EXAMENSARBETE. Elevtänkande i fysik

Transkript

1 EXAMENSARBETE 2006:164 Elevtänkande i fysik Gymnasieelevers uppfattning om begreppet gravitation Fredrik Rantapää Luleå tekniska universitet Lärarutbildning Allmänt utbildningsområde C-nivå Institutionen för Utbildningsvetenskap 2006:164 - ISSN: ISRN: LTU-LÄR-EX--06/164--SE

2 Luleå Tekniska Universitet Lärarutbildning Allmänt utbildningsområde C-nivå Institutionen för Utbildningsvetenskap Vetenskapliga handledare: Karl-Evert Fällström, Lars Benckert Elevtänkande i fysik Gymnasieelevers uppfattning om begreppet gravitation Fredrik Rantapää

3 Förord Arbetet har varit intressant och givande för mig som blivande gymnasielärare i fysik och matematik. Jag vill tacka mina handledare Karl-Evert Fällström och Lars Benckert för deras goda råd och tips under arbetet med undersökningen. Jag vill också rikta ett tack till de undersökta klasserna. Eleverna som besvarat på enkäterna och eleverna som låtit sig intervjuas. Tack också till undervisande lärare som tillät mig ta del av deras lektionstid i anspråk. Slutligen vill jag tacka mina föräldrar som servat och sett till att jag kunnat arbeta ostört med rapporten. Fredrik Rantapää, Svanstein

4 Abstract Syftet med denna undersökning är att undersöka elevers förståelse av begreppet gravitation. Undersökningen är gjord på elever som läser kursen fysik B på gymnasiet. Många studier har undersökt elevers begreppsförståelse kring rörelse och kraftbegreppet. Min undersökning grundar sig i denna forskning och i empiriska studier. Begreppen och kunskaperna som behövs för att lösa enkätfrågorna är inget nytt för eleverna. De har i kurserna fysik A och fysik B läst och studerat krafter och rörelse. Resultatet av undersökningen visar att trots att eleverna läst mycket fysik och naturvetenskap så sitter deras vardagskunskaper djupt rotade. Många elever har svårt att ta till sig Newtons sätt att tänka kring rörelse och krafter. Elevernas vardagstänkande har mer likheter med vetenskapsmän som Aristoteles och andra som verkade före Newton. Några konkreta resultat från undersökningen är att två föremål påverkar varandra med olika stora men motriktade dragningskrafter, tyngdkraften verkar bara då det finns ett medium för den att verka i, vid vakuum så finns det ingen tyngdkraft. Framtidens naturkunskapsundervisning har en stor uppgift i att försöka komplettera elevernas vardagsföreställning med den vetenskapliga begreppsförståelsen.

5 Innehållsförteckning Förord Abstract Bakgrund...2 Naturvetenskaplig undervisning på gymnasiet...2 Tre perspektiv på lärande...2 Olika aspekter av kunskap...3 Begreppsuppfattning...3 Undersökning av gravitationsbegreppet...4 Kritik mot tidigare begreppsforskning...4 Förankring i styrdokument...5 Gravitationen i kurslitteraturen...5 Kraft- och gravitationsbegreppet...5 Syfte...7 Frågeställningar...7 Metod...8 Försökspersoner...8 Material...8 Datainsamlingsmetoder...8 Procedur...8 Databehandling...9 Resultat...10 Enkät...10 Kast med boll...10 Krafter som verkar på bollen...10 Satellitens dragningskraft på jorden...11 Tunnel genom jorden...12 Hur långt når jordens gravitationsfält...12 Två kroppars påverkan på varandra...13 Intervju...14 Elevernas förklaring av gravitation...14 Varför faller månen inte ner på jorden?...14 Vilka storheter avgör om ett föremål har dragningskraft?...15 Storlek på aktions och reaktions krafter...15 Elevernas förklaring av stenens väg...15 Diskussion...17 Validitet och reliabilitet...17 Resultatdiskussion...18 Kaströrelse...18 Krafter som verkar på bollen...18 Storleken på satellitens kraft på jorden...18 Tunnel genom jorden...19 Hur långt sträcker sig jordens gravitationsfält...19

6 Hur förändras kraften mellan två föremål med olika massor då de närmar sig varandra...20 Elevernas förklaring av begreppet gravitation...20 Varför faller inte månen ner på jorden?...20 Slutsats...20 Fortsatt forskning...22 Referenser...23 Elektroniska dokument...24 Bilagor...25 Bilaga Frågeformulär...25 Bilaga Intervju med elev...27 Bilaga Intervjuer...28 Bilaga Newtons tre lagar...30 Bilaga Tyngdaccelerationens variation på jorden...31

7 Bakgrund Det senaste decenniet har en omfattande internationell forskning om elevföreställningar och begreppsförståelse av olika naturvetenskapliga fenomen utförts. Denna rapport behandlar och fokuserar på gymnasieelevers förståelse och tänkande kring begreppet gravitation, samt hur styrdokumenten och kurslitteraturen behandlar ämnet. Jag väljer att utföra undersökningen på elever som läst mycket fysik för att se om de har kompletterat sina vardagskunskaper med ett mer vetenskapligt förhållningssätt till fysikaliska fenomen. Naturvetenskaplig undervisning på gymnasiet Hur man som lärare undervisar spelar en stor roll för hur eleverna uppfattar ämnet fysik och hur deras begreppsförståelse utvecklas. Det finns flera teorier om undervisning och lärande. Litteraturstudien inför arbetet med undersökningen har visat att tre pedagogiska inriktningar dominerar vad gäller den naturvetenskapliga undervisningen. Tre perspektiv på lärande Lärande utifrån ett empiristiskt förhållningssätt bygger på att all kunskap om omvärlden har sitt ursprung i erfarenheten. Kunskapen eleverna får via de yttre sinnena (ex. syn och hörsel) kan betraktas som tillförlitlig faktakunskap. De inre sinnena iakttar tillstånden i det egna medvetandet, och gör generaliseringar från många minnesbilder. Sinnena kan beskrivas som passiva men objektiva registreringsorgan. De yttre sinnena observerar exempelvis att olika föremål faller till marken under olika betingelser. De inre sinnena kan då göra generaliseringen att alla föremål på jorden faller till marken, även om man inte har kunnat observera det. Orsaken till kunskap enligt empirismen är alltså omvärlden. Om eleven vill öka kunskapen gäller det att göra fler observationer av omvärlden. Ny kunskap får man genom nya observationer. Den empiristiska synen på kunskap har länge genomsyrat den naturvetenskapliga undervisningen i skolan. Lektionerna planeras efter grundtesen att kunskap finns att hämta i det konkreta materialet och att kunskapen fångas in av sinnena, genom att eleven undersöker och prövar så överförs kunskap från materielen till eleven (Andersson, 1989). Lärande utifrån ett konstruktivistiskt förhållningssätt bygger till stora delar på Jean Piagets teorier om lärande och tänkandets utveckling. Konstruktivismen betonar tre huvudkomponenter vid lärande. Dessa är jämvikt genom självreglering, människans nyfikna och vetgiriga natur och människans tankestrukturer. Intelligensen antas vara känslig för bristande överrensstämmelser. Genom att störa den tankemässiga jämvikten mellan verkligheten och de egna föreställningarna försöker man återställa obalansen genom bearbetning av den nya kunskapen mot de gamla och åstadkomma en ny jämvikt. Störningen av jämvikten kan vara en sporre till lärande. Som lärare kan man exempelvis stimulera eleven att först tänka ut vad som kommer att hända i en laboration. Eleven formulerar då en teori och gör en förutsägelse. Om elevens teori inte stämmer med vad som egentligen händer störs den tankemässiga jämvikten, vilket kan stimulera eleven till ökat intresse för lärarens mer vetenskapliga förklaring. Jämvikten kan också störas då eleven hamnar i eller försätter sig i situationer som inte förstås, det kan vara situationer eleven är intresserade av. Människans nyfikna och vetgiriga natur tar då över och försöker balansera jämvikten igen. Detta gör att eleven bygger upp kunnande som kan vara bra att ha i framtiden. För att kunna använda och förstå kunskapen måste förmågan att bilda tankestrukturer finnas. Andersson (1989) skriver att begrepp, uppfattningar och minnesbilder är aspekter av tankestrukturernas aktivitet. Piaget beskriver att tankestrukturer utvecklas inom olika områden från små barn till äldre tonåringar. Tankestrukturerna utveckling börjar med givna strukturer från födseln som sedan utvecklas 2

