivurderinger (Kolstø, 2001).

25.3 Undervisning om fysikkens egenart – hvordan? Det er lett å tenke seg at hvis elever får arbeide som forskere med åpne laboratorieoppgaver, eller hvis de får møte eksempler på hvordan vitenskapelig kunnskap innen enkelte områder har utviklet seg historisk, så vil de nærmest automatisk skape seg et realistisk bilde av naturvitenskapens egenart. Mange forskningsstudier finner at dette ikke stemmer, og påpeker at spørsmålet om hva som karakteriserer naturvitenskap, må diskuteres eksplisitt i klasserommet for at undervisningen i naturvitenskapenes egenart skal bli vellykket (Lederman & Lederman, 2014). De finner likevel et interessant unntak. Hvis læreren bruker et presist språk preget av innsikt i naturvitenskapens egenart, f.eks. påpeker under framlegging av atomets oppbygging at det er en modell, vil elevenes syn på naturvitenskapelig kunnskap bevege seg til i større grad å se på kunnskapen som fruktbare forklaringsmodeller utviklet av mennesker (Lederman & Lederman, 2014). Når det gjelder undervisningsmodeller for å ta opp vitenskapsfilosofiske temaer i klasserommet, er det særlig tre muligheter som har vært studert. Den ene er å ta utgangspunkt i eksempler fra fagets historie. Den andre er å bruke små elevaktiverende enkeltoppgaver som stimulerer til diskusjon og refleksjon, som i eksempelet ovenfor der elever diskuterte lysets bølge- og partikkelnatur. Den tredje er å bruke utforskende praktisk arbeid som inkluderer lærerstyrt refleksjon over hva som kjennetegner god forskning. Nedenfor vil vi legge fram noen ideer knyttet til hver av disse tre mulighetene.

Diskusjon og dramatisering av historiske eksempler En mulig tilnærming er å la elevene møte vitenskapshistorien og diskutere hva denne kan fortelle om hvordan vitenskapelig kunnskap og forståelse utvikles i forskersamfunnet. Hvordan har det faktisk foregått i de tilfellene der viktige endringer i den vitenskapelige forståelsen ble oppnådd? I kapittel 21,«Å undervise i kvantefysikk», er det gitt eksempler på hvordan en historisk tilnærming

å undervise om fysikkens egenart … 371

kan gi økt innsikt i selve den vitenskapelige teorien så vel som i fysikkens egenart. Slike historier, formidlet gjennom tekst eller gjennom at læreren forteller, kan fremme interesse og engasjement hvis de er godt formidlet (Renstrøm, 2011). Én mulighet er å legge vekt på den menneskelige dramatikken med konflikt, konkurranse, motstand, fiaskoer og suksesser der det er aktuelt. En annen mulighet er å få fram det spennende i selve spørsmålet som utforskes: Kan det være mulig å finne ut om de ufattelig små atomene har en indre struktur, og hvordan denne i så fall er? Kan det tenkes at Einstein har rett i sin underlige teori om energi og masse? En framstilling av kvantefysikkens historie tilpasset elever og lærere i videregående skole er «Kvantedramaet» (Renstrøm & Renstrøm, 2015). Når en bruker situasjoner fra fysikkens historie i undervisningen, er det viktig å huske på at slike eksempler ikke taler for seg selv. På samme måte som med måledata så må de tolkes i lys av en teori eller hypotese for å gi innsikt i fysikkens egenart og tenkemåter. Det er ikke nok «å fortelle historien» – de vitenskapsteoretiske aspektene må diskuteres eksplisitt. Gode historiske eksempler åpner for diskusjonsbasert undervisning der læreren kan utfordre elevene til å foreslå vitenskapsteoretiske fortolkninger som så testes mot det historiske eksempelet: Jobbet disse forskerne hypotetiskdeduktivt? Forelå det ulike tolkninger av data? Innebar utforskningen kreativitet og kritisk vurdering? Var kontroll av variabler et viktig tema? Ble alle empirisk bekreftede hypoteser stående for ettertiden? Var kollegers kritikk av publiserte metoder og tolkninger viktig for forskningens framdrift? En metode for å levendegjøre episoder fra vitenskapens historie er bruk av drama. Marianne Ødegaard (2007) peker på at drama som undervisnings metode forener ulike dimensjoner i læringsprosessen; det kognitive, det affektive og det aktive. Videre er drama som læringsaktivitet inkluderende av natur. Essensen i drama er å spille ut konflikter, og det gir dermed rom for å inkludere alle elevers syn og betraktninger. Å spille en rolle gir også mulighet til å prøve ut synspunkter og argumenter som ikke nødvendigvis er ens egne. For å få fokus på fysikk og forskningsmetode er det viktig å ta utgangspunkt i en faglig konflikt, f.eks. knyttet til tolkning av data eller valg av forklaringsmodell. Rollespill er derfor mye brukt i undervisning om samfunnsaktuelle problemstillinger og etiske sider av naturvitenskap, hvor det er viktigere å få fram ulike måter å se problemene på enn å fremme én bestemt løsning (Mork, 2008). Videre er historisk rollespill en velegnet læringsarena for vitenskapelig argumentasjon. I sin masteroppgave utviklet Frode Aalmen (2010) et undervisnings-

372 kapittel 25 opplegg hvor elever i Fysikk 2 dramatiserer en vitenskapelig debatt mellom Niels Bohr og Albert Einstein. Elevene forbereder seg ved å sette seg inn i kvantefysikkens historie og de viktigste dilemmaene en her har møtt på, både av fysikkfaglig og mer erkjennelsesmessig art. I to lag, hvor det ene representerer Bohr og det andre Einstein, utvikler elevene argumenter for hvert sitt synspunkt. Selve debatten mellom de to lagene utgjør avslutningen på undervisningen i kvantefysikk. I en slik dramatisering får elevene mulighet til å leve seg inn i hvordan markante fysikere i en spennende epoke i fysikkens historie brukte vitenskapelige argumenter, henviste til data og teori, og vurderte ulike forslag til forklaringsmodeller og tolkninger av disse. Elevene må uttrykke sin faglige forståelse muntlig – ikke som en gjengivelse, men i en argumenterende sjanger. Med god faglig forberedelse kan dramatisering av debatter fra historien gi bedre faglig forståelse av fysikken så vel som av hvordan den historisk har utviklet seg. Også her gjelder det at lærer må tilrettelegge for refleksjon over kjennetegn på forskningen som inngikk hvis elevene skal utvikle sin innsikt i naturvitenskapens egenart. Dramatisering kan også brukes til å illustrere debatter om hvilken forskning som bør støttes. Industri og det offentlige bruker store summer på finansiering av forskning i fysikk. Ofte er håpet å få tilbake kunnskap som kan brukes til løsning av aktuelle problemer. Noen bestemmer hva som skal forskes på, og resultatet av denne forskningen åpner noen muligheter for anvendelser samtidig som andre muligheter ikke blir utforsket. I Norge ble oljerelatert forskning lenge prioritert høyere enn forskning på alternative energikilder. I EU ble det for noen år siden bestemt å satse store midler på videre forskning på fusjon som energikilde, mens akseleratordrevet fisjon (ADS), som samtidig fisjonerer gammelt radioaktivt avfall, ikke oppnådde finansiering. Og hvor mange skattekroner er det ønskelig å prioritere på utforskning av Mars og verdensrommet? Når skattepenger brukes til å finansiere forskning, er det rimelig at vi alle er med på å bestemme hva det skal forskes på, gjennom diskusjoner som er tuftet på innsikt. Et annet aktuelt spørsmål som elevene kan være med å diskutere, er om forskere har et ansvar for mulige konsekvenser av nye forskningsresultater de er med å forske fram. Et kjent eksempel her er diskusjoner knyttet til utvikling av atomvåpen og Pugwash-bevegelsens senere arbeid for eliminering av masseødeleggelsesvåpen basert på et manifest skrevet av Bertrand Russell og Albert Einstein. Øving i å utforske og vurdere argumenter som inngår i valg av forskningstema og realismen bak forslag om utvikling av nye teknologier, er derfor viktig i et demokrati. Vi kan gi elevene i oppgave å utforske faglige argumenter som inngår i en samfunnsaktuell problemstilling. Eksempler på slike er elektrifisering av olje-

å undervise om fysikkens egenart … 373

installasjoner på sokkelen, bruk av kjernekraft for å minske CO2-utslipp når transport skal over på ikke-fossile energikilder, og lagring av radioaktivt avfall. Formålet kan være å gi elevene erfaring med, og innsikt i, hvordan identifisere og vurdere faglige argumenter i offentlig debatt. I slik utforskning er det erfaringsmessig lett at mange elever fokuserer på politiske alternativer og argumenter relatert til økonomi og arbeidsplasser samt eventuelle effekter på helse og natur. Hvis du ønsker at elevene skal fokusere på argumenter relatert til fysikk eller teknologi, må oppgaven be elevene undersøke faglige argumenter som inngår, og hvordan de brukes av ulike aktører i saken. I diskusjonen om alternative energikilder kan vi for eksempel be elevene undersøke gyldigheten av påstanden om at sol- og vindenergi ikke kan gi stabil energi forsyning siden slik energiproduksjon svinger med vær- og vindforhold. Her er det naturlig å be elevene vurdere påstandens gyldighet kritisk, og å undersøke hvordan bruk av argumenter synes å bli påvirket av interesser ulike aktører kan ha. Når elevene har undersøkt og vurdert argumenter i en sak, kan en arrangere en konferanse i klasserommet der ulike grupper legger fram sine resultater før de i etterkant skriver en kort rapport. En slik konferanse kan også organiseres med et panel bestående av en gruppe som har i oppgave å stille kritiske spørsmål til andre gruppers framlegg og deretter lage et begrunnet forslag til beslutning eller vurdering i saken.

Elevdiskusjon knyttet til oppgaver eller aktiviteter Mange har utviklet diagnostiske spørsmål eller diskusjonsopplegg for å undersøke elevenes innsikt i naturvitenskapens kjennetegn. En del av disse kan gjerne brukes i undervisningen, både for å skape refleksjon og diskusjon blant elevene og som diagnostisk verktøy for læreren. Her kan elevene også utfordres til å finne fram konkrete eksempler fra vitenskapen som underbygger deres syn. Et eksempel på en slik oppgave er å la elevene diskutere i hvilken grad (gjerne på en skala fra 0 til 10) ulike påstander kan begrunnes eller undersøkes vitenskapelig. Elevene kan være med på å plukke ut påstander. Eksempler er: • • • • • •

Månen går i bane rundt jorda Det finnes atomer Tankeoverføring forekommer Jeg kommer til å leve i minst 50 år Vi må bremse global oppvarming Krystaller av ulike mineraler kan brukes til å helbrede sykdom

374 kapittel 25 Denne øvingen kan gi opphav til interessante diskusjoner om hva det vil si å begrunne noe vitenskapelig. Har ulike elever vurdert påstandene på samme måte? I en artikkel om undervisning i naturvitenskapens egenart presenterer Lederman og Abd-El-Khalick (1998) en rekke ideer bygd rundt elevers utforsk ning av «svarte bokser». En av ideene er en svart boks med lukkede ender. Det henger fire trådender ut av boksen (se figur 25.2). Elevenes oppgave er å utvikle en modell for den «indre strukturen» i boksen, med tegning og forklaring. Denne er ikke triviell å bli enig om. På grunn av ringen mellom tauene inni boksen vil det å dra i en tauende noen ganger, men ikke alltid, resultere i at to andre tauender blir kortere. Empirien kan altså være forenlig med flere ulike forklaringsmodeller. Læreren kan utfordre modeller som elevene foreslår, ved å spørre hvilken empiri de bygger på. Ofte kan flere ulike modeller forklare samme empiri, mens andre igjen vil bli falsifiserte. Det blir så lærerens jobb å lede en diskusjon av hvordan denne «leken» likner på forskeres utforskning av det ukjente. En diskusjon kan her få fram at modellutvikling krevde både god empiri, menneskelig kreativitet og «gjetting», at data kan støtte ulike modeller, at data kan falsifisere utkast til modeller, at både data og tolkninger ofte må avklares gjennom diskusjoner, og ikke minst: at en må skille mellom observasjoner og tolkninger. «Svarte bokser» kan derfor hjelpe elevene til å erkjenne at det er prinsipiell forskjell mellom den virkelige verden og forskeres beskrivelser av verden. Boksen skal selvfølgelig ikke åpnes til slutt. I forskning finnes det ingen overdommer eller «gudeposisjon» som gjør at vi kan sjekke «direkte» om modellene

Figur 25.2 En «sort boks» til bruk for å sette i gang elevdiskusjon og –refleksjon rundt naturvitenskapens egenart.

å undervise om fysikkens egenart … 375

våre egentlig er «riktige». Det er derfor bare fint hvis elevene i etterkant fortsetter å undres over om den ene eller andre modellen best forklarte observasjonene. For å stimulere til dette kan boksen limes igjen slik at den faktisk ikke lar seg åpne. En annen variant er å la elevene utforske konstruksjonen av bena til et bord gjennom å rulle kuler inn under duken som skjuler bena, og så se hvor kulene kommer ut. Denne ideen er selvfølgelig inspirert av Rutherfords berømte skyt ing av alfapartikler mot gullfolie for å undersøke atomets indre struktur. I artikkelen til Lederman og Abd-El-Khalick (1998) finnes det flere ideer til svarte bokser, og en kan sikkert komme på flere selv.

Åpne forsøk og rapportskriving for å lære om naturvitenskapens egenart Etter et europeisk forskningsprosjekt, «Labwork in Science Education» (Séré, 2002) hevder forskerne at forsøk i mye større grad bør brukes som trening i naturvitenskapelig arbeidsmetode og som illustrasjon på hvordan usikkerhet, uenighet og diskusjon kan innvirke på tolkningen av eksperimenter. I kapittel 13 beskrives utforskende arbeidsmåter hvor elevene selv utforsker mulige svar på et enkelt forskningsspørsmål der verken svaret eller metoden som skal brukes, er kjent på forhånd. Dette innebærer at elevenes arbeid kan få en del likheter med forskning, noe som er et godt utgangspunkt for å reflektere over naturvitenskapens egenart. Læringsutbyttet blir størst når læreren trekker elevene inn i samtaler underveis der elevene utfordres til å begrunne egne valg og argumentere for tolkninger av resultater. Målet er å få elevene til å formulere vitenskapsteoretiske poeng med egne ord. Igjen vil vi presisere at det å gjøre åpne forsøk i seg selv ikke nødvendigvis gir økt forståelse av fysikkens egenart; disse aspektene må diskuteres eksplisitt i tilknytning til aktuelle faser i elevenes utforskning. Ulike typer åpen utforskning har også vist seg å utvikle elevenes evne til kritisk tenkning og vitenskapelig argumentasjon (Hand, Shelley, Lauger man, Fostvedt & Therrien, 2018; Hattie, 2009). Skriving av eksperimentrapporter representerer også en arena for å lære om naturvitenskapelig tenkeog arbeidsmåte. Når elevene selv har utforsket et spørsmål, er det naturlig å skrive en rapport der de argumenterer for sine konklusjoner ved hjelp av sine empiriske resultater (se kapittel 15). Dette er fin anledning til å diskutere evidensbasert argumentasjon som et av naturvitenskapens kjennetegn.

376 kapittel 25 I de fleste tradisjonelle skoleaktiviteter blir det lite synlig at naturvitenskap inneholder viktige kollektive praksiser som fagfellevurdering, publisering, kritikk og diskusjon. I skolen kan vi simulere den prosessen som ligger forut for enhver vitenskapelig publikasjon, nemlig fagfellevurderingen (se kapittel 4). Vi kan la elevgrupper fungere som redaktører og som kritiske lesere av hverandres arbeider, slik forskere gjør (oftest anonymt) når en forskningsartikkel er sendt inn til et tidsskrift for mulig publisering. Elevene får et sett med vurderingskriterier som de oppfordres til å bruke når de skriver sine eksperimentrapporter, og når de senere skal kritisk vurdere andres rapporter. Det å lese, vurdere og korrigere andre elevers rapporter gir en reflektert øving i rapportsjangeren og trening i kritisk vurdering. Når elevene har erfart vurderingsprosessen både som forfattere og som kritiske lesere, har læreren et konkret grunnlag for samtaler med elever om hvordan publisering, argumentering og kritisk vurdering praktiseres i naturvitenskap. Et utfordrende punkt for elever som skriver rapport, er behandlingen av usikkerhet og feilkilder i måledata (se kapittel 11.5). Dette kan vi arbeide med ved f.eks. å be elevene oppgi de tre viktigste feilkildene og eventuelt gjøre noen beregninger av ytterverdier. Andre ganger vil elever selv oppdage at målinger av samme fenomen spriker, og foreslå eller etterspørre en annen målesituasjon som kan tenkes å gi mer nøyaktige resultater. Slike situasjoner kan en lærer bevisst utnytte til å samtale om ulike kjennetegn på god og dårlig forskning. Når elevene blir vant til å gjøre denne typen vurderinger av egne resultater, vil de også lettere kunne overføre tilsvarende tankegang til kritisk vurdering av påstander de blir presentert for f.eks. gjennom massemedier. Det er imidlertid nødvendig å diskutere likheter og forskjeller mellom profesjonell naturvitenskap og det elevene har vært med på: Bruker naturvitere vurderingskriterier og kollegavurdering? Har elevene utviklet eller testet teorier i sine eksperimenter slik forskere ofte gjør? Pleier forskere å tydeliggjøre hvorvidt egne funn bygger på, stemmer med eller motsier funn fra tidligere studier? Hvor sikre kan vi være på at noe som er publisert i et vitenskapelig tidsskrift, er holdbart? Hvordan finner forskere ut hvilke påstander som skal regnes som pålitelige når ulike studier fremmer ulike hypoteser? Uten slik refleksjon over arbeids- og skriveprosesser blir læringsutbytte lett begrenset til praktiske sider ved undersøkelsen og elevenes egne tolkninger av aktivitetene.

å undervise om fysikkens egenart og vekselvirkning med samfunnet 377

Diskusjonsspørsmål til del 5 1. De fleste fysikklærebøker starter med mekanikk, ut fra en tanke om at mekanikken danner et viktig grunnlag for læring innen de fleste andre emner i fysikk. Samtidig vet vi at mekanikk oppleves som noe av det mest utfordrende fagstoffet å tilegne seg, og at elevene ofte har stor interesse for helt andre deler av fysikken. Diskuter argumenter for og imot å gi mekanikken en prioritert rolle i fysikkundervisningen, og om det faglig sett er mulig å starte med andre temaer. 2. Det blir ofte hevdet at mekanikk er et spesielt vanskelig tema i fysikk. Diskuter mulige grunner til hvorfor elever oppfatter mekanikk som så vanskelig. 3. Erfaring og forskning viser at spenningsbegrepet er krevende å tilegne seg for elever. Hvordan ville du beskrive og forklare hva spenning er for en elev i Fysikk 1? Hvilke analogier, modeller og begreper ville du bruke? Hvor ville du starte? Hvordan ville du bringe inn ulike representasjoner (eksperimenter, diagrammer/grafer, formler, …)? 4. I kapittel 20 pekte vi på at energi er et vanskelig begrep å definere. Diskuter fordeler og ulemper med å presentere elevene for definisjonen «Energi er det som får ting til å skje». 5. Fysikkens historie blir i mange lærebøker presentert som logisk og velordnet, og det gis inntrykk av at det som regel er nye og uforståelige eksperimentelle «fakta» som fører til nye hypoteser og teorier. Hva kan være grunnen til at mange lærebøker gir en slik framstilling? Hva kan være fordeler og ulemper med denne typen «historiefortelling», didaktisk sett og faglig sett? 6. I kapittel 21 hevder vi at en historisk vinkling på kvantefysikken kan gjøre at elevene forstår fagstoffet bedre. Kan dette være tilfellet også for andre deler av fysikken? 7. I kapittel 22 om astrofysikk er Big Bang-teorien beskrevet som «det beste vi har» når det gjelder teorier for universets utvikling. Hvordan vil du møte elever som hevder at det finnes noe bedre, og som henviser til religiøse skapelsesberetninger? 8. I avsnittet om trampolinemodellen har vi beskrevet styrker og svakheter ved modellen, og vi konkluderer med at den har potensial til å fungere som en god analogi. Diskuter den påstanden. 9. Undervisningsopplegget om sensorer som er beskrevet i kapittel 25, kan også brukes innenfor programfaget Teknologi og Forskningslære. Undersøk læreplanen for dette faget, og vurder om vinklingen her vil bli annerledes enn om det brukes i fysikkfaget.

378 kapittel 25

Bildet, tatt med romteleskopet Hubble i 2010, viser et fotogent par av vekselvirkende galakser. Gravitasjonen fra galaksen nederst på bildet drar spiralarmene til den øverste ut så den ligner en rose. Nær toppen av bildet ser vi hoper av varme og lyssterke, unge stjerner som stråler sterkt i det blå og ultrafiolette området. Galakseparet befinner seg i stjernebildet Andromeda, ca. 300 millioner lysår unna. Foto: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

å undervise om fysikkens egenart og vekselvirkning med samfunnet 379 [start del]

DEL 6 TESTER OG VURDERING I FYSIKKFAGET Denne delen handler om testing og vurdering. Vi starter med en gjennomgang av formativ og summativ vurdering, altså det vi kan kalle underveisvurdering og avslut tende vurdering. Spesielt legger vi vekt på hvordan formativ vurdering kan gjennom føres i praksis. Deretter ser vi kort på internasjonale tester som inkluderer fysikk i videregående skole, nærmere bestemt TIMSS og TIMSS Advanced. Videre tar vi for oss en del aspekter ved fysikkeksamen her i Norge, og til slutt i denne delen tar vi opp noen sentrale problemstillinger knyttet til eksamen og moderne testteori.

elevvurdering og veiledning i fysikk 381

Kapittel 26

Elevvurdering og veiledning i fysikk Medforfatter i dette kapitlet: Astrid Johansen

26.1 Formativ og summativ vurdering I dette kapitlet tar vi for oss hvordan læreren kan vurdere elevenes kompetanse i fysikk og veilede dem til å utvikle seg videre. Opplæringsloven (Utdanningsdirektoratet, 2006a) sier at formålet med vurdering er å fremme læring underveis og uttrykke kompetansen til eleven underveis og ved avslutningen av opplæringen i faget. Dette avspeiler to hovedformer for elevvurdering i skolen: formativ vurdering og summativ vurdering. Med formativ vurdering menes vurdering underveis i læringsprosessen, mens summativ vurdering er en kartlegging av elevens kompetanse ved slutten av et opplæringsløp. I klasserommet er imidlertid ikke grensen mellom summativ og formativ vurdering veldig skarp. De fleste prøver vil nok inneholde både formative og summative elementer. Det er derfor viktig å være klar over at formativ og summativ vurdering refererer til ulike hensikter med vurderingen og ikke ulike former for vurdering. Samme prøve kan altså brukes både summativt og formativt. Formativ vurdering kjennetegnes først og fremst ved sitt pedagogiske formål om å veilede eleven i læringsprosessen. Formativ vurdering er som oftest muntlig eller en kombinasjon av muntlig og skriftlig tilbakemelding. Formativ vurdering kan også knyttes direkte til målene i læreplanene og bruk av karakter. Når vi gir elevene tilbakemeldinger, er altså hensikten å bidra til elevenes utvikling, å innvirke på deres læringsprosess i positiv retning. Det er viktig at læreren kan avpasse kravene og forventningene til den enkelte elev slik at de er innen rekkevidde for eleven. Blir avstanden for stor mellom nå-situasjonen og forventningene, får sjelden vurderingen den tilsiktede virkningen.

