Datorsimuleringar som naturvetenskapligt arbetssätt

Transkript

1 Naturvetenskap Gymnasieskola Modul: Naturvetenskapens karaktär och arbetssätt Del 3: Datorsimuleringar som naturvetenskapligt arbetssätt Datorsimuleringar som naturvetenskapligt arbetssätt Marcus Angelin, Vetenskapens Hus, Jakob Gyllenpalm och Per-Olof Wickman, Stockholms universitet samt Daniel Dufåker, Rickard Fors och Pernilla Stamming, Södra Latins gymnasium Datorsimuleringar av olika slag används idag i forskning inom i stort sett alla områden. Ibland som enda metod, men ofta i kombination med kontrollerade experiment och rena observationer. Matematiken och programmeringskunskaperna som behövs för att sätta sig in i dessa är dock ofta för avancerade för skolelever och det saknas idag bra didaktiskt anpassade exempel. Däremot finns det många simuleringar som är skapade för att utgöra demonstrationer av fenomen och som används i undervisning. Dessa är dock sällan lämpliga för att illustrera datorsimuleringar som forskningsmetod. Därför har vi i dessa två exempellektioner valt att fokusera på att förstå vissa principer för datorsimuleringar och hur dessa förhåller sig till andra naturvetenskapliga undersökningsmetoder. Innehållet för eleverna är att lära sig om hur naturvetenskapliga undersökningar går till. Lektion 1 handlar om att introducera eleverna till tre viktiga kunskaper om naturvetenskapliga undersökningar (se texten Karaktärsdrag för naturvetenskapliga arbetssätt ) och att illustrera dessa med fokus på datorsimuleringar i forskning. Lektionen förbereder eleverna för att kunna granska två populärvetenskapliga texter som fördjupar dessa kunskaper, samtidigt som eleverna lär sig något om klimat och väder. Dessa två texter är sedan temat för Lektion 2. Lektion 1 Inledning Eleverna ombeds diskutera vilka olika metoder forskare använder för att studera naturen med sin bänkgranne i några minuter. Vilka konkreta exempel kan de komma på och vilka likheter och skillnader har dessa? Läraren öppnar sedan upp samtalet genom att fråga några elever vad de kommit fram till. Några varianter eller snarare antydningar av experimentella undersökningar nämns och även olika typer av rena observationer. Ingen nämner datorsimuleringar. Interaktiv föreläsning Läraren går sen igenom två exempel på autentiska vetenskapliga undersökningar för att illustrera följande: Vetenskapliga undersökningar utgår alltid från en frågeställning, men testar inte alltid en hypotes. Det finns inte en sekvens av steg som följs i alla vetenskapliga undersökningar: det inte finns EN vetenskaplig metod. 1 (15)

