Examensarbete 30 högskolepoäng

Att hantera elevföreställningar i ellära

- en undersökning om laborativ metod

Christin Nilsson Sanna Pröjtz

Magisterexamen & Lärarexamen 270hp Examinator: Carl-Erik Magnusson Naturvetenskaplig fysik Handledare: Mats Areskoug 2010-10-14 Per-Olof Zetterberg

1

2

Sammanfattning

Vi har i denna uppsats studerat elevföreställningar i ellära och laborationens betydelse för lärandet i grundskolans senare del. Forskning av elevers föreställningar i ellära har visat att elevers förståelse kring den elektriska kretsen är begränsad, och att en laborativ metod kan vara fördelaktig att använda då man vill öka elevers förståelse kring fysikaliska fenomen. Denna uppsats bygger både på litteraturstudie samt genomförd undersökning, vilken bestod dels av en enkätundersökning och dels av intervjuer. Utifrån dessa utformades en laboration följt av en ytterliggare enkätundersökning för att kartlägga laborationens inverkan på elevernas kunskaper i ellära. Undersökningen visade att eleverna har begränsade kunskaper om ström och slutna kretsar. Resultatet visade också att det inte fanns någon generell skillnad mellan årskurs sju och nio. Undersökningen visade även att laborativ metod kan vara ett arbetssätt som till viss del kan förbättra och utveckla elevernas kunskaper kring enkla elektriska kretsar. Nyckelord: elevföreställningar, fysik, grundskola, laborativ metod, lärande

Abstract

We have in this essay, studied student performances in electromagnetics and and the importance of laboratory education in secondary school. The research of the students' performances in electromagnetics has shown that students' understanding of the electrical circuit is limited, and that a laboratory method may be advantageous to use in efforts to increase students' understanding of physical phenomena. This essay is based both on literature review and survey, which consisted of a questionnaire and interviews. Based on these a laboratory experiment was performed followed by a final survey to identify the labs impact on students' skills in electronics. The survey showed that students have limited knowledge of current and closed circuits. The results also showed that there was no overall difference between grades seven and nine. The survey also revealed that the laboratory method may be an approach that can partially improve and develop students' knowledge of simple electrical circuits. Keywords: students' misconceptions, physics, elementary school, laboratory practice, learning

3

4

Innehållsförteckning

1 Inledning .......................................................................................................................... 6

2 Syfte .................................................................................................................................. 7

3 Frågeställningar .............................................................................................................. 7

4 Lärande ............................................................................................................................ 8

4.1 Kunskap och förståelse.............................................................................................. 8 4.2 Läroteorier ................................................................................................................. 8 4.3 Lärande enligt styrdokumenten ................................................................................. 9 4.4 Lärande i naturvetenskap .......................................................................................... 9

4.4.1 Elevföreställningar .......................................................................................... 10 4.5 Laborativ metod ...................................................................................................... 11

4.5.1 Förankring i styrdokument .............................................................................. 12 4.5.2 Laborationen sett utifrån lärandeteorier .......................................................... 12 4.5.3 Laborationens utförande.................................................................................. 13 4.5.4 Det laborativa syftet ........................................................................................ 14 4.5.5 Laborationens problematik.............................................................................. 15

4.6 Att hantera elevföreställningar med laborativ metod .............................................. 17 4.7 Analogi .................................................................................................................... 17

5 Elevföreställningar i ellära ........................................................................................... 18

5.1 Vardagsföreställningar i ellära ................................................................................ 18 5.2 Modelltänkande i ellära ........................................................................................... 18 5.3 Elevföreställningar om ström .................................................................................. 20 5.4 Samband mellan ström och spänning...................................................................... 23 5.5 Att motverka föreställningar ................................................................................... 24

6 Ellära .............................................................................................................................. 26

6.1 Laddning och potential............................................................................................ 26 6.2 Ström ....................................................................................................................... 27 6.3 Den elektriska kretsen ............................................................................................. 28 6.4 Serie- och parallellkoppling .................................................................................... 29

6.4.1 Seriekoppling av komponenter........................................................................ 29 6.4.2 Parallellkoppling av komponenter .................................................................. 30

7 Metod.............................................................................................................................. 31

7.1 Urval........................................................................................................................ 31 7.2 Datainsamlingsmetoder ........................................................................................... 31 7.3 Procedur .................................................................................................................. 32

7.3.1 Enkäterna......................................................................................................... 32 7.3.1.1 Motivering till frågor i enkät ....................................................................... 33

7.3.2 Intervjuer ......................................................................................................... 34 7.3.3 Laborationen.................................................................................................... 35

7.4 Databehandling........................................................................................................ 35 7.5 Tillförlitlighet .......................................................................................................... 35

7.5.1 Tillförlitlighet i urval....................................................................................... 35 7.5.2 Tillförlitlighet i metoden ................................................................................. 36

5

7.5.2.1 Tillförlitlighet i enkäten .............................................................................. 36 7.5.2.2 Tillförlitlighet i intervjuerna........................................................................ 37

8 Motivering till laborationen ......................................................................................... 38

8.1 Station 1 - Få lampan att lysa .................................................................................. 38 8.2 Station 2 - Spänning och ström ............................................................................... 38 8.3 Station 3 – Strömmen i kretsen ............................................................................... 39 8.4 Station 4 – Lampor i serie ....................................................................................... 39 8.5 Station 5 – Parallella lampor ................................................................................... 40

9 Resultatbeskrivning ...................................................................................................... 41

9.1 Elevsvar på kunskapsfrågor i ellära ........................................................................ 41 9.1.1 Vad är ström? .................................................................................................. 41 9.1.2 Den slutna kretsen ........................................................................................... 41 9.1.3 Strömmens styrka i kretsen ............................................................................. 42 9.1.4 Seriekopplade & Parallellkopplade lampor..................................................... 43 9.1.5 Spänning.......................................................................................................... 44 9.1.6 Ström och spänning......................................................................................... 45

9.2 Skillnad i svar mellan årskurserna .......................................................................... 46 9.3 Intervjuer ................................................................................................................. 48

9.3.1 Intervju med Anna........................................................................................... 48 9.3.2 Intervju med Bella ........................................................................................... 48 9.3.3 Intervju med Calle ........................................................................................... 49 9.3.4 Intervju med Danielle...................................................................................... 49 9.3.5 Intervju med Emil............................................................................................ 50 9.3.6 Intervju med Felicia ........................................................................................ 50 9.3.7 Intervju med Gustav ........................................................................................ 51

9.4 Skillnader före och efter laborationen ..................................................................... 52 9.4.1 Vad är ström? .................................................................................................. 53 9.4.2 Den slutna kretsen ........................................................................................... 53 9.4.3 Strömmens styrka i kretsen ............................................................................. 54 9.4.4 Seriekopplade och Parallellkopplade lampor .................................................. 55 9.4.5 Ström och spänning......................................................................................... 56

9.5 Elevernas utvärdering.............................................................................................. 56

10 Analys och diskussion ................................................................................................... 57

10.1 Diskussion av resultat.............................................................................................. 57 10.2 Slutord ..................................................................................................................... 60

11 Referenser ...................................................................................................................... 61

Bilagor .................................................................................................................................... 64

Bilaga 1 - Enkät 1................................................................................................................ 66 Bilaga 2 - Enkät 2................................................................................................................ 69 Bilaga 3 - Stationslaborationer ............................................................................................ 72

6

1 Inledning

Under våra studier på lärarutbildningen har vi funnit ett gemensamt intresse för hur man bemöter elevföreställningar. Utifrån detta intresse valde vi att dels undersöka vilka föreställningar det fanns inom ellära och dels om laborationen kan vara ett arbetssätt i att arbeta mot begreppsförändring. Elektronik utgör en stor del av vår vardag med exempelvis mobiltelefoner och datorer. Det ökade tekniska samhället förutsätter en viss kunskap i ellära exempelvis vid nya elektriska installationer i hemmet. Denna magisteruppsats behandlar frågeställningar kring hur man kan behandla elevföreställningar med ett laborativt arbetssätt med inriktning mot grundskolans senare del. Uppsatsen behandlar inledningsvis pedagogikens syn på lärande och därefter hur lärande kan knytas till laborationen. Teoriavsnittet behandlar även elevers föreställningar inom ellära samt de naturvetenskapliga teorierna på samma område. Slutligen redovisas en resultatbeskrivning av vår undersökning av elevföreställningar och därefter följer en diskussion och analys av undersökningens resultat och dess betydelse för lärande. Elevföreställningar är teorier som eleverna använder för att förklara sin omvärld. Elevföreställningarna behöver inte vara kopplade direkt till skolundervisningen utan kan finnas långt innan eleverna börjar skolan. På samma sätt kan föreställningarna förändras och fortsätta existera resten av livet. Dessa "felföreställningar" överensstämmer oftast inte med de vetenskapliga teorierna. Då eleverna möter de naturvetenskapliga teorierna i skolan kan de ha svårt att ta till sig ny kunskap då den strider mot vad eleverna anser är rätt. De naturvetenskapliga teorierna anses inte alltid som så självklara för eleverna som de är för de utbildade lärarna. Elevföreställningar är därför mycket undervisningsresistenta och för att eleverna ska ändra sin begreppsuppfattning behövs ett stort arbete med att utmana deras teorier och introducera nya, vetenskapliga begrepp (Sewell, 2002). Elevföreställningar finns inom de flesta områdena i fysik och inom området ellära är källa-förbrukar-modellen en av de vanligaste modellerna. Eleverna ser ström som det primära begreppet där ström kan lagras i olika källor för att sedan förbrukas i elektriska föremål (Andersson, 2002) . Som lärare i ett naturvetenskapligt ämne kommer vi att använda och utforma laborationen i vår undervisning. Laborationer är en stor del i den naturvetenskapliga undervisningen, och att få insikt i hur laborationen kan bidra till kunskap samt hur laborationen ses ur elevernas perspektiv är en viktig del i skolutvecklingen. I denna uppsats har vi kartlagt elevernas kunskaper i ellära före och efter en laboration. Undersökningen utfördes i grundskolans senare del med inriktning på årskurs sju och nio. Syftet med undersökningen var dels att undersöka om lämpligt utformade laborationer kan vara fördelaktiga för att stärka elevernas förståelse i naturvetenskap. Tyngdpunkten i undersökningen baserades på en enkätundersökning som genomfördes både före och efter en laboration. Avsikten var att ta reda på hur laborationen påverkat elevernas kunskaper. Vi fann en klar förbättring på de frågor som laborationen behandlade, däribland kunskap om kravet på sluten krets för att ström ska flyta. Elevernas egen utvärdering av laborationen visade att majoriteten av dem ansåg sig ha ökade kunskaper i ellära.

7

2 Syfte

Syftet bakom detta arbete är att undersöka hur laborationer kan påverka elevers begreppsuppfattning. Vi vill med utgångspunkt från elevers föreställningar i ellära utforma en laboration för att kartlägga om den laborativa metoden kan vara användbar i att förbättra elevernas kunskaper. Vi vill även undersöka hur elevernas kunskaper i ellära utvecklas under högstadiet.

3 Frågeställningar

• Vilka elevföreställningar finns inom ämnesområdet ellära bland elever i grundskolans senare del?

Den forskning som vi tagit del av under våra studier vid lärarutbildningen är daterad från 1970 till slutet av 80-talet där nyare forskningsrön är sällsynta. Är forskningen från 80-talet fortfarande giltig? Kan vi hitta tendenser hos eleverna att sådana elevföreställningar fortfarande finns?

• Hur skiljer sig elevers kunskaper inom ellära mellan årskurs 7 och årskurs 9?

Vi vill jämföra elevernas kunskaper från 7:e till 9:e klass för att se om elevföreställningarna förändras med åren.

• Kan en laboration skapad utifrån elevföreställningar öka elevernas kunskaper i ellära?

Laborationer kan konstrueras på flera olika sätt för att förmedla rätt kunskap. Laborationen som vi utformar bygger på resultatet av den första enkätundersökningen som genomförs enligt ett konstruktivistiskt synsätt.

8

4 Lärande

Ord som kunskap och förståelse är svårdefinierade begrepp som är starkt förknippade med lärande. Lärande sker ständigt runtomkring oss och därmed inte begränsad till skolans värld. Dock associeras framförallt skolan som den plats där man förväntas lära sig bestående kunskap för livet. Inom pedagogiken, läran om hur man lär sig, finns ingen entydig teori för hur lärande och inlärning på bästa sätt ska ske utan pedagogiken grundar sig på ett flertal teorier utvecklade av pedagoger såsom Piaget och Vygotskij. Utifrån dessa teorier kan lärare inspireras för att ge elever bestående kunskap och förståelse av omvärlden.

4.1 Kunskap och förståelse

Kunskap är svårdefinierat och abstrakt då det kan ha olika betydelse för olika människor i olika situationer. I Läroplanen för den obligatoriska skolverksamheten 94 utrycks begreppet kunskap utifrån fyra former: fakta, förståelse, förtrogenhet och färdighet (Skolverket, 2006c). Dessa olika former av lärande är beroende av varandra och samspelar vid kunskaps-inhämtning. Beroende på hur man ser kunskap finns det olika sätt att tillgodogöra sig kunskapen, att lära sig. Fakta som telefonnummer kan man memorera medan färdigheten att kunna cykla är något man tränar upp. För att kunskapen på bästa sätt skall kunna bidra till ett ökat lärande krävs en relevant och varaktig förståelse hos den som lär sig (Newton, 2003). Med förståelse kan man lättare och snabbare ta till sig ny kunskap och behålla den (Ibid.). Även flexibiliteten att använda kunskapen i olika situationer främjas av förståelse (Ibid.). Förståelse kan enkelt förklaras som att veta svaret på frågan varför? och eftersträvas för att det underlättar lärandet. Därför ses förståelse oftast som mer beständig än ren faktakunskap (Ibid.).

4.2 Läroteorier

Skolundervisningen har på senare år i huvudsak präglats av två pedagogiska synsätt, det socialkonstruktivistiska- och det konstruktivistiska synsättet. Pedagogen Piagets läroteori är av kognitiv art och innebär att eleverna skapar sig egna uppfattningar och förståelse av omgivningen, utan samverkan med andra (Evenshaug & Hallen, 2001). Därför kan läraren inte överföra den egna förståelsen till eleven utan denna kunskap är individuellt inlärd. Piagets läroteori bygger på att jämvikt råder mellan samspel och anpassning till omgivningen där kunskap konstrueras genom två processer; assimilation, där eleven anpassar omgivningen efter sig själv och ackommodation där eleven anpassar sig själv efter omgivningen. Enligt Evenshaug & Hallen (2001) är Piagets teori uppbyggd kring att kunskapsbyggandet hos barn utgörs av en aktiv process. Barnen bygger sig egen kunskap och deras intellektuella utveckling till lärande bygger på mentala scheman som ligger till grund för det barnen tänker och handlar i olika situationer (Ibid.). Evenshaug & Hallen (2001) menar att alla barn går igenom samma stadier i sin intellektuella utveckling, oberoende av förutsättningar och bakgrund, och att föregående stadium inkluderas i nästkommande. Däremot kan man inte forcera utvecklingen av lärandet utan eleven måste ha uppnått ett visst stadium för att kunna tillägna sig viss kunskap. (Ibid.) Vygotskijs syn på lärande påminner om den konstruktivistiska synen på inlärning och utveckling med en kognitiv inriktning likt Piagets läroteori (Evenshaug & Hallen, 2001). Vygotskij menar att lärande hos eleverna beror på deras förmåga till sociala interaktioner och

9

samspel med omgivningen. Genom socialisation anser Vygotskij att eleven utvecklar sina mentala funktioner (Ibid.). Till skillnad från Piagets läroteori, där lärandet beror på den enskilde eleven, menar Vygotskij att lärandet sker i samspel med andra. Lärandet sker inledningsvis i samarbete med andra, för att sedan utvecklas från socialt till individuellt lärande. Ett led i den sociala kunskapsutvecklingen definieras som den proximala utvecklingszonen. Den proximala utvecklingszonen är en kognitiv nivå som individen endast kan nå med utomstående hjälp (Ibid.). Evenshaug & Hallen (2001) menar att eleven på så sätt kan anta utmaningar som hade varit för svåra att klara själv men som med hjälp utifrån kan klaras. Slutsatsen av Vygotskijs teorier enligt Evenshaug & Hallen (2001) är att lärandet är sociokulturellt beroende och därför inte lika för alla. Skillnaden mellan Piagets och Vygotskijs teorier ligger i deras syn på inlärning och utveckling. Enligt Piaget kommer utvecklingen innan inlärningen och utvecklingen sker oberoende av inlärningen. Vygotskij ansåg däremot att inlärning och utveckling är starkt beroende av varandra och alltid sker tillsammans (Dysthe, 1996). Dysthe formulerar det som att: ” Vygotskij hade […]en dialektisk syn på utvecklingen [och menade att] man kan inte lära sig utan att utvecklas och man kan inte utvecklas utan att lära sig” (Dysthe, 1996 s. 54). Ur undervisningssynpunkt skiljer sig Piaget och Vygotskij tankar åt. I den konstruktivistiska undervisningen är det eleven som efter egen förmåga söker ny kunskap, medan eleven enligt det sociokonstruktivistiska synen lär sig gemensamt och läraren kan verka genom den proximala utvecklingszonen (Evenshaug & Hallen, 2001). Piaget och Vygotskij hade på så sätt olika tankar om hur läraren skulle praktisera sin utlärning (Ibid.).

4.3 Lärande enligt styrdokumenten

För att elever ska kunna tillgodogöra sig kunskap krävs det att eleverna känner sig trygga i läromiljön, och att eleverna känner sig motiverade till att lära och att kunskapen är relevant (Illeris, 2007). Kan man ta sig över, enligt Illeris (2007), den mentala tröskel som lärande innebär, kan lärande ske och man utvecklas både kunskapsmässigt och som person (Ibid.). Detta stryks enligt Lpo 94 där det uttrycks att undervisningen ska organiseras efter varje elevs förutsättning så att eleven utvecklas efter sin fulla potential, detta för att eleven ska känna att kunskapen är meningsfull (Skolverket, 2006c). I Lpo 94 uttrycks att skolan har som uppgift att ”varje elev utvecklar nyfikenhet och lust att lära” (Skolverket, 2006c, s. 9). I Lpo 94 står det att skolan skall sträva mot att varje elev ”utvecklar sitt eget sätt att lära” samt att skolan ser till olika behov och förutsättningar för den enskilda eleven. Detta stryks enligt Lpo 94 där det uttrycks att läraren skall ”organisera och genomföra arbetet så att eleven utvecklas efter sina förutsättningar och samtidigt stimuleras att använda och utveckla hela sin förmåga [samt att eleven] upplever att kunskap är meningsfullt och att den egna kunskapsutvecklingen går framåt”. (Skolverket 2006c, s. 14). I den naturvetenskapliga undervisningen är det av vikt att läraren ger eleven möjlighet att prova, utforska samt gestalta olika kunskaper och erfarenheter för att på bästa sätt främja det individuella lärandet.

4.4 Lärande i naturvetenskap

Att lära sig förståelse inom det naturvetenskapliga undervisningsområdet skiljer sig från andra områden. Inom den naturvetenskapliga undervisningen finns ett flertal olika didaktiska metoder. Den amerikanska psykologen Bruner (1960) menar att man kan effektivisera elevernas lärande i alla ämnen oavsett i vilket utvecklingsstadium eleverna befinner sig

10

(Bruner, 1960). Genom att hitta rätt kunskapsnivå och rätt metod kan elever enligt Bruner ta till sig ny kunskap oavsett ämne. Om eleven kan hitta generella strukturer i ämnet menar Bruner att eleverna kan maximera sin förståelse kring hur saker och ting hänger ihop, inom t ex fysik (Ibid.). Likt en spiral där varje utvecklingsnivå är anpassad efter elevens kunskapsstadium kan elevernas tidigare kunskaper appliceras på ny information och kunskapen utökas. Naturvetenskap är en empirisk vetenskap där experiment är en del av ämnets utveckling. Detta arbetssätt återfinns även inom undervisningen med laborationer och hypotetisk-deduktiv metod, där genomförandet består av hypotesformande, verifierande experiment och slutligen resultatdiskussion (Imsen, 2000). Bruner (1974) hävdar att det naturvetenskapliga lärandet och tänkandet sker genom ”learning by discovery” med t ex hypotetisk-deduktivmetod (Bruner, 1974). Bruner menar att denna inlärningsmetod bygger på elevernas inre motivation och är att föredra framför mer påtvingat lärande (Ibid.). Om eleverna själva får experimentera anser Bruner att det är större sannolikhet att kunskapen fastnar i elevernas egna tankestrukturer. Denna typ av inlärning är fundamental inom laborativ metod och löser mycket av problematiken när elever påstår att de inte förstår specifika fenomen. Genom att applicera teorin praktiskt där eleverna får vara kreativa överges en teoretisk naturvetenskaplig undervisning där mekanisk inlärning hämmar elevens naturvetenskapliga förståelse (Ibid.). Även liknande tankar återfinns hos aktivitetspedagogen Dewey och hans uttryck ”learning by doing” (Imsen, 2000).

