STUDENTERS VAL AV REPRESENTATIONER OCH PROBLEMLÖSNINGSSTRATEGIER UNDER GRUPPDISKUSSIONER OM VÅGFYSIK

Transkript

1 2:a Högskolepedagogiska utvecklingskonferensen i Karlstad 11 maj 2012 STUDENTERS VAL AV REPRESENTATIONER OCH PROBLEMLÖSNINGSSTRATEGIER UNDER GRUPPDISKUSSIONER OM VÅGFYSIK M. Enghag och K.M. Carling Avdelningen för Fysik och elektroteknik, Karlstads universitet E-post: karin.carling@kau.se, margareta.enghag@mnd.su.se Abstrakt: Denna studie genomfördes på en universitetskurs i vågfysik i syfte att följa studenters val av representationer och problemlösningsstrategier under gruppdiskussioner om vågfysik. Studenterna fick byta ut ett lektionstillfälle med övningsräkning mot att istället gruppvis diskutera lösningen av två kontextuella fysikproblem som handlade om brytning av ljus- och ljudvågor. Studien följde hur studenterna valde att representera fysikaliska fenomen under gruppdiskussionerna hur de i ord, bild ekvationer och beräkningsuttryck visar hur de uppfattar problemen. Vissa studenter utvecklade begreppsberättelser och de hade ofta förmåga till modellering med variabler och beräkningar (discoursive fluency). Andra studenter klarar vissa delar tex att sätta in värden på variabler i formler, eller lösa vissa typuppgifter (discoursive imitation). Vidare visar studien att studenterna använder visuella representationer, bilder, för att kommunicera med varandra i mycket stor utsträckning. Att de i stor utsträckning refererar till sina personliga vardagserfarenheter kunde verifieras, men detta gällde i högre utsträckning för brytning av ljud, där de saknade typexempel från lärobok och formelsamling.. Studenternas angrep först fysikuppgifter med typlösningar, men kunde till viss del genom gruppdiskussionerna upptäcka fallgropar och då justera sina resonemang. Nyckelord: fysikundervisning, representationer, kvalitativ problemlösning, kontextuella problem, brytningsfenomen för ljus och ljud INTRODUKTION Denna kvalitativa undersökning genomfördes på en universitetskurs i vågfysik i syfte att följa studenters val av representationer och problemlösningsstrategier under gruppdiskussioner om vågfysik. Fysiken är en ämnespraktik som inkluderar begrepp, modeller, tabeller, diagram, ekvationer och bilder (dvs. olika semiotiska resurser (Kress, 2010)) som studenten måste lära sig att hantera, för att kommunicera flytande (discilpinary discoursive fluency) (Airey & Linder, 2009). Gruppdiskussioner är ett sätt att ge studenter möjlighet att uppleva de samtal om fysikfenomen som de behöver för att fördjupa sina kunskaper och inte fastna i en ytligt problemlösning som bygger på att lösa typexempel (Heller & Hollabaugh,1992; Heller, Keith & Anderson, 1992). Den kurs vi följde gavs med upplägget åtta föreläsningar och fyra pass övningsräkning. För att kunna erbjuda studenterna mer av dialog för att gå djupare in i förståelsen av fysiska problem, använde vi två kontextuella problem med ljud- och ljusbrytning som krävde noggrann analys snarare än beräkningar med formler för att lösa problemen. Studenter startar från sina personliga erfarenheter i gruppdiskussioner när de försöker att bekanta sig med ett problem som kan uttryckas fysikaliskt (Enghag, Gustafsson, & Jonsson, 2007). I gruppdiskussioner försöker de hitta ett sätt att uttrycka sina vardagliga erfarenheter som leder dem in i den fysik som kan användas för att beskriva problemet. När olika semiotiska resurser används i fysik undervisningen är det ofta så att fysikläraren använder sig av de verktyg, representationer och aktiviteter som pågår. Brist på tid för studenten att använda semiotiska resurser kan resultera i att studenterna hamnar i passivt lyssnande istället för att aktivt ta del intellektuellt och praktiskt. Wells (1999, p.157) diskuterar relationen mellan text, tal och utredande förklaringar, och hur eleverna som "semiotiska lärlingar" behöver råd och stöd och "möjligheter att prata och skriva vetenskapen själva, för andra som är intresserade av, och lyhörda för, deras