2 Frågeställningen styr valet av metod. Det första exemplet handlar om metallers resistans som eleverna har gjort en laboration om tidigare i kursen (se presentation, Bilaga 1). Exemplet handlar om den historiska upptäckten av supraledning. Genom att mäta resistansen för kvicksilver för olika temperaturer fann man (forskarna), som för andra metaller, att resistansen minskar linjärt med temperaturen. Det ledde till frågeställningen: Vad är sambandet mellan resistans och temperatur för kvicksilver vid låga temperaturer? (Obs! Det är viktigt att elever får se många olika exempel på explicit formulerade forskningsfrågor.) Genom att extrapolera från det empiriska sambandet var det naturligt att tänka sig att resistansen skulle fortsätta minska linjärt. Det var en rimlig förutsägelse baserad på ett empiriskt samband (se även Del 4 om empiriska samband). En hypotes som skulle kunna förklara detta samband handlade, något förenklat, om att elektronerna har färre kollisioner med atomerna i en ledare om atomerna rör sig mindre, vilket de gör vid lägre temperaturer. Rent praktiskt kunde man dock inte komma längre än ca 4,25 Kelvin i temperatur. För att kunna svara på frågeställningen var man tvungen att uppfinna ett nytt sätt att uppnå väldigt låga temperaturer. Lösningen på problemet var att man lyckades ta fram flytande helium och på så sätt nå temperaturer på strax över 3 Kelvin. Eftersom man kunde kontrollera temperaturen, strömmen och metallens form och andra relevanta variabler genomfördes undersökningen i form av ett kontrollerat experiment (se texten Laboration eller Experiment? Från Del 2). Här passar läraren på att uppmärksamma eleverna på att den oberoende variabeln var temperaturen och den beroende variabeln var resistansen samt att ett kontrollerat experiment handlar just om att studera samband av orsak och verkan. Den oväntade upptäckten var att resistansen helt försvann vid 4,2 Kelvin, vilket alltså utgjorde svaret på frågeställningen. Detta var ett helt nytt fenomen som kom att kallas för supraledning, och som den hypotes man hade arbetat utifrån inte kunde förklara. Det ledde till en ny frågeställning: Hur kan man förklara att resistansen försvinner för temperaturer lägre än 4,2 Kelvin? Svaret på den frågan skulle dock dröja flera år tills den kvantmekaniska atomteorin var mer utvecklad. Här kommenterar läraren även hur forskning ofta inte är en så linjär process som man kanske ofta tror och att det involverar både kreativitet, nya tekniska uppfinningar och ibland oväntade upptäckter som nästan alltid leder till nya forskningsfrågor. Det andra exemplet utgår från en slående tidningsrubrik i Aftonbladet: Apophis kan krocka med Jorden Räddningsaktion i rymden kan bli nödvändigt, år 2029 avgörs hur det går. Det här väcker många elevers nyfikenhet och någon blir till och med lite orolig. Som ett exempel på att naturvetenskapliga undersökningar alltid börjar med en frågeställning formuleras den explicit tillsammans med klassen: Kommer Apophis att kollidera med jorden? Eleverna får komma med förslag på sätt att undersöka frågan. Tillsammans kommer de fram till att det inte räcker att bara göra observationer eftersom man vill göra en förutsägelse. Man kan heller inte göra ett kontrollerat experiment med himlakroppar. Men med goda kunskaper i mekanik borde man kunna räkna ut det, fast hur gör man det? En 2 (15)

3 elev kan knappt hålla sig och utbrister Men kommer den att träffa jorden eller inte!. Nej, läraren lugnar eleven, nu vet vi att den inte kommer göra det, men frågan är fortfarande relevant: Hur vet vi det? Eftersom observationer inte räcker och vi inte kan göra ett kontrollerat experiment är en datorsimulering en lämplig metod för att svara på frågeställningen. För att illustrera principerna för en simulering som metod använder läraren en simulering av planeters rörelser ( som är skapad i utbildningssyfte för att illustrera planeters rörelser. Läraren påpekar att detta inte är samma sak som en simulering gjord för forskning. Läraren går igenom inställningar i programmet och vad det är tänkt att illustrera och sätter sedan igång en simulering av två mindre himlakroppar som rör sig kring en större. En viktig poäng är just att simuleringar utgår från en modell som bygger på förenklingar och antaganden; den här är till exempel tvådimensionell och innehåller bara tre föremål. Läraren stannar simuleringen vid en viss tidpunkt så att det minsta föremålet befinner sig lite närmare det som representerar solen. Nu får eleverna i uppgift att rita av bilden och att lägga in kraftvektorer för krafter som verkar på den lilla asteroiden. Det blir ett kraftparallellogram som läraren ritar upp på tavlan och sammanfattar i samtal med klassen hur programmet fungerar i 4 steg: 1. Om man vet den resulterande kraften kan man beräkna acceleration vid tiden t. 2. Förändringen i hastighet under Δt blir då Δv = a Δt 3. Då kan man beräkna var den befinner sig vid tiden t + Δt 4. Sen får man upprepa processen igen från steg 1 och så vidare. Poängen här är att komma fram till att det snabbt blir väldigt många beräkningar att göra. Och om man sen lägger till att man i en mer realistisk simulering även måste ta hänsyn till alla andra planeter i solsystemet och även andra asteroider, börjar det blir tydligt att man inte kan göra detta för hand. Det krävs en dator för att kunna göra alla beräkningar i rimlig tid. Läraren visar även ett utdrag ur en vetenskaplig artikel om NASAs simulering av just Apophis bana och har markerat vissa ord som illustrerar dessa poänger (se presentation, Bilaga 1 ). Här nämns även andra variabler som behöver simuleras så som asteroidens rotation, att jordens gravitationsfält inte är helt uniformt och att det finns begränsningar i den datorkraft som behövs för dessa beräkningar. Den sista punkten har eleverna lite svårt att förstå då de själva inte verkar ha erfarenheter av att datorer kan ha sådana begränsningar. 3 (15)

