Rangordningsövningar i naturvetenskap

Transkript

1

2 Rangordningsövningar i naturvetenskap Redaktör och projektsekreterare STAFFAN ANDERSSON Projektledare JANNIKA ANDERSSON CHRONHOLM Ämnesgrupp - Biologi TOBIAS JAKOBSSON, JANNIKA ANDERSSON CHRONHOLM Ämnesgrupp - Fysik JOHAN LARSSON, STAFFAN ANDERSSON Ämnesgrupp - Geovetenskap HÅKAN SJÖSTRÖM, HEMIN KOYI Ämnesgrupp - Kemi ANDERS ERIKSSON, MAJA ELMGREN Rangordningsövningar i naturvetenskap 1

3 Projektet som presenteras i denna rapport finansierades av Fonden för pedagogisk förnyelse Teknisk- naturvetenskapliga fakulteten Uppsala universitet Rapporten har administrerats av Avdelningen för fysikens didaktik Institutionen för fysik och astronomi Uppsala universitet Omslagsbilden kombinerar en wordle av rapporten ( med clipart- element (Clipart courtesy FCIT). Svartvita illustrationer på sidorna 52, 53, 58, 96, 98 och 99 är Clipart courtesy FCIT. Mer information om denna resurs för undervisningsprojekt hittar man på Övriga illustrationer är producerade av projektgruppen. ISBN- 13: Sammanställning och formgivning: Staffan Andersson Tryck: Universitetstryckeriet, Ekonomikum, Uppsala 2 Rangordningsövningar i naturvetenskap

4 Innehållsförteckning INTRODUKTION...9 VAD ÄR EN RANGORDNINGSÖVNING? RANGORDNINGSÖVNINGENS DELAR Problempresentation Alternativ att rangordna Redovisning av rangordning Motivering av svaret Säkerhetsbedömning EN ANPASSNINGSBAR ÖVNINGSFORM...11 BAKGRUND OCH UTVECKLING HUR TÄNKER MAN EGENTLIGEN?...12 MALONEY KONSTRUERAR RANGORDNINGSÖVNINGAR...12 Exempelövning - Densitet RANKING TASK EXCERCISES IN PHYSICS...13 RANGORDNINGSÖVNINGARNA SPRIDER SIG...14 Fler böcker Utveckling och undersökningar PEDAGOGISK UTVECKLING VID UPPSALA UNIVERSITET...14 VARFÖR SKA MAN ANVÄNDA RANGORDNINGSÖVNINGAR? VISA KUNSKAP...16 REFLEKTION KRING FÖRFÖRSTÅELSE...17 NYA SÄTT ATT FRÅGA...17 SYNLIGGÖR VARIATIONER...17 STUDENTAKTIVITET...18 KREATIVT LÄRANDE OCH DJUPARE FÖRSTÅELSE...18 HUR KAN MAN ANVÄNDA RANGORDNINGSÖVNINGAR? ÖVNINGSFORMEN BEHÖVER INTRODUCERAS...19 ANVÄNDNING SOM EXAMINATIONSUPPGIFT...19 HEMUPPGIFTER...20 STUDENTAKTIVA AVBROTT...20 RANGORDNINGSÖVNINGAR PÅ EXKURSIONER...20 RANGORDNINGSUPPGIFTER PÅ LABORATIONER...21 FÖR- OCH EFTERTESTER...21 RANGORDNINGAR UTAN GIVNA SVAR...21 Rangordningsövningar i naturvetenskap 3

5 Exempelövning - Olika ämnen...22 KURSVÄRDERING MED RANGORDNING...23 MÖJLIGHETER FÖR KREATIVITET...23 HUR GÖR MAN EGNA RANGORDNINGSÖVNINGAR?...24 VAD SKA ÖVNINGEN HANDLA OM?...24 HUR SKA ÖVNINGEN FORMULERAS?...24 VILKA ALTERNATIV VILL MAN HA?...25 HUR MÅNGA OLIKA ALTERNATIV BÖR MAN HA?...25 HUR SKA ILLUSTRATIONERNA UTFORMAS?...25 Exempelövning - Acceleration...26 GLÖM INTE FÖRKLARINGSDELEN...27 HUR KONSTRUERAR MAN EN SERIE ÖVNINGAR?...28 MATEMATIKENS ROLL...28 KUNSKAPSBYGGANDE...28 VARIATIONSTEORI...29 Elektriska kretsar...30 EFFEKTER PÅ LÄRANDE OCH RESULTAT...31 STUDENTERNAS UPPLEVELSER...31 Exempel från biologin...31 Exempel från fysiken...33 Exempel från geovetenskapen...34 Exempel från kemin...34 STUDENTERNAS LÄRANDE...35 BIOLOGI - REFLEKTIONER OCH TANKAR...38 ANVÄNDNING AV RANGORDNINGSÖVNINGAR I UNDERVISNINGEN...38 KONSTRUKTION AV ÖVNINGAR...38 Kursmaterialet kan begränsa...38 Biologins komplexitet...39 ANVÄNDNING I KURSER PÅ GRUND- OCH AVANCERAD NIVÅ...39 BIOLOGI - ÖVNINGSEXEMPEL...40 Taxonomiska nivåer...40 Livets historia...40 Släktskap bland primater...41 Människans evolution...41 Populationstillväxt...42 Populationers bärkraft...43 Genetisk drift...44 Genetisk drift och populationsstorlek...45 Stabilisering av allel Rangordningsövningar i naturvetenskap

6 Populationstäthet - rutinventering Populationstäthet - linjeinventering Energiinnehåll hos molekyler Lysrörsbelysning av växter Fotosyntesens ämnen Utveckling hos växter Livslängd hos växter Gasutbytessätt Andningsstrukturer Transport av koldioxid Stödjevävnader Skelett FYSIK - REFLEKTIONER OCH TANKAR MEST MEKANIK OCH ELLÄRA...58 ARBETA MED REPRESENTATIONER...58 KOPPLIG TILL LÄRANDETEORIER...59 EN BYGGSTEN FÖR NYUTVECKLING...59 FYSIK - ÖVNINGSEXEMPEL Storleksordningar Densitet Spegelbilder Ljusbrytning i prisma Snörkrafter Lådor på bräda Vätskans lyftkraft Vätskans lyftkraft Densiteter Relativa rörelser Person på våg i hiss Sträcka - tid - grafer Glidande klossar Inbromsning Accelererade lådor Elektriska krafter Elektrisk potential Vridmoment Arbete Superposition av pulser Interferens Stående vågor Rangordningsövningar i naturvetenskap 5

7 Orgelpipor...79 Reflektionsgitter...79 Harmonisk svängning...80 Rotationsrörelse...81 Vinkelhastighet...82 Magnetisk flödestäthet...82 Inducerad spänning...83 Temperaturstrålning...83 Fotoelektrisk effekt...84 Ljusstrålar...84 Emittans...85 Spektrallinjer...85 Stråldoser...86 GEOVETENSKAP - REFLEKTIONER OCH TANKAR...87 BÄTTRE EN ÖVNING I HANDEN ÄN EN PÅ VÄGGEN...87 ATT TRÄNA PROFESSIONELLT TÄNKANDE...87 ÖVNINGAR I FÄLT...87 GEOVETENSKAP - ÖVNINGSEXEMPEL...89 Jordens ämnen...89 Hårdhet...90 Klyvningsplan...90 Kristalliseringstemperatur...91 Bildningsordning...91 Bergarter - sammansättning och kornstorlek...92 Bergarter - sammansättning och färg...93 Bergarter - kornstorlek och bildningsdjup...94 Geologisk utveckling och bergarters relationer...95 Erosionsprocesser...96 Vulkaners form, sammansättning och egenskaper...97 Glaciärrörelse...99 Molntyper KEMI - REFLEKTIONER OCH TANKAR RANGORDNINGSÖVNINGAR PÅ FÖRELÄSNINGAR ÖVNINGAR MED OCH UTAN SIFFROR SVÅRIGHETER MED BILDER KEMI - ÖVNINGSEXEMPEL Periodiska systemet - En serie övningar Periodiska systemet - Antal protoner Periodiska systemet - Antal elektroner Rangordningsövningar i naturvetenskap

8 Periodiska systemet - Storlek Periodiska systemet - Jonisationsenergi Periodiska systemet - Valenselektroner Jonkonduktivitet Molär förbränningsentalpi Förbränningsentalpi per massenhet Smältpunkt Smältpunkt Kokpunkt ph Reaktionshastighet Effektiv kärnladdning Effektiv kärnladdning - Atomstorlek Effektiv kärnladdning - Jonisationsenergi Skalmodellen Skalmodellen - Atomstorlek Skalmodellen - Jonisationsenergin Gitterenergi Jonbindning Molmassor Atomantal EPILOG Rangordningsövningar REFERENSER Rangordningsövningar i naturvetenskap 7

9 8 Rangordningsövningar i naturvetenskap

10 Introduktion Rangordningsövningar är en övningsform där studenter rangordnar situationer utifrån givna förutsättningar och egenskaper. Läraren som skapar övningen kan välja hur dessa förutsättningar och egenskaper varieras, och på så sätt rikta studenternas uppmärksamhet mot just de kritiska aspekter man vill att de ska se. Detta ger studenterna möjlighet att aktivt bearbeta de kritiska aspekterna och förstå hur de samverkar, vilket bidrar till ett konstruktivt lärande. Vi genomförde 2010 ett pedagogiskt projekt vid Uppsala universitet där rangordningsövningar prövades i biologi, fysik, geovetenskap och kemi. Inom ramen för projektet fann vi bland annat att rangordningsövningar: fungerade väl som ett komplement till andra undervisningsresurser inom våra ämnen. gick att använda mer kreativt och flexibelt i undervisningen än tidigare föreslaget. kan bli ännu bättre om de kopplas till aktuell ämnesdidaktisk och utbildningsvetenskaplig forskning. I denna rapport berättar vi om rangordningsövningar, hur man kan arbeta med dem och en del om vad vi lärt oss. Förhoppningen är att det ska inspirera andra till fortsatt arbete inom området. Rangordningsövningar i naturvetenskap 9

11 Vad är en rangordningsövning? STAFFAN ANDERSSON I rangordningsövningar presenteras olika variationer av en given situation. Studenten ska sedan ordna situationerna efter givna villkor. Efter att alternativen har rangordnats ska studenten sedan skriva ner en förklaring för sitt resonemang. De flesta rangordningsövningarna följer samma struktur med fem element som följer efter varandra. Strukturen presenteras översiktligt i exempel Exempel 1. En översikt av rangordningsövningens olika delar. 10 Rangordningsövningar i naturvetenskap

