Kärt barn har många namn Modeller, representationer och visualiseringar

Transkript

1 Naturvetenskap och teknik Gymnasieskola Modul: Modeller och representationer Del 1: Vad är modeller och representationer? Kärt barn har många namn Modeller, representationer och Gustav Bohlin, Linköpings universitet Det är lätt att gå vilse i begreppsdjungeln. I den här modulen kommer termerna modeller, representationer och att användas i olika sammanhang. Beroende på vem man frågar kommer man att få delvis olika svar på vad dessa ord betyder. Vi vill därför i denna artikel försöka reda ut begreppen något, samt ge en bakgrund till hur vi har valt att använda dessa inom ramen för modulen. Kortfattat kan man säga att naturvetenskap och teknik ofta handlar om fenomen som vi av olika anledningar inte kan uppfatta direkt med våra sinnen. Vi kan dock utföra en mängd mätningar med olika instrument, och resultaten från sådana mätningar (mätdata) behöver vi kunna tolka utifrån en teoretisk modell. Denna modell kan i sin tur förstås bättre genom att vi gestaltar den i form av en representation (se t.ex. Gilbert, 2008). Ibland används fler än en uttrycksform (t.ex. bilder, text och ljud) i en representation. Då kallas representationen multimodal. Figur 1 visar en sammanfattning av hur begreppen som tas upp i den här artikeln hänger ihop. Figur 1. Sammanfattning av hur begreppen i artikeln hänger ihop. 1 (6)

2 Forskarna John Airey och Cedric Linder har föreslagit begreppet disciplinära diskurser som ett samlingsbegrepp för de representationer, verktyg och aktiviteter som ingår i och avgränsar olika vetenskapliga discipliner. En kritisk del av att lära sig ett ämne blir då att tillägna sig till exempel fysikens disciplinära diskurs, och att därigenom obehindrat kunna röra sig mellan dess ingående uttrycksformer (såsom bilder, talspråk/skriftspråk, gester m.fl.) (Airey & Linder, 2009). Modeller Modeller är nog det ord av de tre i titeln som kan ha flest parallella betydelser. Det är inte nog med att de som forskar runt modellbaserat lärande inte är överens. Ordet används dessutom lite olika i olika vetenskapliga discipliner. Därtill finns flera vardagsspråkliga betydelser. I både fysik, kemi och biologi används modeller som en brygga mellan sådant vi kan uppfatta med våra sinnen å ena sidan, och förklaringar och fenomen som är komplexa, icke-förnimbara eller svåra att urskilja å andra sidan. Det kan till exempel handla om modellen för gravitation inom relativitetsteorin, hur atomer är uppbyggda, eller hur biologisk evolution går till. Även om det kan tyckas självklart så vill vi här ändå poängtera att modeller inte enbart är något som existerar i undervisningssyfte. Tvärtom så har skapande, testande, jämförande och omarbetande av modeller en viktig roll inom alla vetenskapliga discipliner. Att skapa en modell innebär alltid någon form av förenkling av verkligheten. Detta gör den användbar för att förklara fenomen (t.ex. att förklara gastryckets variation med molekylers tendens att bete sig som biljardbollar i gas), att kunna urskilja relevant information i ofta brusig mätdata, eller att konstruera mekanistiska teorier för processer såsom evolution. Det finns förstås också ett stort överlapp mellan dessa olika användningar av modeller. I fysik och kemi är modeller ofta teoretiska eller matematiska förklaringar. I biologi används begreppet modell även då man studerar ett levande exempel på något fenomen. Det kan handla om modellorganismer exempelvis när råttor används som modell för människa i studier av genfunktioner. Ett annat exempel är hur ett mindre ekosystem (i till exempel en liten damm) kan användas som modell för att göra förutsägelser rörande större miljöer. Inom teknik är nog den vanligaste betydelsen av modell en så kallad skalmodell, alltså en förminskad eller förstorad version av ett objekt. Sådana kan till exempel skapas för att testa egenskaper innan fullskalig produktion. För att göra skillnaden tydlig mellan denna användning av begreppet modell och betydelsen här i modulen tittar vi på uppvärmning av bostäder som exempel. Det finns olika modeller för hur hus kan värmas upp, såsom bergvärme, oljeförbränning och vattenburen värme. Var och en av dessa modeller innehåller ett antal begrepp (t.ex. förångare, värmepump eller kompressor) men dessa komponenter kan ges olika utformning i olika situationer. Det finns alltså en viss frihet i exakt vilken typ av förångare som ska användas eller precis hur rören ska placeras. På så sätt är bergvärme som modell för husuppvärmning en generell idé snarare än en direkt ritning. Innan ett system för bergvärme kan installeras behöver man göra en ritning, och man skulle även kunna bygga en faktisk skalmodell, där man planerar precis var rören ska 2 (6)