382 kapittel 26 I boka Visible Learning (Hattie, 2009, se også kapittel 10), som var gjenstand for mye interesse da den kom, framheves det at formativ vurdering er noe av det som kommer høyt opp på lista over tiltak som har effekt på elevers læring. Totalt synes tilbakemelding å være et nøkkelord. Dette gjelder både tilbakemelding til elevene fra læreren og fra elevene til læreren. Når læreren søker og er åpen for tilbakemeldinger fra elevene om hva de kan, hva de forstår, hva de gjør feil, hva slags misoppfatninger de har osv., og når læreren gir gode tilbakemeldinger til elevene; det er da undervisning og læring går sammen i en kraftfull enhet. En slik positiv effekt forutsetter at elevene har tillit til at det virkelig er formativ vurdering som skal foregå. Et klassemiljø der det kjennes trygt å eksponere problemene sine i den læringsprosessen man er inne i, forutsetter en forståelse av hvilken vurdering som skal foregå. Det er derfor viktig at læreren gjør det klart at hensikten med vurderingen er å lære. Da blir det ikke risikabelt for elevene å gjøre feil; feilene skal man lære av. Summativ vurdering omfatter å samle inn, tolke og rapportere informasjon om i hvilken grad læring har funnet sted. Vurderingen må ses i lys av hvilke mål som er satt i faget, og har til hensikt å vurdere den faglige kompetansen eleven har oppnådd på et gitt tidspunkt. Summativ vurdering kan være en avsluttende prøve eller eksamen, men også en standpunktsvurdering. Når det gjelder sluttvurdering med standpunktkarakter, kan det være uklart hvordan en skal ta hensyn til prestasjonene gjennom skoleåret. Selv om det er elevens kompetanse ved avslutningen av et kurs som skal gis en vurdering, vil en uvilkårlig komme opp i et dilemma der også prestasjoner gjennom skoleåret vil spille en rolle. Fysikk er et fag med mange ulike temaer. Om eleven gjorde det bra i mekanikk på høsten, må man ta det inn i sluttvurdering selv om samme elev gjør det dårlig i astrofysikk på våren, siden dette er en annen del av faget. I kapittel 28 går vi nærmere inn på summativ vurdering knyttet til fysikkeksamen, mens resten av dette kapitlet tar for seg hvordan læreren kan vurdere og veilede eleven i klasserommet.

26.2 Summativ vurdering i fysikk Hvordan vurderer fysikklærere elevers kompetanse? Som vi har vært inne på i kapittel 7, tegner forskningen et bilde av norske fysikklasserom som preget av mye tradisjonell undervisning der mye tid brukes på tavlegjennomgang og oppgaveregning. Og med sterkt fokus på oppgaveregning er det naturlig at det har gjenspeilt seg i den summative vurderingen i faget.

elevvurdering og veiledning i fysikk 383

Skri˜ lige prøver Muntlige prøver Muntlig framføring Skri˜ lige innleveringer Produkt fra prosjektarbeid Praktiske prøver Praktiske ferdigheter Muntlig kompetanse i timene Annet 0%

20 %

40 %

60 %

80 %

100 %

Flere ganger med karakter

En gang med karakter

Flere ganger som vippefaktor

En enkelt gang som vippefaktor

Ikke brukt Figur 26.1 Hvilke vurderingssituasjoner lærere oppgir ligger til grunn for sluttvurderingen i Fysikk 1. Data hentet fra «Naturfagene i norsk skole anno 2015» (Utdanningsdirektoratet, 2015).

Skri˜ lige prøver Muntlige prøver Muntlig framføring Skri˜ lige innleveringer Produkt fra prosjektarbeid Praktiske prøver Praktiske ferdigheter Muntlig kompetanse i timene Annet 0%

20 %

40 %

60 %

80 %

100 %

Flere ganger med karakter

En gang med karakter

Flere ganger som vippefaktor

En enkelt gang som vippefaktor

Ikke brukt Figur 26.2 Hvilke vurderingssituasjoner lærere oppgir ligger til grunn for sluttvurderingen i Fysikk 2. Data hentet fra «Naturfagene i norsk skole anno 2015» (Utdanningsdirektoratet, 2015)

384 kapittel 26 I 2015 ble det gjennomført en stor spørreundersøkelse blant lærere i alle naturfagene, også landets fysikklærere (Utdanningsdirektoratet, 2015). Figur 26.1 og 26.2 viser hvilke vurderingsformer lærere i henholdsvis Fysikk 1 og Fysikk 2 oppgir å ha brukt som del av summativ vurdering, og i hvilken grad. Ikke uventet er det skriftlige prøver som er den dominerende summative vurderingsformen. Fysikk 2 har skriftlig sentralgitt eksamen, og det er naturlig at dette virker inn på hvilke vurderingsformer lærerne bruker gjennom året. Fysikk 1 har muntlig-praktisk lokalgitt eksamen, men dette ser ikke ut til å påvirke den dominerende stillingen skriftlige prøver har som vurderingsform. Det synes som om det elevene gjør i timene praktisk og muntlig, tar de fleste lærerne med i betraktning bare dersom eleven vipper mellom to karakterer. Dette kan gi et ufullstendig bilde av elevenes kompetanse ved at fysikk som praktisk og eksperimentelt fag får for lite vekt i vurderingen.

Hva slags fysikk-kompetanse vurderes? Forskriften til opplæringsloven sier at sluttkompetansen skal vurderes på bakgrunn av kompetansemålene i læreplanen, ikke et utvalg av kompetansemålene. Når summativ vurdering i fysikk i hovedsak blir gjort på grunnlag av skriftlige prøver, er det grunn til å tro at det styrer hvilke kompetansemål som blir prioritert i fysikkundervisningen. Kompetansemål i klassisk fysikk og til dels moderne fysikk har lang tradisjon som tema for oppgaver elevene jobber med. Her finnes det et rikholdig utvalg av oppgaver i læreverkene, og det er relativt enkelt for læreren å lage prøver med tilsvarende oppgaver. Men hva med prosesskompetanser hvor kompetansemål sier at elevene skal kunne planlegge, gjennomføre, samle inn, bearbeide og vurdere? Disse peker mot aktiviteter der elevene er aktive i egen læring, og mye fagdidaktisk forskning har vist at slike aktiviteter legger til rette for å etablere varige kunnskapsstrukturer hos elevene. Et overdrevent fokus på skriftlige prøver som vurderingsgrunnlag vil kunne føre til nedprioritering av slike aktiviteter i undervisningen, og dermed at elevene ikke oppnår prosesskompetansene. Kompetansemålene har mange formuleringer som drøfte, gjøre rede for og beskrive som relativt greit kan vurderes i en skriftlig prøve. Det gjelder antakelig i enda større grad når kompetansemålet krever beregning og man får full uttelling når man ender opp med et riktig resultat av beregningene.

elevvurdering og veiledning i fysikk 385

Eksamen I Fysikk 2 vil sentralgitt eksamen være det som i stor grad setter standarden for nivået og styrer hva som vektlegges i faget (se også kapittel 28 og 29). I spørre undersøkelsen som ble gjort blant norske fysikklærere i 2015 (se ovenfor), ble lærere i Fysikk 2 bedt om å ta stilling til i hvor stor grad de var enige i en rekke påstander om utfordringer i faget. Av de sju påstandene som topper lista, handler fire om eksamen. Lærerne er i stor grad enige i at eksamen styrer vurderingsformer, arbeidsformer og innholdet i faget. I tillegg mener mange at er den for vanskelig. Til forsvar for eksamen sin rolle vil nok mange trekke fram at en skriftlig sentralgitt eksamen er viktig for å sette en nasjonal standard for faglig nivå. En 5’er skal bety det samme uansett hvilken skole eleven går på. Siden elever fra hele landet konkurrerer om de samme studieplassene, er det kanskje nødvendig at eksamen har denne normerende funksjonen? Likevel bør vi merke oss at det å definere et nasjonalt faglig nivå ikke er inkludert i formålet med vurderingen i forskrift til opplæringsloven.

26.3 Hvordan gjennomføre formativ vurdering i fysikk? Det er et krav fra skolemyndighetene at elevene skal ha underveisvurdering i alle fag minst en gang i hvert semester. Den kan være skriftlig eller muntlig, med karakter eller uten. Poenget er å hjelpe eleven til å utvikle seg i faget og at hver enkelt elev skal nå så langt som mulig. I det følgende viser vi ulike måter dette kan gjøres på i fysikk.

Skriftlige tilbakemeldinger Mange lærere legger mye innsats i vurderingen av skriftlige prøver ved å skrive kommentarer som er både gjennomtenkte og tilpasset hver enkelt elev. Mange vil derfor hevde at dette er god og grundig formativ vurdering. Det kunne det kanskje være, men en vesentlig faktor for at eleven skal kunne gjøre noe konstruktivt med disse kommentarene, er at eleven forstår både hva kommentaren sier, og sammenhengen mellom den og det eleven selv har gjort i sin besvarelse. Et annet viktig moment er at dersom det blir gitt karakter på det skriftlige arbeidet, vil den overskygge alle formative kommentarer (Butler, 1988).

386 kapittel 26 En annen måte å gi formativ vurdering med skriftlige tilbakemeldinger på er å bruke rubrikker. Her kan et kompetansemål brytes ned i konkrete læringsmål, og matrisen kan inneholde beskrivelser av måloppnåelse for ulike nivåer, eller den kan angi i hvor stor grad eleven har oppnådd ulike kompetanser. Et eksempel på en del av en slik matrise er vist i tabell 26.1. Tabell 26.1 Eksempel på beskrivelse av måloppnåelse for et konkret kompetansemål i Fysikk 1. Kompetansemål

Eleven skal kunne identifisere kontaktkrefter og gravitasjonskrefter som virker på legemer, tegne kraftvektorer og bruke Newtons tre lover

Læringsmål

Lav grad av måloppnåelse

Middels grad av måloppnåelse

Høy grad av måloppnåelse

Å identifisere og tegne krefter

Identifiserer opplagte krefter som tyngden og krefter i kontaktpunkt, men er ikke bevisst på å tegne dem med korrekt angrepspunkt og/ eller lengde.

Identifiserer kreftene som virker, men er ofte unøyaktig med tegning av angrepspunkt og lengde.

Identifiserer alle kreftene som virker, og tegner dem med riktig angrepspunkt og rimelig lengde i forhold til hverandre.

Å forstå og bruke begrepet ΣF

Kan beregne ΣF når det er tydelig spurt etter det og kreftene ligger langs en rett linje. Kan i liten grad bruke begrepet i mer sammensatte problemstillinger og oppfatter ΣF ofte som en egen kraft.

Kan beregne ΣF når det er tydelig spurt etter det og anvende det i oversiktlige situasjoner. Oppfatter ΣF i noen tilfeller som en egen kraft.

Beregner ΣF korrekt og bruker begrepet på en korrekt måte.

For at en slik tilbakemelding skal være nyttig for elevene, er det viktig at kriteriene er konkrete og skrevet med et språk som eleven forstår. Da vil eleven få informasjon om hvordan han eller hun ligger an, og hva som kreves for å nå enda lenger. Det en slik tabell ikke forteller, er hva akkurat denne eleven skal gjøre for å komme seg opp til neste nivå. Til det trengs nok en samtale med læreren.

Muntlige tilbakemeldinger Lærere har alltid gitt muntlige tilbakemeldinger til elever, ofte som en respons på noe eleven har sagt eller gjort. Men for at tilbakemeldingen skal ha en funksjon som formativ vurdering, er ikke respons nok, den må også si noe om hvorfor responsen er som den er, og hva som er neste trinn for at eleven skal nå enda høyere.

elevvurdering og veiledning i fysikk 387

Muntlige tilbakemeldinger i løpet av undervisning er som regel gitt av situasjonen og ikke planlagt på forhånd. En mer formell form for formativ muntlig tilbakemelding kalles fagsamtaler. Disse er avtalt på forhånd mellom elev og lærer, og begge har forberedt seg til møtet. Et godt utgangspunkt i en slik samtale er hvilke ambisjoner eleven har i faget. Da kan de formative vurderingene ses i lys av dette og vil dermed føles mer relevant for eleven. Ofte er det litt overordnede temaer som blir diskutert i en fagsamtale, f.eks. elevens innsats og faglige utvikling eller forhold i klasserommet. Men det er også mulig å bruke fagsamtaler på konkrete faglige problemstillinger som eleven sliter med. Dette kan være svært nyttig for eleven, men svært tidkrevende for læreren. Et kompromiss her kan være å innkalle flere elever med de samme faglige utfordringene til fagsamtale samtidig.

Egenvurdering Forskriften til opplæringsloven sier at elevene skal delta aktivt i eget vurderingsarbeid, dvs. de skal gjøre egenvurdering. En måte å gjøre dette på er at elevene vurderer egne besvarelser før de ser lærerens vurdering. For at elevene skal være i stand til å gjøre dette, må de få tydelig informasjon om hva kompetansemålet egentlig krever, og de må vite hvordan ulike elementer i besvarelsen vektlegges. En måte å gjøre dette på er at lærerne lager et grundig løsningsforslag som elevene bruker som sammenlikningsgrunnlag og i tillegg oppgir vurderingskriterier for hva det blir lagt vekt på. Man kan også oppgi poeng for elementer som gir uttelling. En fare med dette er at det blir mye fokus på poengtelling og hvor mye trekk man får, i stedet for å bli klar over hva man har forstått, og hva det er som mangler. Her kan man jo også vurdere om det er nødvendig at alle prøver vurderes med karakter. Burde ikke noen prøver kunne ha en ren formativ funksjon? Det er noen utfordringer læreren må tenke på ved gjennomføring av egenvurdering. For eksempel: • Noen elever har fått til alt, mens andre nesten ikke noe. Her kan arbeidsbelastningen bli veldig forskjellig dersom egenvurderingen går ut på å rette det som er feil. • Er eleven i stand til å se mangler i sine egne besvarelser? De ser nok avvik fra løsningsforslaget, men greier de å se hva som gjør at egen løsning ikke er riktig? • Hvordan holde oppe motivasjonen til en elev som har fått til svært lite? • Dersom egenvurderingen av prøven er det siste som blir gjort før man starter på neste kapittel, er det stor fare for at elevene ikke ser nytten av den.

388 kapittel 26 For å prøve å møte disse utfordringene bør læreren fokusere på hvilke oppgaver elevene forventes å løse i en vurderingssituasjon. Hvis vi trekker parallellen til sport eller musikk, er det helt opplagt at man ikke gir den samme utfordringen til alle uansett nivå. Kan man i større grad lage differensierte vurderingssituasjoner? Er det mulig å ha ulike prøver: en som tester opp til middels nivå, og en som går helt til topps? Alternativt, og litt mindre arbeidskrevende for læreren, kan det være alternative oppgaver med ulik vanskelighetsgrad i samme prøve. Det er også mulig å markere på prøven hva som er basisstoff som eleven bør prioritere både i selve prøvesituasjonen og i arbeidet etterpå.

Varierte formative vurderingssituasjoner I en vurderingssituasjon er som regel en elev både fokusert og motivert til å gjøre en innsats. Derfor bør det være et stort potensial her til å legge til rette for videre læring. Er det mulig å knytte den formative vurderingen sterkere til slike situasjoner? Det er også rimelig å tro at dersom eleven akkurat har strevet med en problemstilling, er det lettere for eleven å forstå lærerens innspill til hvordan man skal komme videre. Kanskje man kan ha hyppige, korte prøver i form av en oppgave som omhandler basiskunnskap som eleven er nødt til å ha på plass for å komme videre? Da vil det være lettere for læreren å få med seg når det «glipper» for eleven, og gi konstruktive og konkrete tilbakemeldinger knyttet til akkurat dette. For at tilbakemeldingen fra læreren skal være nyttig, er det avgjørende at eleven får en ny mulighet til å vise kompetansen sin. Skriftlige prøver har tradisjonelt vært individuelle og med begrenset tilgang på hjelpemidler. Men det trenger ikke alltid å være sånn. F.eks. kan man ha parprøver der det leveres en felles besvarelse. Hvis du som lærer er bekymret for at dette ikke blir rettferdig, kan du be dem ta lydopptak og høre på det hvis du føler behov. Eller kanskje lydopptaket kan være selve prøvebesvarelsen? Siden tilnærmet alle elever i videregående skole har en mobiltelefon med funksjon for taleopptak, vil dette være enkelt å gjennomføre. Læreren kan gi elevene en problemstilling som de skal diskutere i grupper eller par mens de tar opptak av det som blir sagt. Et slikt lydopptak kan gi læreren meget god innsikt i hvordan elevene tenker, og hva som er utfordrende for dem. Elevene kan også lage videoer der de presenterer problemstillinger, beskriver sammenhenger eller forklarer løsninger. Det finnes flere gratismuligheter for å ta video av pc-skjermen mens du legger egen lyd på. Her ligger det godt til rette for å faktisk vurdere

elevvurdering og veiledning i fysikk 389

kompetansemål som «… å planlegge og gjennomføre forsøk …» ved at eleven lager en video som viser hele eller deler av forsøket. Det er også mulig å ha gruppeprøver eller prøver der en innledning til prøven gjøres som gruppearbeid, mens avslutningen er individuell (se for eksempel Meyer, 2016). Det er som sagt viktig at læreren har tydelige mål og kriterier som er kjent for elevene når vurderinger skal gjøres, enten det er formativt eller summativt. Dolin, Black, Harlen og Tiberghien (2018, s. 71) skriver (til ettertanke): No matter how much teachers emphasise the formative purpose of an assessment, the summative element does not disappear. Students do seldom believe that any assessment only has a formative purpose, given today’s reality in contemporary educational systems.

390 kapittel 27

Kapittel 27

Internasjonale tester i fysikk Norge har deltatt og deltar i flere internasjonale komparative studier. Når det gjelder undersøkelser om fysikk i videregående skole, er det gjennomført tre studier i regi av International Association for the Evaluation of Educational Achievement (IEA). Undersøkelsene omfatter Second International Mathematics and Science Study (SISS) i 1984 (se Sjøberg, 1986), Third International Mathematics and Science Study (TIMSS) i 1995 (se Angell et al., 1999), TIMSS Advanced i 2008 og 2015 (Grønmo et al., 2016; Lie et al., 2010). TIMSS står nå for Trends in International Mathematics and Science Study, slik at man ikke endrer betegnelse for hver gang undersøkelsen gjennomføres. Av spesiell interesse i vår sammenheng er at disse tre undersøkelsene kan sammenliknes fordi en del oppgaver har vært holdt hemmelig slik at de kunne bli brukt i nøyaktig samme form flere ganger. Det er utgitt internasjonale rapporter (Mullis et al., 1998; Mullis et al., 2016; Mullis, Martin, Robitaille & Foy, 2009) og en rekke nasjonale rapporter, deriblant Fysikk i fritt fall? (Lie et al., 2010) og Ett skritt fram og ett tilbake (Grønmo et al., 2016) i Norge. Felles for disse studiene er at de tester elevenes skolekunnskaper ut fra et rammeverk som på best mulig måte skal fange opp skolefysikken i deltakerlandene. Dette er for øvrig ganske annerledes enn i PISA-undersøkelsene35 som måler 15-åringers kompetanse i lesing, matematikk og naturfag, uavhengig av skolepensum i deltakerlandene (se f.eks. Kjærnsli & Jensen, 2016).

27.1

TIMSS Advanced 1995, 2008 og 2015

Norge var blant de landene som oppnådde de høyeste gjennomsnittsskårene på fysikktesten som ble gjennomført både i 1995 og 2008. I 2015 skåret også Norge over gjennomsnittet av landene som deltok. Det var riktignok ikke så mange

Programme for International Student Assessment er en studie i regi av OECD.

internasjonale tester i fysikk 391

land med,36 og det viktigste i vår sammenheng er at vi kan sammenlikne norske fysikkelevers kompetanse i 2008 og 2015 med kompetansen fysikkelever hadde i 1995. Det er laget en internasjonal skala for prestasjoner på fysikktesten som er standardisert, slik at gjennomsnittet internasjonalt i 1995 er 500 poeng og standardavviket 100 poeng. Ved hjelp av de oppgavene som var identiske i 1995 og 2008, er resultatene fra 2008 standardisert langs den samme skalaen. Dermed kan prestasjonene fra de to undersøkelsene sammenliknes direkte. Tilsvarende ble gjort med undersøkelsen i 2015, der omtrent halvparten av oppgavene var identiske med oppgaver fra 2008. Noen oppgaver har vært identiske i alle tre undersøkelsene (se eksempel i kapittel 8). Tabell 27.1 Fysikk i videregående skole – trend-data for Norge. Andel av årskullet i 1995

Andel av årskullet i 2008

Andel av årskullet i 2015

Gjennomsn. skår 1995 (standardfeil)

Gjennomsn. skår 2008 (standardfeil)

Gjennomsn. skår 2015 (standardfeil)

8,4 %

6,8 %

6,5 %

581 (7)

534 (4)

507 (5)

Som vi ser av tabell 27.1,har det vært en kraftig tilbakegang i prestasjoner, kombinert med en nedgang i andelen av årskullet som har valgt fysikk, særlig fra 1995 til 2008. «Fysikkspesialistene» er altså blitt færre, og de framstår også med betydelig dårligere kompetanse i fysikk. Andelen av årskullet som er på det som i TIMSS Advanced kalles avansert eller høyt nivå, ble omtrent halvert fra 1995 til 2008 (for detaljer, se Lie et al., 2010), og andelen var ytterligere redusert noe i 2015. Når vi her bruker begrepet kompetanse, mener vi den fysikkompetansen vi kan måle med data fra TIMSS Advanced. En kan selvsagt si at å ha god kompetanse i fysikk må bety mer enn å kunne løse oppgaver gitt i TIMSS, for eksempel at elevene skal kunne resonnere fysikkfaglig, planlegge og utføre eksperimenter, analysere modeller og kunne arbeide med forskjellige representasjoner av fysiske fenomener. Det kan være vanskelig å måle alle disse aspektene i en skriftlig test. Men for å svare på oppgaver i TIMSS Advanced må elevene være kjent med temaene som blir testet, og de må kunne bruke ulike kognitive ferdigheter. De må ha kjennskap til grunnleggende begreper og symboler, de må kunne anvende sin kunnskap til å løse problemer (også matematisk), og de må kunne resonnere og argumentere når de løser oppgaver. Resultatene gir derfor et ganske godt bilde av elevenes fysikk-kompetanse og utviklingen fra 1995 til 2008 og videre til 2015. 36

I 1995 var det seksten land, i 2008 ni land og i 2015 åtte land som deltok. Norge, Sverige, Russland og Slovenia har deltatt hver gang.

392 kapittel 27 Den mest markante tilbakegangen skjedde mellom 1995 og 2008. Når vi ser på hver enkelt oppgave i fysikktesten i 2008, viser den norske rapporten at det har vært en nedgang for så godt som hver eneste oppgave fra 1995 til 2008 når det gjelder andel riktige svar. Det mest påfallende er at det dreier seg om en generell nedgang i kompetanse, slik at eventuell ulik vektlegging av fagstoff eller oppgave typer vanskelig kan være en forklaring. Nedgangen på ett område synes ikke å være oppveid ved framgang på et annet. Den samme trenden finner vi igjen i 2015, selv om endringene fra 2008 til 2015 ikke er like dramatiske som fra 1995 til 2008.

Hva har skjedd? For å undersøke nærmere hva nedgangen skyldes, kan vi se på resultater fra TIMSS-undersøkelser på lavere trinn (4. og 8. trinn). Lie et al. (2010) peker på en klar nedadgående tendens for elever på lavere årstrinn, og med en så svak bakgrunn fra grunnskolen er det i utgangspunktet ikke annet å vente enn at denne svakheten skal gjøre seg gjeldende også på høyere nivå. Det kan altså synes som om tilbakegangen i fysikk-kompetanse i hovedsak kan forklares med de betydelig svakere kunnskapene elevene kommer til videregående skole med. Dette gjelder særlig kompetansenivået i matematikk. Manglende kunnskaper i grunnleggende aritmetikk og algebra peker seg ut som en viktig årsak til nedgangen i fysikkprestasjoner på videregående skole. Det viser seg også at det er på oppgaver som krever manipulering med formler (altså algebraisk kompetanse), at Norge skårer spesielt lavt i forhold til Nederland, som var det landet som skåret høyest på hele fysikktesten i TIMSS Advanced i 2008. Figur 27.1 viser med all tydelighet forskjellen fra 1995 til 2008 når det gjelder fysikkoppgaver som inneholder algebra. I 1995 var det praktisk talt ikke forskjell mellom disse og andre oppgaver, og % norske elever skåret omtrent 15 prosentpo20 eng over det internasjonale gjennomsnittet. Men i 2008 er situasjonen en ganske annen. 15 Forskjellen er nå på 8 prosentpoeng, og nor10 ske elever skårer til og med litt dårligere enn 5 0

År 1995

2008

Algebra

Andre

–5

Figur 27.1 Forskjell i prosentpoeng mellom norske elever og det internasjonale gjennomsnittet for fysikkoppgaver som inneholder algebra og alle andre fysikkoppgaver. Basert på Lie et al. (2012).

internasjonale tester i fysikk 393

gjennomsnittet av landene som deltok på oppgavene som er kategorisert som algebraoppgaver (se også Lie, Angell & Rohatgi, 2012).