12 Rangordningsövningens delar 1. Problempresentation Här beskrivs situationen som övningen handlar om. De allmänna uppgifter studenterna bör känna till presenteras. Ibland kan man även ha med annan information, särskilt om övningen används som en del av ett undervisningspass. Vanligtvis avslutas den här delen med att man berättar vad som ska rangordnas och utifrån vilka grunder. 2. Alternativ att rangordna Nästa del är en presentation av de olika alternativ som ska rangordnas. I ursprungsformen var det alltid ett antal olika beskrivande figurer som ofta innehöll olika numeriska värden. Vi har dock sett att man ibland måste arbeta utan bilder här. 3. Redovisning av rangordning Oftast följer sedan en skala där man kan placera ut de olika alternativ som ska rangordnas. Här brukar man ha lika många möjliga steg som antalet alternativ, även om ett par av alternativen kan tänkas rankas lika. 4. Motivering av svaret En viktig del av övningen är förstås att studenterna ska motivera varför de svarar som det gör. 5. Säkerhetsbedömning Slutligen har man vanligtvis med en del där studenterna får kommentera hur säkra de är på sitt svar. En anpassningsbar övningsform Det här är grundformatet för en rangordningsövning, men det går förstås att förändra beroende på vilket mål och vilka förutsättningar man har för övningen. Rangordningsövningar i naturvetenskap 11

13 Bakgrund och utveckling STAFFAN ANDERSSON I det här avsnittet ges en kort översikt av rangordningarnas bakgrund och hur de utvecklats genom åren. Hur tänker man egentligen? Inspirationen till rangordningsövningarna kom ursprungligen från en forskningsmetod inom kognitiv utveckling kallad regelvärdering (rule- assessment) som presenterades av Robert Siegler (1976). Grundidén är att man, som en del av sitt lärande, utvecklar olika regler och samband för hur saker hänger ihop. För att få insikt om dessa regler och hur de utvecklas låter man försökspersoner göra jämförelser mellan många olika varianter av en specifik situation och motivera sina svar. Genom att följa personernas resonemang kan man få fördjupad insikt om deras uppfattningar och hur de värderar olika regler. Maloney konstruerar rangordningsövningar Med utgångspunkt från Sieglers metod utvecklade David Maloney (1987) en mer kortfattad metod för att undersöka dessa uppfattningar inom ramen för examination av kurser. Dessa ursprungliga rangordningsövningar var individuella övningar som gjordes med papper och penna. Eftersom Maloney var fysiker hade övningarna också en tydlig fysikprägel. I Maloneys övningar presenteras ett antal olika variationer av en viss fysikalisk situation. Studenten ska sedan ordna de olika situationerna efter något givet villkor. Efter att alternativen har rangordnats ska studenten sedan skriva ner en förklaring för sitt resonemang. Maloney (1987) presenterade en grundläggande struktur för rangordningsövningar med fyra centrala element - situations- beskrivning, figurer, rangordningsredovisning och resone- mangsredovisning. 12 Rangordningsövningar i naturvetenskap

14 Exempelövning - Densitet Här är fyra solida kuber tillverkade av olika material. Alla kuber har samma massa. Rangordna kuberna utifrån materialens densiteter från lägsta till högsta densitet. Lägsta densitet Högsta densitet Förklara resonemanget bakom ditt svar. Exempel 2. Rangordningsövning enligt Maloneys grundstruktur. Ranking Task Excercises in Physics Rangordningsövningarna utvecklas ytterligare och får ett genombrott 2000 när O'Kuma, Maloney och Hieggelke publicerar den första versionen av boken "Ranking Task Excercices in Physics". I boken betonar författarna bland annat rangordningsövningarnas betydelse som verktyg för inlärning, och inte bara för examination. Här lägger man också till ett femte element till grundstrukturen där studenten ges möjlighet att ange hur säker hon var på resonemanget som användes för uppgiften. Läraren får en indikation på hur starkt studenten själv är övertygad om centrala koncept och studenterna får en möjlighet att visa att de faktiskt inte är övertygade. Rangordningsövningar i naturvetenskap 13

15 Rangordningsövningarna sprider sig Flera lärosäten, främst i USA, börjar nu använda boken om rangordningsövningar och en del utvecklingsarbete inleds. Övningsformen får också stor uppmärksamhet och presenteras i olika sammanhang (se exempelvis Redish, 2003 och Knight, 2004). Fler böcker Den ursprungliga boken uppdaterades med fler övningar (O'Kuma, Maloney & Hieggelke, 2008). Hieggelke, Maloney, Kanim och O'Kuma (2005) publicerat också en ytterligare bok med fokus på elektricitet och magnetism. Det är en problem- samling med många olika typer av problem utvecklade utifrån aktuell ämnesdidaktisk forskning - bland annat ett stort antal rangordningsövningar. Brown och Poor (2011) publicerade nyligen en bok om rangordningsövningar inom materialfysik och hållfasthetslära. De publicerade böcker som finns är dock än så länge främst rena problemsamlingar. Utveckling och undersökningar Mycket av det utvecklingsarbete som genomförts med rangordningsövningar har varit mycket lokalt och endast presenterats i begränsad form, exempelvis på mindre konferenser. Det finns även en del mer spridda initiativ. Ett av dessa är arbetet med att kombinera rangordningsövningar och informationsteknologi (se inledningsvis Cox, Belloni & Christian, 2005). Ett annat spännande område är studierna av rangordningsövningarnas effekter på studenters lärande inom astronomiområdet (Hudgins, 2005; Hudgins, Prather, Grayson & Smits, 2007). Dessa och andra projekt inspirerar och informerar ett fortsatt arbete med rangordningsövningar. Pedagogisk utveckling vid Uppsala universitet Inspirerade av den internationella utvecklingen har lärare vid Uppsala universitet arbetat en del med rangordningsövningar i olika sammanhang, främst som ett pedagogiskt redskap vid lektionsundervisning. Bland annat har svårigheterna med att 14 Rangordningsövningar i naturvetenskap

16 utforma rangordningsövningar inom andra naturvetenskapliga ämnen, främst biologi, lyfts fram och diskuterats (Andersson Chronholm och Andersson, 2010). En annan viktig lärdom är att utformningen av bilderna i övningarna måste följa rådande ämnesnorm för att övningarna verkligen ska leda till förbättrat lärande och inte till ökad förvirring (Larsson och Andersson, 2010). Dessa projekt lyfte fram positiva effekter av att använda rangordningsövningar, men gav också många idéer för hur metoden kan förbättras ytterligare. Detta inspirerade det större pedagogiskt utvecklingsprojekt som genomfördes 2010 och som resulterade i denna rapport. Rangordningsövningar i naturvetenskap 15

17 Varför ska man använda rangordningsövningar? STAFFAN ANDERSSON, JANNIKA ANDERSSON CHRONHOLM, JOHAN LARSSON Det finns många olika anledningar till använda rangordnings- övningar, både i undervisningen och i examinationen. De flesta anledningar som diskuteras i litteraturen har ett fokus på användandet av rangordningsövningar inom examinationen, men det finns även flera andra anledningar. Visa kunskap En viktig anledning, som Maloney (1987) lyfter fram, är att rangordningsövningarna vanligtvis påvisar studenternas verkliga uppfattningar om hur de fysikaliska systemen fungerar och inte bara memorerade standardsvar. Detta gör rangordningsövningarna till ett viktigt verktyg som hjälper läraren att få värdefull insikt i hur studenterna tänker. Dessa insikter kan sedan användas för att hjälpa studenterna att tillägna sig de etablerade naturvetenskapliga idéerna. Denna anledning är, i alla fall till att börja med, tydligt kopplad till Maloneys första användningsområde av rangordnings- övningarna som ett medel för examination. Rangordningsövningarna innehåller ofta få ledtrådar till hur de ska lösas. Dessutom kräver de att studenterna tänker på ett annat sätt än de gör när de löser standardproblem. För det mesta, kanske särskilt inom fysiken, är studenterna vana att lösa problem där de ska räkna ut ett numeriskt värde för någon viss storhet när värdena för ett antal andra storheter är givna. Vanligtvis gör man det genom att välja ett eller flera passande samband som man antagligen hittar i sin formelsamling, stoppa in de givna värdena och lösa ut den storhet som saknas. Denna metod tränar främst studenterna i att algebraisk manipulation av formler, men de grundläggande koncepten och sambanden glöms ofta bort (Redish, 2003). 16 Rangordningsövningar i naturvetenskap

18 Reflektion kring förförståelse Inom ämnesdidaktisk forskning i naturvetenskap har många studier genomförts av studenternas förförståelse av fysik och av de problem som uppstår när tidigare uppfattningar ska ändras till etablerade modeller (Se exempelvis Clement, 1982; Peters, 1982; Halloun & Hestenes 1985; McDermott, 1991). Rangordningsövningarna kan ge information om för- förståelsen, men också användas för att bidra till förändringen. Med rangordningsövningarna kan man formulera frågor på ett annorlunda, och ofta nytt, sätt. Genom att sedan jämföra hur studenterna svarar på liknande frågor ställda på olika sätt kan man få dem att aktivt fundera kring varför de svarar som de gör i de olika fallen. Det kan i sin tur bidra till att studenterna reflekterar över sin egen förståelse. Nya sätt att fråga En annan anledning till att använda rangordningsövningar är att de kan användas för att pröva hur stabil studenternas förståelse av centrala koncept verkligen är. Övningarna kan användas för att omformulera frågor som ställs i traditionella problem, konceptuella frågor eller flervalsfrågor. Studenterna lär sig snabbt strategier för att hantera olika typer av uppgifter, ofta utan att verkligen tänka igenom den situation som behandlas. Genom att använda rangordningsövningarnas format krävs ett annat sätt att utvärdera och analysera situationen, där studenterna måste tänka på koncept, principer och relationer på ett annat sätt. Denna anledning lyfts särskilt fram av O'Kuma, Maloney och Hieggelke (2003). Synliggör variationer I rangordningsövningarna ställs studenterna i stället framför en uppgift med ett antal olika variationer av liknande situationer. Där blir de tvungna att förstå hur förändringar av olika storheter påverkar det som händer i systemet. Detta är ett sätt att tänka och lära som kopplar väl till variationsteorin och som bör vara mycket konstruktivt för studenters lärande. Rangordningsövningar i naturvetenskap 17