4.4.1 Elevföreställningar

Då barn inleder sin skolgång har de redan utvecklat egna förklaringar på fenomen i deras vardag. I de fall där barnens förklaringar inte överensstämmer med vetenskaplig kunskap benämns dessa som elevföreställningar eller missuppfattningar i det aktuella ämnet (Tytler, 2002). Forskning på området elevföreställningar i naturvetenskap visar att dessa föreställningar finns oberoende elevernas geografiska och kulturella bakgrund. Forskningen visar också att elevföreställningar ter sig svåröverkomliga och verkar som ett hinder mot lärande (Ibid.). Lärare missar ofta att kartlägga elevers förkunskaper i ämnet, vilket resulterar i att eleverna inte tillgodogör sig ny kunskap (Sewell, 2002). En förutsättning för att eleverna ska tillgodogöra sig ny kunskap är att de har motivation till lärande då ett nytt ämnesområde presenteras. Konstruktivism innebär att eleverna lär sig baserat på sin egen förkunskap och erfarenheter samt hur de tar till sig och behandlar den nya informationen (Ibid.). I de fall då eleverna besitter missuppfattningar i ämnet är risken stor att den nya informationen inte konkurrerar ut den befintliga missuppfattningen. Resultatet blir att elevernas kunskaper fortsätter byggas på missuppfattningar och att dessa består. För att eleverna skall kunna bygga vidare på sin kunskap och förståelse i ett ämne underlättas det om elevernas förkunskaper följer ett naturvetenskapligt tänkande (Ibid.). I de fall då eleverna presenteras ny information som konkurrerar med missuppfattningar finns fyra möjligheter för eleven att hantera den nya informationen (Sewell, 2002). Den första innebär att eleven ersätter gammal kunskap med ny. Denna kunskap kan antingen förbli beständig eller existera under en kort tid, exempelvis inför ett prov. I det fall då kunskapen endast är temporär blir denna sorts inlärning en innantill och tillfällig inlärning där eleverna i slutändan inte lär sig något. Den aktuella missuppfattningen i ämnet försvinner inte utan återuppstår då eleven lämnar ämnesområdet bakom sig, detta oavsett om kunskapen baseras på teoretisk eller praktisk undervisning (Ibid.). Den andra möjligheten är att eleven

11

modifierar den gamla kunskapen till fördel för den nya och detta sker endast då den gamla kunskapen inte passar ihop med den nya. Detta alternativ kan ske under en kort tidsfrist, exempelvis inför en tentamen, men överges sedan till förmån för den gamla felaktiga kunskapen. Den tredje möjligheten är liknande ovanstående, men där eleven modifierar ny kunskap så den passar med den gamla. Detta innebär i sin tur att redan existerande missuppfattningar i ämnet förstärks av ny information. Det sista alternativet innebär att eleven helt ignorerar ny information då denna konkurrerar för hårt med det eleven redan vet. Detta alternativ innebär i sin tur att eleven inte lär sig något (Ibid.). Elevernas förkunskaper ligger alltså till grund för hur och om ny kunskap konstrueras. Huruvida lärandet sker beror också på om eleverna besitter motivation och är öppna för att förändra eventuella missuppfattningar som de redan har i ämnet (Sewell, 2002). I de fall då lärande ändå inte sker kopplas oftast elevens intelligens till problematiken till ofullständigt lärande även om det i verklighet endast beror på att eleven besitter ett motstånd till lärande. Elever som på bästa sätt tillgodogör sig ny kunskap innehar oftast ett fåtal missuppfattningar som är lättare att modifiera (Ibid.). Majoriteten av eleverna tillhör den grupp vars missuppfattningar är svåra att förändra eller radera. Elevernas felaktiga förkunskaper och tankar kring ett ämne tas inte på allvar och istället för att ta itu med dem ignoreras de. Konstruktivismen menar istället att det är dessa missuppfattningar som undervisningen skall baseras på innan ny kunskap och information presenteras. För att hämma eller radera de missuppfattningar som elever har krävs att eleverna får korrekt kunskap presenterad från början (Sewell, 2002). Problematiken, i framförallt naturvetenskap, är dock att lärare i de tidiga åldrarna inte alltid besitter kunskap eller utbildning för att göra ämnet rättvisa Risken finns då att lärarens eventuella missuppfattningar överförs till eleverna. Resultatet blir då att eleverna inte ges en rättvis chans att lära sig. Forskning visar också att läroböcker innehåller missuppfattningar (Shapiro, 1989 refererad i Sewell, 2002). I de fall då läraren inte innehar tillräcklig kunskap i ämnet blir resultatet att undervisningen bidrar till missuppfattningar istället för en korrekt grund för kunskap och förståelse (Sewell, 2002). Det gäller också att vi som lärare är lyhörda med vad eleverna redan vet om ämnet. På så sätt kan undervisningen planeras utifrån elevernas förkunskaper. För att förenkla övergången från felaktig och korrekt kunskap är det till fördel att sätta dem mot varandra för att eleverna skall kunna jämföra rätt mot fel (Ibid.). Ytterligare är det till fördel att möta elevens missuppfattning med en motsägelse som inte överensstämmer med elevens befintliga kunskap. Eleven tar på så sätt åt sig ny information om den befintliga kunskapen misslyckas i att förklara det eleven ser och upplever. Elever och människor i allmänhet strävar efter att kunna förstå och förklara sin omvärld för att på bästa sätt klara sig. Därför gäller det att den nya kunskapen anses vara relevant för eleven själv.

4.5 Laborativ metod

Praktiska moment, såsom laborationer, är en central del i den naturvetenskapliga undervisningen. En laboration definieras enligt Svenska Akademins ordbok som att utföra praktiska vetenskapliga experiment (Svenska Akademin, 2010). Syftena med laborationsundervisningen är flera och har varierat under århundraden. Under början av 1900-talet användes laborationer som ett verktyg för att demonstrera och verifiera olika naturvetenskapliga fenomen, men redan under 1800-talet kunde man konstatera att laborativa inslag i undervisningen gav eleverna möjlighet att dra slutsatser om naturens principer (Lunetta 1998). Sedan slutet av 1900-talet har syftet med laborationer övergått till att

12

fokusera på att förbättra elevers kunskaper och förståelse i den naturvetenskapliga undervisningen. Den laborativa metoden har även utvecklats till förmån för mer undersökande och hypotesverifierande undervisning (Ekstig, 1990).

4.5.1 Förankring i styrdokument

Skolverket menar att experimentella metoder skall genomsyra den naturvetenskapliga undervisningen. (Skolverket, 2000b). Man kan även i kursplaner i fysik för grundskolan läsa att skolan i sin undervisning skall sträva mot att eleven ”utvecklar kunskap om den fysikaliska vetenskapens kunskapsbildande metoder, särskilt vad gäller formulering av hypoteser samt mätningar, observationer och experiment” samt ”ha inblick i hur experiment utformas och analyseras utifrån teorier och modeller” (Skolverket, 2000a). För att även knyta an styrdokumenten till den laborativa metoden kan man i Lpo 94 läsa att skolan ska sträva efter att varje elev ”lär sig att lyssna, diskutera, argumentera och använda sina kunskaper som redskap för att formulera och pröva antaganden och lösa problem” (Skolverket 2006c, s. 10)

4.5.2 Laborationen sett utifrån lärandeteorier

Sett utifrån konstruktivismen kan både assimilativt och ackommodativt lärande ske beroende på laborationens utformning. Det eleven upplever under laborationen kan antingen förklaras med den kunskap eleven har eller utmana det eleven tror sig veta. För att man ska genomgå en begreppsmässig förändring, enligt konstruktivismen, måste man hamna i en konflikt där ens egen föreställning inte fungerar. För att man ska ta till sig det nya begreppet måste det vara begripligt, trovärdigt och mer användbart än den gamla föreställningen (Ekstig, 1990). Lärandet enligt Vygotskij äger rum i samarbete med andra och kan sedan utvecklas från socialt lärande till individuellt. Att prata, diskutera och ventilera med andra är enligt Vygotskij en del av inlärningsprocessen ur ett sociokulturellt perspektiv (Illeris, 2007). En laboration är en social situation då man får tillfälle att ventilera och diskutera med de andra eleverna (Ibid.). Under en laboration påverkas eleven av flera intryck, men det är inte förrän eleven har satt sina egna ord på den nya kunskapen som en begreppsmässig förändring sker (Ekstig, 1990). Att med egna ord förklara teorin och det som upplevts under experimentet kan vara ett led i ökad kunskap och för att göra kunskapen till sin egen (Ibid.). Gunstone & Champagne (enl. Hofstein & Lunetta, 2002) hävdar att meningsfullt lärande kan ske om eleven får tid och tillfälle att reflektera över laborationens centrala delar med fokus på de metakognitiva förmågorna. Eleverna ska uppmuntras att utveckla och tillämpa den egna kunskapen så att eleven tar kontroll över den egna läroprocessen. Gunstone & Champagne menar att det inte räcker att bara utföra laborationer enligt handledning. Eleverna bör inte bara vara hands-on utan även minds-on (Ibid.). Först då kan begreppsförändringar ske (Ibid.) Enligt konstruktivismen är det eleverna som själva konstruerar sin kunskap utifrån egna erfarenheter och genom att lösa genuina och meningsfulla problem. Lärandet är därför en aktiv process som är kontextberoende. Dock är enbart laboration inte tillräcklig för att bygga komplex begreppsförståelse utan måste kompletteras med t ex analogier och begreppskartor (Van den Berg et al, refererad i Hofstein och Lunetta, 2002).

13

4.5.3 Laborationens utförande

Laborationer kan byggas på olika metoder beroende på laborationens arbetsgång. Två olika arbetssätt är det deduktiva och det induktiva upplägget. Den deduktiva metoden innebär att man utifrån en princip eller regel skapar en förutsägelse som sedan verifieras genom ett experiment (Ekstig 1990). Med en induktiv laborationsmetod utgår man ifrån praktiska försök och kommer utifrån försökets resultat fram till en teori eller princip (Ekstig 1990). Ekstig beskriver laborationen som en cykel, experimentcykel, där eleven går igenom olika faser (se Figur 1).

Figur. 1:. Experimentcykel (efter Ekstig, 1990)

Beroende på metoden som används börjar man på olika platser i cykeln. Utför man en deduktiv laboration utgår man ifrån teorin och bekräftar den med ett experiment medan en induktiv metod utgår ifrån observationen. För att en laborativ metod skall kunna förmedla förståelse och på så sätt lärande på bästa möjliga sätt menar Björn Andersson (1989) att det krävs att den laborativa metoden struktureras. Detta kan göras genom att låta eleverna strukturera upp ett problem, välja en experimentell undersökningsmetod och sedan utifrån givna tankemodeller och förklaringsmodeller tolka resultatet. Ett sätt att klassificera olika laborationer är att utgå ifrån antalet frihetsgrader som laborationen har (Andersson 1989; Ekstig, 1990). Antalet frihetsgrader är baserat på om frågeställningen, genomförandet och svaret är öppet eller givet. Den första frihetsgraden symboliserar de laborationer där läraren själv bestämmer problemet och upplägget av laborationen. Eleverna följer en laborationshandledning men tolkar själva resultatet. Om läraren istället presenterar ett problem för eleverna och där eleverna sedan får välja en egen undersökningsmetod och tolka resultatet talar man om en laboration med två frihetsgrader. En laboration med tre frihetsgrader är då eleverna helt och hållet styr, från start till mål. Eleverna får själva besluta vad de vill undersöka, hur de vill undersöka det och sedan diskutera och tolka resultatet (Ibid.). Enligt Lunetta (1998) bör en laboration innehålla moment där man testar och tolkar olika teorier och modeller. Eleverna bör kunna jämföra olika förklaringsmodeller mot varandra så att eleverna själva kan dra slutsatser och göra analyser (Ibid.). Lunetta anser att en laboration generellt kan delas in i fyra faser och för att få en bra laboration bör den innehålla samtliga faser (Ibid.). De fyra faserna är planeringsfasen, genomförandefasen, analysfasen och återkopplingsfasen. I den första fasen, planeringen, formulerar man frågeställningar och hypoteser. Man planerar utförandet och gör förutsägelser inför försöket. I genomförande- fasen observerar och samlar man in data och sedan följer analysfasen där man sammanställer och tolkar materialet. I sista fasen, återkopplingen, formuleras nya hypoteser och tankar kring

14

hur den nya kunskapen kan användas (Ibid.). Dessa faser ger eleven möjlighet till formulering av frågeställning, undersökning, resultatdiskussion samt reflektion till om principen kan appliceras i nya situationer. Fördelen med det deduktiva upplägget är att det följer en röd tråd i undervisningen där läraren styr vilken väg eleverna skall ta, vilket kan spara tid (Ekstig, 1990). Samtidigt är den negativa aspekten av metoden den att läraren riskerar utveckla en mekanisk inlärning där eleverna fungerar som en informationscentral utan förståelse. Man förlorar också möjligheten för eleverna att utöka den egna kreativa, laborativa förståelsen eftersom undervisningen helt och hållet styrs av läraren och eleverna riskerar därför sitta likgiltiga och på så sätt saknar deltagande i undervisningen (Ibid.). Till skillnad ifrån den deduktiva metoden kan den induktiva vara mer tidskrävande och hämma inlärningen hos de elever som saknar fundamentala kunskaps- och förståelsenivåer som krävs för att kunna genomföra laborationen. Samtidigt är denna metod som skapad för läraren att undersöka på vilken begreppsnivå som eleverna ligger baserat på elevernas dialog med läraren (Ibid.)

4.5.4 Det laborativa syftet

Laboration som del i undervisningen kan ledas tillbaka till början av 1800-talet då laborationen hjälpte eleverna att se vetenskapen i demonstrationer (Lunetta, 1998). Runt mitten av 1900-talet användes laboration för att illustrera och bevisa den teori som lärarna och läroböckerna stod för. Denna form av laboration har fortfarande en stor plats i dagens utbildning eftersom den enligt Lunetta är både pedagogiskt och retoriskt väl motiverat (Ibid.). Under 70-talet gjordes framsteg på det pedagogiska och didaktiska planet, vilket ökade insikten av hur lärande går till. Detta resulterade i ett ifrågasättande av laboration som undervisningsform då undersökningar visat att eleverna inte uppnådde kunskapsmålen genom den laborativa arbetsmetoden (Ibid.). På senare år har laborationsmetoden utvecklats mot att sätta processen i fokus med begreppsbildning som en viktig del i lärandet(Ibid.). Detta har i sin tur bidragit till en förflyttning ifrån lärarledda laborationer mot mer självständiga och undersökande laborationer som av Hofstein & Lunetta (2002) anses som mer meningsfulla. Därmed har elevernas ansvar ökat på så sätt att de själva får ställa upp frågeställningar och bestämma metoder för undersökningarna (Lunetta, 1998). Syftet med laborationer har i mångt och mycket varit detsamma under de senaste århundraden. Man vill engagera eleverna och ge dem en möjlighet att se de olika fenomenen i naturvetenskapen (Newton, 2003). Man kan enligt Börje Ekstig (1990) peka på fyra skäl till att laborationer ska vara en del av undervisningen:

1. Naturvetenskap är i många fall ett komplext och abstrakt ämne och många begrepp kan bara förstås om man får se och uppleva fenomenet.

2. Laborativt arbete är ett naturvetenskapligt arbetssätt med principer och metoder som kan tillämpas inom flera områden.

3. Laborationens praktiska moment utvecklar användbara färdigheter, så som att kunna avläsa instrument, hantera datorsimuleringar mm.

4. En laboration är ett social och praktiskt arbete som elever oftast uppskattar. Det blir en brytning ifrån det mer teoretiska arbetet (Ibid.).

Liknade syften återfinns i en undersökning utförd av det europeiska undersökningsprojektet Labwork in Science Education där Welzel et. al. (1998) har undersökt vilka syften europeiska lärare har med laborationerna i sin undervisning. Resultatet av undersökningen visar att

15

syften som att koppla teori till praktik, lära sig att utföra ett experiment samt att lära sig metoder för naturvetenskapligt tänkande rankades högt. Man fann att lärare ifrån olika undervisningsstadier och olika ämneskategorier prioriterade olika mål. Lärarna för de lägre stadierna prioriterade samarbete och förstärkning av elevens självkänsla. Biologilärare på högre stadier tyckte att det viktigaste syftet var att lära sig naturvetenskapliga tankesätt medan fysiklärare på samma stadium rankade syftet att koppla teorin till praktiken högst (Welzel et al., 1998). Undersökningen behandlar även lärarnas syn på hur laborationen ska utformas så att målen med laborationen och undervisningen uppfylls. Mest fördelaktigt ansågs vara laborationer där eleverna själva har stor frihet att utforma laborationen, följt av öppna laborationer. Starkt styrda laborationer och demonstrationer ansågs mindre fördelaktiga i sammanhanget (Ibid.). Newton (2003) menar att om syftet med undervisningen är att eleven ska påvisa ett fenomen eller ett begrepp är det till fördel att låta eleven utföra en egen undersökning genom laborativ metod. Detta menar Newton kan utveckla kunskap och förståelse såväl medvetet som omedvetet (Ibid.). Vidare hävdar Newton att det inte är tillräckligt att introducera en frågeställning om eleverna inte har tillräckligt med relevant kunskap eftersom eleverna når bästa förståelse genom att kunna göra kopplingar mellan tidigare och ny kunskap. Därför är laborationen bara en del av undervisningen som sedan kan byggas på med analyser av mönster och samband med tidigare observationer (Newton, 2003). Med laborationer i undervisningen uppmuntrar man även andra kvalitéer såsom att kritiskt förhålla sig till omvärlden (Wickman, 2002). Laborationen ger också metoder för att söka kunskap vilket kan appliceras i andra sammanhang (Ibid.). Vidare menar Wickman att laborativa arbetsmetoder är av konkret art där eleven kan observera naturvetenskapliga fenomen och i sin tur kanske kan öka förståelsen (Ibid.). Enligt Sjøberg (2000) kan laborationen i skolan användas i flera olika syften. Laborationen kan ha som syfte att härleda lagar och samband eller bekräfta redan kända lagar och teorier. I vissa experiment kan man även försöka återskapa ett historiskt försök. Utifrån detta hoppas man på så sätt att eleverna genom laborationen kopplar teorin till praktiken i hopp om ökad förståelse (Sjøberg, 2000). Ser man till dessa olika syften finns det både för och nackdelar. I de försök där eleven förväntas härleda och se samband är försöken ofta generaliserade och tillrättalagda så att eleverna drar de slutsatser som försöket syftar till. Att försöken är enkla och att de alltid ger ett förväntat resultat menar Sjøberg kan ge en felaktig och förvriden bild av hur verkliga försök och vetenskaplig forskning bedrivs (Ibid.). Enligt Sjøberg är ett av de vanligaste genomförandena av en laboration att bekräfta att en teori stämmer, med andra ord ett ytterligare led i att försäkra eleverna att teorin stämmer. Man ser det som en pedagogisk förstärkning av läromaterialet i hopp om att eleverna lättare kommer ihåg teorin samt att utifrån flera perspektiv vill visa på att en teori fungerar teoretiskt, matematiskt och praktiskt (Ibid.).