4 Läraren sammanfattar sedan exemplet med eleverna: Varför simuleringar? Principer Möjligheter & Begränsningar Experiment eller observationer är: -otillräckliga - omöjliga - för dyra - tar för lång tid - oetiskt - Bygger på en teoretisk modell - Innehåller antaganden och förenklingar - Stegvisa beräkningar - Många små steg - Många beräkningar - Input/output + Göra förutsägelser + Hantera komplexa system + Visualisera processer - Känsliga för indata - Känslig för modellen - Datorkraft Avslutning Lektionen avslutas med att kort gå igenom en läxa till nästa tillfälle. Läxan är att läsa en av två populärvetenskapliga artiklar på temat klimat och väder (Bilaga 2). Den ena beskriver hur datorsimuleringar används i meteorologi, och den andra ett forskningsprojekt i meteorologi där andra forskningsmetoder är i fokus. Eleverna ska använda ett digitalt verktyg som heter Diigo som de gått igenom under en tidigare lektion. Det underlättar att kommentera en artikel direkt i en webbläsare och att dela dessa kommentarer med andra. Eleverna får i uppgift att svara på ett antal frågor riktade till artiklarna och att svara på dessa med kommentarer i Diigo som delas med läraren. Som en sammanfattning av lektionen påminner läraren om hur de tre aspekterna av naturvetenskapliga undersökningar som togs upp i inledningen har exemplifieras i de två exemplen om supraledning och simuleringen av en asteroids bana. Avslutningsvis får eleverna några minuter för att skriva en digital exitticket med hjälp av Socrative genom att svara på frågan: Vad är skillnaden mellan de två naturvetenskapliga undersökningsmetoderna kontrollerat experiment och datorsimulering? Exempel på en exit-ticket av en elev: Ett kontrollerat experiment sker i verkligheten och man kan själv kontrollera variabler. Simuleringar sker i teori och ofta i en dator. Och man måste skapa en modell för verkligheten när man skapar en simulering. Smidiga att använda för typ astronomi när man inte kan påverka variabler själv eller när man bygger saker och det kan vara farligt och dyrt att försöka. 4 (15)

