Elever kan bara lära sig nya saker genom att bygga på det de redan vet och sina tidigare erfarenheter. Detta är en viktig utgångspunkt i konstruktivismen. Samtidigt är naturvetenskapen ofta abstrakt till sin karaktär. Hur kan vi som lärare skapa miljöer och situationer i naturvetenskapsundervisningen där våra elever ges möjlighet att dra nytta av sina tidigare kunskaper och inneboende resurser? Ett sätt att åstadkomma detta är att använda sig av modeller, analogier och metaforer i undervisningen. I denna antologi presenteras forskning och undervisningsexempel kring hur man kan använda modeller, analogier och metaforer, samt elevers egna representationer i undervisningen i fysik, kemi och biologi. Antologin vänder sig främst till blivande och verksamma lärare i naturvetenskap med fokus på grundskolans senare år och gymnasiet, samt lärarutbildningen i naturvetenskapliga ämnen och deras didaktik.
Art.nr 37295
| Modeller, analogier och metaforer i naturvetenskapsundervisning
Modeller, analogier och metaforer i naturvetenskapsundervisning
Fredrik Jeppsson & Jesper Haglund (red.)
Fredrik Jeppsson och Jesper Haglund (red.) är verksamma vid lärarutbildningen på Linköpings universitet. Deras doktorsavhandlingar har en inriktning mot metaforer och analogier i naturvetenskapsdidaktiken. Övriga författare är Madelen Bodin, Michal Drechsler, Niklas Gericke, Roland Kjellander, Daniel Orraryd, Carl-Johan Rundgren, Mari Stadig Degerman och Helge Strömdahl.
Modeller, analogier och metaforer i naturvetenskapsundervisning
Fredrik Jeppsson & Jesper Haglund (red.)
www.studentlitteratur.se
978-91-44-09000-9_01_coverNy.indd 1
2013-10-22 15.02
Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares begränsade rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt Bonus Presskopias skolkopieringsavtal, är förbjuden. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman eller Bonus Presskopia. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman eller rättsinnehavare. Denna trycksak är miljöanpassad, både när det gäller papper och tryckprocess.
Art.nr 37295 ISBN 978-91-44-09000-9 Upplaga 1:1 © Författarna och Studentlitteratur 2013 www.studentlitteratur.se Studentlitteratur AB, Lund Omslagslayout: Francisco Ortega Omslagsbild: Roman Sigaev/Shutterstock.com Printed by Ednas Print, Slovenien 2013
978-91-44-09000-9_01_book.indd 2
2013-10-22 15:40
Innehåll
Förord 9 Författarpresentationer 11 K apitel 1
Inledning 13
J e spe r H aglu n d & F r e dr i k J e pp s s on Vetenskapliga modeller 13 Analogier 17 Metaforer 22 Metaforer för lärande 27 Kunskap som byggstenar 27 Kunskap som appropriering 29 Förförståelse som resurs för lärande 30 Att läsa vidare på svenska 32 Litteratur 34 Del I
Naturvetensk aplig modellering för begreppsbildning
K apitel 2
De fysikaliska storheternas språk 41
H e l ge S t röm da h l Ord, begrepp och referent 44 Fysikaliska storheter och enheter 45 Modellering med fysikaliska storheter 48 En språklig analys 52
© F ö r fat ta r na och S t uden t li t t e r at u r
978-91-44-09000-9_01_book.indd 3
3
2013-10-21 12:49
Innehåll
Att utöka sin begreppsarsenal 53 Tillämpning i naturvetenskapsundervisningen 55 Reflektionsfrågor 56 Litteratur 56 K apitel 3
Att konkretisera det abstrakta: Förstå och undervisa om entropi och temperatur 59
Rol a n d K j e l l a n de r Spontanitet och entropi 61 Mikrotillstånd och makrotillstånd 61 Mikroskopisk introduktion till entropi 65 Temperatur och entropi 67 Temperatur och termisk rörelse 67 Värme som överföring av energi 68 Pengaanalogi för värme och temperatur 69 Vad är temperatur? 72 Appendix 74 Reflektionsfrågor 75 Litteratur 76 K apitel 4
Modeller i kemi 77
M ic h a l Dr e c h sl e r Syror och baser 79 Lärares ansats till modeller i undervisningen 81 Kemisk bindning 82 Kemisk bindning i läroböcker 85 Lärares syn på undervisning om kemisk bindning 86 Tillämpning i naturvetenskapsundervisningen 87 Reflektionsfrågor 88 Litteratur 89
4
978-91-44-09000-9_01_book.indd 4
© F ö r fat ta r na och S t uden t li t t e r at u r
2013-10-21 12:49
Innehåll K apitel 5
Begreppsvariation – ett sätt att förstå modeller 91