4.5.5 Laborationens problematik

En problematik inom naturvetenskapen är att elevernas främsta mål med en laboration tycks vara att följa givna instruktioner, applicera det på en given experimentuppställning för att sedan få fram det svar som läraren förväntas av dem (Lunetta, 1998). Ekstig (1990) menar att det oftast saknar återknytning i den laborativa undervisningen, vilket resulterar i att eleverna förlorar möjligheter att diskuterar resultatet av laborationen och eventuella frågeställningar. Detta skapar i sin tur en avsaknad av sammanhang där det lätt kan uppstå brister i kopplingen

16

mellan mål, teori och praktik (Ekstig, 1990). Wickman talar också om laborationernas moment 22; ”[l]aborationerna förväntas hjälpa eleverna att se allmänna principer. Men eftersom eleverna behöver just de allmänna principerna för att förstå de praktiska upplevelserna, så ser eleverna bara en samling lösa fakta”(Wickman, 2002 s 99). Wickman hävdar att det som skulle kunna binda ihop den samling lösa fakta som framkommer i försöken är de teorier som eleverna förväntas upptäcka genom laborationen, vilket blir en verklig paradox. Lärare undviker detta genom att laboration blir till att följa ett recept och eleverna får ingen möjlighet att analysera och diskutera hypoteser (Lunetta, 1998). Ytterligare ett problem med att ge eleverna större frihet kan leda till att elevens ansvar blir för stort och eleven vet inte vad den ska göra eller observera (Wickman 2002). Eleverna blir enligt Wickman (2002) hjälplösa. Dimenäs och Haraldsson (1996) talar i Undervisning i naturvetenskap om elevaktivt arbetssätt och på vilket sätt en lärare behöver organisera sin undervisning för att motivera eleverna att uppnå de mål som förväntas av dem. Författarna menar att lärarna i sin undervisning bör sträva mot att skapa jämvikt mellan det praktiska utförandet av laborationer och reflekterandet (Dimenäs och Haraldsson, 1996). Vidare påstår de att en av lärarens främsta uppgift är att arrangera sin undervisning på sådant sätt att eleverna blir motiverade till att lära, vilket kan förmedlas genom undersökande metoder som i sin tur bidrar till att eleverna försätts i situationer där de kan reflektera över den egna kunskapen och slutligen dessutom kunna beskriva och bedöma den (Ibid.). Enligt Psillos & Niedderer (2002) finns det i forskarvärlden en övertygelse om laborationens värde som undervisningsmetod, men det finns även en tveksamhet mot hur effektiv laborationen är för att förmedla förståelse i naturvetenskap. För att få förståelse för naturvetenskapen krävs att eleverna får förståelse för naturvetenskapliga modeller och begrepp samt kunskap om den naturvetenskapliga processen (Psillos & Niedderer, 2002) . De menar att laborationers effektivitet kan delas in i två kategorier; hur effektiva eleverna är under själva laborationen, så kallad hands-on tid, och hur effektiv laborationen är som kunskapsförmedling i förhållande till laborationens mål. Det svåra i bedömningen är att skilja på vilken kunskap eleverna får till följd av laborationen och den kunskap som eleverna lär sig på andra sätt (Ibid.). En ytterligare problematik är att elevernas främsta mål med en laboration är att följa givna instruktioner, applicera det på en given experimentuppställning och sedan få fram det svar som läraren förväntas av dem (Lunetta, 1998). Ekstig (1990) menar att det oftast saknas återknytning i den laborativa undervisningen, vilket resulterar i att eleverna förlorar möjligheter att diskutera resultatet av laborationen och eventuella frågeställningar. Detta skapar i sin tur en avsaknad av sammanhang där det lätt kan uppstå brister i kopplingen mellan mål, teori och praktik (Ekstig, 1990). Lunetta (1998) är också kritisk mot det laborativa arbetssättet och anser att eleverna ofta missar sambandet mellan varför man gör laboration och teorin bakom, "…[t]o many student, a "lab" means manipulating equipment but not manipulating ideas" (Lunetta, 1998 s 250) . Även Dimenäs & Haraldsson (1996) tycker att det läggs för mycket tid på själva utförandet och för lite tid på att reflektera. Han anser att det är upp till läraren att hitta en bra balans mellan dessa och att laborationerna bör ha ett meningsfullt innehåll sett ur elevernas perspektiv (Dimenäs, 1996). Enligt en undersökning av Bisdikian et.al. (enl. Psillos & Niedderer, 2002) ifrågasatte man om eleverna använde sin kunskap i fysik när de laborerade. Man fann då att eleverna under laborationen inte använde sig av de teoretiska förklaringar som läraren eller läroböckerna stod för. Istället använde eleverna sig av alternativa förklaringar. Den andra tendensen de fann var att största

17

delen av laborationstiden dominerades av praktiskt utförande, vilket bidrog till att tiden eleverna lade på att relatera teorin till experimentet blev förhållandevis liten (Ibid.).

4.6 Att hantera elevföreställningar med laborativ metod

En problematik man ofta möter inom naturvetenskapen är att elever ofta har svårt att föreställa sig saker som inte syns (Thorén, 1999). För de yngre barnen kan det handla om simpla ting som vad luft är. De upplever att det blåser och att vi andas in luften, men att det dessutom finns vatten i luften eller att det finns luft i en tom flaska anser de som egendomligt och svårförståeligt. Thorén menar att lärandet i dessa situationer kan bearbetas med laborativ metod där man gör osynliga fenomen synliga, vilket hjälper eleverna att associera till konkreta bilder (Ibid.). Genom att införa denna metod i tidig undervisning hävdar Thorén att eleverna övar upp sin förmåga att observera och på så sätt se såväl likheter som skillnader i ett naturvetenskapligt sammanhang. Att ställa hypoteser, utföra en laboration och få svar på en frågeställning menar Thorén inte bara stärker elevernas arbetssätt utan även deras förmåga att utvärdera förklaringar som de hade innan laborationens början (Ibid.). Laborativa metoder är också fördelaktiga att använda för att utrota elevföreställningar som har uppkommit. Björn Andersson (1989) har i en undersökning bland 14-åringar undersökt hur en laborativ metod kan vara till förmån för att häva elevföreställningar. Eleverna fick fyra olika bilder presenterade för sig om hur strömmen i en enkel elektrisk krets med en lampa skulle kunna flöda. Syftet med undersökningen var att eleverna inledningsvis skulle skapa sig en tankemodell och vad de trodde skulle ske och sedan undersöka detta praktiskt. Efter genomförandet visade det sig att laborationen hävde majoriteten av de elevföreställningar som fanns, däribland att strömmen är olika på vardera sidan lampan (Andersson, 1989). I undersökningen av Björn Andersson kan man lätt se hur laborativ metod kan minimera elevföreställningar, då flera naturvetenskapliga fenomen går att bevisa experimentellt. Att låta elever utforska sina tankemodeller med laborationer är ett sätt att uppmuntra till diskussion för att hitta ett sammanhang som fungerar. Att ge eleverna möjlighet att skapa analogier för bättre förståelse kan även häva missuppfattningar och istället utveckla elevernas förklaringsmodeller. På så sätt kan eleverna utnyttja detta som bas för förståelse och applicera detta på fenomen som de upplever som svårbegripliga. Att låta eleverna resonera sig fram till de rätta förklaringarna skapar möjlighet för läraren att utveckla en dialog med eleverna och på så sätt uppmuntra till initiativtagande och att eleverna undersöker sina modeller genom laboration (Ibid.).

4.7 Analogi

För att underlätta den naturvetenskapliga förståelsen hos eleverna kan man med fördel introducera analogier. Genom att låta eleverna utveckla liknelser med begrepp eller situationer som de förstår, kan eleverna sedan applicera liknelsen på de delar i naturvetenskapen som de anser är svårbegripliga. Newton (2003) beskriver analogin som ett verktyg där man med parallell situation hjälper resonerandet kring en annan situation (Newton, 2003). Analogin förutsätter dock att eleverna har vissa förkunskaper om fenomenet i fråga för att kunna skapa en analogisk modell. Förutom att förståelse och resonemang förbättras vid införandet av analogier så menar Newton även att det kan minska bearbetningsprocessen och ge nya perspektiv på naturvetenskapliga fenomen. (Ibid.) Problemet med analogier är att de inte är kompletta utan fungerar bara i vissa liknelser. Analogier kräver också att eleven ser en parallell mellan analogin och målet, vilket inte alltid är fallet. Risken med analogier är att det aldrig är perfekta utan kan dras för långt så att felaktigheter uppstår (Ibid.).

18

5 Elevföreställningar i ellära

5.1 Vardagsföreställningar i ellära

I det dagliga vardagslivet omges vi ständigt av elektriska apparater. Datorer, mikrovågsugnar eller lampor är alla ting som drivs med elektricitet Dessa elektriska apparater är exempel på apparatur med sladd och det ligger nära till hands att tänka sig att det överförs elektricitet ifrån vägguttaget genom sladden till apparaturen ifråga. En logisk vardagsföreställning skulle då kunna vara att strömmen eller elektriciteten uppstår i en källa och förbrukas av en förbrukare. En vardaglig formulering av detta skulle kunna vara ”Slösa inte med strömmen” eller ”hur stor är strömmen i vägguttaget ”. Denna problematik inom elläran, kallad källa-förbrukarmodellen kan förklaras med att ström eller elektricitet är ett osynligt fenomen som man endast kan observera effekterna av (Andersson, 1989). I skolverksamheten medför denna ”osynlighet” att många elever har svårt att se logiken i ämnet då de inte kan relatera till vardagserfarenheter (Ibid.).

Figur 2: Elektricitet i vardagen (Andersson, 1989)

5.2 Modelltänkande i ellära

Inom naturvetenskap finns forskning som talar för ett generellt modelltänkande (Hart, 2007). Dock bidrar dessa modeller enligt Christina Hart (2007) inte till att studenten blir hjälpt till ökad förståelse, utan snarare som ett krav för att studenten skall få betyg. I dessa modeller läggs tyngdpunkten på rimlighet (passar med data), samstämmighet (överensstämmelse med andra förklaringar till liknande naturvetenskapliga fenomen), generalisering (överlåtelse), samt effekt (möjlighet att utveckla frågor, ge förutsägelser, föreslå experiment och observationer) (Gilbert et al. refererad i Hart, 2007). Hur modellen appliceras på ett problem och dess eventuella lösning står endast eleven för självt.

Forskare har funnit att det råder en rad missuppfattningar kring ämnet elektricitet, från såväl grundskola som universitet (Mazur, refererad i Hart, 2007) Detta gäller bland annat förståelsen kring spänning och ström i en enkel elektrisk krets. Det råder en problematik till vilket modelltänkande som är att föredra för att förbättra elevernas förståelse i fysik. När det gäller elektriska kretsar är förklaringsmodeller ofta mycket abstrakta och svårförstådda för nybörjare. Med dessa erfarenheter som grund är det naturligt att elever skapar en föreställning om att elektriska fenomen i vardagslivet konstrueras efter en källa-

19

förbrukarmodell (se Figur 3). Vägguttagen betraktas som strömkällor, liksom batterier av olika slag.

Figur 3: Elektricitet i vardagen (Andersson, 2001)

I skolundervisningen ligger den huvudsakliga problematiken i kunskaper om den elektriska kretsen, med inriktning mot ström, spänning, batteri och lampor. (Ibid.) Eleverna skapar en förbindelse mellan strömkällan och apparaten där förbrukaren tar ström ifrån källan, liksom sockerdricka rinner ut ur en flaska (Driver et al, 1994) Samtidigt saknar eleverna sambandet mellan ström, spänning och effekt och anser att det endast är ström som ger apparater möjlighet att fungera (Ibid.). Att det råder olika typer av modelltänkande hos elever inom elläran visar en undersökning gjord av Shipstone (enl Andersson 1989). Hans undersökning visar att eleverna ofta sammankopplar sekvenstänkande med hur strömmen flyter i en enkel elektrisk krets. Bland 230 elever i åldrarna 12-16 år ökade sekvenstänkandet från 35 % till 75 % i åldrarna 12-14 år. Sekvenstänkandet i detta fall påvisas då eleverna ansåg att strömmen i kretsen saktades ner av komponenten i kretsen, i detta fall lampan. Detta kan jämföras med källa-förbrukarmodellen där strömmen istället konsumeras av lampan i fråga (Ibid.). Genom en rad granskande intervjuer och undersökningar har forskare kartlagt en rad elevföreställningar i ellära som i mångt och mycket kan förklaras med såväl källa-förbrukarmodellen som sekvenstänkande (Tsai et. al., 2007). I Taiwan genomfördes en studie bland 10 000 elever i åldrarna 14-18 år. Studien baserades på enkätundersökningar med påståendefrågor, öppna som slutna, och visade att den vanligaste modellen bland samtliga årskurser var källa-förbrukarmodellen (Ibid.). I en enkätuppgift angavs en enkel elektrisk krets med frågan om vad som hände med strömmen i kretsen. Här hävdade 22 % av eleverna i årskurs 8-9 att lampan förbrukar ström, vilket även konstaterats av andra forskare såsom Shipstone och Osborne. 22 % av eleverna i samma årskurs svarade korrekt medan det för årskurs 11 visade sig vara 38 %, vilket till stor del beror på att dessa elever hade fått mer undervisning i ellära (Ibid.). Ovanstående studie visade även på att eleverna, oavsett ålder, frångick källa-förbrukarmodellen för att förklara strömmens storlek i svårare kretsar (Tsai et. al., 2007). Eleverna valde i större utsträckning "The energy-view" för att förklara strömmens storlek i serie- eller parallellkopplingar. Författarna till studien menar att eleverna lättare behärskar elektrisk ström i en seriekoppling än vad de gör i en parallellkoppling och det är inte ovanligt att eleverna behandlar en seriekoppling på samma sätt som en parallellkoppling. Samtidigt menar författarna att eleverna har större svårigheter med spänning i en seriekoppling än i en parallellkoppling med motivering att fysiklärare behandlar seriekoppling med ström samt parallellkoppling med spänning. Kring lampor och batterier finns en huvudsaklig elevföreställning om enpolighet. Andersson(1989) menar att eleverna inte resonerar kring lampor som tvåpoliga utan att som

20

en komponent med skruvgängor där lampan skruvas fast i en anordning samt en knopp där sladden till batterier ansluts. Lättare är det dock att se att batterierna är tvåpoliga då de består av två sidor där sladdar kan anslutas. Hur strömmen i en enkel krets flödar leder också till missuppfattningar där eleverna inte resonerar klart i vilket håll strömmen går (Andersson, 1989). Det ligger också nära för eleverna att tillämpa källa-förbrukarmodellen då de resonerar kring hur stor strömmen är i kretsen före och efter lampan. I de fall då lampor kopplas i serie är det naturligt att tänka sig att strömmen förbrukas i lamporna, alternativt delar på strömmen Detsamma gäller för parallellkoppling då missuppfattningar leder till att eleverna resonerar att lamporna lyser olika starkt med motiveringen att strömmen delar på sig eller förbrukas under vägen (Ibid.). Då det gäller en enkel krets finns det i huvudsak tre missuppfattningar om vad som krävs för att en lampa ska lysa. I en undersökning genomförd på grundskolan gavs eleverna uppgiften att avgöra vilka lampor som lyste enligt nedanstående tabell 1 (Andersson, 1989). Undersökningen visar att cirka 80 % av tillfrågade elever i årskurs sex till nio hade en enpolig lampuppfattning (Ibid.). En liknande undersökning genomfördes i de högre åldrarna där procentandelen för en enpolig lampuppfattning steg till närmare 90 % för gymnasieelever (Ibid.).

Tabell 1: Procentuell fördelning av elevsvar på olika lamp- och batteriuppfattningar. (Andersson 1989)

5.3 Elevföreställningar om ström

Ibland de främsta att undersöka elevernas strömbegrepp i Sverige är Björn Andersson (1989). Många av hans undersökningar baseras på elevernas kunskaper inom ellära däribland en underökning genomförd bland ca 550 elever i årskurserna 6 till 9 (Andersson, 1989). Eleverna ställdes frågan om hur de skulle definiera begreppet ström och utifrån svaren konstaterades att 50 % av eleverna tolkade elektricitet som någon sorts partikel som rör sig i ledningar. Partiklarna kunde förklaras som både neutroner, joner eller små partiklar som rusar. Endast 60 % av dessa elever beskrev dessa partiklar som elektroner. Av de tillfrågade eleverna hävdade också 40 % att elektronerna fungerade som stötar som krävde vatten eller

metall för att ta sig fram. Av de 550 tillfrågade gav 10 % förklaringen att elektricitet endast var orsaken till att apparater fungerar. Att elektricitet är något som t.ex. "gör så att elektriska saker fungerar eller någonting som får lampor att lysa". Utöver detta gav också 10 % av de intervjuade eleverna analogier mellan exempelvis energi och ström (Ibid.). Denna typ av analogiskt tänkande har även von Rhöneck (enl. Andersson 1989) undersökt bland tyska och franska elever i åldrarna 13-16 år. När det kommer till att kategorisera

batteri enpoligt enpoligt tvåpoligt tvåpoligt lampa enpolig tvåpolig enpolig tvåpolig

åk 6 (n=131) 56 6 22 14

åk 7 (n=171) 46 5 31 18

åk 8 (n=118) 39 4 37 19

åk 9 (n=132) 31 1 48 20

21

elevernas strömbegrepp utifrån synonymer visar det sig att elevernas strömbegrepp ofta har energikaraktär. Strömmen förklaras enligt den klassiska källa-förbrukarmodellen (som angavs tidigare) eller något som lagras och transformeras i exempelvis batterier. Man kallar denna syn på elektricitet som ”the energy-view”. Von Rhöneck har även genomfört en undersökning bland 100 elever i Tyskland respektive Frankrike där han fann att efter undervisning i energi uppgav hela 80 % av eleverna att spänning och ström var likvärdiga och att de existerade samtidigt. 20 % av de tillfrågade ansåg i denna undersökning att lampan i en elektrisk krets förbrukar ström (Ibid.). Även Osborne och Freyberg ( enl. Driver et al, 1994), forskare i Nya Zeeland respektive USA har efter undersökningar konstaterat att elever tänker på ström som synonymt med elektricitet och elektrisk energi. I exempel där en lampa lyser hävdar eleverna att detta endast kan ske eftersom det sker en fysisk metallkontakt mellan energigivare (batteriet) och energitagare (lampan) och att detta är tillräckligt för att lampan ska lysa (Driver et al, 1994). Även i den taiwanesiska undersökningen bland elever i åldrarna 14-18 år visade det sig att eleverna besatt en klar föreställning om att energi och ström beror av varandra (Tsai et. al., 2007). Majoriteten av eleverna innehade tron om att energin (strömmen) förbrukas i kretsen. Detta resultat pekar på att det bland eleverna finns svårigheter att skilja mellan energi och ström. Skillnaden mellan årskurserna var inte nämndvärd trots att eleverna i årskurs 11 hade kommit längre i sin undervisning kring energi och elektriska kretsar (Ibid.). Även Shipstone (enl. Driver et. al., 1992) har visat på liknande resultat. Anledningen till denna föreställning tros bero på att ström ofta introduceras med hjälp av analogier som något, exempelvis en vätska, som flödar i en ledning. För att lösa denna typ av problematik är det till fördel att introducera tankemodeller, analogier följt av experiment för att uppnå en förbättrad förståelse. Cosgrove et. al. (enl. Andersson, 1989) har i en undersökning bland cirka 2000 elever i åldrarna 10-18 kartlagt uppfattningar kring hur strömmen i en enkel krets flödar. Undersökningen utgick ifrån fyra olika strömmodeller där alternativ A, B och C kunde ses som klassiska källa-förbrukarmodeller där strömmen styrka och riktning varierar (se Figur 4).

Figur 4: Olika strömmodeller (Andersson, 1989)

22

Figur 5: Testuppgift "strömmodeller ". Procentuell fördelning av elevsvar på olika kategorier. (Andersson, 1989)

Man kan ur figur 5 se att det sker en klar förminskning av elevernas uppfattning om att strömmen helt förbrukas av lampan. Detsamma gäller strömmodell C där strömmen varierar i styrka före och efter lampan. I åldern 17-18 år besitter nästan 80 % av eleverna en korrekt strömmodell (Ibid.). I ytterligare en undersökning av Andersson (1989) gavs en grupp på 20 elever i åldern 14 år möjligheten att skapa sig en tankemodell eller analogi kring hur de trodde att strömmen färdas i en enkel elektrisk krets bestående av en lampa och ett batteri och huruvida detta batteri förbrukade ström. Utifrån denna modell skulle eleverna sedan koppla upp kretsen för att undersöka ifall deras tankemodell överensstämde med resultatet. Efter kopplingen och mätningar av strömstyrkan utmanades flera av elevernas tänkande då 70 % av dem ansåg att strömstyrkan borde skilja på vardera sida om lampan, vilket den inte gjorde (Andersson, 1989). Anderssons undersökning visade också på att trots bevis av en felaktig tankemodell fanns det elever som fortfarande inte ville överge sin tankemodell. Konflikter likt denna är vanliga inom naturvetenskapen och leder till flera missuppfattningar och föreställningar hos eleven. Genom att uppmuntra diskussion i dessa sammanhang och låta eleverna förklara sitt tänkande genom exempelvis analogier menar Andersson att eleverna stöds att utveckla sina förklaringsmodeller. Poängen är att man utnyttjar en bas för analogin som eleverna förstår och sedan kan avbilda det system som är svårbegripligt. Vidare hävdar Andersson att läraren måste uppmuntra, och vid behov ta initiativ till samtal om och kring dessa experiment och frågeställningarna som kan uppstå (Ibid.). Maichle (enl. Andersson 1989) har i en ytterligare undersökning studerat föreställningar om batterier (se Tabell 2). Undersökningen omfattade 400 västtyska elever i åldern 13-15 (Grupp 1 och 2), 36 blivande fysiklärare (Grupp 3) samt tio fysiker (Grupp 4). Inledningsvis ställdes frågan om det i ett nytt batteri finns en viss mängd ström varav 85 % av eleverna i grupp 1 och 2 svarade att så var fallet. I grupp 3 var motsvarande siffra 40 %. På frågan om ström förbrukas i ett batteri svarade cirka 85 % av eleverna i grupp 1 och 2 att detta stämde. Samma föreställning visade sig ibland framtida lärarkandidater i grupp 3, där procentandelen var 41 % som trodde att strömmen i batteriet förbrukades (Ibid.).