5 Lektion 2 Inledning Lektionen börjar med att eleverna får placera sig i klassrummet utifrån vilken av de två artiklarna de har läst så att alla som har läst samma artikel sitter tillsammans. Upplägget är att först diskutera i par med någon som har läst samma artikel och sen sätta ihop grupper av fyra med par som har läst olika artiklar. Elevernas uppgift är att förbereda en kort presentation (ca 5 min) för det andra paret av artikeln de har läst. Eleverna får veta att de kommer ha 15 minuter för att förbereda sig och sedan 25 min i de större grupperna. För att ge dem ett stöd för presentationen får de följande punkter att utgå från: 1. Titel, tidskrift och datum 2. Vad handlar artikeln om? 3. Hur har ni svarat på fråga 1 och 2? 4. Vad var intressant i artikeln? Gruppdiskussioner Eleverna går igenom artiklarna de har läst i par. Det är lite ovant att arbeta på det här sättet på en fysiklektion, men de flesta verkar tycka att artiklarna var intressanta att läsa. Efter en kvart blir det lite stök i klassrummet när eleverna flyttar om för att sitta i tvärgrupperna. Läraren har noga förberett och skrivit på tavlan hur grupperna ska sättas samman och var de kan sitta i klassrummet för att göra det smidigt. Innan eleverna sätter igång med att presentera för varandra påminner läraren om att de som lyssnar också har ett ansvar att ställa frågor om de inte förstår någon del av presentationen eller vill veta mer om någon del. En standardfråga de får som tips att ställa är Hur beskrivs det i artikeln? om något är oklart. Efter ca 20 minuter har bådar grupperna hunnit presentera för varandra. Då tar läraren kommandot igen och påminner klassen om de tre aspekterna av naturvetenskapliga undersökningar som togs upp på lektionen innan: Naturvetenskapliga undersökningar utgår alltid från en frågeställning men testar inte alltid en hypotes. Det finns inte en sekvens av steg som följs i alla naturvetenskapliga undersökningar: det inte finns EN naturvetenskaplig metod. Frågeställningen styr valet av metod. Nu får eleverna i uppgift att svara på frågan i vilken mån de artiklar de har läst kan sägas exemplifiera dessa tre påståenden. Alltså, kan de hitta stöd för dessa påståenden i de exempel på forskning som de har tagit del av? Igen fylls klassrummet av ett sorl. 5 (15)

6 Sammanfattning För att sammanfatta diskussionerna ber läraren olika elever att kommentera kopplingen mellan frågeställningar och metoder som har beskrivits i de två artiklarna. För att vara säker på att viktiga poänger kommer med har läraren förberett en Powerpointpresentation som jämför de två artiklarna, och som även tar upp den laboration om resistans som eleverna gjorde för inte så länge sen. Det blir ett tydligt exempel på just de tre påstående som varit i fokus under dessa två lektioner. Artikel 1: spå väder Frågeställning: Hur blir vädret i morgon? Hypotes: ingen Metod: Datorsimulering med observationsdata som utgångspunkt. Svar: En väderkarta som en meteorolog kan tolka. Varför simulering? Förutsägelse i ett komplext system. Artikel 2: potatisodlare Frågeställning: Hur kan El Niño leda till sämre sikt av Plejaderna? Hypotes: El Niño drar upp partiklar i atmosfären som bidrar till molnbildning. Metod: Satellit-observationer Svar: Endast små mängder partiklar observerades, hypotesen har inte starkt stöd. Varför observation? Naturligt fenomen, kan ej kontrollera variabler. För komplext för simulering? Laboration: resistivitet i ledare Frågeställning: Hur beror resistans i en ledare av dess längd? Hypotes: ingen Metod: Kontrollerat experiment Svar: Resistansen ökar linjärt med längden. Varför experiment? Frågar efter ett orsakssamband, möjligt att kontrollera variabler. Avslutning Som avslutning på Lektion 2 får eleverna igen i uppgift att skriva en kort exit-ticket i Socrative. Frågan är: Om du jobbar för NASA 2029 (hur gammal är du då?) och fick planera en undersökning av asteroiden Apophis som då passerar nära jorden, vilka frågeställningar skulle du vilja undersöka? Vilka metoder skulle du kunna använda för att svara på dina frågeställningar? Frågorna valdes eftersom eleverna hade tyckt exemplet med asteroiden var särskilt spännande. Uppgiften illustrerar hur olika frågeställningar leder till olika metoder, men för att utmana eleverna att tänka lite djupare kring valet av metod fick de även frågan: Vilka frågor väcker ditt förslag på metod? Läraren exemplifierar kort principen med följande exempel: Jag skulle vilja veta vad asteroiden består av, det kanske kan finnas ädla metaller där till exempel. Så min frågeställning skulle kunna vara: Hur stor andel iridium finns i asteroidens yttre lager? (Obs! Det är viktigt att formulera en explicit frågeställning och att läraren exemplifierar 6 (15)