N i k l a s Ge r ic k e Naturvetenskapliga begrepp 91 Modeller i naturvetenskap 93 Relationen mellan begrepp och modeller 96 Begreppsvariation – exemplet genetik 100 Modeller för genens funktion 101 Överblick över modellerna 105 Tillämpning i naturvetenskapsundervisningen 107 Historiska modeller och elevers förståelse 109 Avslutande reflektioner 111 Reflektionsfrågor 112 Litteratur 113 Del II Metaforer i naturv etensk apligt språk K apitel 6
Från levande till döda metaforer 119
C a r l-Joh a n Ru n d gr e n Metaforer och lärande 120 Metaforer i biomolekylernas värld 122 Levande och döda metaforer 124 Forskning kring experter och noviser 125 Modeller och metaforiska representationer 125 Intervjustudien 126 Metaforer och icke-konventionaliserat språk 131 Tillämpning i naturvetenskapsundervisningen 133 Reflektionsfrågor 134 Litteratur 134
© F ö r fat ta r na och S t uden t li t t e r at u r
978-91-44-09000-9_01_book.indd 5
5
2013-10-21 12:49
Innehåll K apitel 7
Molekylära metaforer 137
M a r i S ta dig De ge r m a n Osynligt och omöjligt att uppleva 139 Molekyler som maskiner 142 ATP-syntes som vattenkraft 143 Negativ protongradient 146 Vattentransport över membran 148 Direkta erfarenheters roll för lärande 149 Tillämpning i naturvetenskapsundervisningen 151 Reflektionsfrågor 152 Litteratur 153 K apitel 8
Begreppsliga metaforer i studenters dialog 155
F r e dr i k J e pp s s on Tre termodynamiska problem 157 Begreppsliga metaforer i dialog 159 Tillämpning i naturvetenskapsundervisningen 164 Reflektionsfrågor 165 Litteratur 166 Del III Egna representationer av naturfenomen K apitel 9
Att skapa egna virtuella modeller i fysik och teknik 169
M a de l e n B odi n Visuella simuleringar på högstadiet 171 Simulering av en gungbräda 172 Simuleringar för att stödja lärande 175 Programmera egna simuleringar 178 Tillämpningar i naturvetenskapsundervisningen 181 Reflektionsfrågor 183 Litteratur 183
6
978-91-44-09000-9_01_book.indd 6
© F ö r fat ta r na och S t uden t li t t e r at u r
2013-10-21 12:49
Innehåll K apitel 10
Självgenererade analogier stöder lärande 185
J e spe r H aglu n d Analogier för termodynamiska processer 187 Analogier för värme och för blandning 192 Tillämpning i naturvetenskapsundervisningen 196 Reflektionsfrågor 197 Litteratur 198 K apitel 11
Elevers animationer av evolution 201
Da n i e l Or r a ry d Att förstå evolutionen 202 Visuella representationer 205 Visuell kompetens 207 Elever skapar egna representationer 208 Elever ritar bilder 210 Studenter skapar animationer 210 Olika representationer av evolution 212 Hur går det till att skapa en stopmotion-animation? 213 Visa kunskap genom estetiskt uttryck 214 Metakognitivt lärande 218 Ökat engagemang 221 Ökad visuell kompetens 222 Tillämpning i naturvetenskapsundervisning 223 Reflektionsfrågor 224 Litteratur 224
© F ö r fat ta r na och S t uden t li t t e r at u r
978-91-44-09000-9_01_book.indd 7
7
2013-10-21 12:49
978-91-44-09000-9_01_book.indd 8
2013-10-21 12:49
Förord
Idén till den här boken uppstod ur vår involvering i lärarutbildningen vid Linköpings universitet, och då särskilt vid undervisning i natur vetenskapliga ämnen och deras didaktik. I vår naturvetenskapsdidaktiska forskning hade vi skönjat en trend som bestod i att på ett konstruktivt sätt söka dra nytta av elevers förförståelse och erfarenheter från vardagslivet och vardagsspråket som resurser vid lärande om komplexa naturfenomen och abstrakta naturvetenskapliga begrepp. Kopplingar mellan vardags förståelse och naturvetenskapliga förklaringar kan göras på många olika sätt, men begreppen modell, analogi och metafor ringar in tre viktiga disci pliner som kan vara till hjälp: vetenskapsfilosofi, kognitionsvetenskap, respekt ive språkvetenskap. Vi upplevde dock att då vi på lärarutbildningen ville ta upp hur modeller, analogier och metaforer används inom naturvetenskapen och för lärande inom området fanns det inte särskilt mycket skrivet kring detta på svenska. Vi var istället hänvisade till engelska böcker och vetenskapliga tidskrifter som ofta kunde ligga på en alltför avancerad nivå. Vi vill med den här antologin därför presentera den internationella och svenska forskningen på området på ett mer tillgängligt sätt utifrån hur den kan bidra till en forskningsanknuten lärarpraktik. Framställningen är därmed gjord främst med lärare och lärarstudenter med inriktning mot naturvetenskapliga ämnen i högstadiet och gymnasiet i åtanke, men vår förhoppning är att texterna även kan finna anklang i bredare kretsar i utbildningssystemet. De ingående delkapitlen bygger på erfarenheter från didaktisk forskning och undervisningspraktik som ämnesmässigt spänner brett över fysiken, kemin och biologin. En gemensam nämnare för alla bidragande författare är att vi har någon typ av anknytning till Nationella forskarskolan i natur © F ö r fat ta r na och S t uden t li t t e r at u r