23

Tabell 2: Procentuell fördelning av elevsvar på "ja" eller "nej". (Andersson, 1989)

5.4 Samband mellan ström och spänning

Maichle (enl. Andersson 1989) visar i en undersökning att flertalet elever påstår att ström och spänning är en konsekvens av varandra och att spänning ses som en egenskap hos ström (Ibid.). Maichle hävdar att denna kunskap ofta leder till ytterligare missuppfattningar kring sambandet mellan ström och spänning. Han har i en undersökning bett 400 västtyska elever i åldern 13-15 (Grupp 1 och 2), 36 blivande fysiklärare (Grupp 3) samt tio fysiker (Grupp 4) ta ställning till olika påståenden gällande ström och spänning (se Tabell 3). Det inledande påståendet hävdade att spänning kan finnas även om det inte finns någon ström. 25 % i grupp 1 menade att så var fallet medan det för övriga grupper var 94 % respektive 100 %. Undersökningen visar också på en klar sammankoppling mellan ström och spänning. Det tredje påståendet hävdade att spänning är en del av strömmen och på detta svarade 72 % av eleverna i grupp 1 att så var fallet medan även 11 % av de blivande fysiklärarna hävdade att det stämde. Bland fysikerna blev svaret ett entydigt nej (Ibid.).

Tabell 3: Håller du med om påståendet? Procentuell fördelning av elevsvar på ‘ja’ och ‘nej’. (Andersson, 2002)

Grupp 1 Grupp 2 Grupp 3 Grupp 4 (real) (gymn) (lärarkand) (fysiker) påstående

Ja Nej Ja Nej Ja Nej Ja Nej I varje nytt batteri finns en viss mängd elström lagrad

84 12 85 14 40 60 0 100

Strömmen i ett batteri förbrukas med tiden av elektriska apparater

82 14 87 13 41 59 0 100

Grupp 1 Grupp 2 Grupp 3 Grupp 4 (real) (gymn) (lärarkand) (fysiker) påstående

Ja Nej Ja Nej Ja Nej Ja Nej

Spänning kan finnas även om det inte finns någon ström

23 63 30 69 94 6 100 0

Spänningen är intensiteten eller kraften hos strömmen.

40 49 24 69 6 94 0 100

Spänningen är en del av strömmen

70 22 77 22 11 89 0 100

24

Maichle har i ytterligare en undersökning gjord bland 300 tyska elever i åk 8 visat att 23 % av eleverna anser att ström och spänning är identiska (Maichle, refererad i Andersson 1989). Eleverna tror enligt Maichle att då spänningen ökar så ökar även strömmen. Eleverna är enligt Maichle väldigt motvilliga till att försöka förstå och tolerera att även om det inte finns någon ström mellan två punkter så kan det fortfarande existera en spänning. Denna elevföreställning kan dock dämpas genom att introducera voltmetrar och amperemetrar i enkla elektriska kretsar (Ibid.). En annan av Maichles undersökningar bland elever i åldern 13-15 visar elevers uppfattningar om ”ström och spänning” enligt följande figur 6 (Ibid.).

Figur 6: Bild från Maichles undersökning, (Andersson 1989)

Endast 2 % av eleverna i grupp 1, 8 % i grupp 2 och 75 % i den tredje gruppen besvarade denna uppgift korrekt, det vill säga de angav att det går ström i C och att det finns spänning i A, B och C. Liknande procentsiffror med en nästan identisk uppgift har rapporterats av von Rhöneck (enl. Driver et. al. 1994). Kombinationen mellan spänning och ström anses vara en vanlig föreställning bland elever, oavsett ålder (Tsai et. al., 2007). I en undersökning gavs studenterna i årskurs 11 två frågeställningar om dessa begrepp i såväl seriekopplingar som parallellkopplingar (Ibid.). I fallet med de seriekopplade lamporna A och B, där lampa A hade större resistans än B svarade 34 % av 950 tillfrågade studenter att spänningen över två lampor skulle vara densamma, med motivering att spänningen beror av strömmen. 30 % av eleverna hävdade att spänningen över en lampa A (första lampan i kretsen med störst resistans) borde vara större med hänvisning till Ohms lag (korrekt svar). 21 % ansåg däremot att spänningen över en lampa B (lampan med lägst resistans) borde vara mindre, med hänvisning till Ohms lag. Ett vanligt svar bland eleverna var också att ju mindre resistansen är i lampan desto större är spänningen över lampan. Denna föreställning visade sig även gälla för parallellkoppling där frågeställningen gällde hur stor spänningen över två parallellkopplade lampor med olika resistans. 55 % svarade korrekt att spänningen över de båda lamporna var lika, medan 35 % svarade att spänningen var olika eftersom resistansen i lamporna var olika (Ibid.). Von Rhöneck (1983) förklarar denna missuppfattning med att eleverna kopplar ihop ström och spänning på ett felaktigt sätt, det vill säga att om strömmen minskar minskas även spänningen vice versa (Ibid.).

5.5 Att motverka föreställningar

För att motverka föreställningar har man i undersökningar på universitetsnivå valt att övergå ifrån en mer teoretisk undervisning till att ha alternativa kreativa lösningar där studenterna får möjlighet att testa sina tankemodeller på mer än bara ett vis (McDermott & Redish: Redish, refererad i Finkelstein, 2005). För att kartlägga hur man på bästa sätt förmedlar förståelse gäller det att utveckla en undervisningsmiljö som ser till individen genom bland annat

25

begreppsmässig undervisning. Författaren menar att det råder en komplexitet i undervisningsmiljön och hävdar att undervisningen måste anpassas efter elevernas behov och förutsättningar samt vad elevernas besitter för förkunskaper den dagen då de inleder en ny undervisningssekvens (Ibid.). Författaren menar också att elevernas modelltänkande beror på undervisningens sammanhang samt hur långt gångna studenternas är i sitt mentala tänkande i fysik. Dock innebär inte en förändring likt denna automatiskt att studenten förbättrar sitt lärande (McCullough, refererad i Finkelstein, 2005). Leander & Brown (enl. Finkelstein 2005) har kartlagt hur man får eleverna att interagera lättare i ett fysikklassrum. De hävdar att det som påverkar studentens dynamik till undervisningen i dessa klassrum framför allt bygger på en dialogiskt och begreppsmässig undervisning, vilket påverkar elevernas inlärning. Innehållet i undervisningen omvandlas till en källa-mottagaresituation i lärandeprocessen där eleverna projicerar sin kunskap vid de tillfällen då den uppfattas användbar (Ibid.). En ytterligare definition av undervisnings-innehåll menar Cole är att innehållet i undervisningen är något som skapas i samband med elevernas inlärning (Cole, refererad i Finkelstein 2005). Elevernas motivation till inlärning och undervisningens innehåll följs av varandra och det krävs att de samverkar för att främja lärandet (Ibid.).

26

6 Ellära

I dagens högteknologiska samhälle utgör elläran basen för all elektronik och elektroteknik. Laddningar, ström och spänning är grunden till att vi kan använda lampor, tv-apparater och datorer. Man har känt till elektriska fenomen i århundraden och i spetsen för dess utveckling har vetenskapsmän såsom Coulomb, Gauss, Volta och Ohm stått. Tillsammans har dessa vetenskapsmän bidragit till framsteg inom elläran som vi än idag använder oss av i såväl vardag som i fysikundervisning (Benson, 1996).

6.1 Laddning och potential

Grunden till en stor del av dagens teknik bygger på kunskap om laddningar och interaktion mellan dem. Laddning är en egenskap hos materia, mäts i enheten Coulomb [C], vilken ger upphov till elektriska och magnetiska interaktioner. Det finns positiva och negativa laddningar där elektronen −e , är den minsta isolerade laddningen i naturen. Laddning, q, är en kvantiserad egenskap definierad som neq ±= med ...3,2,1,0=n Likt energins bevarande är den totala laddningen konserverad i ett isolerat system, där laddning varken kan skapas eller förstöras. (Ibid.) Laddade partiklar påverkar varandra med en kraft F, kallad Coulombs kraft, vilken beror på partiklarnas laddning samt avståndet r emellan dem

221

r

qqkF = [N] (1)

Då en laddning påverkar en andra laddning med en kraft säger man att laddningen ger upphov till ett elektriskt fält E där den andra laddningen påverkas av fältet. Fältets riktning kan beskrivas med hjälp av införandet av en positiv testladdning qt med laddning 1C (Benson, 1996). Denna testladdning ses inte påverka fältet. Fältriktningen i en punkt definieras som kraftens riktning på qt, storleken av fältet definieras som kraft per enhetsladdningen

tq

FE = [N/C] (2)

Riktningen på ett elektriskt fält definieras från plus- till minuspol, likt figur 7.

Figur 7: Kraften på en positiv testpartikel från en positivt laddad partikel.

27

Det arbete som krävs för att flytta en enhetsladdning med laddningen 1C, mellan två punkter A och B definieras som elektrisk potentialskillnad V mellan A och B

][Vq

WVV AB =− (3)

Potentialen i en punkt är det arbete som krävs för att flytta en positiv testladdning från ett läge med potential 0, d.v.s. från en punkt på oändligt avstånd till den givna punkten (Benson, 1996). Den elektriska potentialen är således en egenskap för en viss punkt i rymden och beror på laddningen.

6.2 Ström

Om man håller två stavar, en koppar- och en plaststav, och för dessa till en värmekälla märker man snabbt att kopparstaven blir varm eftersom den leder värme bättre. Likaså fungerar det inom elläran, där olika material leder ström olika bra. Man skiljer på material som leder ström bra, så kallade ledare, och de som leder sämre, isolatorer. Det finns även halvledare vars strömledningsförmåga ligger emellan isolatorer och ledare. Metaller som är ledare kan man se som positiva joner ordnade i en gitterstruktur omgivna av ett "hav" av fria elektroner. "Elektronhavet" kan även liknas vid en gas där elektronerna rör sig runt med hög hastighet åt alla riktningar och kolliderar med de stationära jonerna i gitterstrukturen. Den samlade riktade termiska rörelsen är således noll. Då en potentialskillnad läggs över en tråd påverkar potentialskillnaden de laddade partiklarna i ledningen med en kraft

EqF = [N]. (4) Denna kraft, F, påverkar de partiklar som är fria att förflytta sig i en riktning. Elektronerna, med negativ laddning, rör sig åt motsatt håll relativt det pålagda fältet, enligt figur 8 (Benson, 1996).

Figur 8:. Då ett externt fällt introduceras böjer elektronens väg av (från grå väg till svart). (efter Benson, 1996 s. 539 )

Den riktade rörelsen, drifthastighet vd, är betydligt lägre är elektronernas termiska rörelse,

410−≈dv m/s jämfört med den termiska rörelsen ca 610 m/s. Även då elektronerna accelererar

ökar inte dess hastighet mot oändlighet då de kolliderar med atomer i gittret. Vid kollisionen överförs den överflödiga energin som elektronerna givits från fältet till atomerna i form av vibrationsenergi. I gittret yttrar sig denna energi som ökad värme (Andersson 1989). Denna

28

rörelse av laddningar är vad som utgör en ström, definierat som antalet laddningar per tidsenhet som passerar genom en tvärsnittarea

dt

dqI = [A] (5)

med enheten Ampere, A (Ibid.). Ström flödar från högre potential till lägre potential och dess riktning ges av positiva laddningsbärare riktat från plus till minus. Elektronerna, vilka har negativ laddning, rör sig således åt motsatt håll (se Figur 9).

Figur 9:. Strömmens riktning och elektronernas väg i kretsen

6.3 Den elektriska kretsen

För att ström ska kunna flöda krävs som ovan nämnt att en potentialskillnad, eller spänning, läggs över kretsen. Kretsen måste ha kontakt med två poler av olika potential, till exempel ett batteri, för att ström ska flöda. Då en krets är ansluten till en spänningskällas olika poler säger man att kretsen är sluten. Om kretsen inte är sluten så saknas kontakten mellan polerna och därför existerar ingen potentialskillnad. Resultatet blir att det inte flyter någon ström. Då ett batteri ansluts till en krets är förhållandet uppkommer ett elektriskt fält längs ledaren. Detta resulterar i att en ström flödar (Benson, 1996). Då kretsen sluts kan sambandet mellan spänning och ström beskrivas med Ohms lag (se Figur 10).

där R är resistansen [Ω], motståndet i kretsen. Då en förändring sker i kretsen påverkas hela kretsen nästa omedelbart (Ibid.).

Figur 10: En enkel krets

Ohms lag

RIU ⋅= (6)

29

6.4 Serie- och parallellkoppling

I elektriska kretsar ingår oftast flera komponenter, såsom exempelvis lampor, som kan kopplas i serie, parallellt eller kombinationer av dessa. Kirchhoffs strömprincip säger att i en punkt är den algebraiska summan av strömmen som kommer in eller lämnar korsningen noll,

∑ = 0I (7)

eftersom den totala laddningen är konstant (Benson, 1996). I batteriet sker kemiska reaktioner som lyfter den negativt laddade partikelns potentiella energi, upp till den negativa polen. Då partikeln färdas genom sladdarna, vars resistans antas vara försumbar, förändras inte dess potentiella energi. I motståndet sker flertalet kollisioner med gittret där den potentiella energin hos elektronerna omvandlas till värmeenergi i motståndet. Då partikeln lämnar motståndet är dess potentiella energi 0. Detta är Kirchhoffs spänningsprincip. Den algebraiska summan av alla potentialändringar i en sluten krets är noll.

∑ = 0V (8)

6.4.1 Seriekoppling av komponenter

I en krets med seriekopplande element är potentialskillnaden över två komponenter summan av dess respektive potentialskillnader (se Figur 11).

21 UUU +=

21 RIRIRI tot ⋅+⋅=⋅

21 RRRtot +=

Figur 11: Seriekopplade motstånd

Om man kopplar in identiska lampor i en sådan krets kommer både strömmen genom och spänning över lamporna vara lika och de kommer därmed att lysa lika mycket. Skruvar man ur en lampa bryter man den slutna kretsen så det går ingen ström och alla lampor slocknar. Ett exempel på seriekopplade lampor i vardagen är adventsljusstakar och julgransbelysningar, där alla lampor slutar lysa om en lampa går sönder eller en lampa kopplas ur (Ibid.).

30

6.4.2 Parallellkoppling av komponenter

I parallellkopplingen är spänningen över varje gren lika stor. Strömmen däremot delar upp sig beroende på motståndets storlek. Man kan tänka sig att en enkel parallellkopplad krets är två enkla kretsar sammanflätade och som delar spänningskälla (se Figur 12).

21 III +=

21 R

U

R

U

R

U

tot

+=

21

111RRRtot

+=

Figur 12: Parallellkopplade motstånd.

Två identiska parallell-kopplade lampor lyser lika starkt ty spänningen över dem och strömmen genom dem är lika. Kopplas en av lamporna ur kommer den andra lampan att fortsätta lysa då kretsen inte är bruten (Benson, 1996).

31

7 Metod

Denna uppsats bygger på kunskap från en didaktisk fördjupningskurs, i vilken vi studerat elevföreställningar i ellära samt hur ett laborativt arbetssätt kan öka förståelsen i fysik hos elever. Utifrån denna kunskap har vi utvecklat en enkätundersökning samt gjort intervjuer för att testa elevers kunskaper och förståelse i ellära med inriktning på den elektriska kretsen före och efter laboration.

7.1 Urval

Enkätundersökningen genomfördes i fyra klasser, två 7:or och två 9:or, på en av våra partnerskolor. Partnerskolan valdes då vi ansågs att en etablerad kontakt med eleverna kunde ge ökad motivation att delta i undersökningen. En bra relation till ansvarig lärare ansågs också vara viktig då vi ville utföra laborationer med eleverna under lektionstid. Valet att genomföra undersökningen på högstadiet motiverades med att alla elever läser fysik vilket ger en bred och blandad urvalsgrupp eftersom hela spektret av elever är representerad. På gymnasiet är det bara ett fåtal linjer såsom teknik- och naturvetarprogrammen som läser fysik. Genom att genomföra undersökningen på högstadiet får vi ett bredare urval av elever då vi även får med de elever som inte fortsätter läsa fysik på gymnasiet. Urvalet till intervjuerna skedde bland de elever som gett sitt tillstånd att bli intervjuade. Elever från olika svarskategorier valdes ut, representanter för både bra och mindre bra resultat valdes ut. Även representanter som inte hade svarat korrelerat, dvs. elev som svarat olika på två nästan identiska uppgifter återfanns i urvalet. Skolan är en vanlig högstadieskola i en medelstor stad vars resultat, antalet behöriga elever till gymnasieskola, andelen godkända elever i kärnämnena samt meritvärde ligger lite lägre än riksmedel enligt kommunens kvalitetsredovisning 2009. Skolan har även en varierad blandning av elever med olika bakgrund, såväl svensk som utländsk. Skolan har dock stora problem med skolk så vi förväntade oss att få ett stort bortfall.

7.2 Datainsamlingsmetoder

Med utgångspunkt i våra forskningsfrågor beslutade vi att genomföra två enkät-undersökningar, en laboration samt intervjuer. Vi ville bl.a. undersöka om vi kunde hitta liknande missuppfattningar i ämnet ellära som forskningen visar på, men även se om det fanns någon skillnad i de kunskaper som elever i 7:an har gentemot eleverna i 9:an. Detta genomfördes med en enkät där vi testade elevernas kunskaper kring ström och enkla elektriska kretsar. För att få en djupare förståelse valde vi att även intervjua några utvalda elever vars enkätsvar ansågs mer intressanta med utgångspunkt från forskningsresultat. Enkätmetoden lämpade sig bra då vi eftersträvade att undersöka skillnaden vid två tidpunkter, före och efter laboration samt skillnader mellan årskurser. Då våra frågeställningar baseras på frågan vad eleverna kan och inte varför de har den kunskapen ansågs enkäter lämpa sig bäst. Enkäter är användbara då man söker kvantitativ information och vill jämföra grupper (Johansson & Svedner, 2006: Dahmström, 2008). Fördelen med enkäter är också att man kan samla in ett stort dataomfång på relativt kort tid där man kan ställa en rad olika frågor. Vid enkätundersökningar undviker man eventuell bias såsom intervjuareffekt. Alla elever kommer vid en enkät att besvara identiska frågor något som inte alltid är fallet vid intervjuer vilket därmed kan påverka intervjuernas reliabilitet och validitet (Dahmström, 2008). Med en

32

gruppenkät kan bortfallet ifrån respondenter som vägrar delta hållas lågt (Ibid.) jämfört med andra sorters enkäter. Man skulle ha kunnat använda sig enbart av intervjumetod för att kartlägga elevers förståelse för ämnet. Med intervjuer hade man kunnat få en djupare förståelse då man i intervjuer kan förtydliga frågor och ställa följdfrågor (Tasker, 2000). Då vi eftersökte att kunna jämföra grupper och skillnader vid olika tillfällen ansågs det lämpligast att lägga tyngdpunkten för undersökningen på enkäter.

7.3 Procedur

Undersökningen inleddes med att vi var ute och informerade eleverna om projektets uppbyggnad och blanketter för målsmans underskrift delades ut, detta eftersom eleverna inte är myndiga. Då eleverna i undersökning är minderåriga repeterades informationen kring undersökningen vid flera tillfällen för att minska bortfallet och generera en positiv inställning till deltagande. Även rektors och ansvariga lärares tillstånd inhämtades. Efter föräldrarnas medgivande var det frivilligt för eleverna att delta i undersökningen. För att uppfylla de forskningsetiska kraven har vi under hela projektets gång varit tydliga med undersökningens syfte samt vid flertalet tillfällen informerat eleverna att deras medverkan var frivillig. Enkätundersökningen skedde på lektionstid och inleddes med att vi informerade om enkätens syfte och undersökningens upplägg. Vi poängterade att enkäten inte var ett prov, att enkäten var konfidentiell och att de skulle förbli anonyma i arbetet. Vi förklarade varför deras deltagande var viktigt för oss samt att de svarade vad de ansåg var rätt och inte vad de trodde man borde svara. För att kunna se och jämföra skillnaden på individnivå kodade vi enkäterna numeriskt. Vid första enkättillfället fick vi 77 (89 %) svarande och vid andra enkättillfället 73 (84 %) svarande av 87 elever. Totalt var det 64 svarande (74 %) som deltog vid båda tillfällena. Efter första enkättillfället utfördes ett par intervjuer med utvalda elever. Laborationerna utfördes under ett vanligt lektionstillfälle i en NO-sal, ca 45-60 min, för att ge samma förutsättningar som man finner i skolan. Eleverna arbetade i grupper om 2-3 elever, vilka valdes av ansvarig lärare. Läraren som har kännedom om elevernas kunskaper delade in eleverna i grupper efter likartad kunskapsnivå. Lektionen inleddes med praktisk genomgång och avslutades med genomgång av resultatet. Vi fanns tillgängliga för hjälp och som bollplank i diskussionerna. Under några av laborationslektionerna deltog även ansvarig lärare. Den avslutande enkäten genomfördes en av de sista dagarna på terminen, ca 1 vecka efter laborationen.