19 Variationsteori är en modell för lärande som hävdar att variation är en central faktor för lärande (Se exempelvis Marton och Booth, 1997; Marton och Trigwell, 2000; Marton och Tsui, 2004). Resonemanget bakom teorin bygger på att man lär sig genom upplevelsen av variationer eftersom variation är en nödvändighet för att man ska kunna särskilja de olika kritiska egenskaperna hos det man ska lära sig. Teorin har fått ett genomslag som grund för pedagogisk utveckling och har bland annat undersökts inom fysik på collegenivå (Linder, Fraser och Pang, 2006). Vår erfarenhet av att arbeta med rangordningsövningar är att de kan användas på ett mycket effektivt sätt för att rikta studenternas uppmärksamhet mot just de kritiska aspekter som vi vill uppmärksamma dem på genom att variera en faktor i taget i övningarna. Detta är särskilt effektivt om man arbetar med en serie av övningar. Studentaktivitet I samband med de tidigare pedagogiska utvecklingsprojekten i Uppsala användes rangordningsövningarna också på ett strategiskt sätt för studentaktiv undervisning. Mängder av forskning har ju påvisat att studentaktiv undervisning, där studenter aktivt på något sätt arbetar med ämnet tillsammans, är mycket framgångsrikt för ett konstruktivt lärande (Se exempelvis Hake, 1998; Ramsden 2003; Redish, 2003). Rangordningsövningarna är en tacksam startpunkt för bland annat grupparbeten, diskussion i smågrupp och större klassrumsdiskussioner. Denna typ av användning är också något som föreslagits av Knight (2004). Kreativt lärande och djupare förståelse De som använt rangordningsövningar rapporterar allmänt att de bidragit på ett mycket bra sätt till studenternas lärande, särskilt av konceptuell förståelse. De anledningar som främst diskuteras för detta är att övningarna aktivt arbetar med studenternas förförståelse, att de strategiskt låter studenterna arbeta med variationer kring centrala koncept samt att de bidrar till ett studentaktiverande lärande. 18 Rangordningsövningar i naturvetenskap

20 Hur kan man använda rangordningsövningar? STAFFAN ANDERSSON, JANNIKA ANDERSSON CHRONHOLM, MAJA ELMGREN, TOBIAS JAKOBSSON, JOHAN LARSSON I litteraturen presenteras rangordningsövningarna främst som uppgifter lämpliga för examination, hemarbete och räkne- övningar. Under vårt projekt har vi dock sett att det finns många andra användningsområden. Övningsformen behöver introduceras Oavsett hur man väljer att använda rangordningsövningar är det viktigt att komma ihåg att denna övningstyp ofta är okänd för studenterna. Därför är det viktigt att man som lärare är tydlig när man introducerar rangordningsövningar för första gången. Det gäller både för den pedagogiska motiveringen bakom övningsformen och för hur man som student arbetar med den här typen av övningar. När det gäller den pedagogiska motiveringen tror vi det är bra att betona övningarnas värde som komplement till andra undervisningsformer. Förklara gärna hur de kopplar till studentaktivitet och fördjupad konceptuell förståelse. När det gäller själva övningsformen kan det vara värdefullt att visa upp ett exempel på en rangordningsövning och diskutera med studenterna hur man arbetar med den. Det är också viktigt att betona betydelsen av att studenterna förklarar hur de har resonerat när de gjorde sin rangordning. Ofta är det just arbetet med motiveringen som leder till den konceptuella förståelse som övningen har utformats för att tydliggöra eller testa. Användning som examinationsuppgift Ursprungligen lanserades rangordningsövningar som en metod för examination (Maloney, 1987). När vi prövade att använda övningarna vid examination var det mycket tydligt att man måste vara väldigt varsam vid konstruktionen, eftersom inte övningen ska kunna missförstås. Rangordningsövningar i naturvetenskap 19

21 Hemuppgifter O'Kuma, Maloney och Hieggelke (2008) betonar rangordnings- övningarnas användbarhet som lämpliga hemuppgifter eftersom de är begränsade och ofta tydliga. De framhåller också att problemställningarna är relativt lätta för studenterna att förstå. Samtidigt är det viktigt att tänka på vilket mål man har med hemuppgifterna. Våra erfarenheter från projektet visar att studenterna sällan diskuterar med varandra när övningarna ges som hemuppgifter. Då motiverar de inte heller sina svar på samma sätt som i en klassrumssituation. Om målet med övningen är lärande, och inte bara kunskapsredovisning, bör man noga tänka sig för hur man använder dem som hemuppgifter. Kanske kan man arbeta med utförliga skriftliga motiveringar som skickas in och diskuterar, antingen på nätet eller i en klassrumssituation. Studentaktiva avbrott Rangordningsövningarnas format gör dem till utmärkta uppgifter att variera teorigenomgångar med. En metod är att efter en kortare teorigenomgång ge studenterna en rangordningsövning och låta dem arbeta med den under några minuter. Därefter får studenterna diskutera lösningen till problemet med varandra och enas om vilken lösning som är den riktiga. Som inom all studentaktiv undervisning är det viktigt att läraren är uppmärksam och kommer med återkoppling. Rangordningsövningar på exkursioner Inom projektet har vi sett att övningarna fungerar utmärkt att använda på exkursioner där situationerna som ska rangordnas och faktorerna som varieras kan hämtas direkt ur verkligheten. Exempelvis kan en övning göras först i klassrummet och sedan åter ute på en exkursion. På så sätt kan man visa skillnader mellan teoretiska situationer och verkligheten. På fältövningar i geovetenskap prövade lärare inom projektet att markera ut intressanta objekt direkt på berget med krita 20 Rangordningsövningar i naturvetenskap

22 och sedan låta studenterna både rangordna och diskutera. Detta fungerade mycket bra och uppskattades av studenterna. Rangordningsuppgifter på laborationer I samband med laborationer fungerar rangordningsövningarna bra för att visa olika kritiska aspekter. Ofta uppmärksammar inte studenterna de saker som läraren vill att de ska lära sig eftersom de har fullt upp med att "klara laborationen" (Lippman, 2002). En rangordningsövning kan då bidra till att rikta studenternas uppmärksamhet åt ett speciellt håll. Särskilt effektivt kan det vara att kombinera rangordningsövningar med vägledda praktiska övningar (tutorials) av det slag som McDermott och Schaffer (1998) presenterat. För- och eftertester Ett annat användningsområde för rangordningsövningar är att utnyttja dem som för- och eftertest för att undersöka om, och i så fall hur, studenters uppfattningar har förändrats av undervisningen. Rangordningsövningar anses ju undersöka studenternas verkliga förståelse av koncept och samband, till skillnad från förmågan att återge memorerade standardsvar. Rangordningar utan givna svar Eftersom ett av målen med projektet var att verkligen vidga användningsområdena för rangordningsövningar prövade vi även att använda dem bortom arbete med kända samband och svar inom ämnesstudierna. Vi fann att det var mycket givande att utgå från rangordningsövningar utan givna svar vid studentdiskussioner både inom och om naturvetenskapliga ämnen. Bland annat prövade vi framgångsrikt övningarna som utgångspunkt för diskussioner om undervisningsmetoder, ämneskulturer, maktfördelning och genusaspekter. Rangordningsövningar i naturvetenskap 21

23 Exempelövning - Olika ämnen Vid teknisk-naturvetenskaplig fakultet vid Uppsala universitet finns följande ämnesområden: A. Kemi B. Fysik C. Teknik D. Biologi E. Matematik F. Datavetenskap E. Geovetenskap 1. Ordna ämnena från det äldsta till det yngsta. Äldst Yngst 2. Ordna ämnena från det lättaste till det svåraste. Lättast Svårast 3. Ordna ämnena från mest feminint till mest maskulint. Mest feminint Mest maskulint Hur tänkte ni när ni ordnade ämnena? Hur säkra är ni på era svar? 22 Rangordningsövningar i naturvetenskap

24 Kursvärdering med rangordning Även i andra värderingssammanhang fungerade övningarna väl. Bland annat använde vi dem vid kursvärdering, där studenterna fick rangordna olika moment och undervisnings- former. Möjligheter för kreativitet Under projektet har vi konstaterat att rangordningsövningarna fungerat bra inom alla områden där vi prövat dem, så länge vi gjort det på ett medvetet sätt. Utifrån tydliga syften och med klar strategi för användningen bär de ett värdefullt komplement till övriga undervisningsmetoder. Vår slutsats är att rangordningsövningar är ett användbart och flexibelt pedagogiskt verktyg, särskilt för olika typer av studentaktiv undervisning. Rangordningsövningar i naturvetenskap 23

25 Hur gör man egna rangordningsövningar? STAFFAN ANDERSSON Det är oftast en god idé att utgå från några grundläggande didaktiska frågor när man ska utforma egna rangordnings- övningar. Vilket syfte har man med övningen? Vad ska den handla om? Hur bör den utformas för att leda till önskade mål? Det första man bör tänka på är vilket syfte man har med den övning som utformas. Eftersom målen delvis skiljer sig om den exempelvis ska användas som ett hjälpmedel för studenternas lärande eller som en tentamensuppgift kommer det ofta att spela roll för övningens utformning. I den fortsatta diskussionen kommer vi att fokusera på uppgifter som är tänkta att användas som en del av lärandeprocessen, exempelvis som aktiverande avbrott i föreläsningar eller som diskussionsuppgifter. Vad ska övningen handla om? Eftersom rangordningsövningar har visats sig vara effektiva både för att lyfta fram och bidra till förändringar av studenternas förförståelse är det ofta bra att tänka på kända problem med studenters förförståelse när man utformar övningarna. Det kan bidra till att man som lärare lättare inser vilka aspekter man bör fokusera på i övningen. Här kan det vara värdefullt att läsa en del av den forskningslitteratur som finns om förförståelse inom det aktuella området. Hur ska övningen formuleras? Vanligtvis är det bra att försöka använda vardagligt språk och gärna koppla till vardagliga företeelser när man formulerar problemet. Ibland kan det dock finnas en poäng med att 24 Rangordningsövningar i naturvetenskap

26 använda fackuttryck. I vissa fall kanske det inte finns något alternativ. Det gäller främst inom de mer abstrakta områdena inom naturvetenskaperna. Ibland kan det också vara en god idé att inkludera information som inte krävs för att lösa övningen. Det kan dels bidra till att göra studenterna medvetna om att vissa storheter inte påverkar vad som sker i den aktuella situationen. Det kan även röra sig om ren distraktion med syfte att stimulera studenternas kritiska tänkande genom att utmana dem att skilja på relevant och irrelevant information. Vilka alternativ vill man ha? De olika alternativen som studenterna ska rangordna bör förstås väljas så att de tydligt skiljer sig. De bör också tydliggöra de viktiga skillnader man vill att studenterna ska uppfatta. Hur många olika alternativ bör man ha? Oftast är det nog lagom med fyra till sex alternativ att rangordna. Hudgins, Prather, Grayson och Smits (2007) fann i sina studier att fler än sex olika alternativ kunde leda till onödig frustration hos studenterna eftersom de upplevt att det mest handlade om bokföring av olika alternativ. Ibland kan dock ämnet för uppgiften påverka hur många alternativ man rent logiskt bör ha. Det kan exempelvis bli aktuellt om det är ett givet antal alternativ, som planeter, grundämnen eller något annat, som ska rangordnas i uppgiften. Hur ska illustrationerna utformas? Illustrationerna spelar en viktig roll i den ursprungliga formen för rangordningsövningarna. Där var tanken att bilderna direkt ska leda studenterna in i problemställningen. Under vårt arbete med projektet har vi flera gånger sett att det inte alls är så enkelt. Det finns många områden inom de naturvetenskapliga ämnena som inte är helt enkla att illustrera. Det kan också vara svårt att få med all information man vill i illustrationen. Rangordningsövningar i naturvetenskap 25