978-91-44-09000-9_01_book.indd 9
9
2013-10-21 12:49
Förord
vetenskapernas och teknikens didaktik (FontD), ett samarbete mellan många svenska lärosäten och koordinerat från Linköpings universitet. Vi vill tacka vår förläggare Sigrid Ekblad som har varit ett starkt stöd genom processen med att skriva antologin. Norrköping, juni 2013 Fredrik Jeppsson och Jesper Haglund
10
978-91-44-09000-9_01_book.indd 10
© F ö r fat ta r na och S t uden t li t t e r at u r
2013-10-21 12:49
Förfat tarpresentationer
Madelen Bodin arbetar som forskare i fysikdidaktik på Umeå universitet. Hon disputerade 2012 med avhandlingen Computational problem solving in university physics education – students’ beliefs, knowledge, and motivation. Michal Drechsler arbetar som lektor i kemididaktik vid Karlstads universitet. Han disputerade 2007 med avhandlingen Models in chemistry education – a study of teaching and learning of acids and bases in Swedish upper secondary schools. Niklas Gericke är fil.dr i biologi med didaktisk inriktning och lektor på Karlstads universitet. Han är engagerad i forskning om läroböcker, vetenskapshistoriska perspektiv på undervisning, modellers betydelse för undervisning och lärande, språkanvändning i genetikundervisning och leder ett VR-finansierat forskningsprojekt om skolors framgångsfaktorer för undervisning om hållbar utveckling. Jesper Haglund är fil.dr i naturvetenskapernas didaktik. Han disputerade 2012 vid Linköpings universitet på avhandlingen Analogical reasoning in science education – connections to semantics and scientific modelling in thermodynamics, som handlar om hur man kan utnyttja analogiskt tänkande i naturvetenskapsundervisningen. Fredrik Jeppsson, fil.dr i naturvetenskapernas didaktik, arbetar som postdoktor vid Linköpings universitet. Han disputerade vid Linköpings universitet 2012 med avhandlingen: Conceptual metaphors in learning and teaching entropy – adopting a cognitive semantic approach. © F ö r fat ta r na och S t uden t li t t e r at u r
978-91-44-09000-9_01_book.indd 11
11
2013-10-21 12:49
Författarpresentationer
Roland Kjellander är professor i fysikalisk kemi vid Göteborgs universitet. Hans forskningsområde är statistisk mekanik, särskilt vätsketeori, och han hyser ett starkt intresse för undervisning i termodynamik. Daniel Orraryd har arbetat som gymnasielärare i naturkunskap, biologi och kemi under tio års tid. Sedan 2011 är han doktorand i naturvetenskapernas didaktik vid Linköpings universitet och driver ett forskningsprojekt om hur elevers egna animeringar påverkar och reflekterar lärandet av naturvetenskapligt innehåll med fokus på evolutionen. Carl-Johan Rundgren är fil.dr i naturvetenskapernas didaktik och docent vid institutionen för matematikämnets och naturvetenskapsämnenas didaktik vid Stockholms universitet. Han disputerade 2008 vid Linköpings universitet. Hans forskningsintressen behandlar bl.a. semiotik och visualiseringar och naturvetenskaplig medborgarbildning, särskilt i relation till media. Mari Stadig Degerman är lektor vid Mälardalen högskola, Eskilstuna. Hennes forskningsintressen rör universitetsstudenters meningsskapande av molekylära fenomen inom livsvetenskaperna kopplat till visuella externa representationer och studenters bruk av metaforiskt språk. Mari Stadig Degerman disputerade vid Linköpings universitet 2012 med avhandlingen Att hantera cellmetabolismens komplexitet – meningsskapande genom visualisering och metaforer. Helge Strömdahl är professor emeritus i naturvetenskapernas didaktik vid Linköpings universitet. Under perioden 2001–2010 var han föreståndare för Nationella forskarskolan i naturvetenskapernas och teknikens didaktik, FontD. Hans forskningsintresse rör naturvetenskaplig begreppsbildning.