7.3.1 Enkäterna

Enkäterna (se Bilaga 1 och 2) utformades utifrån teorier kring elevers föreställningar i ellära och bygger på de vanligaste missuppfattningar i ellära bland elever i yngre tonåren. Vi har till stor del använt tidigare använda frågor från forskning på området elevföreställningar i ellära och även själva utformat några följdfrågor (se Motivering till frågor i enkät, kap. 7.3.1.1) Fördelen att använda gamla enkätfrågor är att man undviker klumpigt utformade frågor (Johansson & Svedner, 2006). Enkäterna inledes med några bakgrundfrågor såsom kön, klass och betyg i fysik, varpå några attitydfrågor om fysik och laborerande följde. I den avslutande enkäten var attitydfrågorna utbytta till attitydfrågor kring laborationen de genomfört (se Bilaga 2). Efter de inledande frågorna följde en rad frågor om ström, spänning och enkla kretsar. Frågorna utformades med ett enkelt språk och var tydligt ställda. Vi valde att använda oss av en öppen fråga där vi var intresserade av variationen. Både verklighetstrogna

33

och schematiska figurer användes, bland annat för att inte röja svaret på övriga frågor. För att tydliggöra de schematiska kopplingsschemana förklarades även dess delar i text. Totalt sett var enkäten 3 sidor varav cirka en sida med bakgrunds- och attitydfrågor. Enkäterna hölls kortfattade då dessa inte bör vara för långa och enformiga eftersom man då riskerar att respondenterna tappar intresse (Johansson & Svedner, 2006). Enkätens struktur varierades också då detta anses bidra till att respondenten behåller motivationen för att besvara enkäten och för att de inte ska fastna i ett visst svarsmönster (Patel & Davidson, 2003). Då större delen av den forskning som bedrivits på området för grundskolans senare del har fokuserat på begreppet ström och strömmen i en enkel krets och inte begreppet spänning är det en högre andel frågor om ström än om spänning (se Elevföreställningar i ellära, kap. 5). Enkätens ursprungliga utformning testades på teknikelever årskurs 3 på gymnasiet. Ur den lilla pilotundersökningen framkom att den ursprungliga enkäten var för svår då inte ens duktiga elever i fysik förstod uppgifterna. Enkäten reviderades till förmån för mycket enkla frågor.

7.3.1.1 Motivering till frågor i enkät

Enkäten ämnad att lämnas till eleverna tar inledningsvis upp allmänna bakgrundsfrågor och attitydfrågor kring ämnet fysik och laborationer. Därefter följer mer specifika kunskapsfrågor med inriktning mot spänning och ström. Då antalet frågor varierar i de olika enkäterna hänvisas frågornas numrering till enkät 1 (se Bilaga 1). Den sjunde frågan i enkät 1 behandlar vad eleverna anser att ström är. Denna fråga avser elevernas kunskap om ström i en metallisk ledning. Detta motiveras utifrån elevuppfattningen elevers strömbegrepp ofta har energikaraktär, vilket har kartlagts av Björn Andersson (1979). Enligt hans studie bland 550 elever i årskurs 6-9 kan man klassificera elevföreställningarna utifrån följande kategorier:

I. Partiklar som rör sig i ledningar. II. Strömmens effekter III. Strömkällor IV. Synonyma uttryck V. Övriga svar.

Till första kategorin räknas svar som berör alla partiklar som kan röra sig samt otydliga svar såsom moloktroner, plutoner eller energipartiklar. Till kategorin Strömmens effekter anger eleverna förklaring att ström är ” någonting som får lampor att lysa” eller ”något man kan få stötar av”. Den tredje kategorin behandlar varifrån strömmen kan tänkas komma ifrån, exempelvis kraftverk eller då ”åskan och blixten möts, tror jag”. Till synonyma uttryck räknas svar såsom att elektrisk ström är energi, värme eller ”ämnen, som laddar upp sig när det kommer i kontakt med varandra”. I kategorin Övriga svar räknas även elever som anser att de inte vet eller inte lämnat svar. Utifrån dessa kategorier visar Björn Anderssons undersökning att i den valda gruppen elever ansåg knappt 30 % att elektrisk ström uppstår beroende på rörliga elektroner i ledningen. Vi valde att inte ställa motsvarande fråga om spänning då vi saknar forskning för liknande fråga. Spänning är ett svårare begrepp och man riskerar att få ett stort antal ”vet ej” och blanksvar.

34

Fråga åtta i enkät 1 behandlar elevernas förståelse kring tvåpolighet och sluten krets. Denna fråga motiveras utifrån undersökningar genomförda bland 1115 elever i årskurs 6-9 samt årskurs 1 och 2 på gymnasiet av Björn Andersson (1989). Denna undersökning visar att en stor del av eleverna har en enpolig lampuppfattning. Cirka 80 % av högstadieeleverna visade på en enpolig syn på lampan medan 90 % av eleverna på gymnasiet utan fysikundervisning också hade en enpolig konstruktion. Fråga nio och 13 i enkät 1 undersöker elevernas förståelse av strömmen i en enkel elektrisk krets. Shipstone (enl. Andersson, 1989) har i en undersökning kartlagt att elevernas uppfattning kring strömmen i en sluten krets kan kategoriseras efter fyra strömmodeller, vilka kan ses i uppgift 13. De olika modellerna bygger på den klassiska källa-förbrukarmodellen men även sekvenstänkande. Shipstones undersökning visar att modellerna varierar i popularitet i olika åldrar, där man i de yngre åldrarna (ålder 13-16) kan se att modell 2 och 3 är vanligast (Ibid.). Fråga 13 ställs för att kunna jämföras med fråga nio och se ett eventuellt samband mellan frågorna. Frågorna är snarlika och det bör därför finnas en korrelation som vi har förhoppning om att kunna kartlägga. Om svaren hos en respondent i dessa frågor inte korrelerar kan det tyda på att eleverna inte har full förståelse för strömmens styrka i en sluten krets. Fråga 10 testar förståelsen av seriekopplade lampor. Denna fråga motiveras för att kartlägga en utveckling av elevernas sekvenstänkande samt tänkande enligt källa-förbrukarmodell. Används någon av dessa tankemodeller kan detta resultera i föreställningen att lamporna lyser olika starkt då lamporna förbrukar strömmen efterhand. I fråga 11 vill vi undersöka elevernas kunskaper kring spänning. Forskningen visar att elevernas förståelse av spänning är väldigt begränsad. Eleverna ser spänning som en konsekvens av strömmen (Andersson, 1989) I fråga 12 undersöks vad eleverna tror om ljusstyrkan hos parallellkopplade lampor. Andesson (1989) menar att eleverna tror oftast att parallellkopplade lampor lyser olika då strömmen delar upp sig enligt källa-förbrukarmodellen. Fråga 14 är hämtad ifrån Maichles (enl. Andersson 1989) undersökning bland västtyska elever i åldrarna 13 och uppåt. Denna fråga är ämnad att kartlägga elevernas förståelse av att spänningen kan finans även om det inte finns någon ström. Maichles undersökning visar att endast 3,5 % i åldrarna 13-15 besvarade svarade rätt samt att bara 75 % av de blivande fysiklärarna besvarade frågan rätt.

7.3.2 Intervjuer

Vi valde att intervjua 7 elever. Urvalet gjordes bland de elever som hade gett sitt samtycke och som hade gett intressanta svar såsom elever med olika strömmodeller och de som med sina svar motsade sig själv. Intervjuerna utfördes enskilt i grupprum på skolan och samtalet bandades. Frågorna, som skrevs inför intervjun, utgick från vad eleverna hade svarat i enkäten samt några kompletterande frågor. Vi bad eleverna bland annat att förklara och resonera kring hur de tänkt och sedan tillämpa sitt resonemang på andra frågor och jämföra det med de svar de uppgett på enkäten. Vi ville ge eleverna utrymme att svara med egna ord, likt en kvalitativ intervju. Intervjuerna sågs som ett tillfälle att ställa följdfrågor och få

35

djupare förklaringar. Då frågorna anpassades efter respondentens svar varierade frågorna från elev till elev. Detta för att få en så uttömmande kvalitativ intervju som möjligt (Johansson & Svedner, 2006).

7.3.3 Laborationen

Laborationerna utarbetades med utgångspunkt ur resultatet från den inledande enkätundersökningen och utifrån liknande forsningsresultat på området (se Elev-

föreställningar i ellära, kap. 5). Laborationen bestod av fem mindre stationslaborationer, med dubbla uppsättningar för att alla skulle hinna genomföra dem. Eleverna delades in efter kunskapsnivå av ansvarig lärare, detta för att uppmuntra eleverna att både tänka själva och diskutera med varandra . För att spara tid samt för att kopplingarna skulle vara korrekta valde vi att förkoppla kretsarna. För att förenkla ytterligare ställdes även multimetrarna in på lämplig enhetsgradering samt benämndes med klisterlapp för voltmeter respektive amperemeter. Tiden för laborationen var cirka 45-60 minuter. Stationslaborationer valdes med tanke på klassernas storlek, materialbrist samt för att lättare kunna stötta upp eleverna. De mindre grupperna anses även uppmuntra till diskussion i gruppen, men även individualisera arbetet och uppmuntra till självständigt tänkande i gruppen (Dysthe, 1996). Diskussioner med andra gruppdeltagare kan enligt socialkonstruktivismen bidra till ökad kunskap då kunskapen blir ens egen då man kan sätta ord på den. Med andra ord kan elever på olika kunskapsnivåer ta hjälp av varandra och tillsammans optimera lärandet enligt Vygotskijs proximalautvecklingszon (Evenshaug & Hallen, 2001).

7.4 Databehandling

Enkäten var till stor del förkodad och endast frågan om Vad är ström? klassificerades. Som utgångspunkt för gruppindelning användes den indelning som Andersson (2002) använt. Då en tillräckligt stor del av elevernas svar bestod av någon form av partikel, men inte specificerat att partikeln var i rörelse gjordes en omklassificering. Vi omformade klassindelningen till en kategori partikel där alla svar innehållande någon form av partikel, i rörelse eller ospecificerat räknades. I ett fåtal av enkäterna förekom svar som kunde klassificeras i flera klasser. För bearbetning och statistiska undersökningar användes SPSS. Enkätsvaren bearbetades och frekvenstabeller sammanställdes. Korrelation och statistiskt säkerställda samband mellan olika variabler söktes och fastställdes. Då vi fann av intresse att se om eleverna hade helt rätt uppfattning i frågorna om lampans anslutning, ström och spänning beräknades detta som ytterligare variabler. För att även få ett mått på hur väl eleverna presterade beräknades antalet rätt, där vi för varje kunskapsfråga avgjorde rätt eller fel. Då olika stort antal elever deltog vid de olika undersökningarna varierar antalet respondenter i jämförelsen.

7.5 Tillförlitlighet

7.5.1 Tillförlitlighet i urval

Då en av våra forskningsfrågor berör skillnaden i kunskap mellan elever i olika åldrar valde vi att undersöka 7:or och 9:or då detta ger den största åldersskillnaden inom högstadiet och borde därmed ge störst skillnad i kunskapsmängd. Fördelaktigast hade varit om man kunnat

36

utföra en longitudinell undersökning av en klass för att kartlägga kunskapsutvecklingen under högstadiet. Detta hade dock legat långt utanför projektets tidsplan. Eleverna i undersökningen har läst avsnittet i ellära, vilket på denna skola görs i årskurs 7. Då undersökningen genomfördes hade eleverna i årskurs 7 läst ellära två månader tidigare. Eleverna i årskurs 9 hade nyligen undervisats i temaområde energianvändnings. Detta skulle kunna innebära att 7:orna hade kunskapsområdet i färskare minne vilket borde ge en snedfördelning i resultatet till fördel för 7:orna vilket sänker validiteten. Att vi valde att undersöka elever på en partnerskola gör att vi känner eleverna vilket både innebär fördelar och nackdelar. Förhållandet till eleverna kan göra att eleverna känner större motivation till att genomföra projektet då de känner tillit mot oss. Då eleverna känner sig motiverade att genomföra enkäten tar de kanske enkäten på större allvar och besvarar den sanningsenligt. Skolan i undersökningen är känd för att ha problem med olovlig frånvaro, vilket gör att är det svårt att få eleverna att närvara på samtliga tillfällena. Skolk är därmed en stor anledning till bortfallet. Vid den avslutande enkätundersökningen, som gjordes sista veckan på vårterminen, var bortfallet relativt stort då många elever uteblev pga. skolk. 26 % av eleverna deltog inte vid båda enkättillfällena. Det fanns även elever som inte deltog vid laborationstillfället. Med stora bortfall och färre respondenter minskar den statistiska säkerheten och validiteten. Då enkäten var frivillig fick vi ett bortfall på 11 och 16 %. Att frivilligt delta i enkäten gjorde att de som ställde upp kan anses vara motiverade till att besvara enkäten. De elever som inte var intresserade valde på så sätt att inte delta eller att mycket bristfälligt besvara enkäten. Därmed tror vi inte att av vi har fått med elever som försökt förstöra undersökningen vilket skulle ha minskat validiteten. Totalt sett blev vi mycket överraskade av elevernas intresse att svara på enkäterna. Ett visst partiellt bortfall på enstaka frågor förekom också, dock inget extremt.

7.5.2 Tillförlitlighet i metoden

Vi valde att göra den praktiska delen av detta examensarbete under vårterminen 2010. Därför blev tiden knapp och det gick ca 1 vecka mellan laborationen och den avslutande enkäten. Att göra enkäten så nära inpå laborationen kan ge en missvisande bild av elevernas verkliga kunskap då eleverna hade laborationen i minnet. Man hade kunnat utföra sista enkäten till hösten för att vara säker på att den kunskap de tillgodogjort sig var mer bestående. Detta hade dock inneburit praktiska problem då eleverna i 9:an inte längre går kvar och de klasser som är kvar splittras. Det hade även bidragit till en skevhet om det gått olika lång tid mellan laboration och enkät för de olika grupperna. Vid utförandet av laborationen fanns tre lärare tillgängliga, vilket i den dagliga skolverksamheten inte alltid är genomförbart. Ökad lärartäthet bidrog till att eleverna i större utsträckning gjorde det som förväntades av dem och att de kunde få stöd vid problem och eventuella diskussioner.

7.5.2.1 Tillförlitlighet i enkäten

Då vi valt att bygga detta examensarbete på framförallt enkätmetoden är det den som utgör den betydande delen för tillförlitligheten i detta arbete. Vi valde att använda oss av enkätfrågor från tidigare vetenskapliga undersökningar (se Motivering till frågor i enkät, kap. 7.3.1.1). Då en del av frågorna är direkt tagna eller något omarbetade från tidigare större

37

vetenskapliga undersökningar kan dessa frågor anses väl genomarbetade och väl testade, med hög reliabilitet och validitet. En av de svåraste frågorna som generade flest frågor från eleverna var frågan angående vad elektrisk ström var. Då majoriteten inte visste vad ström var förtydligade vi frågan med att de istället kunde svara på vad de associerade elektrisk ström med. Hade frågan formulerats som ’vad tänker du på när du hör ordet elektrisk ström?’ hade reliabiliteten och validitet minskat. Den avslutande frågan om var ström och spänning finns var den fråga som kan anses som en av de svåraste frågorna. Frågan kan förefalla något otydlig och har därmed låg reliabilitet och validitet. Då denna enkät behandlar kunskapsfrågor kan fasta svar leda eleverna till vad de tror är rätt svar, vilket i så fall minskar reliabiliteten. Eleverna i intervjun uttryckte vid flera tillfällen att det borde vara ett visst svar men att de själva trodde annorlunda. Huruvida eleverna skulle komma att förstå den schematiska representationen av batterier och lampor diskuterades med ansvarig fysiklärare, men då eleverna har läst ellära ansåg vi att de skulle klara av kopplingsscheman. Vid intervju av elever och vid genomförandet av laborationerna framkom det tydligt att det inte legat någon svårighet i frågorna. Eleverna förstod enkätfrågorna men saknade kunskapen i vissa fall. T.ex. hade eleverna sämre kunskap om vad spänning är än vad ström är. Då eleverna inte vet vad spänning är minskar det validiteten på frågor rörande begreppet spänning. Om enkäten har hög reliabilitet är svårt att avgöra förrän enkäten är utförd. Först då kan man se om en fråga varit otydlig om det finns ett stort partiellt bortfall, om respondenten har svarat på två alternativ eller skrivit dit egna svarsalternativ (Patel & Davidson 2003). Enligt Patel & Davidsson (2003) ger enkätmetoden minst utrymme för att kontrollera tillförlitigheten innan utförandet. Utan ”[d]et enda vi kan göra är att på alla sätt försäkra oss om att individerna som ska besvara enkäten uppfattar den som vi tänkt oss” (Patel & Davidson 2003, s. 102).

7.5.2.2 Tillförlitlighet i intervjuerna

Fördelen med att göra intervjuer är att man kan ställa krångligare frågor (Dahmström, 2005) med större flexibilitet (Bell 2000). Risken vid intervjuer är att man på grund av urvalet får en felaktig bild av materialet (Dahmström, 2005). Då man begränsar sig till ett visst antal elever i sin undersökning finns risken att eleven inte kan delta vid laborationstillfället och på så sätt förlorar undersökningen sin funktion. Att endast låta de elever som deltar i intervjun delta i laborationerna gör att undervisningssituationen inte liknar den som vanligast sker i skolan. Tanken bakom detta examensarbete var att undersöka om laborationer i undervisningen gör skillnad. För att undersöka detta ansåg vi att vårt laborationstillfälle borde vara så likt ordinarie undervisning som möjligt. Då vi verkat i skolan och har kontakt med eleverna ansåg vi att med intervjuer var det lätt att eleverna ser oss som lärare och att vi ser eleverna som elever. Detta kan bidra till viss skevhet då eleverna känner sig osäkra och inte vill svara felaktigt. I den kvalitativa intervjun där frågorna inte har hög strukturering finns det en stor risk för färgning från intervjuaren. Då vi är ovana vid intervjusituationer påverkar vårt kroppsspråk och ordval omedvetet respondenten och dennes svar. Under intervjun gör man även omedvetna val av följdfrågor som är färgade av ens förutfattade idéer (Ejvegård, 2003; Patel & Danielson, 2003) vilket påverkar reliabiliteten och validiteten i intervjun.

38

8 Motivering till laborationen

Samtliga stationer är kopplade till grundläggande begrepp i ellära, däribland spänning och ström, med inspiration ifrån den egna enkätundersökningen samt forskningsresultat av elevföreställningar i ellära (se Elevföreställningar i ellära, kap. 5). Stationerna bygger på en konstruktivistisk lärosyn där eleverna får skapa sig en tanke om vad de tror kommer att hända och åskådliggöra sin modell. Därefter får de testa sin modell och sedan förklara om resultatet motsvarade deras tankemodell. Utformningen av stationslaborationerna motiveras dels av litteraturstudier (se kap 4-5) samt dels av resultatet av den första enkätundersökningen som kan ses i sin helhet i kapitel 9.

8.1 Station 1 - Få lampan att lysa

Denna stationslaboration har vi valt för att öka förståelsen av en enkel elektrisk krets samt två-polighet. Laborationen anser vi ger en överskådlig bild av hur en enkel krets måste kopplas för att lampan skall lysa. Då eleverna på ett lätt sätt får testa sig fram tror vi att eleverna får en tydlig bekräftelse när de kopplat rätt eftersom lampan då lyser. Vi har en förhoppning att eleverna själva, genom kreativt tänkande, inser att det krävs en sluten krets för att lampan ska lysa. Denna station motiveras utifrån undersökningar genomförda bland 1115 elever i årskurs 6-9 samt årskurs 1 och 2 på gymnasiet av Björn Andersson (1989). Denna undersökning visar att en stor del av eleverna har en enpolig lampuppfattning. Cirka 80 % av högstadieeleverna visade på en enpolig syn på lampan medan 90 % av eleverna på gymnasiet utan fysikundervisning också hade en enpolig konstruktion. Enligt vår egna genomförda enkätundersökning visar eleverna på en relativt god uppfattning om lampans tvåpolighet. Dock är det endast 53 % av de 78 eleverna som har svarat helt rätt alternativ i uppgift 8. Skillnaden mellan eleverna i årskurs 7 och 9 anses försumbar.