Kjønnsforskjeller I kapittel 8 så vi at guttene i gjennomsnitt svarte betydelig bedre på en oppgave om kraften mellom to kraftmålere enn jentene. Til tross for at jentene rapporterer om litt bedre karakter i fysikk enn guttene, skårer guttene signifikant bedre på alle de tre TIMSS-testene (Angell, 1996; Grønmo et al., 2016; Lie et al., 2010). I boka fra TIMSS Advanced 2008 skriver Lie et al. (2010, s. 63): Jentene framstår som gjennomgående mer samvittighetsfulle og lærer seg «pensum» i større grad enn guttene. Men når de blir spurt om ting på en litt uvant måte eller om noe som ligger litt utenfor pensum, har de en tendens til å ha større problemer enn guttene.

Det ser altså ut til å tegne seg et mønster der jenter i gjennomsnitt skårer bedre enn gutter på oppgaver som handler om typisk lærestoff fra fysikkursene i skolen, mens gutter i gjennomsnitt skårer bedre enn jenter på oppgaver som i større grad krever en dypere forståelse av begreper og fenomener i fysikk (se også kapittel 28 om jenters og gutters eksamens- og standpunktkarakterer).

Eksempel på en åpen oppgave med kodeskjema I TIMSS Advanced er det flervalgsoppgaver, og det er åpne oppgaver der elevene skal vise utregninger og begrunne sine svar. Det følgende eksempelet illustrerer hvordan åpne oppgaver ble kodet og analysert i TIMSS Advanced, og hvilke matematikkrelaterte problemer norske fysikkelever står overfor. Oppgaven handler om bevaring av bevegelsesmengde og krever definitivt manipulering med fysiske formler og likninger: TIMSS-oppgave To skøyteløpere, en med massen 80 kg og en med massen 60 kg, står på isen vendt mot hverandre. De dytter hverandre slik at de glir fra hverandre. Etter noen få sekunder er avstanden mellom dem 4 m. Hvor langt har personen på 60 kg beveget seg? (Se bort fra friksjon og luftmotstand.) Vis hvordan du kom fram til svaret.

Figur 27.2 Eksempel på en åpen TIMSS-oppgave.

394 kapittel 27 For å kunne registrere resultater fra denne typen åpne oppgaver ble det utviklet et kodesystem for elevsvar i alle landene som deltok. For å få innsikt i hvordan elevene har tenkt, hvilke løsningsstrategier de har brukt, og eventuelle alternative forestillinger, ble det brukt en tosifret kode for hver oppgave. Det første sifferet forteller hvor mange poeng svaret er «verdt», eller graden av riktighet. Det andre sifferet refererer til typer av svar, for eksempel hvilke tanker elevene synes å ha om et begrep, hvilke metoder de har brukt i løsningen, eller hvilke karakteristiske feil de har gjort. Gjennomgående er siste siffer 9 en samlekategori for «andre svar». Koder mellom 20 og 29 vil si at det er gitt to poeng for svaret, mens koder mellom 10 og 19 vil si ett poeng. Koder mellom 70 og 79 viser at svaret er feil (ingen poeng). Det ble gitt en egen kode (99) for blanke svar. Førstesiffer på 7 eller 9 gir derfor 0 poeng. Tabell 27.2 Kodeskjema med resultater fra Norge, Nederland, Slovenia, Sverige og det internasjonale gjennomsnittet. Gjengitt fra Lie et al. (2010, s. 92). Koder

Svaralternativer

NOR

NDL

SLO

SVE

INT

Riktig 20

x1 x = m2 2 og t t x1 + x 2 = 4m gir x 2 = 2,3m

m1v1 = m2v 2 og m1

Delvis riktig 10

Bytter om personene, gir x1 = 1,7m

Riktig fysikk, men regnefeil og/eller manglende eller feil enhet

Ikke riktig 70

Riktig, men ingen begrunnelse

0,2

3 m (forholdet mellom massene ganger 4)

2 m (begge glir like langt)

0,8

Andre gale svar

Blank

Gjennomsnittlige resultater (i prosent av elevene som fikk hver kode) på oppgaven gjengitt foran er vist i tabell 27.2. Som vi ser av tabellen, falt denne oppgaven svært vanskelig for elevene. Det er bare Nederland som skiller seg ut med 55 % riktig eller delvis riktig svar. Oppgaven krever at elevene kan bruke prinsippet om bevaring av bevegelsesmengde og et uttrykk for konstant fart. Det inngår

internasjonale tester i fysikk 395

imidlertid algebraiske uttrykk som man må regne med, og det faller åpenbart vanskelig for mange, særlig for elevene i Norge og Sverige. I denne oppgaven er det til og med tre likninger som skal kombineres. Totalt får bare 17 % av de norske elevene poeng på oppgaven. Det er en del som er kodet 71, altså at strekningen blir forholdet mellom massene ganger 4. Disse elevene har nok en idé om at forholdet mellom massene spiller en rolle, men de overskuer ikke problemet ut over det. Vi skal ikke gå mer i detalj her, men vi har referert til TIMSS Advanced flere steder i denne boka. Mange flere resultater og analyser finner man i de norske rapportene Hva i all verden skjer i realfagene i videregående skole (Angell et al., 1999), Fysikk i fritt fall? (Lie et al., 2010) og Ett skritt fram og ett tilbake (Grønmo et al., 2016).

27.2 Hvilken nytte har vi av internasjonale tester? TIMSS undersøker prestasjoner til elevene i grunnskolen i matematikk og naturfag, og PISA undersøker lesing, matematikk og naturfag for 15-åringer. TIMSS Advanced undersøker fysikk- og matematikkprestasjoner i siste året på videregående skole. Og det er altså TIMSS Advanced som er av interesse her. Fordi det er få land som har deltatt i TIMSS Advanced, og fordi det er stor variasjon i elevenes alder og hvor stor andel av et årskull som tar fysikk i videregående skole i hvert enkelt land, er det ikke så viktig å sammenlikne gjennomsnittsresultatene fra landene som er med. Fra et didaktisk perspektiv er det imidlertid interessant å studere prestasjoner over tid, og ikke minst kunne studere elevenes prestasjoner på enkeltoppgaver og grupper av oppgaver. Det omfattende materialet med svarfordelinger på flervalgsoppgaver og koding av elevers svar på åpne oppgaver gir gode muligheter til å studere elevenes prestasjoner, kunnskaper og forståelse i fysikk. For fysikklærere er dette nyttig kunnskap når en skal planlegge undervisningen, og ikke minst for å forstå elevenes problemer og utfordringer i fysikkfaget. Det reises ofte kritikk mot de internasjonale testene. I den offentlige debatten er det særlig «resultatlistene», altså hvilket land som er best, og hvor det enkelte land plasserer seg på tabellen, som får oppmerksomhet. At også politikere bruker «resultatlistene» fra de internasjonale testene nokså ukritisk, kan kanskje svekke betydningen av slike tester. Men som vi har vist eksempler på i dette kapitlet (og andre steder i denne boka), kan internasjonale tester gi nyt-

396â&#x20AC;&#x192; kapittel 27 tig og viktig kunnskap om bĂĽde fag og elevers prestasjoner. Det store og solide datamaterialet som er samlet inn, innebĂŚrer et stort og viktig potensial for didaktisk forskning, og de frigitte oppgavene er velegnede til ĂĽ bruke i ulike sammenhenger i undervisning og vurdering.

fysikkeksamen 397

Kapittel 28

Fysikkeksamen Medforfattere i dette kapitlet: Eimund Aamot og Øystein Guttersrud I dette kapitlet deler vi betraktninger om eksamen i fysikk i videregående opplæring med hovedvekt på skriftlig eksamen. Vi gir et innblikk i tidligere og nåværende eksamensordninger, og vi reflekterer litt om framtidige eksamener. Intensjonen vår er å gi leseren innsyn i bestemmelser, vurderinger, utfordringer og diskusjoner tilknyttet eksamen. Avslutningsvis spør vi hvorvidt eksamen er rettferdig.

28.1 Sammenhenger mellom læreplanen, nasjonale retningslinjer og eksamen Lærerplanen og eksamensordningen er nært sammenknyttet. Kunnskapsdeparte mentet er ansvarlig for læreplanene i grunnskolen og i videregående opplæring. Oppdraget med å utvikle og revidere læreplaner gis til Utdanningsdirektoratet, og direktoratet setter deretter ned arbeidsgrupper. Læreplanene i fysikk utvik les typisk av fysikklærere i videregående skole og gjerne en fagperson fra et universitet eller en høyskole. Utkast til læreplaner sendes ut på høring. Utdanningsdirektoratet (tidligere Eksamenssekretariatet og Rådet for videre gående opplæring) gir retningslinjer for eksamensordninger, hvordan eksamen skal organiseres, og hva den skal måle. Noen av retningslinjene er «absolutte bestemmelser», mens andre er gjenstand for diskusjon mellom direktoratet og fagmiljøet. Utdanningsdirektoratet ønsker felles eksamensordninger for alle fag, men hvert fag må likevel ivareta sin egenart. Eksamen har til hensikt å teste i hvilken grad elevene har nådd kompetansemålene i læreplanen (Utdanningsdirektoratet, 2018c).

398 kapittel 28

28.2 Eksamensordningene Tabell 28.1 Eksamensordningene for Fysikk 1 og Fysikk 2.

Fysikk 1

Fysikk 2

Elever

Privatister

Elevene kan trekkes ut til muntligpraktisk eksamen.

Privatistene skal opp til muntligpraktisk eksamen.

Eksamen blir utarbeidet og sensurert lokalt.

Elevene kan trekkes ut til skriftlig eksamen eller muntlig-praktisk eksamen.

Privatistene skal opp til skriftlig eksamen og muntlig-praktisk eksamen.

Skriftlig eksamen blir utarbeidet og sensurert sentralt.

Muntlig-praktisk eksamen blir utarbeidet og sensurert lokalt.

Tabell 28.1 gjengir eksamensordningene for fysikk slik disse er beskrevet i læreplanen fra 2006 (se også Utdanningsdirektoratet, 2006b). Eksamen i Fysikk 1 er altså en lokal og muntlig prøve med praktisk arbeid, og Fysikk 2 kan ha en lokal muntlig eller sentralt gitt skriftlig eksamen. Nedenfor gi vi utdypende beskrivelser av de ulike eksamensordningene.

28.3 Lokal muntlig-praktisk eksamen At eksamen er lokal, betyr i denne sammenheng at ansvaret for gjennomføring ligger hos den enkelte fylkeskommune, eller andre som fylkeskommunen delegerer ansvaret til (for eksempel den enkelte skole, eller en region bestående av flere fylkeskommuner). Innenfor de sentralt gitte retningslinjene kan fylkeskommunene utarbeide egne føringer for hvordan muntlig-praktisk eksamen gjennomføres. Ulike fag har prøvd ut ulike varianter av muntlig-praktisk eksamen. Diskusjonene rundt oppleggene har spesielt vært knyttet til forberedelsestid og oppgavetyper. For eksempel påla enkelte fylkeskommuner alle skolene å innføre bruk av «lang forberedelsestid» (vanligvis 48 timer). I praksis betyr dette at elevene fikk tema for eksamen samtidig som de fikk opplyst hvilket fag de skulle prøves i. I dag er det vanligere at læreren i samspill med elevene avgjør om det skal være kort eller lang forberedelsestid. Eneste krav til eksamensoppgaven er at den skal teste kompetansemål i læreplanen. Til eksamen for privatister brukes i all hovedsak kort forberedelsestid (vanligvis mellom en halv og to timer). Til eksamen for elever velger noen å bruke

fysikkeksamen 399

kort forberedelsestid, mens andre velger lang forberedelsestid. Ved kort forberedelsestid (her brukes 45 minutter som eksempel) får elevene beskjed 48 timer før eksamen hvilket fag de skal opp i. Oppgaven gis til elevene 45 minutter før de skal inn til eksaminasjon. Eksamen varer opptil 45 minutter, og den består av elevenes presentasjon med påfølgende samtale. I tillegg skal elevene testes i praktisk/eksperimentelt arbeid. Elevene må kunne gjøre begrunnede valg av utstyr og framgangsmåter, sette opp utstyret, utføre målinger, rapportere, framstille og analysere data; anvende kunnskaper i fysikk til å forklare og diskutere resultatene, og kommunisere konklusjoner basert på formulerte hypoteser. De vil imidlertid normalt bare bli testet i noen av disse ferdighetene. Ved lang forberedelsestid skal elevene lage en presentasjon tilknyttet temaet de har fått oppgitt. Den gjenværende eksamenstiden brukes til en samtale om det presenterte temaet og andre kompetansemål enn de eleven inkluderte i presentasjonen. Testing av kompetansemål i praktisk/eksperimentelt arbeid skal inngå i eksaminasjonen.

28.4 Skriftlig eksamen i Fysikk 2 Historikk Oppgavenemnda i fysikk, som lager eksamensoppgavene, består av fysikklærere fra skolen. Tidligere hadde nemnda stor grad av autonomi, men ved de to siste reformene i videregående opplæring, Reform 94 og Kunnskapsløftet i 2006, har Utdanningsdirektoratet i sterkere grad enn tidligere lagt føringer på utformingen av eksamensoppgavene. Før Reform 94 hadde eksamensoppgavene et rent fysikkfaglig fokus nærmest uten kontekst, og figurer ble bare brukt når de var nødvendige for oppgavene. Det var ingen tillatte hjelpemidler utenom skrivesaker, kalkulator og en tabell med fysiske konstanter og liknende. Det ble utarbeidet en sensorveiledning med fasit og faglige begrunnelser. Den gang besto fagplanene (læreplanene) ikke av kompetansemål, men av en liste med emner som skulle undervises. Reform 94 og Kunnskapsløftet flyttet fokus fra hva som skulle undervises, til hvilken kompetanse elevene skulle oppnå. Oppgavene i Reform 94 fulgte i stor grad opp tradisjonen med oppgaver som hadde betydelig fysikkfaglig fokus. Utdanningsdirektoratet ga imidlertid føringer som medførte at oppgavene ble såkalt virkelighetsnærere. Dette førte til rikt illustrerte oppgaver, uten at illustrasjonen nødvendigvis var viktig for å kunne løse oppgaven. Ofte var oppgavene slik at elevene selv måtte anslå verdier på

400 kapittel 28 størrelsene de trengte i utregninger, eller de måtte finne verdier fra for eksempel et ark med ulike opplysninger. Flere av oppgavene kunne løses på ulike måter, og det hendte at det var flere riktige svar. Målet var at oppgavene skulle kunne løses på ulike «nivåer» basert på Blooms taksonomi (Bloom, 1956). Virkelighetsnære oppgaver kan være mer dagsaktuelle, men kanskje forsvinner det som er noe av fysikkens styrke: Å forenkle og idealisere virkeligheten, slik at vi kan beskrive og analysere fenomener med relativt enkle matematiske representasjoner. Med Reform 94 ble det innført en ordning der elevene kunne velge mellom å besvare oppgave 4A eller 4B. Disse oppgavene kunne være forskjellige enten i tema eller i at den ene i hovedsak var en regneoppgave, mens den andre var av mer beskrivende art. En slik valgfrihet forutsetter i utgangspunktet at oppgavene har samme vanskegrad. Tillatte hjelpemidler var fortsatt kalkulator og en tabell med fysiske konstanter, men tabellen inneholdt nå sentrale matematiske formler i tillegg. Til sensureringen ble det ikke lenger utarbeidet fasit eller gitt veiledende poeng for de ulike oppgavene. Den bakenforliggende ideen var at sensorene skulle være mer opptatt av å finne hva elevene kunne, enn hva de ikke kunne. Sensuren skulle være positiv! Med Kunnskapsløftet ble kravet til virkelighetsnære oppgaver svakere. Nytt med Kunnskapsløftet var også at én av oppgavene skulle bestå av flervalgsoppgaver. Organiseringen av eksamen ble endret med Kunnskapsløftet. Eksamen ble todelt, der første del på to timer er uten hjelpemidler, og hvor andre del på tre timer er med alle hjelpemidler (unntatt internett og kommunikasjon med andre). Det er ingen tabell med formelsamling, for nødvendige opplysninger er enten oppgitt i oppgavene eller i vedleggene. Til eksamen er det to vedlegg; et faktavedlegg (for eksempel verdier på konstanter) og et formelvedlegg. Til del 1 er det utviklet en oversikt over formler som elevene må kunne, men oversikten er ikke tilgjengelig på selve eksamen. I forbindelse med sensureringen utarbeides det retningslinjer til sensorene. Blant annet er det laget en matrise som beskriver forventet kompetanse på ulike karakternivåer. Fra og med eksamen 2017 har oppgaveutviklerne laget enkle rettemaler der kravene til de ulike poengene på hver åpen oppgave er grovt skissert. Før Reform 94 beskrev ikke eksamensoppgaven vurderingskriteriene som skulle ligge til grunn for karaktersettingen. Med Reform 94 ble vurderingskriteriene beskrevet punktvis, mens det med Kunnskapsløftet ble det innført en vurderingsveiledning. Vurderingsveiledningen har all nødvendig informasjon om eksamen, vurderingskriteriene og krav til kompetanse for de ulike karakterene. Det forutsettes at veiledningen og dens innhold er gjort kjent for elevene før eksamen.

fysikkeksamen 401

Sentrale spørsmål om eksamensordning Reformer krever avklaringer, og det har vært flere diskusjoner både om eksamensordningen og eksamensoppgavene. Nedenfor har vi punktvis skissert noen av spørsmålene som har blitt forsøkt besvart gjennom diskusjoner: • Skal eksamen være todelt, og hvilke fordeler og ulemper er det med todelt eksamen? • Bør fordelingen av tid mellom del 1 og del 2 være 2 : 3, eller bør det brukes mer tid på del 1? • Hvilke fordeler og ulemper medfører bruken av flervalgsoppgaver, og hvor mange slike oppgaver bør det være? • Bør flervalgsoppgavene ha høyere gjennomsnittlig vanskegrad enn i dag? • Bør flervalgsoppgaver og åpne oppgaver (oppgaver der elevene selv skriver et svar) teste ulike kompetansemål, eller skal de ulike svarformatene brukes for alle kompetansemålene? • Bør sensorveiledningene beskrive faglige vurderingskriterier for delvis og full kreditt (dvs. for hvert poeng) på hver åpen oppgave, eller skal veiledningene bare skissere innholdet i svar som fortjener full kreditt / høyeste poengskår? • Bør det utvikles mer utfyllende sensorveiledninger med løsningsforslag? • Hva slags hjelpemidler bør være tillatt på del 2? • Hvordan kan eksamen utnytte at elevene har alle hjelpemidler i del 2? Skal for eksempel elevene kunne bruke PC, og hvilke problemstillinger knyttes til dette? • Hvilke kompetansemål skal testes ved skriftlig eksamen? I prinsippet skal alle målene kunne testes til skriftlig eksamen, men noen mål er mindre egnet enn andre. • Hvordan skal eksamen forholde seg til at lærebokforfattere tolker læreplanen ulikt? Bør oppgavene bare handle om «minste felles multiplum» av lærebøkene, eller vil det innebære en uønsket innsnevring av læreplanen? Eksamen og eksamensordninger er selvsagt sentrale og viktige temaer og har stor betydning for undervisningen. Alle disse spørsmålene (og sikkert flere) er stadig aktuelle.

402 kapittel 28

Eksamen og karakterer Figur 28.1viser gjennomsnittlig eksamenskarakter i Fysikk 2 for elever i perioden 1999–2017. Privatister er ikke med i oversikten. I perioden 1999–2008 ble eksamen gjennomført etter retningslinjene for Reform 94, mens den fra 2009 har blitt gjennomført etter retningslinjene for Kunnskapsløftet. Karakter (gj.sn.) 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1

År 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018

Figur 28.1 Gjennomsnittskarakterer for eksamen i Fysikk 2 i perioden 1999–2008 (reform 94) og 2009– 2018 (Kunnskapsløftet). Data er hentet fra Utdanningsdirektoratet.

Figur 28.1 viser at i de årene som eksamen ble gjennomført etter retningslinjene for Reform 94, sank gjennomsnittskarakteren fra 3,7 i 1999 til 3,3 i 2008. I de påfølgende årene som eksamen har blitt gjennomført etter retningslinjene for Kunnskapsløftet, har gjennomsnittskarakteren variert noe. Etter bunnpunktet i 2012 synes gjennomsnittlig eksamenskarakter å være oppadgående. Variasjonen i gjennomsnittlig eksamenskarakter kan skyldes varierende vanskegrad på oppgavene, varierende elevdyktighet eller at Utdanningsdirektoratet har gitt sensorene beskjed om å heve eller senke karakternivået etter «forhåndssensur». Hensikten er å justere karakterene på overordnet nivå, slik at gjennomsnittlig karakter og fordelingen av karakterer blir omtrent det samme hvert år. Bak dette ligger ideen om at elevgruppa har omtrent samme gjennomsnittlige dyktighet over tid. Denne antakelsen og justering av karakterene gjør at det blir meningsløst å snakke om endring i elevenes faglige nivå over tid. Hvis vi ønsker å studere slike endringer, må vi gi elever de samme oppgavene over tid. Det følger da at man ikke kan offentliggjøre alle oppgavene etter eksamen. Studien TIMSS Advanced, der en forsøker å måle endringer i elevers dyktig-

fysikkeksamen 403

Forskjell i gjennomsnittskarakter

het i fysikk over tid, frigir derfor bare en viss andel av oppgavene i testen etter gjennomføringen (se kapittel 27). Lite tyder på at elevutvalget som tar Fysikk 2, har endret seg betydelig det siste tiåret. Som nevnt i kapittel 6 har andelen av årskullet som velger fysikk, holdt seg nokså stabilt, og fysikkelevene gjør det godt i alle skolefag. Dette støttes også av undersøkelsen til Utdanningsdirektoratet (2010), som viser til at 3MX- og 3FY-elevene37 i 2008 hadde bedre karakterer i norsk hovedmål og sidemål, både i standpunkt og til eksamen, enn de øvrige elevene som gikk ut av videregående skole fra studieforberedende program. For eksempel var gjennom snittskarakteren til eksamen i norsk hovedmål 3,2 for alle elever, mens den var 3,8 for 3FY-elevene (se også Angell et al., 2011). Dette viser at fysikkelevene generelt er høyt presterende elever, og det kan peke i retning av at det er vans keligere å få en god karakter i fysikk enn i andre fag, siden fysikk-karakterene ligger lavere enn hva de samme elevene oppnår i norskfaget. 1,0

Forskjellen mellom gjennomsnittlig standpunktkarakter og gjennomsnittlig eksamenskarakter for jenter og for gutter (positiv forskjell i favør av standpunkt)

0,6

Kjønnsforskjellen i gjennomsnittlig standpunktkarakter og i gjennomsnittlig eksamenskarakter (positiv forskjell i favør av jenter)

0,2

–0,2

2009

2012

2016

År

Figur 28.2 Forskjellen mellom gjennomsnittlig standpunktkarakter og gjennomsnittlig eksamenskarakter for jenter (rød kurve) og for gutter (blå kurve), forskjellen i gjennomsnittlig standpunktkarakter for jenter og gutter (grønn kurve), og forskjellen i gjennomsnittlig eksamenskarakter for jenter og gutter (lilla kurve) i perioden 2009–2017 (Kunnskapsløftet). Positive forskjeller i favør av standpunktkarakter og jenter respektivt. Data er hentet fra Utdanningsdirektoratet.

Karakterene i fysikk viser også noen kjønnsforskjeller. Den grønne kurven i figur 28.2 viser at jentene i gjennomsnitt fikk om lag 0,2 høyere standpunktkarakter i fysikk enn gutter i perioden 2009–2011 og 2016–2017. I årene 2012–2015 var forskjellen 0,1 i favør av jentene. Vi kan legge merke til at kjønnsforskjellen i standpunktkarakter (grønn kurve) er systematisk større enn kjønnsforskjellen i eksamenskarakter (lilla kurve). Når elever blir objektivt vurdert av en ekstern

3FY er det som nå heter Fysikk 2.