12
978-91-44-09000-9_01_book.indd 12
© F ö r fat ta r na och S t uden t li t t e r at u r
2013-10-21 12:49
Kapitel 1
Inledning J e spe r H aglu n d & Fr e dr i k J e pps s on
Med den här boken vill vi presentera ett antal olika perspektiv på hur man kan dra nytta av modeller, analogier och metaforer i den naturvetenskapliga undervisningen. Användning av modeller, analogier respektive metaforer inom naturvetenskapen har det gemensamt att man utgår från något bekant och konkret för att beskriva och förklara abstrakta och komplexa teorier och naturfenomen. Med ett uttalat ämnesdidaktiskt perspektiv vill vi bidra till fler möjliga sätt att närma sig centrala frågor som naturvetenskapslärare ställs inför: Hur kan vi hjälpa våra elever att lära sig de tankesätt, det stoff och de arbetsmetoder som utgör kunskap i våra ämnen? Hur kan vi motivera dem att lära sig? I detta inledande kapitel introducerar vi först de tre begrepp som utgör bokens teoretiska kärna, och relaterar dem till naturvetenskapsunder visningen: modeller, analogier och metaforer. Sedan sätter vi in boken i ett större sammanhang i form av olika perspektiv på lärande som har presenterats inom den pedagogiska forskningen. Slutligen ger vi några lästips på svenska för den som vill förkovra sig vidare inom detta spännande område.
Vetenskapliga modeller Naturvetenskapsdidaktikern John Gilbert (2004) har fört fram idén om modellbaserad undervisning i naturvetenskap, där man utgår från modeller och vetenskaplig modellering för att ge elever insyn i ett autentiskt naturvetenskapligt arbetssätt och vill påvisa och utnyttja vetenskapens inslag av kreativitet. En modellbaserad undervisning kan även bidra med att föra fram naturvetenskapens sammanhängande karaktär, i motsats till en vanlig bild av naturvetenskapsundervisningen som ett lärande av isolerade fakta. © F ö r fat ta r na och S t uden t li t t e r at u r
978-91-44-09000-9_01_book.indd 13
13
2013-10-21 12:49
Jesper Haglund & Fredrik Jeppsson
Lehrer och Schauble (2006) menar vidare att modellbaserad undervisning med fördel kan kombineras med ”inquiry-based learning”, där elever får möjlighet att undersöka naturfenomen utifrån sina egna frågeställningar och skapa sina egna modeller för dem. En första fråga man ställs inför om man vill få till stånd modellbaserad undervisning är dock: Vad är en modell? Det är inte alldeles lätt att svara på den, eftersom ordet modell har att antal olika betydelser, både i vardagsspråket och inom olika vetenskapliga discipliner. Det rör sig om allt från mannekänger och nya årgångar av bilar och miniatyrer av dem, till teoretiska beskrivningar av samband i naturen och i samhället. En första indelning man kan göra är att skilja mellan, å ena sidan, mentala modeller, interna representationer eller begrepp vi som individer skapar oss för olika fenomen, och, å andra sidan, externa modeller, som vi kan använda i kommunikation med varandra. Externa modeller kan, enligt vetenskaps- och språkfilosofen Max Black (1962), i sin tur kategoriseras på följande sätt. • Skalmodeller, där man förstorar det lilla (t.ex. atomer eller celler)
eller förminskar det stora (t.ex. galaxer) till den ”lagom” medelstora värld där vi verkar, men samtidigt försöker behålla proportionerna. • Analoga modeller, som kan skapas i ett annat medium än det fenomen i vars avbild den framställs, men där strukturen i form av relationer mellan beskrivna delar bevaras. Ett exempel vi kommer att återkomma till är att atomens struktur kan liknas vid ett solsystem. • Matematiska modeller, med vars hjälp vi kan renodla ingående variabler för att beskriva ett naturfenomen, formulera hypoteser, beräkna deras konsekvenser om de vore sanna och testa dem mot verkligheten genom observation och mätningar i experiment med teknisk utrustning, särskilt skapad för ändamålet. Till exempel baseras många modeller på proportionalitet mellan två variabler, såsom i Ohms lag: U = RI. • Teoretiska modeller, i sin tur, bjuder in till tankeexperiment. Black lyfter fram exemplet med fysikern Maxwells modell över elektriska fält som en sorts icke-komprimerbara fluider (samlingsnamn för vätskor och gaser). Hur skulle elektiska fält bete sig om de vore fluider? Tänk om de faktiskt är det? Tankeövningen ledde till många teoretiska framsteg, även om grundidén att elektriska fält 14
978-91-44-09000-9_01_book.indd 14
© F ö r fat ta r na och S t uden t li t t e r at u r
2013-10-21 12:49
1 Inledning
har substansliknande egenskaper i form av en ”eter” senare kom att tillbakavisas genom Einsteins speciella relativitetsteori. • Slutligen lyfter Black fram något han väljer att kalla arketyper, systematiskt sammanhängande idéer inom ett område, som kan överföras genom analogi till andra områden, typiskt utan att vi är medvetna om det. Så har till exempel begrepp inom fysiken förts över till psykologin, där vi kan uppleva ”tryck” eller ”spänningar”. På samma sätt har kognitionsvetenskapen kommit att utvecklas genom att beskriva människans psyke med begrepp lånade från en dators processer. Arketyperna delar denna systematiska, men samtidigt omedvetna karaktär med ”begreppsliga metaforer” (Lakoff & Johnson, 1980), vilka vi får anledning att återkomma till framöver. Gilbert (2004) pekar vidare på att användningen av modeller kan kate goriseras utifrån den form eller det medium, genom vilket modellerna representeras: • I det konkreta mediet kan man skapa tredimensionella fysiska