8 som en funktion av fysiologisk mognad och växelverkan med omvärlden. Detta tankesätt att tankestrukturer inte uppstår från ingenting, utan successivt byggs upp utgående från dem som redan finns ledde fram till undervisning från elevernas perspektiv (Andersson, B, 2001). Lärande på ett konstruktivistiskt sätt kräver att stoffet som ska läras upplevs meningsfullt av eleverna. Eleverna måste också ha en drivkraft och ambition att vilja och förstå. De nya kunskaperna som introduceras måste relateras till elevens kunskapsnivå (Hellden, 1996). I det sociokulturella perspektivet på lärande är det mänskliga språket centralt. Lev Vygotskij kompletterade och vidgade Piagets teorier. Han framhöll det sociala samspelet som särskilt viktig för inlärning av abstrakta kunskaper. I det sociokulturella perspektivet på lärande är det mänskliga språket centralt. Språket är den i särklass viktigaste mekanism som människan har för att utveckla, testa och kommunicera kring olika begrepp. Det är genom att använda språket som vi kan argumentera med varandra och bryta våra vardagsföreställningar om världen mot andra mer vetenskapliga föreställningar (Strömdahl, 2002). Vygotskij hävdade att naturkunskapen huvudsakligen utgörs av socialt konstruerade begrepp och teorier. För att eleverna ska lära sig naturvetenskapliga begrepp och teorier måste de vara tillsammans med personer som använder dessa då de talar, förklarar, löser problem etc. För att denna erövring av begrepp och teorier ska ske måste eleverna ha social stimulans och egen aktiv bearbetning av innehållet. Med andra ord är social och individuell konstruktion av kunnande komplementära processer nödvändiga för det naturvetenskapliga lärandet (Andersson, 2001). Olika aspekter av kunskap Skolans huvuduppgift är att förmedla kunskaper och se till att eleverna har förutsättningar att tillägna sig och utveckla kunskaper. Kunskap är ett mångfacetterat begrepp och kan komma till uttryck i olika former såsom fakta, förståelse, färdighet och förtrogenhet. Dessa kunskapsbegrepp samspelar med varandra och undervisningen får inte ensidigt betona någon aspekt av kunskap (Lpf 94). Faktakunskap är information, regler och konventioner. Det är något som förhåller sig på ett visst sätt. Faktakunskaper kan mätas, det är något vi har eller inte har. Exempel: Eleven känner till hur den allmänna gravitationslagen skrivs. Förståelsekunskap är kvalitativ kunskap, det är fenomen som kan förstås på olika sätt. Exempel: När man tappar något faller det mot marken. Färdighetskunskap är när eleven kan använda sin samlade kunskap. Exempel: Eleven kan beräkna dragningskraften mellan solen och jorden och förklara varför månen inte trillar ned på jorden. Förtrogenhetskunskap hänger ihop med sinnliga upplevelser. Förtrogenhet är något som skaffas med erfarenhet. Exempel: Gravitationen behöver inte något medium att verka igenom, den är universiell (Johansson & Lindgren, 1996). Begreppsuppfattning Den naturvetenskapliga undervisningen går först och främst ut på att eleverna skall lära sig förstå och använda sig av begrepp för att bättre begripa omvärlden. Forskningen har visat att elever innan de får undervisning i naturkunskap redan har föreställningar om fysikaliska fenomen som på olika sätt skiljer sig från fysikkursernas innehåll. Undersökningarna visar också att vardagsföreställningarna erhålls genom djupinlärning medan kunskapen som fås i skolan är mer av ytlig karaktär. Detta kan bero på att eleverna inte får möjlighet att bygga nödvändiga broar mellan sina vardagsföreställningar och de mer vetenskapligt förankrade kunskaperna. De får heller inte tid att bearbeta den nya kunskapen. Detta har lett till att man upptäckt att de vetenskapliga begreppen ofta glöms bort av de flesta elever medan de vardagliga föreställningarna tycks vara långlivade och svåra att överge för den mer abstrakta 3

9 och precisa vetenskapliga förklaringen (Andersson, 2001). Andersson (2001) beskriver systemskillnaden mellan det vetenskapliga- och vardagliga tänkandet. Det vetenskapliga tänket är medvetet, generellt och systematiskt organiserat medan det vardagliga tänkandet är omedvetet, situationsbundet och ställer mindre krav på inre sammanhang och logik. Samtidigt skriver Andersson att trots skillnaderna i det olika tankesätten finns det en koppling mellan dessa. För att eleverna ska kunna ta till sig det vetenskapliga förklaringsmodellerna måste de ha ett visst lager av vardgaskunskaper som de kan relatera det nya kunskaperna till. För läraren är det viktigt att försöka få eleven att befinna sig mellan vardagstänkande och vetenskapligt tänkande. Barn utvecklar sin begreppsförståelse om saker, företeelser och händelser utifrån deras kulturella och sociala omgivning. Kunskapen är ofta byggd på erfarenheter och egna upplevelser. Exempelvis ett föremål faller till marken om vi tappar det är en vardagskunskap. Barnet behöver inte känna till begreppet gravitation för att beskriva vad som händer med föremålet då det tappas (Andersson, 2001). Undersökning av gravitationsbegreppet Björn Andersson har undersökt hur barn i olika åldrar beskriver jorden och gravitationen. Slutsatsen av Anderssons undersökning har lett till ett antal föreställningar som barnen har om jorden, rymden och gravitationen. Föreställningarna har delats in i fem olika modeller. Modell 1 beskriver en platt jord där gravitationen verkar mot ytan. I modell 2 är jorden ett klot men man lever inuti klotet på en fast överdel. Om en sten släpps från ytan på klotet så anser barnen att stenen skulle falla ut i tomma rymden. I modell 3 beskrivs jorden som ett klot och man lever på ovansidan. Föremål som släpps från olika platser på klotet faller ut i rymden. På undersidan kan ingenting hållas kvar allt faller ut i universum. Modell 4 framställer jorden som ett klot, där människor lever över hela klotet. Föremål som släpps faller alltid mot jordytan. Inne i jorden tror eleverna att gravitationen inte finns. En sten som släpps genom ett hål som går från pol till pol faller rakt igenom jorden till andra sidan. Modell 5 liknar modell 4 men föremål faller mot jordens centrum. Släpper man stenen genom hålet så faller föremålet till jordens centrum och stannar där (Andersson, 2001). Kritik mot tidigare begreppsforskning De undersökningar kring elevers begreppsförståelse som undersökts med hjälp av intervjun eller enkäten som metod kan ge missvisande resultat. Resultaten visar ofta på en dålig naturvetenskaplig begreppsförståelse hos eleverna. Eleverna har dessutom svårt att generalisera kunskaperna till nya problem. Hur ska man tolka dessa resultat? Nyare undersökningar har visat att resultatet från elevers förståelse av olika naturvetenskapliga begrepp blir annorlunda om frågorna ställs i en något annorlunda situation. Som exempel kan tas en undersökning utförd av den grekiska psykologen Stella Vosniadou. Han intervjuade 60 barn i olika åldrar om deras föreställning om jorden. Resultatet blev att endast 23 av 60 elever trodde att jorden var ett klot och många elever trodde inte man kunde bo på nedre delen av jorden utan att falla av. Samma undersökning gjordes i samtalsform med tillgång till tankestöd. Under samtalet hade han en jordglob och resultatet blev helt annorlunda. Resultatet blev att samtliga elever var medvetna om att jordgloben var en modell av jorden. Samtliga ansåg att man kunde bo och leva på södra halvklotet utan att falla ut i universum. Många elever använde också begrepp som tyngdkraft och dragningskraft som förklaringar till detta. Små variationer i undersökningarna visar sig kan ge mer utförliga och korrekta naturvetenskapligt svar från skoleleverna. Skriftliga tester har nackdelen att de lätt kan missuppfattas av eleverna. Eleverna är utelämnade till sig själv och sin egen tolkning av frågan. Som exempel kan tas ett test utfört av TIMSS (Third international mathematics and science study) som undersöker skolelevers prestationer i naturvetenskap och matematik, 4