2 bidrag " (vår översättning). Gruppdiskussionerna har video-filmats, samtalen transkriberats och analyserats med kategoriseringar av representationer och semiotiska resurser samt jämförelse av lösningsstrategier för de olika problemen. a) Var måste fisken befinna sig för att se ljuset från brasan, alldeles under ytan eller djupt ner? Förklara hur ni tänker. b) Bestäm det största eller minsta avstånd från vattenytan fisken ska vara på för att kunna se ljuset från brasan. SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNINGAR Syftet är att följa studenters val av representationer och problemlösningsstrategier under gruppdiskussioner och problemlösning av två kvalitativt olika uppgifter om ljus- och ljudbrytning. Frågeställningar: 1. Hur väljer studenterna att representera de olika fysikaliska brytningsfenomenen av ljus och ljud? 2. Vilken ansats används för att lösa problemen? 3. Hur hänvisar grupperna till sina erfarenheter? 4. Vilka dialogiska mönster kan ses? DESIGN OCH METOD Tre grupper videofilmades, och och deras samtal under problemlösningstillfället transkriberades. Teckningar gjorda på grupprummets white-board fotograferades. Ett teoretiskt raster utvecklades (se Tabell 1), där representationer delades upp i aktiviteter, verktyg och semiotiska resurser (Airey & Linder, 2009) och användes för att belysa intressanta episoder i transkripten. Tabell 1: Kategorier av Representationer (Utveckling baserad på Airey & Linder, 2009) Aktiviteter (analysenhet verb som beskriver aktiviteten ) skriver ritar samtalar berättar frågar experimenterar beräknar påstår modellerar Representationer (analysenhet uttalanden ) Erfarenheter : vardag - tidigare lektioner Modell: - ekvationer - begreppsberättelser Begrepp Beräkningar: - exempel - test av specialfall Verktyg (analysenhet använda objekt ) Text Bild Mätutrustning Dator Räknedosa With- board Vi jämför likheter och skillnader mellan det kontextuella problemet med ljusbrytning, Uppgift 1, och det mer kontextuella problemet om ljudbrytning, Uppgift 2. Uppgift 1: Ljusbrytning problem 53) Fisk och ljus (Se Knight 2nd edition, s.736, En fisk befinner sig 20 m från land i en sjö. En majbrasa brinner vid kanten av sjön på stranden närmast fisken Uppgift 2: Ljudbrytning ( Egen problemkonstruktion) Fisk och ljud a) Fiskare säger ofta att man ska vara tyst när man fiskar för att ljudet skrämmer bort fiskarna. Kan ljud från sjökanten nå fiskar som befinner sig i sjön? Motivera ditt svar. Rita en bild som visar den väg du antar att ljudet tar när det breder ut sig, för några olika situationer. b) Kan totalreflektion uppstå för ljudvågor vid ett gränssnitt mellan olika ämnen? Motivera ditt svar så utförligt som möjligt. Jämför situationen med totalreflektion för ljus. RESULTAT OCH ANALYS Hur väljer studenterna att representera de olika fysikaliska brytningsfenomenen av ljus och ljud? Studenterna använder i samtliga grupper ritade bilder för att kommunicera sina resonemang i gruppen. Den första uppgiften lockade studenterna att använda en standardlösning de tidigare tränat på. Två grupper valde att låta en stråle, godtyckligt vald, nå vattnet, och använde sen direkt Snell s lag för att räkna ut brytningsvinkel, och sen avståndet till fiskens placering för att nås av strålen, se figurerna 1-2. Bilden av en ljusstråle som bryts i vattnet är ju en av de vanligaste representationerna inom optik, och finns i samtliga läromedel från grundskola till universitetskurser i fysik. En grupp tvekade efter att ha försökt löst uppgiften så, och resonerade sig fram till att någon stråle alltid måste nå fisken. Här kom denna grupp längre i sitt lösningsförslag än den lösningsanvisning som läroboken angett. Fig. 1. Studentbild 1 av ljusbrytning från en brasa vid strandkanten