r epresentationer, såsom skalmodeller eller förenklade representationer av molekyler med kulor och pinnar. • I det verbala mediet kan man i ord muntligt eller skriftligt beskriva och förklara fenomen, inte sällan genom att utnyttja analogiskt tänkande och metaforiskt språk. • Med det symboliska mediet kan vi utnyttja matematisk formalism för att modellera kvantitativa samband mellan storheter. • Det visuella mediet kan användas för att representera modeller i form av grafer, diagram och rörliga animationer. • Slutligen kan vi genom gester och andra fysiska rörelser med våra kroppar representera fenomen ensamma eller tillsammans. Vi kan notera hur de tre centrala begreppen i boken – modeller, analogier och metaforer – griper in i varandra på ett intrikat sätt. Vad som särskilt karaktäriserar vetenskapliga modeller och modellering är dock ambitionen att beskriva, förklara och förutse fenomen i naturen och samhället samt att bidra till teknikutvecklingen, genom vilken vi kan åstadkomma tidigare aldrig upplevda fenomen. Analogier och metaforer saknar generellt sådana anspråk. © F ö r fat ta r na och S t uden t li t t e r at u r
978-91-44-09000-9_01_book.indd 15
15
2013-10-21 12:49
Jesper Haglund & Fredrik Jeppsson
När man undervisar om och med modeller i naturvetenskapen finns ett antal viktiga budskap. Ett av dem är att man behöver vara noga med att skilja mellan modell och verklighet. Varje enskild modell lyfter bara fram vissa aspekter av ett fenomen och tonar samtidigt ner andra aspekter. Då vi representerar den fysiska världen med hjälp av modeller gör vi ofta kraftiga idealiseringar, förenklingar av det vi kan observera, såsom att emellanåt bortse från den friktion som vi vet är involverad i ett visst systems rörelse. Utvecklingen av idealiserade, matematiskt beskrivna modeller ses som en viktig komponent i Galileis bidrag till den vetenskapliga revolutionen under det tidiga 1600-talet (Matthews, 2004). Inslaget av idealisering i vetenskaplig modellering leder vidare till många filosofiska spörsmål, såsom vad det är som gör att en viss modell kan sägas representera ett givet fenomen, men har även en intressant direkt konsekvens för begreppsforskningen. När vi talar om att elever missförstår något är det på sin höjd fråga om att de inte har tagit till sig en viss naturvetenskaplig förklaringsmodell, såsom Newtons mekanik. Vi har däremot svårare att uttala oss om hur deras förståelse står i relation till verkligheten, vilket stämmer till eftertanke och ödmjukhet. Vidare behöver vi notera att varje modell har tagits fram av någon och är tänkt att användas för ett visst syfte. Det gör att flera olika – ibland sins emellan motsägelsefulla – modeller kan skapas för att beskriva olika aspekter av samma fenomen. Typexemplet är kvantfysiken, där naturen i olika förklaringsmodeller kan karaktäriseras som antingen bestående av partiklar eller av vågor. Den didaktiska forskningen har visat att det är svårt för elever, men också för många lärare, att ta till sig vad modeller och modellering innebär inom naturvetenskapen (Grosslight, Unger, Jay & Smith, 1991) och slutsatsen är att vi bör lägga mer tid på att reda ut dessa frågor i undervisningen, och inte ta dem för givna. Flera av bidragen i den här antologin har bäring på hur vetenskapliga modeller kan användas i den naturvetenskapliga undervisningen. I kapitel 2 introducerar Helge Strömdahl ett språkligt perspektiv på de fysikaliska stor heterna. Ord som används inom naturvetenskapen, till exempel storheten värme, har ofta en specifik betydelse där som skiljer sig från dess innebörd i vardagsspråket. De fysikaliska storheterna kännetecknas också av att de kan relateras kvantitativt till andra storheter genom matematisk modellering på ett koherent sätt inom SI (Système Internationale d’Unités). Roland Kjellander 16
978-91-44-09000-9_01_book.indd 16
© F ö r fat ta r na och S t uden t li t t e r at u r
2013-10-21 12:49
1 Inledning
beskriver i kapitel 3 ett sätt att introducera den grundläggande termodynamiken på inledande högskolenivå utifrån ett molekylärt perspektiv, med modellering av centrala begrepp som energi, temperatur och entropi. I kapitel 4 och 5 beskriver Michal Drechsler och Niklas Gericke hur olika historiska modeller för syror och baser samt kemisk bindning respektive genbegreppet har använts och kombinerats i läromedel och undervisningen i kemi respektive biologi på gymnasiet och hur de kan stödja eller stjälpa elevers begreppsförståelse. I kapitel 9, i sin tur, redogör Madelen Bodin för hur elever och studenter kan använda sig av datorstödd modellering och simulering av fysikaliska processer. Hon beskriver dels hur sjundeklassare utvecklade sin förståelse för balans och jämvikt genom att arbeta med en interaktiv datorsimulering av en gungbräda med vikter, dels hur ingenjörsstudenter fick modellera och programmera simuleringar av elastiska föremål i mekanik.