10 undersökningarna riktar sig till 13-åringar. En enkät fråga om ficklampa, ljus och reflektorer gav ett dåligt resultat, endast 38,5 procent av skoleleverna gav ett korrekt svar. Men när samma fråga ställdes i samtalsform med några klargörande förklaringar kring frågan svarade 66 procent av eleverna korrekt. Det visade sig att eleverna hade svårt att tolka frågan och svårighet att förstå ordet reflektor, dessutom hade eleverna problem att tolka bilden på uppgiften på ett korrekt sätt. Tolkning av olika ords innebörd kan alltså leda till att elever framstår som okunniga. Det tycks vara situationen och formen på undersökningen som gör att eleven framstår som kunnig eller okunnig (Strömdahl, 2002). Förankring i styrdokument I läroplanen för gymnasieskolan (Lpf 94) uttrycker regeringen och riksdagen vilka värden och mål som ska forma skolans verksamhet. Lpf 94 är indelad i två huvuddelar. I den första delen Skolans värdegrund och uppgifter under rubriken Kunskaper och lärande kan man läsa att: Kunskap är inget entydigt begrepp. Kunskap kommer till uttryck i olika former såsom fakta, förståelse och förtrogenhet som förutsätter och samspelar med varandra. Undervisningen får inte ensidigt betona den ena eller den andra kunskapsformen. Den andra delen Mål och riktlinjer uttrycker önskad kvalitetsutveckling för skolorna och mål som eleverna minst skall ha uppnått när de lämnat skolan. Under rubriken Mål att sträva mot står det att: Skolan skall sträva mot att varje elev i gymnasieskolan kan använda sina kunskaper som redskap för att formulera och pröva antaganden och lösa problem, reflektera över erfarenheter, kritiskt granska och värdera påståenden och förhållanden. De ska alltså få en bestående begreppsförståelse som de kan generalisera till olika områden. Kursplanerna för respektive ämne inom gymnasieskolan anger målen som eleven skall ha uppnått efter avslutad kurs och betygskriterier för godkänt, väl godkänd och mycket väl godkänd. Kursplanen för fysik B kursen (internet 3) anger dessa mål inom mekanik området: Eleven skall ha fördjupad kunskap om begreppen kraft, massa, arbete, energi och rörelsemängd samt en förmåga att använda dessa begrepp. Eleven skall kunna beskriva och analysera samt matematiskt behandla fysikaliska problemställningar med hjälp av adekvata storheter, begrepp och modeller Gravitationen i kurslitteraturen Jag har studerat tre kursböcker för gymnasiets fysik B kurs. Det jag har tittat efter är hur och i vilken omfattning litteraturen behandlar gravitation. Kurslitteraturen jag studerat är Heureka, Orbit och Ergo fysik. I litteraturen möter man begreppet gravitation i ett antal olika kapitel det kan vara i avsnittet om partikelfysik där gravitationen diskuteras i samband med växelverkan mellan partiklar. Kapitlet resonerar även kring hur dessa växelverkans krafter förmedlas, där tar böckerna upp gravitonen som en trolig förmedlare av gravitationen. I mekanik och dynamik avsnitten förekommer gravitationen. Det eleverna ska känna till är fritt fall och kunna använda kraften mg (tyngdkraften) i olika sammanhang. Gravitationsfält, gravitationslagen och satellit och himlakroppars rörelse förmedlas även i kurslitteraturen. (Ergo fysik. Naturvetenskap och teknik kurs B; Heureka fysik för gymnasieskolan kurs B; Orbit fysik B). Kraft- och Gravitationsbegreppet Gravitationen är en av de fyra fundamentala krafterna och är den kraft som håller samman universum och styr himlakroppars rörelser (Bonniers lexikon del 6, 1995). Gravitationen 5

11 behandlas i fysikundervisningen inom ett antal olika områden, se ansnittet Gravitationen i kurslitteraturen, bland annat inom mekaniken. Newtons rörelselagar är det centrala inom mekaniken. Newton formulerade tre lagar (bilaga 3) som förklarade varför föremål rör sig på det sätt de gör. Lagarna är grunden för alla härledningar och annan problemlösning inom mekaniken. Lagarna används också inom andra delar av fysiken som ellära, magnetism, kinetisk gastori, akustik, partiklars dynamik, partikelsystems dynamik, stela kroppars statik och dynamik och vågor i elastiska media (internet 1). Kraftbegreppet och krafters verkan på kroppar har många elever svårt för (Andersson, 2001). Tidigare undersökningar (Andersson, 2001) visar på att eleverna har problem att hantera kraft- och rörelse begreppet i praktiska situationer. Eleverna har säkert upplevt tröghetskrafter vid cirkulärrörelse och tyngdlöshet vid berg- och dalbanefärder som inte verkar stämma med Newtons kraftlagar. Den största skillnaden från det vardagliga tänkandet och Newtons syn på rörelse är att rörelse med konstant fart i vardagstänkandet förklaras med att en nettokraft verkar i rörelseriktningen. Newtons teorier säger att konstant fart eller ett föremål i vila innebär noll nettokraft på föremålet (Andersson, 2001). Många elever har en syn på krafter och rörelse som överrensstämmer med Aristoteles uppfattning. I Aristoteles världsbild var jordens centrum, som också var universums centrum, speciellt. Alla föremål ansågs söka sig mot jordens centrum. Annan rörelse förklarades med att om ett föremål rör sig med en viss hastighet (v) så påverkas den av en kraft (F). Ju högre hastighet desto större kraft behövdes enligt Aristoteles rörelse lära. Detta samband kunde formuleras v F, hastigheten och kraften är proportionerliga mot varandra (Internet 1). Elever förklarar ofta också rörelse efter teorin om impetus. Jean Buridan lade på 1300-talet fram den så kallade impetusteorin. Den förklarar exempelvis varför en sten som kastas kan fortsätta sin rörelse efter det att den lämnat handen, vilket var förbryllande och svårförståeligt för den tidens vetenskapsmän. Stenen får en sorts kraft inpressad i sig (impetus). Stenen kommer sedan att röra sig på grund av denna inpressade impetus. Impetus är riktad i hastighetens riktning och kommer att minska hela tiden på grund av motståndet från luften och gravitationen som verkar i annan riktning än impetus kraften. Hastigheten på stenen kommer därför att hela tiden bli långsammare, och till slut är impetus slut och stenen faller ner till marken av gravitationen (Internet 1). Detta tankesätt kännetecknas i undersökningar av att stenens bana ritas som vanligt till att börja med för att sedan falla brant ned mot marken då impetus är slut. 6

12 Syfte Syftet med arbetet är att undersöka gymnasieelevers förståelse och uppfattning av begreppet gravitation. Frågeställningar Hur förklarar eleverna begreppet gravitation? Förstår eleverna gravitationens universiella utbredning? Hur väl kan eleverna förklara rörelse som är påverkad av gravitationen? 7