27 En viktig sak att tänka på när man illustrerar övningarna, som bland annat lyfts fram av Larsson och Andersson (2010), är att hålla sig till ämnesnormerna för att undvika förvirring. Ett exempel som de lyfter fram är rangordningsövningar i mekanik där olika stora krafter har ritats med lika långa pilar vilket riskerar att vilseleda studenterna. Exempelövning - Acceleration Ett antal lådor med olika massa är från början i vila. De skjuts längs en isbana med varierande kraft enligt figurerna. Rangordna lådorna från den med lägst acceleration till den med högst acceleration. Exempel 3. En övning med korrekt representation av kraftpilar. Det kan vara värdefullt att tänka på vilka olika typer av illustrationer man använder. Inom naturvetenskaperna används många olika representationer, som exempelvis diagram, grafer och vanliga bilder, när något ska illustreras. Genom att variera hur övningarna illustreras kan studenterna ges en bred uppfattning om hur kunskap kan representeras på olika sätt inom naturvetenskapen. Se exempelvis på alla de olika sätt som används för att illustrera en atom - från kulmodeller i plast via planetliknande bohrmodeller till abstrakta matematiska beskrivningar. Ett brett användande av många olika representationer har också visat sig bidra till en 26 Rangordningsövningar i naturvetenskap

28 mer sammanhängande, mångsidig och robust förståelse av olika fenomen och samband (Redish, 2003). Glöm inte förklaringsdelen. En viktig del i grundstrukturen för rangordningsövningarna är den avslutande delen där studenterna ska förklara hur de tänkt. Även om övningen används som diskussionsunderlag är det fortfarande bra att ha kvar detta element. När man behöver formulera resonemanget skriftligt är alla studenter tvungna att tänka igenom resonemanget samt identifiera de koncept och/eller faktorer som är kritiska för fenomenet. De måste också sammanfatta allt detta till ett sammanhängande resonemang som tydligt visar att de förstått hur relevanta naturvetenskapliga samband kan användas för att beskriva eller förutsäga det som sker i den beskrivna situationen. Rangordningsövningar i naturvetenskap 27

29 Hur konstruerar man en serie övningar? STAFFAN ANDERSSON Om man utformar flera rangordningsövningar som ska användas vid samma tillfälle, exempelvis ett övningspass bör man tänka igenom och planera hur man arbetar med progressionen mellan uppgifterna. Matematikens roll Matematikens roll inom ämnet är också något man kan arbeta aktivt med om man utformar en serie övningar. Särskilt enkelt är detta säkert inom fysiken, men det kan antagligen göras även i andra ämnen. De inledande övningarna kan börja med kvalitativa situationer som kräver en konceptuell analys och djupare tänkande än ren memorering eller reproduktion av formelbaserade lösningar. Sedan kan senare övningar inriktas mer mot kvantitativa resonemang, där man behöver tänka kring proportionaliteter eller genomföra beräkningar. Här kan numeriska värden med fördel presenteras i diagram, grafer eller tabeller. Kunskapsbyggande En strategi som fungerar väl när man utformar en serie av övningar är kunskapsbyggande (Scaffolding), en strategi presenterad av Wood, Bruner och Ross (1976). Strategin, som ursprungligen utformades för handledning, bygger helt enkelt på att man låter en serie övningar börja väldigt enkelt och vardagsnära för att sedan successivt fortsätta mot allt mer komplexa och ämnesspecifika övningar. Hudgins, Prather, Grayson och Smits (2007) arbetade med detta i sina studier och fann att det var mycket nyttigt att börja med övningar som påminde studenterna om vad de redan visste och vad de upplevt i sin vardag innan nya mer komplexa idéer som var typiska för ämnet introducerades. På detta sätt kan alltså rangordningsövningarna användas för att först fokusera på, och tydliggöra, existerande kunskap. Därefter kan nya koncept 28 Rangordningsövningar i naturvetenskap

30 introduceras och integreras i byggandet av mer holistiska kunskapsmodeller inom ämnet. Variationsteori Vid konstruktion av en serie med övningar har vi funnit det särskilt värdefullt att basera arbetet på variationsteori (se exempelvis Marton och Tsui, 2004). Rangordningsövningarnas form gör det både enkelt och effektivt att visa upp en variation för den eller de kritiska aspekter vi vill att studenterna ska uppmärksamma i sitt lärande. I en serie övningar kan vi välja en aspekt att variera i de första övningarna och sedan andra i efterföljande övningar. Genom att variera först en faktor, sedan en annan och slutligen båda faktorerna i samma situation kan studenterna verkligen uppmärksammas på vilka faktorer som är viktiga, hur de spelar in på situationen och hur de olika faktorerna samspelar. Rangordningsövningar i naturvetenskap 29

31 Elektriska kretsar Olika antal likadana batterier kopplas in över likadana glödlampor. a. Ordna kopplingarna utifrån ljusstyrkan hos glödlampan. Minst ljusstyrka Störst ljusstyrka b. Ordna kopplingarna utifrån strömstyrkan genom tråden till glödlampan. Lägst strömstyrka Högst strömstyrka c. Ordna kopplingarna utifrån spänningen över glödlampan. Lägst spänning Högst spänning d. Ordna kopplingarna utifrån hur länge glödlampan kommer att lysa Längst tid Kortast tid Exempel 4. En inledande övning om elektriska kretsar där det enda som varierar är antalet batterier parallellkopplade över glödlampan. 30 Rangordningsövningar i naturvetenskap

32 Effekter på lärande och resultat PROJEKTGRUPPEN Flera undersökningar har påvisat att rangordnings- övningar kan vara ett effektivt verktyg för lärande(se exempelvis Redish, 2003; Hudgins, 2005; Hudgins, Prather, Grayson & Smits, 2007). Inom vårt projekt har vi sett att detta stämmer väl för våra studenter inom alla de naturvetenskapliga ämnen och ämnesområden som vi arbetat inom. Övningarna främjar studentaktivitet och konceptuell förståelse och kan effektivt användas för att tydliggöra kritiska aspekter som är centrala för lärandemålet för studenterna. Den tydligaste effekten ser vi när vi undersöker studenternas upplevelser av att arbeta med rangordningsövningarna. Studenternas upplevelser I samtliga undersökningar och utvärderingar som gjorts inom vårt projekt lyfter studenterna fram att uppgifterna bidragit till diskussioner och kreativt tänkande inom ämnet. Exempel från biologin I samband med att studenterna på basårets Biologi, baskurs A, arbetat med rangordningsövningar inom avsnittet om evolution gjordes en undersökning av deras uppfattningar om rangordningsövningar. De övervägande positiva uppfattningarna sammanfattas i följande graf. Rangordningsövningar i naturvetenskap 31

33 Graf 1. Svarsfördelning för olika frågor om rangordningsövningar i biologi. Studenterna uppskattade rangordningsövningarna som undervisningsform. Även i de öppna kommentarerna var de flesta mycket positiva. Man får försöka använda sina inlärda kunskaper på ett mer kreativt sätt. (Annars blir det mer ett upprepande). Man reflekterar mer och rabblar inte bara utantill-kunskap. Fokus blir mer på förståelse och mindre på att repetera uppräkningar från boken. Illustrationerna är bra, det blir inte samma utantill-tänk. Man får använda kunskaperna mer praktiskt, om du förstår vad jag menar. Det satte igång hjärnan att tänka i andra banor. Det känns som man får tänka mer än när man bara svarar på text. Dessa uppgifter gjorde att man fick koppla intrycket från bilder och med hjälp av sin kunskap svara med egna ord. De flesta ansåg att övningarna var ett givande inslag i undervisningen som fick dem att diskutera och även värdera sin kunskap om olika fenomen. Många av studenterna ansåg att de gärna kunde tänka sig fler rangordningsövningar i undervisningen, men att de skulle ses som ett komplement till andra övningar och inte ersätta dessa. Uppgifterna var av 32 Rangordningsövningar i naturvetenskap

34 skiftande karaktär där två av uppgifterna inte hade ett entydigt svar utan ordningen kunde diskuteras ur flera olika synvinklar. Några studenter blev frustrerade över detta och uttryckte att de inte ville utföra uppgifter där de inte kunde få ett rätt svar. Exempel från fysiken Även inom de fysikkurser där rangordningsövningar prövades var studenterna mycket positiva. En särskilt detaljerad utvärdering av detta genomfördes på en fysikkurs där studenterna arbetat med övningarna i smågrupper (Larsson & Andersson, 2010). I utvärderingen var studenterna över lag mycket positiva till sina upplevelser av rangordnings- övningarna. De allra flesta ansåg att övningarna bidragit till en ökad förståelse av de olika fysikaliska begrepp de arbetat med. Graf 2. Svarsfördelning för en fråga om rangordningsövningars bidrag till ökad förståelse av fysikaliska begrepp. Något som syntes särskilt tydligt i undersökningen var att studenterna upplevde att rangordningsövningarna bidrog på ett värdefullt sätt till deras färdighetsträning. Särskilt tydligt var det när det gällde förmågan att muntligt diskutera fysik. Det är ett område där studenter oftat påtalat att de saknar träning i sina kurser. Rangordningsövningar i naturvetenskap 33

35 Graf 3. Svarsfördelning för en fråga om rangordningsövningars bidrag till färdighetsträning i muntliga diskussioner. Den allmänna uppfattningen bland fysikstudenterna verkade alltså vara att rangordningsövningarna fungerade bra som ett komplement till annan undervisning. Exempel från geovetenskapen Inom geovetenskapen fungerade det väldigt bra med integrerade rangordningsövningar i undervisningen. Dessa övningar blev ännu en värdefull resurs i en verktygslåda full av olika övningar som kan användas i undervisningen. Särskilt lyckat var att använda övningarna som en del av exkursioner och andra fältövningar. Exempel från kemin På kemikurserna observerade vi att studenterna tog sig an uppgifterna med stort allvar och koncentration. Någon uppgift hade kanske krävt mer tid eller mer förberedande information från föreläsaren för att fungera riktigt bra. Studenterna uppfattade övningarna som ett mycket positivt inslag i föreläsningarna. Ett avbrott med tid för eftertanke och diskussion är uppenbarligen ett behov som kan uppfyllas med denna typ av övningar. Efter den andra omgången övningar på 34 Rangordningsövningar i naturvetenskap