3 Fig. 2. Studentbild av ljusbrytning från brasan, val av en konstruktionsstråle (av alla möjliga) När det gäller lösning av uppgift 2 fanns inga numeriska värden, och läroboken behandlade inte ljudets brytning med någon bild. Studenterna var osäkra på om Snell s lag gäller för ljud, och hade svårt att föreställa sig tredimensionell utbredning av vågor. korrekt, och då gör förbättrade ansatser. När beräkningar är möjliga är det oftast en student som genomför beräkningrna, och de andra får tid att reflektera. Hur hänvisar grupperna till sina erfarenheter? Det är i Uppgift 2, som studenterna refererar till sina personliga vardagserfarenheter, som dykning, se Tabell 2., medan man i Uppgift 1 oftare refererar till sina lektionserfarenheter. Tabell 2: Studenternas referens till vardagserfarenheter Fig.3 Studentbild av ljudbrytning från en fiskare på stranden vars röst ger ljudvågor som bryts i vattenytan. En grupp överförde problemet till ljud från en båt ner i vattnet, och undvek därmed att ta ställning till om riktningen påverkas när ljudet når vattnet. 1. Jag, som är en dykare, vet att du kan höra även om du har en utombordsmotor, och det hörs mycket bättre där nere än vad som hörs på land. 2. Jag tänkte som vågor som slår en strand. 3. Ja, tsunamier och sådant Jo det finns rum med saker som tak-rör (halv-rör?, Svåra att höra) som gör ljudet studsar, tar bort det ljud. 5. Men jag tänkte, det finns akustiska mattor och liknande. Fig. 4 Studentbild av ljudbrytning från en båt som ger ljudvågor. 6. Men du kan väl tänka en kyrka, där du brukar säga att det är bra akustik, där ljudet studsar så att du hör är mycket tydligare. 7. men ja det gör det, du har ett eko och en sådan! 8. Jag tänker att strängen, när du gör så här (visar hur du gör en puls på strängen) och när vågen träffar en solid vägg det vänder. 9. Sonar. Fig.5 Studentbild av ljudbrytning. Varianter av strålmodeller och vågmodeller förekom. 10. ja, men fiskarna kan känna hela stim av fisk och sådant, ja när du sätter det så, men varför kunde det inte vara så. 11. När vi talar om ekolod, då en gammal fiskare inom mig säger att det kommer att bli total reflektion. 12. Det material i dessa väggar är väl tar upp det ljud som vi talar nu. Fig.6 Studentbild av ljudbrytning. Vilken ansats används för att lösa problemen? Studenternas angriper först fysikuppgifter med de typlösningar de tidigare tränat på, men kunde till viss del genom gruppdiskussionerna upptäcka fallgropar och då justera sina resonemang. Det är påfallande att man påbörjar sin problemlösning med beräkningar, och senare genom reflektioner inser att något inte blev Många av studenternas erfarenheter kan hänföras till embodied knowledge eller bodily experiences (Lakoff & Johnson, 1999). Vilka dialogiska mönster kan ses? De tre grupperna fungerar väl, och alla kommer till tals, även om det är en eller två personer som driver resonemanget framåt. Det förekommer rikligt med

4 sonderande samtal (Barnes & Todd, 1995), när man prövar ut idéer, och ser om resonemangen är fruktbara. En grupp nöjer sig med en lösning de inser är felaktig, och vill hellre gå vidare för att hinna med båda problemen. I följande excerpt bestämmer sig studenterna för att välja en godtycklig stråle, så de får möjlighet att lösa ett problem de kan sen tidigare. Det dialogiska mönstret är sonderande tal (Barnes & Todd, 1995, Mercer, 2000). D: Ja, just så, vi har en bestämd sträcka här...om vi testar den här, den är ju 70, vi ska ju se djupet. Det ska ju vara toppen då...det behöver ju... F: Vad hög är brasan då? E: Ja, precis, det vet vi ju inte. D: Och om man säger, en majbrasa kan ju vara ganska hög. E: Men vi får väl ta en stråle från majbrasan. D: Ja från den översta typ. E. Ja. Det blir ju enklare än att ta hela brasan, men det kommer ju att... F: Ska vi säga att θ 1 är 70, typ? En annan grupp upptäcker mer, och även här är det dialogiska mönstret sonderande: N: Vi ska ha den minsta och det största avståndet från vattenytan. J: Den kommer ju alltid att vara 20 m ifrån... N: men då kommer det ju helt klart att bero på hur höga flammorna är! M: va? N: Nu är det här det minsta, men det största djupet kommer ju att bero på hur högt brasan är.kommer ju att krympa ju längre ned fisken är...och...då... J: Just det. Men...kommer den här att ändras när man går längre och längre ned? N: Nej, den här sträckan är ju given, så det kommer inte att ändras. (läser högt texten igen) N: Det måste ju vara beroende av höjden på brasan. Den här sträckan...fisken kan ju kolla brantare på