13 Metod Försökspersoner Jag har valt att utföra undersökningen på elever som går år 3 på naturvetarprogrammet. Anledningen till detta val av försökspersoner är att dessa elever läser kursen fysik B, där man läser mer fördjupat om krafter och rörelse. Undersökningen är gjord på gymnasieskolor i svenska Tornedalen. Antalet elever som besvarat frågeformuläret är 36 stycken. Av dessa har 7 stycken intervjuats. Deltagandet i undersökningen har varit frivilligt och anonymt. Anonymiteten av försökspersonerna garanteras genom att inlämnade frågeformulär inte innehåller någon uppgift om testpersonen. Intervjuerna dokumenteras med nummer på testpersonen istället för namn eller annan personidentifiering. Material Enkät- och intervjufrågorna är konstruerade av undertecknad. Inspiration och idéer till frågorna har hämtats från andra tester (Andersson, 2001) och från kurslitteratur till fysik B kursen (Orbit, Heureka och Ergo fysik). De intervjuade eleverna fick välja om jag skulle spela in samtalet på bandspelare eller att jag skulle anteckna vad som sades. De flesta valde att inte bli inspelade på band. Datainsamlingsmetoder Då frågeställningen gäller att förstå eller hitta mönster bör undersökningen enligt Trost (2001) vara en kvalitativ studie. Denna studie är en kvalitativ studie då frågeställningen är att undersöka elevers förståelse av begreppet gravitation. I denna undersökning används både enkäter och kvalitativa intervjuer som insamlingsmetod. Avsikten med att använda två insamlingsmetoder är att undersöka allmänt om förståelsen av gravitationsbegreppet med enkäterna och sedan få en djupare bild av förståelsen hos några elever med hjälp av intervjuer. Enkäterna har både haft öppna och icke öppna frågor. Försökspersonerna har haft möjlighet att fritt rita in kraftpilar och rörelselinjer i de öppna frågorna. Trost (2001) skriver att öppna frågor kan vara ett problem då en del personer är ovana att skriva, tycker de är dåliga på att stava eller drar sig för att skriva en massa text om sådant som kanske inte intresserar personen särskilt mycket. De icke öppna frågorna har haft tre till fem svarsalternativ beroende på frågans art. Förutom enkäter har kvalitativa intervjuer använts i undersökningen. Enligt Trost (2001) går kvalitativa intervjuer bland annat ut på att förstå hur den intervjuade tänker och känner, vilka erfarenheter personen har och hur personens föreställningar ser ut. Intervjuerna har utgått från en frågeguide som innehåller en lista över frågeområden (bilaga 2). Frågeområdena behandlar rörelse som uppstår av gravitationen och elevernas uppfattningar om vad som påverkar gravitationen. Procedur Undersökningen inleddes med att berörda skolor kontaktades via telefon. Efter samtal med ansvarig fysiklärare bestämdes tid för enkätutdelning och intervjuer. Enkäterna delades ut under klassernas fysiklektion och innan eleverna började besvara enkäten fick de en kort redogörelse av mig om undersökningen och om enkätfrågorna. Det tog cirka 15 minuter för eleverna att besvara enkäten. Intervjuerna utfördes enskilt och direkt efter enkätinlämningen. 8

14 Intervjupersonerna valdes ut slumpvis av mig. Varje intervju tog ungefär 30 minuter att genomföra. Databearbetning Den insamlade informationen från enkäterna sammanställdes och svaren analyserade utifrån undersökningens syfte. De öppna frågorna i enkäten analyserades genom att svaren från de olika eleverna delades in i kategorier som sedan presenterades i diagram. De icke öppna frågorna sammanställdes, analyserades och presenterades i de kategorier som svarsalternativen angav. Intervjuerna skrevs ut och den utskrivna informationen analyserades och sammanställdes i olika kategorier som sedan presenterades i diagram. 9

15 Resultat Enkäterna är sammanställda fråga för fråga och presenteras i diagram. Informationen från intervjuerna är kategoriserad och presenteras i diagram. Enkät De sammanställda resultaten från enkätundersökningen redovisas nedan. Enkäten kan i sin helhet ses i bilaga 1. Kast med boll Alla försökspersoner har ritat in en korrekt bana för bollen då den kastas iväg i rum med luft. Kast i lufttomt rum: Hälften (18 stycken) av eleverna ritade fel då de skulle rita ut bollbanan i lufttomt rum. Ungefär en fjärdedel (8 stycken) ritade att bollen skulle falla direkt till marken och en fjärdedel (9 stycken) ritade att bollen skulle fortsätta uppåt i all evighet. Några elever ritade en bollbana som antyder att impetusteorin använts. Diagram 1 nedan visar fördelningen av svaren enligt ovan nämnda kategorier. Kast i lufttomt rum Fortsätter utan att falla Faller direkt till marken Längre än kast i luft Impedus Diagram 1: Elevernas svar på hur bollbanan för en kast med boll i lufttomt (vakuum) rum skulle se ut. Krafter som verkar på bollen Krafter som verkar på bollen då den just lämnat handen: Elevernas svar fördelas ganska jämt (se diagram 2) mellan att det bara är tyngdkraften (14 stycken) som verkar på bollen och att det är tyngdkraften och en kraft som bollen har i hastighetens riktning (14 stycken). Några elever (6 stycken) har noterat att luftmotståndet inte ska försummas i denna uppgift. 10

16 Rita ut krafter som verkar på bollen då den just lämnat handen. Antal mg mg+t mg+t+k mg+k mg+n Diagram 2: Elevernas svar på krafter som de tror verkar på bollen då den just lämnat handen. Tyngdkraft: mg Normalkraft (motsatt riktad tyngdkraften): N Luftmotstånd: T Kraft i fartens riktning: K Bollen i sitt högsta läge: En stor majoritet av eleverna (21 stycken) tror att bollen i högsta läget enbart påverkas av tyngdkraften. Andelen elever (8 stycken) som tror att bollen påverkas av luftmotståndet har ökat från diagram 2. Diagram 3 visar denna fördelning Rita ut krafter som verkar på bollen då den är i högsta läget Antal mg mg+t mg+t+k mg+k mg+k+n mg+t+n Diagram 3: Elevernas svar på krafter som de tror verkar på bollen då bollen är i högsta läget. Tyngdkraft: mg Normalkraft (motsatt riktad tyngdkraften): N Luftmotstånd: T Kraft i fartens riktning: K Satellitens dragningskraft på jorden Satellitens och jordens dragningskrafter: Lite mer än hälften av eleverna (19 stycken) har kännedom om Newtons 3:e lag, se bilaga 3, och svarar att krafterna som satelliten och jorden 11

17 påverkar varandra med är lika stora. Men många elever (11 stycken) tror vad som verkar vara logiskt att satelliten påverkar jorden med en mindre kraft än vad jorden påverkar satelliten med. Diagram 4 visar fördelningen över elevsvaren. Se diagram 4 för svarsfördelningen. Satellitens och jordens dragningskrafter antal mindre lika större Diagram 4: Elevernas svar på hur stor kraft satelliten utövar på jorden. Tunnel genom jorden Vakuum tunnel genom jorden: Denna tankeuppgift var klart svårast för eleverna att lösa. Endast 6 elever har svarat rätt. De allra flesta (29 stycken) tror att stenen kommer att stanna i mitten eller fortsätta till andra sidan av jorden och stanna där. Se diagram 5 för elevernas svarsfördelning. Hur kommer en sten som släpps genom ett hål som går från pol till pol att röra sig? Antal Andra sidan Mitten Ut i Universum Fram och tillbaka Diagram 5: Elevernas svar på vad de tror händer med en sten som släpps genom ett hål på jorden som går från pol till pol. Hur långt når jordens gravitationsfält? Hur långt sträcker sig jordens gravitationsfält?: De flesta eleverna (17 stycken) tror helt rätt att jordens gravitationsfält sträcker sig hur långt som helst. Men mer än hälften (19 stycken) 12