8.2 Station 2 - Spänning och ström

I denna stationslaboration får eleverna mäta spänning och ström medan vi skapar en elektrisk krets med en lampa. Laborationen syftar till att öka elevernas förståelse kring dels att spänning kan existera utan ström och dels hur spänning och ström skiljer sig åt i en elektrisk krets. Stationen kopplas till fråga 14 i enkät 1, vilken är hämtad ifrån Maichles (enl. Andersson, 1989) undersökning bland västtyska elever i åldrarna 13 och uppåt. Denna fråga är ämnad att kartlägga elevernas förståelse av att spänningen kan finnas även om det inte finns någon ström. Maichles undersökning visar att endast 3,5 % i åldrarna 13-15 besvarade svarade rätt samt att bara 75 % av de blivande fysiklärarna besvarade frågan rätt.(Ibid.) Enligt vår enkätundersökning är eleverna mer benägna att förstå begreppet ström än spänning. I fråga 14 svarade 62 % av eleverna att det endast går ström i figur C men bara 6 % av eleverna svarade att spänning finns i alla tre alternativen. Totalt var det bara 1 elev som besvarade hela frågan korrekt. Elever ser ofta spänning som en del av strömmen och 21 % av

Bild 1. Station 1

39

eleverna svarade att det endast gick ström och fanns spänning i figur C. Mellan årskurserna kunde ingen signifikant skillnad påvisas.

8.3 Station 3 – Strömmen i kretsen

Målet med denna stationslaboration är att eleverna skall överge källa-förbrukarmodellen eller sekvenstänkandet, det vill säga att de tror att lampan förbrukar ström eller påverkar den (Ibid.). I laborationen kommer eleverna att mäta strömmen både före och efter för att se att strömmen är konstant. Tanken är att vi som lärare inledningsvis för upp en dialog med eleverna om vad de anser kommer att hända för att se om de besitter ovanstående modeller. Efter stationen tas återigen en dialog upp med eleverna där de får diskutera om hur deras tankemodeller och resultat hör ihop. Vår enkätundersökning visar att 43-47 % av eleverna använder sig av en strömmodell där strömmen är konserverad. Dock visar undersökningen att eleverna inte alltid är konsekventa i sina modeller då de svarar olika i två nästintill identiska frågor. Det fanns en signifikant skillnad mellan 7:or och 9:or i fråga 13, vilken modell som bäst beskriver deras modell av ström. Bland 7:orna ansåg hela 60 % att modell D var rätt medan bara 20 % av 9:orna valde modell D.

8.4 Station 4 – Lampor i serie

Denna stationslaboration ämnas till att öka förståelsen kring hur ljusstyrkan förändras hos lampor då dessa kopplas i serie. Genom att genomföra de två kopplingarna samtidigt är det lätt och överskådligt för eleverna att observera skillnaden. Om eleverna resonerar enligt någon av de vanligaste strömmodellerna är en logisk följd att strömmen ändrats i kretsen och att lamporna borde lysa olika. Då de kopplar in tre lampor i serie kan de se att ljusstyrkan för de identiska lamporna är densamma. När mittenlampan sedan skruvas ur är vi återigen inne på förståelsen att det krävs en sluten krets för att lamporna skall lysa. I fråga 9 i enkäten svarar 55 % av eleverna att lamporna lyser lika starkt. Skillnaden mellan årskurserna är liten men ändå nämnvärd då det finns korrelation mellan variablerna.

Bild 2: Station 3

Bild 3: Station 4

40

8.5 Station 5 – Parallella lampor

I denna station skall eleverna följa samma mönster som i ovanstående station, men i denna kopplas lamporna parallellt. Genom att införa denna station tror och hoppas vi att öka förståelsen och kunskapen om spänning och ström i en parallellkoppling. En vanlig föreställning som eleverna har är att det kommer en given mängd ström ifrån batteriet oavsett i vilken krets denna kopplas in i (Cohen et al, 1983). Om eleverna har denna föreställning är det vanligt att de tror att strömmen delar upp sig i parallellkoppling så att lamporna får mindre ström och därför lyser svagare (Ibid.). Vår enkätundersökning visar att elevernas uppfattning kring parallella lampor är skiftande. 51 % av eleverna anser att parallellkopplade lampor lyser avsevärt olika starkt, medan 37 % av eleverna anser att de lyser ungefär lika starkt. Frågan visar också att det råder en klar skillnad mellan årskurserna. 44 % av eleverna i årskurs 7 svarar korrekt medan endast 26 % av eleverna i årskurs 9 svarar rätt. Denna snedfördelning hoppas vi kunna förändra till det bättre under laborationen.

Bild 4: Station 5

41

9 Resultatbeskrivning

9.1 Elevsvar på kunskapsfrågor i ellära

Vi grundar denna och nästa del av resultatbeskrivningen på den undersökning som gjordes innan laborationen. Antalet svarande på första enkätundersökningen var 77 elever. Numreringen av frågorna hänvisar till enkät 1 (se Bilaga 1).

9.1.1 Vad är ström?

Vi fann på frågan Vad är elektrisk ström (uppgift 7 i enkät 1, se Bilaga 1) att endast 16 % av 77 elever svarade att ström var någon slags partikel (se Diagram 1). Det var dock ej specificerat om partikeln var i vila eller i rörelse. Exempel på svar var elektroner, molekyler, laddningar och elektriskt laddade atomer. Av dessa 16 % svarade 25 % att ström var elektroner som rör på sig. Totalt sätt var det endast 5 % av eleverna som gav ett korrekt svar. Då uppgiften var utformad som en öppen fråga fick vi svar som hamnade i flera kategorier därför är den totala svarsfrekvensen högre än antalet svarande. Den största svarsfrekvensen, 48 %, fanns bland synonyma uttryck där eleverna svarade i ord som el, ström, elektricitet och energi. I kategorin strömmens effekter fanns svar såsom gör att lampor lyser, gör att saker

fungerar och lampor. I kategorin strömkällor fanns svar som uppgav var strömmen kommer ifrån, såsom olika kraftverk och vägguttag. Under övrigt hamnade de som inte svarade och de som svarade vet ej.

Diagram 1: Svarsfördelning fråga 7 – vad elektrisk ström är. (Antal svarande: 77)

9.1.2 Den slutna kretsen

Uppgift 8 bestod av en flervalsfråga där eleverna skulle ta ställning till om en lampa kopplad till ett batteri lyste eller ej. Skillnaden mellan bilderna var hur sladdarna var anslutna till lampan. I figur A var sladdarna anslutna till glödlampans underdel, i figur B till lampans skruvgängor och i figur C, rätt alternativ, var en sladd ansluten till lampans underdel och den andra var ansluten till lampans skruvgängor. Majoriteten, 70 % av eleverna, svarade att lampa C lyste (se Diagram 2). Det var dock bara 53 % av 77 elever som svarade helt korrekt,

42

det vill säga att endast lampa C lyste. Nästan 5 % av eleverna svarade att alla lamporna lyste medan 5 % svarade att ingen av lamporna lyste.

Diagram 2: Svarsfrekvens på fråga 8 – Den slutna kretsen. (Antal svarande: 77)

9.1.3 Strömmens styrka i kretsen

Uppgift 9 gick ut på att besvara frågan om hur strömmen i en enkel krets, ett batteri kopplat till en lampa, förhöll sig före och efter lampan. Vi fann att 47 % av eleverna trodde att strömmen var konstant (rätt svar) medan 43 % av eleverna svarade att strömmen var olika stor före och efter lampan (se Diagram 3). Cirka 10 % av eleverna trodde att det inte gick någon ström efter lampan.

Diagram 3: Svarsfördelning fråga 9 – Strömmens styrka i en enkel krets. (Antal svarande 77)

På fråga 13 där eleverna ombads markera den bild som representerades deras syn på hur ström går till och från en lampa som lyser fick vi ett liknande resultat. I denna fråga beskriver modell A det fall där strömmen går genom endast en sladd från batteriet till lampan. Modell B innebär en teori där en minusström från batteriets minuspol och en plusström från batteriets

43

pluspol möts i lampan varpå den lyser. Modell C representerar modellen där strömmens styrka minskar efter lampan. Den korrekta modellen, modell D, är då strömmen är lika stor i hela kretsen. Vi fann att 39 % av eleverna svarade korrekt (se Diagram 4). Den näst populära modellen var modell C med 34 %. Trots att denna och föregående fråga påminner starkt om varandra kunde vi inte påvisa någon korrelation mellan frågorna.

Diagram 4: Svarsfördelning fråga 13 – Strömmodell (Antal svarande: 77)

9.1.4 Seriekopplade & Parallellkopplade lampor

Fråga 10 undersökte vad eleverna visste om seriekopplade lampors ljusstyrka. Frågan ställdes hur två seriekopplade lamporna A:s och B:s ljusstyrka förhöll sig till varandra, där lampa A var första lampan sett i strömmens riktning. Seriekopplar man identiska lampor kommer deras ljusstyrka att vara densamma. Vi fann att 51 % svarade att lamporna lyste lika medan 39 % av eleverna svarade att de lyste olika (se Diagram 5). Även en liten del av eleverna trodde att endast den ena lampan lös.

Diagram 5: Svarsfördelning för fråga 10 – seriekopplade lampor. (Antal svarande 77)

44

I frågan om hur två parallellkopplade lampor A och B lyste i förhållande till varandra (fråga 12) där lampan A var den lampa som var närmast batteriet i den schematiska bilden, svarade endast 39 % av eleverna korrekt, att båda lamporna lyste lika starkt. Hela 49 % av eleverna svarade att lamporna lyste olika. Även en lite grupp på 10 % trodde att bara en lampa lyste (se Diagram 6).

Diagram 6: Svarsfördelning för fråga 12 – Parallellkopplade lampor. (Antal svarande: 77)

9.1.5 Spänning

I uppgift 11 frågade vi vad spänningen över lampan i en enkel krets var då batteriets spänning var given. 46 % av eleverna svarade att spänningen över lampan var lika stor som över batteriet (rätt svar) medan 42 % av eleverna svarade att spänning var olika (se Diagram 7).

Diagram 7: Svarsfördelning fråga 11 – Spänningen över en lampa (Antal svarande: 77)

45

9.1.6 Ström och spänning

Den avslutande frågan, fråga 14 i enkät 1 (se Bilaga 1) bestod av en flervalsfråga där eleverna ombads svara på om det fanns spänning eller gick ström i tre olika bilder. Bild A föreställde ett vanligt batteri där det finns en spänning mellan dess poler. Nästa bild, bild B, föreställde ett batteri och en lampa som var sammankopplade med endast en sladd. Då detta inte är en sluten krets flyter ingen ström men det finns fortfarande en potentialskillnad i batteriet. Bild C föreställde en sluten krets där det både går ström i kretsen samt finns spänning över både batteriet och lampan. 79 % av eleverna svarade att det gick ström i bild C dock var det bara 60 % av eleverna som svarade helt korrekt, att det endast gick ström i bild C (se Diagram 8). På frågan om i vilka bilder som där fanns spänning var svarsfrekvensen mindre och det var mindre skillnad mellan svarsalternativen. Endast 8 % av 77 elever svarade rätt på frågan om spänning, det vill säga att det fanns spänning i alla tre bilderna.

Diagram 8: Svarsfördelning fråga 14 – Går det ström i bilden? Finns det spänning i bilden? (Antal svarande: 77)

46

9.2 Skillnad i svar mellan årskurserna

För att få en uppfattning av elevernas samlade resultat beräknades antalet rätt. Maxpoäng var 15 poäng. Då vi summerade elevernas resultat och jämförde medelvärdena fanns det ingen signifikant skillnad mellan årskurserna. Niornas medelvärde var något bättre än årskurs 7:s medelvärde (se Tabell 4 samt Diagram 9).

Lådagrammet nedan visar fördelningen bland antal rätt. Lådans underkant representeras av 1:a kvartilen och lådans överkant av 3:e kvartilen, det vill säga lådan täcker 50 % av svaren. Markerat i lådan är medianen, resten av värdena representeras av "spröten". I årskurs nio fanns även ett extremvärde, markerat med en ring då detta är uteliggare, det vill säga längre än 1,5 kvartilavstånd från 3:e kvartilen.

Diagram 9: Svarsfördelning antal rätt jämfört på årskurserna (Antal svarande: 45 resp. 32)

Tabell 4: Antal rätt på enkät 1

Årskurs Antal Medelvärde

7 45 7,8 Antal poäng

9 32 8,2

47

Vid jämförelse mellan årskursernas svar fråga för fråga fann vi små skillnader men i två frågor var skillnaden tydlig. Ena frågan rörde hur ljusstyrkan för två seriekopplade lampor, A och B (där lampa A är första lampan sätt ur strömmens riktning) förhöll sig. Där fanns en tydlig skillnad mellan årskurserna. 7:orna svarade rätt i större utsträckning än 9:orna (se Diagram 10).

Diagram 10: Svarsfördelning för fråga 10 – Seriekopplade lampor uppdelat på årskurs.

(Antal svarande: 45 resp. 32) Den andra frågan där det fanns en tydlig skillnad var på fråga 12, vilken strömmodell som eleverna ansåg var korrekt. 7:orna svarade i störst utsträckning modell D (strömmen konserverad i kretsen) medan 9.orna till största del ansåg att modell C (strömmen förbrukas i kretsen) vara riktigast (se Diagram 11).

Diagram.11: Svarsfördelning fråga 13 – Strömmodell uppdelat på årskurs.

(Antal svarande: 45 resp. 32)

48

9.3 Intervjuer

Följande intervjuer genomfördes efter enkät 1 samt innan laboration. Detta är en resultatsammanställning av intervjuerna. Numreringen av frågorna hänvisar till enkät 1, se Bilaga 1. Elevernas namn är fiktiva.

9.3.1 Intervju med Anna

Anna går i årskurs 9 och har betyget VG i NO. I enkäten har Anna fyllt i svaren enligt källa-förbrukarmodellen och ett energitänkande. På frågan om vad elektrisk ström är svarar hon att det är någon form av energi som får saker att fungera, t ex lampor och köksmaskiner. Hennes bild av ström är att energin leds i sladdar men för att energin ska flöda måste sladden vara inkopplad i ett vägguttag. I uppgift åtta som kartlägger elevernas förståelse av en enkel sluten krets (ett batteri och en lampa) har Anna svarat att både lampa B och lampa C lyser. Vid intervjun menar hon att i figur A (där sladdarna ansluts endast till lampans underdel) går strömmen "förbi lampan" så att den inte lyser. I uppgift nio och 13 (strömmens väg och storlek i kretsen) har Anna svarat att det endast krävs att det går ström i en sladd mellan batteriet och lampan. Den andra sladden fyller ingen funktion. Hon menar att strömmen från batteriet "den försvinner i lampan". I en seriekoppling med två lampor kommer därmed endast första lampan, lampa A, att lysa och att den lampan "tar all ström". Då vi ber henne jämföra sina svar om hur strömmen går i en krets, uppgift nio och 13 med bild B i uppgift 14, anser hon att även denna lampa bör lysa även om hon inte svarat detta i enkäten. Enligt Anna går det ingen ström efter lampan. Anna har svarat att det även finns spänning i bild 14 C men vet inte vad spänning är, men tror ändå att den finns i lampan.

9.3.2 Intervju med Bella

Bella går i årskurs 9 och har betyget VG i NO. I enkäten har Bella svarat efter en så kallad C-modell, sekvenstänkande källa-förbrukarmodell där ström förbrukas i kretsen. För Bella är ström något "som framställs i vattenverk och blir till el som transporteras i ledningar". Någon djupare förklaring än att ström är elektricitet kan Bella inte ge. På frågan om hur man kopplar en lampa till ett batteri så att lampan lyser har hon i enkäten svarat att båda sladdarna ska anslutas till skruvgängorna. I intervjun börjar hon dock resonera och tror inte längre att detta är rätt eftersom "man kan ju inte sätta sladdar på det gråa

(skruvgängorna)". I vanliga lampor brukar lampan "sitta i en behållare". Från hennes resonemang kommer hon till slut fram till att ingen lampa borde lysa med relation till hennes egen vardagsuppfattning av lampor. I uppgift nio och 13 (strömmens väg och storlek i kretsen) har Bella svarat olika, dels att strömmen är konstant och dels att strömmen minskar efter lampan. Då hon tänker efter under intervjun kommer hon fram till att strömmen minskar efter lampan med resonemanget att "strömmen kommer ifrån plus till lampan där den

förbränns och sen så är det mindre kraft". Detta resonemang leder till att seriekopplade lampor lyser olika mycket. I uppgift 12 om parallellkopplade lampor har Bella svarat att endast lampa A lyser (lampan närmast batteriet), men vid intervjun tror hon att båda lamporna lyser lika eftersom strömmen bara delar upp sig. På sista frågan, uppgift 14, har hon svarat att det går ström i figur C (lampa kopplat till batteri med två sladdar) och spänning i både figur C och B (lampa kopplat till batteri med en sladd). Enligt henne finns det ingen spänning i A (endast ett batteri) eftersom, "där är ju ingen

49

lampa" men fortsätter, "det är spänning i batteriet men det blir inte förbrukat av någonting

där inte finns någon". Spänningen kan alltså förbrukas om det finns en lampa, fast i figur B

finns fortfarande elektricitet men den kommer inte ut i lampan". På intervjufrågan om vad spänning är svarar Bella att "alltså typ i batteriladdare i bilen. Om

man tar dom mot varandra så blixtrar det i laddningsgrejer. Det är en form av spänning.

9.3.3 Intervju med Calle

Calle går i årskurs 7. På frågan om vad ström är (uppgift sju) svarar Calle att det är elektriskt laddade atomer, så kallade joner. "Man kan säga att det är en liten gubbe som värmer upp

någonting så blir det ström".

I uppgiften med olika lampkopplingar (uppgift åtta) lyser alla lampor enligt Calle, eftersom "kretsen måste vara sluten för att lampan skall kunna lysa. Så länge som sladden går till

metallen så tror jag att lampan lyser".

På uppgift nio och 13 (strömmens väg och storlek i kretsen) så svarar han att strömmen är större före lampan än efter. Detta eftersom "strömmen går igenom A först, innan den hinner

igenom B och lampan tar ström" På följande fråga om seriekopplade lampor (uppgift 10) hade han dock svarat att seriekopplade lampor lyser lika men vid intervjun tycker Calle att lampa A (första lampan i strömmens riktning) borde lysa starkare eftersom "det kommer mer

ström till A innan den går vidare till B. Lampa A tar ström och skickar vidare 'efterström',

tror jag".

På uppgift12, parallellkopplade lampor, svarade Calle att lampan längst bort ifrån batteriet skulle lysa starkast. Vid intervjun vill han ändra sitt svar till att båda lamporna i parallellkopplingen lyser lika starkt eftersom "det går ju en sladd igenom båda så det borde

vara samma". På sista frågan, uppgift 14, hade Calle svarat att det endast gick ström och spänning i figur C (enkel sluten krets), detta eftersom det "i batteriet finns ström, eller ja…spänning". Enligt hans resonemang är det bara lampa C som lyser "för där är kretsen sluten". På följdfrågan om det går ström i figur A(i batteriet) svarar Calle att det finns ström igenom batteriet. Samma gäller för figur B (lampa kopplat till batteri med en sladd). Calle menar att det inte går någon ström igenom lampan "för där kan det inte hända någonting" utan strömmen finns i batteriet. Spänning finns varken i figur A eller B enligt Calle även om han uttrycker det som att ström och spänning är samma sak.

9.3.4 Intervju med Danielle

Danielle går i årskurs 7 och enligt henne är ström något som finns i husen, "typ elektriska

atomer". I uppgift åtta (hur man kopplar en lampa till ett batteri) lyser alla lampor oavsett hur lampan och batteriet kopplas ihop eftersom det "blir sluten krets i alla tre". ”Men jag tror att

det kan vara en uppe och en nere, som i figur C (sladdarna anslutna korrekt)". Danielle har en källa-förbrukarmodell och anser att strömmen minskar i kretsen "För att den först går

igenom A och sen får lampan det mesta av det som kommer i den. Och resten kommer sedan

ut." Trots detta tror hon också att strömmen är konserverad i kretsen då hon besvarat uppgift 13 (strömmens väg och storlek i kretsen) med resonemanget" Jag tror att det är bägge

(modeller) men jag tror mest att det är figur tre (strömmen är inte konserverad.)."

På uppgift 10 med seriekopplade lampor ändrar hon sitt svar till att "Jag tror att A (den första lampan i strömmens riktning) lyser starkare eftersom det kommer mer ström dit." I fallet med parallellkopplade lampor tror Danielle bara att lampan närmast batteriet lyser eftersom "strömmen går bara igenom någon av lamporna. Jag vet inte vilken".

50

På sista frågan svarar Danielle att "det finns ingen ström och spänning i A (endast batteri), men jag vet inte riktigt vad spänning är. I B (batteri och lampa sammankopplat med en sladd)

är det ingen sluten krets och jag tror inte att det finns någon spänning heller. I C (batteri och lampa sammankopplat med två sladdar) tror jag att det går både och. Jag tror att spänning

är typ det som går i lampan så att det lyser".