7 detta). Metoden för att undersöka det skulle vara att landa med en satellit på asteroiden och ta prover. Det väcker frågan: Hur kan man analysera mängden av iridium i ett prov som satelliten tar? Exempel på en elevs exit-ticket: Hur den påverkar jordens klimat? Kommer jordens klimat förändras och i så fall hur (vattennivå, värme etc.)? Metod: Simuleringar, jämföra jordens klimat under tidsintervallet då asteroiden passerar med tidigare klimat. Frågor som metoden väcker: Hur stor massa har asteroiden, vilka krafter är inblandade? Vilken påverkan har de på jorden? Kommentarer utifrån den didaktiska modellen Organiserande syften Den didaktiska modellen Organiserande syften presenterades i Del 1 av Modulen och kan användas för att analysera även detta exempel, här med fokus på lektion 2. Det övergripande syftet för lektion 2 är att eleverna ska få en bättre förståelse för tre utvalda karaktärsdrag hos naturvetenskapliga undersökningar. Som en förberedelse har de läst två populärvetenskapliga texter och lektionen organiseras nu i ett antal moment med olika närliggande syften som gradvis för eleverna fram mot det övergripande syftet. I det första momentet diskuterar eleverna artikeln de har läst i par. Det närliggande syftet för eleverna är att förbereda en presentation av sin artikel för ett par som inte har läst den. Som filmen visar är eleverna på det klara med vad de ska göra och kan direkt sätta igång med uppgiften. Det närliggande syftet har blivit ett fungerande mål i sikte för eleverna. I nästa moment berättar eleverna i par för varandra om artiklarna de har läst. Det närliggande syftet är att redovisa svaren på de instuderingsfrågor som hör till varje artikel. Även om det inte syns så tydligt i filmen blev detta närliggande syfte endast till viss del ett mål i sikte för eleverna, vilket kunde märkas i att samtalen gick lite trögare. Det var svårt för eleverna att på så kort tid sammanfatta och avgöra vad som var viktigt att sammanfatta av en artikel för de som inte hade läst samma artikel. Just det faktum att de hade svårt att själva göra urval av vad de skulle berätta visar att det närliggande syftet inte blev till ett tydligt mål i sikte för eleverna. I nästa moment fick eleverna i uppgift att svara på i vilken mån den forskning som beskrevs i deras artiklar kunde sägas exemplifiera de tre påstående om karaktären av naturvetenskapliga undersökningar, som ju utgjorde lektionens övergripande syfte. Tack vare den förberedelse eleverna hade gjort själva och i gruppsamtalen innan samt genom att uppgiften var formulerad som påståenden att ta ställning till, blev detta närliggande syfte till ett mål i sikte för eleverna. De kunde utifrån sina egna kunskaper ta sig vidare i samtalet på ett meningsfullt sätt, vilket filmen också visar. Här kan vi se hur det övergripande syftet gradvis blir kontinuerligt med närliggande syften som succesivt blir till mål i sikte för eleverna och på så sätt utgör en lärandeprogression. Lektionen avslutas med att läraren hjälper eleverna att få en översikt av hur de artiklar de har läst och en laboration de gjort tidigare alla på olika sätt exemplifierar de påståenden om naturvetenskapliga arbetssätt som utgjorde lektionens övergripande syfte. 7 (15)