3 dras i det här specifika huset. Dessa skalmodeller skulle enligt vår terminologi snarare kallas representationer (se nästa kapitel). Notera dock att denna jämförelse görs enbart för att förtydliga vad vi avser när vi använder ordet modell i denna modul. Det finns alltså ingen anledning att sluta använda ordet modell i andra betydelser i undervisningen. För övrigt har just behovet av och det gemensamma användandet av modeller föreslagits som en tänkbar brygga mellan undervisning i teknik respektive naturvetenskap (Gilbert, Boulter & Elmer, 2000). Fysiska modeller såsom en mänsklig torso med avtagbara organ eller molekylmodeller i plast har nog de flesta någon erfarenhet av. Denna användning av ordet modell är förstås också helt korrekt. I denna modul kommer vi dock att använda orden representation och/eller visualisering för denna typ av konkreta föremål. Sammanfattningsvis används ordet modell på många skiftande sätt runtomkring oss. Här i modulen kommer vi fortsättningsvis använda det i bemärkelsen förklaringsmodell. Det vill säga en idé som beskriver eller förklarar något förhållande och som ofta kan användas för att göra förutsägelser. Representationer En vetenskaplig modell har inte ett bestämt utseende. Beroende på vad man vill förmedla så kan samma modell ges många olika utformningar. Den kan uttryckas i text, men den kan också gestaltas i form av matematiska formler, skisser, teckningar, scheman, grafer, fotografier, fysiska föremål, animationer, simuleringar och på många fler sätt. Alla dessa gestaltningar är exempel på så kallade representationer (ibland används dock ordet uttryckt modell för representationer av modeller). En representation är alltså en konkret gestaltning av en modell (eller något annat) som gör den synlig eller på annat sätt tillgänglig för våra sinnen. Vissa skulle även klassificera en skriven förklaring som en representation men vi begränsar oss i denna modul till andra uttrycksmedel än ord. Observera dock att de flesta representationer kan behöva kompletteras med skrivna eller muntliga förklaringar för att bli begripliga. En representation belyser oftast enbart en eller ett par aspekter av det fenomen som den representerar. Det kan därför vara användbart att nyttja flera olika representationer för samma sak (så kallade multipla representationer) för att ge en bredare bild av det man vill förmedla i undervisningen. I del 6 kommer vi återkomma till detta i mer detalj. Man kan också prata om mentala eller inre bilder. Detta kallas ibland interna representationer, och motsvarar istället den inre bild någon har av ett fenomen (Gilbert, 2008; Kozma & Russell, 2005). Det liknar på så sätt begreppet förståelse, och är användbart för att diskutera modeller och representationer ur ett lärandeperspektiv. Min inre bild av en modell kan till exempel utmanas och breddas genom att jag i undervisningen ser flera olika representationer av samma modell. Genom att låta eleverna skapa egna representationer kan man också hjälpa dem att få syn på, och kanske revidera, sina respektive inre bilder och som lärare få en inblick i hur de tänker. På motsvarande sätt kan man i psykologin även tala 3 (6)

4 om mentala modeller för hur enskilda människor uppfattar ett fenomen, i kontrast till vetenskapliga modeller som alla kan ta del av. Visualiseringar Ordet visualisering används flitigt i forskarvärlden och i utbildningssammanhang, och kommer därför också att förekomma i den här modulen. I forskningslitteraturen används ordet visualisering på minst tre olika sätt: 1. Det kan beteckna själva processen då en person försöker förstå en modell utifrån en representation. 2. Det kan innebära att man ser något för sitt inre öga. 3. Det kan användas mer eller mindre synonymt med representationer. I denna modul kommer vi använda begreppet enligt det tredje alternativet. När du jobbar med modulen kan du alltså tänka på och representationer som direkt utbytbara där de dyker upp. De betecknar båda en fysisk gestaltning (såsom animationer, teckningar och skrivna formler) av något vetenskapligt eller tekniskt fenomen. Multimodalitet Representationer behöver inte vara specifikt visuella utan kan lika gärna vara ljudillustrationer eller bygga på haptik (känselsinnet). Flertalet representationer innehåller dessutom flera uttrycksformer (t.ex. både ljud och bild, eller bild med bildtext). Uttrycksformer i representationer kan vara allt ifrån skrivet språk, matematiska formler, naturtrogna avbildningar eller olika ljudeffekter. Representationer som innehåller flera uttrycksformer (t.ex. både ljud och bild) kallas för multimodala. Exempel På nästa sida visas fyra olika representationer/ över två olika typer av atommodeller Bohrs atommodell (Figur 2) och en orbitalmodell (Figur 3). Notera att representationer som bygger på samma modell ändå kan innehålla olika typer av information. Figurerna visar alltså ett fenomen (atomen), två modeller (Bohrs atommodell samt en orbitalmodell) och fyra unika representationer. 4 (6)

5 Figur 2. Två representationer av Bohrs atommodell. Den vänstra illustrationen indikerar också energiförlusten då en elektron förflyttar sig till ett elektronskal närmare kärnan. (Bilder: Wikimedia Commons). Figur 3. Två representationer av en orbitalmodell. Den vänstra bilden representerar orbitalerna runt en kolatom och den högra visualiserar formerna (lösningarna) för olika typer av orbitaler. (Bilder: Wikimedia Commons) 5 (6)

6 Referenser Airey, J., Linder, C. (2009). A disciplinary discourse perspective on university science learning: Achieving fluency in a critical constellation of modes. Journal of Research in Science Teaching, 46(1), Gilbert, J. K., Boulter, C. J., Elmer, R. (2000). Positioning models in science education and in design and technology education. In J. K. Gilbert & J. Boulter (Eds.) Developing Models in Science Education (pp. 3-17). Springer Netherlands. Gilbert, J. K. (2008). Visualization: An emergent field of practice and enquiry in science education. In J. K. Gilbert, M. Reiner & M. Nakhleh (Eds.) Visualization: Theory and Practice in Science Education, pp Dordrecht: Springer. Kozma, R., Russell, J. (2005). Students becoming chemists: Developing representational competence. In J. Gilbert (Ed.), Visualization in Science Education (pp ). Dordrecht: Springer. Förslag till vidare läsning Frigg, R., Hartmann, S. (2012). Models in science. In Zalta, E. N. (Ed.) The Stanford encyclopedia of philosophy. Retrieved from Kress, G. (2009). Multimodality: A social semiotic approach to contemporary communication. New York: Routledge. 6 (6)