9.3.5 Intervju med Emil

Emil går i nionde klass och har betyget MVG i NO. På frågan om vad ström är svarar han att ”det blir ström då man kopplar ihop polerna (på batteriet). Då blir det negativa och positiva

elektroner. Elektronerna är positivt eller negativt laddade joner”. På frågan om hur batteriet ska kopplas till en lampa har han en klar en bild av att ”det (sladdarna från batteriet) behöver

kopplas till metallen (skruvgängorna på lampan) och den nedre pricken (lampans underdel)”. Om sladdarna inte kopplas rätt så lyser inte lampan ”för då kan de två polerna inte träffas”.. På uppgift 9, strömmens storlek i kretsen, tror Emil att strömmen är större före lampan än efter lampan ty ”vad jag kommer ihåg så tar lampan ström så den blir svagare efter

lampan”. Utifrån denna bild av strömmen i kretsen följer att lampor i serie lyser olika då strömmen förbrukas enligt Emil. I fallet med parallellkopplingen anser Emil att lamporna lyser olika och lampan närmast batteriet lyser starkast. Detta för att ”strömmen väljer den

närmsta vägen”.

På intervjufrågan om vad spänning är svarar han osäkert att spänning är styrkan på strömmen. " Det är ju samma sak. Eller…det är inte samma sak man har ju volt och watt" och hävdar också att volt är enheten på ström. I sista uppgiften svarar Emil att det endast går ström i bild C (batteri och lampa sammankopplat med två sladdar), eftersom där är en sluten krets. I enkäten trodde han att spänning fanns i bild B (batteri och lampa sammankopplat med en sladd) och C ( enkel elektrisk krets) men vid intervjun anser han att det inte borde vara spänning i figur B eftersom ”det är ju inte kopplade (direkt till lampan)”. Det borde krävas att det är en sluten krets för att spänning ska finnas. Samtidigt resonerar Emil att det "kanske

finns spänning i batteriet".

9.3.6 Intervju med Felicia

Felicia går i årskurs 9 och har betyget MVG i NO. Felicia har på uppgift sju (vad ström är) svarat att ström kommer från elektrisk energi, där olika sorters energi som värme och rörelseenergi omvandlas till ström. I uppgift åtta (hur man kopplar en lampa till ett batteri) resonerar hon följande ”I figur A

(lampa felaktigt ansluten) går strömmen inte igenom lampan eftersom den går en kortare väg

igenom sladden. Och i figur B (lampa felaktigt ansluten) är glödtråden inte ihopkopplad med

sladden. Men i C (lampa rätt ansluten) är det ihopkopplat och det finns inga genvägar för

elektronerna att ta”. Felicia förklarar att elektroner är små partiklar som går från plus till minus. På intervjufrågan om hur elektronerna hänger ihop med ström menar hon att elektronerna är strömmen ”på något sätt”. Hon relaterar sina tidigare svar med att ström är energi och menar vidare att energin omvandlas till ström när elektronerna laddas med energi. På uppgift nio (Strömmens styrka och storlek) anser Felicia att strömmen är lika stor i hela kretsen eftersom strömmen ”inte [kan] smita iväg någonstans”. I fallet med parallellkopplade lampor resonerar hon att lampa A (den närmast batteriet) lyser starkast eftersom det till lampa A är en kortare väg så att bara några få elektroner väljer den bortre lampan. Hur många elektroner beror på hur trångt det är i sladden (resistansen).

51

Felicia vet inte vad spänning är men tror att spänningen är densamma hela tiden (uppgift 11). I sista uppgiften i enkäten tror hon att det bara finns spänning då plus och minus är ihopkopplade. Samma sak gäller för att det ska gå ström. Den ska ha” någonstans att ta

vägen”. Ur hennes resonerande kommer hon fram till att spänning och ström är samma sak.

9.3.7 Intervju med Gustav

Gustav går i nionde klass och har betyget MVG i NO. Gustav menar att elektrisk ström är spänning, att det i strömmen finns spänning. Går det ström finns det spänning. ”Elektricitet

[…]kommer ifrån vindkraftverk och kärnkraftverk. I lampor som kommer via kablar”, men det finns ingen ström i kablarna när de inte är inkopplade. I följande fråga, (uppgift åtta), har Gustav svarat att endast lampa C lyser (Rätt ansluten lampa). Detta för att lampan, enligt honom själv, är kopplad till både plus- och minuspolen på lampan. De andra lamporna är kopplade till bara en av polerna. Jämför man med sista uppgiften anser Gustav att det bara finns spänning och ström i figur C (rätt ansluten lampa), eftersom strömmen måste kunna gå runt. Samma gäller för spänning. I de övriga figurerna är där ingen kontakt mellan polerna. Då han jämför uppgift nio och 13 (strömmens väg och storlek i kretsen) där han svarat olika menar Gustav att ”strömmen går runt” och att den är ”lika stor överallt”. Med detta resonemang följer att seriekopplade lampor lyser lika, vilket Gustav har svarat. Han menar på att strömmen är lika stark i hela kretsen och att tråden i lampan bara brinner. I uppgiften med parallellkopplade lampor lyser bara den lampa som är närmast batteriet eftersom strömmen ”tar den närmsta vägen”. I uppgift 11 resonerar han att spänningen minskar i kretsen ”Den tappar kanske kraft på

vägen från strömknappen (batteriet)” och ” försvinner genom hål i ledningen”.

52

9.4 Skillnader före och efter laborationen

Efter laborationen genomfördes den andra enkäten vars resultat jämfördes med enkät 1. Detta för att undersöka hur laborationen påverkat elevernas kunskaper i ellära. Jämför man den totala poängen så har det skett en ökning med 6.09,1 ± poäng, med andra ord en statistiskt säkerställt skillnad (se Tabell 5). Skillnaden var dock inte stor men signifikant.

Tabell 5: Antal rätt före och efter laboration

Tidpunkt Antal Medelvärde Standard avvikelse

Före 77 7,9 2,1 Antal rätt

Efter 73 9,8 1,9

Ovanstående tabell beräknades på de elever som deltog vid respektive enkätundersökning. Alla elever deltog inte i undersökningens samtliga delar. Jämför vi de elever som deltog i projektets alla tre delar fann vi att poängskillnaden var 1.6±0.6 poäng. Skillnaden mellan årskurserna var mindre. Sett till standardavvikelsen som minskat innebär det att det inte var lika stor spridning på resultatet, vilket även visas i diagrammet nedan (se Diagram 12). Lådagrammet nedan visar fördelningen bland antal rätt. Lådans underkant representeras av 1:a kvartilen och lådans överkant av 3:e kvartilen, det vill säga lådan täcker 50 % av svaren. Markerat i lådan är medianen, resten av värdena representeras av "spröten". Extremvärden är markerade med ring.

Diagram 12: Antal rätt jämfört med tidpunkt (Antal svarande: 77 resp. 73)

53

9.4.1 Vad är ström?

På frågan om vad ström är har det skett en tydlig skillnad då 30 % av eleverna svarade att ström var någon slags partikel, en ökning med 14 procentenheter (se Diagram 13). Vid den avslutande enkätundersökningen svarade 11 % av eleverna korrekt att ström är elektroner som rör på sig. Exempel på andra svar inom kategorin partiklar, var bland annat elektroner, joner, atomer och joner som rör på sig. Inom kategorin synonymer var det vanligast svaret energi följt av el. I de övriga kategorierna skiljde sig de olika svarsalternativen inte mycket från den första enkäten.

Diagram 13: Svarsfördelning fråga 7 – vad elektrisk ström är, uppdelat på tidpunkt

(Antal svarande: 77 resp. 73)

9.4.2 Den slutna kretsen

I uppgiften, fråga 8, om hur en lampa ska kopplas för att lysa fann vi en påtaglig förbättring. De elever som svarade helt rätt på frågan hade ökat från 53 % till 70 % (se Diagram 14).

Diagram 14: Svarsfrekvens på fråga 8 – Den slutna kretsen, före och efter.

(Antal svarande: 77 resp. 73)

54

9.4.3 Strömmens styrka i kretsen

På fråga 9 om hur strömmens storlek i en enkel krets förhöll sig före och efter en lampa, skedde det en tydlig förbättring (se Diagram 15). Andelen elever som svarade korrekt, att strömmen är konserverad i kretsen, hade ökat från 48 % till 69 %. Andelen elever som svarade att strömmens storlek var olika före och efter lampan hade minskat från 43 % till 27 %.

Diagram 15: Svarsfrekvens på fråga 9 – Den slutna kretsen, före och efter

(Antal svarande: 77 resp. 73) Även på den liknande frågan om vilken strömmodell (fråga 13) eleverna ansåg var rätt hade det skett en tydlig förändring (se Diagram 16). Andelen elever som svarade rätt, modell D (strömmen konserverad i kretsen), hade ökat från 40 % till 60 %. Andelen elever som svarat på de andra modellerna, förbrukning av ström (modell C), mötande strömmar (modell B) minskade. Andelen elever som svarade modell A (ström endast i en sladd) förändrades inte nämnvärt.

Diagram 16: Svarsfrekvens på fråga 13 – Strömmodell, före och efter

(Antal svarande 77 resp. 73)

55

9.4.4 Seriekopplade och Parallellkopplade lampor

I fråga 10 om hur seriekopplade lampor A & B lyser i förhållande till varandra, där lampa A var första lampan sett i strömmens riktning, fann vi en klar förbättring som var påtaglig (se Diagram 17). Andelen elever som svarade korrekt, att båda lamporna lyser lika, hade ökat från 51 % till 74 %. Andelen elever som svarade att lamporna lyste olika starkt minskade från 40 % till 22 %.

Diagram 17: Svarsfrekvens på fråga 10 – Seriekopplade lampor, före och efter

(Antal svarande: 77 resp. 73)

Även på frågan om parallellkopplade lampor fanns en skillnad. Andelen elever som svarade rätt hade ökat från 39 % till 63 % medan andelen som svarade att lamporna lyste olika hade minskat från 49 % till 29 % (se Diagram 18).

Diagram 18: Svarsfrekvens på fråga 10 – Parallellkopplade lampor, före och efter

(Antal svarande: 77 resp. 73)

56

9.4.5 Ström och spänning

Även på sista uppgiften, fråga 14a, hade andelen elever som svarade helt rätt på uppgiften ökat med 28 procentenheter, från 60 % till 88 % (se Diagram 19). På motsvarande fråga om spänning, 14b, fanns det en minimal förändring från 8 % till 12 % som dock ej var statistiskt säkerställd. På den avslutande enkätundersökningen var det endast en elev (1 %) som inte ansåg att det gick ström i figur C, den slutna kretsen, vilket kan jämföras med enkät 1 då 21 % av eleverna inte trodde att det gick ström i figur C.

Diagram 19: Svarsfördelning fråga 14 före och efter – Går det ström i bild? Finns det spänning i bild? (Antal svarande: 77 resp. 73)

9.5 Elevernas utvärdering

Eleverna fick i den avslutande enkäten utvärdera den genomförda laborationen genom att ta ställning till tre påståenden rangordnade från 1 till 5. Första påståendet rörde laborationens svårighetsgrad där 1 motsvarade svår och 5 lätt. I nästa påstående efterfrågades laborationens underhållningsvärde där 1 innebar tråkig och 5 rolig. I det sista påståendet frågade vi om eleverna ansåg att de lärt sig något. Här motsvarade 1 lite och 5 mycket. Från utvärderingen fann vi att eleverna tyckte laborationen var lagom svår, på gränsen till lätt, och varken tråkig eller rolig (se Tabell 6). Majoriteten tyckte ändå att de lärde sig något.

Tabell 6: Svar utvärderingsfrågor

Medelvärde Antal svarande

Hur lätt laborationen var 3,5 71

Hur roligt laborationer var 2,7 71

Lärde sig något 3,2 72

57

10 Analys och diskussion

I följande analys diskuterar vi kring de resultat som vår undersökning visat samt hur den förhåller sig mot tidigare forskningsresultat.

10.1 Diskussion av resultat

Att elevers förståelse är begränsad kring vad ström är visar både vår undersökning och tidigare forskningsresultat (se Elevföreställningar i ellära, kap. 5). Björn Andersson har klart visat att elevers kunskap att ström är elektroner i rörelse är ytterst begränsad. Första enkätundersökningen visade att endast 5 % av de 77 tillfrågade svarade korrekt. Likt Björn Andersson visade även vår undersökning att eleverna fortfarande besitter en partikelmodell av ström. Att sedan uppfattningen av de olika partiklarnas uppgifter är mindre självklar kan ha flera förklaringar. En möjlighet skulle kunna vara att man diskuterar de olika partiklarna i de olika naturvetenskapliga ämnena och att eleverna helt enkelt blandar ihop dem med varandra. Vad uppgiften i enkät 1 också visade var att 49 % relaterade ström till vardagserfarenheter såsom en förutsättning för att en lampa lyser. Man kan i detta avseende inte säga att eleverna svarade felaktigt eftersom en lampa självklart inte kan lysa om det inte går ström. Men samtidigt visar också detta svar på att elevens naturvetenskapliga tänkande och förståelse inte är tillräckligt utvecklat. Elevernas kunskap kring lampor och hur de ska kopplas till batterier för att de ska lysa visade sig vara relativt god. Tidigare forskningsresultat av Björn Andersson visar på att 80 % av 1115 tillfrågade elever på högstadiet hade en enpolig lampuppfattning. Vår enkät visade dock på att 53 % av 77 elever svarade korrekt, tvåpoligt. Skillnaden mellan årskurserna ansågs vara försumbar. Enkätundersökningen efter laborationen visar på en ökning upp till 69 %, vilket är en klar förbättring. Anledningen till denna förbättring skulle kunna tänkas vara att eleverna med hjälp av tankemodeller i stationslaboration 1 fick testa sig fram i hur de trodde att lampan skulle kopplas. Problematiken med denna stationslaboration, vilket säkert påverkade antalet korrekta svar, var att komponenterna var små och det kunde vara svårt att själv hålla ihop alla delar. Möjligheten finns att eleverna inte observerade tillräckligt hur de kopplade utan rörde sladdarna till de områden på lampan och batteriet som gjorde att lampan började lysa. Laborationen samt enkätundersökning visar på att eleverna inte alltid reflekterar kring vad de gör och varför saker sker. För att ytterligare förklara för eleverna varför de måste koppla som de gör skulle man kunna tänka sig att förstora en lampa i genomskärning för att visa dess två poler och hur strömmen flödar i komponenten. Med den nionde uppgiften i enkät 1 (se Bilaga 1) om strömmen i kretsen ville vi framförallt undersöka om eleverna besatt en källa-förbrukarmodell. Denna modell har i en rad undersökningar, däribland av Björn Andersson (1989, 2002) och Shipstone (enl. Driver et al 1994) visat sig vara den modell inom ellära som eleverna använder sig av då de vill förklara hur strömmen flödar och förändras i en krets. Resultatet av vår undersökning visade att 43 % av eleverna ansåg att strömmen var olika stor före och efter lampan. Detta förvånade inte oss, då tidigare forskningsresultat visade på att så sannolikt skulle vara fallet. Vid intervjuer med elever innan laborationstillfället svarade eleverna att de trodde lampan förbrukade strömmen. Efter laboration fann vi att andel elever som ansåg att strömmen var olika stor före och efter lampan sjunkit till 27 %. Att det fortfarande var så pass många elever som svarade likt en felaktig tankemodell skulle kunna förklaras med att laboration inte varit tillräckligt utmanande. Det kan även bero på att eleverna inte var tillräckligt engagerade under

58

laborationstillfället eller att de inte litade på att den korrekta modellen stämde. Att skillnaden mellan årskurserna inte var signifikant förvånade dock eftersom eleverna i årskurs 7 två månad tidigare hade undervisats i ellära. Att eleverna inte hade bättre kunskaper i ellära skulle kunna bero på att de istället för att resonera ur ett fysikaliskt perspektiv i större utsträckning resonerar enligt ett mer vardagligt resonemang där någonting som är i vägen i kretsen, i vårt fall lampan, skulle påverka strömmens styrka. Likaså skulle man kunna förklara att 10 % av eleverna ansåg att strömmen var noll efter lampan. Att niornas svar inte var bättre trots mer fysikundervisning än sjuorna skulle kunna förklaras med att de nyligen hade diskuterat energi och energianvändning och på så sätt relaterade uppgiften till detta. Hur eleverna använder källa-förbrukarmodellen visade sig också i den trettonde uppgiften i enkät 1 om fyra strömmodeller (Cosgrove et. al. refererad i Andersson, 1989). Då vi producerade enkäterna hade vi en förhoppning om att denna uppgift skulle korrelera med uppgift nio, vilket den inte gjorde. Detta kan bero på frågornas utformning men även på att eleverna inte är konsekventa i sitt tänkande. 40 % av eleverna svarade korrekt på fråga 13 i första enkäten, det vill säga att strömmen var lika stor före och efter lampan. Detta ökade sedan till 60 % på enkät två. Denna ökning skulle kunna förklaras med samma argument som i uppgift nio. Vad man skulle kunna tänka sig krävs i denna situation är att ytterligare utmana elevernas föreställningar med en liknande laboration. Att endast utmana elevens föreställningar under en kort tid, exempelvis under vår stationslaboration, kan resultera i att eleven väljer att modifiera sin felaktiga tankemodell för att den ska passa med den nya informationen, detta istället för att överge den enligt naturvetenskapen otillräckliga tankemodellen helt. För att lösa denna problematik har vi en tanke om att man skulle kunna utföra liknande experiment som visade på samma resultat. På så sätt skulle elevens föreställning störas ytterligare till förmån för att en korrekt tankemodell konstrueras. Likaså visade undersökningen en signifikant skillnad mellan årskurserna. I årskurs 7 svarade 60 % av eleverna att de ansåg att strömmodell D var korrekt till skillnad från årskurs 9 där endast 20 % av eleverna trodde på en strömmodell D. Bland eleverna i årskurs 9 var strömmodell C det vanligaste svarsalternativet. Denna skillnad beror troligen på att sjuornas precis genomförda undervisning i ellära haft effekt. Uppgift 10 och 12 i enkät 1 (se Bilaga 1) behandlade serie- och parallellkopplingar av lampor. Uppgifterna togs med för att visa på sekvenstänkande och källa-förbrukarmodell i elevernas tankesätt. Vi förstod att dessa kopplingar skulle bidra med en del förvirring om rätt och fel då det är lätt att missta sig med vad som händer. Andersson (1989) menar att det logiskt sett är lätt att tänka sig att strömmen förbrukas i lamporna eller delar upp sig i såväl serie- som parallellkopplingen. Vår undersökning visade att förståelsen kring seriekoppling av lampor var betydligt lättare att förstå än parallellkoppling, något som inte förvånade oss då forskningen pekat på att parallellkoppling är ett svårare begrepp (Tsai et. al., 2007). 51 % av eleverna ansåg att lamporna i en seriekoppling lyste lika starkt medan 39 % av eleverna svarade detsamma gällande lampor i parallellkoppling. Eleverna i störst utsträckning svarade att lampan närmast batteriet i den schematiska bilden, lampa A, i parallellkopplingen skulle lysa starkare än vad den andra lampan (B) skulle göra. Gällande seriekopplande lampor svarade sjuorna korrekt, 58 %, i större utsträckning än vad niorna gjorde, 41 %. Denna skillnad skulle man också kunna tänka sig bero på att sjuorna nyligen undervisats i ellära samt att niorna använder sig av föreställningen av att ström och energi är densamma och att energin och därmed strömmen omvandlas eller förbrukas i kretsen. Skillnaden mellan årskurserna gällande parallellkoppling var försumbar. Enkät 2 (se Bilaga 2) visade också på att laborationen hade inverkan på elevernas förståelse gällande serie- och parallellkoppling av lampor. 74 % av eleverna svarade korrekt på lampor i serie medan 63 % av elevernas svarade korrekt på lampor i parallellkopplingen, det vill säga en klar förbättring. Anledningen till att

59

det skedde en positiv förändring i denna uppgift kan bero på att laborationer med serie- och parallellkopplade lampor är tacksamma att använda för att häva föreställningar eftersom eleverna klart och tydligt kan se hur lamporna lyser. Den föreställning som tycks vara mest omfattade och svårast att påverka är den om sambandet mellan ström och spänning. Flera forskare inom området, såsom Maichle (enl. Andersson, 1989) och von Rhöneck (enl. Andersson, 1989) har visat att elever förknippar eller förklarar ström som en orsak eller förutsättning för att det ska finnas en spänning. Den sista uppgiften i enkäten visar på elevernas kunskaper kring föreställningen om detta samband. Uppgiften var en flervalsfråga, vilket ställde till det lite i den statistiska analysen då eleverna kunde svara på flera olika sätt. Men vad uppgiften visade i enkät ett var att 60 % av eleverna svarade att det endast gick ström i den slutna kretsen. Efter laborationen svarade 88 % av eleverna korrekt. Vi anser trots detta att dessa värden inledningsvis var förvånansvärt låga då fler elever torde veta förutsättningen att för att det ska finnas en ström är att en krets är sluten till en spänningskälla. Då det kommer till i vilken figur som spänning fanns svarade endast 8 % av eleverna korrekt, vilket är ett lågt värde. Maichles (enl. Andersson , 1989) undersökning bland 400 elever i åldern 13-15 år visade ännu lägre värden på frågan om spänning kunde finnas utan att det existerade en ström. Endast 3,5 % av de tillfrågade svarade korrekt, vilket visar att eleverna i vår undersökning följde samma mönster i kunskap om sambandet mellan ström och spänning. Efter laborationen ökade andelen elever som svarat helt korrekt på frågorna om spänning till 12 %. Även denna andel elever var förvånansvärt låg och tyder än en gång på att förståelsen kring spänning är väldigt begränsad. I uppgift elva i enkät 1 (se Bilaga 1) ställdes frågan om hur stor spänningen var över ett batteri respektive lampa i en sluten krets. 42 % av de tillfrågade eleverna svarade här att spänningen var olika över lampan och batteriet medan 46 % svarade att den var densamma. Skillnaden mellan före och efter laborationen var inte statistisk säkerställd, vilket innebär att det saknades en egentlig skillnad. Procentandelen som svarade felaktigt på uppgiften var väntad, då spänningen inte tycks vara ett begrepp som förklaras tillräckligt i undervisningen på högstadiet. Definitionen av spänning verkar vara för avancerad för att eleverna ska förstå. Undervisningen om spänning behövs för att eleverna skall se ett sammanhang i ellära och det är ett begrepp som eleverna borde få arbeta mer med. Det gäller att visa att det inte krävs ström för att spänning ska existera och att spänning inte är en orsak av ström. För att förenkla undervisningen om spänningen skulle man kunna använda sig av analogier. Sammanfattningsvis har vår studie visat att eleverna i vår undersökning innehade liknande föreställningar som tidigare forskning konstaterat. Vår undersökning visade att de främsta modellerna eleverna använde för att förklara den elektriska kretsen var förbrukningsmodeller och jämförelser med energianvändning. Laborationen som genomfördes hade en positiv inverkan på elevernas kunskap, däribland att en krets måste vara sluten för att en ström ska uppstå samt seriekopplade lampor. Att skillnaden mellan enkäterna inte var så stor visar på att det krävs mer än bara en enstaka laboration för att bygga kunskap

60

10.2 Slutord

Vi har i denna uppsats visat att de elevföreställningar som tidigare forskning visat på fortfarande existerar bland elever på högstadiet och att skillnaden mellan årskurserna inte är så utbredd. Vi har även konstaterat att laborationer kan bidra till att öka elevers kunskaper i ellära och därför kan användas som en del i undervisning mot en mer naturvetenskaplig begreppsuppfattning. Denna uppsats har gett oss större insyn i laborationsundervisningen, vilket vi anser användbart i vårt kommande läraruppdrag. Slutligen anser vi att vi har besvarat våra frågeställningar och därmed har uppfyllt vårt syfte med uppsatsen.