18 av eleverna tror att gravitationsfältet från jorden tar slut då det inte finns någon atmosfär eller vid Vintergatans slut.. Diagram 6 visar fördelningen över elevsvaren. Hur långt sträcker sig jordens gravitationsfält? Antal Utanför atmosfären Bortom Månen Bortom Solen Utanför Vintergatan Oändligt Diagram 6: Elevernas svar på hur långt du måste färdas för att komma bort från jordens gravitationsfält. Två kroppars påverkan på varandra Två föremål dras mot varandra (i lufttomma rymden) på grund av gravitationskraften. Föremål A är dubbelt så tungt som föremål B. Vad händer med kraften allteftersom de kommer närmare varandra? Två kroppar i lufttomtrum: Övervikten av eleverna (23 stycken) tror att kraften kommer att öka, men hur eleverna tror att kraften kommer att öka varierar. De flesta av eleverna (11 stycken) tror rätt att kraften kommer att öka lika mycket på båda föremålen då de närmar sig varandra. Ungefär en tredje del av eleverna (11 stycken) tror att kraften kommer att vara konstant mellan föremålen då det förflyttas närmare varandra eller att kraften mellan föremålen kommer att minska lika mycket på båda föremålen. Se diagram 7 för svarsfördelningen Vad händer med kraften på föremålen då det närmar sig varandra? Antal Öka på båda lika Minska på båda lika Oförändrad Öka på A mest Öka på B mest Går ej att avgöra Diagram 7: Elevernas svar på hur kraften som två föremål (olika massa) påverkar varandra med förändras då föremålen närmar sig varandra. 13

19 Intervju Nedan presenteras försökspersonernas intervjusvar i diagram och text. Intervjuunderlaget återfinns i bilaga 2 och en komprimerad utskrift av intervjuerna återfinns i bilaga 3. Elevernas förklaring av gravitation Förklaring av gravitationen: Alla intervjuade elever förknippade ordet gravitation med en kraft. 3 av 7 elever trodde bara att gravitationen var en kraft som verkade mellan jorden och ett annat föremål. Resterande elever (4 av 7) hade en mer riktig förklaring, att det är en kraft som alla föremål har och som föremålen påverkar varandra med, se diagram 8. Elevernas förklaring av gravitation Kraft mellan föremål Kraft mellan jorden och annat föremål Diagram 8: Elevernas svar på hur de förklarar begreppet gravitation Varför faller månen inte ner mot jorden? Hur kommer det sig att månen inte faller ner på jorden?: Endast 2 elever svarade rätt att jordens dragningskraft verkar som centripetalkraft och åstadkommer en acceleration in mot centrum av månens bana. 5 av 7 elever har en felaktig förklaring till månens rörelse. 3 elever använder en vanlig vardagsförklaring vid cirkulär rörelse. Nämligen att den cirkulära rörelsen skapar en kraft som är motriktad dragningskraften, kraften kallas i vardagssammanhang för centrifugalkraften. 2 av eleverna förklarar månens rörelse med att jordens dragningskraft inte når månen då det inte finns några krafter i universum, se diagram 9. Varför faller inte månen ner på jorden? Centrifugalkraft Finns inga krafter i rymden Centripetalkraft Diagram 9: Elevernas svarsfördelning på frågan varför månen inte ramlar ner på jorden? 14

20 Vilka storheter avgör om ett föremål har dragningskraft? Storheter som påverkar om ett föremål har dragningskraft: 6 av 7 elever trodde att massan är den faktor som endast påverkar om ett föremål har dragningskraft. 1 elev trodde att föremålets densitet och massan var de faktorer som bestämde om ett föremål har dragningskraft. Se diagram 10. Vilka storheter avgör om ett föremål har dragningskraft? Massa Massa och densitet Diagram 10: Elevernas svar på vad som avgör ett föremåls storlek på Storlek på aktions och reaktions krafter Hur stor är kraften mellan två föremål som påverkar varandra med dragningskrafter?: 5 av 7 elever (se diagram 11) har en vanlig uppfattning, att det är föremålets massa som avgör hur stor kraft den påverkar ett annat föremål med. Ex. jorden påverkar äpplet med en mycket större kraft än den kraft som äpplet påverkar jorden med. Resterande elever 2 stycken har en korrekt uppfattning att krafterna som föremålen påverkar varandra med är lika stora. Se diagram 11. Storleken på aktions och reaktions krafter Massan avgör kraftens storlek Lika stora Diagram 11: Elevernas svar på storleken på aktions och reaktions krafterna. Elevernas förklaring av stenens väg Elevernas förklaring av stenens rörelse då den släpps genom det lufttomma hålet: De 7 intervjuade eleverna förklarade stenens rörelse på 6 olika sätt. De flesta (4 stycken) trodde att stenen skulle stanna i mitten. Förklaringarna till detta var: gravitationen är störst i mitten, motverkande krafter från polerna, allting dras mot mitten och det finns en magnetkraft i 15

21 jordens kärna som håller kvar stenen. 2 av eleverna har fört riktiga resonemang vad gäller stenens rörelse, de har förklarat att stenen kommer att pendla mellan de båda polerna. 1 elev trodde att stenen skulle falla till andra sidan jorden och stanna där. 16

22 Diskussion Validitet och reliabilitet Två grundläggande begrepp att ta hänsyn till i empirisk forskning är validitet och reliabilitet. Validitet kan översättas till giltighet. Validiteten svarar på om undersökningen mäter det den avser att mäta. Man skiljer på inre- och yttre validitet. Den inre validiteten kan man förenklat säga handlar om projektet och kopplingen mellan teori och empiri. Mer konkret handlar den inre validiteten om att rätt frågor ställs till rätt grupp av människor, tillräckligt antal indikatorer är med för att täcka in frågorna och att undersökningen använder rätt mätinstrument vid rätt tillfälle. Den yttre validiteten handlar om möjligheten till generalisering av resultatet från undersökningen. Det kan mer konkret handla om möjligheten att generalisera från ett urval till en population eller från en studie till en allmän teori (Svenning, 1997). Reliabilitet kan översättas med ordet tillförlitlighet. Med hög reliabilitet menas att två undersökningar med samma syfte och metoder ska ge samma resultat om ingenting förändrats i den undersökta populationen (Internet 2). Vid intervju påverkas reliabiliteten i stor utsträckning av hur väl intervjuaren kan bedöma och tolka intervjupersonens svar. En enkäts grad av reliabilitet kan höjas genom att använda klara definitioner på begrepp man använder i enkäten (Svenning, 1997). Insamlingsmetoderna som jag använt i denna undersökning anser jag ha god validitet. Jag har studerat litteraturen och tidigare forskning kring elevers begreppsuppfattning. Vissa av mina frågor har använts i andra undersökningar kring elevers begreppsuppfattning. Detta gör att jag har ytterligare material och svar att jämföra med. Detta höjer undersökningens inre validitet. Bristerna i validiteten är att enkäter och intervjuer tidigare ha visat sig ge dåliga resultat av elevers begreppsförståelse (se avsnittet Kritik mot tidigare begreppsforskning ). För att försöka minimera missförstånd som feltolkning av fråga och missförståelse av svåra termer har bilder och förklaringar använts som stöd vid intervjuerna. Reliabiliteten för intervjuerna är godkänd trots att många elever inte ville att jag skulle spela in intervjun. Istället för bandspelare har stödfrågor ställts till intervjupersonerna under själva intervjun för att säkerställa att anteckningarna motsvarade den intervjuades svar. Några intervjuer bandades dock och där är reliabiliteten mycket bra. Enkäten gav ett tillförlitligt resultat. De ifylldes utan frågor från eleverna. Dock missade någon elever att svara på en följdfråga till fråga 1. Där hade man kunnat ha ett mindre antal följdfrågor eller delat upp uppgiften i fler huvudfrågor. Dessutom klagade någon elev på att sista frågan hade för många svarsalternativ. Man bör nog begränsa svarsalternativen, då det kan vara svårt att koncentrera och överblicka alternativen om det är mycket text eller många svarsalternativ. 17