8 Koppling till ämnesplanen Exemplet är taget från Fysik 1 där en del av det centrala innehållet handlar om klimat och väderprognoser. De kunskaper om fysikens karaktär och arbetssätt som fördjupas i exemplet finns angivna i det centrala innehållet som följande: Vad som kännetecknar en naturvetenskaplig frågeställning Hur modeller och teoriers utgör förenklingar av verkligheten Det experimentella arbetets betydelse för att testa, omvärdera och revidera hypoteser, teorier och modeller (vilket här exemplifieras genom en jämförelse med rena observationer och datorsimuleringar) Sammanfattande principer Naturvetenskapliga undersökningar utgår alltid från en frågeställning och allt som följer när det gäller naturvetenskapliga arbetssätt kan med fördel relateras till just detta. Valet av metod följer av frågorna man ställer (Det är principen, men i praktiken kan de frågeställningar som är möjliga att ställa även begränsas av t.ex. laboratorieutrustning och liknande). Alla undersökningar testar inte hypoteser. Teoretiska antaganden färgar frågorna, metoden och även datainsamlingen samt hur data transformeras till evidens. Genom att göra denna underliggande struktur explicit för eleverna och på så sätt rusta dem för att bättre förstå till exempel populärvetenskapliga texter, skapar vi en brygga mellan skolans naturvetenskapliga innehåll och den värld av naturvetenskap de ofta möter utanför skolan, vilket är grunden för naturvetenskaplig allmänbildning (scientific literacy). Exemplet visar hur man kan göra naturvetenskapens arbetssätt till ett explicit och begreppsligt innehåll för eleverna och sätta detta innehåll i ett sammanhang där eleverna kan använda det för att förstå populärvetenskapliga texter och samtidigt lära sig om klimat och väder som i exemplet. Eleverna behöver på samma sätt som med allt nytt begreppsligt innehåll se många exempel och få öva sig i att använda och relatera nya begrepp både till varandra och till den verklighet och de processer de beskriver. Eftersom det finns en stark tradition både i skolan och i populärvetenskapliga texter att fokusera mer på beskrivningar av naturen och det resultat man har kommit fram till än beskrivningar av naturvetenskapliga undersökningsmetoder, krävs det en del arbete av läraren för att göra detta innehåll synligt för eleverna. Det är en process som bör byggas upp gradvis i små steg. I exemplet är detta första gången för elever och lärare och visar hur detta första steg kan se ut. Eleverna får begrepp och en struktur för att kunna resonera explicit om vad som är karakteristiskt för naturvetenskapliga arbetssätt och vilka likheter och skillnader det finns mellan olika metoder. Explicit undervisning om naturvetenskapens karaktär och arbetssätt Den didaktiska modellen Explicit undervisning om naturvetenskapens karaktär och arbetssätt ger tre principer för hur du kan undervisa det innehåll som beskrivs i de didaktiska modellerna 8 (15)

9 Karaktärsdrag för naturvetenskapliga arbetssätt och Karaktärsdrag för naturvetenskaplig kunskap (del 4): Betrakta naturvetenskapens karaktär och arbetssätt som ett begreppsligt innehåll och undervisa om det på samma sätt som allt annat begreppsligt innehåll i ämnet. Utgå från ett naturvetenskapligt innehåll som redan är bekant för eleverna eller inte alltför svårt. Skapa kommunikativa sammanhang där eleverna behöver använda nya begrepp för att lösa problem eller svara på relevanta frågor, t.ex. genom att utgå från historiska fall, populärvetenskapliga texter, laborationer eleverna redan har gjort, eller laborativa inslag med fler frihetsgrader så att eleverna själva får ett smakprov av något som mer liknar autentisk forskning. Observera att vissa didaktiska modeller handlar om hur undervisning kan genomföras, medans andra modeller handlar om vad man undervisar om, det vill säga val av innehåll. 9 (15)

10 Bilaga 1 Powerpointpresentationer från lektion 1 och (15)

11 11 (15)

12 12 (15)