något sätt... J: Ja, den är 20m alltid. J: man skulle kunna göra så här också why not? Ritar strålbrytningen i ett annat läge på vattenytan. De två problemen som valdes för ljusbrytning respektive ljudbrytning är olika, på så sätt att i första uppgiften med ljusbrytning ges numeriska data och studenternas problemlösningsstrategi blir att pröva en beräkning med Snell s lag som de alla behärskar. En grupp upptäcker att deras antaganden är orimliga, och hinner påbörja en djupare kvalitativ analys som avslöjar att utan en orimlig approximation av majbrasan som en punktkälla, kommer alltid någon stråle att träffa fisken. De uttrycker sig i begreppsberättelser där de kan uttrycka sig sammanhängande med hjälp av fysikaliska resonemang. Andra blandar begrepp och storheter i en mindre koherent uttryckssätt, som vi uppfattar som med mindre discoursive fluency och mer discoursive imitation. Blandning av begreppsberättelse och variabelsymboler förekommer ofta, t ex: Men jag vet, det här är inga vågfronter, vågfronterna är såna här(beskriver med handen)...en våg som kommer in bryts, så här är det, så kan λ2 komma att vara större än λ1, eftersom vi vet att i mediet går det fortare. SLUTSATSER Ljusbrytning som är framställd med samma representation i alla läroböcker, och strålmodellen är studenternas första prioritet vid problemlösning när de själva ritar bilder. Ljudbrytning behandlads inte lika utförligt med bilder och studenternas erfarenheter från lektioner är begränsade. De utgår istället i stor utsträckning från sina vardagserfarenheter. Många av deras erfarenheter kan hänföras till embodied knowledge eller bodily experiences. Studenterna använder bilder för att kommunicera sina resonemang, och har lätt för att gå in i sonderande samtal. Om problemet inte innehåller kvantiserade storheter minskar tendensen att direkt använda typlösningar, och mer möda läggs ner på analys av problemet. När studenten kan resonera med begrepp, förefaller det som analysen av problemet går lättare, än när studenten blandar begrepp, variabler och numeriska uttryck i sina resonemang. IMPLIKATIONER FÖR UNDERVISNING Mer fokus i undervisningen på kvalitativa problem, för att undvika att studenten alltid prövar med typlösningar och insättning av numerisk värden i formler. Mer fokus på hur representationer av ljusbrytning används så att de inte slentrianmässigt avbildas på samma sätt i alla sammanhang, utan varieras. Prioritera att ge tid för studenter att träna på att uttrycka sig om hur de ser på problemlösning ge dem möjlighet att utveckla begreppsberättelser istället för att blanda begrepp, storheter och numeriska värden i sina resonemang. Datainsamling till denna studie har gjorts inom VRprojektet Representationer och kunskapstraditioner, som drivs av Uppsala universitet. Utförligare redovisningar av studien kommer att publiceras.

5 REFERENCES 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), Barnes, D., & Todd, F. (1995). Communication and learning revisited: Making meaning through talk. Portsmouth, NH: Boynton/Cook Publishers. Enghag, M., Gustafsson, P., & Jonsson, G. (2007). From everyday life experiences to physics understanding occurring in small group work with context rich problems during introductory physics work at university Research in Science Education, 37: Heller P., Keith R., & Anderson S. (1992). Teaching problem solving through cooperative grouping. Part I. group versus individual problem solving. Am.J.Phys (60): Heller, P., & Hollabaugh,M. (1992). Teaching problem solving through cooperative grouping. Part II. Designing problems and structuring groups. Am.J.Phys(60): Kress, G. (Ed.). (2010). Multimodality: a social semiotic approach to contemporary communication London: Routledge. Lakoff, G. & Johnson, M. (1999) Philosophy in the flesh: the embodied mind and its challenge to Western thought, New York: Basic Books Mercer, N. (2000). Words and Minds: how we use language to think together. London: Routledge. Wells, G. (1999). Dialogic Inquiry- Towards a Sociocultural practice and theory of education. Cambridge: Cambridge University press.