36 kemiteknikprogrammet hade vi en muntlig utvärdering. Studenterna var genomgående positiva och sa saker som: Det här gjorde att vi förstod. Vi gjorde det till vårt eget. Det var mycket bättre att vi själva fick sammanfatta genom övningen än om läraren hade gjort det. Dessutom ställde studenterna många fler insiktsfulla frågor efter övningen än före. Denna typ av övningar kan alltså fylla ett viktigt behov genom att fungera väl som aktiverande inslag i föreläsningar. Vi tror också att övningarna kan användas under lektionstid med mer tid och återkoppling från läraren. Då kan studenterna kanske utgå från övningarna och själva leta efter samband och diskutera sig fram till svaren utan tidigare genomgång. Studenternas lärande Under projektet genomförde Tobias Jakobsson ett försök på kursen Biovetenskap för att undersöka övningarnas inverkan på studenters lärande. Under en föreläsning fick studenterna arbeta med övningar om genetisk drift. Vid den obligatoriska efterföljande duggan användes sedan en rangordningsövning liknade de som gåtts igenom. Uppgiften som gavs hade två delmoment - studenterna uppmanades först att skriva den korrekta ordningen, och sedan motivera sitt svar. Intressant nog föll det sig så att närvaron vid föreläsningstillfället var låg, vilket gjorde att två naturliga testgrupper uppstod de som närvarat på föreläsningen (18 st) och de som uteblivit och inte deltagit i övningen(12 st). Vid en jämförelse mellan de två grupperna visade det sig att studenter från båda grupperna i allmänhet presterade lika bra när det gäller att få ordningen rätt, men stora skillnader fanns i kvaliteten på de motiveringar som gavs (Graf 4). En möjlighet är att de observerade skillnaderna var ett resultat av samvariation med andra faktorer samband mellan närvaro på Rangordningsövningar i naturvetenskap 35

37

38 Erfarenheter och exempel PROJEKTGRUPPEN Erfarenheterna från vårt projekt stämmer väl överens med vad som tidigare rapporterats internationellt. Rangordnings- övningar är en flexibel och konstruktiv övningsform som på ett tydligt sätt bidrar till studenternas lärande. Särskilt tydligt är att användandet bidrar till ett omväxlande lärande som upplevs positivt av studenterna. Vi har dock sett att övningarnas användningsområde är mycket bredare än vad som tidigare föreslagits. Vår slutsats är att övningarnas största värde är som ett verktyg, bland andra, vid utformande av olika typer av studentaktiv undervisning. I de olika utvärderingar vi genomfört konstaterar både lärare och studenter att övningarna är ett värdefullt komplement till övriga element, men inte någon ersättning. Vi har även konstaterat att både konstruktion och användande av övningarna stärks om de relateras till ämnesdidaktisk och universitetspedagogisk forskning och teoribildning. I de följande kapitlen kommer vi som arbetat med olika ämnen att berätta om några av de ämnesspecifika erfarenheter vi fått. Sedan kommer vi också att presentera en del av de övningar vi utvecklat. En del av övningarna redovisas komplett med frågor om motivering och säkerhet. Andra har vi valt att bara presentera som frågeställningar. Arbetet med rangordningsövningar var en nyttig erfarenhet för vår projektgrupp. Utifrån den givna formen har vi reflekterat över, utvecklat och diskuterat vår undervisning. Vi har också testat den givna formen och tänjt gränserna för hur den kan användas. Vår förhoppning är att detta arbete kan inspirera andra att fortsätta utvecklingen. Rangordningsövningar i naturvetenskap 37

39 Biologi - Reflektioner och tankar TOBIAS JAKOBSSON, JANNIKA ANDERSSON CHRONHOLM Inom biologi har vi arbetat med rangordningsövningar på kurserna Biovetenskap, Kvantitativ biologi samt Biologi, baskurs A och B, på tekniskt- naturvetenskapligt basår. Inom de innehållsmässiga ramarna för kurserna konstruerades rang- ordningsövningar som sedan prövats vid inlärningstillfällen samt i ett fall vid examination. Användning av rangordningsövningar i undervisningen Vi har testat att använda rangordningsövningar både som studentaktiverande avbrott på föreläsningar, på lektioner, vid diskussionsseminarier och vid examination. Vår erfarenhet är att rangordningsövningar i biologi lämpar sig mycket väl som utgångspunkt vid diskussioner. Det gäller särskilt övningar som kanske inte har ett entydigt korrekt svar. Konstruktion av övningar Vid en första översiktlig genomgång av lämpliga idéer till rangordningsövningar för de kurser som vi arbetat utifrån var våra intryck att lämpliga uppslag förekom samlade inom vissa områden. Vissa moment lämpade sig väldigt väl för denna typ av övningar, och för andra moment verkade inte några användbara infallsvinklar finnas. Det finns flera olika anledningar som kan ha inverkat på detta. Kursmaterialet kan begränsa I flera fall var problemet att den kursbok som användes inte var tillräckligt omfattande för att kunna användas att konstruera övningar utifrån. I flera fall behandlade kursboken bara en av de olika faktorer det skulle vara naturligt att bygga upp en fråga omkring. Vi tror dock att detta främst är ett problem som finns på mycket grundläggande kurser. 38 Rangordningsövningar i naturvetenskap

40 Biologins komplexitet I en del fall har de biologiska system som vi ville använda för många olika komponenter som varierar vilket gör att det är svårt att konstruera uppgifter som faktiskt kan lösas av studenterna. Under konstruktionen av uppgifterna märkte vi också att det flera gånger förekom förutsättningar som man var tvungen att känna till eller göra antaganden om som vi inte ursprungligen nämnt i texten. Orsaken till detta kan vara den inneboende komplexitet som finns i många biologiska system. Detta behöver dock inte ses som en svårighet, utan kan även ses som en möjlighet till fördjupad förståelse hos studenter, exempelvis då materialet används för diskussionsövningar. Vi upptäckte också att en del övningar som vi först tyckte var enkla att lösa var betydligt svårare än vi trott och att de därför behövde delas upp i flera på varandra följande uppgifter för att studenterna skulle förstå hur de skulle tänka. Användning i kurser på grund- och avancerad nivå Kandidatprogrammet i biologi består av ett basblock där ett antal kurser som spänner vitt skilda delar av biologin ingår (Organismernas evolution och mångfald, Genetik och genteknik, Cellbiologi, Fysiologi, Kvantitativ biologi och Matematik och statistik för biologer, Ekologi och populationsgenetik). Vi ser goda förutsättningar för att rangordningsövningar skulle kunna användas i samtliga av dessa kurser, och därtill i vissa kurser på avancerad nivå. Vår erfarenhet från de kurser vi arbetat med visade på att vissa ämnen lämpade sig naturligt för den här typen av övningar, medan det var svårare att konstruera övningar för andra. Översätter man detta till kurser på avancerad nivå, innebär det troligtvis att rangordningsövningar fungerar bättre i vissa kurser än andra. Vår förhoppning är att de exempel vi bidrar med i denna rapport ska vara både inspiration och uppslag som kan kopieras rakt av och anpassas till andra nivåer och ämnesområden. Rangordningsövningar i naturvetenskap 39

41 Biologi - övningsexempel TOBIAS JAKOBSSON, JANNIKA ANDERSSON CHRONHOLM, STAFFAN ANDERSSON Taxonomiska nivåer Inom systematiken används olika hierarkiska nivåer för att gruppera organismer. Ordna följande taxonomiska nivåer så att den som innehåller minst diversitet kommer först. a. familj b. domän c. ordning d. art e. klass f. släkte g. rike h. stam Minst diversitet Mest diversitet Livets historia Livets historia på jorden innehåller många milstolpar. Ordna följande historiska händelser i kronologisk ordning. a. De första flercelliga organismerna uppstår b. Människa och schimpans delas i två arvslinjer c. De första prokaryoterna uppstår d. Dinosaurierna dör ut e. De första eukaryoterna uppstår f. En syrerik atmosfär bildas Tidigast Senast 40 Rangordningsövningar i naturvetenskap

42 Släktskap bland primater Människan är en art bland många andra i ordningen primater. Ordna följande arter/grupper efter hur nära släkt de är med oss, börja med den som är närmast besläktad med oss. a. Orangutang b. Lemurer c. Gorilla d. Gibbon e. Babian f. Schimpans e. Nya världens apor Närmast släkt Avlägsnast släkt Människans evolution Utrönandet av människans evolutionära historia är ett av de fält inom naturvetenskaperna som ansetts mest spekulativt, men trots detta har vi en relativt god bild av de stora dragen. Ordna följande grupper i kronologisk följd. a. Homo erectus b. Australopithecus afarensis c. Homo sapiens d. Homo habilis Tidigast Senast Rangordningsövningar i naturvetenskap 41

43 Populationstillväxt Nedanstående diagram visar hur antalet individer förändras över tiden för fyra populationer som följer modellen för diskret logistisk tillväxt. Ordna de fyra populationerna (a, b, c, d) efter deras perkapitareproduktion, börja med den som har lägst. Lägst Högst 42 Rangordningsövningar i naturvetenskap

44 Populationers bärkraft Nedanstående diagram visar hur antalet individer förändras över tiden för fyra populationer som följer modellen för diskret logistisk tillväxt. Ordna de fyra populationerna (a, b, c, d) efter deras bärkraft, börja med den som har lägst. Lägst Högst Rangordningsövningar i naturvetenskap 43

45 Genetisk drift Hos en viss art finns en autosomal recessiv sjukdom som orsakas av en punktmutation i en gen. För locuset i fråga finns två alleler, R och r, där R kodar för det fungerande proteinet (ger upphov till den friska fenotypen). Individer som är homozygota för a har sänkt fitness som följd av sjukdomen. I följande fyra populationer visas fördelningen av allelen R (Svarta punkter) och r (ljusgrå punkter) i respektive genpool. Rangordna de fyra populationerna efter hur sannolikt det är att allelen a fixeras i populationen på grund av genetisk drift. Börja med den population där det är minst sannolikt. a. R: 70 st, r: 30 st b. R: 7 st, r: 3 st c. R: 80 st, r: 20 st d. R: 8 st, r: 2 st Minst sannolikt Mest sannolikt 44 Rangordningsövningar i naturvetenskap

46 Genetisk drift och populationsstorlek Genetisk drift innebär en slumpmässig förändring av allelfrekvenser över tid. För följande fyra populationer (a- d) visas hur frekvensen av en allel X förändras över tiden. Allelen är inte utsatt för något selektionstryck, och de fyra populationerna är olika stora men konstanta över tiden. Ordna populationerna efter ökande storlek. Minst Störst Rangordningsövningar i naturvetenskap 45