61

11 Referenser

Andersson et. al. (2002) Elektriska kretsar. Projekt NORDLAB-SE Inst för pedagogik och didaktik, Göteborgs Universitet [Digital version] Hämtad 2010-03-08 http://www.ped.gu.se/personal/frank.bach/kurser/lfy200/Fy6.pdf

Andersson & Kärrqvist (1979).Elevperspektiv på elektriska kretsar..Göteborg; Göteborg:

Inst. för pedagogik och ämnesdidaktik, Na-centrum, Göteborgs univ. Andersson, Björn (1989). Elevperspektiv på elkretsar från grundskola till universitet: en

internationell översikt. Göteborg ; Göteborg: Inst. för pedagogik och ämnesdidaktik, Na-centrum, Göteborgs univ.

Bell, Judith (2000). Introduktion till Forskningsmetodik (3uppl.). Lund: Studentlitteratur. Benson, Harris (1996). University physics. New York: J. Wiley Bruner, Jerome (1960). The process of education. New York: Harvard university press Bruner, Jerome (1974). Beyond the information given. Studies in the Psychology of knowing.

London: W. W. Norton & Company Dahmström, Karin (2005). Från datainsamling till rapport. (4:e upplagan) Lund:

Studentlitteratur Dimenäs & Haraldsson (1996) Undervisning i naturvetenskap. Lund: Studentlitteratur, Driver, Guesne & Tiberghien (1992). Children´s Ideas In Science. Philadelphia. Milton

Keynes Open Univ. Driver, Squires, Rushworth & Wood-Robinson (1994) Making sense of secondary science :

research into children's ideas . London: Routledge

Dysthe, Olga (1996) Det flerstämmiga klassrummet Lund: Studentlitteratur Ejvegård, Rolf (2003) Vetenskaplig metod.(3 uppl.). Lund: Studentlitteratur. Ekstig, Börje (1990). Undervisa i fysik: didaktik och metodik. Lund: Studentlitteratur. Evenshaug & Hallen (2001). Barn- och ungdomspsykologi (2, uppl). Lund Studentlitteratur Finkelstein, Noah (2005) Learning Physics in Context: A study of student learning about

electricity and magnetism. International Journal of Science Education Vol 27, No. 10, s. 1187–1209 [Digital version] Hämtad 2010-04-13 http://web.ebscohost.com.support.mah.se/ehost/pdfviewer/pdfviewer?vid=7&hid=108&sid=f6674549-ef22-49d1-8825-9ba565701aee%40sessionmgr111

62

Hart, Christina (2007) Models in Physics, Models for Physics Learning, and Why the

Distinction may Matter in the Case of Electric Circuits. Springer Science + Business Media B.V. 2007 [Digital version] Hämtad 2010-09-24 http://www.springerlink.com.support.mah.se/content/q745647361475052/fulltext.pdf

Hofstein & Lunetta (2002) The Laboratory in Science Education: Foundations for the Tenty-

First Century. 2003 Wiley Periodicals, Inc. [Digital version] Hämtad 2010-04-12 http://onlinelibrary.wiley.com.support.mah.se/doi/10.1002/sce.10106/pdf

Illeris, Knud (2007). Lärande (2, [rev och utök] uppl uppl.). Lund: Studentlitteratur.

Imsen, Gunn (2000). Elevens värld : introduktion till pedagogisk psykologi (3, [uppdaterade och utvidgade] uppl.). Lund: Studentlitteratur.

Johansson & Svedner (2006) Examensarbete i lärarutbildningen. (4 uppl.) Lund: Studentlitteratur Lunetta, Vincent N. (1998). The School Science Laboratory: Historical Perspective and

Context for contemporary Teaching. Tobin K. and Fraser B. (Red.). International

handbook of science education (2003). (Special paperback uppl.). Dordrecht: Kluwer

Lärarnas handbok: läroplaner, skollag, yrkesetiska principer, FN:s barnkonvention. 8. rev. uppl (2008). Lund : Studentlitteratur,

Newton, Douglas P. (2003). Undervisa för förståelse: vad det är och hur man gör det. Lund:

Studentlitteratur. Patel & Davidson (2003) Forskningsmetodikens grunder.(3 uppl.) Lund: Studentlitteratur Psillos & Niedderer (2002) Issues and Questions Regarding the Effectiveness of Labwork

I: Psillos et al (2002) Teaching and learning in the science laboratory (2002). Dordrecht ; Boston: Kluwer Academic Publishers. [Digital version] Hämtad 2010-03-01 http://www.springerlink.com.support.mah.se/content/g3v606/

Svenska akademien (2010) Svenska akademiens ordbok. Göteborgs universitet [Digital

version] Hämtad 2010-10-05 http://g3.spraakdata.gu.se/saob/ Sewell, Audrey (2002). Constructivism and student misconceptions: Why every teacher needs

to know about them. Australian Science Teachers’ Journal, 48, s.24-28. [Digital version] Hämtad 2010-07-12 http://web.ebscohost.com.support.mah.se/ehost/pdfviewer/pdfviewe r?vid=7&hid=8&sid=a9e0f6bf-8079-4b8d-8e27-5dac5e36f67a%40sessionmgr10

Sjøberg, Svein (2000). Naturvetenskap som allmänbildning: en kritisk ämnesdidaktik. Lund:

Studentlitteratur Skolverket (2000a) Kursplan för fysik för grundskolan . [Digital version] Hämtad 2010-09-25

http://www.skolverket.se/sb/d/2386/a/16138/func/kursplan/id/3880/titleId/FY1010%20-%20Fysik

63

Skolverket (2000b) Kursplan för Naturorienterande ämnen för grundskolan. [Digital version] Hämtad 2010-09-25 http://www.skolverket.se/sb/d/2386/a/16138/func/kursplan /id/3878/titleId/NO1010%20-%20Naturorienterande%20%E4mnen

Skolverket (2006c) Läroplanen för den obligatoriska skolverksamheten 94. Skolverket

[Digital version] Hämtad 2010-09-28: http://www.skolverket.se/publikationer?id=1069 Tasker, Yvonne (2000) Att planera och genomföra intervjuer. I: Bell, Judith (red) (2002) Introduktion till Forskningsmetodik. (3., [rev.] uppl). Lund:

Studentlitteratur. Thorén, Ingvar (1999). Att utvecklas i naturvetenskap. Solna: Ekelunds förlag AV Tsai, Chen, Chou and Lain (2007) Current as the Key Concept of Taiwanese Students’

Understandings of Electric Circuits. International Journal of Science Education Vol. 29, No. 4, pp. 483–496 [Digital version] Hämtad 2010-04-13 http://web.ebscohost.com. support.mah.se/ehost/resultsadvanced?vid=6&hid=108&sid=f6674549-ef22-49d1-8825-9ba565701aee%40sessionmgr111&bquery=((jn+%22International+Journal+of+ Science+Education%22)+AND+ft+y)+and+(Electric+circuit)&bdata=JmRiPWFmaCZ0eXBlPTEmc2l0ZT1laG9zdC1saXZl

Tytler, Russell (2002) Teaching for understanding in science: Student conceptions research,

& changing views of learning.. Australian Science Teachers’ Journal, 48, s.14-21. [Digital version] Hämtad den 2010-07-12 http://web.ebscohost.com.support.mah.se/ ehost/pdfviewer/pdfviewer?vid=12&hid=8&sid=a9e0f6bf-8079-4b8d-8e27-5dac5e36f67a%40sessionmgr10

Welzel et al. (1998) Teachers' Objectives For Labwork. Research Tool And Cross Country

Results. [WORKING PAPER 6 from the European project LABWORK IN SCIENCEEDUCATION]. (Targeted Socio-Economic Research Programme. Project PL95-2005.) University of Bremen. [Digital version] Hämtad 2010-03-01 http://didaktik.physik.uni-bremen.de/niedderer/projects/labwork/index.html

Wickman, Per Olof (2002) Vad kan man lära sig av laborationer. I: Strömsdahl H (red) (2002): Kommunicera naturvetenskap i skolan – några

forskningsresultat. Lund: Studentlitteratur

64

Bilagor

65

66

Bilaga 1 - Enkät 1.

Elevuppfattningar i ellära 2010-04-21 Denna enkät är första delen av ett examensarbete i fysik vid Lunds universitet och Malmö

högskola. Syftet är att undersöka vad Ni elever vet om ström och spänning. Enkäten kommer

att utvärderas och följas upp med en laboration som Ni genomför. Därefter vill vi gärna att

ni deltar i ytterligare en enkätundersökning för att vi ska kunna utvärdera hur laborationen

utvecklat Era kunskaper. Er lärare kommer inte att få tillång till enkäterna så därför

påverkar denna enkät inte Ert betyg.

Vänligen kryssa i det alternativ som du anser är rätt

1. Är du tjej eller kille?

1 tjej 2 kille

2. Vilken årskurs går du i? ________________ 3. Vilket betyg har du i fysik?________________ 1 har ej fått betyg

4. Jag tycker att fysik är

a. 1 2 3 4 5

svårt lätt

b. 1 2 3 4 5 tråkigt roligt

5. Jag tycker laborerande är

a. 1 2 3 4 5

svårt lätt

b. 1 2 3 4 5 tråkigt roligt

6. Under laborationer lär jag mig

1 2 3 4 5 lite mycket

Nu kommer några frågor om ström och spänning.

7. Vad är elektrisk ström?

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

67

8. En lampa är kopplad till ett batteri. Batteriet är nytt och lampan är OK.

A B C Ingen lampa lyser Fyll i vilken/vilka lampor som lyser Man får kryssa i flera alternativ

9. I en krets har vi kopplat ett batteri ( ) och en lampa ( ⊗ ), se figur. Vilket påstående stämmer?

10. I en krets har vi kopplat två likadana lampor. Vilket påstående passar?

11. I en krets har vi kopplar en lampa. Batteriet är nytt och är på 4.5V. Vilket påstående

passar?

68

12. I en krets har vi parallellkopplat två likadana lampor. Vilket påstående passar?

13. Ett batteri är kopplat till en glödlampa så som bilderna visar. Vilken bild anser du

bäst beskriver den elektriska strömmen? Ringa in ditt svar!

1 2 3 4

Det går ingen ström i tråden som är kopplad

till batteriets undersida.

Strömmen går mot lampan i båda

trådarna.

Strömmens riktning är som på bilden. Men

det går mindre ström i tråden som går tillbaka

till batteriet

Strömmens riktning är som på bilden.

Strömmen är lika stor i båda trådarna

14. Betrakta figurerna A, B, C! Batterierna är nya, och lamporna är OK! Läs varje mening nedan, och sätt ett kryss i rutan om meningen är sann. Man får kryssa i flera

alternativ

A B C vet ej a. Det finns elektrisk ström i figur b. Det finns elektrisk spänning i figur

Tack för din medverkan!

1 Lampa A lyser, lampa B lyser inte 2 Lampa A lyser starkare än lampa B 3 Lampa B lyser starkare än lampa A 4 Lampa A och B lyser lika starkt

69

Bilaga 2 - Enkät 2.

Elevuppfattningar i ellära 2010-06-02 Denna enkät är tredje delen av ett examensarbete i fysik vid Lunds universitet och Malmö

högskola. Syftet är att undersöka vad Ni elever vet om ström och spänning. Enkäten kommer

att utvärderas och jämföras med föregående enkät. Er lärare kommer inte att få tillång till

enkäterna så därför påverkar denna enkät inte Ert betyg. Vänligen kryssa i det alternativ som du anser är rätt

1. Är du tjej eller kille? 1 tjej 2 kille

2. Vilken årskurs går du i? ________________

3. Vad tycker du om laborationen vi gjorde?

a. 1 2 3 4 5

svår lätt

b. 1 2 3 4 5 tråkig rolig

4. Hur mycket tycker du att du lärde dig under laborationen?

1 2 3 4 5 lite mycket

5. Kunde Sanna och Christin ha gjort något annorlunda under laborationen? I så fall, vad?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

Nu kommer några frågor om ström och spänning.

6. Vad är elektrisk ström?

_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

70

7. En lampa är kopplad till ett batteri. Batteriet är nytt och lampan är OK.

A B C Ingen lampa lyser Fyll i vilken/vilka lampor som lyser Man får kryssa i flera alternativ

8. I en krets har vi kopplat ett batteri ( ) och en lampa ( ⊗ ), se figur. Vilket påstående stämmer?

9. I en krets har vi kopplat två likadana lampor. Vilket påstående passar?

10. I en krets har vi kopplar en lampa. Batteriet är nytt och är på 4.5V. Vilket påstående

passar?

71

11. I en krets har vi parallellkopplat två likadana lampor. Vilket påstående passar?

12. Ett batteri är kopplat till en glödlampa så som bilderna visar. Vilken bild anser du

bäst beskriver den elektriska strömmen? Ringa in ditt svar!

1 2 3 4

Det går ingen ström i tråden som är kopplad till batteriets undersida.

Strömmen går mot lampan i båda trådarna.

Strömmens riktning är som på bilden. Men det går mindre ström i tråden som går tillbaka till batteriet

Strömmens riktning är som på bilden. Strömmen är lika stor i båda trådarna

13. Betrakta figurerna A, B, C! Batterierna är nya, och lamporna är OK! Läs varje mening nedan, och sätt ett kryss i rutan om meningen är sann. Man får kryssa i flera

alternativ

A B C vet ej a. Det finns elektrisk ström i figur b. Det finns elektrisk spänning i figur

Tack för din medverkan!

1 Lampa A lyser, lampa B lyser inte 2 Lampa A lyser starkare än lampa B 3 Lampa B lyser starkare än lampa A 4 Lampa A och B lyser lika starkt

72

Bilaga 3 - Stationslaborationer

2010-05-28

Stationslaborationer i ellära

Station 1 – " Få lampan att lysa"

Målet med denna station är att få en glödlampa att lysa. Till din hjälp har du en glödlampa, ett batteri samt sladdar. Rita tydligt in med röd penna i bilden nedan hur du tror att du måste koppla för att få lampan att börja lysa. Genomför sedan kopplingen. Fick du lampan att lysa? Om inte, prova er fram och rita återigen, denna gång med grön penna, hur du kopplade för att få lampan att lysa. Besvara följande frågor: a) Hur många sladdar krävdes för att få lampan att börja lysa? b) Var på batteriet respektive lampan kopplades sladden/sladdarna?

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

73

Station 2 – " Spänning och ström"

I denna station ska du mäta ström och spänning i olika kopplingar. Koppla enligt bilderna och mät spänningen och strömmen med en voltmeter respektive en amperemeter för respektive bild. Besvara nedanstående frågor.

Del 1 Titta på bild A. Hur stor spänning tror du att voltmetern visar? Varför? ________________________________________________

________________________________________________

Koppla enligt bild A och mät spänningen. Vad visar voltmetern? ________________________________________________

________________________________________________

Del 2 Titta på bild B. Hur stor spänning tror du att voltmetern visar? Varför? __________________________________________________

__________________________________________________

Titta på bild B. Hur stor ström tror du att amperemetern visar? Varför?

__________________________________________________

__________________________________________________

Koppla enligt bild B och avläs voltmeter och amperemeter. Vad visar dessa?

V=_________

A=_________

Stämde det du först trodde? Hur förklarar du de uppmätta värdena för spänningen respektive strömmen?

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

74

Del 3 Titta på bild C. Tror du att det går ström genom lampan? Ger amperemetern utslag? Varför/varför inte? ___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

Titta på bild C. Vad tror du voltmetern över batteriet visar?

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

Koppla enligt bild C och avläs voltmetern och amperemetern. Vad visar dessa?

V=_________

A=_________

Vad kan vi säga om spänningen över batteriet och strömmen i kretsen? Jämför med del 2.

____________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

75

Station 3- " Strömmen i kretsen"

Nu ska du mäta strömmen före och efter lampan i en elektrisk krets, se bild nedan. Vad tror du att ampermetern visar för värde före och efter lampan? Kryssa i det påstående som du tror stämmer! Strömmen genom Q… … är 0 … är mindre än i P … är lika stor som i P … är större än i P Koppla enligt kopplingsschemat nedan och koppla in en amperemeter mellan batteriets pluspol och lampan (P) samt mellan batteriets minuspol och lampan (Q). Fyll i de uppmätta värdena i tabellen nedan.

Jämför resultaten i tabellen. Vilka slutsatser kan du dra? Varför?

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

P Q

Ström (Ampere)

76

Station 4- "Lampor i serie"

Del 1 Du ska nu undersöka vad som händer då du kopplar in två lampor i serie i en krets. Tror du båda lamporna lyser? Kryssa i det påstående som du tror stämmer! Lampa P lyser, lampa Q lyser inte Lampa P lyser starkare än lampa Q Lamporna lyser ungefär lika mycket Lampa P lyser mindre än lampa Q Koppla enligt bilden och besvara följande frågor: Hur lyser lamporna i koppling? Ungefär lika eller olika starkt? Varför? ___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

Del 2 Titta på bilden till höger. Vad tror du händer då vi skruvar ur mittersta lampan?

Vad händer med lampa P? ______________________

Vad händer med lampa Q?_______________________

Vad händer med lampa R?_______________________

Koppla nu enligt bilden. Vad händer då du skruvar ur mittenlampan? Förklara vad du ser och varför det händer? ___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

77

Station 5- "Parallella lampor"

Du ska nu undersöka vad som händer då du kopplar in två lampor parallellt i en krets. Del 1 Studera bilden. Vad tror du om ljusstyrkan hos lamporna? Tror du båda lamporna lyser? Kryssa i det påstående som du tror stämmer! Lampa P lyser, lampa Q lyser inte Lampa P lyser starkare än lampa Q Lamporna lyser ungefär lika mycket Lampa P lyser mindre än lampa Q Koppla nu enligt bilden och besvara följande frågor. Lyste lamporna lika starkt? Varför? ___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

Del 2 Titta på bilden nedan. Vad tror du händer då vi skruvar ur lampa Q?

Vad händer med lampa P? ______________________

Vad händer med lampa Q?_______________________

Vad händer med lampa R?_______________________

Koppla och se! Vad händer då ni skruvar ur mittenlampan? Förklara vad du ser och varför det händer? ___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________