Analogier Nästa begrepp vi vill introducera är analogi. Medan modeller och modellering kan ses som processer och produkter inom ramen för naturveten skapen, hör analogier och analogiskt tänkande snarare hemma i den kognitiva psykologin, som bland annat beskriver hur vi människor tänker. Man har kunnat visa att resultat i tester över individers förmåga till analogiskt tänkande är starkt kopplade till resultat på intelligenstest (Holyoak, 2012) och analogiskt tänkande har därigenom lyfts fram som ”kognitionens kärna” (Hofstadter, 2001). Enligt psykologen Dedre Gentner (1983), som har utvecklat sin structuremapping theory, innebär analogier och analogiskt tänkande att man jämför två kunskapsområden, så kallade domäner, vilka består av en uppsättning objekt, dessa objekts attribut eller egenskaper, samt relationer mellan objekten. Man väljer ut objekt, attribut och relationer från en mer konkret och bekant källdomän och för över dem till en mer abstrakt och obekant mål domän. Analogier särskiljer sig från andra typer av jämförelser i det att fokus ligger på att föra över objektens relationer och att åstadkomma en strukturell likhet, medan objektens attribut mycket väl kan skilja sig mellan domänerna. Ett exempel är Bohrs jämförelse mellan atomens struktur och ett solsystem. Domänerna har den gemensamma strukturen att mindre objekt, elektroner respektive planeter, kretsar i banor kring större objekt, atomkärnan respek© F ö r fat ta r na och S t uden t li t t e r at u r
978-91-44-09000-9_01_book.indd 17
17
2013-10-21 12:49
Jesper Haglund & Fredrik Jeppsson
tive solen. Däremot skiljer sig attributen åt mellan objekten i domänerna. Så är till exempel solen, i motsats till atomkärnan, varm och gul. Om det finns god överensstämmelse mellan både objektens relationer och attribut är det i stället fråga om en bokstavlig likhet. Vi kan till exempel jämföra vårt eget solsystem med andra system av stjärnor med planeter i omloppsbana och konstatera att de är lika varandra i stor utsträckning. Om vi däremot fokuserar på enskilda attribut hos objekten och ignorerar strukturen av relationer kan vi notera ytlikhet. Ett exempel på detta är att peka på att solen ser ut som en apelsin, rund och gul. En abstraktion i sin tur har, liksom analogin, fokus på strukturen av relationer och inte på attribut, men där man med analogin nöjer sig med att notera likheten mellan de två jämförda exemplaren, pekar abstraktionen på och namnger den gemensamma övergripande principen. Solsystemet och atomen kan beskrivas utifrån en analog matematisk struktur i termer av centralkrafter. Solen och planeterna attraherar varandra genom gravitation, medan atomkärnan och elektronerna attraherar varandra elektrostatiskt, båda med krafter som är proportionella mot objektens massor respektive elektriska laddningar, och omvänt proportionella mot kvadraten av avstånden mellan dem. I anomalier, slutligen, saknas likhet både i egenskaper och struktur och eventuella jämförelser förefaller absurda (Gentner, 1983). Gentners (1983) beskrivning av analogier har blivit tongivande inom den kognitiva psykologin och har även anammats inom didaktisk forskning kring hur lärare och elever kan utnyttja analogier och analogiskt tänkande vid undervisning och i lärandesituationen. Hennes teori har emellertid inte stått oemotsagd. Till exempel kan Gentners ensidiga fokus på likhet i struktur behöva kompletteras genom att man beaktar semantiska och pragmatiska villkor. Med den semantiska dimensionen avses att den kognitiva processen att se och skapa en analogi mellan två domäner underlättas om det finns en likhet i mening eller betydelse mellan domänerna och deras ingående objekt, med andra ord att objektens attribut spelar in även för analogier. Pragmatiken har betydelse i form av att ju mer vi känner till om domänerna och ju mer införstådda vi är med att det borde finnas en likhet, desto mer benägna är vi att identifiera analogier (Holyoak & Thagard, 1989). Chalmers, French och Hofstadter (1992) kritiserar å sin sida Gentners isolering av analogiskt tänkande som ett rent kognitivt fenomen och hennes simulering av analogier i datamodeller (t.ex. Falkenhainer, Forbus & G entner, 18
978-91-44-09000-9_01_book.indd 18
© F ö r fat ta r na och S t uden t li t t e r at u r
2013-10-21 12:49
1 Inledning