404 kapittel 28 sensor ved sentralt gitt skriftlig eksamen, er altså kjønnsforskjellen i favør av jenter betydelig mindre enn den er ved lokalt gitt standpunktkarakter. Den lilla kurven viser f.eks. at i 2012 oppnådde guttene betydelig bedre resultater på eksamen enn jentene, men jentene hadde likevel bedre gjennomsnittlig standpunktkarakter også dette året. For begge kjønn er gjennomsnittlig standpunktkarakter systematisk og vedvarende høyere enn gjennomsnittlig eksamenskarakter, men forskjellen er betydelig større for jentenes vedkommende (rød og blå kurve). I 2012 var for eksempel forskjellen mellom jentenes gjennomsnittlige standpunktkarakter og deres gjennomsnittlige eksamenskarakter en hel karakter (rød kurve)! Hva kan dette skyldes? En mulig forklaring er at jentene i gjennomsnitt er faglig dyktigere enn guttene, men at de i gjennomsnitt takler dårligere enn guttene den «pressituasjonen» som eksamen representerer. En annen mulig forklaring er at lærergitte prøver tester andre kompetanser enn eksamen, og at disse er konstruerte slik at de bevisst eller ubevisst favoriserer jenter. Eventuelle forskjeller i gutters og jenters muntlige deltakelse i timene, hvor pliktoppfyllende de er i arbeid med lekser og labrapporter osv. kan også tenkes å bidra til ulik standpunktvurdering. Figur 28.2 tydeliggjør to utfordringer i vurderingen i Fysikk 2. Det er for stor forskjell mellom gjennomsnittlig standpunktkarakter og gjennomsnittlig eksamenskarakter. Ut fra eksamensresultatene er det vanskelig å forklare kjønnsforskjellen i standpunktkarakterene. Vi må nok forvente å finne store forskjeller på enkelte skoler, men det synes urimelig at vi har slike forskjeller i gjennomsnittskarakter på nasjonalt nivå.

28.5 Hvilken funksjon har eksamen? Kompetansemålene i læreplanen inneholder aksjonsverb. De beskriver hva elevene skal være i stand til å gjøre, som å beskrive Bohrs atommodell, bruke Newtons tre lover, analysere ulike matematiske modeller for en fysisk situasjon […], og vurdere hvilken modell som beskriver situasjonen best. Disse fire verbene refererer til de tre overordnede kognitive kategoriene kalt «gjengi kunnskap», «anvende kunnskap» og «analysere data/vurdere informasjon». Det bør være et mål at hver eksamen har oppgaver med høy og lav vanskegrad innenfor alle de tre kognitive kategoriene, for å sikre at både sterke og svake elever får vist hva de kan. Det er derfor viktig å være bevisst på hva vanskegrad vil si. Dersom «en fysisk situasjon» er lite kompleks og de anvendte matematiske representasjonene er enkle, vil det å «vurdere hvilken modell som beskriver situasjonen best»,

fysikkeksamen 405

kunne ha lav vanskegrad. En oppgave som etterspør faktakunnskaper som bare noen få kjenner til, vil ha høy vanskegrad. Det er altså ikke det taksonomiske nivået alene som avgjør vanskegraden til en oppgave. Eksamen har en intern kontroll- og veiledende/diagnostisk funksjon, og den har en ekstern funksjon ved at den informerer samfunnet om elevenes faglige nivå til bruk for eksempel ved opptak til høyere utdanning. Kontrollfunksjonen handler om å gi lokale skolemyndigheter, rektor / skolens ledelse og lærerne oversikt over eksamensresultater. Dette virker i noen grad normerende på lærernes undervisning og karaktersetting. Eksamen og eksamenstradisjonen legger i praksis sterke føringer på de arbeidsmåtene, ferdighetene og det innholdet som vektlegges i undervisningen. Mange vil si at eksamen er den viktigste styringsfaktoren i et fag, og at den er så sterk at den i noen grad tilsidesetter fagets målformuleringer i læreplanen. Slik sentralgitt eksamen i videregående opplæring fungerer og er organisert i Norge i dag, gir den få muligheter for faglig tilbakemelding til de som avla eksamen. Eksamensoppgavene kan imidlertid brukes diagnostisk i undervisningen av påfølgende elevkull, og er et eksempel på formativ bruk av summativ vurdering. Eksamensoppgaver kan altså brukes konstruktivt i undervisningen og bidra til å fremme læring. Siden eksamen har en sorteringsfunksjon, må den være rettferdig for elevene. Dette innebærer at hver oppgave må gi pålitelig informasjon om hvilke elever som har høy og hvilke som har lav dyktighet i faget, og at eksamenssettene er sammenliknbare over tid.

28.6 Er eksamen rettferdig? Eksamenskarakteren er et tallfestet mål på påstander om elevens sluttkompetanse i faget. Generelt sett betyr karakteren 6 at eleven har oppnådd dybde læring: «kan bruke fagkunnskap i nye situasjoner». Påstanden om at en spesifikk elev som fikk karakteren 6 på eksamen, oppnådde dybdelæring, er bare basert på elevens poengsum på eksamen. Påstanden er dermed basert på tolkninger som beveger seg langt utover de faktisk observerte svarene. Hvordan læreplanen og empirisk evidens (framskaffet ved analyser av eksamensbesvarelser) underbygger slike tolkninger, er inneholdt i begrepet validitet (Kane, 2013). Med validiteten til en test eller eksamen menes i hvor stor grad den måler det den gir seg ut for å måle. Validitet omfatter imidlertid også hvordan vi bruker eksamensresultatene og de konsekvensene som følger av bruken. Hvis elever, grunnet svake eller urettferdige eksamensoppgaver, ikke oppnår de karakterene

406 kapittel 28 de trenger for å komme inn på ønsket studium, har tolkningen og bruken av eksamensresultatene uheldige konsekvenser som senker validiteten til eksamen. Tidligere opererte en i litteraturen med ulike typer validitet, som «innholdsvaliditet» og «face validity». Det første begrepet handler om at eksperter har konkludert med at en eksamensoppgave i fysikk operasjonaliserer et kompetansemål i læreplanen på en god måte. Det andre begrepet viser til at elever umiddelbart vil gjenkjenne oppgaven som en typisk fysikkoppgave. Høy «face validity» medfører at elever oppfatter oppgaven som meningsfull i den aktuelle sammenhengen, og at de dermed motiveres til å yte sitt beste. Oppgaver som gis til eksamen, har passert denne «kontrollen». En slik kontroll (konsulenter kontrollerer oppgavenemndas oppgaveforslag) er nødvendig, men den er ikke alltid tilstrekkelig for å sikre at oppgavene måler det de utgir seg for å måle. Vi vil studere to flervalgsoppgaver fra eksamen i Fysikk 2 våren 2017.38

Oppgave 1d En ball kastes på skrå oppover

Vi ser bort fra luftmotstand. Absoluttverdien av akselerasjonen mens ballen er på vei oppover, er A. 0 B. konstant (men større enn 0) C. økende D. minkende

Figur 28.3 Eksamensoppgave 1d. Illustrasjonen er basert på eksamensoppgaven som er gitt av Utdanningsdirektoratet.

Oppgavene er tilgjengelige her: https://www.udir.no/eksamen-og-prover/eksamen/

fysikkeksamen 407

Oppgave 1h Det elektriske feltet i oppgave 1g) er horisontalt og homogent. Plutselig ryker tråden. Hvordan beveger kula seg i det elektriske feltet? Du kan se bort fra luftmotstand. A. Den faller vertikalt mot bakken B. Den følger en rettlinjet horisontal bane mot høyre C. Den følger en rettlinjet bane som går på skrå ned mot høyre D. Den følger en parabelbane

Figur 28.4 Eksamensoppgave 1h. Tabell 28.2 Her vises prosentandel elever som valgte hvert svaralternativ og ikke svarte, og den gjennomsnittlige standardiserte poengsummen (z-skår) for hver av disse fem gruppene av elever. Analysene er basert på omtrent 50 % av alle bedømte besvarelser våren 2017. Oppg. 1d

Gj.sn. z-skår

Andel

Oppg. 1h

Gj.sn. z-skår

Andel

‒1,02

4 %

‒0,92

3 %

0,33

71 %

‒0,75

6 %

‒0,81

3 %

0,10

74 %

‒0,75

22 %

0,00

17 %

Blank

‒1,25

0 %

Blank

‒1,25

0 %

Total

0,00

100 %

Total

0,00

100 %

Her er oppnådd poengsum på eksamenssettet regnet om til z-skår, en fordeling med gjennomsnitt lik 0 og standardavvik lik 1.En z-skår sier dermed hvor mange standardavvik verdien ligger over eller under gjennomsnittet. Når det for eksempel i oppgave d (tabell 28.2) står at gjennomsnittlig z-skår er 0,33 for alternativ B, betyr det at i gjennomsnitt har de elevene som har valgt alternativ B, skåret 0,33 standardavvik bedre enn gjennomsnittet av alle elevene. Et annet fenomen er elever som er det vi kaller «test-wise» eller «prøvekloke». De vil trekkes mot svaralternativ B på oppgave d og svaralternativ C på oppgave h, for dette er de lengste svaralternativene. Lange svaralternativer inneholder ofte presiseringer og andre utdypinger som avgrenser og tar forbehold, slik teksten i parentesen i svaralternativ B på oppgave d gjør. Test-wise elever vet også at det riktige svaralternativet statistisk sett opptrer oftere i svaralternativ C enn i A, B og D. Når det riktige svaralternativet både er lengst og plassert i C, slik som på oppgave h, vil oppgaven belønne strategiske og «test-wise» elever. Når andre faktorer enn kompetanse i fysikk og grunnleggende ferdigheter ligger til

408 kapittel 28 grunn for svaret på en oppgave, er oppgaven urettferdig overfor faglig dyktige elever – de vi ønsker å belønne på eksamen. Oppgave d framstår imidlertid som en rettferdig eksamensoppgave, for den diskriminerte godt i betydningen at den evnet å sortere mellom elever med høy og lav dyktighet.39 Tabellen viser at 71 % svarte riktig (alternativ B). Tabellen viser også gjennomsnittlig skår til de elevene som valgte hvert av alternativene eller ikke svarte. Dataene i tabellen viser dermed at det ikke er tilfeldig hvem som svarte riktig på oppgave d. De som svarte riktig (B), oppnådde i gjennomsnitt høyere poengsum på eksamenssettet (z = 0,33) enn de 29 % som valgte svaralternativ A, C, D eller ikke svarte (fra z = –0,75 til z = –1,25). Dette tyder på at oppgaven faktisk måler elevenes fysikk-kompetanse. Oppgave d har i tillegg et interessant diagnostisk aspekt, for den viser at etter to år med fysikkundervisning anvender fremdeles mer enn 1 av 5 impetusforestillinger40 (svaralternativ D). Dette er imidlertid elever med lav gjennomsnittlig poengsum på eksamenssettet (z = –0,75). Oppgave h er derimot ikke en rettferdig eksamensoppgave, for den diskriminerte svakt mellom elever med høy og lav dyktighet: De 74 % som valgte C (riktig), oppnådde i gjennomsnitt en relativt lav standardisert skår (z = 0,10) på eksamenssettet sammenliknet med de 26 % som valgte svaralternativ A, B eller D (i gjennomsnitt er z = –0,28). Problemet er ikke her at oppgaven har lav vanskegrad, men at oppgaven i for stor grad belønner noen veldig svake elever og samtidig «lurer» noen faglig sterke elever til å svare feil. Svaralternativ D, som er feil, tiltrakk seg åpenbart en del dyktige elever, for gruppa som valgte D, har relativt høy z-skår (z = 0,00). Én mulig forklaring på at oppgave h i utilstrekkelig grad belønnet faglig sterke elever, er altså at en kunne svare riktig ved å bruke strategier som å velge C eller det lengste svaralternativet. Vi kan si at oppgave d måler noe annet enn kompetanse i fysikk, og at det den måler i tillegg, ikke korrelerer positivt med kompetanse i fysikk. Det samme gjelder flervalgsoppgaver der elever bruker gjetting som svarstrategi. Analyser av flervalgsoppgavene i mange eksamenssett tyder imidlertid på at gjetting er en lite utbredt strategi på eksamen i Fysikk 2. En oppgave med mye tekst måler også andre ting enn kompetanse i fysikk, men det den måler i tillegg (leseferdigheter), vil korrelere positivt med kompetanse

39 40

Eksamenssensorer sender inn data til Utdanningsdirektoratet, og Naturfagsenteret ved UiO utfører analysene. Se også kapittel 18.

fysikkeksamen 409

i fysikk. Slike oppgaver kan skille svært godt mellom elever med høy og lav dyktighet, og i de kvantitative analysene kaller vi dette å «over-diskriminere». Analysene av eksamen gir viktige tilbakemeldinger til oppgaveutviklerne. Fordi analysene blir utført etter sensur, betyr det at en bedømmer og tolker enkelte elever på grunnlag av urettferdige oppgaver med svake måletekniske egenskaper. Slike oppgaver medfører at eksamen ikke sorterer elever så godt som eksamen burde, og at noen dyktige elever dermed kanskje utestenges fra sitt førstevalg i høyere utdanning. Vi har imidlertid empiriske data som styrker hypotesen om at eksamen i Biologi 2, Fysikk 2 og Kjemi 2 i all hovedsak er gode og rettferdige eksamener. Hvordan andre eksamener i videregående opplæring evner å skille mellom faglig svake og dyktige elever, vet vi lite om. Reliabilitet er et sentralt begrep når vi skal drøfte eksamen og sensurering. Vi kan si at reliabilitet er et mål på i hvor stor grad elevers skår forblir konsistent dersom en gjentar samme test eller en tilsvarende test, eller bytter ut én av oppgavene med enn annen. Reliabilitet er med andre ord et uttrykk for hvor pålitelig en test eller eksamen er. Når en elev svarer på et oppgavesett, vil oppgavene og dermed poengsummen representere bare et begrenset utvalg av kunnskaper og ferdigheter eleven har. En kan betrakte eksamen som en delprøve hentet fra et uendelig stort lager av potensielle oppgaver. En test eller en eksamen er derfor bare én av mange mulige prøver som kunne vært gitt. En konsekvens av dette er at det er knyttet målefeil til de dyktighetene som elevene tilskrives, basert på poengsummene de oppnår. Slike målefeil kan grovt kategoriseres som enten tilfeldige eller systematiske. Systematiske målefeil er slike som konsekvent påvirker en persons skår på grunn av noen spesielle karakteristika (for eksempel svak leseferdighet) ved personen eller testen – karakteristika som ikke har noe å gjøre med hva som faktisk skal måles. Tilfeldige målefeil påvirker derimot en persons skår på grunn av rene tilfeldigheter. Kilder til tilfeldige feil er gjetting, distraksjoner i testsituasjonen, administrasjonsfeil, innholdsutvalget, lese/skrivefeil, elevens dagsform, sensureringsfeil o.a. Hvis eleven kunne tatt den samme eksamenen på et annet tidspunkt, ville ikke de samme, men andre tilfeldige feil oppstå. Når en skal tolke testskår eller eksamensresultater, er det nødvendig å ta hensyn til både systematiske og tilfeldige feil. Systematiske målefeil resulterer ikke i en inkonsistent måling, men de gir unøyaktige skårer og reduserer den praktiske nytteverdien. Tilfeldige målefeil reduserer både konsistensen og nytten av testskårene. Vi betrakter altså en test eller eksamen som en måling, og det er dermed knyttet tilfeldige feil og usikkerhet til målingene. Én slik usikkerhet er usikker-

410 kapittel 28 het grunnet tilfeldigheten i oppgaveutvalget. For en enkelt elev kunne resultatet av en eksamen blitt et annet med noen andre oppgaver. Videre er ikke vanskegraden i et eksamenssett den samme fra år til år. Det representerer også en usikkerhet i målingen. Det er i tillegg knyttet usikkerhet til sensorenes poeng- eller karaktergiving. Ved hjelp av klassisk testteori kan en ganske enkelt estimere de ulike usikkerhetene. Angell og Lie (1993) viste på bakgrunn av innsamlede data fra flere års eksamener i fysikk at den samlede målefeilen kan være betydelig. Interessant er det at det var usikkerheten knyttet til oppgaveutvalget som var størst. Denne usikkerheten beregnes ut fra en reliabilitetskoeffisient (et mål for indre konsistens) for hvert eksamensår. Derimot var usikkerheten knyttet til sensorenes rettinger (sensorreliabilitet) minst. Konklusjonen var at hvis det skal være signifikant forskjell (95 % nivå) på to elevers kunnskap i fysikk, må karakterforskjellen være omtrent 1,5karakterpoeng. Dette indikerer at på grunn av usikkerhet er karakterskalaen til eksamen for fingradert. Dette er imidlertid heller ikke helt uproblematisk, fordi med færre karakterverdier i skalaen ville konsekvensene av målefeilene bli mer dramatiske. Kan vi så redusere denne usikkerheten? Hvis en vil prioritere høy indre konsistens, altså liten usikkerhet knyttet til oppgaveutvalget, kunne en lage eksamenssett med mange korte oppgaver som er uavhengige av hverandre. Disse oppgavene måtte til sammen dekke hele pensum, og det måtte de gjøre på samme måte hvert år. Det er faktisk vanligvis sånn at jo flere små oppgaver vi har, jo høyere reliabilitet får vi, og dermed mindre måleusikkerhet. Innføring av flervalgsoppgaver etter Kunnskapsløftet er delvis et svar på denne utfordringen. Innføringen av flervalgsoppgaver medførte imidlertid at en blander ulike svarformat. Ulike elever mestrer ulike format forskjellig, og de to delsettene av åpne oppgaver og flervalgsoppgaver vil rangere en del elever forskjellig. Usikkerheten knyttet til sensureringen er som nevnt det minste problemet. Særlig fordi uoverensstemmelser i sensur blir diskutert mellom to sensorer og eventuelt avgjort av en tredje. Spørsmålet er likevel om sensureringen kan gjøres enda mer pålitelig. En mulighet kunne være å gi en svært detaljert anvisning til sensorene om hvordan de skal bedømme besvarelser. I noen land foregår sensureringen ved at sensorene kommer sammen og trenes opp slik at de ikke begynner selve sensuren før man har oppnådd akseptabel sensorreliabilitet. Det foregår sensorskolering i Norge også, og det blir gitt veiledende poenggrenser for de ulike karakterene. Samtidig skal det være en helhetlig vurdering av elevens nivå opp mot vurderingskriteriene som skal ligge til grunn for karakteren.

fysikkeksamen 411

Den tredje problemstillingen gjelder variasjonene i vanskegrad fra år til år. Dette er et punkt som lett får stor oppmerksomhet i media. Selv om dette ikke er den viktigste måleusikkerheten ved eksamen i fysikk, er den lett å oppdage. Hvis man ønsker å standardisere gjennomsnittet, er det minst to måter å gjøre det på. Den ene er å konsekvent grupperelatere karakterene slik at karakterfordelingen blir lik hvert år. Dette kan gjøres ved at sensorene ikke gir karakterer, men poengsum for hver elev. Overføringen fra poeng til karakter kan da gjøres etter at poengfordelingen er klar, og karaktergrensene kan settes slik at karakterfordelingen blir som ønsket. Dette er en enkel måte å løse problemet på. En tredje mulighet er å sørge for at oppgavesettene faktisk er like vanskelige hvert år. Det kan man få til ved å prøve ut oppgaver på forhånd, og ved å ha en oppgavebank med et stort antall utprøvde oppgaver. Dette er ganske omstendelig, men fullt mulig. Et lite tankekors til slutt: Kan vi rettferdiggjøre at så mye ressurser brukes på fysikkeksamen der målet bare er å sette et tall på hver enkelt elev? Uansett hvordan eksamensformen er, er det mulig å bruke det apparatet som eksisterer, og den store datamengden som finnes, til å skaffe ny kunnskap om elevenes måter å tenke på. For flervalgsoppgaver er det for eksempel enkelt å registrere hvilket svaralternativ hver elev velger på hver oppgave. Flervalgsoppgaver gir dermed mulighet til å studere nokså detaljert og systematisk hvilke faglige feil og feilforestillinger/misforståelser som er vanlige, og hvordan sammenhengen mellom disse er (se kapittel 27 om hvordan TIMSS-oppgaver kan brukes på denne måten). Dersom det er utviklet gode feilsvar (distraktorer) på flervalgsoppgavene, vil en registrering av feilsvarene gi mye informasjon om hvordan elever tenker. Ut fra dette kan vi få viktig fagdidaktisk kunnskap som kan brukes formativt inn i undervisningen av senere kull. Det er imidlertid verdt å huske at eksamen er rettferdig bare hvis målingen av kompetanse er valid (gyldig) og reliabel (pålitelig).

412 kapittel 29

Kapittel 29

Eksamen og moderne testteori Medforfatter i dette kapitlet: Øystein Guttersrud

29.1

Eksamen på testteoretisk grunn

Vi har sett i kapittel 28 at begreper som reliabilitet og validitet er nyttige for å forstå egenskaper til eksamen. Disse begrepene står sentralt i fagfeltet som kalles testteori. Kort fortalt er testteori en samling av prinsipper som søker å behandle en prøve som en måling. I det foregående har vi altså i noen grad omtalt fysikkeksamen fra slike testteoretiske betraktninger ved at vi har snakket om kilder til målefeil. I dette avsnittet vil vi gi en kortfattet presentasjon av testteori og spesielt se på hvilke krav testteori stiller til den enkelte oppgaven. Hva skiller en god oppgave fra en mindre god? Oppgavene skal teste den kompetansen som prøven setter seg fore å teste, og de må være skrevet i et godt språk som er tilpasset elevgruppa. Dette er selvsagt sentralt i all prøveutvikling, om den er basert på testteori eller ikke. Men testteorien gir langt flere kriterier som oppgavene må oppfylle. Her er noen krav som vi bør stille til prøven som helhet: 1. Oppgavene må dekke det faglige området som skal prøves i dybde og bredde. Dette krever et relativt høyt antall oppgaver. 2. Fordelingen av oppgavenes vanskegrader må matche fordelingen av elevenes dyktigheter. Med få unntak er fordelingen av dyktighet tilnærmet normalfordelt. Vi trenger følgelig flest oppgaver rundt «midten», noen få oppgaver med lav vanskegrad og noen få oppgaver med høy vanskegrad. 3. I en god test må oppgavene være «enige med hverandre» om hvor dyktige ulike elever er. Litt upresist mener vi med dette at alle oppgavene må diskriminere mellom eller skille mellom elever med lav og høy dyktighet (se nedenfor). Grunnen til dette er at tester og eksamener forsøker å måle en

eksamen og moderne testteori 413

bestemt dyktighet. Hver oppgave bidrar i målingen, og hvis oppgavene ikke er «enige om» hvem som er dyktigst, følger det at oppgavene ikke måler den samme dyktigheten. Hvis oppgavene måler ulike aspekter ved dyktigheten (som biologi, fysikk og kjemi i en naturfagprøve), forsøker vi å måle flere dimensjoner i én måling. Dette gir et måleteknisk problem kalt multidimensjonalitet. I klassisk testteorien spør vi hovedsakelig om prøven som helhet er god, og i moderne testteori vektlegger en enkeltoppgavene (derav navnet «Item Response Theory», forkortet IRT). At hver enkelt oppgave faglig sett er god, blir et underordnet (men viktig) kriterium.