47 Stabilisering av allel För ett visst locus förekommer två alleler, betecknade med A och a. I de fyra populationerna a- d är selektionstrycket olika beroende på faktorer i miljön, men alla andra förutsättningar är lika. Populationerna är av samma storlek, och man kan i sammanhanget utesluta genetisk drift, migration, och mutation. För alla de fyra populationerna gäller att frekvensen av A i nuläget är 0,6 och att de under dessa förutsättningar kommer att nå ett läge då frekvensen av stabiliseras. Ordna populationerna efter hur snabbt A stabiliseras, börja med den som det sker tidigast för. a. b. c. d. Tidigast Senast 46 Rangordningsövningar i naturvetenskap

48 Populationstäthet - rutinventering Populationstäthet är ofta en viktig ekologisk parameter. Vid en inventering av en art i fyra olika regnskogsområden erhöll man följande fyra figurer då resultaten plottats på en karta. Rangordna de fyra områdena efter ökande populationstäthet. sida: 2 km sida: 3 km sida: 4 km sida: 5 km a. N=7 b. N = 10 c. N = 20 d. N = 25 Lägst täthet Högst täthet Hur tänker du när du ordnar de olika fallen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker Rangordningsövningar i naturvetenskap 47

49 Populationstäthet - linjeinventering Vid en flyginventering av tumlare flög man 8 sträckor av varierande längd i vart och ett av fyra delområden och noterade hur många individer man observerade för varje flygsträcka. Resultaten visas i diagrammet nedan. Rangordna de olika områdena efter populationstäthet, börja med det som har högst täthet. Högst täthet Lägst täthet 48 Rangordningsövningar i naturvetenskap

50 Energiinnehåll hos molekyler Genom cellandningen utvinns energi för cellernas arbete. Rangordna följande molekyler efter fallande energiinnehåll, dvs den energirikaste molekylen först. a) pyruvat b) koldioxid c) glukos d) stärkelse Störst energiinnehåll minst energiinnehåll Hur tänker du när du ordnar de olika fallen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker Rangordningsövningar i naturvetenskap 49

51 Lysrörsbelysning av växter För att kunna odla växter under vinterhalvåret i Uppsala krävs det att man belyser växterna med extra ljus. Vilken kombination av lysrör tror du kommer att ge bäst tillväxt hos en sockerärtsplanta? Alla plantor belyses 12 timmar per dygn med en rumstemperatur på 18 C. Rangordna alternativen från största till lägsta tillväxt. Fall 1 a) 100W + 100W b) 50W + 100W c) 50W + 150W d) 50W + 50W Störst tillväxt Lägst tillväxt Fall 2 a) 450nm + 520nm b) 450nm + 670nm c) 520nm + 670nm d) 520nm + 600nm Störst tillväxt Lägst tillväxt Fall 3 a) 25W / 450nm + 100W / 520nm c) 25W / 450nm + 100W / 670nm b) 100W / 450nm + 25W / 520nm d) 100W / 450nm + 25W / 670nm Störst tillväxt Lägst tillväxt 50 Rangordningsövningar i naturvetenskap

52 Fotosyntesens ämnen Vilket ämne är viktigast för att fotosyntesen ska fungera? Ranka ämnena från viktigast till minst viktigt. Ange även hur säker du är på ditt svar. a) rubisco b) ATP c) koldioxid d) syrgas e) vatten Viktigast Minst viktigt Hur tänker du när du ordnar de olika fallen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker Rangordningsövningar i naturvetenskap 51

53 Utveckling hos växter I vilken ordning utvecklades följande växtgrupper? Rangordna från tidigast utvecklad till senast utvecklad. a) Ormbunke b) Alg c) Körsbärsblomma d) Guckusko (Orkidé) e) gran Tidigast Senast 52 Rangordningsövningar i naturvetenskap

54 Livslängd hos växter Precis som hos djur har olika växtarter olika långa liv. Rangordna följande växter efter avtagande livslängd, dvs den organism som kan bli äldst först. a) Morot b) Lönn c) Gräs d) Oliv Längst livslängd Kortast livslängd Rangordningsövningar i naturvetenskap 53

55 Gasutbytessätt Rangordna följande gasutbytessätt efter syreupptagnings- förmåga, dvs det effektivaste organet eller sättet att ta upp syre först. Ange även hur säker du är på ditt svar och varför du svarar som du gör a) gälar hos fisk b) lungor hos däggdjur c) lungor hos groddjur d) lungor hos fåglar Mest effektivt Minst effektivt Andningsstrukturer Rangordna följande strukturer efter avtagande diameter. Ange även hur säker du är på ditt svar. a) bronkioler b) alveoler c) bronker d) luftstrupe Störst diameter Minst diameter Hur tänker du när du ordnar de olika fallen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker 54 Rangordningsövningar i naturvetenskap

56 Transport av koldioxid Koldioxid transporteras på olika sätt från cellerna till lungorna. Rangordna följande sätt efter avtagande frekvens, dvs det sätt som används mest först. a) bundet till hemoglobin b) löst direkt i blodet c) bildar kolsyra inne i blodkropparna Mest använt Minst använt Hur tänker du när du ordnar de olika fallen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker Rangordningsövningar i naturvetenskap 55

57 Stödjevävnader Rangordna följande stödjevävnader efter hur hårda de är. Börja med den mjukaste. Ange även hur säker du är på ditt svar. a) brosk b) ben c) senor d) fett Mjukast Hårdast Hur tänker du när du ordnar de olika fallen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker 56 Rangordningsövningar i naturvetenskap

58 Skelett Bilderna nedan visar skelett, utan kranier, från tre olika djur. Rangordna dem från det djur som är minst till det djur som är störst. A B C Minst Störst Hur tänker du när du ordnar de olika fallen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker Rangordningsövningar i naturvetenskap 57

59 Fysik - Reflektioner och tankar JOHAN LARSSON, STAFFAN ANDERSSON Inledningsvis kändes det som om det skulle bli enkelt att arbeta med rangordningsövningar inom fysik. Det var ju just i detta ämne som övningarna först introducerades. Detta är också området där nästan all utveckling skett och här fanns ett par böcker fulla med färdiga övningar. Snart upptäckte vi dock att det inte var så enkelt som vi trott. Mest mekanik och ellära Det finns mycket riktigt många övningar utvecklade inom fysiken, men de finns främst inom vissa områden. I huvudsak rör det sig om mekanik och ellära. Eftersom dessa områden vanligtvis är de som inleder universitetsstudier i fysik är det också där mycket pedagogiskt utvecklingsarbete görs, inte bara kring rangordningsövningar. Dessutom är det områden där det är lätt att hitta på övningar eftersom det finns många tydliga samband och regler man kan utgå ifrån. Arbeta med representationer Eftersom det fanns många övningar att titta på hade vi många möjligheter att jämföra olika presentationer av övningar. Då noterade vi att en del publicerade övningar inte följde ämnesnormen för hur man ritar figurer och annat (Larsson & Andersson, 2010). När studenterna arbetade med övningar i praktiken såg vi att den typen av oklarheter lätt gjorde dem förvirrade och att det ibland ledde till att de tog till sig felaktiga användningssätt. Därför anser vi att det är mycket viktigt att man använder etablerade ämnesnormer när man utformar övningarna. Ett mål med våra övningar är ju att studenterna just ska börja arbeta och tänka som fysiker. 58 Rangordningsövningar i naturvetenskap

60 Kopplig till lärandeteorier När vi arbetade med utveckling av fysikövningar tyckte vi också att det var intressant att koppla mot olika lärandeteorier. I synnerhet var det värdefullt att koppla konstruktionen av övningarna mot variationsteori. En del av fysikövningarna är särskilt tacksamma för detta eftersom det är väldigt tydligt vilka samband man arbetar med och vilka olika aspekter man kan variera. Detta är något som vi troligtvis kommer att arbeta mer med i framtiden. En byggsten för nyutveckling Inom fysiken prövade vi rangordningsövningar i många olika sammanhang, bland annat för gruppdiskussioner, praktiska övningar, föreläsningsavbrott, räkneövningar och examination. Det var spännande att utgå från materialet som fanns och se hur mycket det gick att tänja på gränserna. Rangordningsövningar i naturvetenskap 59

61 Fysik - övningsexempel JOHAN LARSSON, STAFFAN ANDERSSON Storleksordningar Bestäm storleksordningarna för följande fysikaliska storheter och ordna storheterna så att storheten av den minsta storleksordningen anges först. A Domkyrkans höjd. B Diametern för en atom. C Avståndet så långt man kan se med teleskop. D Katederns höjd. E Ångströmlabs höjd. F Jordens diameter. G Avståndet till närmaste stjärna. H Solens diameter. I Avståndet till ditt hem. Densitet Här är ett antal ämnen med olika densitet. vatten bly luft aluminium trä järn Ordna ämnena från det med lägst densitet till det med högst densitet. 60 Rangordningsövningar i naturvetenskap

62 Spegelbilder En student står på olika avstånd framför en av två olika speglar. Den ena spegeln är 40 cm hög och den andra spegeln 80 cm. Då studenten står på 1 m avstånd ser hon precis toppen på sitt huvud i speglarna. Ordna situationerna så att situationen där studenten ser minsta delen av sin kropp kommer först. Minst del Störst del Hur tänker du när du ordnar de olika fallen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker Rangordningsövningar i naturvetenskap 61

63

64 Lådor på bräda En låda ligger på en bräda som kan lutas i olika vinklar. Lådan är i vila. Ordna lådorna med avseende på de olika krafternas storlekar och ange lådan med den minsta kraften först: a. tyngdkraftens storlek b. normalkraftens storlek c. friktionskraftens storlek d. resulterande kraftens storlek Rangordningsövningar i naturvetenskap 63

65

66

67 Relativa rörelser I figuren visas sex situationer där en person (p) går eller springer ombord på tomma järnvägsvagnar (j) som i sin tur rör sig med olika hastigheter. En observatör står vid sidan av järnvägsspåret och ser vagnen och personen fara förbi. Vilken eller vilka personer rör sig med den högsta hastigheten relativt observatören? Ordna situationerna så att den person med den lägsta hastigheten relativt observatören kommer först. Lägst hastighet Störst hastighet Hur tänker du när du ordnar de olika fallen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker 66 Rangordningsövningar i naturvetenskap

68 Person på våg i hiss En person står på en våg i sex identiska hissar. Personens tyngd är 600N. Hissarna har olika hastigheter och accelerationer. Vad visar vågen i de olika fallen? Ordna fallen med det fall som visar minst på vågen först. Minst utslag Störst utslag Hur tänker du när du ordnar de olika fallen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker Rangordningsövningar i naturvetenskap 67