1989) som enligt dem inte tar tillräcklig hänsyn till kognitionens nära samband med perceptionen. På detta sätt har Gentners teori kommit att används som en sorts lackmuspapper eller prövosten som andra har kunnat kontrastera eller testa sina teorier emot, så att vår gemensamma förståelse av vad analogier är har kunnat utvecklas. Analogiskt tänkande har visat sig vara ett kraftfullt verktyg i den natur vetenskapliga processen, både historiskt (Gentner & Jeziorski, 1993; Nersessian, 2008) och bland samtida vetenskapsmän (Dunbar, 1995). Som vi har sett ovan kan analogier ligga till grund för utvecklingen av vetenskapliga modeller (Black, 1962). Ett framgångsrikt exempel på en historisk analogi är jämförelsen mellan (de då hypotetiska) partiklarna i en gas och biljardklot som studsar omkring på ett biljardbord, vilken låg till grund för utvecklingen av den kinetiska gasläran under 1800-talet. Genom att tänka sig partiklar som elastiska bollar utan inre struktur, vilka slumpmässigt kolliderar med varandra och väggarna i en behållare, kunde fysiker som Maxwell resonera sig fram till hur deras rörelser och hastigheter skulle fördelas och relatera denna mikro skopiska förklaring till begrepp på den makroskopiska nivån, såsom gasens tryck och temperatur. Vetenskapsfilosofen Mary Hesse (1966) redogör för hur analogier har använts vid vetenskaplig modellering och särskiljer mellan tre kategorier av jämförelser mellan två domäner. Positiva analogier är aspekter som har god överensstämmelse mellan domänerna, medan negativa analogier är sådana där vi vet att domänerna skiljer sig åt. Mest intressant är dock kanske de neutrala analogierna, där vetenskapssamfundet ännu inte vet hur naturen är inrättad. I relation till neutrala analogier kan forskare argumentera, formulera hypoteser och designa experiment för att ta reda på hur det ligger till. De stimulerar med andra ord nyfikenhet och kreativitet. Till exempel kom ljud och ljus under 1800-talet att betraktas som analoga vågfenomen (Hesse, 1966). Positiva analogier var att ljudets tonhöjd motsvarade ljusets färg och att ljud- och ljusstyrka hade motsvarande roll i respektive domän. En utestående fråga var dock länge naturen hos det fysiska medium som ljus färdas igenom, motsvarande de partiklar som kommer i svängning av en ljudvåg. Detta var alltså en neutral analogi, som först kom att lösas då Einstein vid utvecklingen av speciella relativitetsteorin insåg att ljus kan färdas i vacuum, utan behov av ett särskilt medium, en ”eter”. © F ö r fat ta r na och S t uden t li t t e r at u r
978-91-44-09000-9_01_book.indd 19
19
2013-10-21 12:49
Jesper Haglund & Fredrik Jeppsson
Analogier används flitigt även i naturvetenskapsundervisningen, i läroböcker och vid lärares presentationer och förklaringar (Aubusson, Harrison & Ritchie, 2006; Duit, 1991) och kan bidra till elevers begreppsförståelse. Så påverkas till exempel elevers lärande om elektriska kretsar starkt av om de antingen presenteras för en analogi av kretsen som ett vattenflöde eller som en myllrande folkmassa (Gentner & Gentner, 1983). Den didaktiska forskningen har dock också kommit fram till att det inte är alldeles enkelt för elever att tolka analogier som de ställs inför. Eleverna kan undgå att se den underliggande strukturella likheten mellan domäner som kan tyckas uppenbar för lärare eller forskare (Gick & Holyoak, 1980). Om eleverna väl fastnar för någon likhet är det inte säkert att det är samma aspekt av likhet som läromedelsförfattaren eller läraren har avsett. På detta sätt är analogier ”ett tveeggat svärd” (Glynn, 1989) i undervisningen och flera olika modeller har tagits fram för hur vi som lärare bäst kan lägga oss vinn om att undvika de farligaste fallgroparna (Duit, 1991). Till exempel föreslår Glynn (1989) följande tågordning i sin modell ”Teaching with Analogies” (TWA): 1 Introducera måldomänen. Se till att eleverna är införstådda med vad det är tänkt att de ska lära sig och sätt dig in i deras förförståelse. 2 Introducera källdomänen. Presentera källdomänen ingående. Det är inte säkert att eleverna känner till den i detalj. Vet de exempelvis hur ett solsystem är inrättat enligt Newtons förklaringsmodell? 3 Uppmärksamma likheten mellan domänerna. För fram idén att domänerna är lika i något avseende. 4 Kartlägg gemensamma detaljer explicit. Det är viktigt att inte bara kasta fram idén att det nya lärostoffet på något sätt relaterar till något annat som eleverna förväntas känna till. I stället bör lärare och elever tillsammans gå igenom i detalj vad som motsvarar vad i de olika domänerna. 5 Dra slutsatser. Givet vår kännedom om källdomänen, vilka slutsatser kan vi dra om måldomänen? 6 Identifiera var analogin bryter samman. Hur långt bär analogin? Vilka aspekter i källdomänen saknar motsvarighet i måldomänen och vice versa? Vilka felaktiga slutledningar kan vi frestas att dra och bör undvika? Sådana frågor diskuteras alltför sällan i under visningen i relation till de analogier vi använder. 20