29.2 Hvordan fungerer flervalgsoppgaver i prøver og til eksamen? Flervalgsformatet var lenge svært lite brukt i norsk skole, men bruken økte etter de internasjonale skoletestene, TIMSS i 1995 og PISA i 2000. Det finnes en utbredt skepsis til dette oppgaveformatet. Det blir ofte påstått at flervalgsoppgaver bare kan teste faktakunnskap og lavere ordens kognitive ferdigheter, eller «papegøyekunnskap», som en lærer kalte det i et nyhetsinnslag. Ofte har slike karakteristikker blitt brukt som retoriske grep for å mane fram et fryktbilde av en testdrevet skole, hvor prøvene driver skolene i retning av å trene elevene på å reprodusere fakta på bekostning av dypere og mer relevante former for kunnskap. I tillegg til at slike karakteristikker nedvurderer betydningen av faktakunnskap, er de aldri begrunnet i særlig grad. Dessuten kan selvsagt flervalgsoppgaver kreve resonnementer. Det er derfor viktig å minne om det helt selvsagte: Flervalgsoppgaver er en betegnelse på et oppgaveformat som ikke i seg selv representerer et bestemt syn på hva som er verdifulle former for kunnskap. Flervalgsformatet har selvsagt sine begrensninger, men det har også noen store fordeler som bør vurderes før det forkastes helt. Det er ulike grunner til at oppgaveutviklere som vil etterleve testteoretiske krav, utvikler flervalgsoppgaver. Den viktigste grunnen er at en ved å bruke flervalgsoppgaver kan få elevene til å svare på flere oppgaver. For det første gir en prøve med flervalgsoppgaver bedre mulighet for å dekke fagområdet innenfor en begrenset tid, for elever kan svare på mange flervalgsoppgaver per tid. Når man har mange oppgaver, er det mindre aktuelt for eleven etterpå å unnskylde seg med at han eller hun var uheldig med oppgaveutvalget.

414 kapittel 29 For det andre er det slik at jo flere målepunkter vi baserer målinger på, jo bedre blir påliteligheten til resultatet. Her er noen fordeler med flervalgsoppgaver: • Noen ganger kan det være utydelig hva en oppgave spør om. Ved å liste opp mulige svaralternativer blir det enklere for den som skal svare, å forstå hva en blir spurt om. • Flere elever, inkludert elever med lav dyktighet, svarer oftere på flervalgsoppgaver enn på åpne oppgaver der de selv må skrive et svar. • Retting av flervalgsoppgaver er gitt på forhånd, og det må være slik at alle «eksperter» er enige om at det finnes ett best eller riktigst svar. • De uriktige svaralternativene kan gi verdifull informasjon, spesielt hvis de er knyttet til «teorier» som forklarer hvorfor elever velger et spesifikt feilsvar. • Flervalgsoppgaver kan «resirkuleres» ved å endre noen av svaralternativene. Både det riktige svaret og feilsvarene kan reformuleres, og vi har da en ny oppgave. • Bruk av flervalgsoppgaver forenkler rettingen og sensuren, men er tidkrevende å utvikle. • I en læringsplattform kan elevene umiddelbart få tilbakemelding uten å vente på at læreren retter oppgavene. • Det er mulig å utvikle flervalgsoppgaver som utfordrer elever også på et høyt kognitivt nivå. Alle disse momentene er forenlige med et testteoretisk perspektiv hvor vi tolker en test eller eksamen som en måling.

29.3 Moderne testteori: Rasch-modeller Rasch-modeller og moderne testteori gir mulighet til å studere hvordan en testoppgave, slik som en eksamensoppgave, fungerer i et oppgavesett. Basert på et oppgavesett kan vi for hver elev addere poengene til en poengsum, og vi antar at elever med høye poengsummer er dyktigere enn elever med lave poengsummer. Hvis mange dyktige elever svarer feil på en oppgave, og samtidig mindre dyktige elever svarer riktig, vil oppgaven skille seg ut fra de andre oppgavene. Oppgaven bidrar da ikke til elevenes poengsummer på samme måte som de andre oppgavene, og oppgaven måler dermed noe annet enn det som var intensjonen.

eksamen og moderne testteori 415

I forrige kapittel så vi eksempler på analyse av to eksamensoppgaver (figur 28.3 og 28.4). Vi omtalte den ene oppgaven som «rettferdig», fordi den skilte eller diskriminerte godt mellom elever med lav og høy dyktighet. Betyr det at en oppgave er mer rettferdig jo bedre den skiller de med lav fra de med høy dyktighet? Svaret er nei, og såkalte Rasch-modeller forteller oss hva som er «akkurat passe» diskriminering hvis vi skal addere poengene på hver oppgave til en poengsum. Det er nemlig ikke opplagt at vi kan addere poeng på enkeltoppgaver til en total poengsum som uttrykk for en elevs dyktighet. Utgangspunktet for Rasch-modeller og moderne testteori er at vi ikke kan avgjøre om en elev vil svare riktig på en testoppgave, men at vi i ettertid og basert på dataene fra testen kan estimere sannsynligheten for at eleven kunne svart riktig. I den opprinnelige (dikotome) Rasch-modellen er det to parametere; en for elevens dyktighet og en for oppgavens vanskegrad (Rasch, 1960). Jo høyere dyktighet eleven har, jo høyere er sannsynligheten for at eleven kunne svart riktig på en bestemt flervalgsoppgave med gitt vanskegrad. Rasch-modeller predikerer dermed sannsynligheten for riktig svar som funksjon av dyktigheten. Rasch-modellen er en logistisk funksjon, og den formuleres matematisk slik: P(β ) =

e β −δ 1+ e β −δ

Her er P sannsynligheten for at eleven kan svare riktig på oppgaven, β dyktigheten til eleven, og δ er vanskegraden til oppgaven. Modellen baserer seg på differensen mellom dyktighet og vanskegrad. Når differansen mellom dyktighet og vanskegrad er større enn 0, er sannsynligheten for riktig svar større enn 50 %. Når en elev møter en oppgave som er like vanskelig som eleven er dyktig, er sannsynligheten for å svare riktig 50 %. Vi skal ikke her gå i detalj om hvordan dyktighet og vanskegrad estimeres, men bare påpeke at estimatene tar utgangspunkt i elevers svar på et sett av oppgaver. Et viktig prinsipp er at sannsynligheten for å svare riktig på en oppgave bare bestemmes av elevens dyktighet og oppgavens vanskegrad. Den grafiske representasjonen av Rasch-modellen kalles ICC (Item Characteristic Curve), og et eksempel er vist i figur 29.1. Førsteaksen i figur 29.1 angir økende dyktighet mot høyre. Dyktighet er en tilnærmet intervallskala der nullpunktet tilsvarer vanskegraden til gjennomsnittsoppgaven. Andreaksen angir sannsynligheten for riktig svar. Den s-formede kurven har en horisontal asymptote ved P = 0 og en ved P = 1.Elevene som svarte på den tenkte testen bestående av flervalgsoppgaver, ble delt

416 kapittel 29 sannsynligheten for å svare riktig (P) 1,0

0,5

0,0

–4

–3

–2

–1

2 dyktighet (˜ )

Figur 29.1 Elevene er delt inn i fem grupper basert på dyktighet, og de fem røde punktene på førsteaksen angir gruppenes gjennomsnittlige dyktighet. De fem målepunktene (observerte verdier) viser den faktiske prosentandelen elever som svarte riktig i hver dyktighetsgruppe. Den heltrukne linjen er den grafiske representasjonen av Rasch-modellen.

inn i like store grupper basert på dyktighet. Den gjennomsnittlige dyktigheten til elevene i hver gruppe er avsatt langs førsteaksen (røde streker), og andelen observerte riktige svar i hver gruppe er avsatt langs andreaksen. I det tenkte eksempelet i figur 29.1 ser vi at dataene passer godt til modellen, og vi sier at oppgaven diskriminerer godt mellom dyktige og mindre dyktige elever. Med det mener vi at dyktige elever har høyere sannsynlighet for riktig svar enn mindre dyktige elever. Oppgaven favoriserer dermed dyktige elever, og den er således en rettferdig testoppgave. Hvis alle elevene i gruppa med lavest dyktighet hadde gjettet vilkårlig mellom fire svaralternativer på den tenkte flervalgsoppgaven, ville venstre målepunkt hatt verdien 0,25 på andreaksen. Da ville vi sagt at oppgaven underdiskriminerer mellom elever med lav og høy dyktighet, for da belønner ikke oppgaven dyktighet i tilstrekkelig grad. Det finnes alternative «Item Response Theory»-modeller (IRT-modeller) som 2- og 3-parametermodeller (2PL og 3PL) (Birnbaum, 1968; Lord, 1952). Ingen IRT-modeller er «riktige», men de er brukbare i betydningen at de kan gi oss verdifull informasjon om hvordan elever svarer på testoppgaver. Både TIMSS og PISA har brukt både Rasch-modell og ulike 2- og 3-parametermodeller i sine analyser.

eksamen og moderne testteori 417

En sentral forskjell mellom Rasch-modeller og andre IRT-modeller er at de førstnevnte er predikative, mens de siste er deskriptive. I praksis betyr det at Rasch-modeller tester dataene opp mot teoretiske forventninger, mens andre IRT-modeller beskriver de observerte dataene. For å beskrive dataene best mulig estimerer 3PL både et stigningstall kalt oppgavens diskrimineringsparameter (α) og en nedre asymptote kalt pseudo-gjetteparameter (c). Problemene med 2PL og 3PL, slik vi ser det, er at α ikke kan tolkes kvalitativt, og at c modellerer «gjetting» som en egenskap ved oppgavene. Noen oppgaver er riktignok mer utsatt for gjetting enn andre, men det er uansett elever og ikke oppgaver som gjetter. Nedenfor er det eksempler som kan gi en kvalitativ forståelse av Raschmodeller.

Eksempel 1 Følgende oppgave ble gitt til eksamen i Fysikk 2 i 2017 (oppgave 1n).

En strøm induseres i en spole ved hjelp av et magnetfelt som endrer seg med tiden. Grafen viser styrken til magnetfeltet som spolen befinner seg i, som funksjon av tiden.

magnetfeltstyrke

D tid

Ved hvilket tidspunkt har strømmen størst absoluttverdi?

Figur 29.2 Eksamensoppgave 1n. Illustrasjonen er basert på eksamensoppgaven som er gitt av Utdanningsdirektoratet.

418 kapittel 29 Tabell 29.1 viser at 64 % svarte B (riktig). Gruppa av elever som valgte A, skåret i gjennomsnitt 0,57 standardavvik under gjennomsnittet på eksamenssettet. Det betyr at mange i denne gruppa har relativt lav dyktighet i fysikk. Gruppene av elever som valgte C, D eller ikke svarte, har i gjennomsnitt enda lavere dyktighet. Gruppa av elever som valgte B (riktig), skåret i gjennomsnitt 0,35 standardavvik over gjennomsnittet på eksamenssettet. Det betyr at mange i denne gruppa har høy dyktighet i fysikk. Totalt kan vi si at gruppa av elever som fikk poeng (64 %), har høyere dyktighet enn gruppa som ikke fikk poeng (36 %). Oppgaven synes følgelig rettferdig, for den belønner elever som er faglig dyktige. Tabell 29.1 Gjennomsnittlig z-skår,41 prosent andel og antall for hvert svaralternativ. Oppg. 1n

Gj.sn. z-skår

Andel

‒0,57

20 %

0,35

64 %

‒0,64

15 %

‒0,89

1 %

Blank

‒0,93

0 %

Total

0,00

100 %

På kurven i figur 29.3 er elevene delt inn i ti grupper etter dyktighet, og dyktighet er basert på deres poengsum på eksamen. Prosentandelen elever som valgte hvert alternativ, eller ikke svarte, er regnet ut for hver av de ti dyktighetsgruppene. Dataene viser for eksempel at om lag 34 % av elevene i den svakeste av de ti gruppene svarte riktig (det grønne målepunktet til venstre i diagrammet), og at 91 % i den dyktigste gruppen svarte riktig (det grønne målepunktet til høyre i diagrammet). Den grønne stiplete linjen viser dermed sannsynlighet for å svare riktig som funksjon av dyktighet. Den heltrukne kurven predikerer sann synligheten for riktig svar som funksjon av dyktigheten. Testet opp mot Raschmodellen passer de observerte dataene (de grønne målepunktene) noenlunde med de teoretiske forventede verdiene, og vi kan si at oppgaven diskriminerer tilstrekkelig godt mellom elever med lav og høy dyktighet. Den stiplede mørkeblå linjen viser sannsynligheten for å velge A som funksjon av dyktighet, og den røde linjen viser tilsvarende for C. Vi ser at A var det mest populære feilsvaret i alle de 41

Se også avsnitt 28.6.

eksamen og moderne testteori 419 sannsynligheten for å svare riktig (P) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 –2

–1

3 dyktighet (˜ )

Figur 29.3 Diagrammet viser de observerte prosentandelene som valgte hvert svaralternativ, eller ikke svarte, i ti grupper av elever. Elevene er delt inn i grupper basert på dyktighet, og gruppene er omtrent like store. Den heltrukne linjen er den grafiske representasjonen av Rasch-modellen.

ti dyktighetsgruppene, og blant de faglig svakeste valgte flere A enn B. D er derimot en distraktor uten funksjon, for nesten ingen valgte D (rosa målepunkter). Punktene helt nederst i diagrammet viser andelen blanke svar i hver gruppe. Vi ser at i de fire dyktigste gruppene valgte ingen D, og ingen svarte blankt.

Oppgaver der elever krediteres mer enn 1 poeng Flervalgsoppgaver med ett riktig svar gir dikotome data (0 eller 1 poeng), mens åpne oppgaver (i betydningen at elevene selv skriver et svar) gir polytome data, der svar skårer 0, 1 eller 2 poeng avhengig av svarets faglige kvalitet. Vi kan selvfølgelig skåre åpne oppgaver mer enn maksimalt 2 poeng, men det forutsetter at vi kan beskrive vurderingskriterier som tydelig skiller mellom tre eller flere kumulative dyktighetsnivåer. I praksis viser dette seg ofte å være svært utfordrende. Vi må altså kunne si hva det betyr faglig å få 1 poeng, og hva som skiller svar som fortjener 1 poeng, fra svar som fortjener 0 poeng eller 2 poeng. Videre må vi gi klare beskrivelser av hva de med 3 poeng «kan» som de med 2 poeng ikke kan. Vi kan gjerne dele ut mer enn 2 poeng på en f.eks. antatt vanskelig oppgave, men vi må like fullt beskrive de faglige forskjellene mellom hvert eneste poengnivå. Antall poengnivåer bør altså bare bestemmes av antall

420 kapittel 29 kumulative dyktighetsnivåer vi kan begrunne faglig – det vi kaller kvalitative vurderingskriterier. Nedenfor skal vi se hvordan vi kan avgjøre om de utdelte poengene kan forsvares psykometrisk.

Eksempel 2 Følgende oppgave ble gitt til eksamen i Fysikk 2 i 201742 (oppgave 4a og 4b handlet også om støt mellom en trekule og et prosjektil): Oppgave 4c Trekula festes til en fjær, som igjen blir festet til taket. Prosjektilet blir nå skutt vertikalt oppover med en annen utgangsfart enn i oppgave a). Prosjektilet blir sittende fast i trekula. Fjæra blir presset sammen 15 cm. Fjærstivheten er 200 N/m. c) Finn farten til prosjektilet like før det treffer trekula.

Figur 29.4 Eksamensoppgave 4c. Illustrasjonen er basert på eksamensoppgaven som er gitt av Utdanningsdirektoratet. Tabell 29.2 Prosentandelen av og den gjennomsnittlige z-skåren til elevene som fikk 0, 1, 2 eller 3 poeng. Oppg 4c

Gj.sn. z-skår

Andel

–0,74

25 %

–0,19

34 %

0,45

30 %

1,09

10 %

Total

0,00

100 %

Elevene som fikk 1 poeng på oppgaven, hadde i gjennomsnitt betydelig høyere poengsummer (z = ‒0,19) enn elevene som fikk 0 poeng (z = ‒0,74), og gruppa som fikk 2 poeng, hadde i gjennomsnitt betydelig høyere poengsummer (z = 0,45) enn de som fikk 1 poeng. Tabell 29.2 viser at gjennomsnittlig z-skår øker med mer enn 0,5 (en «tommelfingerregel») for hvert poengnivå. 42

Oppgavene er tilgjengelige her: https://www.udir.no/eksamen-og-prover/eksamen/

eksamen og moderne testteori 421 sannsynligheten for å svare riktig (P) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -2

-1

3 dyktighet (˜ )

Figur 29.5 Diagram viser tilpasning til Rasch-modell for hvert poeng.

Diagrammet i figur 29.5 viser tilpasning til Rasch-modellen, og vi ser at hvert poeng diskriminerte tilstrekkelig godt mellom elever med lav og høy dyktighet.

1,0

sannsynligheten for å svare riktig (P) 0

3 0,5

0,0

–3

–2

–1

3 dyktighet (˜ )

Figur 29.6 Diagrammet viser sannsynligheten for å få hvert poeng som funksjon av dyktigheten.

422 kapittel 29 Diagrammet i figur 29.6 framstiller på en litt annen måte sannsynligheten for å oppnå hvert poeng som funksjon av dyktighet. Figuren viser f.eks. at elever med dyktighet 0 har størst sannsynlighet for å oppnå 1 poeng på oppgaven. For elever med dyktighet 0 er sannsynligheten for å oppnå 0 poeng litt høyere enn sannsynligheten for å oppnå 2 poeng, mens sannsynligheten deres for å oppnå 3 poeng er nær null. Figuren viser også at for noen dyktigheter er 0 poeng den mest sannsynlige skåren, at 1poeng er den mest sannsynlige skåren for andre dyktigheter, at for noen dyktigheter er 2 poeng den mest sannsynlige skåren, og at 3 poeng er den mest sannsynlige skåren for svært dyktige elever. Når dette gjelder, sier vi at poengene er «ordnet». Eksempel 3 viser en oppgave der sensuren ikke fungerte optimalt.

Eksempel 3 Det følgende er et eksempel på en åpen oppgave gitt til eksamen i Fysikk 2 våren 2017 (oppgave 5d). Vi antar at underlaget er horisontalt. I det laveste punktet av banen er steinen 30 cm over underlaget.

r V

d) Hvor lander steinen dersom den slippes når den er 50 cm over underlaget? Se bort fra luftmotstanden.

30 cm

50 cm

Figur 29.7 Eksamensoppgave 5d. Illustrasjonen er basert på eksamensoppgaven som er gitt av Utdanningsdirektoratet. Tabell 29.3 Prosentandelen av og den gjennomsnittlige z-skåren til elevene som fikk 0, 1, 2, 3 eller 4 poeng. Gj.sn. z-skår

Andel

‒0,77

39 %

‒0,21

10 %

0,26

14 %

0,64

19 %

0,96

18 %

Total

0,00

100 %

Oppg. 5d

eksamen og moderne testteori 423 sannsynligheten for å svare riktig (P) 1,0

0 4

0,5 3 2

1 0,0 –3

–2

–1

3 dyktighet (˜ )

Figur 29.8 Diagrammet viser sannsynligheten for å få hvert poeng som funksjon av dyktigheten.

Tabell 29.3 viser, i motsetning til tabell 29.2, at gjennomsnittlig z-skår øker med mindre enn 0,5 for hvert poengnivå mellom 1 og 4 poeng. Det er da naturlig å reflektere over om elevene som fikk f.eks. 3 poeng, var så mye dyktigere at de «fortjente» dette ekstra poenget sammenliknet med de som fikk 2 poeng. I slike tilfeller vil vi normalt evaluere de faglige vurderingskriteriene for å se om hvert poeng kan begrunnes faglig. Diagrammet i figur 29.8 viser at ingen dyktigheter har 1 eller 2 poeng som sin mest sannsynlige skår. Sensorene har brukt flere poengnivåer i sin vurdering enn det finnes tydelig atskilte dyktighetsnivåer på denne oppgaven, og konklusjonen er at det ble delt ut «for mange poeng» på oppgaven. Basert på datagrunnlaget i tabell 29.3 og diagrammet i figur 29.8 burde kanskje elevene som fikk 0 eller 1 poeng, alle fått 0 poeng. Videre kunne de elevene som fikk 2 eller 3 poeng, alle fått 1 poeng, og de som fikk 4 poeng, kunne fått 2 poeng. Det er viktig å avstemme slike «reskåringer» opp mot faglige vurderingskriterier for hvert poeng. Kanskje viser de faglige kriteriene at en annen reskåring er mer hensiktsmessig sett fra et fysikkfaglig ståsted. I dette kapitlet har vi vist eksempler på at det er mulig å gjøre ganske omfattende analyser av oppgaver gitt til prøver og eksamen. Dette er selvsagt ikke noe av en lærers «hverdag», men vi vil gjerne framheve at slike analyser er nyttige for at spesielt eksamen skal bli så god og rettferdig som mulig.

424â&#x20AC;&#x192; kapittel 29

eksamen og moderne testteori 425

Diskusjonsspørsmål til del 6 1. Diskuter fordeler og ulemper ved at norske elever deltar i internasjonale tester. Hva oppnår vi med å la elevene delta? Kan det ha noen uheldige konsekvenser? Bidrar testene på internasjonalt nivå til bedre offentlig kunnskap om utdanning, eller fører de til en uhensiktsmessig ensretting i skolen på tvers av landegrenser? 2. Hvordan kan fysikkeksamen gjøres mer rettferdig? Drøft spørsmålet i lys av begrepene reliabilitet og validitet. Hvordan vil forslagene du gir, kunne påvirke hvordan lærere legger opp undervisningen sin? 3. Diskuter fordeler og ulemper ved bruk av flervalgsoppgaver i undervisningen, til prøver og til eksamen. 4. Ta for deg oppgaven i eksempel 3, figur 29.7. Vi skriver at diagrammet i figur 29.8 viser at ingen dyktigheter har 1 eller 2 poeng som sin mest sannsynlige skår, og at det ble delt ut «for mange poeng» på oppgaven (fra 0 til 4 poeng). Hvis du skulle reskåre denne oppgaven, hvilke faglige vurderingskriterier ville du definert for 0, 1 og 2 poeng på oppgaven?

referanser 427

Referanser Abbott, B. P., Abbott, R., Abbott, T., Abernathy, M., Acernese, F., Ackley, K., … Adhikari, R. (2016). Observation of gravitational waves from a binary black hole merger. Physical review letters, 116(6), 061102. Abrahams, I. & Millar, R. (2008). Does Practical Work Really Work? A study of the effectiveness of practical work. International Journal of Science Education, 30, 1945–1969. Agin, D. (2006). Junk Science: How Politicians, Corporations, and Other Hucksters Betray Us. New York: St. Martin’s Press. Aikenhead, G. S. (1996). Science education: Border crossing into the subculture of science. Studies in science education, 27, 1–52. Aikenhead, G. S. (2000). Renegotiating the culture of school science. I R. Millar, J. Leach & J. Osborne (Red.), Improving science education (s. 245–264). Buckingham: Open University Press. Alfieri, L., Brooks, P. J., Aldrich, N. J. & Tenenbaum, H. R. (2011). Does discovery-based instruction enhance learning? Journal of Educational Psychology, 103(1), 1–18. https:// doi.org/10.1037/a0021017 Allchin, D. (2011). Evaluating Knowledge of the Nature of (Whole) Science. Science Education, 95, 518–542. Andersen, Y. (2018). Relativitetsteorien i skolefysikken. Omtale og behandling av relativitetsteorien i læreplaner og lærebøker. Universitetet i Oslo, Oslo. Anderson, B. & Kärrquist, C. (1979). Elektriska kretser (Elevperspektiv). Göteborg: Göteborgs universitet. Anderson, B. (1989). Grundskolans Naturvetenskap – Forskningsresultat och nya ideer. Stockholm: Utbildningsförlaget. Andersson, B., Bach, F. & Zetterqvist, A. (2002). Understanding global and personal use of energy. Journal of Baltic Science Education, 1(2), 4–18. Angell, C. & Ekern, T. (1999). Measuring Friction on Falling Muffins Cups. The Physics Teacher, 37(3), 181–182. Angell, C. & Lie, S. (1993). Er eksamen rettferdig? Skolelaboratoriet for fysikk og Senter for lærerutdanning og skoletjeneste, UiO. Angell, C. & Paulsen, A. C. (2003). Elevernes stemmer: Fysikfaget, undervisningen og lærerroller, som eleverne opfatter det i det almene gymnasium i Danmark. Roskilde Universitet. Hentet fra https://rucforsk.ruc.dk/ws/portalfiles/portal/2051780/ IMFUFA_413.pdf Angell, C. (1996). Elevers fysikkforståelse. En studie basert på utvalgte fysikkoppgaver i TIMSS. Universitetet i Oslo, Oslo.