69

70

71

72 Accelererade lådor I figurerna skjuts lådor på ett golv sträckan 10 m av en horisontell kraft F. Lådornas massa och kraftens storlek framgår av figurerna. Friktionstalet mellan lådorna och underlaget är 0.2. Lådorna är från början i vila. Rangordna lådorna med avseende på ändringen i rörelseenergi och ange lådan med minsta rörelseenergiändringen först. Minst ändring Störst ändring Hur tänker du när du ordnar de olika fallen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker Rangordningsövningar i naturvetenskap 71

73

74

75

76 Vridmoment En person håller en meterstav i ena änden och i olika vinklar. En vikt med massa 1.0 kg hängs i meterstaven i olika positioner. Vinklarna och positionerna varierar. (Försumma meterstavens massa.) I vilken situation är det svårast att hålla meterstaven? Ordna situationerna med den situation i vilken det är svårast att hålla meterstavens först. Rangordningsövningar i naturvetenskap 75

77 Arbete I fyra av situationerna A - F flyttas likadana lådor (m=10kg) av en kraft F en viss sträcka d. Rangordna lådorna med avseende på det arbete kraften utför på lådorna och ange lådan på vilken det minsta arbetet utförs först. 76 Rangordningsövningar i naturvetenskap

78 Superposition av pulser Sex olika situationer där korta pulser möter varandra visas nedan. De mötande pulserna varierar i längd och pulshöjd. När pulserna möts samverkar de enligt superpositionsprincipen. Enheterna på både x- och y- axlar är i [m]. Ordna pulsparen så att pulsparet med den lägsta sammansatta pulshöjden anges först. Rangordningsövningar i naturvetenskap 77

79 Interferens Två punktformiga vågkällor är i fas och genererar vågor med samma frekvens och amplitud. Våglängden är lika stor som avståndet mellan vågkällorna i figuren nedan. Ordna punkterna A - F så att punkten där våghöjden är som lägst anges först. Stående vågor Nedan visas stående vågor i strängar. Strängarnas mekaniska egenskaper är lika, och de är lika hårt spända, men deras längder och amplituder är olika. Ordna strängarna så att strängen som svänger med den minsta frekvensen anges först. 78 Rangordningsövningar i naturvetenskap

80 Orgelpipor Sex stycken olika orgelpipor visas i figuren. Orgelpiporna har längderna 0.5m, 1.0m, 1.5m och 2.0m. Orgelpipor A, B och D är öppna i en ände medan de övriga piporna är öppna i båda ändar. Ordna orgelpiporna så att pipan med den lägsta grundtonen anges först. Reflektionsgitter Vitt ljus belyser ett reflexionsgitter i form av en CD- skiva och första ordningens spektrum syns på en vägg framför CD- skivan. Ordna det vita ljusets färger (röd, gul, blå, orange, violett, grön) så att den färg som syns längst ut på väggen anges sist. Rangordningsövningar i naturvetenskap 79

81 Harmonisk svängning Spiralfjädrar är försedda med massor i ena änden. Då massorna dras nedåt och släpps svänger massorna harmoniskt upp och ned. Massor och fjäderkonstanter varierar. Ordna massorna så att massan som svänger med den minsta periodtiden anges först. 80 Rangordningsövningar i naturvetenskap

82 Rotationsrörelse Sex roterande skivor visas nedan. Skivornas vinkelhastigheter är lika. På skivorna ligger en liten kloss. Klossarnas avstånd till skivans centrum och klossarnas massor varierar. Ordna klossarna så att klossen som påverkas av den minsta horisontella kraften anges först. Rangordningsövningar i naturvetenskap 81

83 Vinkelhastighet En klocka har sekund-, minut- och timvisare. Ordna visarna så att den visare som har den lägsta vinkel- hastigheten anges först. Magnetisk flödestäthet Figuren visar magnetiska fältlinjer omkring en stav- magnet. Ordna punkterna A - F så att punkten där magnetiska flödestätheten är minst anges först. 82 Rangordningsövningar i naturvetenskap

84 Inducerad spänning Den magnetiska flödestätheten ökar likformigt. Ordna slingorna A - D så att slingan där det induceras den minsta spänningen anges först. Temperaturstrålning Kärlen är lika, innehåller lika mängder vatten och har alla temperaturen 95 C. Kärlen har olika svärtningsgrad. Efter 1h mäts kärlens temperatur. Ordna kärlen så att kärlet med den lägsta temperaturen anges först. Rangordningsövningar i naturvetenskap 83

85 Fotoelektrisk effekt En metallplatta belyses med ljus av olika våglängder. Utträdesarbetet för metallen är 2.0eV. IR rött gult grönt blått UV 900nm 650nm 600nm 550nm 400nm 200nm Ordna de frigjorda elektronerna (fotoelektronerna) och ange elektronen med den lägsta rörelseenergin först. Lägst rörelse- energi Högst rörelse - energi Ljusstrålar Tre ljusstrålar med färgerna RÖD, GUL och BLÅ har alla samma effekt. Ordna ljusstrålarna och ange den ljusstråle som innehåller minst antal fotoner först. Minst antal fotoner Störst antal fotoner 84 Rangordningsövningar i naturvetenskap

86

87 Stråldoser Tre personer utsätts för radioaktiv, joniserande, strålning så att 0.25kg vävnad absorberar en strålningsenergi på 0.90mJ. De tre personerna utsätts för olika typ av strålning: Person A : α-strålning Person B : β-strålning Person C : γ-strålning Ordna personerna och ange personen som utsätts för den lägsta ekvivalenta stråldosen först. Lägst dos Högst dos Hur tänker du när du ordnar de olika fallen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker 86 Rangordningsövningar i naturvetenskap

88 Geovetenskap - Reflektioner och tankar HÅKAN SJÖSTRÖM, HEMIN KOYI Inom geovetenskap provades rangordningsövningarna med gott resultat. Vi har kört med en hel del övningar tidigare också i undervisningen och det här arbetssättet påminde en hel del om det. Kursvärderingarna visar också att den här typen av infällda övningar och diskussioner är mycket uppskattat. Bättre en övning i handen än en på väggen En sak som vi noterade var att när man kör en övning "på väggen" med powerpoint och leder diskussionen blir studenterna mindre aktiverade än när man delar ut uppgiften och är mer passiv eller till och med lämnar dom för egna diskussioner och sedan kommer tillbaka och deltar. Att träna professionellt tänkande En del av övningar vi arbetade med blev rätt långa. De är avsedda att få studenterna att lära sig att observera i rätt ordning och få in ett geotänk. Tanken med de längre övningarna är att de i helhet kan användas på senare årskurser, men det går också att plocka ut delarna och ta en bit i taget tidigare under en längre serie föreläsningar. Övningar i fält När vi tränar studenterna att göra observationer i fält är ett viktigt moment att de lär sig att skissa av vad dom ser och använder sin skiss för att motivera tolkningarna i sina rapporter. Man får så många synintryck på en häll att det är viktigt att renodla. Det gör man väldigt bra genom att skissa av. Med rangordningsövningarna kan man verkligen fokusera på något viktigt man hittar i en berghäll. Det fungerar oftast bra att använda gamla hederliga kritor och ritar direkt på berghällen. Det är en metod som används ganska ofta på fältkurser. När vi ritar växer det fram en tolkningsbar bild som regnet sedan tvättar bort. Det blir en rangordningsövning, ofta Rangordningsövningar i naturvetenskap 87

89 relativ utveckling i tid, direkt i naturen. Sedan kan man diskutera just detta objekt efteråt. Vi har även diskuterat det med kollegor som varit ute med samma grupper, men i ett annat område. Vi kommer att lägga in fler små övningar under exkursionerna eftersom det aktiverar studenterna mycket bättre än traditionellt exkursionsberättande där läraren informerar. Vi ger förutsättningarna, helst på papper, studenterna diskuterar sedan fram tolkningen. 88 Rangordningsövningar i naturvetenskap

90 Geovetenskap - övningsexempel HÅKAN SJÖSTRÖM, HEMIN KOYI, JANNIKA ANDERSSON CHRONHOLM, STAFFAN ANDERSSON Jordens ämnen 98% av jordens hela massa består av bara åtta olika grundämnen: aluminium, järn, kalcium, kisel, magnesium, natrium, nickel och syre. Rangordna de fem av dessa som bidrar mest till jordens massa från det som bidrar minst till det som bidrar mest. Fe Ni Mg O Si Minst massa Mest massa Hur tänker du när du ordnar de olika ämnena? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker Rangordningsövningar i naturvetenskap 89

91 Hårdhet Rangordna följande mineraler från mjukast till hårdast A. Apatit B. Diamant C. Kalcit D. Kvarts Mjukast Hårdast A. Fluorit B. Gips C. Ortoklas D. Topas Mjukast Hårdast Klyvningsplan Rangordna följande mineraler efter antalet klyvningsplan. Börja med mineralet med minst antal A. Fluorit B. Hornblände C. Kvarts D. Muskovit Minst antal klyvningsplan Flest klyvningsplan 90 Rangordningsövningar i naturvetenskap

92 Kristalliseringstemperatur Mineraler kristalliserar vid olika temperaturer under magmans avsvalnande. Rangordna följande mineraler efter deras kristalliseringstemperaturer. A. Amfibol B. Kaliumfältspat C. Olivin D. Pyroxen Lägst temperatur Högst temperatur Bildningsordning När magman avsvalnas bildas olika bergarter. Rangordna följande bergarter enligt deras bildningsordning A. Diorit B. Gabbro C. Granit D. Peridot Tidigast Senast Rangordningsövningar i naturvetenskap 91

93 Bergarter - sammansättning och kornstorlek Rangordna följande magmatiska bergarter efter sammansättning (minst SiO2 till vänster, mest till höger) och kornstorlek (största underst och minsta överst) A. Andesit B. Aplit C. Basalt D. Diabas E. Diorit F. Gabbro G. Granit H. Porfyrit I. Ryolit minst SiO2 mest SiO2 Minst kornstorlek Störst kornstorlek Hur tänker du när du ordnar de olika fallen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker 92 Rangordningsövningar i naturvetenskap

94 Bergarter - sammansättning och färg Rangordna följande magmatiska bergarter efter sammansättning (minst SiO2 till vänster, mest till höger) och färg (ljusaste bergart överst och mörkaste underst) A. Andesit B. Aplit C. Basalt D. Diabas E. Diorit F. Gabbro G. Granit H. Porfyrit I. Ryolit minst SiO2 mest SiO2 Ljusast Mörkast Hur tänker du när du ordnar de olika fallen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker Rangordningsövningar i naturvetenskap 93

95 Bergarter - kornstorlek och bildningsdjup Rangordna följande magmatiska bergarter efter kornstorlek (största underst och minsta överst) och bildningsdjup (djupast till höger, ytligast till vänster) A. Andesit B. Aplit C. Basalt D. Diabas E. Diorit F. Gabbro G. Granit H. Porfyrit I. Ryolit Ytligast bildningsdjup Djupast bildningsdjup Minst kornstorlek Störst kornstorlek Hur tänker du när du ordnar de olika fallen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker 94 Rangordningsövningar i naturvetenskap