978-91-44-09000-9_01_book.indd 20
© F ö r fat ta r na och S t uden t li t t e r at u r
2013-10-21 12:49
1 Inledning
Det faktum att varje analogi bryter samman någonstans kan ses som en parallell till att alla vetenskapliga modeller lyfter fram vissa aspekter av ett fenomen men tonar ner andra. I vår undervisning kan vi sträva efter att ta fram multipla analogier, flera olika analogier som var och en betonar olika aspekter på ett sammantaget kompletterande sätt (Spiro, Feltovitch, Coulson & Anderson, 1989). Ibland är avståndet för långt mellan en måldomän, något vi vill att elever ska lära sig om, och en källdomän, som vi tar till för en analogisk jämförelse. Många elever har t.ex. svårt att förstå att ett föremål som ligger på ett bord påverkas av en uppåtverkande normalkraft. Svårigheten kan bestå i att man inte ser någon rörelse, vilket många elever (felaktigt enligt Newtons fysik) förknippar med kraft, eller någon fysisk påverkan på bordet eller föremålet (Clement, 1993). Om man parallellt presenterar situationen då man lägger föremålet på en spiralfjäder, vilken synligt trycks ihop och spjärnar tillbaka, har elever svårt att se hur den kopplar till situationen med föremålet på bordet. Analogin är för avlägsen för dem. En serie av överbryggande ana logier, som att lägga föremålet på en sviktande planka eller en skumgummi madrass, kan användas för att eleverna slutligen ska kunna föreställa sig att även bordets inre molekylära struktur ger efter en smula och sviktar tillbaka (Clement, 1993). För den som vill få konkreta undervisningstips presenterar Harrison och Coll i boken Using analogies in middle and secondary science classrooms (2008) ett antal analogier inom många olika områden inom naturveten skapen som har tagits fram för undervisning av elever i olika åldrar. Av antologins kapitel relaterar främst Roland Kjellanders och Jesper Haglunds bidrag till användningen av analogier i undervisningen. I kapitel 3 presenterar Kjellander hur man kan jämföra molekylers utbyte av energi vid kollisioner med två personer som utbyter pengar då de träffas, där han även problematiserar den i läroböcker flitigt förekommande analogin mellan entropi och oordningen i en stökig barnkammare. Haglund presenterar i kapitel 10 hur man som lärare kan låta elever och studenter skapa sina egna, självgenererade analogier för teorier och naturfenomen, utifrån exempel där fysiklärarstudenter i grupp skapade analogier för termodynamiska processer och förstaklassare representerade analogier för värme och blandning genom teckningar.
© F ö r fat ta r na och S t uden t li t t e r at u r
978-91-44-09000-9_01_book.indd 21
21
2013-10-21 12:49
Elever kan bara lära sig nya saker genom att bygga på det de redan vet och sina tidigare erfarenheter. Detta är en viktig utgångspunkt i konstruktivismen. Samtidigt är naturvetenskapen ofta abstrakt till sin karaktär. Hur kan vi som lärare skapa miljöer och situationer i naturvetenskapsundervisningen där våra elever ges möjlighet att dra nytta av sina tidigare kunskaper och inneboende resurser? Ett sätt att åstadkomma detta är att använda sig av modeller, analogier och metaforer i undervisningen. I denna antologi presenteras forskning och undervisningsexempel kring hur man kan använda modeller, analogier och metaforer, samt elevers egna representationer i undervisningen i fysik, kemi och biologi. Antologin vänder sig främst till blivande och verksamma lärare i naturvetenskap med fokus på grundskolans senare år och gymnasiet, samt lärarutbildningen i naturvetenskapliga ämnen och deras didaktik.
Art.nr 37295
| Modeller, analogier och metaforer i naturvetenskapsundervisning
Modeller, analogier och metaforer i naturvetenskapsundervisning
Fredrik Jeppsson & Jesper Haglund (red.)
Fredrik Jeppsson och Jesper Haglund (red.) är verksamma vid lärarutbildningen på Linköpings universitet. Deras doktorsavhandlingar har en inriktning mot metaforer och analogier i naturvetenskapsdidaktiken. Övriga författare är Madelen Bodin, Michal Drechsler, Niklas Gericke, Roland Kjellander, Daniel Orraryd, Carl-Johan Rundgren, Mari Stadig Degerman och Helge Strömdahl.
Modeller, analogier och metaforer i naturvetenskapsundervisning
Fredrik Jeppsson & Jesper Haglund (red.)
www.studentlitteratur.se
978-91-44-09000-9_01_coverNy.indd 1
2013-10-22 15.02