13 Bilaga 2 Artiklar och tillhörande frågor inför Lektion 2: Artikel 1: Att spå väder - En omöjlig uppgift Vilken typ av frågeställningar kan en vädersimulering svara på? Hur fungerar en simulering av väder: a) vilka förenklingar och antaganden görs? b) vilken typ av beräkningar görs? c) vilken typ av indata behöver en vädersimulering? d) vilken typ av utdata genererar en vädersimulering? Varför används just simuleringar som metod i så hög grad inom meteorologi? Vilka begränsningar och möjligheter hos datorsimuleringar som metod nämns? Artikel 2: Stjärnbild hjälper potatisodlare i Peru Plejaderna ger hållbara väderprognoser mer än ett halvår framåt Identifiera minst tre olika frågeställningar och de tre olika metoder som dessa leder till. (OBS! Frågeställningarna är inte alltid explicit utskrivna i texten man får leta mellan raderna). Identifiera minst en hypotes som forskarna formulerar som ett steg i sin undersökning. Som ovan är de inte alltid explicit utskrivna. (OBS! En hypotes är inte en gissning om vad man tror kommer att hända, utan en möjlig förklaring av ett fenomen man ännu inte riktigt har grepp om. Ofta är det en mekanism som förklarar ett orsakssamband). Hur skulle en datorsimulering kunna bidra till undersökningen? Vilken frågeställning skulle den kunna svara på? Analys av artikel 2: Stjärnbild hjälper potatisodlare i Peru Det är inte helt lätt att hitta populärvetenskapliga texter som beskriver naturvetenskapliga metoder med något större detaljrikedom, ofta presenteras bara nya och spännande resultat. Om man läser noga kan man dock ofta hitta hänvisningar till metoden som forskarna använt och lyfta fram detta samt fylla i med detaljer själv för att hjälpa eleverna att förstå. Artikeln som handlar om potatisodlarna i Peru är inte typisk men beskriver en hel forskningsprocess som ett narrativ, vilket är värdefullt för att förstå något om karaktärsdrag för naturvetenskapliga arbetssätt. Nedan följer en analys av artikel 2 som hjälp till lärare som skulle vilja använda just den artikeln, eller göra en liknande analys av andra artiklar. Analysen går ut på att identifiera de frågeställningar, metoder, resultat, tolkningar och svar 13 (15)

14 som beskrivs i artikeln. Ibland är dessa inte helt explicita i texten, men kan ändå skönjas om man läser noga. Analysen presenteras här som ett svar på tre övergripande frågor man kan ställa till texten och avslutas med en sammanfattning: Vilken fråga inledde det forskningsprojekt som beskrivs i artikeln? När en av forskarna (Mark Cane) hörde talas om böndernas tradition att spå väder genom att studera en viss stjärnbild formulerade han följande övergripande frågeställning. Övergripande frågeställning: Finns det ett samband mellan Plejadernas utseende och kommande regn? Vilka andra frågor och hypoteser ledde den inledande frågan till? Fråga 2: Vilka mekanismer skulle kunna förklara en sådan koppling? Fråga 3: Hur kunde bönderna komma ihåg hur Plejaderna såg ut från år till år? Fråga 4: Var korrelationen verklig eller bara skrock? Övergripande hypotes: Väderfenomenet El Niño påverkar vädret över hela planeten och det är möjligt att det också påverkar både sikten av Plejaderna och mängden regn i Anderna. Vilka undersökningsbara frågeställningar och tillhörande metoder, resultat och tolkningar beskrivs i artikeln? Frågeställning 1: Vad tittar bönderna efter när de studerar Plejadernas utseende och hur tolkar de sina observationer? Metod 1: Intervjuer med bönderna. Resultat 1: De tittar på ljusstyrkan samt antalet och storleken på synliga stjärnor. Om stjärnbilden är ljus planteras potatisen som vanligt, men om bilden är mindre och otydligare förutsägs regnet komma senare. Tolkning 1: Dessa faktorer är relaterade till luftens renhet vilket alltså borde vara en del av svaret på Fråga 2. Frågeställning 2: Har böndernas sätt att gör en väderprognos praktisk validitet? Metod 2: Söka upp och analysera historiska data om regnmängder och storleken på skördar. Resultat 2: År med El Niño regnar det mindre i Anderna och skördarna är mindre. Tolkning 2: Detta resultat stödjer hypotesen att El Niño kan vara en del av förklaringen och alltså svaret på Fråga 2. Frågeställning 3: Hur kan uppvärmningen av vattenytan orsakad av El Niño utanför kusten orsaka lägre visibilitet av Plejaderna även på till synes klara och molnfria nätter? Hypotes 2: Luften innehåller fler dammpartiklar under år med El Niño, vilka orsakar fler moln genom att fungera som kondensationsfrön. Det är troligt, eftersom det är välkänt att El Nino drar upp stora kvantiteter sand och damm från Sahara som blåser över Atlanten. Metod 3: Analysera satellitobservationer från år med El Niño för att leta efter evidens för dammoln ovanför Anderna. Resultat 3: Bara små mängder damm kunde detekteras. Tolkning 3: Hypotes 2 stödjs inte av den evidens som finns (15)