96 Geologisk utveckling och bergarters relationer Nedanstående visar olika stadier av utvecklingen för en bergartssekvens. Tolka utvecklingen från äldst till yngst. A B C D Äldst Yngst Hur tänker du när du ordnar de olika fallen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker Rangordningsövningar i naturvetenskap 95

97 Erosionsprocesser Bilderna visar ett landskap vid fyra olika tidpunkter. Rangordna de olika fallen från det där erosionen pågått kortast tid till det där det pågått längst tid. Kortast tid Längst tid Hur tänker du när du ordnar de olika fallen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker 96 Rangordningsövningar i naturvetenskap

98

99 Vilken av vulkanerna har bildats ur en kiselrik (SiO2- rik) magma? Vad är det således som främst kontrollerar ett vulkanutbrotts karaktär? 98 Rangordningsövningar i naturvetenskap

100 Glaciärrörelse En glaciär rör sig med olika hastigheter. Rangordna de olika markerade delarna av glaciären nedan utifrån hur fort de rör sig. Långsammast Snabbast Hur tänker du när du ordnar de olika fallen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker Rangordningsövningar i naturvetenskap 99

101 Molntyper Här är tre olika molntyper. Rangordna de tre molnen utifrån den höjd över marken de brukar befinna sig på. Börja med molntypen som du hittar på lägst höjd. A. Altocumulus B. Cirrocumulus C. Cumulus Lägst höjd Högst höjd Hur tänker du när du ordnar de olika molnen? Hur säker är du på ditt svar? Jag bara gissar Jag är helt säker 100 Rangordningsövningar i naturvetenskap

102 Kemi - Reflektioner och tankar ANDERS ERIKSSON, MAJA ELMGREN Inom kemin har vi sedan länge arbetat med övningar som liknar rangordningsövningar. Olika trender för egenskaper diskuteras i förhållande till exempelvis atomnummer eller kolkedjelängd, och smältpunkter eller kokpunkter för olika ämnen jämförs och relateras till arten och styrkan av intermolekylära krafter, etc. Rangordningsövningar på föreläsningar Rangordningsövningarna prövades på föreläsningar för förstaårsstudenter på grundläggande kurser. Övningarna ersatte eller kompletterade föreläsarens sedvanliga presentation av något begrepp eller någon företeelse med avsikten att tjäna som ett inlärningsmoment. Övningarna utfördes skriftligt på ett utdelat formulär, individuellt, men studenterna uppmanades att gärna diskutera med omkring- varande kurskamrater. Studenterna fick minuter till förfogande i anslutning till rast eller i ett fall, som avslutning på föreläsningstiden. Efter övningens genomförande gjorde föreläsaren en kort uppföljning. Övningar med och utan siffror En tydlig skillnad mellan de rangordningsövningar som finns beskrivna i fysik och de olika övningar som är vanliga inom kemin är att fysiken vanligen har uttalade numeriska värden, medan det inom kemin är vanligare att jämföra olika ämnen eller mer kvalitativt beskrivna situationer. Ofta finns det inte lämpliga siffervärden att ange som kan leda till vidare diskussion. Det skulle dock i andra fall vara möjligt att ge siffervärden även för de kemiska problemen, och rangordna dem. Båda dessa former av rangordningsövningar är av intresse. Det är också intressant att formulera problem som kan presenteras både med namngivna ämnen etc. och med Rangordningsövningar i naturvetenskap 101

103 siffervärden. En jämförelse skulle då kunna göras av studenternas resonemang i de olika fallen. Svårigheter med bilder När det gällde att utforma övningarna upplevde vi tidigt en svårighet inom kemin när det gällde att illustrera övningarna. I grundstrukturen för rangordningsövningar är ju bilder något centralt, men hur illustrerar man kemiövningar när det som övningen handlar om inte går att se. Därför saknar också de flesta av övningarna vi utvecklade illustrationer. 102 Rangordningsövningar i naturvetenskap

104 Kemi - övningsexempel ANDERS ERIKSSON, MAJA ELMGREN, STAFFAN ANDERSSON Periodiska systemet - En serie övningar Periodiska systemet är en tabell över olika atomslag, uppställd efter deras kemiska och fysikaliska egenskaper. Namnet kommer från det faktum att dessa egenskaper varierar på ett periodiskt sätt. Detta gav de första ledtrådarna till hur atomerna var uppbyggda. I den här serien av rangordningsövningar ska du arbeta med några olika uppgifter för att bekanta dig med hur det periodiska systemet fungerar. Diskutera alltid svaren och varför ni svarar som ni gör med dina kurskamrater. Ni kan gärna arbeta tillsammans med uppgifterna. Rangordningsövningar i naturvetenskap 103

105 Periodiska systemet - Antal protoner Rangordna följande atomslag från det som har minst antal protoner till det som har störst antal protoner. Syre (O) Fluor (F) Kväve (N) Kol (C) Neon (Ne) Minst antal Störst antal Rangordna följande atomslag från det som har minst antal protoner till det som har störst antal protoner. Cs H K Li Na Minst antal Störst antal Rangordna följande atomslag från det som har minst antal protoner till det som har störst antal protoner. Bor (B) Guld (Au) Yttrium (Y) Bly (Pb) Klor (Cl) Minst antal Störst antal 104 Rangordningsövningar i naturvetenskap

106 Periodiska systemet - Antal elektroner Rangordna följande atomslag från det som har minst antal elektroner till det som har störst antal elektroner i sitt neutrala tillstånd. Koppar (Cu) Järn (Fe) Jod (I) Kalcium (C) Argon (Ar) Minst antal Störst antal Rangordna följande atomslag från det som har minst antal elektroner till det som har flest antal elektroner i sitt neutrala tillstånd. Arsenik (As) Krom (Cr) Kisel (Si) Väte (H) Xenon (Xe) Minst antal Störst antal Periodiska systemet - Storlek Rangordna följande atomslag från det som har minst atomstorlek till det som har störst atomstorlek. Natrium (Na) Väte (H) Kalium (K) Litium (Li) Cesium (Cs) Minst Störst Rangordningsövningar i naturvetenskap 105

107 Periodiska systemet - Jonisationsenergi Jonisationsenergin är den energi som minst krävs för att avlägsna en elektron från den neutrala atomen så att den blir en positivt laddad jon. Rangordna följande atomslag från det som har lägst jonisationsenergi till det som har högst jonisationsenergi. Natrium (Na) Väte (H) Kalium (K) Litium (Li) Cesium (Cs) Periodiska systemet - Valenselektroner Valenselektronerna är de elektroner som befinner sig i atomens yttersta banor och enkelt kan växelverka med andra atomers elektroner. Rangordna följande atomslag från det som har minst antal valenselektroner till det som har flest antal valenselektroner. Natrium (Na) Väte (H) Kalium (K) Litium (Li) Cesium (Cs) Rangordna följande atomslag från det som har minst antal valenselektroner till det som har flest antal valenselektroner. Syre (O) Fluor (F) Kväve (N) Bor (B) Kol (C) Rangordna följande atomslag från det som har minst antal valenselektroner till det som har flest antal valenselektroner. Calcium (Ca) Kisel (Si) Argon (Ar) Väte (H) Svavel (S) 106 Rangordningsövningar i naturvetenskap

108 Jonkonduktivitet Rangordna från minst till störst jonkonduktivitet: A. Cs + B. H + C. Cl - D. Li + E. Mg 2+ H. OH - Minst Störst Molär förbränningsentalpi Rangordna från lägst till högst molär förbränningsentalpi: A. Etan B. Hexan C. Propan D. Eten E. Etanol F. Benzen Lägst Högst Rangordningsövningar i naturvetenskap 107

109 Förbränningsentalpi per massenhet Rangordna från lägst till högst förbränningsentalpi per massenhet: A. Etan B. Hexan C. Propan D. Eten E. Etanol F. Benzen Lägst Högst Smältpunkt Rangordna följande ämnen från lägst till högst smältpunkt: CH4 C Al He NaCl H2O Lägst Högst 108 Rangordningsövningar i naturvetenskap

110 Smältpunkt Rangordna följande ämnen från lägst till högst smältpunkt: Fe Mg Al Au Li Hg Lägst Högst Kokpunkt Rangordna följande ämnen från lägst till högst kokpunkt: O2 Ar N2 He NO Cl2 Lägst Högst ph Rangordna följande ämnen från lägst till högst ph: 0,02 M HCl 0,01 M H2SO4 0,1 M HCl 0,02 M CH3COOH 0,01 M CH3COOH 0,02 M H2SO4 Lägst Högst Rangordningsövningar i naturvetenskap 109

111 Reaktionshastighet Rangordna från lägst till högst reaktionshastighet för typreaktionen A + 2B - > C: A. Reaktionen är av första ordningen med avseende på A och nollte ordningen med avseende på p B k= 5.0 * 10-4 s - 1 [A] = 0.04 M [B] = 0.04 M B. Reaktionen är av första ordningen med avseende på A och första ordningen med avseende på B k= 5.0 * 10-4 l mol - 1 s - 1 [A] = 0.04 M [B] = 0.04 M C. Reaktionen är av andra ordningen med avseende på A och nollte ordningen med avseende på B k= 7,0 * 10-4 l mol - 1 s - 1 [A] = 0.04 M [B] = 0.04 M D. Reaktionen är av första ordningen med avseende på A och nollte ordningen med avseende på B k= 2,5 * 10-4 s - 1 [A] = 0.08 M [B] = 0.04 M E. Reaktionen är av nollte ordningen med avseende på A och B k= 2,0 * 10-5 mol l - 1 s - 1 [A] = 0.08 M [B] = 0.04 M Lägst reaktions- hastighet Högst reaktions- hastighet 110 Rangordningsövningar i naturvetenskap

112 Effektiv kärnladdning En atoms negativt laddade elektroner dras mot den positivt laddade atomkärnan med elektrostatiska krafter. Det gäller även valenselektroner i atomens yttersta elektronskal. Dessa känner också av en repulsion från elektroner i inre elektronskal. Man kan formulera Zeff = Z S, där Zeff är effektiv kärnladdning, Z verklig kärnladdning och S är skärmning, ett mått på inre elektroners repulsion på valenselektroner. S kan beräknas, t ex med Slaters regler, och därmed kan också Zeff beräknas. I nedanstående diagram finns Zeff på den vertikala axeln, atomnummer på den horisontella. Effektiv kärnladdning, som kan sägas vara ett enkelt mått på hur hårt valenselektroner är bundna i atomen, är av intresse för att rationalisera vissa kemiska egenskapstrender. I följande rangordningsuppgifter bör beaktas inverkan från Zeff (se figur ovan). Rangordningsövningar i naturvetenskap 111