428 referanser Angell, C., Bangsgaard, T., Both, E., von Essen, E., Ingwersen, J., Jakobsen, K. & Schou, H. (2002). Forsøg med fysikundervisningen 2000–2002. Opsamling af erfaringer. Hæfte nr. 22. København: Uddannelsesstyrelsen. Angell, C., Guttersrud, Ø., Henriksen, E. K. & Isnes, A. (2004). Physics: Frightful, But Fun. Pupils’ and Teachers’ View of Physics and Physics Teaching. Science Education, 88(5), 683–706. Angell, C., Haugan, J. & Isnes, A. (1992). Fysikk i naturfaget, modul 1: Energi og bevegelse. NKI-forlaget. Angell, C., Henriksen, E. K. & Isnes, A. (2003). Hvorfor lære fysikk? Det kan andre ta seg av! Fysikkfaget i norsk utdanning: Innhold – oppfatninger – valg. I D. Jorde & B. Bungum (Red.), Naturfagdidaktikk. Perspektiver Forskning Utvikling (s. 165–198). Oslo: Gyldendal Akademisk. Angell, C., Henriksen, E. K. & Kind, P. M. (2007). FYS21 – et prosjekt om modellering og vitenskapelig arbeids- og tenkemåte i fysikkundervisningen. NorDiNa, 3(1), 86–92. Angell, C., Kind, P. M. & Henriksen, E. K. (2008). Implementation of empiricalmathematical modelling in upper secondary physics: Teachers’ interpretations and considerations. NorDiNa, 4(2), 113–122. Angell, C., Kind, P. M., Henriksen, E. K. & Guttersrud, Ø. (2008). An empiricalmathematical modelling approach to upper secondary physics. Physics Education, 43(3), 256–264. Angell, C., Kjærnsli, M. & Lie, S. (1999). Hva i all verden skjer i realfagene i videregående skole? Oslo: Universitetsforlaget. Angell, C., Lie, S. & Rohatgi, A. (2011). TIMSS Advanced 2008: Fall i fysikkompetanse i Norge og Sverige. NorDiNa, 7(1). Archer, L., Moote, J., Francis, B., DeWitt, J. & Yeomans, L. (2017). The «exceptional» physics girl: A sociological analysis of multimethod data from young women aged 10–16 to explore gendered patterns of post-16 participation. American Educational Research Journal, 54(1), 88–126. Arons, A. & Peppard, M. (1965). Einstein’s Proposal of the Photon Concept – a Translation of the Annalen der Physik Paper of 1905. American Journal of Physics, 33(5), 367–374. Arriassecq, I. & Greca, I. M. (2012). A teaching–learning sequence for the special relativity theory at high school level historically and epistemologically contextualized. Science & Education, 21(6), 827–851. Arslan, H. O., Cigdemoglu, C. & Moseley, C. (2012). A three-tier diagnostic test to assess pre-service teachers’ misconceptions about global warming, greenhouse effect, ozone layer depletion, and acid rain. International Journal of Science Education, 34(11), 1667–1686. Aslanides, J. & Savage, C. (2013). Relativity concept inventory: Development, analysis, and results. Physical Review Special Topics-Physics Education Research, 9(1), 010118. Ausubel, D. P., Novak, J. D. & Hanesian, H. (1978). Educational psychology. A cognitive view. I. New York: Holt, Reinehart & Winston Inc. Ayene, M., Kriek, J. & Damtie, B. (2011). Wave-particle duality and uncertainty principle: Phenomenographic categories of description of tertiary physics students’ depictions. Physical Review Special Topics-Physics Education Research, 7(2), 020113.

referanser 429

Bagno, E., Berger, H. & Eylon, B. S. (2008). Meeting the challenge of students’ understanding of formulae in high-school physics: a learning tool. Physics Education, 43(1), 75–82. Bailey, J. M., Johnson, B., Prather, E. E. & Slater, T. F. (2012). Development and validation of the star properties concept inventory. International Journal of Science Education, 34(14), 2257–2286. Bailey, J. M., Prather, E. E., Johnson, B. & Slater, T. F. (2009). College students’ preinstructional ideas about stars and star formation. Astronomy Education Review, 8(1), 010110-010117. Baily, C. & Finkelstein, N. D. (2010). Teaching and understanding of quantum interpretations in modern physics courses. Physical Review Special Topics-Physics Education Research, 6(1), 010101. Baily, C. & Finkelstein, N. D. (2014). Ontological Flexibility and the Learning of Quantum Mechanics. arXiv preprint arXiv:1409.8499. Bakhtin, M. M. (1981). The Dialogic Imagination. Austin: University of Texas Press. Bazerman, C. (1998). Shaping written knowledge. The genre and activity of the experimental article in science. Madison, Wisconsin: The University of Wisconsin Press. Bendtsen, L. S. & Jacobsen, L. B. (2016). Eksperimentet i dansk fysikundervisning. Innlegg presentert ved Landskonferansen for fysikkundervisning, København. Bereiter, C. & Scardamalia, M. (2013). The psychology of written composition Routledge. Bergem, O. K., Kaarstein, H. & Nilsen, T. (Red.) (2016). Vi kan lykkes i realfag. Resultater og analyser fra TIMSS 2015. Oslo: Universitetsforlaget. Biggs, J. B. & Tang, C. (2011). Teaching for quality learning at university: What the student does. McGraw-Hill Education (UK). Birnbaum, A. (1968). Some Latent Trait Models and Their Use in Inferring an Examinee’s Ability. I F. M. Lord & M. R. Novick (Red.), Statistical Theories of Mental Test Scores (s. 397–479). Reading: Addison-Wesley. Bjønness, B. & Kolstø, S. D. (2015). Scaffolding open inquiry: How a teacher provides students with structure and space. NorDiNa, 11(3), 223–237. Bjønness, B., Johansen, G. & Byhring, A. K. (2011). Lærerens rolle ved utforskende arbeidsmåter. I E. Knain & S. D. Kolstø (Red.), Elever som forskere i naturfag (s. 127–163). Oslo: Universitetsforlaget. Bloom, B. S. (1956). Taxonomy of educational objectives. Vol. 1: Cognitive domain. New York: McKay. Bloom, B. S., Englehart, M. D., Furst, E. J., Hill, W. H. & Krathwohl, D. (1956). Taxonomy of Educational Objectives: The Classification of Educational Goals. New York: McKay. Bocconi, S., Chioccariello, A., Dettori, G., Ferrari, A., Engelhardt, K., Kampylis, P. & Punie, Y. (2016). Developing computational thinking in compulsory education. European Commission, JRC Science for Policy Report. Bohannon, J. (2013). Who’s Afraid of Peer Review? Science, 342(6154), 60–65. https://doi. org/10.1126/science.342.6154.60 Bohr, N. (1928). The Quantum Postulate and the Recent Development of Atomic Theory. Nature, 121, 580–590.

430 referanser Bohr, N. (1935). Brev til H. P. E. Hansen, 20.7.1935. I Niels Bohrs private korrespondanse. København: Niels Bohr Arkivet. Bohr, N. (1961). Atomic theory and the description of nature. Cambridge: Cambridge University Press. Boslough, J. (1985). Stephen Hawking’s universe. New York: W. Morrow. Boulter, C. J. & Buckley, B. C. (2000). Constructing a Typology of Models for Science education. I J. K. Gilbert & C. J. Boulter (Red.), Developing Models in Science Education (s. 41–57). Dordrecht: Kluwer. Bransford, J. D., Brown, A. L., Cocking, R. R., Donovan, M. S. & Pellegrino, J. W. (Red.). (2000). How people learn. Brain, Mind, Experience and School. Washington D.C.: National Academy Press. Brown, J. S., Collins, A. & Duguid, P. (1989). Situated cognition and the culture of learning. Educational researcher, 18(1), 32. Bruner, J. S. (1961). The act of discovery. Harvard Educational Review, 31(1), 21–32. Bunge, M. (2003). Twenty-five centuries of quantum physics: From Pythagoras to us, and from subjectivism to realism. Science & Education, 12(5), 445–466. Bungum, B. (2008). Images of physics: an explorative study of the changing character of visual images in Norwegian physics textbooks. NorDiNa, 4(2), 132–141. Bungum, B., Bøe, M. V. & Henriksen, E. K. (2018). Quantum talk: How small‐g roup discussions may enhance students’ understanding in quantum physics. Science Education, 102(4), 856–877. Butler, R. (1988). Enhancing and undermining intrinsic motivation: The effects of task‐ involving and ego‐i nvolving evaluation on interest and performance. British journal of educational psychology, 58(1), 1–14. Bybee, R. W., Taylor, J. A., Gardner, A., Van Scotter, P., Powell, J. C., Westbrook, A. & Nancy Landes, N. (2006). The BSCS 5E Instructional Model: Origins, Effectiveness, and Applications. Hentet 26.02 2010 fra http://www.bscs.org/pdf/bscs5eexecsummary.pdf Byun, T. & Lee, G. (2014). Why students still can’t solve physics problems after solving over 2000 problems. American Journal of Physics, 82(9), 906–913. https://doi. org/10.1119/1.4881606 Bøe, M. V. & Henriksen, E. K. (2013). Love it or leave it: Norwegian students’ motivations and expectations for postcompulsory physics. Science Education, 97(4), 550–573. Bøe, M. V. (2012). Science choices in Norwegian upper secondary school: What Matters? Science Education, 96(1), 1-20. Bøe, M. V., Henriksen, E. K. & Angell, C. (2018). Actual vs. implied physics students: How students from traditional physics classrooms related to an innovative approach to quantum physics Science Education. https://doi.org/10.1002/sce.21339 Callin, P., Pålsgård, J., Stadsnes, R. & Tellefsen, C. W. (2008). ERGO Fysikk1. Oslo: Aschehoug. Carlone, H. B. (2003). Innovative science within and against a culture of «achievement». Science Education, 87, 307–328. Carlone, H. B. (2004). The Cultural Production of Science in Reform-based Physics: Girls’ Access, Participation, and Resistance. Journal of research in science teaching, 41(4), 392–414.

referanser 431

Carlson, J. & Daehler, K. (2018). Repositioning of PCK in teachers’ professional knowledge: The Refined Consensus Model of PCK. I A. Hume, R. Cooper & A. Borowski (Red.), Repositioning Pedagogical Content Knowledge in Teachers’ Professional Knowledge. Sydney: Springer. Chalmers, A. F. (1990). Science and its fabrication. Milton Keynes: Open University Press. Chalmers, A. F. (1999). What is this thing called science? Open University Press. Cheong, Y. W. & Song, J. (2014). Different levels of the meaning of wave-particle duality and a suspensive perspective on the interpretation of quantum theory. Science & Education, 23(5), 1011–1030. Chi, M. T. H., Bassok, M., Lewis, M. W., Reimann, P. & Glaser, R. (1989). Selfexplanations – how students study and use examples in learning to solve problems. Cognitive Science, 13(2), 145–182. https://doi.org/10.1207/s15516709cog1302_1 Clark, R. E. & Feldon, D. F. (2005). Five common but questionable principles of multimedia learning. I R. Mayer (Red.), Cambridge Handbook of Multimedia Learning. Cambridge: Cambridge University Press. Clough, E. E. & Driver, R. (1986). A study of consistency in the use of students’ conceptual frameworks across different task contexts. Science Education, 70(4), 24. Cole, S. (1992). Making Science. Between Nature and Society. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press. Cuban, L. (1986). Teachers and machines: The classroom use of technology since 1920. New York: Teachers College Press. Danielsson, A. T. (2009). Doing physics – doing gender. Uppsala universitet. Dewey, J. (1909). How we think. London/Boston: Heath (se også http://www.gutenberg. org/ebooks/author/446). DeWitt, J., Archer, L. & Moote, J. (2018). 15/16-year-old students’ reasons for choosing and not choosing physics at A level. International Journal of Science and Mathematics Education. https://doi.org/10.1007/s10763-018-9900-4 Dimitriadi, K. & Halkia, K. (2012). Secondary students’ understanding of basic ideas of special relativity. International Journal of Science Education, 34(16), 2565–2582. diSessa, A. A. (1993). Toward an Epistemology of Physics. Cognitive Science, 6(2 & 3). Dolin, J. (2002). Fysikfaget i forandring. («School physics in a process of change»). Roskilde University, Denmark Roskilde. Dolin, J., Black, P., Harlen, W. & Tiberghien, A. (2018). Exploring Relations between Formative and Summative Assessment. I Transforming Assessment (s. 53–80). Springer. Driver, R. & Easley, J. A. (1978). Pupils and paradigms: A review of literature related to concept development in adolescent science students. Studies in science education, 5, 61–84. Driver, R. & Erickson, G. L. (1983). Theories-in-action: Some theoretical and empirical issues in the study of students’ conceptual frameworks in science. Studies in science education, 10, 37–60. Driver, R., Asoko, H., Leach, J., Scott, P. & Mortimer, E. (1994). Constructing scientific knowledge in the classroom. Educational researcher, 23(7), 5–12. Driver, R., Squires, A., Rushworth, P. & Wood-Robinson, V. (1994). Making sense of secondary science. Research into children’s ideas. London: Routledge.

432 referanser Duit, R. & Treagust, D. F. (1995). Students’ conceptions and constructivist teaching approaches. I J. F. Frazer & H. J. Walberg (Red.), Improving Science Education. Chicago: The University of Chicago Press. Duit, R. (2009). Bibliography STCSE: Students’ and teachers’ conceptions and science education. Hentet 19. januar 2010 fra http://www.ipn.uni-kiel.de/aktuell/stcse/stcse.html Duit, R., Jung, W. & Rhoeneck, C. (1985). Aspects of understanding electricity. Proceedings of an international workshop in Ludwigsburg 1984. Kiel: Schmidt & Klaunig. Duit, R., Niedderer, H. & Schecker, H. (2007). Teaching physics. I S. K. Abell & N. G. Lederman (Red.), Handbook of research on science education (s. 599–629). Mahwah: Lawrence Erlbaum Associates. Duschl, R. A. (1990). Restructuring Science Education. New York: Teachers College Press. Dysthe, O. (1995). Det flerstemmige klasserommet: skriving og samtale for å lære. Oslo: Ad Notam Gyldendal. Eccles, J. & Wigfield, A. (2002). Motivational beliefs, values, and goals. Annu. Rev. Psychol, 53, 109–132. Eckert, B., Gröber, S. & Jodl, H. J. (2009). Distance Education in Physics via the Internet. American Journal of Distance Education, 23(3), 125–138. Eddington, A. (1935). New pathways in science. Messenger lectures 1934. Cambridge: Cambridge University Press. Einevoll, G. & Newt, E. (2005). Naturens kode. Oslo: Gyldendal Akademisk. Einstein, A. & Infeld, L. (1971). The evolution of physics: The growth of ideas from early concepts to relativity and quanta. Cambridge: Cambridge University Press. Einstein, A. (1905). Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. Annalen der Physik, 322(6), 132–148. Elstad, E. & Turmo, A. (Red.). (2006). Læringsstrategier: Søkelys på lærernes praksis. Oslo: Universitetsforlaget. Erickson, T. (2006). Stealing from physics: modeling with mathematical functions in data-rich contexts. Teaching mathematics and its applications, 25(1), 23–32. Escobar, C. (2008). Amusement Park Physics. American Association of Physics Teachers (AAPT). Se http://www.aapt.org/Store/. EVA. (2001). Fysik skolen – skolen i fysik (Physics in school – school in physics. (Bare på dansk). Copenhagen: Danish Evaluation Institute. Feynman, R. P. (1995). Six easy Pieces: Essentials of physics explained by its most brilliant teacher (paperback- utg. 1996). Helix Books / Addison Wesley Publishing company. Franklin, A. D. (2017). Is Seeing Believing? Observation in Physics. Physics in Perspective, 19(4), 321–423. https://doi.org/10.1007/s00016-017-0210-y Frågåt, T., Henriksen, E. K. & Tellefsen, C. W. (2019). Pre-service science teachers’ and in-service physics teachers’ views on professional competence. Fagartikkel innsendt for publisering. Funtowicz, S. & Ravetz, J. (2008). Values and Uncertainties. I G. H. Hadorn, H. Hoffmann-Riem, S. Biber-Klemm, W. Grossenbacher-Mansuy, D. Joye, C. Pohl, U. Wiesmann & E. Zemp (Red.), Handbook of Transdisciplinary Research (s. 361–368). Dordrecht: Springer Netherlands.

referanser 433

Furtak, E. M., Seidel, T., Iverson, H. & Briggs, D. C. (2012). Experimental and QuasiExperimental Studies of Inquiry-Based Science Teaching: A Meta-Analysis. Review of Educational Research, 82(3), 300–329. https://doi.org/10.3102/0034654312457206 Garden, R. A., Lie, S., Robitaille, D. F., Angell, C., Martin, M. O., Mullis, I. V. S., … Arora, A. (2006). TIMSS Advanced 2008. Assessement Framework. Boston: TIMSS and PIRLS International Study Center, Boston College. Hentet fra http://timss.bc.edu/PDF/ TIMSS_Advanced_AF.pdf Giere, R. N. (1997). Understanding Scientific Reasoning. Forth Worth: Harcourt Brace College Publishers. Gilbert, J. K. (2004). Models and modelling: Routes to more authentic science education. International Journal of Science and Mathematics Education, 2(2), 115–130. Glasersfeld, E. v. (1992). A constructivist’s view of learning and teaching. I R. Duit, F. Goldber & H. Niedderer (Red.), Research in Physics Learning: Theoretical Issues and Empirical Studies. Kiel: University of Kiel. Goodlad, J. (1979). Curriculum Inquiry. The Study of Curriculum Practice. New York: McGraw-Hill Book Company. Greca, I. M. & Moreira, M. A. (2002). Mental, Physical and Mathematical Models in the Teaching and Learning of physics. Science Education, 86(1), 106–121. Gross, A. G. (1990). The Rethoric of Science. Cambridge, MA: Harvard University Press. Grøn, Ø. (2009). Tvillingparadokset. I Store norske leksikon. Hentet fra https://snl.no/ tvillingparadokset. Grønmo, L. S., Hole, A. & Onstad, T. (2016). Ett skritt fram og ett tilbake: TIMSS Advanced 2015: Matematikk og fysikk i videregående skole. Oslo: Cappelen Damm Akademisk. Guston, D. H. (2000). Retiring the Social Contract for Science. Issues in science and technology Online, Summer 2000. Hentet fra http://www.issues.org/16.4/p_guston.htm Guttersrud, Ø. (2001). Det er ikke lett å diskutere med venner som ikke vet at ting faller like fort. University of Oslo, Oslo. Guttersrud, Ø. (2008). Mathematical Modelling in Upper Secondary Physics Education. Defining, Assessing and Improving Physics Students’ Mathematical Modelling Competency (Ph.d.-avhandling). Universitetet i Oslo, Fysisk institutt, Oslo. Hadzidaki, P. (2008). «Quantum mechanics» and «scientific explanation». An explanatory strategy aiming at providing «understanding». Science & Education, 17(1), 49–73. Haglund, J., Jeppsson, F., Hedberg, D. & Schönborn, K. J. (2015). Thermal cameras in school laboratory activities. Physics Education, 50(4), 424. Hand, B., Shelley, M. C., Laugerman, M., Fostvedt, L. & Therrien, W. (2018). Improving critical thinking growth for disadvantaged groups within elementary school science: A randomized controlled trial using the Science Writing Heuristic approach. Science Education, 102(4), 693–710. https://doi.org/10.1002/sce.21341 Hansen, P. J. K. (2010). Knowledge about the Greenhouse Effect and the Effects of the Ozone Layer among Norwegian Pupils Finishing Compulsory Education in 1989, 1993, and 2005 - What Now? International Journal of Science Education, 32(3), 397–419. Haraldsrud, A. D. & Tellefsen, C. W. (2018). Programmering – for fysikkens skyld. Fra Fysikkens Verden, (3), 70–75. Harkjerr, T. (2002). Skolefysikken i saksen til Isaachsen: En studie av Isaachsens lærebøker i fysikk for realgymnaset 1903–1969.

434 referanser Harrison, A. G. & Treagust, D. F. (2000). A typology of school science models. International Journal of Science Education 22(9), 1011–1026. Harrison, A. G. (2001). How do Teachers and Textbook Writers Model Scientific Ideas for Students? Research in Science Education, 31, 401–435. Hasse, C. (2002). Gender Diversity in Play With Physics: The problem of premises for participation in activities. Mind, Culture, and Activity, 9(4), 250–269. Hasse, C., Sinding, A. B. & Trentemøller, S. (Red.). (2008). Draw the line! Universities as workplaces for male and female researchers in Europe. Tartu: Tartu University Press. Hattie, J. A. C. (2009). Visible learning. A synthesis of over 800 meta-analyses relating to achievement. London: Routledge. Hazari, Z., Sonnert, G., Sadler, P. M. & Shanahan, M.-C. (2010). Connecting high school physics experiences, outcome expectations, physics identity, and physics career choice: A gender study. Journal of research in science teaching, 47(8), 978–1003. Hecht, E. (2009). Einstein on mass and energy. American Journal of Physics, 77(9), 799–806. Hemmer, P. C., Johnsson, A., Mork, K. & Svare, I. (2010). Fysikk i Trondheim gjennom 100 år, 1910–2010. Trondheim: NTNU, Institutt for fysikk. Henriksen, E. K., Angell, C., Vistnes, A. I. & Bungum, B. (2018). What Is Light? Students’ Reflections on the Wave-Particle Duality of Light and the Nature of Physics. Sci & Educ, 27(1–2), 81–111. https://doi.org/10.1007/s11191-018-9963-1 Henriksen, E. K., Bungum, B., Angell, C., Tellefsen, C. W., Frågåt, T. & Bøe, M. V. (2014). Relativity, quantum physics and philosophy in the upper secondary curriculum: Challenges, opportunities and proposed approaches. Physics Education, 49(6), 678–684. https://doi.org/10.1088/0031-9120/49/6/678 Hertzberg, F. (1986). «Writing to learn – learning to write». Hvordan skriving kan brukes som middel til å fremme forståelsen av fagstoff. I V. Horsfjord (Red.), Naturfagundervisning og språk. Oslo: Senter for realfagundervisning, Universitetet i Oslo. Hertzberg, F. (2006). «Du vet ikke hva du har skjønt før du kan sette ord på det!». Naturfag, (2), 10–11. Hestenes, D. (2006). Notes for a Modeling Theory of Science, Cognition and Instruction. GIREP2006. Hentet fra http://www.girep2006.nl/ Hestenes, D., Wells, M. & Swackhamer, G. (1992). Force concept inventory. The Physics Teacher, 30(3), 141–158. Hewitt, P. G. (2012). Foredrag på Landskonferansen for fysikkundervisning på Gol i 2012. Hmelo-Silver, C. E., Duncan, R. G. & Chinn, C. A. (2007). Scaffolding and achievement in problem-based and inquiry learning: A response to Kirschner, Sweller, and Clark. Educational Psychologist, 42(2), 99–107. Hodson, D. (1996). Laboratory work as scientific method: Three decades of confusion and distortion. Journal of Curriculum studies, 28(2), 115–135. Hofstein, A. & Kind, P. M. (2012). Learning in and from science laboratories. I Second international handbook of science education (s. 189–207). Springer. Holton, G. (1978). The Scientific Imagination: Case Studies. Cambridge: Cambridge University Press.

referanser 435

Howe, A. (1996). Development of science concepts within a Vygotskian framework. Science Education, 80(1), 35–51. Hoyer, U. (1981). Niels Bohr. Collected works, vol. 2. Work on atomic physics (1912–1917). North-Holland, Amsterdam. Huseby, A. (2018). Observasjon i kvantefysikk: Ein studie av elevforståingar. Masteroppgåve. Trondheim: NTNU. Hyde, J. S. & Linn, M. C. (2006). DIVERSITY: Enhanced: Gender Similarities in Mathematics and Science. Science, 314(5799), 599–600. https://doi.org/10.1126/ science.1132154 Häussler, P. & Hoffmann, L. (2000). A Curricular Frame for Physics Education: Development, Comparison with Students’ Interests, and Impact on Students’ Achievement and Self-Concept. Science Education, 84(6), 689–705. Höttecke, D. & Silva, C. C. (2011). Why implementing history and philosophy in school science education is a challenge: An analysis of obstacles. Science & Education, 20(3–4), 293–316. Imsen, G. (2016). Lærerens verden. Innføring i generell didaktikk. Oslo: Universitetsforlaget. Jacobsen, L. B. (2010). Linking physics labwork activities to their potential learning outcomes - does a declaration make a difference? Roskilde University, Department of Science, Systems and Models, IMFUFA. Jenkins, E. W. (2000). Constructivism in school science education: Powerful model or the most dangerous intellectual tendency? Science & Education, 9(6), 599–610. Jerstad, P., Sletbak, B., Grimenes, A. A. & Renstrøm, R. (2007). Rom Stoff Tid. Oslo: Cappelen. Johansson, A. (2018). Undergraduate quantum mechanics: lost opportunities for engaging motivated students? European Journal of Physics, 39(2). Kane, M. T. (2013). Validating the interpretations and uses of test scores. Journal of Educational Measurement, 50(1), 1–73. Karakostas, V. & Hadzidaki, P. (2005). Realism vs. constructivism in contemporary physics: the impact of the debate on the understanding of quantum theory and its instructional process. Science & Education, 14(7), 607–629. Kaur, T. (2018). Einsteinian Physics: Challenging the Paradigm for Teaching High School Science. Perth, Australia. Kaur, T., Blair, D., Stannard, W., Treagust, D., Venville, G., Zadnik, M., … Perks, D. (2018). Determining the Intelligibility of Einsteinian Concepts with Middle School Students. Research in Science Education, 1–28. Kersting, M. & Steier, R. (2018). Understanding Curved Spacetime. Science & Education, 1–31. Kersting, M., Henriksen, E. K., Bøe, M. V. & Angell, C. (2018). General relativity in upper secondary school: Design and evaluation of an online learning environment using the model of educational reconstruction. Physical Review Physics Education Research, 14(1), 010130. Keys, C. W. (1999). Revitalizing Instruction in Scientific Genres: Connecting Knowledge Production with Writing to Learn in Science. Science Education, 83, 115–130.