23 Resultatdiskussion Denna undersökning uppvisar liknande problem för elever att förstå rörelse med hjälp av kraftbegreppet som tidigare utredningar (Andersson, 2001). Andersson (2001) har undersökt elevers uppfattning kring begreppet krafter. Anderssons undersökning har bland annat visat att många barn tror att föremål som rör sig med konstant fart har krafter som verkar i hastighetsriktningen och att föremål som påverkar varandra med krafter har olika stora krafter beroende på föremålets massa. Kaströrelse Kaströrelse i rum med luft var ett moment alla elever behärskade. Det som ställde till problem var att rita in kastbanan för ett kast i ett lufttomt rum. Mer än hälften av eleverna hade en annan föreställning än att kastet skulle ha en krökt bana, men längre än i fallet med luft i rummet, vilket är den korrekta uppfattningen. Ungefär en fjärdedel av eleverna har ritat att bollen skulle fortsätta utan att falla. Det svaret kan tolkas som att eleverna tänker sig att tyngdkraften inte verkar på bollen om det inte finns luft eller annat medium som kraften kan verka genom. Liknande resonemang för eleverna i andra frågor, t.ex i fråga 4 där eleverna ska svara på hur långt jordens gravitationsfält sträcker sig. Lite mindre än hälften av eleverna tror där att jordens gravitationsfält slutar verka då jordens atmosfär tar slut. Även i intervjuerna kommer det fram sådana här resonemang. I intervju 2 så förklarar elev 2 att månen inte trillar ner mot jorden därför att det inte finns några krafter i universum. En annan fjärdedel av eleverna tror att bollen kommer att falla direkt till marken. Deras svar kan tolkas som att de tror att om det inte finns luft så finns det ingenting som kan bära bollen. Alltså bollen flyger ingenting. Några få elever har svar som liknar kunskap om kaströrelse på 1300-talet. Den så kallade impetusteorin. Eleverna har alltså ritat in en bollbana som hela tiden stiger för att i slutet brant falla till marken. Krafter som verkar på bollen Då bollen just lämnat handen trodde de flesta eleverna att bollen påverkades av tyngdkraften och en kraft som verkade i fartens riktning eller att bollen bara påverkades av tyngdkraften. Enligt vardagstänkandet så är det vanligt att tro att bollen får en kraft i fart riktningen då den kastas iväg. Att så många elever fortfarande tror att så är fallet tyder på att undervisningen inte lyckats rubba detta vardagstänkande för dessa elever. Att många elever tror att bollen bara påverkas av tyngdkraften tror jag beror på att det i kurslitteraturen är vanligt att den ber eleverna bortse från luftmotståndet. Många elever tror jag tog det för givet att så var fallet även i denna uppgift. Ofta är det en förenkling kurslitteraturen gör för att underlätta beräkningar. Endast 4 av 36 elever har ritat in korrekta krafter som verkar på bollen, tyngdkraft och luftmotstånd. Detta visar vad som sagts tidigare att kraftbegreppet är abstrakt och svårt för eleverna att förstå. Hur förändras elevsvaren då de ritar in krafterna som verkar på bollen då den befinner sig i högsta läget? Andelen elever som tror att bollen påverkas av både tyngdkraft och en kraft i fart riktningen har halverats. Detta är också vanligt i vardagstänkandet att tro att ju längre bort bollen är i banan ju mindre blir kraften i fart riktningen. Kraften förbrukas och kommer att bli mindre och mindre ju längre bollen hinner på banan, detta tänkande är också synonymt med impetus teorin. Andelen som tror att bollen bara påverkas av tyngdkraften har ökat betydligt. Storleken på satellitens kraft på jorden Denna uppgift underlättas om eleverna kommer ihåg Newtons tredje lag, se bilaga 3. Lite mer än hälften av eleverna svarade rätt på denna fråga att krafterna kommer att vara lika stora. 18

24 Men ungefär en tredjedel av eleverna svarade det man kan tro att satelliten påverkar jorden med en mycket mindre kraft än den kraft som jorden påverkar satelliten med. Detta är också ett vanligt fel i tänkandet som man gör i vardagen. Detta svar återkommer under intervjuerna. Flera av eleverna för i intervjuerna liknande resonemang. Elev 4, 5 och 7 påstår att äpplet som faller också har dragningskraft och påverkar jorden med en kraft. Men att den kraften är försumbar liten om man jämför med kraften som jorden påverkar äpplet med. Elev 6 säger att stolen i rummet har dragningskraft men att den påverkar mig (intervjuaren) med en kraft som är mycket mindre på grund av att stolens massa är mindre än min massa. Eleven drar alltså slutsatsen att storleken på dragningskraften ett föremål påverkar ett annat beror av föremålets massa. Två föremål med olika massor kommer alltså att påverka varandra med olika stora krafter. Tunnel genom jorden Denna fråga hade eleverna mest problem med. 29 av 36 elever har svarat fel på denna uppgift. Många elever (15 stycken) har svarat att stenen kommer att falla till andra sidan jorden och stanna där. Det är ett korrekt svar om man med det menar att någon där fångar in stenen och placerar den vid sidan av hålet. Men i uppgiften står inget sådant. I intervju 7 svarar elev 7 att stenen kommer att falla till andra sidan jorden. Och efter följdfråga om vad som händer sedan svarar eleven att stenen nog borde falla tillbaka om stenen fortfarande var ovanför hålet. Detta kan förklara att många elever trodde att någon tog fast stenen på andra sidan jorden. Nästan lika många elever (14 stycken) som svarade att stenen skulle falla till andra sidan jorden svarade att stenen skulle stanna i mitten. I intervjuerna finns många förklaringar på hur eleverna tänkt då man svarat så. Elev 1 trodde att gravitationen kommer att växa ju närmare centrum av jorden man kommer och i själva centrum är gravitationen störst och därför kommer stenen att stanna där. Elev 2 förklarar att stenen kommer att stanna i mitten för att det bildas motverkande krafter från polerna som är lika stora. Jag tror att eleven hade Newtons tredje lag i minnet och kom ihåg något om motverkande kraft. Eleven drog då slutsatsen att det finns dragningskraft vid båda polerna men det är motriktade och därför kommer stenen att påverkas av dessa krafter och stanna i mitten där krafterna är lika stora men motriktade. Elev 4 har en förklaring om en magnetkraft som motverkar tyngdkraften. Jag tror att eleven blandar ihop induktans fenomenet och problemet i denna uppgift. Ett experiment som är vanligt att visa i induktans avsnittet är då man släpper ett magnetiskt föremål och ett icke magnetiskt föremål genom ett metallrör. Det som kommer att hända är att det magnetiska föremålet kommer att bromsas upp av en kraft som bildas av induktansströmmen i röret. Elev 5 svarar att stenen kommer att stanna i mitten för att allting dras mot jordens centrum. Aristoteles trodde att alla föremål skulle dras mot jordens mittpunkt om det var möjligt. Tidigare studier (Andersson, 2001) har visat att äldre barns (12-14 år) uppfattning om gravitationen kan formuleras som att saker faller mot jordens centrum, modell 5 som förklarats tidigare. Denna bild av gravitationen verkar leva kvar även bland lite äldre barn (17-18 år), enligt min undersökning. I undervisningen är det brukligt att man berättar att tyngdkraften är riktad mot jordens centrum. Jag tror att eleven har detta i tanke när jag ber eleven förklara hur stenen kommer att bete sig. Om försöket var möjligt skulle stenen stanna i mitten om någonting bromsade upp farten på stenen. I jordens centrum är tyngdkraften nämligen noll, se bilaga 4. Hur långt sträcker sig jordens gravitationsfält Ett stort antal elever (14 stycken) tror att gravitationen och atmosfären är sammankopplade. Eleverna som tror så uppfattar jag har en uppfattning att gravitationen måste ha ett medium att verka i. Eleverna har inte förstått att gravitationen är universiell. 19