15 Hypotes 3: Tunna tropiska moln av typen cirrus, som inte syns med ett naket öga, skulle kunna orsaka minskad sikt, särskilt om observationer görs genom den längsta möjliga siktlinjen genom atmosfären just när Plejaderna går upp over horisonten i öster. Metod 4: Analysera satellitobservationer av olika typer av molnbildning under år med El Niño. Resultat 4: Under år med El Niño ökar molnbildningen nordöst om Anderna, vilket är den riktning i vilken bönderna gör sina observationer. Dessa moln är särskilt långlivade så även om bönderna gör observationer på en enda natt är sannolikheten stor att det ger en rättvisande bild av atmosfärens tillstånd. Tolkning 4: Hypotes 3 har ett visst stöd av den evidens som finns, men någon slutgiltig slutsats går inte att dra utifrån detta. Hypotes 4: Luftfuktigheten och turbulensen kan öka under år med El Niño och orsaka minskad visibilitet. Metod 5: Analys av historiska väderdata (källan specificeras inte). Resultat 5: Luftfuktighet och turbulens ökar under år med El Niño, men effekten på visibiliteten är liten. Tolkning 5: Hypotes 3 har begränsat stöd av den tillgängliga evidensen. Tillfälligheter i forskning: Vid den här punkten i forskningsprojektets utveckling publicerades en ny studie av klimatforskare som hade upptäckt att vindriktningen över Anderna tenderar att ändras under år med El Niño. Den ändringen förhindrar fuktig luft från Atlanten och Amazonas att blåsa in över Anderna och producera regn. Den mekanismen kan förklara varför det regnar mindre under år med El Niño i Anderna. Detta illustrerar även forskning som en kollektiv process över tid där forskare bygger på varandras resultat och den centrala roll som vetenskapliga publikationer har i all naturvetenskaplig forskning. Forskare spendera ofta mer tid med att läsa om andras forskning än de gör på själva görandet i sin egen forskning. Frågeställning 4: Vilken reliabilitet har förutsägelserna som bönderna gör? Metod 6: Analys av data över böndernas förutsägelser och tiden för när regnperioden börjar gjorda av en oberoende observatör under 5 års tid. Resultat 6: Alla fem förutsägelser gjorda av bönderna vara korrekta. Tolkning 6: Det skulle ske av en slump bara en gång av 32 (men datamängden är liten). Metod 7: Analys av historiska data över höjden på moln i juni, och mängden regn sex månader senare. Resultat 7: En större mängd moln kan förutsäga mindre regn i två fall av tre. Det är bättre än slumpen och de flesta moderna vädersimuleringar. Tolkning 7: Böndernas metod har en god reliabilitet. Sammanfattning Den övergripande frågeställningen var: Finns det ett samband mellan Plejadernas utseende och kommande regn? Svaret på den frågeställningen är ja, det finns en verklig koppling. Mekanismen som förklarar kopplingen är att El Niño orsakar både att höga moln ansamlas nordöst om Anderna, vilka minskar sikten av Plejaderna, och att vindriktningen ändras över Anderna, vilket resulterar i mindre regn. Den evidens som ger stöd för denna slutsats är mönster i historiska dataarkiv för molnbildning och regn, observationsdata från satelliter av damm i atmosfären och mönster i förändringen av vindriktningar över Anderna. Alla dessa mönster är relaterade till El Niño som den förklarande mekanismen och sammanfaller med Plejadernas visibilitet. Sambandet mellan regn och skörd är uppenbar (15)