436 referanser Keys, C. W., Hand, B., Prain, V. & Collins, S. (1999). Using the Science Writing Heuristic as a tool for learning from laboratory investigations in secondary science. Journal of research in science teaching, 36(10), 1065–1084. Kind, P. M., Angell, C. & Guttersrud, Ø. (2017). Teaching and Learning Representations in Upper Secondary Physics. I D. Treagust, R. Duit & H. Fischer (Red.), Multiple Representations in Physics Education (s. 25–45). Springer. Kind, V. (2009). Pedagogical content knowledge in science education: perspectives and potential for progress. Studies in science education, 45(2), 169–204. Kirschner, P. A., Sweller, J., & Clark, R. E. (2006). Why minimal guidance during instruction does not work: an analysis of the failure of constructivist, discovery, problem-based, experiential, and inquiry-based teaching. Educational Psychologist, 41(2), 75–86. Kjærnsli, M. & Jensen, F. (2016). Stø kurs. Norske elevers kompetanse i naturfag, matematikk og lesing i PISA 2015. Universitetsforlaget. Kjærnsli, M., Lie, S., Olsen, R. V., Roe, A. & Turmo, A. (2004). Rett spor eller ville veier? Norske elevers prestasjoner i matematikk, naturfag og lesing i PISA 2003. Oslo: Universitetsforlaget. Knain, E. & Kolstø, S. D. (Red.). (2011). Elever som forskere i naturfag. Oslo: Universitetsforlaget. Knain, E. (2005). Skriving i naturfag: mellom tekst og natur. NorDiNa, (1), 70–80. Knain, E., Fredlund, T., Furberg, A. L., Mathiassen, K., Remmen, K. B. & Ødegaard, M. (2017). Representing to learn in science education: Theoretical framework and analytical approaches. Acta Didactica Norge – tidsskrift for fagdidaktisk forsknings-og utviklingsarbeid i Norge, 11(3). Knorr-Cetina, K. D. (1981). The manufacture of knowledge. Oxford: Pergamon. Kolstø, S. D. (2001). Scientific literacy for citizenship: tools for dealing with the science dimension of controversial socio-scientific issues. Science Education, 85(3), 291–310. Kolstø, S. D. (2009). Vektlegging av lesing i naturfaget. Del 1: Vil den nye norske læreplanen i naturfag øke elevenes lesekompetanse? NorDiNa, (1), 61–74. Kragh, H. (1992). A sense of history: history of science and the teaching of introductory quantum theory. Science & Education, 1(4), 349–363. Kragh, H. (1998). Social constructivism, the gospel of science, and the teaching of physics. I M. R. Matthews (Red.), Constructivism in Science Education (s. 125–138). Dordrecht: Kluwer Academic Publishers. Krijtenburg-Lewerissa, K., Pol, H. J., Brinkman, A. & van Joolingen, W. (2017). Insights into teaching quantum mechanics in secondary and lower undergraduate education. Physical Review Physics Education Research, 13(1), 010109. Kuhn, T. S. (1962). The Structure of Scientific Revolutions. Chicago: University of Chicago Press. Kønig, N., Børsen, T. & Emmeche, C. (2017). The ethos of post-normal science. Futures, 91, 12–24. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.futures.2016.12.004 Labudde, P., Herzog, W., Neuenschwander, M. P., Violi, E. & Gerber, C. (2000). Girls and physics: teaching and learning strategies tested by classroom interventions in grade 11. International Journal of Science Education, 22, 143–157. Lautesse, P., Valls, A. V., Ferlin, F., Héraud, J.-L. & Chabot, H. (2015). Teaching quantum physics in upper secondary school in France. Science & Education, 24(7–8), 937–955. Lave, J. & Wenger, E. (2003). Situeret læring – og andre tekster. København: Reizel.

referanser 437

Lawson, A. E. (1995). Science teaching and the development of thinking. Belmont, CA: Wadsworth Publishing Company. Layton, D. (1991). Science education and praxis: The relationship of school science to practical action. Studies in science education, 19(1), 43–79. Lederman, N. G. & Abd-El-Khalick, F. (1998). Avoiding de-naturated science: Activities that promote understandings of the nature of science. I W. F. McComas (Red.), The Nature of Science in Science Education. Rationale and Strategies. Dordrecht: Kluwer. Lederman, N. G. & Lederman, J. S. (2014). Research on Teaching and Learning of Nature of Science. I N. G. Lederman & S. K. Abell (Red.), Handbook in research on science education. Volume II (s. 21). Taylor & Francis. Lederman, N. G. (1992). Students’ and teachers’ conceptions of the nature of science: a review of the research. Journal of research in science teaching, 29(4), 331–359. Lederman, N. G. (1999). Teachers’ understanding of the nature of science and classroom practice: Factors that facilitate or impede the relationship. Journal of research in science teaching, 36 (8), 916–929. Lederman, N. G., Abd‐E l‐K halick, F., Bell, R. L. & Schwartz, R. S. (2002). Views of nature of science questionnaire: Toward valid and meaningful assessment of learners’ conceptions of nature of science. Journal of research in science teaching, 39(6), 497–521. Lie, S., Angell, C. & Rohatgi, A. (2010). Fysikk i fritt fall? TIMSS Advanced 2008 i videregående skole. Oslo: Unipub. Lie, S., Angell, C. & Rohatgi, A. (2012). Interpreting the Norwegian and Swedish Trend Data for Physics in the TIMSS Advanced Study. Nordic Studies in Education. Ligo. (2018). Hentet fra https://www.ligo.caltech.edu Liu, X. & McKeough, A. (2005). Developmental Growth in Students’ Concept of Energy: Analysis of Selected Items from the TIMSS Database. Journal of research in science teaching, 42(5), 493–517. Lomas, R. (1999). The man who invented the twentieth century: Nikola Tesla, forgotten genius of electricity. London: Headline Book Publishing. Lord, F. M. (1952). A theory of test scores (Psychometric Monograph No. 7). Iowa City, IA: Psychometric Society, 35. Loughran, J., Berry, A. & Mulhall, P. (2012). Electric Circuits. I J. Loughran, A. Berry & P. Mulhall (Red.), Understanding and Developing Science Teachers’ Pedagogical Content Knowledge. Rotterdam: Sense Publisher. Lyons, T. (2006). Different countries, same science classes: Students’ experiences of school science in their own words. International Journal of Science Education, 28(6), 591–613. Mach, E. (1893). The science of mechanics: a critical and historical account of its development. Oversatt fra tysk av TJ McCormack. I: Open Court Publishing Co. Malin, M. C. & Edgett, K. S. (2003). Evidence for Persistent Flow and Aqueous Sedimentation on Early Mars. Science, 302(5652), 1931–1934. Malthe-Sørenssen, A., Hjorth-Jensen, M., Langtangen, H. P. & Mørken, K. (2015). Integrasjon av beregninger i fysikkundervisningen. Uniped, 38(04), 303–310. Mangen, A. (2008). Hypertext fiction reading: haptics and immersion. Journal of Research in Reading, 31(4), 404–419. Marchand, G. C. & Taasoobshirazi, G. (2013). Stereotype threat and women’s performance in physics. International Journal of Science Education, 35(18), 3050–3061.

438 referanser Marshall, J. C., Horton, B. & Smart, J. (2008). 4E × 2 Instructional Model: Uniting Three Learning Constructs to Improve Praxis in Science and Mathematics Classrooms. Journal of Science Teacher Education, 20(6), 501–516. Matthews, M. R. (1989). A role for history and philosophy in science teaching. Interchange, 20(2), 3–15. Matthews, M. R. (1992a). Constructivism and Empiricism: An Incomplete Divorce. Research in Science Education, 22, 299–307. Matthews, M. R. (1992b). History, philosophy, and science teaching: The present rapprochement. Science & Education, 1(1), 11–47. Matthews, M. R. (1994). Science Teaching. The Role of History and Philosophy of Science. London: Routledge. Mayer, R. (2001). Multimedia learning. Cambridge: Cambridge University Press. Mazur, E. & Hilborn, R. C. (1997). Peer instruction: A user’s manual. Prentice Hall Upper Saddle River, NJ. McComas, W. F. & Olson, J. K. (1998). The nature of science in international science education standards documents. I W. F. Mc Comas (Red.), The nature of science in science education: Rationales and strategies. Dordrecht: Kluwer. McComas, W. F. (1998). The principal elements of the nature of science: Dispelling the myths. I W. F. McComas (Red.), The Nature of Science in Science Education Rationales and Strategies (s. 53–70). Dordrecht: Kluwer Academic. McDermott, L. C. (1995). Physics by inquiry: An introduction to physics and the physical sciences (Vol 1 & 2) Wiley. Mercer, N. & Littleton, K. (2007). Dialogue and the development of children’s thinking : a sociocultural approach. London: Routledge. Merton, R. (1968). Science and democratic social structure. I R. Merton (Red.), Social Theory and Social Structure (utv. utg.). New York: The Free Press. Mestad, I. & Kolstø, S. D. (2014). Using the concept of ZPD to explore the challenges of and opportunities in designing discourse activities based on practical work. Science Education, 98(6), 1054–1076. https://doi.org/10.1002/sce.21139 Meyer, C. (2016). Group Work Tests for Context-Rich Problems. The Physics Teacher, 54(5), 302–304. Millikan, R. A. (1917). The electron. The University Of Chicago Press; Chicago. Minner, D. D., Levy, A. J. & Century, J. (2010). Inquiry-Based Science Instruction - What Is It and Does It Matter? Results from a Research Synthesis Years 1984 to 2002. Journal of research in science teaching, 47(4), 474–496. https://doi.org/10.1002/tea.20347 Mogstad, E. (2016). «Elektriske analogier»: En kvalitativ studie av analogier i læremidler for undervisning om elektrisitet. NTNU, Trondheim. Mork, S. & Erlien, W. (2017). Språk, tekst og kommunikasjon i naturfag (2. utg.). Oslo: Universitetsforlaget. Mork, S. (2008). Rollespilldebatter og vitenprogrammer. Naturfag, 3, 27–30. Mortimer, E. F. & Scott, P. H. (2003). Meaning Making in Secondary Science Classrooms. Maidenhead – Philadelphia: Open University Press. Mujtaba, T. & Reiss, M. (2013). Inequality in experiences of physics education: Secondary school girls’ and boys’ perceptions of their physics education and intentions to continue with physics after the age of 16. International Journal of Science Education, 35(11), 1824–1845.

referanser 439

Mullis, I. V. S. & Martin, M. O. (2014). TIMMS Advanced 2015 Assessment Frameworks. ERIC. Mullis, I. V. S., Martin, M. O., Beaton, A. E., Gonzalez, E. J., Kelly, D. & Smith, T. A. (1998). Mathematics and Science Achievement in the Final Year of Secondary School. IEA’s third international mathematics and science study (TIMSS). Chestnut Hill, MA: Center for the study of testing, evaluation, and educational policy, Boston College. Mullis, I. V. S., Martin, M. O., Foy, P. & Hooper, M. (2016). TIMSS Advanced 2015 International Results in Advanced Mathematics and Physics. I: Hentet fra Boston College, TIMSS & PIRLS International Study Center website: http://timssandpirls. bc. edu/timss2015/international-results/advanced. Mullis, I. V. S., Martin, M. O., Robitaille, D. F. & Foy, P. (2009). TIMSS Advanced 2008. International Report. Findings from IEA’s Study of Achievement in Advanced Mathematics and Physics in the Final Year of Secondary School. Boston: TIMSS & PIRLS International Study Center. Boston College. Murphy, P. & Whitelegg, E. (2006). Girls in the Physics Classroom: A review of the research of participation of girls in physics. London: Institute of Physics. National Academies of Sciences Engineering Medicine (2018). How People Learn II: Learners, Contexts, and Cultures. Washington D.C.: The National Academies Press. Nes, B. (2008). Teknologi som en del av fysikkfaget i videregående skole. Utvikling og utprøving av et undervisningsopplegg om elektroniske sensorer. Masteroppgave i fysikk fagdidaktikk, Institutt for fysikk, NTNU. Trondheim: NTNU. Newton, I. (1672). A letter of Mr Isaac Newton, Professor of the Mathematics in the University of Cambridge ; containing his new theory about light and colors. Philosophical Transactions, 80, 3075–3087. Nielsen, H. & Paulsen, A. C. (1992). Undervisning i fysik – den konstruktivistiske idé. København: Gyldendal. Niss, M. (2005). Models, Phenomena and Understanding: The Lenz-Ising model and critical phenomena 1920–1971. IMFUFA, Roskilde. Nola, R. (1997). Constructivism in science and science education: A philosophical critique. Science & Education, 6(1–2), 55–83. NOU 2014:7 (2014). Elevenes læring i fremtidens skole. Et kunnskapsgrunnlag. Oslo: Kunnskapsdepartementet. NOU 2015:8 (2015). Fremtidens skole: fornyelse av fag og kompetanser. Oslo: Kunnskapsdepartementet. Hentet fra regjeringen.no Novak, G. M., Patterson, E. T., Gavrin, A. D. & Christian, W. (1999). Just-in-Time Teaching: Blending active Learning and Web Technology. Saddle River, NJ: Prentice Hall. Novak, J. D. & Cañas, A. J. (2008). The theory underlying concept maps and how to construct and use them. Hentet fra http://cmap.ihmc.us/Publications/ ResearchPapers/TheoryUnderlyingConceptMaps.pdf Nydal, R. (2006). Rethinking the topoi of normativity: Co-production as an alternative to epistemologically modelled philosophies of science. Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, Trondheim. Hentet fra http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:no:ntnu:div a-1232 Okun, L. B. (2009). Mass versus relativistic and rest masses. American Journal of Physics, 77(5), 430–431.

440 referanser Olsen, R. V. (2002). Introducing quantum mechanics in the upper secondary school: a study in Norway. International Journal of Science Education, 24(6), 565–574. Olsen, R. V., Guldahl, Ø., Henriksen, E. K., Jerstad, P., Johansen, A., Kind, P. M. & Aamot, E. (2004). Fysikk for framtiden: En drøfting av og grunnlag for framtidig læreplan i fysikk. Norsk fysikklærerforening. Olson, S. & Loucks-Horsley, S. (Red.) (2000). Inquiry and the National Science Education Standards. A guide for Teaching and Learning (tilgjengelig på www.nap.edu/catalog. php?record_id=9596). Washington D.C.: National Research Council / National Academy Press. Hentet fra http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=9596 Opfermann, M., Schmeck, A. & Fischer, H. E. (2017). Multiple Representations in Physics and Science Education–Why Should We Use Them? I Multiple representations in physics education (s. 1–22). Springer. Oreskes, N. & Conway, E. M. (2010). Merchants of doubt : how a handful of scientists obscured the truth on issues from tobacco smoke to global warming. New York: Bloomsbury Press. Osborne, J. & Collins, S. (2001). Pupils’ views of the role and value of the science curriculum: a focus-group study. International Journal of Science Education, 23(5), 441–467. Osborne, J., Collins, S., Ratcliffe, M., Millar, R. & Duschl, R. (2003). What «Ideas-aboutscience» should be taught in school science? A Delphi study of the expert community. Journal of research in science teaching, 40(7), 692–720. Osborne, J., Ratcliffe, M., Collins, S., Millar, R. & Duschl, R. (2001). What should we teach about science? A Delphi study. School of Education, King’s College London. Pais, A. (1982). Subtle is the Lord: The Science and Life of Albert Einstein. Oxford and New York: Oxford University Press. Pais, A. (1996). Niels Bohr i hans tid i fysik, filosofi og samfundet. Spektrum. Paulsen, A. C. (2003). Naturfag i skolen i et kritisk demokratisk dannelsesperspektiv. I D. Jorde & B. Bungum (Red.), Naturfagdidaktikk: Perspektiver, forskning, utvikling. Oslo: Gyldendal Akademisk. Pedersen, O. & Kragh, H. (2000). Fra Kaos til Kosmos. København: Nordisk Forlag A/S. Pedersen, O. (1996). Naturerkendelse og Theologi. Poul Kristensen Forlag. Persson, J. (2013). Laborative moment. NTNU SL-serien. Polya, G. (1945). How to solve it: A new aspect of mathematical method. Princeton University Press. Popper, K. R. (1965). On the sources of knowledge and of ignorance. I K. Popper (Red.), Conjectures and Refutations. London: Routledge. Posner, G. J., Strike, K. A., Hewson, P. W. & Gertzog, W. A. (1982). Accommodation of a Scientific Conception: Toward a Theory of Conceptual Change. Science Education, 66(2), 211–227. Pyc, M. A. & Rawson, K. A. (2010). Why Testing Improves Memory: Mediator Effectiveness Hypothesis. Science, 330, 335–336. Quale, A. (2008). Radical Constructivism. A Relativist Epistemic Approach to Science Education. Rotterdam: Sense Publishers.

referanser 441

Rajpaul, V. M., Lindstrøm, C., Engel, M. C., Brendehaug, M. & Allie, S. (2018). Crosssectional study of students’ knowledge of sizes and distances of astronomical objects. Physical Review Physics Education Research, 14(2), 020108. Rasch, G. (1960). Probabilistic models for some intelligence and achievement tests. Copenhagen: Danish Institute for Educational Research. Renkl, A. (1997). Learning from worked-out examples: A study on individual differences. Cognitive Science, 21(1), 1–29. https://doi.org/10.1207/s15516709cog2101_1 Renstrøm, R. & Renstrøm, T. (2015). Kvantedramaet – et drama i fire akter om kvantefysikkens utvikling, 63. Hentet fra https://www.naturfag.no/eksternressurs/vis. html?tid=2137343 Renstrøm, R. (2011). Kvantefysikkens utvikling – i fysikklærebøker, vitenskapshistorien og undervisning Universitetet i Oslo, Oslo. Renstrøm, R. (2013a). Niels Bohrs vei til en kvanteteori for atomets struktur. Kvant, (3), 13–18. Hentet fra http://www.kvant.dk/upload/kv-2013-3/kv-2013-3-RR-Bohr.pdf Renstrøm, R. (2013b). Niels Bohrs vei til en modell for atomet. Hentet 2019 fra http:// fysik-kemi.dk/kbhsj/NielsBohr100aar/Niels_Bohr_jubilaeumsskrift.pdf Rijlaarsdama, G., M. Couzijna, T. Janssena, M. Braaksmaa, M. Kiefta (2006). Writing Experiment Manuals in Science Education: The impact of writing, genre, and audience. International Journal of Science Education, 28(2–3), 203–233. Roberts, R. & Gott, R. (2006). Assessment of performance in practical science and pupil attributes. Assessment in Education, 13(1), 45–67. Roeser, R. W. & Galloway, M. (2002). Studying motivation to learn during early adolescence: A holistic perspective. I F. Pajares & T. Urdan (Red.), Academic motivation og adolescents (s. 331–372). Greenwich, CT: Information Age Publishing. Rohrer, D. (2009). The effects of spacing and mixing practice problems. Journal for Research in Mathematics Education, 4–17. Ropohl, G. (1997). Knowledge types in technology. International Journal of Technology and Design Education, 7(1), 65–72. Rossing, N. K., Stefansson, T. & Bungum, B. (2003). Elektronikk for skolen. I SL-serien nr. 2. Skolelaboratoriet for matematikk, naturfag og teknologi Trondheim. Ryder, J., Leach, J. & Driver, R. (1999). Undergraduate science students’ images of science. Journal of research in science teaching, 36(2), 201–219. Rødseth, S. & Bungum, B. (2010). Hva inspirerer til fysikkstudier? En undersøkelse av begynnerstudenter på fysikk. NorDiNa, 2010(1). Scherer, R., Siddiq, F. & Sánchez Viveros, B. (2018). The cognitive benefits of learning computer programming: A meta-analysis of transfer effects. Journal of Educational Psychology, (Advance online publication http://dx.doi.org/10.1037/edu0000314). Schiebinger, L. (Red.). (2008). Gendered Innovations in Science and Engineering. Stanford University Press. Schreiner, C. & Sjøberg, S. (2007). Science education and youth’s identity construcion – two incompatible projects? I D. Corrigan, J. Dillon & R. Gunstone (Red.), The re-emergence of values in science education (s. 231–247). Rotterdam: Sense Publishers. Schreiner, C. (2006). Exploring a ROSE-garden: Norwegian youth’s orientations towards science – seen as signs of late modern identities. Based on ROSE (The Relevance of Science Education), a comparative study of 15 year old students’ perceptions of science