25 Hur förändras kraften mellan två föremål med olika massa då de närmar sig varandra Eleverna kopplar ihop begreppen avstånd, massa och kraftstorlek. Det vanliga i vardagstänkandet är att man särskiljer föremålens massa och betraktar varje föremål enskilt. Enligt Newtons teori ska man titta på den gemensamma massan, det är den och avståndet mellan massorna som bestämmer storleken på kraften mellan föremålen. Cirka en tredjedel av eleverna (11 stycken) har svarat rätt att kraften kommer att öka lika på båda föremålen. Nedan följer en resultatdiskussion av de frågor som endast ställdes till de elever (7 stycken) som blev intervjuade. Elevernas förklaring av begreppet gravitation Alla elever förknippade gravitationen med en kraft. 4 av eleverna har beskrivit en mer korrekt förklaring. Att gravitationen är en kraft som alla föremål har, och som verkar mellan två eller flera föremål. 3 av 7 elever förklarar gravitationen som en kraft mellan jorden och andra föremål i närheten av jorden. Jag tror det är vanligt att förknippa gravitationskraften med en kraft som utgår från jorden och som påverkar andra föremål. Varför faller inte månen ner på jorden? Eleverna 1, 6 och 7 diskuterar om centrifugalkraft och centripetalkrafter som motverkar jordens dragningskraft på månen. Nettokraften på månen är alltså noll. I cirkulärrörelse har eleverna läst om centripetalkrafter. Detta är ofta ett mycket besvärligt avsnitt. Det är helt korrekt att månen har en centripetalkraft som är riktad in mot centrum av månbanan. Eleverna kommer ihåg begreppet centripetalkraft men använder begreppet fel. De förklarar så som om centripetalkraften var en egen kraft och är riktad bort från centrum. Eleverna riktar nog centripetalkraften fel för att få det att gå ihop med deras vardagstänkande att månen måste ha en motriktad kraft mot jordens dragningskraft för att inte ramla ned. Centrifugalkraften är en vanlig förklaring i vardagssammanhang då man ska förklara cirkulära rörelser. 2 av 7 elever tror inte att det finns några krafter som verkar i det lufttomma universum, för resultatdiskussion om detta se avsnittet Kaströrelse. Slutsats Om jag går tillbaka till syftet och försöker besvara frågan hur eleverna uppfattar begreppet gravitation skulle jag säga att de beror på i vilken situation begreppet introduceras. Föremål som faller fritt mot jordytan har eleverna ingen svårighet att förklara med hjälp av krafter. Däremot gravitation i vakuum, dragningskraft mellan föremål och rörelse som är påverkad av grabvitationen har eleverna vitt skilda uppfattningar om. Många föreställningar kan hänvisas till ett vardagstänkande om krafter och rörelse, som kommit fram i andra undersökningar (Andersson, 2001) bland lite yngre barn. Min slutsats om elevernas förståelse av begreppet gravitation är, trots att min undersökning är gjord på elever som läst kurserna fysik A och fysik B på gymnasiet så använder många elever ett vardagstänkande då de ska förklara olika fysikaliska fenomen. I beaktande ska man ta det som skrivits tidigare om kritiken mot denna typ av undersökningar, se avsnittet kritik mot tidigare begreppsforskning. Det kan vara så att många elever missgynnas av detta undersökningssätt och blir osäkra eller missförstår frågor och därför förklarar på ett sätt som man i allmänhet gör, nämligen med de så kallade vardagsföreställningarna. En fråga man kan ställa sig är hur undervisningen bedrivs. Enligt denna undersökning verkar det som om många elever utvecklar en inlärning som inte är bestående. Skulle detta vara ett test och betygsättas skulle inte många elever klara godkänt-nivån. Undervisningen vid 20

26 fysiklektionerna bedrivs nog allt för ensidigt enligt det empiristiska synsättet. Denna typ av undervisning gynnar inte bestående begreppsförståelse tror jag. I läroplanen (Lpf 94) står det att Läraren skall låta eleverna pröva olika arbetssätt och arbetsformer. Att kombinera flera arbetsmodeller (empiristiskt-eller konstruktivistiskt synsätt på lärande) är nog det bästa för att främja begreppsförståelsen. Att varva olika arbetssätt kan också vara nödvändigt för att motivera eleverna i arbetet. Jag hoppas denna rapport kan bidra till att lärare som undervisar inom de naturvetenskapliga ämnena ser till att ge eleverna möjlighet till ett varaktigt lärande som varar livet ut. 21

27 Fortsatt forskning Denna rapport redovisar endast elevers förståelse av begreppet gravitation i olika sammanhang. Det skulle vara intressant att undersöka flera grupper av skolelever med olika typer av undervisning och undersökningsmetoder. För att sedan jämföra gruppernas resultat. Man skulle också kunna göra om samma undersökning, men denna gång använda olika former av tankestöd under datainsamlingen för att se om resultatet förändras. 22

28 Referenser Andersson, Björn. (1989). Grundskolans naturvetenskap. Stockholm: Utbildningsförlaget. Andersson, Björn. (2001). Elevers tänkande och skolans naturvetenskap. Kalmar: Lenanders tryckeri AB Bonniers lexikon, del 6. (1995). Ljubljana: Lidman production AB. Dahlgren, H. (1990). Undervisa i grundskolan. Solna: Ekelunds förlag AB. Ergo fysik. Naturvetenskap och teknik kurs B. (2001). Stockholm: Liber AB. Heureka fysik för gymnasieskolan kurs B. (2005). Stockholm: Bokförlaget Natur och kultur. Hellden, Gustav. (1996). Rapport från en longituinell studie av elevers tänkande om några processer i naturen. Stockholm: Fagus förlag. Johansson, Inga-Britt, Lindgren, Susanne. (1996). Ökad kunskap om naturvetenskapliga begrepp genom undersökande arbetssät. (Rapport rån Lärarutbildningen). Högskolan i Luleå, Grundskollärarutbildningen. Orbit fysik B. (2005). Lund: Studentlitteratur Strömdahl, Helge. (2002). Kommunicera naturvetenskap i skolan några forskningsresultat. Lund: Studentlitteratur. Svenning, Conny. (1997). Metodboken. Eslöv: Lorentz förlag. Trost, Jan. (1997). Kvalitativa intervjuer. Lund: Studentlitteratur. Trost, Jan. (2001). Enkätboken. Lund: Studentlitteratur. Utbildningsdepartementet SKOLFS 1994:2. (2001) års Läroplan för de Frivilliga Skolformerna. Skolverket och Fritzes. 23

29 Elektroniska dokument: Internet 1: Nordlab. Hämtad Internet 2: Forskningstermer. Hämtad Internet 3: Kursplan för fysik B &extraid=&valtyp=&sel=&txt= Hämtad

30 Bilagor Bilaga 1 Frågeformulär Jag som svarar på frågorna är: Kille ٱ Tjej ٱ Fråga 1: En person kastar en boll. V Rita ut den ungefärliga bollbanan, markera banan med (1). Rita ut krafter som verkar på bollen i läget då bollen lämnat handen och då bollen når sitt högsta läge. Rita ut den ungefärliga bollbanan om kastet görs i ett lufttomt rum (vakuum), markera banan med (2). Fråga 2: Jordens dragningskraft på en satellit är G. Satelliten utövar också en kraft på jorden. Hur stor är den kraften i förhållande till kraften G? Mindre ٱ Lika stor ٱ Större ٱ Vilken riktning har kraften som satelliten utövar på jorden (sett från satelliten)? Samma riktning som kraften G ٱ Motsatt riktning kraften G ٱ I hastighetsriktningen ٱ 25

31 Fråga 3: Tänk dig en tunnel (vakuum) genom jorden, från pol till pol. En person står vid Nordpolen och släpper en sten. Rita en linje från personens hand som visar stenens hela väg. Fråga 4: Hur långt bort måste du färdas för att komma bort från jordens gravitationsfält? Utanför jordens atmosfär Bortom Månen Bortom Solen Utanför vintergatan Du kommer aldrig bort från fältet ٱ ٱ ٱ ٱ ٱ Fråga 5: Två föremål A och B dras mot varandra på grund av gravitationskraften. Föremål A är dubbelt så tungt som föremål B. Allteftersom de kommer närmare varandra kommer kraften Rymden A B Att öka lika mycket på båda föremålen Att minska lika mycket på båda föremålen Att vara oförändrad På A att öka mest På B att öka mest Går inte att avgöra eftersom vi inte vet massorna ٱ ٱ ٱ ٱ ٱ 26

32 Bilaga 2 Intervju med elev Intervjuguide om gravitation Förklara för någon vad gravitation är? Ett äpple som faller och månen jordens dragningskraft Varför ramlar inte månen ner? Hur stor är i så fall ex. äpplets kraft på jorden då den faller större, mindre än jordens kraft på äpplet? Vilka faktorer avgör om ett föremål har dragningskraft? Förklara stenens väg. 27

33 Bilaga 3 Intervjuer Intervju 1 Elev 1 förklarar begreppet gravitation som en kraft som drar samman två föremål. Efter följdfrågor som om det är fler än två föremål ändrar eleven förklaringen till att det är en kraft som verkar mellan flera föremål. Elev 1 menar att både äpplet och månen påverkas av jordens dragningskraft. Äpplet faller till marken därför att kraften på äpplet är mycket större än kraften på månen och äpplet har ingen banhastighet. Månen trillar inte ner för att månens banhastighet skapar en centrifugalkraft som motverkar jordens dragningskraft, det bildas en kraftbalans mellan dragningskraften och centrifugalkraften. Nettokraften ner mot jorden är alltså noll. Elev 1 säger att alla föremål som har massa har dragningskraft, storleken på dragningskraften beror på föremålets massa och avståndet till nästa föremål. Kraften mellan två föremål som gravitationen åstadkommer är lika stor på båda föremålen, den verkar dock olika på föremålen beroende på föremålets massa. Elev 1 förklarar att planeternas gravitation beror på deras storlek och massa. Stenens väg tyckte elev 1 var svår att tänka sig. Men den förklaras med att gravitationen blir bara större och större ju närmare centrum stenen kommer. Stenen kommer därför att stanna i mitten när den kommer dit. Intervju 2 Elev 2 förklarar gravitation som en dragkraft från jorden. Släpper du en sten så faller den gravitationen förknippas speciellt med jorden. Efter följdfråga som när finns det gravitation och vad har gravitation? Svarar elev 2 att gravitation finns då föremål har rörelse och speciellt cirkulärrörelse. Elev 2 förklarar att det finns gravitation då föremål har massa och storleken på gravitationen bestäms av tätheten (densiteten) på föremålet. Äpplet faller mot marken för att den påverkas av jordens dragningskraft och månen faller inte mot jorden därför att det inte finns några krafter i rymden, det finns ingen atmosfär i rymden därför finns det inga krafter är förklaringen. Efter följdfrågor om tidigare svar om vad som har gravitation, förklarar elev 2 att även månen har dragningskraft men den verkar bara då man är väldigt nära månens yta. Äpplet som faller förklaras också då ha en dragningskraft som påverkar jorden men den är mycket mindre än jordens dragningskraft beroende på de olika massorna. Ju större massa desto större är kraften som föremålet påverkar ett annat föremål med. Elev 2 förklarar att stenen som släpps i hålet stannar i mitten på grund av att det bildas motverkande lika stora dragningskrafter från motstående poler. Intervju 3 Elev3 förklarar gravitation som kroppars dragningskraft till varandra. Eleven menar att alla kroppar har dragningskraft, och storleken på kraften avgörs av föremålets massa. Efter en följdfråga om en stol och jorden, så förklarade eleven att båda föremålen attraherar varandra med en kraft och dessa krafter är lika stora. Kraften på stolen märks mer då stolens massa är betydligt mycket mindre i förhållande till jordens massa. Varför inte månen ramlar ner mot jorden förklarade elev 3 med att månen har en hastighet som är tangent till den cirkulära banan och jordens dragningskraft böjer bara av hastigheten. Om inte jordens kraft skulle vara nog stor så skulle månen åka bort från jorden förklarar eleven. Stenens väg i hålet förklarar elev 3 med att stenen först skulle falla mot mitten med en allt större fart för att sedan när den passerat centrum skulle stenen fortsätta mot marken på andra sidan jorden men med en bromsande kraft. När stenen sen nått andra sidan skulle den dras mot mitten igen och samma procedur skulle upprepas. 28

34 Intervju 4 Elev 4 förklarar gravitation som det som håller oss kvar på jorden, annars skulle vi sväva ut i rymden. Äpplet faller till marken då den påverkas av jordens gravitation. Men månen påverkas av någon annan kraft i rymden, då den är utanför jordens atmosfär så påverkas den inte av jordens dragningskraft. Det är samma sak för satelliter säger eleven, men eleven kan inte föra vidare resonemanget då minnet sviker. Efter ett tag svarar eleven att allt som har massa har någon sorts gravitation. Och att ju längre bort från solen föremålet är desto mindre är dragningskraften. Exempelvis har jorden större gravitation än Pluto för att jorden ligger närmare solen. Följdfrågan är då om äpplet påverkar jorden med sin dragningskraft. Elev 4 svarar att det gör den men den kraften är försumbar mot den kraft som jorden påverkar äpplet med. Elev 4 förklarar att stenen som släpps i hålet genom jorden skulle stanna i mitten för att någon kraft skulle stoppa den. Eleven pratar om någon magnetkraft som finns i jorden på grund av jordens järnkärna och magnetfältet som finns runt jorden. Intervju 5 Elev 5 beskriver gravitation som något som drar till sig föremål. gravitationen håller kvar grejerna, utan den skulle allt åka ut i rymden tills man stöter på något föremål. Eleven menar att alla föremål har dragningskraft, massan och vad det är gjort av avgör storleken på kraften. Äpplet påverkas av jordens dragningskraft och äpplet påverkar jorden med en kraft som är mycket mindre. Eleven förklarar att månen inte ramlar ned därför att månen påverkas av andra krafter som finns i rymden. Eleven kan inte säga vad det är för några krafter bara att det finns andra krafter, kanske andra dragningskrafter. Dessutom tillägger eleven att månens fart skapar en centrifugalkraft som motverkar jordens dragningskraft. Problemet med stenen förklarar eleven att stenen kommer att stanna i mitten därför att allting dras till jordens centrum. Intervju 6 Elev 6 förklarar gravitation med att det är det som håller oss kvar på jorden. Alla saker i universum har en dragningskraft i sig. Ju större ett föremål är desto större är dragningskraften. Följdfrågan är om stolen i rummet påverkar mig med en kraft. Eleven svarar ja, men att stolens kraft på mig är mycket mindre på grund av dess mindre massa. Men det är inte bara massan som avgör gravitationens storlek det är dessutom storleken på föremålet och densiteten. Äpplet faller till marken på grund av jordens gravitation. Månen däremot faller inte därför att den har en fart som åstadkommer en centripetalkraft. Den kraften ändrar sedan riktningen på månens hastighet. Stenen som släpps genom hålet som går från pol till pol kommer efter ett tag att stanna i mitten. Innan den stannar i mitten kommer stenen att pendla fram och tillbaka i hålet med allt mindre pendlingsväg. Stenen kommer att pendla för att den har en hastighet som hela tiden bromsas upp av gravitationen. Kraften kommer hela tiden att vara motriktad hastigheten. Intervju 7 Elev 7 svarar på frågan om gravitation att det är en kraft som verkar mellan två eller flera föremål. Äpplet som faller har också dragningskraft men den är mycket mindre än jordens dragningskraft, så äpplets kraft på jorden är försumbar. Eleven säger att tyngden på föremålet bestämmer storleken på föremålets gravitation. Månen faller inte ned för att den påverkas av en centrifugalkraft som motverkar jordens dragningskraft. Eleven motiverar detta med att alla krafter har en motkraft. Eleven svarar på problemet med stenen att den kommer att falla till andra sidan jorden och sedan stanna där. 29

35 Bilaga 4 Newtons tre lagar: Första lagen: När resultanten av alla krafterna som verkar på ett föremål är lika med noll, är föremålet i vila eller i rörelse med konstant hastighet längs en rät linje. Andra lagen: När ett föremål påverkas av krafter, får föremålet en acceleration som har samma riktning som resultanten av alla krafterna. Resultantkraften (F) är lika med massan (m) multiplicerad med accelerationen (a), F=m a. Tredje lagen: När ett föremål A påverkas av en kraft F A från ett föremål B, påverkas B med en kraft F B B från A. De två krafterna är lika stora, men motsatt riktade: FB = F A Krafterna verkar längs den räta linjen mellan de två föremålen (Ergo fysik). 30

36 Bilaga 5 Tyngdaccelerationens variation på jorden Bilden visar hur tyngdaccelerationen varierar med djupet inuti jorden. 31