442 referanser and science education (dr.gradsavhandling). University of Oslo, Oslo. Hentet fra www.ils.uio.no/forskning/pdh-drgrad/doktoravhandlinger/docs/schreiner_thesis.pdf Schreiner, C. (2008). Noen realist som passer for meg? Ungdoms valg av utdanning og yrke. KIMEN, 2008(1). Hentet fra www.naturfagsenteret.no/ Schreiner, C., Henriksen, E. K. & Hansen, P. J. K. (2005). Climate education. Empowering today’s youth to meet tomorrow’s challenges. Studies in science education, 41, 3–50. Schreiner, C., Henriksen, E. K., Sjaastad, J., Jensen, F. A. & Løken, M. (2010). Vilje-convalg: valg og bortvalg av realfag i høyere utdanning. KIMEN, 2010(2), http://www. naturfagsenteret.no/tidsskrift/kimen.html. Schwartz, D. L., Chase, C. C., Oppezzo, M. A. & Chin, D. B. (2011). Practicing versus inventing with contrasting cases: The effects of telling first on learning and transfer. Journal of Educational Psychology, 103(4), 759. Scott, P., Asoko, H. & Leach, J. (2007). Student conceptions and conceptual learning in science. I S. K. Abell & N. G. Lederman (Red.), Handbook of Research on Science Education. Mahwah, N.J: Lawrence Erlbaum Associates. Séré, M. G. (2002). Towards renewed research questions from the outcomes of the European project Labwork in Science Education. Science Education, 86(5), 624–644. Seroglou, F., Koumaras, P. & Tselfes, V. (1998). History of science and instructional design: The case of electromagnetism. Science & Education, 7(3), 261–280. Sfard, A. (1998). On Two Metaphors for Learning and the Dangers of Choosing Just One. Educational researcher, 27(2), 4–13. Sherin, B. L. (2001). How Students Understand Physics Equations. Cognition and Instruction, 19(4), 479–541. Shilling, V. (2006). Mentale modeller og eksperimentelt arbejde i fysikundervisningen. Syddansk Universitet, Odense (Bare på dansk). Shulman, L. S. (1986). Those who understand: Knowledge growth in teaching. Educational researcher, 15(2), 4–14. Shulman, L. S. (1987). Knowledge and Teaching: Foundation of the New Reform. Harvard Educational Review, 57(1), 1–22. Sinnes, A. T. (2015). Utdanning for bærekraftig utvikling: hva, hvorfor og hvordan? Oslo: Universitetsforlaget. Sjøberg, S. (1986). Elever og lærere sier sin mening. Oslo: Universitetsforlaget. Sjøberg, S. (2009). Naturfag som allmenndannelse. En kritisk fagdidaktikk. Oslo: Gyldendal Akademisk. Sjaastad, J. (2012). Sources of Inspiration: The role of significant persons in young people’s choice of science in higher education. International Journal of Science Education, 34(10), 1615–1636. Skjelbred, D. & Maagerø, E. (2010). De mangfoldige realfagstekstene: om lesing og skriving i matematikk og naturfag. Bergen: Fagbokforlaget. Solomon, J. (1987). Social influences on the construction og pupil’s understanding of science. Studies in science education, 14, 63–82. Solomon, J. (1994). The Rise and Fall of Constructivism. Studies in science education, 23, 1–19. Sorokowski, P., Kulczycki, E., Sorokowska, A. & Pisanski, K. (2017). Predatory journals recruit fake editor. Nature, 543(7646), 481–483. https://doi.org/10.1038/543481a

referanser 443

Spencer, S. J., Steele, C. M. & Quinn, D. M. (1999). Stereotype threat and women’s math performance. Journal of Experimental Social Psychology, 35(1), 4–28. Staudenmaier, J. (1985). Technology’s storytellers: Reweaving the human fabric. Cambridge, Massachusetts: Society for the History of Technology and the M.I.T. Press. Stross, R. (2007). The Wizard of Menlo Park: How Thomas Alva Edison Invented the Modern World. New York: Crown Publishers. Stuewer, R. H. (1975). The Compton effect: turning point in physics. New York: Science History Publications. Swale, J. M. (2002). Genre analysis. English in academic and research settings. Cambridge: Cambridge University Press. Taber, K. S. (2006). Conceptual integration: a demarcation criterion for science education? Physics Education, 41(4), 286–287. Taconis, R. & Kessels, U. (2009). How choosing science depends on students’ individual fit to «science culture». International Journal of Science Education, 31(8), 1115–1132. Teig, N., Scherer, R. & Nilsen, T. (2018). More isn’t always better: The curvilinear relationship between inquiry-based teaching and student achievement in science. Learning and Instruction, 56, 20–29. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j. learninstruc.2018.02.006 Thorsheim, F., Kolstø, S. D. & Andresen, M. U. (2016). Erfaringsbasert læring. Naturfagdidaktikk. Bergen: Fagbokforlaget. TIMSS. (2015). International Database. Hentet 15.11.2017 fra http://timssandpirls.bc.edu/ timss2015/advanced-international-database/ Urry, M. (2008). Are photons gendered? Women in physics and astronomy. I L. Schiebinger (Red.), Gendered Innovations in Science and Engineering. Stanford University Press. Utdanningsdirektoratet. (2006a). Forskrift til opplæringsloven. Hentet fra https://lovdata. no/dokument/SF/forskrift/2006-06-23-724 Utdanningsdirektoratet. (2006b). Fysikk – programfag i studiespesialiserende utdanningsprogram. Hentet 03.04 2018 fra www.udir.no/kl06/FYS1-01/Hele/ Komplett_visning Utdanningsdirektoratet. (2010). Personlig kommunikasjon. Utdanningsdirektoratet. (2015). Naturfagene i norsk skole. Hentet fra https://www.udir. no/globalassets/filer/tall-og-forskning/forskningsrapporter/naturfag-rapport.pdf Utdanningsdirektoratet. (2018a). Hovudfunn om fagval i vidaregåande 2017–18. Hentet 2018 fra https://www.udir.no/tall-og-forskning/statistikk/statistikk-videregaendeskole/fagvalg-i-videregaende-skole/ Utdanningsdirektoratet. (2018b). Personlig kommunikasjon. Utdanningsdirektoratet. (2018c). Utdanningsdirektoratets nettsider. Hentet 28.04.2010 fra http://www.udir.no/ van Merrienboer, J. J. G. & Sweller, J. (2005). Cognitive load theory and complex learning: Recent developments and future directions. Educational Psychology Review, 17(2), 147–177. https://doi.org/10.1007/s10648-005-3951-0 Veel, R. (1997). Learning how to mean – scientifically speaking: apprenticeship into scientific discourse in the secondary school. I F. C. J. R. Martin (Red.), Genre and institutions: Social processes in the workplace and school. London: Continuum.

444 referanser Viennot, L. (1979). Spontaneous reasoning in elementary dynamics. European Journal of Science Education, 1(2), 205–221. Viereck, G. S. (1929). What life means to Einstein. The Saturday Evening Post, s. 17. Vygotsky, L. S. (1978). Mind in society. Cambridge, MA: Harvard University Press. Vygotsky, L. S. (1987). Thought and language. Cambridge: Cambridge University Press. Wallace, C. S., Hand, B. & Prain, V. (2004). Writing and Learning in the Science Classroom. Dortrecht: Kluwer Academic Publishers. Wang, M.-T. & Degol, J. L. (2017). Gender gap in science, technology, engineering, and mathematics (STEM): Current knowledge, implications for practice, policy, and future directions. Educational Psychology Review, 29(1), 119–140. Weintrop, D., Beheshti, E., Horn, M., Orton, K., Jona, K., Trouille, L. & Wilensky, U. (2016). Defining computational thinking for mathematics and science classrooms. Journal of Science Education and Technology, 25(1), 127–147. Wellington, J. (1998). Practical work in science: time for a reappraisal. I J. Wellington (Red.), Practical Work in School Science – which way now? London: Routledge. Wells, M., Hestenes, D. & Swackhamer, G. (1995). A Modeling Method for high school physics instruction. American Journal of Physics, 63(7), 606–619. Wenger, E. (1998). Communities of practice: Learning, meaning, and identity. Cambridge: Cambridge University Press. Winsberg, E. (1999). Sanctioning models: The epistemology of simulation. Science in Context, 12(2), 275–292. Wittwer, J. & Renkl, A. (2010). How Effective are Instructional Explanations in ExampleBased Learning? A Meta-Analytic Review. Educational Psychology Review, 22(4), 393–409. https://doi.org/10.1007/s10648-010-9136-5 Zahar, E. (1977). Mach, Einstein, and the rise of modern science. The British Journal for the Philosophy of Science, 28(3), 195–213. Ziman, J. (1968). Public Knowledge: An Essay Concerning the Social Dimensions of Science. Cambridge: Cambridge University Press. Ziman, J. (1996). Is science losing it objectivity? Nature, 382(august), 751–754. Ziman, J. (2000). Real science: what it is, and what it means. Cambridge, New York: Cambridge University Press. Ødegaard, M. (2007). Naturfag til nytte og glede! Naturvitenskapelig allmenndannelse ved dramatiske virkemidler. NorDiNa, 1/2007, 76–85. Øgrim, O. & Andersen, S. L. (2005). Eksperimentboka. Oslo: Kolofon Forlag / Naturfagsenteret. Aalmen, F. (2010). Bruk av drama for undervisning av naturvitenskapens egenart. Utvikling og utprøving av et undervisningsopplegg om fysikkens historie. Masteroppgave i fysikk fagdidaktikk, NTNU. Aasen, J. (2008). Dewey: John Deweys pedagogiske filosofi. Vallset: Oplandske Bokforlag.

om forfatterne 445

Om forfatterne Forfattere Carl Angell er professor emeritus. Han har arbeidet ved Skolelaboratoriet på Fysisk institutt, Universitetet i Oslo, der han har drevet med etterog videreutdanning for lærere og har vært engasjert i en rekke forskningsprosjekter i fysikkdidaktikk. Hans forskning er knyttet til læring og undervisning i fysikk, og elevers forståelse av, og holdninger til, fysikk. Han har tidligere undervist i fysikk og matematikk i den videregående skolen i mange år. Berit Bungum er professor i realfagsdidaktikk ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU). Hun arbeider ved Skolelaboratoriet med etterog videreutdanning for lærere og utvikling av undervisningsmateriell. Bungum har mange års erfaring fra undervisning og veiledning innen lærerutdanning i fysikk og naturfag. Hennes forskningsfelt er fysikkdidaktikk og teknologi didaktikk. Ellen Karoline Henriksen er professor i fysikkdidaktikk ved Fysisk institutt, Universitetet i Oslo, der hun underviser på lektorutdanningen og driver etterog videreutdanning for lærere. Hennes forskning er knyttet til fysikkfaget i skolen og i høyere utdanning, fysikkelevers og -studenters læring og motivasjon, ungdoms utdanningsvalg og holdninger til realfag, og fysikk- og naturfag læreres kompetanse. Stein Dankert Kolstø er professor i fysikkdidaktikk ved Institutt for fysikk og teknologi, Universitetet i Bergen. Han har erfaring som lektor i videregående skole, og har i mange år arbeidet med lektorutdanning og holdt kurs og foredrag for lærere. Kolstøs forskningsinteresser omfatter utforskende arbeidsmåter, læring gjennom dialog og undervisning i argumentasjon og kritisk tenkning.

446 om forfatterne Jonas Persson er førsteamanuensis i fysikk ved Institutt for fysikk, Norges tekniske-naturvitenskapelige universitet (NTNU). Persson er fil.dr. fra Göteborgs universitet og dosent ved Universitetet i Jyväskylä og har lang undervisningserfaring fra ulike universiteter. Han har sin vitenskaplige bakgrunn i atom- og kjernefysikk og har mangeårig erfaring med å utvikle undervisning i fysikk og i å ta i bruk ny teknologi i fysikkundervisningen. Reidun Renstrøm er førsteamanuensis i fysikk ved Universitetet i Agder, hvor hun underviser i mekanikk og kvantefysikk i årsstudiet i fysikk. Hun forsker på utviklingen av fysikkens teorier, og hennes doktoravhandling handler om utviklingen av kvantefysikken.

Andre bidragsytere Nils-Erik Bomark er førsteamanuensis ved Universitetet i Agder. Han er utdannet civilingenjör i romfysikk fra Luleå tekniske universitet og har etter det tatt doktorgrad i teoretisk partikkelfysikk. Som teoretisk fysiker er det spesielt formidling av moderne fysikk som kvantemekanikk og alle myter, feiltolkninger og misforståelser som florerer der, som opptar tankene. Maria Vetleseter Bøe er førsteamanuensis i fysikkdidaktikk ved Fysisk institutt, Universitetet i Oslo. Hun er cand. scient. fra Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) og ph.d. fra Universitetet i Oslo. Hun forsker på motivasjon og læring i fysikk, og underviser på lektorutdanningen, etterog videreutdanningen for lærere, og på bachelorprogrammet i fysikk ved Universitetet i Oslo. Øystein Guttersrud er førsteamanuensis ved Nasjonalt senter for naturfag i opplæringen (Naturfagsenteret), Universitetet i Oslo, førsteamanuensis ved Fakultet for helsevitenskap, OsloMet, og seniorrådgiver ved Nasjonalt organ for kvalitet i utdanningen (NOKUT). Guttersrud har en ph.d.-grad fra Fysisk institutt, Universitetet i Oslo. Anders Isnes har vært leder av Nasjonalt senter for naturfag i opplæringen (Naturfagsenteret), Universitetet i Oslo. Han er utdannet fysiker og har vært ansatt ved Universitetet i Oslo som førsteamanuensis i fysikkdidaktikk og leder av lærerutdanningen. Isnes har skrevet en rekke lærebøker i naturfag og fysikk, både for grunnskolen, den videregående skolen og ingeniørutdanningen.

om forfatterne 447

Astrid Johansen er universitetslektor ved Skolelaboratoriet, Norges teknisknaturvitenskapelige universitet (NTNU), der hun bl.a. har ansvar for videre utdanningskurs i fysikk og naturfag for lærere. Hun er sivilingeniør i biofysikk fra Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) og har lang undervisningserfaring fra videregående skole. Hun har vært medlem og leder av eksamensnemnda i fysikk for videregående skole. Rolf V. Olsen er professor og nestleder ved Centre for Educational Measurement (CEMO), Universitetet i Oslo. Han er cand.scient. og dr. scient. fra Universitetet i Oslo. I tillegg til forskning relatert til nasjonale og internasjonale prøver har han vært lærer i videregående skole, og han har vært leder av Norsk fysikklærerforening. Cathrine W. Tellefsen er utdanningsleder for lektorprogrammet i realfag ved Universitetet i Oslo. Hun er cand.scient. i astrofysikk fra Universitetet i Oslo, har lang undervisningserfaring fra videregående skole og har skrevet lærebøker i naturfag og fysikk. Eimund Aamot er lektor ved Levanger videregående skole. Han er cand.real. fra Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) med hovedfag fysikk, og han har lang undervisningserfaring fra videregående skole. Aamot har også undervist ved Høgskolen i Nord-Trøndelag og ved Praktisk-pedagogisk utdanning (PPU), Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU). Han har skrevet lærebøker i fysikk og var i en årrekke leder av eksamensnemnda i fysikk for videregående skole.

448 stikkord

Stikkord 5E-modellen 204, 207 A affordans 215 akkommodasjon 140 algoritmisk tenkning 256 allmenndannelse 19, 97, 365 alternative forestillinger 131, 133, 136, 137, 144, 269 alternative framework 133, 134 analogier 290 analogimodeller 190, 291, 295 animasjoner 261 apprenticeship 146 arbeidsskoleprinsippet 93 argumentering 238, 240, 376 Aristarkos 39, 41, 42 Aristoteles 29, 39, 40, 44, 270 Arkimedes 44 assimilasjon 139 Ausubel, David 128 autoritativ kommunikasjonsform 218, 219, 220, 221 B Bakhtin, Mikhail 221 behaviorisme 139 beregningsorientert naturvitenskap 196 Big Bang 331, 340, 341, 342, 355 Bohr, Niels 29, 320, 321, 327 Bohrs atommodell 318, 325, 335 bowlingkuleanalogien 294 Brahe, Tycho 47 bærekraftig utvikling 100, 306, 309 bølge/partikkel-dualismen 311, 326

C Chalmers, Alan F. 69 Cole, Stephen 76 Compton, Arthur H. 55, 320 Compton-effekt 55, 70 Computational Thinking 197, 256 D datalogging 184, 253 Den unge forskeren 98, 367 determinisme 53, 312 Dewey, John 147 diagnostiske oppgaver 250, 288 dialogisk kommunikasjonsform 218, 221, 224 digitale verktøy 197, 253, 260 discovery learning 163, 164, 199 diSessa, Andrea 135, 243 dopplereffekt 336 drama 371 Driver, Rosalind 134 drivhuseffekten 307, 309, 337 E egenvurdering 387 Einstein, Albert 314, 316, 331, 347, 349 eksamen 397 eksperimenter 66, 162 eksperimentrapporter 166, 211, 228, 238, 240, 375 elektriske kretser 129, 284 elektromagnetisk stråling 334, 335 elektromagnetisme 283, 297 elevdiskusjon 223, 374 elevtall 100

stikkord 449

elevøvinger 171, 172 empirisk-matematisk modellering 192 energi 299, 300, 304, 305, 312 energikjeder 302 en-pol-modellen 129 epistemologi 29 Eratostenes 41, 44 erfaringsbasert læring 147 erkjennelsesteori 139 ertemodellen 292 F fagfellevurdering 73, 75, 78, 84, 376 faglige sjangrer 233 falsifiserbarhet 60 falsifisere 33 Feynman, Richard 301 finansiering av forskning 372 flaskepåfyllingsmodellen 138 flervalgsoppgaver 249, 258, 393, 400, 411, 413, 414 formativ vurdering 381, 382, 385, 386 forskningsformidling 229 forskningsfrontkunnskap 76 forskningsfusk 75 fotoelektrisk effekt 70, 316, 318, 319, 320 foton 316 frihetsgrader 163, 198 FUN-undersøkelsen 112, 114, 365 fysikkens egenart 316, 364, 365 fysikkens språk 143, 213, 217, 219 fysikklæreren 118 G Galilei, Galileo 29, 50 generell relativitetsteori 349 Goodlad, John I. 89 gravitasjonsbølger 342, 343, 349, 355 grubletegninger 279 gruppeprøver 389

H Hattie, John 153 Heisenbergs uskarphetsrelasjon 311, 328 heliosentrisk verdensbilde 39, 43 Hertzsprung-Russell-diagram 337 historie i undervisningen 316, 371 hverdagsbegreper 135, 141 hverdagsforestillinger 133, 144, 213, 269, 270 hypoteser 32, 35, 59, 60, 61, 170, 171, 196, 198, 206 hypotetisk-deduktiv metode 59, 61 I identitet 101 identitetsutvikling 103 impetus 136, 270 IMRoD-strukturen 239 induksjon 95, 296 induksjonsproblemet 58, 59, 69 ingeniørteori 358, 360, 363 inquiry-based learning 164, 198 interesse 101, 102, 103 internasjonale tester 395 internettbaserte eksperimenter 172 intuitive ideer 133, 135, 137 Isaachsens lærebøker 96 Item Response Theory 413, 416 K kalkulator 115 karakterer 402, 403 Kepler, Johannes 49 kjønnsforskjeller 102, 106, 108, 403 klassediskusjoner 158, 169, 171 kodesystem for elevsvar 394 kognitiv konflikt 140, 333 kognitive skjema 139 kognitive strukturer 139 kokebokforsøk 169 kollektive prosesser i forskersamfunnet 71, 72 kollisjonsmodellen 130 kommunikasjonsformer i klasserommet 213

450 stikkord kompetansemål 98, 384, 386, 398, 399 konkurrerende hypoteser 36, 62, 74, 75 konstruktivisme 30, 139, 140, 141, 142 Kopernikus, Nicolas 45 kosmologi 340, 342 kosmologisk rødforskyvning 342 kraft og bevegelse 131 krefter 269, 271, 272 kritisk eksperiment 62 kritisk tenkning 54, 84, 199, 202, 364, 375 kritisk vurdering 75, 371, 376 Kuhn, Thomas 77 Kunnskapsløftet 98, 99, 357, 399, 400 kvalitative undervisningsmetoder 112 kvantefysikk 30, 310 kvanteobjekt 312, 328 kvantesprang 313 kvantisert 56, 312, 313, 314, 315 kvanton 312, 328 københavnerfortolkningen 327 L Lakatos, Imre 64 lekser 116, 117 likninger 32, 36, 192 lover 27, 32, 33, 35 luminositet 339 lyskvanter 67, 317, 318, 319, 320 læreplaner 89, 99 læreplannivåer 89, 90 læreren 151, 155, 159, 160 læring 138, 139 læringsstrategier 158, 196, 231 M magnetfall gjennom spole 298 matematisk språk 191 matematiske modeller 20, 31, 68, 186, 187, 188 Maxwell, James Clerk 33, 301 mekanikk 269 Merton, Robert K. 77 mestringsforventning 101, 102, 109 metakognisjon 212, 231 metodefrihet 98

metodekompetanse 198, 200 Millikan, Robert 74 misconceptions 133 modeller 29, 30, 32, 34, 58, 65, 66, 186, 187 modellering 34, 187, 256 modelleringsspillet 187 motivasjon 102 multimediebasert undervisning 254, 255, 256 muntlig-praktisk eksamen 398 mørk energi 343, 344 mørk materie 343, 344 N Nature of Science 187 naturlige bevegelser 40 naturlover 37 naturvitenskapelig metode 71, 364, 366 naturvitenskapelig tenkeog arbeidsmåte 198, 202, 375 naturvitenskapens egenart 187, 364, 366, 367, 370, 374 Newton, Isaac 52 Newtons lover 272 nominalisering 216 nærmeste utviklingssone 144, 145 O objektivitet 70, 71, 77, 81, 84 observasjoner 35, 58, 59, 63, 69, 168, 184, 198, 202 omvendt undervisning, 259 ontologi 327 open access 78 oppdragsforskning 81, 84 oppgaveløsing 242, 243 P paradigmer 77 pedagogical content knowledge 156 pedagogiske modeller 186, 188 personlig konstruktivisme 139 Piaget, Jean 139 PISA-undersøkelsen 332, 368, 390 Planck, Max 313

stikkord 451

Plancks strålingslov 316, 319, 334 planetarieprogram 333, 346 Platon 39, 44 Popper, Karl 33, 60 post-akademisk vitenskap 80 post-normal vitenskap 83, 84 praksisfellesskap 145 prediksjoner 58, 62, 65, 68 Principia 32, 53 programmering 196, 256 prosedyrekunnskap 210 prosessorientert skriving 233 pseudovitenskapelige teorier 54 Ptolemaios 43, 44, 46 publisering 73, 84, 376 Pytagoras 38 Python-program 197 R rapportskriving 162, 211 Rasch-modeller 415, 421 realisme 328 Reform 94 98, 399 regresjon 178, 179 rekonstruksjon av kunnskap 358, 363 ReleKvant 222, 351 ReleKvant Kompetanse 118 reliabilitet 409, 410 representasjonsformer 126, 128, 196 reviewstudier 74 ROSE-undersøkelsen 103 Rutherford, Ernest 322 S samstemt undervisning 160 Schrödinger, Erwin 314 selvrealisering 101, 102 Shulman, Lee 156 sikkerhetsregler 173 simuleringer 261 SISS 390 situert 144, 145, 357, 358 skalamodeller 189, 332 skriveoppgaver 225, 226, 227, 232, 325 skriving 225 snoranalogien 291

Solomon, Joan 142 solsystemet 332, 334, 340, 344 sosialkonstruktivisme 139, 142, 145 sosiokulturelle syn på læring 142 spektrallinjer 335, 336 spenning 283, 284, 294 spesiell relativitetsteori 347 spontane begreper 135, 144, 213, 215, 219 spredningseksperimenter 320 språk 144, 213, 215, 310, 326 Sputnik-sjokket 95, 96 standardfeil 179 standpunktkarakter 382, 403, 404 stasjonsøvinger 172 Stefan-Boltzmanns lov 309, 334, 335, 339 strøm 129, 283, 284, 292 strømforbruksmodellen 130, 131, 135 støttestrukturer 164, 199, 209, 210, 212, 354 subkultur 136 summativ vurdering 381, 382, 384 svart legeme 334 systematiske feil 174 T taksonomi 244, 400 tankeeksperimenter 352 tankekart 231, 232 teknologi 357 teknologisk kunnskap 357, 358, 359, 362, 363 teorier 25, 29, 30, 32, 33, 35, 59, 66 testteori 410, 412, 413, 414 tilfeldige feil 174 TIMSS Advanced 99, 107, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 368, 390, 391, 393 tolkning av data 64 trampolinemodellen 353, 354 tvillingparadokset 356 tvungne bevegelser 41 U underveisvurdering 385 undervisningskunst 153

452 stikkord usikkerhet 68, 174 utdanningsvalg 101, 103, 107, 110 utforskende arbeidsmåter 198, 199 V validitet 405, 406 vannstrømanalogien 293 variabelkontroll 206 variasjon i undervisningen 158 varme 300, 301, 303 verdensbilde 19, 39, 41, 45 verkstedfag 93, 99, 357 Vilje-con-valg-undersøkelsen 110 Visible Learning 153, 382 visible teaching 157 visualisering 254 vitenprogrammet Generell relativitetsteori 351 vitenprogrammet Kvantefysikk 326 vitenskapelig argumentasjon 166, 371, 375 vitenskapelig grunnkunnskap 358, 359, 362

vitenskapelige begreper 135, 136, 141, 144, 213 vitenskapelige kriterier 73, 83 vitenskapelige normer 66, 73, 77 vurdering 381, 384, 404 vurderingskriterier 211, 387 vurderingssituasjoner 388 Vygotsky, Lev S. 135, 143, 213 W Wiens forskyvningslov 334 Z Ziman, John 75, 76 z-skår 407 Ø Ørsteds forsøk 296 Å åpne forsøk 163 årstider 332, 333